CN104283490A - 一种间断功率负载独立光伏系统及其性能预测方法 - Google Patents

一种间断功率负载独立光伏系统及其性能预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明的间断功率负载独立光伏系统，包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池、逆变器以及交流间断负载，所述控制器还连接有风速传感器、温湿度传感器以及太阳能总辐射表。本发明的性能预测方法包括：a).计算电池板温度；b).计算饱和电流；c).求取光生电流；d).求取二极管特性因子；e).求出电池板的输出电流；f).求取蓄电池占空比；g).求取蓄电池电阻；h).求开路电压；i).求取端电压；j).求功率损失；k).求取输出功率；l).求输入功率；m).求逆变器的电流；n).建立负载模型；o).性能预测。本发明的光伏系统及其性能预测方法，不用购买电路实物即可对所要构建的光伏系统做客可靠、客观的评价，直至相互匹配，避免了资源浪费，具有显著的有益效果，便于应用推广。

Description

一种间断功率负载独立光伏系统及其性能预测方法
技术领域
本发明涉及一种间断功率负载独立光伏系统及其性能预测方法，更具体的说，尤其涉及一种的间断功率负载独立光伏系统及其性能预测方法。
背景技术
太阳能独立光伏系统利用太阳能作为系统的动力源，清洁无污染，减少使用电能，有助于解决由于不可再生能源枯竭所导致的日益严重的能源危机。再加上中国有许多偏远地区和游牧民族至没有供电网络，他们无法使用市电作为电力来源，这些都将为太阳能独立光伏系统的开发提供了潜在的市场。
太阳能交流间断负载（如太阳能光伏冰箱系统）包括太阳能电池组件、控制电路、蓄电池、逆变电路、负载等。在日照情况下,太阳能电池组件接收太阳光的辐射能，并将其转化为直流电能作为系统的电能来源。控制电路则用来控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。蓄电池能够储存系统运行时多余的电能，供交流负载在夜晚和阴雨天气情况下使用，实现能量的移峰填谷。直流电经逆变电路逆变后即驱动负载工作,使交流负载（如制冷系统）工作。
但是目前对基于间断负载的独立光伏系统的性能研究还较少，这给基于间断负载的独立光伏系统的性能预测带来了很大不便，不利于独立光伏系统中各部件的优化匹配。如果采用实际电路组装完毕后再进行测试，无疑会增加测试成本。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种间断功率负载独立光伏系统及其性能预测方法。
本发明的间断功率负载独立光伏系统，包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池、逆变器以及交流间断负载，其特别之处在于:所述太阳能电池组件的输出端经微控制器与蓄电池和逆变器的输入端相连接，蓄电池的输出端经微控制器与逆变器的输入端相连接，逆变器的输出端与交流间断负载的输入端相连接；所述控制器还连接有风速传感器、温湿度传感器以及太阳能总辐射表，控制器通过测量的风速、温度和太阳辐照度，在根据太阳能电池组件、蓄电池、逆变器和间断交流负载的规格参数，来评价整个光伏系统的稳定性。
本发明的间断功率负载独立光伏系统，述控制器还通过数据采集器连接有进行数据分析的上位机。
本发明的间断功率负载独立光伏系统的性能预测方法，其特别之处在于，通过以下步骤来实现：a).计算电池板温度，设控制器通过传感器测量的风速、温度和太阳辐照度分别为                                                、、,通过公式（1）计算出太阳能电池板的温度：
   （1）
其中，、、为相关系数；b).计算饱和电流，太阳能电池板的饱和电流是一个始终流过电池背面的很小的电流，其可通过与温度有关的指数函数表公式（2）求出：
      （2）
其中，为带隙能，硅电池取1.16eV；为太阳能电池板的材料参数，其由电池板的规格及其I-V曲线来获得；是波尔兹曼常数，为1.38 × 10 23J/K；c).求取光生电流，根据公式（3）求取太阳能电池板的光生电流：
    （3）
其中，、、为常数系数，为参考太阳辐照度，为太阳辐照度，为参考温度；d).求取二极管特性因子，根据公式（4）求取太阳能电池板中二极管特性因子：
     （4）
其中，开路电压、最大功率点电流、最大功率点电压均由太阳能电池板的规格表所提供；=；e).求取电池板的输出电流，根据公式（5）计算电池板的输出电流：
    （5）
式中，为光伏电池输出电压，单位为V；为电池板的并联数目，为电池板的串联数目；为光伏电池的串联电阻，为电池板并联电阻，单位为Ω；是电子常数，为1.6 × 10–19C；是波尔兹曼常数，为1.38 × 10 23J/K；f).求取蓄电池占空比，根据公式（6）求取蓄电池占空比：
    （6）
其中，为初始占空比，为一定时间内交换的电荷总量；为蓄电池能力，其由蓄电池的规格参数确定；通过公式（7）进行计算：
    （7）
其中：=蓄电池电流，的正负由电池的充放电状态决定；g).求取蓄电池电阻，根据公式（8）求取出蓄电池的内部电阻：
    （8）
其中，的蓄电池的电极电阻，为蓄电池的电解质电阻，其分别通过公式（9）和公式（10）求取：
             （9）
          （10）
其中，、、和都是经验常数；h).求开路电压，通过公式（11）求取蓄电池的开路电压：
      (11)
其中，为充电剩余电压，为经验系数，为蓄电池的占空比；i).求取蓄电池的端电压，通过公式（12）求取蓄电池的端电压：
     （12）
其中，为蓄电池开路电压，为蓄电池电流，充电为正，放电为负，为蓄电池内部电阻；j).求逆变器的功率损失，逆变器的功率损失是由开关电路和电压变换引起的，其通过公式（13）求取：
       （13）
其中为逆变器中开关电路的功率损失，为定铁芯损失，可变铜损失；可变铜损失分别通过公式（14）求取：
     （14）
其中，为逆变器中变压器铜电阻，由变压器的参数获取；k).求取输出功率，通过公式（15）求出逆变器的输出功率
      （15）
其中，为间断交流负载的电阻；l).求输入功率，通过公式（16）求出逆变器的输入功率：
              （16）
其中，、，、都是常数，可以通过测量两组、值来求取；逆变器的输出公路即是间断交流负载需要的总功率，=；m).求逆变器的电流，通过公式（17）求取逆变器的电流：
=          （17）
其中，为逆变器的输入电压，等于蓄电池的端电压，等于间断交流负载的工作电流；n).建立负载模型，建立如公式（18）所示的间断交流负载的模型：
      （18）
其中，、分别是间断交流负载停止状态、工作状态下的功率，、为控制系数，负载工作时=0，=1；负载停止时=1，=0；o).性能预测，对于给定的太阳能电池板的参数、电池板的数目、电池板的串并联形式、逆变器的参数、蓄电池的参数、间断交流负载的参数以及通过传感器检测的风速、温度和太阳辐照度，评价所建立的独立光伏系统的性能。
本发明的间断功率负载独立光伏系统的性能预测方法，步骤a)中所述的相关参数=0.0155、=0.036、=0.021，步骤c)中所述的参考太阳辐照度=1000w/m2，参考温度=298k，所述的常数系数=4.18×10-3 m2/V、=-3.73×10-4 m2/w、=-2.44×10-3 k-1；步骤e)中==1，=0.56Ω，=221.89Ω。
本发明的间断功率负载独立光伏系统的性能预测方法，在充电模式下：步骤g)中所述的经验常数=0.062Ω、=0.046Ω、=95.64Ω、=52.67Ω，步骤h)所述的经验系数=0.81，充电剩余电压=13.25V；在放电模式下=0.055Ω、=-0.1Ω、=4.27Ω、=-100.73Ω，=0.72，=12.66V。
本发明的间断功率负载独立光伏系统的性能预测方法，通过建立太阳能电池组件、蓄电池、逆变器和间断交流负载的计算模型，并依据传感器检测的风速、温度和太阳辐照度，来评价所建立的独立光伏系统是否能稳定运行，如果不可稳定运行，则提醒人们改变相应器件的参数，以获取可稳定运行的光伏系统。本发明的光伏系统及其性能预测方法，不用购买电路实物即可对所要构建的光伏系统做客可靠、客观的评价，直至太阳能电池组件、蓄电池、逆变器和间断交流负载的信号和参数相互匹配，避免了资源浪费，降低了系统构建成本，具有显著的有益效果，便于应用推广。
附图说明
图1为本发明的间断功率负载独立光伏系统的原理图；
图2为本发明的间断功率负载独立光伏系统的结构图。
图中：1太阳能电池组件，2控制器，3蓄电池，4逆变器，5间断交流负载，6数据采集器，7上位机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，给出了本发明的间断功率负载独立光伏系统的原理图和结构图，其包括太阳能电池组件1、控制器2、蓄电池3、逆变器4、间断交流负载5、数据采集器6以及上位机7；所示太阳能电池组件1用于将太阳能转化为电能，其输出经控制器2与蓄电池3相连接，在控制器2的作用下可将太阳能转化的电能存储在蓄电池3中。所示的控制器2的输出端与逆变器4的输入端相连接，在控制器2的控制作用下，太阳能电池组件1输出的直流电或蓄电池3输出的直流电送至逆变器4的输入端，逆变器4用于将直流电转化为交流电，以供间断交流负载5利用。
所示的控制器2还连接有风速传感器、温湿度传感器和太阳能总辐射表，以便测量外界环境中的风速、温度和太阳辐照度。所示的控制器2还通过数据采集器6连接有上位机7，上位机7通过对控制器2上传的数据进行处理和分析，可对本发明的间断功率负载独立光伏系统的性能做出分析和预测，以便给光伏系统的建立提供可靠的参考依据。
本发明的间断功率负载独立光伏系统的性能预测方法，通过以下步骤来实现：
a).计算电池板温度，设控制器通过传感器测量的风速、温度和太阳辐照度分别为、、,通过公式（1）计算出太阳能电池板的温度：
   （1）
其中，、、为相关系数；
该步骤中，所述的相关参数=0.0155、=0.036、=0.021；
b).计算饱和电流，太阳能电池板的饱和电流是一个始终流过电池背面的很小的电流，其可通过与温度有关的指数函数表公式（2）求出：
      （2）
其中，为带隙能，硅电池取1.16eV；为太阳能电池板的材料参数，其由电池板的规格及其I-V曲线来获得；是波尔兹曼常数，为1.38 × 10 23J/K；
c).求取光生电流，根据公式（3）求取太阳能电池板的光生电流：
    （3）
其中，、、为常数系数，为参考太阳辐照度，为太阳辐照度，为参考温度；
该步骤中，所述的参考太阳辐照度=1000w/m2，参考温度=298k，所述的常数系数=4.18×10-3 m2/V、=-3.73×10-4 m2/w、=-2.44×10-3 k-1；
d).求取二极管特性因子，根据公式（4）求取太阳能电池板中二极管特性因子：
     （4）
其中，开路电压、最大功率点电流、最大功率点电压均由太阳能电池板的规格表所提供；=；
e).求取电池板的输出电流，根据公式（5）计算电池板的输出电流：
    （5）
式中，为光伏电池输出电压，单位为V；为电池板的并联数目，为电池板的串联数目；为光伏电池的串联电阻，为电池板并联电阻，单位为Ω；是电子常数，为1.6 × 10–19C；是波尔兹曼常数，为1.38 × 10 23J/K；
该步骤中，如果选用一块电池板，则==1，其对应的电阻值=0.56Ω，=221.89Ω。
f).求取蓄电池占空比，根据公式（6）求取蓄电池占空比：
    （6）
其中，为初始占空比，为一定时间内交换的电荷总量；为蓄电池能力，其由蓄电池的规格参数确定；通过公式（7）进行计算：
    （7）
其中：=蓄电池电流，的正负由电池的充放电状态决定；
g).求取蓄电池电阻，根据公式（8）求取出蓄电池的内部电阻：
    （8）
其中，的蓄电池的电极电阻，为蓄电池的电解质电阻，其分别通过公式（9）和公式（10）求取：
             （9）
          （10）
其中，、、和都是经验常数；
h).求开路电压，通过公式（11）求取蓄电池的开路电压：
      (11)
其中，为充电剩余电压，为经验系数，为蓄电池的占空比；
在充电模式下：步骤g)中所述的经验常数=0.062Ω、=0.046Ω、=95.64Ω、=52.67Ω，步骤h)所述的经验系数=0.81，充电剩余电压=13.25V；在放电模式下=0.055Ω、=-0.1Ω、=4.27Ω、=-100.73Ω，=0.72，=12.66V。
i).求取蓄电池的端电压，通过公式（12）求取蓄电池的端电压：
     （12）
其中，为蓄电池开路电压，为蓄电池电流，充电为正，放电为负，为蓄电池内部电阻；
j).求逆变器的功率损失，逆变器的功率损失是由开关电路和电压变换引起的，其通过公式（13）求取：
       （13）
其中为逆变器中开关电路的功率损失，为定铁芯损失，可变铜损失；可变铜损失分别通过公式（14）求取：
     （14）
其中，为逆变器中变压器铜电阻，由变压器的参数获取；
k).求取输出功率，通过公式（15）求出逆变器的输出功率
      （15）
其中，为间断交流负载的电阻；
l).求输入功率，通过公式（16）求出逆变器的输入功率：
              （16）
其中，、，、都是常数，可以通过测量两组、值来求取；逆变器的输出公路即是间断交流负载需要的总功率，=；
m).求逆变器的电流，通过公式（17）求取逆变器的电流：
=          （17）
其中，为逆变器的输入电压，等于蓄电池的端电压，等于间断交流负载的工作电流；
n).建立负载模型，建立如公式（18）所示的间断交流负载的模型：
      （18）
其中，、分别是间断交流负载停止状态、工作状态下的功率，、为控制系数，负载工作时=0，=1；负载停止时=1，=0；
该步骤中，、表示间断交流负载的停止与工作所占的比例大小，比如在一天的24小时中，的工作时间可设定为20～30%，即在24小时中，间断交流负载的工作时间仅为4.8～7.2小时。
o).性能预测，对于给定的太阳能电池板的参数、电池板的数目、电池板的串并联形式、逆变器的参数、蓄电池的参数、间断交流负载的参数以及通过传感器检测的风速、温度和太阳辐照度，评价所建立的独立光伏系统的性能。
本发明的光伏系统及其性能预测方法，不用购买电路实物即可对所要构建的光伏系统做客可靠、客观的评价，直至太阳能电池组件、蓄电池、逆变器和间断交流负载的信号和参数相互匹配，避免了资源浪费，降低了系统构建成本，具有显著的有益效果，便于应用推广。

Claims (5)

1.一种间断功率负载独立光伏系统，包括太阳能电池组件（1）、控制器（2）、蓄电池（3）、逆变器（4）以及交流间断负载（5），其特征在于:所述太阳能电池组件的输出端经微控制器与蓄电池和逆变器的输入端相连接，蓄电池的输出端经微控制器与逆变器的输入端相连接，逆变器的输出端与交流间断负载的输入端相连接；所述控制器还连接有风速传感器、温湿度传感器以及太阳能总辐射表，控制器通过测量的风速、温度和太阳辐照度，在根据太阳能电池组件、蓄电池、逆变器和间断交流负载的规格参数，来评价整个光伏系统的稳定性。
2.根据权利要求1所述的间断功率负载独立光伏系统，其特征在于：所述控制器（2）还通过数据采集器连接有进行数据分析的上位机（7）。
3.一种基于权利要求1所述的间断功率负载独立光伏系统的性能预测方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
a).计算电池板温度，设控制器通过传感器测量的风速、温度和太阳辐照度分别为                                               、、,通过公式（1）计算出太阳能电池板的温度：
   （1）
其中，、、为相关系数；
b).计算饱和电流，太阳能电池板的饱和电流是一个始终流过电池背面的很小的电流，其可通过与温度有关的指数函数表公式（2）求出：
      （2）
其中，为带隙能，硅电池取1.16eV；为太阳能电池板的材料参数，其由电池板的规格及其I-V曲线来获得；是波尔兹曼常数，为1.38 × 10 23J/K；
c).求取光生电流，根据公式（3）求取太阳能电池板的光生电流：
    （3）
其中，、、为常数系数，为参考太阳辐照度，为太阳辐照度，为参考温度；
d).求取二极管特性因子，根据公式（4）求取太阳能电池板中二极管特性因子：
     （4）
其中，开路电压、最大功率点电流、最大功率点电压均由太阳能电池板的规格表所提供；=；
e).求取电池板的输出电流，根据公式（5）计算电池板的输出电流：
    （5）
式中，为光伏电池输出电压，单位为V；为电池板的并联数目，为电池板的串联数目；为光伏电池的串联电阻，为电池板并联电阻，单位为Ω；是电子常数，为1.6 × 10–19C；是波尔兹曼常数，为1.38 × 10 23J/K；
f).求取蓄电池占空比，根据公式（6）求取蓄电池占空比：
    （6）
其中，为初始占空比，为一定时间内交换的电荷总量；为蓄电池能力，其由蓄电池的规格参数确定；通过公式（7）进行计算：
    （7）
其中：=蓄电池电流，的正负由电池的充放电状态决定；
g).求取蓄电池电阻，根据公式（8）求取出蓄电池的内部电阻：
    （8）
其中，的蓄电池的电极电阻，为蓄电池的电解质电阻，其分别通过公式（9）和公式（10）求取：
             （9）
          （10）
其中，、、和都是经验常数；
h).求开路电压，通过公式（11）求取蓄电池的开路电压：
      (11)
其中，为充电剩余电压，为经验系数，为蓄电池的占空比；
i).求取蓄电池的端电压，通过公式（12）求取蓄电池的端电压：
     （12）
其中，为蓄电池开路电压，为蓄电池电流，充电为正，放电为负，为蓄电池内部电阻；
j).求逆变器的功率损失，逆变器的功率损失是由开关电路和电压变换引起的，其通过公式（13）求取：
       （13）
其中为逆变器中开关电路的功率损失，为定铁芯损失，可变铜损失；可变铜损失分别通过公式（14）求取：
     （14）
其中，为逆变器中变压器铜电阻，由变压器的参数获取；
k).求取输出功率，通过公式（15）求出逆变器的输出功率
      （15）
其中，为间断交流负载的电阻；
l).求输入功率，通过公式（16）求出逆变器的输入功率：
              （16）
其中，、，、都是常数，可以通过测量两组、值来求取；逆变器的输出公路即是间断交流负载需要的总功率，=；
m).求逆变器的电流，通过公式（17）求取逆变器的电流：
=          （17）
其中，为逆变器的输入电压，等于蓄电池的端电压，等于间断交流负载的工作电流；
n).建立负载模型，建立如公式（18）所示的间断交流负载的模型：
      （18）
其中，、分别是间断交流负载停止状态、工作状态下的功率，、为控制系数，负载工作时=0，=1；负载停止时=1，=0；
o).性能预测，对于给定的太阳能电池板的参数、电池板的数目、电池板的串并联形式、逆变器的参数、蓄电池的参数、间断交流负载的参数以及通过传感器检测的风速、温度和太阳辐照度，评价所建立的独立光伏系统的性能。
4.基于权利要求3所述的间断功率负载独立光伏系统的性能预测方法，其特征在于：步骤a)中所述的相关参数=0.0155、=0.036、=0.021，步骤c)中所述的参考太阳辐照度=1000w/m2，参考温度=298k，所述的常数系数=4.18×10-3 m2/V、=-3.73×10-4 m2/w、=-2.44×10-3 k-1；步骤e)中==1，=0.56Ω，=221.89Ω。
5.基于权利要求3或4所述的间断功率负载独立光伏系统的性能预测方法，其特征在于，在充电模式下：步骤g)中所述的经验常数=0.062Ω、=0.046Ω、=95.64Ω、=52.67Ω，步骤h)所述的经验系数=0.81，充电剩余电压=13.25V；在放电模式下=0.055Ω、=-0.1Ω、=4.27Ω、=-100.73Ω，=0.72，=12.66V。
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