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高性能独立光伏发电系统

发布时间:2015-06-24 14:23   类型:技术指导   人浏览

1 引言
    由于大气中废气的排放和CO2量的增加,致使地球变暖。上世纪全球表面的温度已以接近0.6℃/百年的速率上升[1][2],能量的供给和使用,不仅关系到地球的暖化,而且涉及到例如空气污染、酸的沉淀、臭氧耗尽、森林毁灭,以及放射性物质的辐射等环境忧患问题。为避免产生这些后果,一些潜在的解决措施已开始启动,包括经过改善能效的能量储存,减少石化燃料的利用和增加有利环保的能量供应。近年来,由清洁、有效、无环境污染的能源输出能量,已成为工程师和科学家的主要任务。其中,光伏(PV)发电系统在调研时引起了很大重视,因为它似乎是解决环境问题的可能途径之一 。
    最近,具有高压增益的DC-DC变换器,在很多工业应用中已成为普遍需要。例如,在清洁能源的前端区段,不间断电源的直流后备能量系统,汽车头灯用的高强度放电(HID)灯,以及电信工业的应用。常见的升压变换器,甚至在极端占空比时也不能提供这么高的直流电压增益;它还可能导致严重的“反向回复”和增大所有器件的定额。在这种情况下,转换效率会降低,电磁干扰(EMI)问题会加重。过去10年中,为了提高转换效率和电压增益,已研究过很多改进型的升压变换器拓扑。虽然,变换器设计中利用了电压箝位技术操作,以克服高电压级应用中输出二极管的严重反向回复问题,但仍存在过大的开关电压应力,且辅助开关的接通时间将限制电压的增益。文献中研究了一种新颖的耦合电感器变换器策略,以便用1个简单的电感器,来提高常规升压变换器的电压增益和处理电感器的泄露问题,以及常规变换器中变压器的去磁问题。本文,介绍了高效率升压变换器拓扑的升压,以及利用DC-AC逆变器时PV模块输出直流电压的稳压。
微电子学和功率器件的发展,使得工业中广泛地应用PWM逆变器。PWM逆变器的基本机理,是通过逆变器、LC滤波器组合,将直流电压转换为正弦交流输出。由总谐波畸变(THD)、瞬态响应和效率来评定性能。这样,过去10年来对PWM逆变器的闭路调节寄予了很多关注,以便在不同负载情况下达到良好的动态响应。例如:线性控制,栅极电流控制的观测器,基于Lyapunnov的控制,滑模式控制(SMC)等等。

    一般,PV模块的输出功率大体上按照不同的光辐射而变化。例如,在郑州一年中最大的平均光照方向是朝南,相应的倾角为34.72o,因而很多PV模块均按这一位置安装。但按此方式不能持续地捕获最大的光辐射量(辐照度),故光伏发电性能不能有效地改善。最近,很多研究者致力于有关太阳跟踪系统的研究,通常的太阳跟踪器在PV板的端部装有光传感器,当来自不同光传感器的反馈信号相等时,这意味着PV板正面对着太阳,在这一相应位置具有最大的光辐射。遗憾的是光传感器起始的校核和调整是很费时的,且在不同的操作条件下装置的性能容易改变。为了克服上述缺点,本文介绍的无光传感器有效太阳跟踪系统,它是利用PV模块开路电压正比于相应的(光)辐射照度这一特性,而使PV板尾随着太阳的直照方向。
    本文重点介绍的高性能独立光伏发电系统[1],包含3个主要部分:高效率的升压变换器,带ATSMC(自适应全滑模控制)的PWM逆变器,以及有效的太阳跟踪器。首先,有效太阳跟踪器应设计成能捕获最大的光辐射量和功率;然后是高效率升压变换器,应能将有效太阳跟踪器所捕获的功率转换成稳定的直流电压源;此外,带ATSMC的逆变器,再将升压变换器的这一直流电压源输送至交流电压源而独立利用。

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