直流微電網(wǎng)光伏模擬器畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　太陽(yáng)能是一種不會(huì)枯竭的綠色能源，在能源匱乏的今天受到很多國(guó)家的重 視，但是對(duì)于太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用全人類(lèi)還做的不夠。目前對(duì)太陽(yáng)能的利用主要在 于光伏系統(tǒng)，而光伏陣列則是光伏系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到電能轉(zhuǎn)換的重要 部分。但是由于光伏陣列的研究成本高、效率很低、占地面積大，這給科學(xué)研究 帶來(lái)了很大的困難。本文介紹直流微電網(wǎng)與光伏模擬

2、器的發(fā)展現(xiàn)狀及前景，了解 直流微電網(wǎng)與光伏陣列的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，介紹一種數(shù)字式的直流微電網(wǎng)光伏模擬 器，了解這種模擬器的基本原理及結(jié)構(gòu)，說(shuō)明對(duì)于這種模擬器研究的必要性與經(jīng) 濟(jì)性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流微電網(wǎng)；光伏模擬器；微電網(wǎng)；光伏陣列</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Solar energy

3、is a green energy that can not be depleted .lacking of energy is in the attention of many countries today,but humanity has not done enough for the development and utilization of solar energy.Current use of solar energy m

4、ainly in photovoltaic systems,while the PV array is the core of the PV system and is an important part of the realization of solar energy to electrical energy conversion.However, due to the high research costs of the PV

5、array,low efficiency,large area,which gives sci</p><p>　　Keywords:Micro DC-Grid；Solar Simulator；Micro-Grid ；PV Array</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1緒論...................

6、................................................................................................... 1</p><p>　　1.1 課題的背景及意義....................................................................................

7、...... 1</p><p>　　1.2 直流微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀.................................................................................. 2</p><p>　　1.3 直流微電網(wǎng)的研究前景......................................................

8、............................ 3</p><p>　　1.4 光伏發(fā)電的研究現(xiàn)狀...................................................................................... 3</p><p>　　1.5 光伏發(fā)電的研究前景..............................

9、........................................................ 4</p><p>　　1.6 本文的主要工作.............................................................................................. 4</p><p>　　2直流微電網(wǎng)..

10、........................................................................................................ 5</p><p>　　2.1 直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)...............................................................................

11、........... 5</p><p>　　2.2 直流微電網(wǎng)的特點(diǎn).......................................................................................... 6</p><p>　　2.3 直流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的研究.........................................

12、................................. 7</p><p>　　2.4 直流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題.................................................................. 8</p><p>　　2.5 直流微電網(wǎng)的并網(wǎng)方式及控制方法..................................

13、............................ 8</p><p>　　2.6 微電網(wǎng)的使用.................................................................................................. 8</p><p>　　3光伏模擬器...........................

14、................................................................................. 11</p><p>　　3.1 光伏電池........................................................................................................

15、11</p><p>　　3.2 太陽(yáng)能電池光伏陣列輸出的主要參數(shù)....................................................... 11</p><p>　　3.3 太陽(yáng)能電池光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤........................................................ 12</p><

16、;p>　　3.4 光伏電池的仿真............................................................................................ 13</p><p>　　3.5 太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器的組成............................................................ 15&

17、lt;/p><p>　　3.6 太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器設(shè)計(jì)要求....................................................... 17</p><p>　　3.7 太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器的原理........................................................... 17</p><

18、p>　　3.8 一種數(shù)字式光伏模擬器............................................................................... 19</p><p>　　3.9 太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器的作用........................................................... 21</p>&

19、lt;p>　　4光伏發(fā)電系統(tǒng)........................................................................................................ 23</p><p>　　4.1 光伏發(fā)電的特點(diǎn).............................................................

20、............................... 23</p><p>　　4.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)............................................................................ 23</p><p>　　4.3 直流微電網(wǎng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用..........................

21、.............................. 25 總結(jié)...................................................................................................................... 27</p><p>　　致謝....................................

22、.................................................................................. 28</p><p>　　參考文獻(xiàn)............................................................................................................

23、.......... 29</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1 課題的背景及意義</p><p>　　在當(dāng)今世界上，各個(gè)國(guó)家都將經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作為主要任務(wù)，故而，對(duì)能源的需 求也是日益增大，可以說(shuō)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)離不開(kāi)能源的開(kāi)發(fā)利用。目前世界范圍內(nèi)的國(guó) 家都已煤、石油、天然氣等化石能源為主。但這些化石能源都是不可再生且

24、及其 有限的能源。據(jù)聯(lián)合國(guó)能源署的報(bào)告稱(chēng)，以目前地球上各國(guó)開(kāi)采化石能源的速度 和地球化石能源的存儲(chǔ)量來(lái)計(jì)算，煤炭資源可供開(kāi)采 30 年，石油資源可供開(kāi)采 30 年，天然氣資源可供開(kāi)采 50 年?？梢哉f(shuō)未來(lái)五十年，人類(lèi)將把地球上幾億年 儲(chǔ)存的化石能源消耗殆盡。而且開(kāi)采能源也會(huì)引發(fā)一系列的環(huán)境問(wèn)題。可以說(shuō)人 類(lèi)面臨的不僅僅是能源的匱乏，還有生存環(huán)境的挑戰(zhàn)。</p><p>　　人類(lèi)對(duì)化石能源的使用排放了大量的二氧化碳

25、[1]，這就造成全球氣候變暖， 南北極冰川融化，陸地的干旱、沙漠化逐年加重?？梢哉f(shuō)未來(lái)如果人類(lèi)還是如此 依賴(lài)化石能源必將造成十分嚴(yán)重的環(huán)境、氣候問(wèn)題。解決能源問(wèn)題、保護(hù)生態(tài)環(huán) 境是人類(lèi)急需解決的兩件大事，各國(guó)也在積極開(kāi)發(fā)新能源。目前對(duì)一些可再生的 能源如水力、風(fēng)能、潮汐、地?zé)崮艿鹊拈_(kāi)發(fā)利用受到了廣泛的關(guān)注。但是這些能 源的利用很容易受到天氣、地域的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成影響。 而還有一種比較特別的能源核能也受到廣泛的研究，

26、但是隨著前蘇聯(lián)切爾諾貝利 核泄漏事件和 2011 年日本地震引起的核泄漏事情給社會(huì)造成了極大的危害，人 們對(duì)核能利用的副作用更加關(guān)注，這就要求對(duì)核能的利用的技術(shù)必須更加成熟過(guò) 關(guān)。根據(jù)這些情況，為了解決能源和環(huán)境壓力，人類(lèi)必須開(kāi)發(fā)出一種清潔可靠的 可再生能源[2]，如此方能滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)能源的需求已經(jīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。</p><p>　　目前來(lái)說(shuō)，最為清潔可靠的可再生能源當(dāng)屬太陽(yáng)能。太陽(yáng)能獲取簡(jiǎn)單方便， 人類(lèi)取之不

27、盡。據(jù)相關(guān)計(jì)算，太陽(yáng)每一秒鐘發(fā)出的能量相當(dāng)于地球上 1.3 億億噸 煤燃燒產(chǎn)生的熱量，而其中照射到地球表面的約為全球發(fā)電力總和的 20 萬(wàn)倍。 更為關(guān)鍵的是太陽(yáng)能發(fā)電沒(méi)有廢物排放，清潔綠色，利于人類(lèi)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)， 而其發(fā)電形式多種多樣，不會(huì)受到空間地域的影響。從上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始，各國(guó)已經(jīng)</p><p>　　開(kāi)始了對(duì)太陽(yáng)能的研究利用。上世紀(jì) 90 年代許多國(guó)家開(kāi)始實(shí)行光伏屋頂計(jì)劃[3]，</p>&l

28、t;p>　　讓光伏發(fā)電伴隨建筑物。光伏屋頂是指將光伏電池陣列安裝在屋頂或者墻壁，就</p><p>　　地發(fā)電用電。這樣可以節(jié)省電網(wǎng)的許多架線送點(diǎn)設(shè)施，安全高效。這種發(fā)電用電 方式安裝簡(jiǎn)單利于推廣，受到許多國(guó)家的重視。雖然有光伏屋頂計(jì)劃對(duì)太陽(yáng)能的 利用,但是總體來(lái)講對(duì)太陽(yáng)能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因而研究出高效的太陽(yáng)能發(fā)電 系統(tǒng)是十分有必要的。目前世界上的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)主要核心是光伏發(fā)電系 統(tǒng)中的光伏陣列，只

29、要研究出能適應(yīng)各種條件下的光伏陣列，就能將太陽(yáng)能的利 用效率最大化。</p><p>　　光伏陣列因其占地面積大、效率較低、成本大給科研帶來(lái)了很大不便，這是 設(shè)計(jì)一種模擬器，模擬出光伏陣列在各個(gè)環(huán)境下的工作狀況對(duì)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展光伏 發(fā)電的研究是時(shí)分有必要的。而利用直流微電網(wǎng)的光伏模擬器對(duì)于太陽(yáng)能的利用 又尤其獨(dú)特的優(yōu)越性，從直流微電網(wǎng)的特點(diǎn)來(lái)講可以歸納為以下幾個(gè)方面：（1） 直流微電網(wǎng)中不需考慮交流微源的輸出電壓、

30、相位、頻率等，可直接接入直流母 線。只需一次 AC/DC 或者 DC/DC 換流，換流簡(jiǎn)單，損耗小。而母線也只需一次 DC/AC 逆變器即可。整個(gè)系統(tǒng)成本低損耗小。（2）直流微網(wǎng)中因其能量只與直流 母線電壓有關(guān)，利于各個(gè)微源的協(xié)調(diào)控制。（3）在主網(wǎng)故障時(shí)，直流微網(wǎng)只需利 于并網(wǎng)換流器閉鎖功能，即可迅速?gòu)拇箅娋W(wǎng)切斷，進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)微網(wǎng) 中的負(fù)荷仍可以正常用電，不受主網(wǎng)故障的影響。（4）直流微網(wǎng)通可以供給很高 的電能質(zhì)量，因其負(fù)荷側(cè)

31、的換流裝置，當(dāng)某處負(fù)荷發(fā)生短路故障是，其余負(fù)荷不 受影響，供電有保障。（5）直流微網(wǎng)有儲(chǔ)能功能，將儲(chǔ)存的電能作為一個(gè)能量緩 沖器，這就可以平衡各處微源，解決負(fù)載短期能量不足的問(wèn)題。</p><p>　　總之從直流微電網(wǎng)的特點(diǎn)可以看出直流微電網(wǎng)光伏發(fā)電在未來(lái)對(duì)太陽(yáng)能的 開(kāi)發(fā)利用中必將起到無(wú)法估量的作用。研究直流微電網(wǎng)光伏模擬器對(duì)光伏發(fā)電的 科研具有巨大的推動(dòng)作用，必將大大簡(jiǎn)化光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究，直流微電網(wǎng)光伏 發(fā)電

32、系統(tǒng)在未來(lái)必將為人類(lèi)的新能源開(kāi)發(fā)與利用做出突出貢獻(xiàn)。</p><p>　　1.2 直流微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　從 2002 年美國(guó) CERTS 微電網(wǎng)被提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家的 科學(xué)家研究與實(shí)踐，微電網(wǎng)定義慢慢被完善。更有利于微電網(wǎng)的推廣與利用。 CERTS對(duì)微電網(wǎng)的定義為：微電網(wǎng)是一種由微型電源和負(fù)荷共同組成的系統(tǒng)， 它可以同時(shí)提供電能和熱量。美國(guó)因?yàn)槠浣?/p>

33、年一些停電現(xiàn)象，使美國(guó)更加注重 工業(yè)用電的可靠性，美國(guó)對(duì)于微電網(wǎng)的研究也更加注重于可靠性的研究，美國(guó)北</p><p>　　部電力系統(tǒng)承建了第一個(gè)微電網(wǎng)示范工程。歐盟也有相應(yīng)的微電網(wǎng)項(xiàng)目，因?yàn)闅W 盟希望能夠優(yōu)化電源到用戶(hù)的產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)發(fā)展分布式微電源，而因?yàn)闅W盟的電源與 負(fù)荷相隔較近，因此歐盟的研究方向主要在微電網(wǎng)的互聯(lián)的問(wèn)題。日本因?yàn)槠浔?土資源匱乏，對(duì)于微電網(wǎng)的研究也投入很大，主要對(duì)于微電網(wǎng)中的能量?jī)?chǔ)存研究 更多

34、，日本的青森縣、愛(ài)知、和京都都有世界領(lǐng)先的微電網(wǎng)項(xiàng)目。在我國(guó)微電網(wǎng) 方面的研究尚處于起步階段，但是微電網(wǎng)的特點(diǎn)是十分適合我國(guó)電力發(fā)展的。</p><p>　　1.3 直流微電網(wǎng)的研究前景</p><p>　　直流微電網(wǎng)技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)性與可靠性使得世界各國(guó)都投入大量經(jīng)費(fèi)于技術(shù) 研究中，直流微電網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)、發(fā)展、成熟必將改變傳統(tǒng)的電網(wǎng)應(yīng)對(duì)負(fù)荷增長(zhǎng) 的方式。直流微電網(wǎng)的出現(xiàn)能夠減少電力系統(tǒng)能耗、

35、提高電力系統(tǒng)的可靠性。經(jīng) 濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家如美國(guó)、日本等都十分重視微電網(wǎng)的發(fā)展研究，只有微電網(wǎng)提供的 穩(wěn)定可靠的電能才能保證國(guó)內(nèi)電能供應(yīng)，為國(guó)家的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的保障。在我國(guó)</p><p>　　經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，對(duì)電能的質(zhì)量與穩(wěn)定性要求也日益增大。大電網(wǎng)的脆弱 性在這種背景下也日益凸顯。要改善這些情況微電網(wǎng)就是我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展的一 種重要途徑，使電能的供應(yīng)能夠跟上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的腳步。將地理位置相近的重要負(fù) 荷組成微電

36、網(wǎng)，再設(shè)計(jì)出合適的控制管理方法，為這些重要負(fù)荷提供優(yōu)質(zhì)可靠的 電能，這樣不僅可以解決電能供應(yīng)的一些問(wèn)題，對(duì)于節(jié)能環(huán)保也是有重要作用的。 國(guó)家能源局也計(jì)劃在“十二五”期間建設(shè) 30 個(gè)微電網(wǎng)示范工程，各級(jí)政府已經(jīng) 出臺(tái)了一些支持性政策，自下而上推動(dòng)力越來(lái)越顯著。就目前來(lái)說(shuō)直流微電網(wǎng)技 術(shù)還存在許多問(wèn)題，但直流微電網(wǎng)在各國(guó)發(fā)展迅速，相信在不久的將來(lái)，直流微 電網(wǎng)技術(shù)必將廣泛的應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。</p><p>　　1

37、.4 光伏發(fā)電的研究現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)今世界上光伏發(fā)電發(fā)展十分迅速，特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā) 電十分重視，大力發(fā)展。自 20 世界 80 年代開(kāi)始，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展如何，太陽(yáng)能光 伏發(fā)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)一直以 10%-25%的增速飛速發(fā)展[4]。90 年代后期太陽(yáng)能光伏發(fā)電 的發(fā)展達(dá)到一個(gè)頂峰，是當(dāng)時(shí)世界上成長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。截止到 2004 年，世界上太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量高達(dá) 964.9MW，

38、而到 2005 年這一數(shù)值增長(zhǎng) 到 4961.69MW。目前來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)商業(yè)化，在國(guó)際上太陽(yáng)能光伏發(fā)</p><p>　　電的成本約為 0.25 美元（kwh）,太陽(yáng)能光伏電池的價(jià)格約為 3.15 美元/W，并網(wǎng) 價(jià)格約為 6 美元/W。可以說(shuō)隨著發(fā)電轉(zhuǎn)化效率的提高，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的利潤(rùn)正 在逐年增加。目前警惕硅光電池光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到 15%，單晶硅光電池光電轉(zhuǎn)化率 高達(dá) 23.3%。而且光伏電池的使用

39、壽命也十分長(zhǎng)久，可使用 30 多年。隨著技術(shù) 的進(jìn)步，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化率與太陽(yáng)能電池的使用壽命必將繼續(xù)提高。</p><p>　　我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電也在飛速發(fā)展中，20 世界 90 年代開(kāi)始我國(guó)太陽(yáng)能光 伏發(fā)電發(fā)展十分快速。到 2004 年我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 35MW， 占世界份額的 3%。目前，國(guó)內(nèi)五大發(fā)電集團(tuán)、四小發(fā)電豪門(mén)都投入到了太陽(yáng)能 光伏發(fā)電的開(kāi)發(fā)研究中，必將使我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電

40、產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展高 潮當(dāng)中。</p><p>　　1.5 光伏發(fā)電的研究前景</p><p>　　近些年人類(lèi)的發(fā)展對(duì)地球環(huán)境造成了很大的破壞，而環(huán)?，F(xiàn)在也成為了各個(gè) 國(guó)家注重的，越是發(fā)達(dá)的國(guó)家越注重對(duì)環(huán)境的保護(hù)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電因其環(huán)保、 高效、長(zhǎng)壽等優(yōu)勢(shì)必將是未來(lái)能源的主流。隨著技術(shù)的突破，太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn) 業(yè)將不斷完善與發(fā)展，成本將進(jìn)一步降低。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，2050 年太陽(yáng)能光伏發(fā) 電

41、將占全球發(fā)電量的 13%-15%，2100 年將占 64%。我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電前景 也是一片光明，預(yù)計(jì)到 2020 年太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本在我國(guó)將下降到 0.60 元/</p><p>　?。╧wh）,我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)將達(dá)到世界先進(jìn)水平[5]。</p><p>　　1.6 本文的主要工作</p><p>　　本文主要介紹國(guó)內(nèi)外的直流微電網(wǎng)及光伏發(fā)電技術(shù)，了解

42、世界各國(guó)直流微電 網(wǎng)及光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和研究前景，說(shuō)明該課題存在的必要性和重要性。文中主要 介紹現(xiàn)行的直流微電網(wǎng)和光伏模擬器的方案，研究光伏電池的特點(diǎn)和在生產(chǎn)中的 的特性。使用 MATLAB 對(duì)光伏電池進(jìn)行仿真，來(lái)驗(yàn)證光伏電池的特性曲線。直流 微電網(wǎng)技術(shù)與光伏發(fā)電技術(shù)都是世界尖端技術(shù)，要說(shuō)明這些技術(shù)的優(yōu)越性和基本 原理。對(duì)直流微電網(wǎng)光伏模擬器從結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、用途幾方面進(jìn)行研究。</p><p><b>　　

43、2直流微電網(wǎng)</b></p><p>　　2.1 直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　微電網(wǎng)是相對(duì)于常規(guī)大電網(wǎng)而言的，是指多個(gè)分布式電源及相關(guān)負(fù)載按一定 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)并至大電網(wǎng)。微電網(wǎng)是一種較為新型的 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最多的大電網(wǎng)相比，微電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、 保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行[6]。微電

44、網(wǎng)的控制系統(tǒng)如下圖 2-1 所示：</p><p>　　圖 2-1微電網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)</p><p>　　微電網(wǎng)分為直流微電網(wǎng)與交流微電網(wǎng)兩種，其中直流微電網(wǎng)中系統(tǒng)中的儲(chǔ)能 裝置、DG、負(fù)荷等均通過(guò)電力電子變換裝置接入直流母線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 2-2。 直流微電網(wǎng) DG 與母線之間僅有一級(jí)電壓變換，這就大大節(jié)約了系統(tǒng)的建設(shè)成 本，且無(wú)需考慮 DG 同步的問(wèn)題，這就降低了直流為電網(wǎng)的技術(shù)難度

45、，對(duì)于推廣 直流微電網(wǎng)有很大幫助。與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)因其電壓變換少，這 樣能夠減少在電壓變換時(shí)的能量損耗?？梢哉f(shuō)直流微電網(wǎng)是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的聯(lián)網(wǎng) 方式。</p><p><b>　　單相交流母線</b></p><p><b>　　三相交流母線</b></p><p><b>　　配電網(wǎng)</b>

46、;</p><p><b>　　ACACAC</b></p><p><b>　　DCDCDC</b></p><p><b>　　直流母線</b></p><p><b>　　DCDC</b></p><p><b

47、>　　DCDCDC</b></p><p><b>　　ACDCAC</b></p><p><b>　　DCDC</b></p><p><b>　　交流直流</b></p><p><b>　　儲(chǔ)能儲(chǔ)能</b></

48、p><p><b>　　交流直流</b></p><p><b>　　DGDG</b></p><p><b>　　直流負(fù)荷</b></p><p>　　圖 2-2直流微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2 直流微電網(wǎng)的特點(diǎn)</p>

49、;<p>　　現(xiàn)在社會(huì)對(duì)于能源的應(yīng)用主題在于節(jié)能與環(huán)保，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能從本質(zhì)上來(lái)講也 是為了這兩點(diǎn)。要解決能源問(wèn)題除了開(kāi)發(fā)清潔可靠的新能源這一方法，改善電能 的運(yùn)輸方式也是一種非常可靠的手段。采用微電網(wǎng)因其輸送電能的靈活性深受重 視，但在微電網(wǎng)中，直流微電網(wǎng)相比較于交流微電網(wǎng)則具有更大的優(yōu)勢(shì)。如果將 世界現(xiàn)行的主流的交流供電方式改變?yōu)橹绷鞴╇?，可以?jié)省 20%的電能損耗。可 以說(shuō)直流微電網(wǎng)在供電領(lǐng)域的應(yīng)用可以大大改善當(dāng)今世界緊

50、張的能源問(wèn)題。</p><p>　　直流微電網(wǎng)是通過(guò)一條公共直流母線將所有的微電源鏈接起來(lái)，這樣燃料電 池、光伏發(fā)電、微型汽輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)電等微電源通過(guò)一個(gè)集中的 DC/AC 換流裝置 與大電網(wǎng)相連，這部分結(jié)構(gòu)與交流微電網(wǎng)較為不同。 相比于交流微電網(wǎng)，直流 微電網(wǎng)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）直流微電網(wǎng)系統(tǒng)成本和損耗將大幅度減少。在直 流微電網(wǎng)中，直流母線與各種微型電源的連接形式更為方便、簡(jiǎn)單。不需如同交 流電網(wǎng)那樣考慮

51、電源的輸出電壓的頻率、相位等。直流微電網(wǎng)只需經(jīng)過(guò)一次 DC/DC 或者 AC/DC 變流轉(zhuǎn)換，而且直流母線與大電網(wǎng)之間的連接也只需經(jīng)過(guò)一</p><p>　　次 DC/AC 逆變裝置，可以說(shuō)直流微電網(wǎng)將使供電系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單可靠。（2）直流 微電網(wǎng)中各微電源更容易實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制?？刂浦绷魑㈦娋W(wǎng)只需控制直流母線電 壓，對(duì)潮流的控制更大程度上也與電流控制有關(guān)。（3）與交流微電網(wǎng)相比，直流 微電網(wǎng)中的換流裝置要少了不少，這就

52、大大降低了系統(tǒng)成本和能量損耗。（4）在 先進(jìn)的配電系統(tǒng)中，如果能應(yīng)用直流微電網(wǎng)，可以把太陽(yáng)能光伏發(fā)電所產(chǎn)生的直 流電直接提供給家庭或者企業(yè)的電子設(shè)施，能夠更加有效的利用太陽(yáng)能。</p><p>　　正因?yàn)橛羞@些優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)直流微電網(wǎng)對(duì)于未來(lái)太陽(yáng)能利用有著十分重要的 作用，而直流微電網(wǎng)對(duì)于傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)也是一次十分重要的變革。</p><p>　　2.3 直流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的研究</p

53、><p>　　目前，直流供電在節(jié)能家庭的應(yīng)用較多。如日本廠商提出的“DC 環(huán)保家庭”。 DC 環(huán)保家庭就是將太陽(yáng)能電池所發(fā)的電儲(chǔ)存到充電電池之中，直接使用直流電 來(lái)驅(qū)動(dòng)用電設(shè)備，這樣就沒(méi)轉(zhuǎn)換電能的損耗，當(dāng)沖電電池中的電量用完之后，把 家用的電源轉(zhuǎn)變成直流電，相比起傳統(tǒng)供電，這種直流供電只需要轉(zhuǎn)化一次，可 以節(jié)約能量。日本 NTT 公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了 400V 直流的電源插頭和插排，該公司 還開(kāi)發(fā)出來(lái)支持 380V 的直

54、流供電系統(tǒng)，現(xiàn)正面臨試驗(yàn)。松下公司也正在開(kāi)發(fā)家 用的直流供電系統(tǒng)?？傮w來(lái)講，直流供電系統(tǒng)在家庭用電中的發(fā)展十分迅速，相 信真正普及推廣很快就會(huì)到來(lái)。</p><p>　　直流供電系統(tǒng)不僅僅是在家庭用電里面發(fā)揮著作用，在數(shù)據(jù)通信中已經(jīng)有數(shù) 據(jù)中心開(kāi)始使用直流供電系統(tǒng)了，如互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心 IDC 機(jī)房耗電量大，一般高 達(dá)幾百到幾千千瓦。若仍用 48V 的直流電壓，必然會(huì)使電源設(shè)備效率低、體積大 等。而且這種微點(diǎn)導(dǎo)線截

55、面加粗，輸電能耗也會(huì)更大。為了跟上未來(lái)對(duì)直流供電 的需求，很多國(guó)家都在研究更高電壓的直流供電系統(tǒng)。</p><p>　　2006 年，隸屬于美國(guó)能源部的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）和美國(guó)英 特爾、思科、美國(guó) Nextck 電力系統(tǒng)、日本 NTT 公司和 Sun 等公司合作共同進(jìn)行 了依靠直流方式向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器提供電能的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，使用直流 供電系統(tǒng)消除交直轉(zhuǎn)化過(guò)程每臺(tái)服務(wù)器至少可以降低 9.34

56、%耗電量。減少交直轉(zhuǎn) 化不僅僅節(jié)約了電量，更可以消減設(shè)備費(fèi)用，和數(shù)據(jù)中心設(shè)備的發(fā)熱，這也減少 了數(shù)據(jù)中心制冷所需的費(fèi)用.如果在這些數(shù)據(jù)中心再使用一些如燃料電池、太陽(yáng) 能電池等綠色直流設(shè)備，將節(jié)能環(huán)保做的更加完美。</p><p>　　2.4 直流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題</p><p>　　直流供電系統(tǒng)在全世界發(fā)展迅速，但面臨的難題同樣十分多。第一點(diǎn)，現(xiàn)在 世界上的電網(wǎng)和用電器大多數(shù)都是為

57、交流電設(shè)計(jì)的，直流用電器的使用范圍還十 分小，也沒(méi)有商家敢于冒險(xiǎn)去生產(chǎn)這種直流用電器；第二點(diǎn)，直流供電目前還沒(méi) 有完善的系統(tǒng)規(guī)范，直流供電系統(tǒng)的電壓、插頭形式等等都沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；第 三點(diǎn)，直流供電系統(tǒng)的安全性，安全規(guī)程也不明確，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中也存在 問(wèn)題。如果供電系統(tǒng)采用高電壓，就需要考慮電弧放電等安全問(wèn)題，如果采用低 電壓則電阻損耗會(huì)增加，這就會(huì)增大系統(tǒng)的能量損耗。這些問(wèn)題都對(duì)直流供電系 統(tǒng)的應(yīng)用造成了很大阻力，這些也是直流微電

58、網(wǎng)供電系統(tǒng)推廣所要解決的關(guān)鍵問(wèn) 題。</p><p>　　2.5 直流微電網(wǎng)的并網(wǎng)方式及控制方法</p><p>　　微電網(wǎng)之中會(huì)包含許多不同的微電源，它們的運(yùn)行特性各不相同，這就要對(duì) 不同的電源采用不同的控制方法。而對(duì)于不同的微電源還需要考慮各個(gè)電源與負(fù) 荷的功率平衡，使系統(tǒng)的運(yùn)行能夠穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)兩手抓。微電網(wǎng)內(nèi)部的分布式控制、 集中協(xié)調(diào)的控制運(yùn)行可以說(shuō)是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[7]。&

59、lt;/p><p>　　MS320F28335 型 DSP 數(shù)字控制功率變換器是由直流微電網(wǎng)研究平臺(tái)設(shè)計(jì)的 AD/AC 雙向功率變換器。該功率變換器可以實(shí)現(xiàn)分布式直流供電系統(tǒng)與大電網(wǎng)的 連接，可以控制電網(wǎng)與直流母線之間的能量相互傳遞，提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用 率，為以后變換器的研究提供經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　目前，直流微電網(wǎng)的研究多少對(duì)某一種結(jié)構(gòu)，如光伏電源、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等， 或者是對(duì)一些簡(jiǎn)單

60、的模型進(jìn)行分析處理，但對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用的研究還必將欠缺， 而且實(shí)際的系統(tǒng)與簡(jiǎn)化模擬存在較大的差別。實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于存在直流微電網(wǎng)的 系統(tǒng)不僅僅需要考慮各種微電源的不確定性，還需要考慮并網(wǎng)與離網(wǎng)的相互機(jī) 制，直流微電網(wǎng)并入大電網(wǎng)將改變系統(tǒng)的幾個(gè)，增加潮流的不確定性?？梢哉f(shuō)在 實(shí)際中應(yīng)用直流微電網(wǎng)技術(shù)需要考慮的因素還有很多，需要一一解決。</p><p>　　2.6 微電網(wǎng)的使用</p><p>

61、　　盡管現(xiàn)在世界上還是以大電網(wǎng)更為常見(jiàn)，但是對(duì)于微電網(wǎng)的使用各個(gè)國(guó)家也 是持支持態(tài)度的。微電網(wǎng)也慢慢的走出實(shí)驗(yàn)室，真正使用到生活中，在歐美、日</p><p>　　本等發(fā)達(dá)國(guó)家，微電網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)取得了不錯(cuò)的商業(yè)效果。如下表 2-1 就是歐美國(guó) 家一些商用微電網(wǎng)技術(shù)。</p><p>　　表 2.1 歐美國(guó)家商用微電網(wǎng)</p><p>　　在日本已經(jīng)有數(shù)個(gè)城市微電網(wǎng)投入

62、到實(shí)際使用，而因?yàn)槠滟Y源匱乏，日本微 電網(wǎng)偏向于對(duì)可再生能源的利用，注重孤立型微電網(wǎng)，將微電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)定為能 源供給多樣化、環(huán)?；?，滿(mǎn)足各類(lèi)型用戶(hù)的用電需求。下表 2-2 是日本微電網(wǎng)的 一些結(jié)構(gòu)和供電模式。</p><p>　　表 2-2日本微電網(wǎng)特征和供電模式</p><p>　　微電網(wǎng)在世界發(fā)達(dá)國(guó)家里面發(fā)展迅速，已經(jīng)不僅僅在是理論的存在，慢慢的 也融入到現(xiàn)在的大電網(wǎng)中，發(fā)揮著無(wú)可替

63、代的作用，從節(jié)能環(huán)保方面為人類(lèi)提供 優(yōu)質(zhì)可靠的電能。</p><p><b>　　3光伏模擬器</b></p><p><b>　　3.1 光伏電池</b></p><p>　　光伏電池是一種能量轉(zhuǎn)換的光電組件，在太陽(yáng)光照射光伏電池后，通過(guò)光電 效應(yīng)，將光的能量轉(zhuǎn)換為電能。太陽(yáng)能電池種類(lèi)繁多，按照其制造所用材料來(lái)分 一般

64、可以分為單晶硅、多晶硅、非晶硅等。分類(lèi)如下圖 3-1：</p><p><b>　　單晶硅</b></p><p><b>　　結(jié)晶硅</b></p><p><b>　　硅 基 材料</b></p><p><b>　　非晶硅</b></p>

65、<p><b>　　主體型</b></p><p><b>　　薄膜型</b></p><p><b>　　多晶硅 單晶硅</b></p><p><b>　　多晶硅</b></p><p><b>　　光 伏</b>&

66、lt;/p><p><b>　　電 池</b></p><p><b>　　多化合 物</b></p><p><b>　　二六族</b></p><p><b>　　三五族</b></p><p><b>　　：碲化鎘、硒化

67、銦銅</b></p><p>　?。荷榛?、磷化銦、磷化鎵銦</p><p><b>　　其它材料</b></p><p>　　圖 3-1太陽(yáng)能電池的分類(lèi)</p><p>　　3.2 太陽(yáng)能電池光伏陣列輸出的主要參數(shù)</p><p>　　確定太陽(yáng)能電池光伏陣列輸出的主要參數(shù)有：開(kāi)路電

68、壓 Voc、短路電流 Isc、 峰值功率 Pmax其輸出曲線如下圖 3-2：</p><p>　　圖 3-2太陽(yáng)能電池光伏陣列輸出曲線</p><p>　　從圖中可以看出，當(dāng)太陽(yáng)能電池光伏陣列的輸出電壓很小時(shí)，隨著電壓的增 大，輸出電流變化很小，但當(dāng)輸出電壓超過(guò)臨界值 Vmp 時(shí)，隨著電壓的增大，電 流下降很快。光伏陣列的輸出功率則有一個(gè)最大功率點(diǎn)。在不同的環(huán)境里調(diào)節(jié)光 伏陣列的工作點(diǎn)

69、，使得太陽(yáng)能電池光伏陣列的輸出最大化，這樣就能使得太陽(yáng)能</p><p>　　-電能的轉(zhuǎn)換最大化。</p><p>　　3.3 太陽(yáng)能電池光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤</p><p>　　現(xiàn)今太陽(yáng)能電池光伏陣列在光伏發(fā)電系統(tǒng)中所占比例很大，但是現(xiàn)在太陽(yáng)能 電池的電能轉(zhuǎn)換率并不高，因此必須找到太陽(yáng)能電池光伏陣列的最大功率點(diǎn)，以 此提高效率降低發(fā)電成本。</p>

70、<p>　　太陽(yáng)能電池光伏陣列最大功率點(diǎn)的跟蹤原理：太陽(yáng)能電池的輸出功率受到日 照、溫度等影響，在不同日照與溫度的情況下，太陽(yáng)能電池光伏陣列的短路電流 與開(kāi)路電壓完全不同，但是在每種情況下太陽(yáng)能電池光伏陣列有且僅有唯一的最 大輸出功率點(diǎn)，只有工作在這一點(diǎn)才能使其輸出功率最大[8]。目前太陽(yáng)能電池光 伏陣列最大功率點(diǎn)主要有以下幾個(gè)跟蹤方法：(1)恒電壓法：恒電壓法簡(jiǎn)稱(chēng) CVT。 當(dāng)溫度一定時(shí)，太陽(yáng)能電池光伏陣列輸出最大功率點(diǎn)分

71、步驟一點(diǎn)垂直線上，因而 只需保持太陽(yáng)能電池光伏陣列的輸出電壓為某一日照強(qiáng)度下太陽(yáng)能電池光伏陣 列的最大功率點(diǎn)的電壓，就能大概保證在此溫度下太陽(yáng)能電池光伏陣列輸出功率 最大。(2)擾動(dòng)觀察法：在太陽(yáng)能電池陣列的控制周期用較小的步長(zhǎng)來(lái)改變，改 變的步長(zhǎng)一定但是方向可以減少也可以增加，控制對(duì)象為太陽(yáng)能電池陣列的電壓 或者電流，這個(gè)過(guò)程可以稱(chēng)之為“擾動(dòng)”，只需比較干擾周期前后的太陽(yáng)能電池</p><p>　　陣列的輸出功

72、率就可知道最大功率點(diǎn)應(yīng)該如何調(diào)，如果輸出功率增大則繼續(xù)上周 期的“干擾”方向；如果輸出功率減小則改變“干擾”方向。(3)增量導(dǎo)電法： 這種方法的提出是為了解決擾動(dòng)觀察法里面功率損失的問(wèn)題。從圖 4 的曲線中不 難得出，太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率-電壓（P-V）曲線為單峰曲線，當(dāng)輸出功率 最大時(shí)，輸出功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為 0.增量導(dǎo)電法主要是在日照發(fā)生改變時(shí)是太陽(yáng) 能電池光伏陣列的輸出電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤變換，使整個(gè)太陽(yáng)能光伏電池光 伏陣列

73、工作在最大功率下，提高效率。</p><p>　　利用上述三種方法跟蹤最大功率點(diǎn)有利于使太陽(yáng)能電池光伏陣列工作效率 提高，可以說(shuō)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電里面不可缺少的技術(shù)部分。</p><p>　　3.4 光伏電池的仿真</p><p>　　光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件，是太陽(yáng)能發(fā)電的最基本的單 元。目前光伏電池普遍使用的是硅材料，而光伏電池發(fā)電的原理是光生伏打效

74、應(yīng)： 當(dāng)光伏電池吸收太陽(yáng)能時(shí)，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，光生電子和空穴在電池內(nèi)部 電場(chǎng)的作用下分離，這樣就形成了光生電壓，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“光生伏特效應(yīng)”。 如果在兩側(cè)接上負(fù)載，負(fù)載上就會(huì)流過(guò)一定的電流，獲得一定的功率[9]。這就是 光伏電池最基本的原理。如下圖 3-3 就是光伏電池的等效模型。其中 Iph 就是光 生電流，ID1、ID2 表示流過(guò)二極管 D1 與 D2 的電流，Ir 表示反向擊穿電流，VD 表示 Rsh 的兩端電壓，RS、Rs

75、h 表示等效的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，電池的輸出電流為 I，</p><p>　　輸出端口電壓為 V[10]。I</p><p><b>　　IphIDID</b></p><p><b>　　12</b></p><p><b>　　RS</b></p>&

76、lt;p><b>　　Ish VD</b></p><p><b>　　IrRsh</b></p><p><b>　　V</b></p><p>　　圖 3-3光伏電池等效模型</p><p>　　根據(jù)這個(gè)數(shù)學(xué)模型利用 MATLAB 構(gòu)建仿真，通過(guò)仿真得到電池的輸出

77、特性曲 線從而來(lái)驗(yàn)證模型搭建的是否正確。下圖就是 MATLAB/Simulink 搭建的模型，如 下圖 3-4 所示：</p><p>　　圖 3-4光伏電池 MATLAB 仿真圖</p><p>　　通過(guò)仿真可以得出光伏電池的輸出特性曲線，如下圖 3-5、圖 3-6、所示：</p><p>　　圖 3-5光伏電池 I-V 特性曲線</p><

78、;p>　　圖 3-6光伏電池 P-V 特性曲線</p><p>　　仿真得到的光伏電池的特性曲線可以驗(yàn)證光伏模型的正確性，通過(guò)改變模塊 中輸入的大小這樣就可得出不同環(huán)境下的光伏電池的特性曲線。</p><p>　　3.5 太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器的組成</p><p>　　模擬器是利用模擬的方法來(lái)模擬實(shí)際生產(chǎn)中的各種情況、由于光伏陣列一搬 占地面積大、轉(zhuǎn)化效

79、率低、成本過(guò)高。這給光伏陣列的研究帶來(lái)很大的困難，為 了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種模擬器來(lái)模擬光伏陣列在各種條件下的工作狀況，滿(mǎn) 足科研需要，促進(jìn)光伏發(fā)電的發(fā)展。太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器由三部分組成： 功率電路、整流電路、控制電路[11]。</p><p><b>　?。?）功率電路</b></p><p>　　太陽(yáng)能電池光伏陣列的功率電路分為許多種，有如下圖 3-7 所

80、示關(guān)系：</p><p><b>　　正常型電路</b></p><p><b>　　隔離型</b></p><p><b>　　半橋型電路</b></p><p><b>　　功率電路</b></p><p>　　全橋型電路 降壓

81、型電路</p><p><b>　　非隔離型</b></p><p><b>　　二項(xiàng)限斬波電路</b></p><p><b>　　四項(xiàng)限斬波電路</b></p><p>　　圖 3-7功率電路的分類(lèi)及關(guān)系</p><p>　　模擬器的功率電路基本為

82、 DC/DC 變換電路，按照其與前一級(jí)整流電路的關(guān) 系分為不同類(lèi)別，但不管何種功率電路其主要的技術(shù)指標(biāo)如下：第一，功率電路 可以滿(mǎn)足大功率場(chǎng)合的工作需要；第二，電路可以適應(yīng)不同的環(huán)境，當(dāng)日照溫度 等不同時(shí)，電路的最大功率點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，功率電路必須迅速追蹤最大功率點(diǎn)， 保證模擬器可以快速溫定的工作在最佳狀態(tài)下；第三，功率電路的輸出電壓和電 流穩(wěn)定可調(diào)以滿(mǎn)足不同時(shí)期不同狀態(tài)下的生產(chǎn)需要。第四，整個(gè)功率電路需安全 穩(wěn)定[12]。</p&

83、gt;<p><b>　?。?）整流電路</b></p><p>　　太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器的功率電路前段需要有整流電路，用來(lái)把交流輸 入轉(zhuǎn)化為直流輸出。整流電路根據(jù)所采用的器件不同可以分為可控整流電路與不 可控整流電路。下圖 3-8 即表示整流電路的分類(lèi)及關(guān)系。</p><p><b>　　全橋整流電路</b></p>

84、;<p><b>　　不控整流</b></p><p><b>　　全波整流電路</b></p><p><b>　　整流電路</b></p><p><b>　　倍流整流電路</b></p><p><b>　　可控整流</

85、b></p><p>　　圖 3-8整流電路的分類(lèi)及關(guān)系</p><p>　　太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器的電路對(duì)對(duì)整流輸出要求不高，出于經(jīng)濟(jì)考慮一 般用不可控整流，但也有部分采用可控整流?？傊?，在實(shí)際的應(yīng)用幾種不同的整 流電路時(shí)要把技術(shù)要求與經(jīng)濟(jì)情況相結(jié)合，綜合考慮使用何種電路。</p><p>　?。?）控制電路 控制電路是指對(duì)功率電路、功率器件直接控制的電

86、路。一般采用 DSP 或單</p><p>　　片機(jī)運(yùn)算，通過(guò)采樣信號(hào)、處理信號(hào)得到 PWM 波來(lái)控制功率電路或功率元器件。 太陽(yáng)能電池光伏陣列一般采用電壓電流信號(hào)，對(duì)采用的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算通過(guò)控 制器來(lái)控制。</p><p>　　3.6 太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器設(shè)計(jì)要求</p><p>　　要了解太陽(yáng)能光伏陣列模擬器的工作原理，首先要明白對(duì)它的設(shè)計(jì)要達(dá)到的 標(biāo)準(zhǔn)。

87、一般來(lái)說(shuō)要完成以下三個(gè)要求：（1）系統(tǒng)可以正常的以光伏陣列的輸出特 性來(lái)輸出，當(dāng)負(fù)載確定時(shí)，光伏陣列可以在最大功率點(diǎn)上穩(wěn)定輸出。（2）系統(tǒng)靈 敏性要足夠，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，模擬器能在技術(shù)要求的時(shí)間內(nèi)變化到新的工作 點(diǎn)穩(wěn)定工作。（3）輸出功率能夠滿(mǎn)足需求。</p><p>　　從模擬器的設(shè)計(jì)要求不難看出，模擬器設(shè)計(jì)要求有穩(wěn)定性、靈敏性，輸出功 率也不難太小。模擬器的工作就是圍繞這 3 個(gè)方面來(lái)進(jìn)行的。</p&

88、gt;<p>　　3.7 太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器的原理</p><p>　　光伏模擬器的核心是要跟蹤負(fù)載的工作點(diǎn)，讓光伏模擬器在不同時(shí)間的負(fù)載 情況下都能滿(mǎn)足所需要的輸出功率。如何解決這個(gè)問(wèn)題，如何快速找到理想的工 作點(diǎn)并使模擬器快速工作在該點(diǎn)上是模擬器所要解決的最重要的問(wèn)題。</p><p>　　光伏模擬器的工作核心電路是功率電路與控制電路兩部分。功率電路主要用 半橋拓?fù)?/p>

89、來(lái)完成直流變換，經(jīng)過(guò)整流濾波后產(chǎn)生輸出電壓。而控制電路的核心則 是尋找負(fù)載的工作點(diǎn)并使模擬器工作在該點(diǎn)上。目前光伏模擬器分為數(shù)字式與模 擬式兩種。</p><p>　　模擬式的太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器主要是利用可控光強(qiáng)的白熾燈來(lái)模擬 太陽(yáng)能光強(qiáng)的變化，樣品的電池陣列的輸出電壓和電流隨著燈泡的光強(qiáng)變換而改 變，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后即可驅(qū)動(dòng)功率器件，進(jìn)而使光伏陣列的各項(xiàng)輸出隨著模擬器 的輸出的改變而變化。因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，可以

90、代替實(shí)際的太陽(yáng)能電池光伏陣列進(jìn)行 許多光伏系統(tǒng)的性能研究與測(cè)試。根據(jù)太陽(yáng)能輸出特性，輸出電流越大輸出電壓 就越低。將光伏陣列模擬器的輸出電壓通過(guò)降壓之后再轉(zhuǎn)換為確定的值，通過(guò)手 動(dòng)改變樣品的電壓來(lái)跟隨模擬器的電壓變化，之后將樣品得出的輸出電流作為模</p><p>　　擬器的輸出電流給定值，用來(lái)控制模擬器的輸出電流。這個(gè)電路研究較為簡(jiǎn)單， 但還有許多不足需要改善。（1）樣品電池在白熾燈的照射下，模擬器所處環(huán)境溫

91、度和樣品電池的 P-N 結(jié)溫度變化都十分大，這就導(dǎo)致模擬器的輸出所得到的參數(shù) 可能不是事先預(yù)想的環(huán)境下的參數(shù)。太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓和當(dāng)時(shí)環(huán)境下的最大功 率點(diǎn)也將受到影響，這使得模擬器精確度不夠。（2）白熾燈的光與實(shí)際的太陽(yáng)光 相比，兩者光譜存在很大差別，用白熾燈來(lái)模擬太陽(yáng)光本身也存在一定的誤差。</p><p>　?。?）這種模擬式的模擬器靈敏度不夠，不能快速跟蹤負(fù)載的工作點(diǎn)，而且輸出 功率太小，達(dá)不到 KW 級(jí)別

92、，這就與實(shí)際的電池陣列存在較大差別。</p><p>　　數(shù)字式的太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器則是通過(guò)先在單片機(jī)或者 DSP 系統(tǒng)中 輸入特性曲線，然后通過(guò)控制電路的算法來(lái)確定負(fù)載的工作點(diǎn)，之后按照控制系 統(tǒng)來(lái)輸出相應(yīng)的電流電壓[13]。在數(shù)字式的模擬器中，功率電路主要包括整流與隔 離，控制電路主要?jiǎng)t是檢測(cè)電路、單片機(jī)、PWM 驅(qū)動(dòng)隔離電路。其余的部分如監(jiān) 測(cè)電路，主要來(lái)處理電壓電流檢測(cè)信號(hào)的隔離濾波等等，電壓信號(hào)采

93、樣于 DC/DC 變換電路的輸出，通過(guò)監(jiān)測(cè)電路處理之后反饋至單片機(jī)或者 DSP 中，電流信號(hào)則 采樣于輸出電路，與電壓一樣通過(guò)監(jiān)測(cè)電路的處理再反饋到單片機(jī)，之后單片機(jī) 閉環(huán)控制以保證輸出電壓電流的穩(wěn)定性。在單片機(jī)中有事先輸入的特定光強(qiáng)與溫 度下的太陽(yáng)能電池光伏陣列的輸出特性曲線，通過(guò)事先輸入的特性來(lái)對(duì)應(yīng)最終得 到對(duì)應(yīng)的輸出控制電壓，計(jì)算出該情況下的占空比，輸出 PWM 波。單片機(jī)所產(chǎn)生 的控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)隔離電路成為功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，

94、電源輸出對(duì)應(yīng)的直流電 壓，，這個(gè)輸出電壓和太陽(yáng)能電池光伏陣列在一樣的條件下的電壓相等，這樣模 擬電壓就可以輸出一組在特定光強(qiáng)溫度下的太陽(yáng)能電池光伏陣列的特性曲線。如 果在單片機(jī)中存儲(chǔ)各種不同條件下的特性</p><p>　　3.8 一種數(shù)字式光伏模擬器</p><p>　　數(shù)字式光伏模擬器是一種較為常見(jiàn)的光伏模擬器，它可以模擬出光伏電池的 各種工作狀況。下面介紹一種數(shù)字式的光伏模擬器[15

95、]，其結(jié)構(gòu)如圖 3-9 所示。</p><p>　　圖 3-9 數(shù)字式模擬器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　這個(gè)系統(tǒng)的核心是 TMS320F28335控制器。TMS320F28335控制器是 TI 公司 的一款 TMS320C28X 系列浮點(diǎn) DSP 控制器。與以往的定點(diǎn) DSP 相比，該器件的 精度高，成本低， 功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大， A/D 轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)

96、點(diǎn)。它具有150MHz 的高速處理能力，具備32位浮 點(diǎn)處 理單元，6個(gè) DMA 通道支持 ADC、McBSP 和 EMIF，有多達(dá)18路的 PWM 輸出， 其中有6路為 TI 特有的更高精度的 PWM 輸出 (HRPWM)，12位16通道 ADC。 得益于其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，用戶(hù)可快速編寫(xiě)控制算法而無(wú)需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi) 過(guò)多的時(shí)間和精力，從而簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)， 縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本[16]。 TMS320F28335與其它 TMS3

97、20F28X 相比平均性能提高50%，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)中利 用逐差法來(lái)跟蹤光伏電池的特性曲線。主電路輸出及輸入的電壓和電流通過(guò)電壓 和電流傳感器采集，送入 DSP 中運(yùn)算處理后輸出 PWM 波形。PWM 波形通過(guò)驅(qū)</p><p>　　動(dòng)電路來(lái)控制 MOSFET 的開(kāi)通和關(guān)斷。實(shí)現(xiàn)符合光伏特性的電壓與電流的輸出。 系統(tǒng)硬件包括功率電路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路。功率電路主要是濾波電容、</p><p&g

98、t;　　輸出電感的選擇。濾波電容考慮波紋要求一般選用470μF，電感則要考慮 Buck</p><p>　　電路續(xù)流的問(wèn)題，最小電流保證電感電流臨界連續(xù)，該系統(tǒng)中，要滿(mǎn)足：</p><p><b>　　?iL</b></p><p>　　??vm ??vo DT L</p><p><b>　?。?.1）&

99、lt;/b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　I ??I</b></p><p><b>　　???iL</b></p><p>　　??Vm ?Vo DT ??D(1??D)ViT</p><p>&l

100、t;b>　?。?.2）</b></p><p>　　LO22L2L</p><p>　　式中電感值與輸出電流和占空比有關(guān)，當(dāng) D 小于0.5時(shí)，電流基本不變，D(1-D) 單調(diào)增加，得出 L 約為0.1mH,考慮部分余量本系統(tǒng)選用 L=0.1mH,此時(shí)截止頻率</p><p><b>　　1</b></p>

101、<p><b>　　為 fc ?</b></p><p><b>　　2π LC</b></p><p>　　??134Hz ~ 20KHz 。</p><p>　　檢測(cè)電路主要是對(duì)電壓電流傳感器的選擇和電壓電流的調(diào)理和過(guò)保護(hù)設(shè)計(jì)， 系統(tǒng)中采用的是 TBV10/20X，由于輸出為交流，要對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)理，且

102、其中 DSP 輸入小于3.3V。隔離驅(qū)動(dòng)電路使用 HCPL-3120光耦隔離 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，MOS 管用 IRF460，MOS 管并聯(lián) MBR20200肖特基二極管。下圖3-10就是隔離電路圖。</p><p>　　圖3-10PWM 隔離驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　模擬器的核心部分是光伏陣列特性跟蹤，也就是輸出工作點(diǎn)的確定。這個(gè)輸 出工作點(diǎn)就是光伏輸出特性和負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)，不同

103、的負(fù)載伏安特性曲線不 同曲線的交點(diǎn)也就不一樣?？刂颇K需要通過(guò)一定的算法來(lái)迅速找到這些工作 點(diǎn)，讓系統(tǒng)穩(wěn)定在這個(gè)工作點(diǎn)上，當(dāng)負(fù)載或者光伏曲線變化時(shí)，模擬器可以快速 找到新的工作點(diǎn)并且穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)在的光伏模擬器中，一般接入 DC-DC 最大功 率跟蹤電路（MPPT 電路）[17]，能否快速跟上后級(jí)的 MPPT 電路也是光伏模擬器 的一個(gè)重要指標(biāo)。本系統(tǒng)是研究直流微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)將光伏模塊發(fā)出的 電接入到48V 的直流母線中，在直流母

104、線上還有超級(jí)電容、蓄電池等儲(chǔ)能模塊及 三相逆變模塊，系統(tǒng)中光伏模擬器接入 BOOST 電路，BOOST 電路具有最大功 率跟蹤功能，故而這個(gè)光伏模擬器在接入 MPPT 后能夠迅速穩(wěn)定工作在最大功 率點(diǎn)。</p><p>　　求光伏特性曲線與負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)有多種方法，較為常見(jiàn)的方法主要有 兩種。第一種是將光伏特性曲線離散化，利用迭代法來(lái)向光伏特性曲線逼近；另 一種則是將光伏特性曲線用折線代替，由于光伏陣列模型函

105、數(shù)十分復(fù)雜，控制器 編輯程會(huì)有多次對(duì)數(shù)的運(yùn)算，對(duì) DSP 控制器來(lái)說(shuō)運(yùn)算難度太大，如果用多點(diǎn)折 線法再配合最小二乘法擬合出多段曲線，這樣只需測(cè)出負(fù)載電阻，擬合曲線與負(fù) 載特性曲線的交點(diǎn)就比較容易得到了。當(dāng)然如果上位機(jī)足夠強(qiáng)大，查表法也是一 種最為準(zhǔn)確的方法，得出的數(shù)據(jù)也能更為真實(shí)。系統(tǒng)中采用的是逐點(diǎn)差值比較法， 它是迭代法的一種。這種方法首先需要設(shè)定初始的指令電流值 I0 ， 一般都取 I0 ??0.1ISC ，其中 I0與負(fù)載特性曲

106、線交于 P0點(diǎn)，該出負(fù)載電壓為 U0，對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)</p><p>　　能電池陣列曲線上的點(diǎn)為 Q0，下次的指令電流則為 I1 ??I0 ???(f (U0 ) ??I0 ) ,式中 f(U0)為太陽(yáng)能電池陣列的數(shù)學(xué)物理模型， ?表示的是迭代步長(zhǎng)，一般取0.1，指 令電流 I1和負(fù)載伏安特性曲線交于點(diǎn) P1，該點(diǎn)負(fù)載電壓為 U1，U1所對(duì)應(yīng)的光伏</p><p>　　陣列伏安特性為 Q1，下

107、一次的指令電流就為 I2 ??I1 ???（f (U1 ) ??I1），利用這種方 法依次迭代下去就能得出負(fù)載工作點(diǎn)為 P0、P1、P2……Pn 最后收斂于太陽(yáng)能電池 陣列的負(fù)載工作點(diǎn)，其中迭代步長(zhǎng)?越大，收斂就越快，?越小穩(wěn)定性和精度就 會(huì)越高。</p><p>　　3.9 太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器的作用</p><p>　　太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器在國(guó)外發(fā)展較為迅速，目前已經(jīng)有一些樣機(jī)

108、問(wèn) 世，為太陽(yáng)能光伏發(fā)電的研究提供了很大的幫助。太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器可 以在短時(shí)間內(nèi)模擬出任意溫度、日照強(qiáng)度下的太陽(yáng)能電池的輸出情況。這就為太 陽(yáng)能電池光伏發(fā)電的研究獲取了許多寶貴的數(shù)據(jù)，節(jié)省了研究周期與研究經(jīng)費(fèi)， 極大的促進(jìn)了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)展。可以說(shuō)在太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)并未成熟且 研究困難較大的情況下，使用太陽(yáng)能電池光伏陣列模擬器來(lái)解決這些問(wèn)題是一種 非常實(shí)用的方法。在我國(guó)中科院電工所、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)都 開(kāi)始

109、了光伏模擬器的研究，也取得了不錯(cuò)的成果。相信光伏模擬器技術(shù)的突破必 將使光伏發(fā)電的研究迅猛發(fā)展。</p><p><b>　　4光伏發(fā)電系統(tǒng)</b></p><p>　　4.1 光伏發(fā)電的特點(diǎn)</p><p>　　光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，太陽(yáng)能電池是光電轉(zhuǎn)換的 最基礎(chǔ)的單元，將這種基礎(chǔ)單元進(jìn)行串聯(lián)組合就能做成太陽(yáng)能電池組件