优化理论与最优控制光伏发电综述学号:1130605027姓名:徐立专业:控制理论与控制工程2012年7月4日1摘要:在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天,人们渴望用取之不尽,用之不竭的可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术,能满足人类的需要。太阳能光伏发电作为一种既清洁又环保的绿色能源,是近期急需的能源补充,又是未来能源结构的基础。然而,光伏电池的输出特性具有强烈的非线性,且受外界环境因素影响大,所以如何有效的利用太阳能,提高太阳能利用效率,成为太阳能利用中一个迫切需要解决的问题。本文以光伏发电系统为研究对象,介绍了太阳能光伏发电的原理、光伏发电系统的运行方式,以最大效率利用太阳能为主要目标,展开了光伏发电系统效率最优化的理论和实验研究。关键词:太阳能;光伏发电;最优化;MATLAB仿真Abstract:Today,energysourcesdriedupandenvironmentalpollutionismoreandmoresevere.Peoplearelongingforthatrenewableenergysourcestaketheplaceofruleenergysources.Butphotovoltaictechnologycanbesatisfiedwithhumanbeings.Asacleaningenergy,solarPVsystemisnotonlysupplementaryinthenearfuturesoures,butalsoisgroundinginthefuturesourcesstruction.However,astheoutputcharacteristicofphotovoltaiccellsisnon-linear,andbeeasilyinfluencedbytheouterenvironment,howtomaketheuseofsolarenergymoreeffectivehasbecomeadifficultprobleminthisarea.Thispapertriestostudyphotovoltaicsystemwiththetargetofmaximizingtheefficiencyofsolarenergy,andboththetheoreticalandexperimentalresearchofphotovoltaicsystemefficiencyoptimizationhasbeendone.Keywords:Solarenegy;PVgenerateelectricity;Optimization;MATLABSimulation2一光伏发电的发展进程随着全球工业化的进程,人类对能源需求在不断增长。回顾100年间能源工业的发展历史,可以清楚地看到,整个能源工业的消耗主要以化石能源为主。人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资源。煤和石油作为能源的载体,极大地解放了生产力,推动了全世界工业化的进程,同时也向人类敲响了常规能源已面临枯竭的警钟[2]。据国际能源权威年鉴《BP世界能源统计》2005年6月发布的数据显示,2004年世界一次能源消耗量为1.02*1010t石油量。到2005年底,世界石油可采量为45年,天然气可采量为61年,煤炭可采量为230年。图1为我国与世界主要常规能源储量预测图[3]。图1我国与世界主要常规能源储量预测图从图1可以看出,全球常规能源可开采量已屈指可数。中国的常规能源远远低于世界平均水平,约为世界总储量的10%。这些传统的燃料能源一天天减少,也与此同时全球还有约20亿人得不到正常的能源供应[11]。这个时候把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,维持长远的可持续发展。在现实中,太阳能、风能、生物质能成为三大最为看好的可再生能源品种。上世纪80年代,风能、太阳能、现代生物质能等技术应用和产业也在政府的支持下稳步发展,而近几年,太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点。丰富的太阳辐射能,是取之不尽用之不竭、无污染、廉价的能源。太阳能每秒钟投射到地球上的能量高达1.757*1017J,假如把地表面0.1%的太阳能转为电能,转变率5%,每年发电量可达5.6*1012kWh,相当于目前世界上能耗的40倍[4]。因此世界上许多发达国家和部分发展中国家都十分重视太阳能在未来能源供应中的重要作用。二光伏发电的组成和分类2.1太阳能光伏发电与传统发电方式相比具有下列优点:(1)数量巨大。每年到达地球表面的太阳辐射能约为1.8*1014t标准煤,即约为目前全世界所消费的各种能量总和的1*104倍。(2)清洁干净。太阳能安全卫生,对环境无污染,不损害生态环境,是当之无愧的“清洁能源”。(3)获取方便。太阳能分布广泛,既不需开采和挖掘,又不用运输,对解决边远山区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应具有很大的优越性。(4)时间长久。只要有太阳,就有太阳辐射能,因此是取之不尽,用之不竭的能源。32.2光伏发电系统的组成光伏发电系统是利用光伏电池的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池(组)构成。太阳能电池板:是光伏发电系统中的核心部分,其作用是将太阳能直接转换成电能,供伏在使用或存储于电池内备用。太阳能控制器:太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压,快速、平稳、高效的为蓄电池充电,并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池,避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载,通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因,光伏电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。逆变器:逆变器的作用就是将光伏电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成220V交流电,供给交流负载使用。蓄电池(组):蓄电池(组)的作用是将光伏阵列发出的直流电直接储存起来,供负载使用。在光伏发电中,蓄电池处于浮充放点状态,当日照量大时,除了供给负载用电外,还对蓄电池充电;当日照亮小时,这部分储存的能量将逐步放出。2.3光伏发电系统按与电力系统的关系分类,通常分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。(1)独立供电的光伏发电系统整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。太阳能电池板作为系统中的核心部分,尤其是将太阳能直接转换成直流形式的电能,一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。图1-1独立运行的光伏发电系统结构框图(2)并网光伏发电系统4图1-2并网光伏发电系统结构框图光伏发电系统直接与电网连接,其中逆变器很重要的作用,要求具有与电网连接的功能。(3)混合型光伏型发电系统图1-3为混合型光伏发电系统,它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组,当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时,可以启动备用发电机组,它既可以直接给交流负载供电,又可以经整流器后给蓄电池充电,所以称为混合型光伏发电系统。图1-3混合型光伏发电系统结构图三太阳能光伏发电原理及光伏电池分类3.1太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏打效应。太阳能电池实际上是由若干个p_n结构成。当太阳光照射到p_n结时,一部分被反射,其余部分被p_n结吸收,被吸收的辐射能有一部分变成热,另一部分以光子的形式与组成p_n结的原子价电子碰撞,产生电子空穴对,在p_n结势垒区内建电场的作用下,将电子驱向n区,空穴驱向p区,从而使得n区有过剩的电子,p区有过剩的空穴。这样在p_n结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除一部分抵消内建电场外,还使p型层带正电,n型层带负电,在n区和p区之间的薄层产生光生电动势,这种现象称为光生伏打效应。若分别在p型层和n型层焊上金属引线,接通负载,在持续光照下,外电路就有电流通过,如此形成一个电池元件,经过串并联,就能产生一定的电压和电流,输出电能,从而实现光电转换。即把光能转换成电能的能量转换器,就是光伏电池。光电效应光伏电池的工作原理图,如图2-1(a)(b)所示:5a太阳能半导体晶片b晶片受太阳光照过程中带正电的空穴向P型半导体区移动带负电的电子向N型半导体区移动3.2光伏电池的分类(1)晶体硅光伏电池。晶体硅光伏电池的原料、光电转换效率高,是目前发展最快的光伏电池。目前常见的光伏电池均为晶体硅光伏电池,常见的晶体硅光伏电池有单晶硅电池和多晶硅电池两种。单晶硅电池的光电转换效率高,但成本也高;多晶硅电池的价格和光电转换效率均适中。因此多晶硅光伏电池成为目前太阳恩呢更光伏发电系统采用最多的光伏器件,其次使用的是单晶硅光伏电池,这两者占据了光伏电池市场的大部分份额。(2)非晶硅光伏电池。非晶硅光伏电池资源丰富,制造过程简单,制造能耗低,所以作为成本的光伏电池引入注目,具有投资回收时间短,回报率高的特点。目前其转换效率比单晶硅光伏电池的稍低。(3)化合物半导体光伏电池。化合物半导体光伏电池有许多种类,砷化镓光伏电池就是其中一种,其转换效率很高,但存在资源缺乏、有公害等问题。3.3光伏阵列的最大功率点跟踪控制使用方法光伏阵列的输出电压和输出电流随着外部环境或负载的变化具有强烈的非线性,因此在特定的工作环境下存在一个唯一的最大功率输出点。光伏阵列能否工作在最大功率点取决于光伏阵列所带的负载大小,图3-1是光伏阵列时的等效电路图。6图3-1光伏阵列工作的等效电路图图3-2是用图解法得出光伏阵列的工作点的示意图。图3-2中曲线为光伏阵列输出的电流电压(I-V)特性曲线,直线表示负载电阻的I-V特性,二者的交点即为光伏阵列的工作点,工作点的电压电流既要符合光伏阵列的I-V特性又符合负载自身的I-V特性。如果两条线的交点不在最大功率点,此时负载和光伏阵列就处于失配状态,光伏阵列所产生的电能就没有被充分利用[10]。图3-2光伏组件的工作点无法认为控制外界环境因素的变化,温度和光强在一天中经常是不断变化的,光伏阵列的输出特性也要随之变化,要使光伏阵列始终能够输出最大功率,必须适时改变其所接的负载。通常在光伏阵列和负载之间串联最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,MPPT)电路来实现[15]。最常用的最大功率点跟踪示意图如图3-3所示,是一个DC/DC变换器,光伏阵列所带的等效负载是DC/DC变换器占空比D和其所带负载Rload的函数,调节占空比就可以达到改变光伏阵列所带负载的目的,从而实现最大功率点跟踪。其中光伏电池模型中I-V特征式为:maxmaxmax1()exp(1)VIVbVb(a-1)其中各变量的含义:V----光伏阵列输出电压,I(V)-----光伏阵列输出电流,Vmax---在光照强度为100的情况下,光伏电池阵列的额定开路电压。Imax----最大电流,依赖于额定短路电流I(0),式(a-2)给出Imax和I(0)之间的关系。7b---I-V特征指数常数,由(a-3)给出;α—光伏电池光照密度百分比;γ---线性因子,依赖于Vmax,由式(a-4)给出,定义为光照强度最大和最小时的电压损失百分比。其中,Vmin是指光照强度少于20%时的额定开路电压。max(0)1exp()Ib(a-2)max1(1)bVbV(a-3)minmax1VV(a-4)图3-3常用最大功率点跟踪电路示意图MPPT(最大功率点跟踪)控制算法是太阳能光伏发电系统高效利用太阳能的关键技术之一。四最大功率点跟踪方法的比较及基于遗传算法的光伏发电系统的效率优化4.1最大功率点跟踪的原理在光伏发电系统中,光伏电池是最基本的环节,若要提高整个系统的效率必须要提高光伏电池的转换效率,使输出功率为最大功率。然而光伏电池的I-V特性具有非线性,并且它随着外界环境(温度、日照强度)的变化而变化,所以不好控制。
本文标题:光伏发电报告
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