一種新型數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁控制裝置的研究與設(shè)計(jì)碩士學(xué)位

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一種新型數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁控制裝置的研究與設(shè)計(jì)碩士學(xué)位一種新型數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁控制裝置的研究與設(shè)計(jì)碩士學(xué)位碩士王鈞一種新型數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁控制裝置的研究與設(shè)計(jì)2012碩士學(xué)位論 文 一種新型數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁控制裝置的研究與設(shè)計(jì)一種新型數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁控制裝置的研究與設(shè)計(jì)摘 要本文在分析國(guó)內(nèi)外勵(lì)磁控制裝置發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上建立了新型數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將光伏技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及現(xiàn)代通信技術(shù)與勵(lì)磁控制裝置相結(jié)合，具有一定的創(chuàng)新性和前瞻性，其發(fā)電機(jī)組采用他勵(lì)方式時(shí)， 可由太陽(yáng)能光伏組件勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)電力節(jié)能。該

2、裝置以NXP 公司32位ARM單片機(jī)LPC1768為控制核心，硬件設(shè)計(jì)部分主要包括電源、時(shí)鐘與存儲(chǔ)、按鍵與顯示等單片機(jī)基本外圍電路；采樣、整流、斬波和觸發(fā)控制等電路； 232/485和GPRS等通信電路；系統(tǒng)保護(hù)和抗干擾電路。軟件部分主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行方式控制、采樣與計(jì)算、勵(lì)磁控制、通信與存儲(chǔ)、綜合保護(hù)和抗干擾設(shè)計(jì)等功能，尤其考慮了V/F限制、欠勵(lì)限制、空載強(qiáng)勵(lì)限制、過(guò)載限制和起勵(lì)、滅磁控制等保護(hù)措施。文中分析和討論了自動(dòng)勵(lì)磁控制算法和交流采樣算法，勵(lì)磁過(guò)程可切換積分分離PID控制和線性最優(yōu)控制兩種模式，采樣過(guò)程則使用64點(diǎn)快速傅里葉算法以提高精度。論文最后通過(guò)交流采樣、晶閘管移相控制、相位檢測(cè)、時(shí)

3、鐘調(diào)整和串口通信等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的部分模塊的功能并達(dá)到了相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)。該裝置具有良好的人機(jī)界面，硬件擴(kuò)展性好，軟件兼容性強(qiáng)，便于系統(tǒng)升級(jí)和更新?lián)Q代，可以應(yīng)用于中小型的水電廠和造紙、化工等企業(yè)的自備發(fā)電機(jī)組，具有較廣的應(yīng)用市場(chǎng)。關(guān)鍵詞：LPC1768 微機(jī)勵(lì)磁 光伏勵(lì)磁 GPRS通信 THE STUDY AND DESIGN OF A NEW DIGIT EXCITATION CONTROL EQUIPMENT BY MICROCOMPUTER ABSTRACTIn this paper, the new digital microcomputer-based excitation contro

4、l system base on the analysis of critical applications and development status of domestic and international excitation control devices. The system will be the combination of photovoltaic technology, the Internet of Things, modern communications technology and excitation control devices, innovative a

5、nd forward-looking.Its generator group were excited by solar photovoltaic modules, which could save power energy.The device take NXP 32 bits ARM microcontroller LPC1768 as the control core.The parts of hardware design mainly contain circuits of microcontroller power supply, clock and storage, button

6、s and display; control circuits of sampling, rectifier, chopper and trigger; communication circuits of 232/485 and GPRS; circuits of system protection and anti-jamming. Software design contain the main operation mode control, sampling and calculation, communications and storage, protection and anti-

7、jamming design, especially considering that the V/ F limit,low excitation limit, no-load strong excitation limit, overload limit, start and de-excitation control.This paper analyzes and discusses the automatic excitation control algorithms and sampling algorithms.The excitation process can be switch

8、ed to two modes: the integral separation PID control and linear optimal control, the sampling process is using 64-point fast Fourier algorithm to improve the accuracy. Finally, experiments of sampling, thyristor phase-shift control, phase detector, clock adjustment and serial communication have veri

9、ficated parts function of the device and achieved the appropriate technical indicators.The device has a good human-computer interface, hardware scalability, software compatibility, convenient for system to upgrade and renew.It can be applied to small-sized hydropower plants, paper mill, chemical pia

10、nts and other enterprises owned generator sets, with a more wide application market.KEY WORDS: LPC1768; excitation by microcomputer; excitation by solar photovoltaic; GPRS communication目 錄THE STUDY AND DESIGN OF A NEW DIGIT EXCITATIONICONTROL EQUIPMENT BY MICROCOMPUTERI第一章 緒論01.1 論文選題的背景及意義01.2 微機(jī)勵(lì)磁

11、控制器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀01.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀01.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀11.3 其他新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展11.3.1 太陽(yáng)能光伏技術(shù)11.3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)21.4 微機(jī)勵(lì)磁控制裝置的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)21.5 本論文的主要內(nèi)容和章節(jié)2第二章 勵(lì)磁控制原理與算法分析42.1勵(lì)磁調(diào)節(jié)原理42.1.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成42.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)功能42.1.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能要求62.2新型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型62.3 交流采樣算法研究72.3.1 基本計(jì)算符號(hào)與公式說(shuō)明72.3.2 基本理論算法82.3.3 半周積分算法92.3.4 傅里葉算法102.3.5 本裝置采樣算法102.4 自動(dòng)勵(lì)磁算

12、法研究112.4.1 常規(guī)PID控制算法112.4.2 數(shù)字PID控制算法112.4.3 積分分離PID算法122.4.4 PID勵(lì)磁控制算法122.4.5 線性最優(yōu)勵(lì)磁控制算法132.5本章小結(jié)15第三章 光伏與物聯(lián)網(wǎng)通信等技術(shù)應(yīng)用原理163.1 太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度計(jì)算163.2 太陽(yáng)能光伏技術(shù)163.2.1 光伏效應(yīng)原理163.2.2 光伏電池等效電路與特性173.2.3 光伏電池組件183.3 電能貯存183.4 物聯(lián)網(wǎng)與智能電力設(shè)備193.5 傳感器技術(shù)應(yīng)用203.5.1 射頻識(shí)別技術(shù)203.5.2 電力互感器203.6 現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用213.6.1 串口通信213.6.2 I2C通信2

13、13.6.3 GPRS通信223.7 本章小結(jié)23第四章 勵(lì)磁控制器硬件設(shè)計(jì)244.1 裝置功能需求說(shuō)明244.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)244.2.1 核心控制芯片的選擇244.2.2 系統(tǒng)功能框圖264.2.3 硬件層次原理圖264.3 電源模塊設(shè)計(jì)274.4 時(shí)鐘與存儲(chǔ)模塊284.5 按鍵電路與液晶顯示294.6 采樣調(diào)理電路304.7 全控整流電路334.8 直流斬波電路354.9 開(kāi)關(guān)量控制電路364.10通信模塊設(shè)計(jì)384.10.1 串口通信384.10.2 GPRS接口設(shè)計(jì)394.11 系統(tǒng)保護(hù)電路414.12 硬件抗干擾設(shè)計(jì)414.13 本章小結(jié)42第五章 勵(lì)磁控制器軟件設(shè)計(jì)435.1軟

14、件設(shè)計(jì)總體說(shuō)明435.1.1 軟件功能需求說(shuō)明435.1.2 程序設(shè)計(jì)思想435.1.3 程序設(shè)計(jì)的步驟435.2 系統(tǒng)主流程設(shè)計(jì)445.3 運(yùn)行方式控制設(shè)計(jì)455.4 按鍵控制設(shè)計(jì)465.5 調(diào)差模塊設(shè)計(jì)475.6采樣流程設(shè)計(jì)475.7晶閘管移相觸發(fā)設(shè)計(jì)485.8 勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)495.8.1 起勵(lì)控制43495.8.2 滅磁控制43505.8.3 數(shù)字PID勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)505.9 勵(lì)磁限制與保護(hù)功能設(shè)計(jì)515.9.1 V/F 限制515.9.2 最大勵(lì)磁電流瞬時(shí)限制515.9.3 空載強(qiáng)制限制525.9.4 欠勵(lì)磁限制525.9.5 無(wú)功功率過(guò)載限制535.9.6 強(qiáng)行勵(lì)磁535.9.7 反

15、時(shí)限延時(shí)過(guò)勵(lì)磁電流限制535.9.8 TV斷線檢測(cè)545.10 通信與監(jiān)控設(shè)計(jì)545.10.1 I2C通信設(shè)計(jì)545.10.2 時(shí)間校準(zhǔn)與控制555.10.3 GPRS通信設(shè)計(jì)555.11 軟件抗干擾設(shè)計(jì)565.12 本章小結(jié)57第六章 程序調(diào)試與實(shí)驗(yàn)分析586.1 程序編譯與下載環(huán)境586.1.1 編譯環(huán)境586.1.2 程序下載軟件596.2 實(shí)驗(yàn)硬件準(zhǔn)備606.3 顯示界面說(shuō)明626.4 按鍵控制說(shuō)明626.5 實(shí)驗(yàn)與分析636.5.1 交流采樣實(shí)驗(yàn)636.5.2 晶閘管移相觸發(fā)實(shí)驗(yàn)656.5.3 相位檢測(cè)與移相實(shí)驗(yàn)676.5.4 時(shí)鐘調(diào)整實(shí)驗(yàn)696.5.5 通信實(shí)驗(yàn)706.6本章小結(jié)7

16、2第七章 總結(jié)與展望737.1 總結(jié)737.2 展望73參考文獻(xiàn)74在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與科研成果78VI第一章 緒論1.1 論文選題的背景及意義隨著我國(guó)電力技術(shù)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大，輸電線路不斷延長(zhǎng)，電壓等級(jí)不斷升高，而且用戶對(duì)供電質(zhì)量的要求越來(lái)越高，電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出。一些重大電力事故表明，電力設(shè)備需要更加及時(shí)精確的控制，其中對(duì)發(fā)電設(shè)備的控制尤為重要。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制裝置是電力系統(tǒng)的重要組成部分，是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性最有效和最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段之一。目前我國(guó)電網(wǎng)的格局，以大型機(jī)組和巨型機(jī)組為主力。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電受制于技術(shù)瓶頸，而風(fēng)電技術(shù)有地域性限制，水電和

17、核電仍將是以后重點(diǎn)發(fā)展方向。廣西作為中國(guó)第一糖業(yè)大省，有近100多家糖廠和大量化工企業(yè)，而且因水資源豐富廣西還擁有眾多的小型水電廠。糖廠、化工企業(yè)的冶煉和造紙等工藝都需要自備發(fā)電機(jī)組，其中的勵(lì)磁裝置每2-3年更換一次，從全國(guó)來(lái)看，類似的企業(yè)也還有很多，故勵(lì)磁控制裝置的市場(chǎng)前景非常廣闊。本課題在國(guó)內(nèi)一些科技研究成果的基礎(chǔ)上，努力設(shè)計(jì)出性能更好、更穩(wěn)定可靠的數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁控制裝置。本裝置采用他勵(lì)與自勵(lì)相結(jié)合的接線方式，其中他勵(lì)接線時(shí)，設(shè)計(jì)其勵(lì)磁電流取自太陽(yáng)能光伏組件。這種方式可以將太陽(yáng)能光伏技術(shù)相結(jié)合，具有中遠(yuǎn)期的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性，既是國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策所倡導(dǎo)的，也是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的方向。另外，本裝置

18、還預(yù)留物聯(lián)網(wǎng)通信接口，這將在電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程通信、智能巡檢和狀態(tài)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮巨大的作用。目前現(xiàn)代通信技術(shù)和產(chǎn)品已廣泛用于電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并伴隨智能電網(wǎng)的發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。廣西諾斯貝電氣有限責(zé)任公司和廣西比迪光電科技工程有限責(zé)任公司長(zhǎng)期關(guān)注此項(xiàng)課題的研究，多個(gè)勵(lì)磁控制項(xiàng)目、光伏發(fā)電并網(wǎng)項(xiàng)目和物聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目在廣西有成功的應(yīng)用，為我們提供了良好的實(shí)驗(yàn)條件和大量的技術(shù)支持。1.2 微機(jī)勵(lì)磁控制器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀上世紀(jì)80年代初，我國(guó)一些高校和科研單位開(kāi)始研制數(shù)字式勵(lì)磁控制裝置1-2。盧強(qiáng)教授最早在國(guó)內(nèi)研制出線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器（LOEC）裝置6-7。該裝置基于線性最

19、優(yōu)理論，標(biāo)志著該理論在我國(guó)已達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用階段3,5-8。90 年代初期，隨著嵌入式技術(shù)的深入，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置發(fā)展迅速，逐漸趨向微機(jī)勵(lì)磁3。該時(shí)期主流的勵(lì)磁裝置以 8 位單片機(jī)為控制核心，用 PID 調(diào)節(jié)控制規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)11。這相較傳統(tǒng)的模擬式裝置在運(yùn)算速度、控制精度以及控制算法等方面有了很大的改進(jìn)。此后，各研究單位對(duì)其投入了較大的關(guān)注，勵(lì)磁控制技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。勵(lì)磁控制裝置的核心處理器也向快速化和集成化方向發(fā)展4。南自研制的FWL/B-600&800系統(tǒng)，主要基于DSP+FPGA，其可控硅移相觸發(fā)技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平4-5；華科的最優(yōu)勵(lì)磁控制調(diào)節(jié)器與PID+PSS相比，具有更好

20、的調(diào)節(jié)性和適應(yīng)性；南自與清華共同研制的GEC系列裝置，采用了PID+PSS和非線性勵(lì)磁控制4-5。目前，我國(guó)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置的研發(fā)能力己達(dá)世界先進(jìn)水平。1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀1969年，美國(guó)學(xué)者首次提出了PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)壓器）的概念，形成了“AVR+PSS”結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁控制器。在上世紀(jì)70年代，加拿大學(xué)者余耀南將最優(yōu)控制理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)，后來(lái)又提出了多變量線性最優(yōu)勵(lì)磁。隨后，國(guó)外的科學(xué)工作者深入研究，并推出了一系列的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置7。國(guó)外的數(shù)字式勵(lì)磁控制器研究始于20世紀(jì)70年代，80年代中期已進(jìn)入成熟階段。80年代國(guó)外的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置正式投入運(yùn)行。此后已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于大容量機(jī)組，主要

21、著重于完善與優(yōu)化性能并提高可靠性9-10。80年代末富士公司研制出了多變量綜合控制器，簡(jiǎn)稱TAGEC(多變量綜合控制器)9。21世紀(jì)以來(lái)，日本又提出了應(yīng)用于高壓輸電的新型電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱PSVR。BASLER電氣公司、GE公司，還有ABB、ROLLS ROYCE、西門(mén)子等大公司對(duì)勵(lì)磁控制裝置都有較強(qiáng)的科研能力12。1.3 其他新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展1.3.1 太陽(yáng)能光伏技術(shù)目前，我國(guó)已是全球太陽(yáng)能熱水器以及重要的太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)國(guó)。在全球太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)鏈條中，我國(guó)依靠廉價(jià)勞動(dòng)力等優(yōu)勢(shì)，在制造環(huán)節(jié)占有一席之地，但在大規(guī)模應(yīng)用太陽(yáng)能方面仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家21。太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域，我國(guó)光伏電

22、池產(chǎn)量逐年增加。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)目前也已經(jīng)開(kāi)始在公用建筑中使用，比如大型停車場(chǎng)，但大多數(shù)的項(xiàng)目都只限于工程示范階段，普及化的過(guò)程仍值得期待。近年來(lái)國(guó)內(nèi)的低端光伏產(chǎn)品逐漸有盲目擴(kuò)張和產(chǎn)能過(guò)剩的趨勢(shì)，而轉(zhuǎn)化效率高的多晶硅技術(shù)幾乎被國(guó)外壟斷，因此國(guó)內(nèi)光伏制造業(yè)的產(chǎn)品出口受到很大限制22-23。作為新能源戰(zhàn)略布局，國(guó)家相關(guān)部委陸續(xù)出臺(tái)了不少政策來(lái)扶持這一產(chǎn)業(yè)。但總體來(lái)看，由于技術(shù)成本和并網(wǎng)限制等因素，目前國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)遠(yuǎn)未達(dá)到全面開(kāi)啟的狀態(tài)。另外能量轉(zhuǎn)化率高，存儲(chǔ)更加方便21 的太陽(yáng)能光熱技術(shù)的發(fā)展也極為迅速，它將和光伏技術(shù)互為補(bǔ)充，齊頭發(fā)展24。該課題將太陽(yáng)能光伏技術(shù)與傳統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置結(jié)合，目

23、前尚未見(jiàn)到類似的應(yīng)用。1.3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今世界最熱門(mén)的產(chǎn)業(yè)之一，我國(guó)政府也將物聯(lián)網(wǎng)列為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的5大新興技術(shù)之一25-26。目前，國(guó)際上有RFID五大標(biāo)準(zhǔn)組織，各有側(cè)重領(lǐng)先領(lǐng)域，其中歐美地區(qū)推行較廣。 隨著信息化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步滲透到智能電網(wǎng)的應(yīng)用中27-28,30。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字化變電站中已經(jīng)得到應(yīng)用，其應(yīng)用層能實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與智能電網(wǎng)的融合，使電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)能智能交流。智能電網(wǎng)技術(shù)需要物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)的全面支撐：從發(fā)電機(jī)組運(yùn)行到輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從電力生產(chǎn)管理到智能抄表，從智能用電到多網(wǎng)融合27。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不但可以有效的

24、對(duì)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行整合，全方位提高電力系統(tǒng)的通信水平，還能很好的改善當(dāng)前電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率29-30。1.4 微機(jī)勵(lì)磁控制裝置的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)微機(jī)勵(lì)磁裝置今后的發(fā)展趨勢(shì)是4,5：（1）功率單元趨向大功率化，可關(guān)斷器件動(dòng)作快速化；（2）核心控制器數(shù)據(jù)處理高速化，實(shí)時(shí)化；（3）控制方法智能化。由于PSS和LOEC都是近似線性化的數(shù)學(xué)模型7，而電力系統(tǒng)是比較典型的非線性系統(tǒng)。隨著現(xiàn)階段非線性控制理論的飛速發(fā)展，精確反饋線性化方法能很好地解決大范圍線性化問(wèn)題和大干擾穩(wěn)定等問(wèn)題。從線性多變量到非線性多變量，多目標(biāo)的控制將成為將來(lái)主要的研究熱點(diǎn)13-16。另外，模糊控制、自適應(yīng)控制和人工智能

25、控制技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于勵(lì)磁控制，甚至可以在不確定模型和參數(shù)的情況下，抵抗外部干擾并能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)智能控制。從理論上講，這些勵(lì)磁控制器，對(duì)于改善系統(tǒng)的性能、精度和效率有很大的優(yōu)勢(shì)。目前這些方法大多只是實(shí)驗(yàn)性嘗試，尚未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段17-20。1.5 本論文的主要內(nèi)容和章節(jié)本課題的主要內(nèi)容和章節(jié)安排：第二章著重講解勵(lì)磁控制原理和算法，包括太陽(yáng)能勵(lì)磁系統(tǒng)的建模、交流采樣算法以及自動(dòng)勵(lì)磁控制算法；第三章論述太陽(yáng)能光伏與物聯(lián)網(wǎng)通信等技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用原理；第四章通過(guò)裝置功能需求說(shuō)明總體設(shè)計(jì)硬件構(gòu)架，然后設(shè)計(jì)各個(gè)模塊并考慮器件選型；第五章主要從系統(tǒng)軟件功能需求出發(fā)設(shè)計(jì)各子程序的流程，包括運(yùn)行方式、勵(lì)磁控制和綜

26、合保護(hù)設(shè)計(jì)等等；第六章通過(guò)硬件調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)的數(shù)據(jù)和波形檢驗(yàn)控制裝置的功能；第七章為總結(jié)與展望。第二章 勵(lì)磁控制原理與算法分析2.1勵(lì)磁調(diào)節(jié)原理2.1.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主要由勵(lì)磁功率單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和輸入測(cè)量單元組成31。功率單元主要提供可調(diào)節(jié)的勵(lì)磁電流，在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組上建立一個(gè)可控的磁場(chǎng)，該單元可以采用直流或交流電源兩種方式供電。如果是直流供電需要提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源，一般要匹配蓄電池。若采用交流電則可直接取自發(fā)電機(jī)機(jī)端，也可由電網(wǎng)直接接入。圖2-1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖Fig.2-1 The circuit diagram of excitation co

27、ntrol system勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是勵(lì)磁系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，它發(fā)出的控制信號(hào)直接影響到發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、輸出電流和勵(lì)磁電流、頻率等信號(hào)通過(guò)輸入測(cè)量環(huán)節(jié)傳送到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過(guò)與基準(zhǔn)信號(hào)的比較并按勵(lì)磁控制算法計(jì)算后發(fā)出控制指令，控制功率單元的輸出，從而影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。勵(lì)磁調(diào)節(jié)部分一般采用手動(dòng)與自動(dòng)控制相結(jié)合，正常運(yùn)行時(shí)自動(dòng)控制，故障和實(shí)驗(yàn)時(shí)以手動(dòng)方式作為備用。另外，整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、人機(jī)互動(dòng)和自動(dòng)保護(hù)等功能。2.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)功能同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不僅能夠保障自備發(fā)電設(shè)備的穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，而且能大大提高經(jīng)濟(jì)效益，其主要功能體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.維持

28、機(jī)端電壓穩(wěn)定圖2-2 同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理圖Fig.2-2 The circuit diagram of synchronous generator running電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，作為勵(lì)磁系統(tǒng)最基本的任務(wù)必須控制機(jī)端電壓在給定水平。機(jī)端電壓的調(diào)整主要根據(jù)負(fù)荷的大小及時(shí)的調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。如圖2-2中為勵(lì)磁電壓，為勵(lì)磁電流，為機(jī)端電壓，I為機(jī)端輸出電流。當(dāng)勵(lì)磁電流一定時(shí)，其建立的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為一定值。圖2-3 發(fā)電機(jī)輸出等效圖Fig.2-3 Equivalent chart of output of generator如圖2-3所示，根據(jù)電磁感應(yīng)和電路原理，有 (2-1)式中為發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流。在勵(lì)磁

29、電流不變時(shí)，機(jī)端電壓的變化主要由無(wú)功電流引起。系統(tǒng)負(fù)荷的變化使無(wú)功電流改變，從而影響機(jī)端電壓。但如果能相應(yīng)的及時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，改變的值，從而可以維持的穩(wěn)定。2.控制無(wú)功功率分配多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，改變某機(jī)組的勵(lì)磁電流都可能會(huì)影響到母線上其他機(jī)組的無(wú)功電流變化，從而使母線電壓也會(huì)發(fā)生改變。為了使機(jī)組間無(wú)功的分配合理且穩(wěn)定，機(jī)組需有一定的調(diào)差系數(shù)： （2-2）式中,，實(shí)際常用代替。當(dāng)0，機(jī)端電壓隨無(wú)功電流增大而降低，這時(shí)降低勵(lì)磁電流可使發(fā)電機(jī)端電壓降低，其曲線外特性為下傾，為正調(diào)差。當(dāng)0時(shí)調(diào)節(jié)特性上翹，機(jī)端電壓將隨無(wú)功電流增大而上升，起調(diào)節(jié)特性相反，為負(fù)調(diào)差。=0為無(wú)差特性，機(jī)端電壓恒定。當(dāng)多臺(tái)

30、機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，具有正調(diào)差的機(jī)組之間無(wú)功分配與調(diào)差系數(shù)成反比，而負(fù)調(diào)差的機(jī)組不能直接并聯(lián)。圖2-4 調(diào)差特性曲線 Fig.2-4 Regulating features curve3.提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性當(dāng)電力系統(tǒng)受到外部干擾時(shí)，必須保證發(fā)電機(jī)同步、穩(wěn)定運(yùn)行。良好的勵(lì)磁控制系統(tǒng)能顯著改善靜態(tài)穩(wěn)定水平、保證發(fā)電機(jī)組同步，而且能有效抑制低頻振蕩。4.其它作用能提高繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的靈敏度，還具有快速滅磁的功能。2.1.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能要求為提高勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能，通常需要滿足以下要求：1.為滿足輸電距離，要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器沒(méi)有失靈區(qū)；2.有較快的響應(yīng)速度，能及時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)故障并執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作；3

31、.能長(zhǎng)時(shí)間可靠的工作，保證發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行；4.輸入測(cè)量模塊采樣的精度要滿足國(guó)家勵(lì)磁標(biāo)準(zhǔn)和電壓調(diào)差率；5.勵(lì)磁功率單元有足夠的調(diào)節(jié)容量以適應(yīng)各種工況；6.功率單元具有較高的勵(lì)磁頂值電壓和較快的電壓上升速度；7.有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以采用濾波、隔離和屏蔽等技術(shù)手段；8.硬件可靠簡(jiǎn)單，具有擴(kuò)展性；軟件系統(tǒng)升級(jí)更新方便。實(shí)際工程應(yīng)用中要綜合考慮機(jī)組的運(yùn)行條件和實(shí)際成本等因素，采用經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)指標(biāo)，以最大化提高勵(lì)磁控制裝置的性價(jià)比。2.2新型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型基于ARM單片機(jī)的新型微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用的勵(lì)磁電流來(lái)源：由機(jī)端電壓經(jīng)全控整流后的直流、由太陽(yáng)能光伏組件直接得到的直流。圖2-5 新型微

32、機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.2-5 New exeitation control system電力互感器采樣得到的機(jī)端電壓和輸出電流等模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣調(diào)理電路將其變換到單片機(jī)的采樣電壓0V-3.3V范圍內(nèi)，由單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換后讀取的數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)際采樣的電壓和電流值。單片機(jī)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)差并調(diào)整給定值，然后通過(guò)綜合放大單元，在其輸出的PWM控制信號(hào)作用下，實(shí)現(xiàn)直流斬波，從而控制勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的大小。本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理圖如圖2-5所示，它是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由測(cè)量比較單元、調(diào)差單元、勵(lì)磁輸出限制單元、勵(lì)磁控制計(jì)算單元、綜合保護(hù)單元和通信單元等組成。較之傳統(tǒng)的勵(lì)磁控制裝置大大增強(qiáng)了通信功能

33、，如RFID非接觸式讀卡單元可以加強(qiáng)控制裝置的密保和身份認(rèn)證功能（根據(jù)需要增加），另外GPRS通信技術(shù)可以方便的實(shí)現(xiàn)遙信和遙控功能。2.3 交流采樣算法研究電力設(shè)備采樣最重要的參數(shù)主要是電壓和電流。采樣一般可分為直流采樣和交流采樣。直流采樣簡(jiǎn)單，但實(shí)時(shí)性差，精度差，難以滿足現(xiàn)代電力設(shè)備的要求；交流采樣可以彌補(bǔ)直流采樣的缺點(diǎn)，更能直接反映被測(cè)參數(shù)的真實(shí)信息。交流采樣必須滿足奈奎斯特定律： (2-3)是采樣頻率，是被采樣對(duì)象的最高頻率。由于本方案電力參數(shù)的采集采用交流采樣算法，由于系統(tǒng)微處理器是32位單片機(jī)，計(jì)算能力較強(qiáng)，可以每周期采樣64個(gè)點(diǎn)，采樣頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率。交流采樣的算法有很多：兩點(diǎn)乘

34、積算法、三點(diǎn)采樣算法、傅立葉算法、均方根算法、半周積分算法等。2.3.1 基本計(jì)算符號(hào)與公式說(shuō)明1.計(jì)算符號(hào)說(shuō)明：在一個(gè)采樣周期里需要采樣的樣本數(shù)目：正弦波的周期：相的電壓有效值，其中：相的電流有效值，其中：相的第i次采樣電壓，其中, ：相的第i次采樣電流，其中, ：相的視在功率，其中：相的有功功率，其中：相的無(wú)功功率，其中：相的功率因數(shù)，其中：相的相位角（相位差），其中 2.常用計(jì)算公式說(shuō)明， (2-4) ， (2-5) ， (2-6) ， (2-7)2.3.2 基本理論算法將需采樣的工頻交流電壓、電流信號(hào)分別近似地表示為： ， (2-8) ， (2-9)式(2-8)和式(2-9)中的和分別

35、可以通過(guò)式(2-10)和式(2-11)求得： ， (2-10) ， (2-11)式中的和分別指的是相電的交流電壓和電流。但是(2-10)式和(2-11)式中含有微積分，將其離散化后可以借助計(jì)算方法數(shù)值積分理論的復(fù)化梯形公式來(lái)解決： (2-12)將式(2-8)和式(2-10)一起考慮，則,，于是有： (2-13)同理， (2-14)式中的分別表示時(shí)的電壓、時(shí)的電壓、時(shí)的電流和時(shí)的電流。則單相有功功率可表示為： (2-15)同理，單相無(wú)功功率可表示為： (2-16)其中，相位角滯后電壓處的電流。功率因數(shù)為： (2-17)2.3.3 半周積分算法將任半周期內(nèi)正弦函數(shù)絕對(duì)值進(jìn)行積分： (2-18)圖2

36、-6 半周積分示意圖Fig.2-6 The schematic diagram of half cycle integral 如圖2-6所示， 和的縱軸、橫坐標(biāo)和正弦曲線所圍成的區(qū)域面積相等, 發(fā)現(xiàn)其積分值是不變的，且與初相角無(wú)關(guān)。設(shè)的面積是離散的采樣點(diǎn)組成的梯形疊加而成，則，并且： (2-19)其中為第k次采樣值；是兩采樣點(diǎn)時(shí)間間隔，指周期，N為每周期采樣點(diǎn)數(shù)，則： (2-20) (2-21)該算法能濾除高頻分量，卻不能消減直流分量，由于運(yùn)算以加法為主，計(jì)算速度快。2.3.4 傅里葉算法傅里葉算法（DFT）容許采樣的周期信號(hào)包含各種分量，甚至直流分量和高次諧波分量，而且便于諧波計(jì)算和分析。假

37、定采樣的時(shí)間函數(shù)信號(hào)為： (2-22)其中n為諧波次數(shù)，由傅里葉級(jí)數(shù)公式，得： (2-23)離散化，得： (2-24)當(dāng)n為1時(shí)，可以得到基波分量。2.3.5 本裝置采樣算法通過(guò)分析采樣算法，傅里葉算法可以濾除直流分量和高次諧波，相位失真小，適用于周期性信號(hào)；而半周積分方法能濾除高頻分量，采樣速度快，主要適用于正弦信號(hào)。由于該裝置采用32位單片機(jī)，計(jì)算速度能滿足較高要求，而電力系統(tǒng)并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。綜合硬件設(shè)計(jì)和勵(lì)磁裝置的精度、響應(yīng)速度及運(yùn)算量三個(gè)性能指標(biāo)，本方案選擇傅里葉算法實(shí)現(xiàn)交流采樣。根據(jù)該單片機(jī)的系統(tǒng)頻率和運(yùn)算速度，一個(gè)周期內(nèi)采樣64點(diǎn)。信號(hào)的周期由單片機(jī)采樣計(jì)算得出，并據(jù)此按等間隔

38、采樣，然后計(jì)算出機(jī)端電壓、輸出電流等電力參數(shù)。當(dāng)n為1時(shí)，即可得到基波的系數(shù)。在設(shè)計(jì)采樣過(guò)程中，可以根據(jù)數(shù)值計(jì)算方法采用快速傅里葉算法（FFT）思想編寫(xiě)采樣流程?？焖俑道锶~算法主要思想是利用的周期性減少乘法次數(shù)。時(shí)間抽取FFT算法(DIT)可將普通DTT算法次數(shù)由降為次。2.4 自動(dòng)勵(lì)磁算法研究2.4.1 常規(guī)PID控制算法PID（Proportional，Integral and Differential）是將比例、積分、微分相結(jié)合的一種簡(jiǎn)單控制算法。PID控制器是典型的線性控制器，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，其原理簡(jiǎn)單，能滿足多數(shù)工程應(yīng)用需求，而且實(shí)現(xiàn)方便33,43。圖2-7 常規(guī)PID控制器系統(tǒng)原

39、理圖Fig. 2-7 Common PID control systems schematic常規(guī)PID控制器原理圖如圖2-7所示。其控制規(guī)律為： (2-25) (2-26) 式中為比例系數(shù)；是積分時(shí)間；是微分時(shí)間。2.4.2 數(shù)字PID控制算法1位置式PID控制算法由于微機(jī)采樣的控制量主要通過(guò)偏差來(lái)計(jì)算，故需將式（2-21）離散化。以采樣點(diǎn)代替時(shí)間，進(jìn)而將微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程，則得到位置式數(shù)字PID控制規(guī)律32,43： (2-27)式中：為采樣序列，；是第次采樣值；為第次采樣輸入偏差； ，為積分系數(shù)；，為微分系數(shù)。將式（2-27）簡(jiǎn)化得： （2-28）由Z變換： (2-29) (2-30)

40、將式(2-28)經(jīng)變換后為： (2-31)可得數(shù)字PID控制器的傳遞函數(shù)為： (2-32)2. 增量式PID控制算法由式(2-28)推導(dǎo)得： (2-33)用式(2-28)減去式(2-33) 即得到增量式數(shù)字PID控制規(guī)律： (2-34) 式中代表增量。相對(duì)于位置式PID控制規(guī)律，該算法不需要累加偏差，可采取加權(quán)處理，誤動(dòng)作免疫性強(qiáng),無(wú)擾切換性能好，但其缺點(diǎn)是有較大的積分截?cái)嘈?yīng)，而且存在靜差等 32,43。2.4.3 積分分離PID算法PID控制中積分環(huán)節(jié)可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，當(dāng)系統(tǒng)突然出現(xiàn)較大偏差時(shí)，因積分項(xiàng)的作用，會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)過(guò)大而且振蕩劇烈。為有效保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)對(duì)增量式數(shù)字PID算

41、法進(jìn)行改進(jìn)可以得到積分分離數(shù)字PID算法。該算法采用了閥值和分段函數(shù)，偏差小時(shí)為增量式PID控制，偏差大時(shí)為PD控制。積分分離數(shù)字PID控制規(guī)律如下： (2-35)式中，2.4.4 PID勵(lì)磁控制算法由圖2-7建立的PID勵(lì)磁控制系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)：1.穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)大，能穩(wěn)定機(jī)端電壓；2.暫態(tài)超調(diào)小，振幅不大，均衡無(wú)功分配。綜合以上算法，本裝置擬采用積分分離PID勵(lì)磁控制算法。該算法能避免在系統(tǒng)發(fā)生較大偏差時(shí)，減少超調(diào)和振蕩時(shí)間，而且能夠結(jié)合增量式數(shù)字PID算法的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)的輸入量為給定電壓值與機(jī)端電壓的偏差值。給定電壓值由人為設(shè)定，一般取為穩(wěn)壓目標(biāo)值，在程序軟件設(shè)計(jì)中，該值也可以根據(jù)當(dāng)前控

42、制狀態(tài)計(jì)算調(diào)整。機(jī)端電壓值則由硬件系統(tǒng)采樣電路交流采樣得到。系統(tǒng)的比例環(huán)節(jié)能將輸入的偏差信號(hào)放大，通過(guò)綜合控制實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，減小偏差，從而穩(wěn)定機(jī)端電壓。其中積分環(huán)節(jié)可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但是需要避免振蕩。微分環(huán)節(jié)反映了信號(hào)變化速率，PID 的三個(gè)參數(shù)分別用，表示，它們的作用相互制約和配合，通常采用試湊法33：（1）把與設(shè)為0，設(shè)置輸入為最大允許值的60%，然后將值從0開(kāi)始增大，出現(xiàn)振蕩時(shí)，回調(diào)至穩(wěn)定狀態(tài)，記錄此時(shí)的值，設(shè)定為當(dāng)前值的60%；（2）取值的90%，把值從0開(kāi)始增大，直到系統(tǒng)將要波動(dòng)；（3）取值的90%，把值從0開(kāi)始增大, 保證電壓的反應(yīng)速度滿足要求。2.4.5 線性最優(yōu)勵(lì)磁控制算法工程上

43、采用由三階線性狀態(tài)方程描述的單擊無(wú)窮大系統(tǒng)，如圖2-8所示。圖2-8 單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)模型Fig. 2-8 Single-machine infinite-bus power system model其三階微分方程可表述為： (2-36)式中：、是狀態(tài)量；為控制量；為擾動(dòng)。最優(yōu)控制理論建立在狀態(tài)空間方程基礎(chǔ)上，容易滿足系統(tǒng)多變量的要求，其控制規(guī)律能通過(guò)嚴(yán)格計(jì)算得出32,43-44。該方法不僅能提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，而且能改善其抗擾性能。在考慮擾動(dòng)的情況下，線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程表示為44： (2-37)式中，W為擾動(dòng)矩陣，p為擾動(dòng)量。實(shí)際應(yīng)用中，勵(lì)磁控制系統(tǒng)線性狀態(tài)空間方程表示如下： (2-

44、38)簡(jiǎn)寫(xiě)為： (2-39)式中：為系統(tǒng)矩陣；為控制矩陣；為擾動(dòng)矩陣。由于和難以測(cè)量，而、易于實(shí)現(xiàn)并且他們有相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。因此以代替原狀態(tài)量32,43： (2-40)由線性變換，得：其中： (2-41)根據(jù)二次型性能指標(biāo)： (2-42)式中：為階對(duì)角陣；為階單位陣44。由黎卡提方程： (2-43)通過(guò)迭代法求出P，再根據(jù)線性最優(yōu)控制理論44： (2-44)即可達(dá)到線性最優(yōu)勵(lì)磁控制律： (2-45)其中、分別為、對(duì)應(yīng)系數(shù)。2.5本章小結(jié)本章主要通過(guò)簡(jiǎn)述勵(lì)磁控制裝置的組成原理，并根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，搭建出新型數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型。在該模型的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)軟件需要用到的算法做了對(duì)比和分析，主

45、要包括自動(dòng)勵(lì)磁控制和交流采樣算法。本裝置的勵(lì)磁控制可以切換數(shù)字PID控制和線性最優(yōu)控制兩種模式，采樣過(guò)程則采用快速傅里葉算法。第三章 光伏與物聯(lián)網(wǎng)通信等技術(shù)應(yīng)用原理太陽(yáng)能等新能源技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)正在全世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，技術(shù)的延伸性使其逐漸融合到智能電網(wǎng)等新應(yīng)用領(lǐng)域，為推動(dòng)全球電力系統(tǒng)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)依托。3.1 太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度計(jì)算由于日地距離變化很小而且不受大氣的影響，因此太陽(yáng)輻射能近似為一個(gè)恒定的常數(shù)，定義為太陽(yáng)常數(shù)36。當(dāng)日地為年平均距離，垂直于太陽(yáng)光線時(shí)，大氣層邊界上單位面積與時(shí)間內(nèi)所接收到的太陽(yáng)輻射能量=1367W/h。當(dāng)日地距離變化時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化范圍在正負(fù)2%之間，

46、計(jì)算公式如下： (3-1)大氣層外任何日期、地點(diǎn)和時(shí)刻水平方向的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可以計(jì)算為： (3-2)其中n為任何日期；為天頂角。3.2 太陽(yáng)能光伏技術(shù)3.2.1 光伏效應(yīng)原理當(dāng)光照射到光伏電池組件上，光能被吸收后會(huì)產(chǎn)生非平衡載流子電子和空穴。在P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)部靜電場(chǎng)作用下，它們向相反方向運(yùn)動(dòng)，使P-N結(jié)兩端形成電動(dòng)勢(shì)，即光伏效應(yīng)。將P-N結(jié)與外電路接通，只要有光照就有不斷的電流產(chǎn)生，這即光電池的工作原理。其內(nèi)部原理如圖3-1所示。圖3-1 光伏電池內(nèi)部原理圖Fig. 3-1 Inner schematic of photovoltaic cell3.2.2 光伏電池等效電路與特性目前太陽(yáng)能光

47、伏電池按材料分，主要有帶狀硅、聚光、單晶硅、多晶硅和薄膜電池等幾類36-39。第一代電池加工復(fù)雜，相對(duì)成本較高。采用減反射膜的方法提高其轉(zhuǎn)化率，形成了PERL電池和點(diǎn)接觸硅電池等新型電池；第二代電池以薄膜型電池為主，其轉(zhuǎn)化率高，但成本也高，一般用于航空；第三代基于納米材料的多層膜光伏電池已經(jīng)處于研發(fā)階段37。另外還有聚光太陽(yáng)電池和光化學(xué)電池。太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷提高，單晶硅電池達(dá)到23.3%，砷化鎵電池可達(dá)25%，第三代電池最高可達(dá)80%以上。另外光伏組件的壽命也大大的延長(zhǎng)，多數(shù)能用30多年36-39。我國(guó)的光伏技術(shù)遠(yuǎn)落后與歐盟、日本等國(guó)，今后技術(shù)攻克的重點(diǎn)轉(zhuǎn)為提高效率和降低成

48、本。太陽(yáng)能光伏電池等效電路圖如圖3-2所示，其中來(lái)表示材料本身的電阻率，并聯(lián)電阻來(lái)表示電池邊沿的漏電等。圖3-2 光伏電池等效電路圖Fig.3-2 Equivalent circuit of photovoltaic cell經(jīng)分析，其輸出的光電流的大小可用以下公式計(jì)算： (3-3)光伏電池的重要參數(shù)主要有短路電流、開(kāi)路電壓、最大功率點(diǎn)電流()/電壓()、最大輸出功率()和轉(zhuǎn)換效率等23,37,39。 圖3-3 光伏電池伏安特性曲線 圖3-4 伏安曲線隨溫度的變化Fig.3-3 photovoltaic cell VA features curve Fig.3-4 variation of V

49、A features curve flowing temperature光伏電池的開(kāi)路電壓與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)近似成正比，而短路電流隨光強(qiáng)成正比的增加。溫度上升會(huì)使光伏電池開(kāi)路電壓下降，電池的效率也隨著溫度的上升而下降。3.2.3 光伏電池組件由于單體太陽(yáng)電池具有不能承受撞擊，不能長(zhǎng)期裸露，工作電壓低等特點(diǎn)，因此一般不單獨(dú)作為電源來(lái)使用。實(shí)際使用時(shí)，太陽(yáng)能電池都會(huì)經(jīng)過(guò)一定的串并聯(lián)組合。制作組件時(shí)，需要挑選性能接近的光伏電池組合以保證其組合的效率。光伏電池組件一般有幾瓦、幾十瓦甚至幾百瓦，大功率供應(yīng)電能時(shí)，還往往會(huì)將太陽(yáng)能組件合并成方陣。 圖3-5 旁路二極管接法示意圖Fig.3-5 The chart

50、 of side diode Connecting在太陽(yáng)能組件方陣中常常要用到旁路二極管防止方陣串中的某組件故障或被遮擋時(shí)影響其他正常組件的發(fā)電，同時(shí)也具有保護(hù)被旁路組件的功能。組件單獨(dú)使用或并聯(lián)時(shí)不需要接旁路二極管，另外工作條件好的場(chǎng)合也可以考慮不用35。3.3 電能貯存電能貯存技術(shù)比較成熟而且常用的是蓄電池，其作用是存儲(chǔ)太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能，并可隨時(shí)向負(fù)載供電36。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中的貯能裝置，主要是免維護(hù)鉛酸蓄電池。但是它壽命短，體積大，而且笨重，要經(jīng)常維護(hù)。目前應(yīng)用在電動(dòng)汽車和光伏發(fā)電系統(tǒng)里的膠體電池，嚴(yán)格算是鉛酸蓄電池的一種。其電液呈膠態(tài)，具備深放電能力，對(duì)溫度有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在小微

51、型光伏系統(tǒng)中，也常用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池或超級(jí)電容器36。鎳-銅和鎳-鐵蓄電池壽命長(zhǎng)，重量輕，但較貴，通常在貯能量小時(shí)使用。新型開(kāi)發(fā)的蓄電池還有銀鋅電池、鉀電池、鈉硫電池等。電能存儲(chǔ)的主要發(fā)展方向是超導(dǎo)貯能。但其貯能密度低，難滿足大容量、長(zhǎng)久貯能要求，目前超導(dǎo)貯能在技術(shù)上尚不成熟。大容量?jī)?chǔ)能時(shí)，需要將多只蓄電池串、并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成蓄電池組36。蓄電池的容量計(jì)算公式為: (3-4)式中： 是系統(tǒng)日耗電量；為蓄能天數(shù)；是蓄電池的最大放電深度（50% 80%）；為能量轉(zhuǎn)換率（80% 90%）；電力傳輸損失（5%）38。3.4 物聯(lián)網(wǎng)與智能電力設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)的融合具有高度的戰(zhàn)略意義，大大的影響了我國(guó)新興產(chǎn)業(yè)的布局，目