物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的太陽能光伏自跟蹤發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

【摘要】：據(jù)國際能源署估計,全球2030年一次能源需求將達到177億噸油當(dāng)量,能源需求量巨大,而化石能源(煤,石油和天然氣)仍將是一次能源的主要來源。由于大量化石能源的燃燒,大氣中二氧化碳和其它溫室氣體的濃度不斷增加,成為造成全球溫度上升和氣候變化的主要原因之一。全球有限資源及環(huán)境污染正嚴(yán)重制約世界各國經(jīng)濟和社會的發(fā)展,優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、發(fā)展新能源和可再生能源已成為世界各國密切關(guān)注的重大議題。從能源安全和能源戰(zhàn)略角度來看,太陽能是一種理想的可再生綠色能源,太陽能發(fā)電是解決化石能源日趨緊缺和減少環(huán)境污染的重要途徑。太陽能光伏發(fā)電通過光伏電池直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,是開發(fā)太陽能的一種重要途徑。目前由于光伏電池效率低下和發(fā)電成本高等原因使得光伏發(fā)電系統(tǒng)難以迅速普及,而且光伏發(fā)電系統(tǒng)總體上尚存在系統(tǒng)集成水平低、可靠性差、功耗大及缺少有效監(jiān)控措施等主要問題。針對這些問題,進行了以下幾方面的研究:1)MPPT算法研究,提出了一種分區(qū)遺傳MPPT算法。由于光伏陣列的輸出功率隨外部環(huán)境變化而變化,因此光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用MPPT電路和相應(yīng)的控制方法提高對光伏陣列的利用效果。分區(qū)遺傳算法的搜索空間為整個解空間,在遺傳算法中還隱含著一種并行計算機制,因此容易得到全局最優(yōu)解,可以克服尋優(yōu)過程中易陷入局部極小的困境。遺傳算法的交叉和變異機制,克服干擾法易陷入振蕩的缺陷,可以滿足了MPPT的實時控制需要,保證了光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同物理位置的正常運行。通過仿真及實驗驗證,該方法可以提高光伏陣列最大功率跟蹤的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性,比傳統(tǒng)的方法具有更高的精確度和實時控制性能。2)太陽自跟蹤方法研究,提出了一種光感跟蹤和時間跟蹤相結(jié)合的太陽方位跟蹤方法并設(shè)計了一種雙軸太陽跟蹤裝置及雙軸PSD太陽方位傳感器。采用時間跟蹤方式跟蹤太陽,則跟蹤裝置的控制系統(tǒng)不區(qū)分陰天晴天,只是按程序設(shè)定的時間定時啟動跟蹤裝置,跟蹤系統(tǒng)的能耗加大。采用光感跟蹤方式跟蹤太陽,則存在跟蹤裝置如何適應(yīng)天氣陰晴變化等問題。光感跟蹤和時間跟蹤相結(jié)合,能及時根據(jù)天氣狀況對太陽方位跟蹤方式進行控制和選擇,調(diào)整系統(tǒng)運行方式,能夠降低系統(tǒng)運行能耗,并且能夠去除系統(tǒng)累計誤差,提高太陽方位跟蹤精度。新型雙軸跟蹤裝置將太陽方位角及高度角的參數(shù)進行換算,得到與之對應(yīng)的兩個驅(qū)動轉(zhuǎn)角參數(shù),新的參數(shù)驅(qū)動光伏陣列進行萬向節(jié)式的運動以跟蹤太陽。根據(jù)該方法設(shè)計了新型太陽方位跟蹤裝置,其太陽跟蹤精度高,跟蹤時間間隔短,結(jié)構(gòu)簡單。通過實驗驗證,該跟蹤方法及裝置可以提高太陽方位跟蹤的精度,降低了系統(tǒng)運行能耗,提高系統(tǒng)的發(fā)電量。3)光伏陣列在線故障檢測研究,提出了一種太陽光伏陣列在線故障檢測方法。目前光伏陣列的故障檢測多采用線下人工排查的方法,人工維護既費時又很不方便。采用在線故障檢測,可以實現(xiàn)實時遠程檢測,及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)光伏陣列存在的故障。在線故障檢測分兩步進行,第一步是采用新型電壓、電流檢測法進行篩查,找到故障電池組件所在小組;第二步是對電池組件的性能參數(shù)進行在線檢測,繼而最終確定故障電池組件的位置。經(jīng)實驗驗證,該方法可以快捷、有效的對光伏陣列故障進行在線檢測。4)光伏自跟蹤發(fā)電系統(tǒng)可靠性研究,構(gòu)建了光伏自跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的故障樹;構(gòu)建了光伏自跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)模型,定義了可靠性指標(biāo);對光伏自跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的可靠性進行了計算。光伏發(fā)電存在著間歇性與隨機性的特點,為準(zhǔn)確衡量光伏發(fā)電帶給電網(wǎng)的收益,并客觀評價它的價值,需要建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯夥到y(tǒng)可靠性進行評估。綜合考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障特點,構(gòu)建了光伏發(fā)電系統(tǒng)四狀態(tài)可靠性模型,建立了相應(yīng)的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系,從運行時間、輸出功率、系統(tǒng)運行狀態(tài)3個層面綜合評價系統(tǒng)可靠性。算例分析結(jié)果表明,該模型以及指標(biāo)體系能夠反映光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行情況、輸出功率水平以及故障情況,反映系統(tǒng)運行可靠性。5)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的光伏自跟蹤發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)研究,構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的光伏自跟蹤發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)平臺,基于此平臺設(shè)計了光伏自跟蹤發(fā)電監(jiān)控實驗系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)的核心是物與物以及人與物之間的信息交互。物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括為全面感知、可靠傳送和智能處理。物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的光伏自跟蹤發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)由定期的紅外圖像無損檢測子系統(tǒng)、實時在線的檢測子系統(tǒng)(感知層);數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(傳輸層);評價及決策專家系統(tǒng)(應(yīng)用層)三層組成。光伏自跟蹤發(fā)電監(jiān)控實驗系統(tǒng)的設(shè)計及運行驗證了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的光伏自跟蹤發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)應(yīng)用層、感知層、傳輸層之間數(shù)據(jù)的交互,實現(xiàn)遠程決策、控制和監(jiān)測。該實驗系統(tǒng)可以無線監(jiān)測安裝地點的太陽輻射情況、風(fēng)向風(fēng)速、光伏電池板工作狀態(tài)、逆變器工作狀態(tài)、太陽跟蹤裝置工作狀態(tài);可以實現(xiàn)MPPT跟蹤、追日跟蹤;可以進行故障檢測和可靠性計算。 【關(guān)鍵詞】：光伏發(fā)電 故障檢測 可靠性 物聯(lián)網(wǎng) MPPT
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-13
• 第1章 緒論13-31
• 1.1 研究背景及意義13-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢16-27
• 1.2.1 光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢16-19
• 1.2.2 聚光式光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢19-21
• 1.2.3 太陽光伏發(fā)電自跟蹤系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢21-24
• 1.2.4 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢24-27
• 1.3 存在的問題27-29
• 1.4 課題來源29
• 1.5 論文的研究內(nèi)容29-31
• 第2章 光伏陣列MPPT控制理論研究31-48
• 2.1 光伏電池陣列的建模與特性分析31-35
• 2.1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)建模與特性分析31-33
• 2.1.2 光伏組件的數(shù)學(xué)建模33-35
• 2.2 MPPT控制算法的分析研究35-39
• 2.2.1 固定電壓跟蹤法36-37
• 2.2.2 擾動觀察法37
• 2.2.3 電導(dǎo)增量法37-39
• 2.3 基于遺傳算法的MPPT控制算法39-44
• 2.3.1 遺傳算法原理39-41
• 2.3.2 分區(qū)遺傳MPPT算法設(shè)計41-44
• 2.4 驗證分析44-47
• 2.4.1 仿真實驗44-45
• 2.4.2 最優(yōu)化參數(shù)的確定45-46
• 2.4.3 實驗驗證46-47
• 2.5 本章小結(jié)47-48
• 第3章 光伏發(fā)電太陽跟蹤技術(shù)及裝置研究48-61
• 3.1 雙軸太陽跟蹤方法分析48-51
• 3.2 新型雙軸太陽自跟蹤裝置設(shè)計51-54
• 3.3 太陽方位跟蹤方法設(shè)計54-59
• 3.3.1 PSD太陽方位傳感器設(shè)計54-56
• 3.3.2 太陽方位跟蹤控制方法設(shè)計56-59
• 3.4 驗證分析59-60
• 3.5 本章小結(jié)60-61
• 第4章 光伏自跟蹤發(fā)電系統(tǒng)故障檢測研究61-77
• 4.1 光伏自跟蹤發(fā)電系統(tǒng)常見故障分析61-64
• 4.2 新型光伏陣列故障檢測方法64-74
• 4.2.1 太陽能光伏陣列性能及狀態(tài)分析64-66
• 4.2.2 太陽光伏陣列故障檢測方法分析66-67
• 4.2.3 新型光伏陣列故障檢測方法設(shè)計67-74
• 4.3 驗證分析74-76
• 4.3.1 太陽能電池組件參數(shù)在線估算實驗驗證75-76
• 4.3.2 新型電壓、電流檢測法實驗驗證76
• 4.4 本章小結(jié)76-77
• 第5章 光伏自跟蹤發(fā)電可靠性研究77-89
• 5.1 基于序貫蒙特卡洛模擬方法的光伏發(fā)電可靠性研究78-79
• 5.2 光伏發(fā)電自跟蹤系統(tǒng)基于狀態(tài)空間法的可靠性研究79-85
• 5.2.1 光伏發(fā)電自跟蹤系統(tǒng)故障樹構(gòu)建79-82
• 5.2.2 光伏發(fā)電自跟蹤系統(tǒng)可靠性狀態(tài)模型構(gòu)建82-84
• 5.2.3 可靠性指標(biāo)體系的構(gòu)建84-85
• 5.3 光伏發(fā)電自跟蹤系統(tǒng)基于狀態(tài)模型的可靠性計算85-88
• 5.4 本章小結(jié)88-89
• 第6章 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的光伏自跟蹤發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建89-105
• 6.1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建90-94
• 6.2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的光伏自跟蹤發(fā)電監(jiān)控實驗系統(tǒng)設(shè)計94-104
• 6.2.1 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計94-96
• 6.2.2 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的分層設(shè)計96-104
• 6.3 本章小結(jié)104-105
• 第7章 實驗平臺構(gòu)建及實驗數(shù)據(jù)研究105-119
• 7.1 光伏自跟蹤發(fā)電實驗平臺構(gòu)建105-112
• 7.1.1 實驗平臺總體設(shè)計105-106
• 7.1.2 光伏組件測試平臺構(gòu)建106-109
• 7.1.3 Z源光伏并網(wǎng)逆變器實驗平臺109-111
• 7.1.4 太陽方位跟蹤裝置設(shè)計平臺構(gòu)建111-112
• 7.1.5 監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)平臺構(gòu)建112
• 7.2 光伏自跟蹤發(fā)電實驗系統(tǒng)設(shè)計112-115
• 7.3 光伏自跟蹤發(fā)電實驗系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)分析115-118
• 7.3.1 光伏陣列輸出功率分析115-116
• 7.3.2 逆變器輸出功率分析116-118
• 7.3.3 光伏組件故障的紅外圖像118
• 7.4 本章小結(jié)118-119
• 總結(jié)與展望119-124
• 研究總結(jié)119-121
• 論文創(chuàng)新點121-123
• 展望123-124
• 參考文獻124-131
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單131-133
• 致謝133-134
• 作者簡介134

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