光伏組件的概述及建模與仿真

第二章光伏組件的概述及建模與仿真2.1光伏組件的概念“光伏組件”(也叫太陽(yáng)能電池板)是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分。其作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。但是，隨著微型逆變器的使用，可以直接把光伏組件的電流源轉(zhuǎn)化成為40V左右的電壓源，就可以驅(qū)動(dòng)電器應(yīng)用我們的生活當(dāng)中。太陽(yáng)電池組件是由高效晶體硅太陽(yáng)能電池片、超白布紋鋼化玻璃、EVA、透明TPT背板以及鋁合金邊框組成。具有使用壽命長(zhǎng)，機(jī)械抗壓外力強(qiáng)等特點(diǎn)。太陽(yáng)能電池常規(guī)組件的結(jié)構(gòu)形式有下列幾種，玻璃殼體式結(jié)構(gòu)、底盒式組件、平板式組件、無(wú)蓋板的全膠密封組件。圖2-1太陽(yáng)能電池組件結(jié)構(gòu)示意圖其發(fā)電原理是“\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD%E5%85%89%E4%BC%8F%E7%BB%84%E4%BB%B6/_blank"光生伏打效應(yīng)”，也就是正負(fù)電荷，由于在PN結(jié)區(qū)域的正負(fù)電荷被分離，因而可以產(chǎn)生一個(gè)外電流場(chǎng)，電流從晶體硅片電池的底端經(jīng)過(guò)負(fù)載流至電池的頂端。將一個(gè)負(fù)載連接在太陽(yáng)能電池的上下兩表面間時(shí)，有電流流過(guò)該負(fù)載，于是太陽(yáng)能電池就產(chǎn)生了電流，太陽(yáng)能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。光子的能量由波長(zhǎng)決定，低于基能能量的光子不能產(chǎn)生自由電子，一個(gè)高于基能能量的光子將僅產(chǎn)生一個(gè)自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，伴隨電能損失的影響將使太陽(yáng)能電池的使用效率下降。圖2-1太陽(yáng)能電池組件結(jié)構(gòu)示意圖2.2光伏組件的常見(jiàn)故障分析常見(jiàn)的光伏組件故障類型主要分為以下幾種：組件老化、組件短路、組件斷路、熱斑效應(yīng)、組件裂化和潛在電勢(shì)誘導(dǎo)衰減現(xiàn)象等。產(chǎn)生這些故障的原因分析如下：光伏組件老化:由于大型光伏電站一般都處于高海拔的偏遠(yuǎn)地區(qū)，光伏陣列周圍的氣候條件比較惡劣，太陽(yáng)能電池板會(huì)不斷經(jīng)歷暴曬、刮風(fēng)、下雨和下雪等天氣，光伏組件長(zhǎng)期工作在這樣惡劣的環(huán)境下，其發(fā)電性能難免會(huì)受到影響，可能會(huì)減少發(fā)電功率，降低整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。光伏組件的這種現(xiàn)象稱為老化。有時(shí)老化也會(huì)指光伏陣列線路的老化。老化對(duì)于任何一個(gè)光伏組件來(lái)說(shuō)都是不可避免的現(xiàn)象，只不過(guò)因?yàn)樗幁h(huán)境的不同，光伏組件的老化速度也會(huì)不同。光伏組件所處環(huán)境越惡劣，老化速度就越快。主要是指太陽(yáng)能電池本身的短路。在太陽(yáng)能電池生產(chǎn)過(guò)程中，使用的絕緣材料可能會(huì)受到損壞，那么電極的接觸就會(huì)使得短路。模塊短路故障在出廠檢驗(yàn)中容易被檢測(cè)出來(lái)，而在運(yùn)行中的光伏電站中并不常見(jiàn)。組件開(kāi)路：通常分為太陽(yáng)能電池開(kāi)路和光伏組件開(kāi)路。太陽(yáng)能電池是開(kāi)路的，主要是指內(nèi)部電池連接線斷裂，在檢測(cè)過(guò)程中容易被檢測(cè)到。模塊間斷路是指光伏模塊之間的連接線斷開(kāi)。此時(shí)，整個(gè)光伏組件串處于故障狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，光伏發(fā)電廠都有針對(duì)這種故障的檢測(cè)和報(bào)警機(jī)制。熱斑現(xiàn)象：致使熱斑效應(yīng)出現(xiàn)的原因主要是由于當(dāng)光伏組件串受到遮擋或其他因素影響時(shí)，組件間出現(xiàn)了失配現(xiàn)象。這時(shí)被遮蔽的太陽(yáng)電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽(yáng)電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽(yáng)電池組件此時(shí)會(huì)發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴(yán)重的破壞太陽(yáng)電池。為了防止太陽(yáng)電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，最好在太陽(yáng)電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被受遮蔽的組件所消耗。組件裂化：為了密封光伏電池板，通常在其表面安裝玻璃保護(hù)膜。如果保護(hù)膜在外力或其他因素的影響下斷裂，光伏組件內(nèi)部將易受腐蝕，特別是在雨天，會(huì)引起短路事故，影響光伏組件的使用壽命。光伏組件也存在隱裂的情況。當(dāng)光伏組件受到較大的機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力時(shí)，電池單元中可能會(huì)出現(xiàn)肉眼不易發(fā)現(xiàn)的隱藏裂紋。根據(jù)隱蔽裂縫的不同形態(tài)，可分為樹(shù)狀裂縫、綜合裂縫、斜紋裂縫、平行于主網(wǎng)格線、垂直于網(wǎng)格線和貫穿整個(gè)電池片的裂紋。當(dāng)光伏組件隱裂嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成大量的功率損失。光伏潛在電勢(shì)誘導(dǎo)衰減現(xiàn)象（PotentialInducedDegradation）：在長(zhǎng)期高壓作用下，玻璃與封裝材料之間存在漏電流，大量電荷聚集在光伏電池表面，使電池表面鈍化效果惡化，最終導(dǎo)致光伏組件輸出功率顯著降低，使光伏組件的性能低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。PID現(xiàn)象常發(fā)生在早晨水霧時(shí)或者下過(guò)雨后，這種現(xiàn)象可以恢復(fù)。當(dāng)部件表面干燥時(shí)，PID現(xiàn)象消失，不會(huì)造成永久性損壞。2.3光伏組件的原理分析與建模光伏陣列是利用光生伏打效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的。其原理與二極管相似：當(dāng)太陽(yáng)光照射到光伏陣列時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部的價(jià)電子脫離共價(jià)鍵的束縛，形成電子—空穴對(duì)，于是在PN結(jié)兩端形成電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)外接負(fù)載時(shí)，就有電能輸出。圖2-2圖2-2光伏陣列等效電路圖圖2-2是光伏陣列的等效電路圖。它由理想電流源Iph、并聯(lián)二極管D、并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs組成。其中Iph的大小受光伏陣列所處的外部環(huán)境如光照強(qiáng)度、溫度等的影響。根據(jù)圖2.1的光伏陣列等效電路圖可以得出光伏陣列的I—U特性方程式：其中，此外，各個(gè)量的含義為：IPV——光伏陣列輸出電流；Iph——光生電流；ID——二極管電流；Ish——光伏陣列漏電流；ISCR——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（光伏電池溫度25°，光照強(qiáng)度1000W/m2）光伏陣列短路電流；Kt——短路電流的溫度系數(shù)；λ——光照強(qiáng)度；I0——二極管飽和電流；q——電子電荷；（l.6×10-19C）UPV——光伏陣列輸出電壓；A——PN結(jié)理想因子；K——玻耳茲曼常量；(1.38×10-23J/K)T——太陽(yáng)能表面絕對(duì)溫度，25攝氏度為298K我們還需要了解光伏陣列的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)：①開(kāi)路電壓（Uoc）：在某一光照強(qiáng)度和溫度下光伏陣列開(kāi)路工作時(shí)的輸出電壓；②短路電流（Isc）：在某一光照強(qiáng)度和溫度下光伏陣列短路工作時(shí)的輸出電流；③最大功率點(diǎn)電壓（Umpp）：在某一光照強(qiáng)度和溫度下光伏陣列達(dá)到最大功率點(diǎn)工作時(shí)的輸出電壓；④最大功率點(diǎn)電流（Impp）：在某一光照強(qiáng)度和溫度下光伏陣列達(dá)到最大功率點(diǎn)工作時(shí)的輸出電流；⑤最大功率點(diǎn)功率（Pmpp）：在某一光照強(qiáng)度和溫度下光伏陣列達(dá)到最大功率點(diǎn)工作時(shí)的輸出功率，即Pmpp=Umpp*Impp。.因?yàn)樘?yáng)能電池的并聯(lián)電阻Rsh主要由電池表面污濁和半導(dǎo)體晶體缺陷引起的漏電流所對(duì)應(yīng)的P-N結(jié)漏電阻和電池邊緣的漏電阻等組成，一般為幾千歐姆，其通過(guò)的電流Ish遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光電流，故可忽略不計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，T=298K，即25攝氏度。其中，那么在標(biāo)準(zhǔn)條件下（即T=298K，=1000）可以得到Iph=IscR因此可以簡(jiǎn)化為下面可以令如果說(shuō)我想要一個(gè)開(kāi)路電壓為210V，短路電流為2.5A，最大功率點(diǎn)處電壓為170V，最大功率點(diǎn)處電流為2.35A，最大功率400W，那我可以計(jì)算出的結(jié)果為那么，其中，又因?yàn)槟敲矗↘t就是溫度補(bǔ)償系數(shù)，是一個(gè)比較小的值，一般是0.002左右。）那么就可以得到以下matlab數(shù)學(xué)模型：2.4光伏組件的仿真測(cè)試對(duì)于搭建的數(shù)學(xué)模型，檢測(cè)是否正確，可以用一下測(cè)試電路來(lái)檢驗(yàn)：其中，ControlledVoltageSource為受控電壓源，我增加一個(gè)ramp斜波信號(hào)，變化斜率為1000，仿真0.3s，對(duì)應(yīng)的電壓為1000*0.3=300V，那么就可以看到不同電壓下光伏輸出電流和輸出功率，如下：第一條波形為不同電壓下的光伏輸出電流；第二條波形為前面所說(shuō)變化斜率為1000的電壓；第三條波形為不同電壓下的光伏輸出功率。可以很容易看到開(kāi)路電壓為210V，短路電流為2.5A，最大功率點(diǎn)處電壓為170V，最大功率點(diǎn)處電流為2.35A，最大功率400W，所以模型完全正確。同時(shí)也不難發(fā)現(xiàn)，理想條件下，光伏電池的輸出電壓與輸出電流以及輸出電壓與輸出功率之間的關(guān)系。如下圖所示：輸出電壓-輸出電流的關(guān)系輸出電壓-輸出電流的關(guān)系輸出電壓-輸出功率的關(guān)系第三章一種光伏組件安全快速關(guān)斷裝置的設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)背景光伏組件通常情況下連接在逆變器與電網(wǎng)中間，一旦光伏電站發(fā)生火災(zāi)災(zāi)難或者其他意外危險(xiǎn)發(fā)生，技術(shù)安全人員最先要做的事情就是斷開(kāi)光伏組件，但是事實(shí)上光伏組件大多數(shù)都是安裝在屋頂，所以一般情況下很難做到及時(shí)地快速地?cái)嚅_(kāi)光伏組件，因此這樣一種光伏組件安全快速關(guān)斷裝置由此產(chǎn)生。本人經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，目前已經(jīng)研究設(shè)計(jì)出來(lái)的光伏組件安全快速關(guān)斷裝置主要是使用直流接觸器或者直流繼電器與交流電源開(kāi)關(guān)組合的方式，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)電網(wǎng)供電控制直流接觸器，這樣直接控制光伏組件的導(dǎo)通和關(guān)斷。比如專利申請(qǐng)?zhí)?01720603595.9，就提供了一種光伏組件快速關(guān)斷裝置及光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用驅(qū)動(dòng)電路控制同時(shí)并聯(lián)連接于光伏組件輸出回路的至少兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，當(dāng)需要關(guān)斷光伏組件的輸出時(shí)，各個(gè)開(kāi)關(guān)管均可響應(yīng)，進(jìn)而關(guān)斷相應(yīng)光伏組件的輸出；當(dāng)光伏組件需要正常輸出時(shí)，即便其中一個(gè)開(kāi)關(guān)管由于門極過(guò)壓而導(dǎo)致?lián)p壞，還可以通過(guò)并聯(lián)連接的其他開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)光伏組件電能的正常輸出，各個(gè)開(kāi)關(guān)管互為冗余，保證了光伏組件電能的正常輸出，避免了系統(tǒng)發(fā)電量的損失。專利申請(qǐng)?zhí)?01710114498.8介紹了一種太陽(yáng)能高速度關(guān)閉裝置和太陽(yáng)能系統(tǒng)，裝置是這樣的:第一個(gè)開(kāi)關(guān)，第二個(gè)開(kāi)關(guān)，輔助電路，控制電路和通信電路；將多個(gè)太陽(yáng)能電池板中的一個(gè)太陽(yáng)能電池板做成電光板，太陽(yáng)能電池板的輸出端連接到輔助源的輸入部分；第一個(gè)開(kāi)關(guān)連接在太陽(yáng)能電池板及與太陽(yáng)能電池板相接的太陽(yáng)能電池板之間。第二段的兩端分別連接好幾個(gè)太陽(yáng)能電池板，然后把輸出正極和輸出負(fù)極連接起來(lái)。將電路二極管連接到陰極，連接光電元件的低壓部分，將電路二極管連接到陽(yáng)極的低壓部分，通信線路接受從外部發(fā)出的關(guān)閉命令的同時(shí)，將關(guān)閉命令發(fā)送到控制電路。控制電路在接到關(guān)閉命令時(shí)，用于控制的第一個(gè)開(kāi)關(guān)被切斷或第二個(gè)開(kāi)關(guān)被關(guān)閉。降低成本，降低能源消耗，提高效率。專利申請(qǐng)?zhí)?01721225093.3提供了一種多組件級(jí)快速關(guān)斷裝置，光伏系統(tǒng)采用光伏組件串控制與之相連的光伏組件串。光伏組件串包括串聯(lián)的多個(gè)光伏組件。該多元件級(jí)快速關(guān)斷裝置包括微控制器、通信單元、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源、開(kāi)關(guān)單元和輸出旁路二極管。微控制器與通信單元進(jìn)行通信并控制驅(qū)動(dòng)電路，通信單元用于傳輸關(guān)斷與開(kāi)通指令，驅(qū)動(dòng)電路接收微控制器指令從而驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)單元關(guān)斷與開(kāi)通光伏組件串，開(kāi)通時(shí)光伏組件串中的所有光伏組件均為輔助電源供電，從而平衡所有光伏組件對(duì)輔助電源的供電提高發(fā)電量。專利申請(qǐng)?zhí)?01710422842.x一種應(yīng)用于光伏發(fā)電的快速關(guān)斷系統(tǒng)，涉及光伏發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于光伏發(fā)電的快速關(guān)斷系統(tǒng)。具有高安全性和可靠性。串接于光伏組件陣列中，包括快速關(guān)斷光伏接線盒，所述光伏組件陣列包括若干光伏組件，若干所述光伏組件串聯(lián)連接后經(jīng)由匯流/逆變箱輸送至交流電網(wǎng)，交流電網(wǎng)和匯流/逆變箱之間設(shè)有交流配電系統(tǒng)，相鄰的所述光伏組件之間串接快速關(guān)斷光伏接線盒，用于關(guān)斷光伏組件；所述交流配電系統(tǒng)包括主閘和副閘，所述主閘設(shè)于交流電網(wǎng)和匯流/逆變箱之間，所述副閘包括電源變換器、手動(dòng)開(kāi)關(guān)和自動(dòng)開(kāi)關(guān)，所述自動(dòng)開(kāi)關(guān)和手動(dòng)開(kāi)關(guān)分別連接電源變換器，所述電源變換器連接快速關(guān)斷光伏接線盒。從整體上具有安全性高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。專利申請(qǐng)?zhí)?01810675114.4設(shè)計(jì)了一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的快速關(guān)斷裝置，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)包含逆變器以及串聯(lián)連接的多個(gè)光伏組件，快速關(guān)斷裝置包含:開(kāi)關(guān)電路，開(kāi)關(guān)電路包含第一開(kāi)關(guān)以及第二開(kāi)關(guān)，第一開(kāi)關(guān)的第一端電性連接至多個(gè)光伏組件中的第一光伏組件的正極端，第一開(kāi)關(guān)的第二端電性連接至多個(gè)光伏組件中的第二光伏組件的負(fù)極端，第二開(kāi)關(guān)的第一端電性連接至第一光伏組件的負(fù)極端；通信電路，電性連接至控制電路并與逆變器相通信，用于接收來(lái)自逆變器所發(fā)出的指令信號(hào)，并將指令信號(hào)發(fā)送給控制電路；控制電路，電性連接至第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)，用于根據(jù)指令信號(hào)控制第一開(kāi)關(guān)以及第二開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或閉合；以及輔助電源電路，用于向快速關(guān)斷裝置提供電能。專利申請(qǐng)?zhí)柹暾?qǐng)?zhí)?01821214214.9公開(kāi)了一種可快速關(guān)斷的光伏組件接線盒，接線盒的印刷電路板上，輸入端的正極和輸出端的正極之間、輸入端的負(fù)極和輸出端的負(fù)極之間，設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)MOSFET作為接線盒開(kāi)通或關(guān)斷的執(zhí)行器件；由電感器、電容器構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，用于接收外部施加的高頻信號(hào)；由二極管和電容器構(gòu)成的倍壓整流電路，將串聯(lián)諧振電路中電感器諧振電壓，以無(wú)源方式變換成MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓。其中省略了獨(dú)立電源以及MOSPFET有源驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化了可快速關(guān)斷的光伏組件接線盒的控制電路，所使用電子器件簡(jiǎn)單、數(shù)量明顯降低，由此隨之而帶來(lái)產(chǎn)品成本顯著下降，可靠性和壽命顯著提升的有益效果。再如專利申請(qǐng)?zhí)?01880000852.7，一種光伏組件陣列關(guān)斷系統(tǒng)，用于對(duì)光伏組件陣列進(jìn)行關(guān)斷控制，包括關(guān)斷控制器和復(fù)數(shù)個(gè)關(guān)斷裝置，關(guān)斷裝置具有第一連接端和第二連接端，關(guān)斷裝置通過(guò)第一連接端與光伏組件串聯(lián)于直流母線之間，并且每個(gè)關(guān)斷裝置位于相鄰光伏組件之間，關(guān)斷裝置通過(guò)第二連接端與關(guān)斷控制器形成串聯(lián)，關(guān)斷控制器在預(yù)設(shè)條件下控制電路內(nèi)的所有關(guān)斷裝置同時(shí)開(kāi)啟或關(guān)斷以控制光伏組件電路的連通或斷開(kāi)。該關(guān)斷系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中每個(gè)組件的快速安全關(guān)斷，以保證人員安全。3.2設(shè)計(jì)思路及存在的問(wèn)題困擾根據(jù)上述的設(shè)計(jì)背景可以了解到，這些快速關(guān)斷裝置確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)安全、有效地關(guān)斷組件的作用，但是存在兩個(gè)問(wèn)題：一是安裝難度大，上述的方法基本上都存在至少2個(gè)或者及以上的部件且體積比較大，所以安裝存在一定的難度。二是上述部分采用的是直流接觸器或者直流繼電器，這樣價(jià)格成本高。所以我想采用交流繼電器，因?yàn)樗膬r(jià)格相對(duì)直流繼電器比較低，但是存在一個(gè)問(wèn)題，交流繼電器在直流狀態(tài)下通斷會(huì)產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。（什么是拉弧現(xiàn)象？拉弧現(xiàn)象是由于其控制電路存在感性負(fù)載，因?yàn)殡姼械碾娏鞑粫?huì)突變，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間，電磁能量需要靠斷點(diǎn)產(chǎn)生自感高壓來(lái)?yè)舸┛諝饩S持電流，從而產(chǎn)生電弧，通過(guò)電弧的熱能來(lái)釋放能量。）3.3關(guān)斷裝置框圖及實(shí)施方式圖3.1一種光伏組件安全快速關(guān)斷裝置框圖圖3.1一種光伏組件安全快速關(guān)斷裝置框圖圖3.1附圖說(shuō)明：-光伏組件；2--逆變器；3--時(shí)序控制電路；4--電網(wǎng)；5--輔助電源如圖3.1所示，這種光伏組件快速關(guān)斷裝置安裝在光伏組件和逆變器中間，由電網(wǎng)供電，大致實(shí)施方式是：在光伏組件和逆變器之間用一個(gè)IGBT與常閉交流繼電器連接，其中，利用時(shí)序控電路去控制IGBT和K1、K2兩個(gè)觸點(diǎn)的常閉交流繼電器關(guān)斷順序，分別給出IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1，或給常閉交流繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)I0；當(dāng)有電網(wǎng)輸入時(shí)，時(shí)序控制電路保證常閉交流繼電器先IGBT導(dǎo)通；當(dāng)關(guān)斷電網(wǎng)時(shí)，常閉交流繼電器后于IGB關(guān)斷。這樣可以保證常閉交流繼電器在無(wú)直流電流情況下開(kāi)關(guān)，不會(huì)出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。據(jù)上所述，這種光伏組件安全快速關(guān)斷裝置，其主要特征在于：在電網(wǎng)輸入時(shí)，保證常閉交流繼電器在IGBT前導(dǎo)通；關(guān)斷電網(wǎng)輸入時(shí)，保證IGBT在常閉交流繼電器之后關(guān)斷。該關(guān)斷裝置的優(yōu)越性：1、該關(guān)斷裝置解決了交流繼電器拉弧問(wèn)題，可避免使用成本高出十幾甚至二十多倍的直流繼電器或直流接觸器，成本可大幅下降；2、該關(guān)斷裝置所占空間小，方便安裝和拆卸；3、該關(guān)斷裝置能夠安全、快速關(guān)斷光伏組件，只要安全人員關(guān)閉電網(wǎng)，就可以達(dá)到關(guān)斷組件與逆變器以及電網(wǎng)直接的目的，從而起到電氣隔離的作用。光伏組件安全快速關(guān)斷裝置的原理圖及仿真分析4.1關(guān)斷裝置的工作原理及時(shí)序控制電路原理圖4.1.1時(shí)序控制電路原理圖圖4.1時(shí)序控制電路原理圖圖4.1時(shí)序控制電路原理圖基本結(jié)構(gòu)：時(shí)序控制電路包括電壓比較器U1A和R3構(gòu)成的電壓比較電路；光電耦合器U2和R8組成IGBT開(kāi)關(guān)電路；比較器U1B和R1、R2構(gòu)成常閉交流繼電器的開(kāi)關(guān)電路；R6和C1以及二極管D1構(gòu)成延時(shí)電路。器件選型：①這里選擇電壓比較器LM393DR2G，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)“+”輸入端電壓高于“－”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平；當(dāng)“+”輸入端電壓低于“－”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平，切換速度快，延遲時(shí)間小。②這里選擇4針光電晶體管光耦，光電耦合器以光為媒介傳輸信號(hào)，所以對(duì)輸入輸出信號(hào)有著良好的隔離作用，因此，光耦有著良好的電絕緣能力和抗干擾能力；工作穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)；傳輸效率高，光電耦合器的響應(yīng)速度通常打到毫秒甚至微秒級(jí)。4.1.2關(guān)斷裝置工作原理圖4.1時(shí)序控制電路中，+5V、+12V為同一個(gè)電源產(chǎn)生，V1為一個(gè)遞增的電壓，至額定16V。①當(dāng)電源V1開(kāi)始上升，首先IO信號(hào)為低電平，常閉交流繼電器導(dǎo)通。當(dāng)電源V1繼續(xù)上升至11.5V時(shí)，比較器U1A輸出一個(gè)高電平，經(jīng)上拉電阻R4獲得一個(gè)12V的電壓，這時(shí)一部分經(jīng)過(guò)光耦使G1驅(qū)動(dòng)信號(hào)上拉為高電平，因此輸出信號(hào)導(dǎo)通IGBT，另一部分經(jīng)過(guò)R6、C1組成的延時(shí)電路對(duì)電容進(jìn)行充電。這樣就保證了常閉交流繼電器先導(dǎo)通，IGBT后導(dǎo)通。②當(dāng)電源V1下降時(shí)（V1仍然大于12V），比較器U1A輸出一個(gè)低電平，此時(shí)光耦輸入端無(wú)驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生，則光耦不工作，在失去了G1驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，IGBT快速關(guān)斷；而此時(shí)電容C1開(kāi)始放電，二極管D1單向?qū)ㄅcR6構(gòu)成一個(gè)回路，待放電結(jié)束，回路依然輸出一個(gè)低電平，與R1經(jīng)比較器U1B輸出高電平，在上拉電阻R2的驅(qū)動(dòng)下，IO驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，則常閉繼電器斷開(kāi)。這樣就保證了IGBT先關(guān)斷，常閉繼電器后關(guān)斷。4.2光伏組件快速關(guān)斷的MATLAB/Simulink仿真4.2.1關(guān)斷裝置的仿真模型根據(jù)上述設(shè)計(jì)的電路原理圖以及該關(guān)斷裝置的設(shè)計(jì)思路，在MATLAB/Simulink中搭建模型，以此來(lái)判斷該光伏組件安全快速關(guān)斷裝置的可行性。模型如下：（該關(guān)斷裝置的模型是建立在第二章的理想光伏組件模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行搭建的）模型搭建的難點(diǎn)：該光伏組件快速關(guān)斷裝置的仿真模型在搭建時(shí)的難點(diǎn)就在于：①如何在模型中表現(xiàn)出IGBT和常閉交流繼電器的導(dǎo)通順序以及關(guān)斷順序。②如何體現(xiàn)出該關(guān)斷裝置在光伏組件出現(xiàn)故障（短路、斷路等等）時(shí)能夠有效地關(guān)斷。不難看出，這里對(duì)于G1和I0的輸入信號(hào)在搭建模型時(shí)，我采用Simulink中的sum模塊，利用該模塊可以對(duì)多端口輸入的控制通過(guò)指定的運(yùn)算然后給出輸出信號(hào)，這樣可以簡(jiǎn)單高效地去控制常閉交流繼電器和IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。這樣，就可以解決了對(duì)IGBT和常閉交流繼電器的控制順序的難點(diǎn)。另外，在Simulink中使用breaker模塊（通常說(shuō)的斷路器）來(lái)模擬常閉交流繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，斷路器模塊實(shí)現(xiàn)了開(kāi)閉時(shí)間由外部Simulink信號(hào)(外部控制模式)或內(nèi)部控制定時(shí)器(內(nèi)部控制模式)可控的電路斷路器。要注意的是當(dāng)一系列R-C緩沖電路包含在模型中，它可以連接到斷路器。如果發(fā)生斷路器模塊串聯(lián)一個(gè)電感電路、一個(gè)開(kāi)路或一個(gè)電流源，你必須使用一個(gè)緩沖電路。當(dāng)斷路器塊被設(shè)置在外部控制模式下，模塊圖標(biāo)上出現(xiàn)的Simulink輸入端。同時(shí)連接到Simulink的輸入端控制信號(hào)必須是0或1。模型搭建的思路：如上述模型所示，使用Step5、Step6兩個(gè)階躍信號(hào)作為輸入給IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其中，Step5設(shè)置的初始值是0，階躍后的值為1，發(fā)生階躍的時(shí)間為0.2秒；Step5設(shè)置的初始值是0，階躍后的值為1，發(fā)生階躍的時(shí)間為0.8秒。那么易得，在0-0.2秒內(nèi)，IGBT的輸入信號(hào)為0；在0.2s-0.8s內(nèi)，IGBT的輸入信號(hào)為1；在0.8s-1s內(nèi)，IGBT的輸入信號(hào)再次變?yōu)?。如上述模型所示，使用Step階躍信號(hào)作為輸入給兩個(gè)斷路器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其中，Step設(shè)置的初始值是1，階躍后的值為0，發(fā)生階躍的時(shí)間為1秒。那么，在0-1s內(nèi)，斷路器的輸入信號(hào)為1，1s后變?yōu)?。綜上所述，在0-0.2s內(nèi)IGBT的輸入信號(hào)為0，斷路器的輸入信號(hào)為1，所以在0-0.2s內(nèi)斷路器導(dǎo)通；在0.2s-0.8s內(nèi)，IGBT和斷路器的輸入信號(hào)都為1，此時(shí)IGBT和斷路器都處于導(dǎo)通狀態(tài)，這樣就保證了該光伏組件快速關(guān)斷裝置在接入電網(wǎng)時(shí)，常閉交流繼電器在IGBT之前導(dǎo)通的設(shè)計(jì)理念。同樣地，維持0.6s的導(dǎo)通時(shí)間后，在0.8s-1s內(nèi)IGBT的輸入信號(hào)變?yōu)?，而此時(shí)斷路器的輸入信號(hào)仍然為1，那么就保證了關(guān)斷電網(wǎng)時(shí)，IGBT在常閉交流繼電器之前關(guān)斷的設(shè)計(jì)理念。所以，以上的仿真模型可以驗(yàn)證該光伏組件安全快速關(guān)斷裝置的可靠性。4.2.2快速關(guān)斷裝置的仿真測(cè)試根據(jù)以上的仿真模型，可以得到以下輸出波形：第一條波形為隨時(shí)間變化的電流輸出曲線；第二條波形為隨時(shí)間變化的電壓輸出曲線；第二條波形為隨時(shí)間變化的功率輸出曲線；從上述仿真波形中不難看出，剛開(kāi)始光伏電池因?yàn)楣庹铡囟鹊葪l件產(chǎn)生一個(gè)210V左右的開(kāi)路電壓，在最初導(dǎo)通時(shí)，因?yàn)殡娙萏幱诔潆娺^(guò)程，待光伏組件供電電壓和電容中的電壓達(dá)到平衡時(shí)，如上波形圖可見(jiàn)此時(shí)給負(fù)載斷提供一個(gè)50V的電壓和2.5A的電流以供電，此時(shí)功率變?yōu)楹愣ā６笸ㄟ^(guò)該快速關(guān)斷裝置，易得電壓恢復(fù)為之前的開(kāi)路電壓210V，而此時(shí)的電流為0A，所以光伏組件輸出功率也變?yōu)?，符合實(shí)際情況。綜上仿真模型及測(cè)試波形可知，該光伏組件安全快速關(guān)斷裝置在實(shí)施關(guān)斷過(guò)程中，確實(shí)安全可靠。總結(jié)與展望5.1論文工作總結(jié)眾所周知，能源是社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展的基石。化石燃料例如石油、煤炭、天然氣等在地球上的儲(chǔ)存量是有限的，都是不可再生能源，并且這些化石燃料的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的污染物例如粉塵、CO2、SO2、H2S、NOx等，嚴(yán)重危害著我們的生存環(huán)境。全球環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，中國(guó)的環(huán)境形勢(shì)也不容樂(lè)觀，近年來(lái)每到秋冬季節(jié)“霧霾(PM2.5)”就長(zhǎng)居各大媒體頭條，嚴(yán)重影響了人民的生活質(zhì)量。作為新能源和可再生能源的重要代表，太陽(yáng)能的重要性顯而易見(jiàn)。光伏發(fā)電是太陽(yáng)能的主要應(yīng)用方式之一，在各種生產(chǎn)和生活領(lǐng)域都得到了極為廣泛地使用和發(fā)展。同時(shí)，隨著光伏電站的發(fā)展，光伏安全問(wèn)題現(xiàn)如今已經(jīng)顯得尤為重要，每年都有大量的光伏安全事故發(fā)生，這導(dǎo)致了一定程度的危害，無(wú)論是財(cái)產(chǎn)安全，還是人身安全，都會(huì)受到威脅。因此，設(shè)計(jì)一種光伏組件安全快速關(guān)斷裝置，在故障發(fā)生時(shí)，能夠自主地，迅速地，安全地關(guān)斷光伏組件再配合安全人員地檢修，不僅可以保障光伏發(fā)電站的安全運(yùn)行，而且能夠大大提高光伏發(fā)電站的故障維修效率。本文在現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外針對(duì)于光伏安全問(wèn)題的研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種光伏組件安全快速關(guān)斷裝置。完成的主要工作如下:通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)資料和相關(guān)新聞期刊，了解了光伏組件的應(yīng)用和光伏產(chǎn)業(yè)在安全方面的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)了光伏太陽(yáng)能電池的發(fā)電原理，以及了解了光伏組件常見(jiàn)的幾種故障類型。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池板的特性的了解，在MATLAB/Simulink對(duì)單個(gè)光伏電池進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真測(cè)試，得到了理論情況下的電壓電流輸出特性曲線。搜集了近三年的光伏組件安全快速關(guān)斷裝置的相關(guān)研究專利，篩選了幾篇作詳細(xì)了解，了解該裝置當(dāng)前的設(shè)計(jì)背景，構(gòu)建自己的設(shè)計(jì)