物联网架构的太阳能光伏自跟踪发电监控系统关键技术研究

【摘要】：据国际能源署估计,全球2030年一次能源需求将达到177亿吨油当量,能源需求量巨大,而化石能源(煤,石油和天然气)仍将是一次能源的主要来源。由于大量化石能源的燃烧,大气中二氧化碳和其它温室气体的浓度不断增加,成为造成全球温度上升和气候变化的主要原因之一。全球有限资源及环境污染正严重制约世界各国经济和社会的发展,优化能源结构、提高能源效率、发展新能源和可再生能源已成为世界各国密切关注的重大议题。从能源安全和能源战略角度来看,太阳能是一种理想的可再生绿色能源,太阳能发电是解决化石能源日趋紧缺和减少环境污染的重要途径。太阳能光伏发电通过光伏电池直接将太阳能转化为电能,是开发太阳能的一种重要途径。目前由于光伏电池效率低下和发电成本高等原因使得光伏发电系统难以迅速普及,而且光伏发电系统总体上尚存在系统集成水平低、可靠性差、功耗大及缺少有效监控措施等主要问题。针对这些问题,进行了以下几方面的研究:1)MPPT算法研究,提出了一种分区遗传MPPT算法。由于光伏阵列的输出功率随外部环境变化而变化,因此光伏发电系统普遍采用MPPT电路和相应的控制方法提高对光伏阵列的利用效果。分区遗传算法的搜索空间为整个解空间,在遗传算法中还隐含着一种并行计算机制,因此容易得到全局最优解,可以克服寻优过程中易陷入局部极小的困境。遗传算法的交叉和变异机制,克服干扰法易陷入振荡的缺陷,可以满足了MPPT的实时控制需要,保证了光伏发电系统在不同物理位置的正常运行。通过仿真及实验验证,该方法可以提高光伏阵列最大功率跟踪的动态特性和稳态特性,比传统的方法具有更高的精确度和实时控制性能。2)太阳自跟踪方法研究,提出了一种光感跟踪和时间跟踪相结合的太阳方位跟踪方法并设计了一种双轴太阳跟踪装置及双轴PSD太阳方位传感器。采用时间跟踪方式跟踪太阳,则跟踪装置的控制系统不区分阴天晴天,只是按程序设定的时间定时启动跟踪装置,跟踪系统的能耗加大。采用光感跟踪方式跟踪太阳,则存在跟踪装置如何适应天气阴晴变化等问题。光感跟踪和时间跟踪相结合,能及时根据天气状况对太阳方位跟踪方式进行控制和选择,调整系统运行方式,能够降低系统运行能耗,并且能够去除系统累计误差,提高太阳方位跟踪精度。新型双轴跟踪装置将太阳方位角及高度角的参数进行换算,得到与之对应的两个驱动转角参数,新的参数驱动光伏阵列进行万向节式的运动以跟踪太阳。根据该方法设计了新型太阳方位跟踪装置,其太阳跟踪精度高,跟踪时间间隔短,结构简单。通过实验验证,该跟踪方法及装置可以提高太阳方位跟踪的精度,降低了系统运行能耗,提高系统的发电量。3)光伏阵列在线故障检测研究,提出了一种太阳光伏阵列在线故障检测方法。目前光伏阵列的故障检测多采用线下人工排查的方法,人工维护既费时又很不方便。采用在线故障检测,可以实现实时远程检测,及时发现并修复光伏阵列存在的故障。在线故障检测分两步进行,第一步是采用新型电压、电流检测法进行筛查,找到故障电池组件所在小组;第二步是对电池组件的性能参数进行在线检测,继而最终确定故障电池组件的位置。经实验验证,该方法可以快捷、有效的对光伏阵列故障进行在线检测。4)光伏自跟踪发电系统可靠性研究,构建了光伏自跟踪发电系统的故障树;构建了光伏自跟踪发电系统的状态模型,定义了可靠性指标;对光伏自跟踪发电系统的可靠性进行了计算。光伏发电存在着间歇性与随机性的特点,为准确衡量光伏发电带给电网的收益,并客观评价它的价值,需要建立适当的模型对光伏系统可靠性进行评估。综合考虑光伏发电系统结构及故障特点,构建了光伏发电系统四状态可靠性模型,建立了相应的系统可靠性指标体系,从运行时间、输出功率、系统运行状态3个层面综合评价系统可靠性。算例分析结果表明,该模型以及指标体系能够反映光伏发电系统的运行情况、输出功率水平以及故障情况,反映系统运行可靠性。5)物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统研究,构建了基于物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统平台,基于此平台设计了光伏自跟踪发电监控实验系统。物联网的核心是物与物以及人与物之间的信息交互。物联网的基本特征可概括为全面感知、可靠传送和智能处理。物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统由定期的红外图像无损检测子系统、实时在线的检测子系统(感知层);数据传输系统(传输层);评价及决策专家系统(应用层)三层组成。光伏自跟踪发电监控实验系统的设计及运行验证了物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统可以实现应用层、感知层、传输层之间数据的交互,实现远程决策、控制和监测。该实验系统可以无线监测安装地点的太阳辐射情况、风向风速、光伏电池板工作状态、逆变器工作状态、太阳跟踪装置工作状态;可以实现MPPT跟踪、追日跟踪;可以进行故障检测和可靠性计算。 【关键词】：光伏发电 故障检测 可靠性 物联网 MPPT
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-13
• 第1章 绪论13-31
• 1.1 研究背景及意义13-16
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势16-27
• 1.2.1 光伏发电的发展现状和发展趋势16-19
• 1.2.2 聚光式光伏发电发展现状和发展趋势19-21
• 1.2.3 太阳光伏发电自跟踪系统发展现状和发展趋势21-24
• 1.2.4 物联网架构的光伏发电监控系统发展现状和发展趋势24-27
• 1.3 存在的问题27-29
• 1.4 课题来源29
• 1.5 论文的研究内容29-31
• 第2章 光伏阵列MPPT控制理论研究31-48
• 2.1 光伏电池阵列的建模与特性分析31-35
• 2.1.1 光伏电池的数学建模与特性分析31-33
• 2.1.2 光伏组件的数学建模33-35
• 2.2 MPPT控制算法的分析研究35-39
• 2.2.1 固定电压跟踪法36-37
• 2.2.2 扰动观察法37
• 2.2.3 电导增量法37-39
• 2.3 基于遗传算法的MPPT控制算法39-44
• 2.3.1 遗传算法原理39-41
• 2.3.2 分区遗传MPPT算法设计41-44
• 2.4 验证分析44-47
• 2.4.1 仿真实验44-45
• 2.4.2 最优化参数的确定45-46
• 2.4.3 实验验证46-47
• 2.5 本章小结47-48
• 第3章 光伏发电太阳跟踪技术及装置研究48-61
• 3.1 双轴太阳跟踪方法分析48-51
• 3.2 新型双轴太阳自跟踪装置设计51-54
• 3.3 太阳方位跟踪方法设计54-59
• 3.3.1 PSD太阳方位传感器设计54-56
• 3.3.2 太阳方位跟踪控制方法设计56-59
• 3.4 验证分析59-60
• 3.5 本章小结60-61
• 第4章 光伏自跟踪发电系统故障检测研究61-77
• 4.1 光伏自跟踪发电系统常见故障分析61-64
• 4.2 新型光伏阵列故障检测方法64-74
• 4.2.1 太阳能光伏阵列性能及状态分析64-66
• 4.2.2 太阳光伏阵列故障检测方法分析66-67
• 4.2.3 新型光伏阵列故障检测方法设计67-74
• 4.3 验证分析74-76
• 4.3.1 太阳能电池组件参数在线估算实验验证75-76
• 4.3.2 新型电压、电流检测法实验验证76
• 4.4 本章小结76-77
• 第5章 光伏自跟踪发电可靠性研究77-89
• 5.1 基于序贯蒙特卡洛模拟方法的光伏发电可靠性研究78-79
• 5.2 光伏发电自跟踪系统基于状态空间法的可靠性研究79-85
• 5.2.1 光伏发电自跟踪系统故障树构建79-82
• 5.2.2 光伏发电自跟踪系统可靠性状态模型构建82-84
• 5.2.3 可靠性指标体系的构建84-85
• 5.3 光伏发电自跟踪系统基于状态模型的可靠性计算85-88
• 5.4 本章小结88-89
• 第6章 物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统构建89-105
• 6.1 物联网架构的光伏发电监控系统构建90-94
• 6.2 物联网架构的光伏自跟踪发电监控实验系统设计94-104
• 6.2.1 光伏发电监控系统总体结构设计94-96
• 6.2.2 光伏发电监控系统的分层设计96-104
• 6.3 本章小结104-105
• 第7章 实验平台构建及实验数据研究105-119
• 7.1 光伏自跟踪发电实验平台构建105-112
• 7.1.1 实验平台总体设计105-106
• 7.1.2 光伏组件测试平台构建106-109
• 7.1.3 Z源光伏并网逆变器实验平台109-111
• 7.1.4 太阳方位跟踪装置设计平台构建111-112
• 7.1.5 监控系统研发平台构建112
• 7.2 光伏自跟踪发电实验系统设计112-115
• 7.3 光伏自跟踪发电实验系统实测数据分析115-118
• 7.3.1 光伏阵列输出功率分析115-116
• 7.3.2 逆变器输出功率分析116-118
• 7.3.3 光伏组件故障的红外图像118
• 7.4 本章小结118-119
• 总结与展望119-124
• 研究总结119-121
• 论文创新点121-123
• 展望123-124
• 参考文献124-131
• 攻读博士学位期间发表论文与研究成果清单131-133
• 致谢133-134
• 作者简介134

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

光伏发电系统可靠性分析及其置信容量计算    王秀丽;武泽辰;曲翀;

太阳能电池参数求解新算法    高金辉;唐静;贾利锋;

无线音频传感网络中的压缩采样    乔道鄂;徐小力;

光伏发电系统最大功率点跟踪控制方法研究    左巧安;陈道炼;

基于Zigbee技术的太阳辐射计的设计    唐慧强;魏倩;

关于大气污染问题的环境检测及对策研究    刘明慧;王永飞;

基于ZigBee的智能开关控制系统的应用与设计    万文斌;石勇;

一种太阳能光伏并网逆变器的研究    海涛;刘得刚;骆武宁;邹鸣;陈明媛;

2030年世界能源与电力发展展望    李琼慧;郭基伟;王乾坤;

地平坐标双轴跟踪系统中高度角的控制与检测    何海鸿;张旭东;陈明凯;

基于纵横维度的光伏阵列群体类比状态评估方法研究    王景丹;龚晓伟;霍富强;牛高远;葛琪;王留送;苏战辉;

太阳总辐射传感器温漂补偿的RBF网络模型    孔令铭;刘丹枫;唐慧强;

并网光伏发电工程建设的分析与讨论    李铭辉;

基于无线网络的生产数据采集与监控系统设计    陈丹;黄育彬;方正;林晓东;

并网光伏发电置信容量评估    余志强;王淳;胡奕涛;钟云;汪硕承;

多逆变器光伏发电网络群控策略及实现方法    胡克用;胥芳;艾青林;徐红伟;欧阳静;

间歇式电源并网分析与规划辅助决策平台    曾平良;韩家辉;周勤勇;张彦涛;

基于Matlab/Simulink的混合多电平光伏发电系统仿真研究    王磊;李腾飞;

基于斜率法的太阳能电池串联电阻测量方法    杨秀增;杨仁桓;

基于BP神经网络的光伏组件故障类型诊断    杨店飞;郭宇杰;沈桂鹏;

并网光伏电站的发电可靠性评估    汪海瑛;白晓民;马纲;

并网光伏电站置信容量评估    方鑫;郭强;张东霞;梁双;

基于随机模型的光伏发电置信容量评估方法    梁双;胡学浩;张东霞;王皓怀;张宏宇;

考虑天气不确定性的光伏电站置信容量评估    方鑫;郭强;张东霞;梁双;

青海太阳能光伏电站项目调查    

基于序列运算的风电可信容量计算方法    张宁;康重庆;陈治坪;周宇田;奚巍民;黄俊辉;张谦;

基于扰动观察和二次插值的光伏发电最大功率跟踪控制    邱培春;葛宝明;毕大强;

光伏并网发电系统几个关键问题的研究    李冬辉;王鹤雄;朱晓丹;李征;

利用正弦分段法模拟气温日变化    姜会飞;温德永;李楠;丁谊;肖静;

光伏电站并网对电网可靠性的影响    张轶;鲁国起;张焰;俞国勤;祝达康;

户用光伏发电系统的研究与应用    马勇刚;谢建;李自应;张跃;曾丽琴;

光伏发电系统在建筑项目中的应用探讨    李雷;杨舒;

简讯    

程艺厅长祝贺我院获2011年全国职业院校技能大赛“光伏发电系统安装调试”赛项二等奖    

晶澳慈善基金会向希望小学捐赠光伏发电系统    

光伏发电系统的碳值分析    张改景;龙惟定;苑翔;

改进的光伏发电系统并网控制技术    彭一琦;

高铁车站光伏发电系统应用    江伟山;周倩;

光伏发电系统功率预测研究方法综述    邓雅;胡书举;孟岩峰;许洪华;

光伏发电系统碳排放计算模型及应用    龚道仁;陈迪;袁志钟;

光伏发电系统用高效逆变器的研究    周光明;沈煜;张晋茂;麻凯恩;朱正菲;杜强;

太阳能光伏发电系统性能分析的模糊综合评价方法    陆亚萍;梁小冰;

分布式光伏发电系统及微型逆变器综述    程丽敏;曹阳;

太阳能光伏发电系统工程结构强度设计    郝文华;

光伏发电系统的计算机辅助设计    王景义;

户用独立式光伏发电系统研究    李春华;刘维亭;姜文刚;

光伏发电系统建模及其控制器参数的全局优化设计方法研究    谢亦丰;祝明华;熊连松;李琛;卓放;张海龙;

用于热光伏发电系统的发射体材料的研究进展    徐峰;刘爱民;罗慧晶;翁占坤;

小型离网光伏发电系统的设计    程启明;李明;陈根;王鹤霖;

光伏发电系统的过去,现在和未来    冯垛生;

莱芜供电首建光伏发电系统    王宪才　魏延彬

莱芜供电公司建成首个光伏发电系统    通讯员 王宪才　魏延彬

光伏发电系统租还是买？    徐瑶

数倍聚光跟踪光伏发电系统解决太阳能高成本难题    申淳

晶澳公司捐赠光伏发电系统    特约记者 牛献力　通讯员 王丽英

美研制新式太阳能热光伏发电系统    记者 刘霞

广东最大户用光伏发电系统亮相    本报记者　 戈晓芳 见习记者 于洋

我市首座太阳能光伏发电系统正式并网发电    记者 王莹　特约通讯员 刘孟君

我省光伏产业又添高科技“新丁”    记者 星子

依托自然优势发展新疆光伏产业    苏国平　新疆经信委副主任

物联网架构的太阳能光伏自跟踪发电监控系统关键技术研究    王欢

小功率光伏发电系统关键技术的研究    毛鹏

光伏发电系统效率提高理论方法及关键技术研究    朱艳伟

分布式光伏发电系统的控制和孤岛故障检测    吴志鹏

光伏发电系统及其控制的研究    郑诗程

光伏发电系统运行理论与关键技术研究    徐瑞东

太阳能光伏发电系统的控制问题研究    熊远生

光伏跟踪系统智能控制方法的研究    徐晓冰

光伏发电系统及其控制技术研究    曹太强

泛（火用）分析方法及其应用研究    蒋爱华

温室光伏供电系统    王京

基于分岔理论的光伏发电系统研究    陈墨

关于光伏发电站系统优化设计的研究    马高祥

离网型光伏发电系统的分析和设计    李超凡

光伏发电系统的效率最优化研究    唐敏

光伏发电系统关键技术的研究    翁炳文

基于Z源逆变器的光伏发电系统研究    王君惠

新型光伏发电系统的研究    韩志强

光伏发电系统监控与发电预测模型研究    李徐辉

分布式光伏发电系统无功控制策略及算法的研究    贾志强