单相光伏发电并网系统的研究毕业论文
2022-05-27 10:05
论文总字数：15367字
摘 要
随着时代的发展，人类社会的不断进步，伴随着科技的突飞猛进，对于能源资源的需求也与日俱增，问题是地球上的化石资源十分匮乏，我们迫切的需求一种清洁可再生能源来代替化石能源。本文起始就对全球现阶段的太阳能的发展现状做了精简的介绍，对单相光伏发电并网系统的结构组成进行了必要的说明，对单相光伏发电并网系统整个体系构建了一个无形的框架；然后主要探讨研究了光伏发电系统中的最大功率跟踪环节，细数并简单了解了各种最大功率点跟踪的控制策略。结合扰动观察法最大功率点跟踪控制策略，采用Matlab/simulink搭建系统仿真模型，然后进行了主电路的选择与分析。继而对现较为常用的MPPT方法的原理及优劣点做了细致的理论分析且给出了相应的控制流程图；最后通过参考前辈改进的变步长扰动观察控制方法[1]进行了仿真分析与探讨。
关键词：光伏逆变器;最大功率跟踪；DC/DC电路；变步长扰动观察法
Abstract
With the development and progress of human society, along with advances in technology, the demand for energy resources is also increasing, the problem is the fossil resources are very scarce on Earth, we urgently need a clean and renewable energy sources to replace fossil fuels . In this paper, starting on the global stage for the current development of solar energy made to streamline the introduction of the single-phase photovoltaic grid-connected system of structures made necessary instructions for single-phase PV grid system to build a whole system invisible The frame; then focuses on the study of the photovoltaic power generation system of maximum power point tracking link, counting and simple understanding of a variety of maximum power point tracking control strategy. Combined with perturbation and observation method of maximum power point tracking control strategy, the use of Matlab / simuhnk building system simulation model, and then carry out the selection and analysis of the main circuit. Then the principles and advantages and disadvantages of current methods more commonly used MPPT do a detailed theoretical analysis and gives the corresponding control flow chart; and finally by reference seniors improved variable step perturbation and observation method for controlling the simulation analysis and discussion.
Key words： PV inverter; MPPT; DC / DC circuit;variable step perturbation and observation method
目录
摘 要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.1.1课题研究的背景 1
1.1.2课题研究的意义 1
1.2光伏发电在国内外的发展及研究现状 3
1.2.1国外光伏发电的基本现状 3
1.3分布式发电并网标准 5
1.4本课题的主要内容 7
第二章单相光伏发电并网系统的分析 8
2.1单相光伏发电并网系统的主电路结构 8
2.2单相光伏发电井网系统的调度方式 9
2.3单相能量变换的分析 12
2.3.1单相能量变换的理论分析 12
2.4基于DSP的单相光伏发电并网系统整体结构分析 17
第三章 最大功率点跟踪的实现 19
3.1太阳能电池的原理及输出特性 19
3.1.1太阳能电池的基本原理与构造 19
3.2太阳能电池最大功率点跟踪方法 21
3.3最大功率点跟踪的理论分析 26
3.4光伏电池的等效电路模型的选取 28
3.5本章小结 28
第四章 光伏发电并网系统最大功率点跟踪方法的仿真 29
4.1 仿真工具简介 29
4.2 DC/DC电路的搭建 30
4.2.1 光伏模块通用仿真模型的搭建 30
4.2.2 Boost电路的搭建 31
4.2.3 S函数的简介 33
4.3 MPPT仿真 34
4.3.1定步长扰动观察法应用于Boost电路的仿真 34
4.4 本章小结 38
第五章总结与展望 39
5.1总结 39
5.2 后续工作展望 40
第一章绪论
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1课题研究的背景
现今，随着人类社会文明的不断进步和工业化水平的不断提升，我们正面临着一个非常严峻的经济与社会还有环境的可继续发展问题。为了经济的发展，生活水平的提升，导致严重的资源匾乏和环境污染。其中，能源问题是大多数国家都面临的最严峻的问题之一。在过去的很长时间里，我们整个人类社会所需求的能源主要来自于不可再生的化石资源。因为种种原因，也无止境的增加。化石资源的大量使用导致了未来能源的稀缺，消耗的同时也造成了一定的环境污染，破换生态平衡，对人类社会的可持续发展产生了严重的影响。
现如今的首要任务是寻找可代替化石能源的新型绿色可持续能源，这是我们人类唯一的出路。能源的转型是我们行进在可续续发展行径上必将经历的坎坷。各种化石能源转化为能量所释放出来的各种有害气体破坏环境和生态平衡，主要排放气体二氧化碳，不断的在大气层中积累，覆盖了地球的表面，导致全球气候变暖。然而，解决这一难题的方法就在我们的身边，可持续再生能源就是我们最好的选择。
可持续供应的化石资源正在慢慢减少，但我们的生活却离不开它们。显然，我们在今后的日子里不能仅仅依赖于化石燃料。在未来的时间里，人类人口数量只会有增无减，所以常规方法已无法实现。很多强国工业最为发达，但是资源并没有一些资源小国蕴藏多，资源战争由此爆发。
1.1.2课题研究的意义
由于严重的资源匾乏和严峻的环境污染所面临的问题，我们需要寻求一种绿色健康普遍易转化的可再生资源来为我们的社会发展与正常生活提供能量，因此我们必须将目标锁定在可再生资源上，在我们相对易于开发的可再生资源中主要包括以下内容：
太阳能 太阳能转化成其它能的速度非常之快，它的利用价值非常之高,取之不尽，用之不竭，根据估算，并且它的污染极小，可谓微乎其微；太阳能的不足之处是它的昂贵性。并不是所有人都能进行如此昂贵的消费的。
风能 风能是由太阳辐射到地球的热能转化的，全球的风能总量也是极大的，转化成本低，污染极小；但是缺点显著，转化率很低，转化装置涡轮噪音很大，并且受地域限制。并且发电量和发电时间不受控制，没有规律。
水能 水能现在已被很充分的利用起来了，它对水和空气污染很小，对别的污染也并不大；缺点是会有一定的地域局限，建造的一些水坝会影响走位人们的耕耘与生活，破坏那个地区的生态平衡。
地热能 地热属于一种来自于地球的免费热能量。地热就是地核所散发出来的热量，因此地球就是一颗大型的电池，如果能发掘地底的热能为我们所用，我们将很大程度的解决能源问题，可见地热能也是一个需要被开发的能源仓库。
我们都熟知，地球上的煤炭，石油，天然气等各种化石资源的能量都源自千万甚至亿万年前的太阳能。太阳能还为我们带来了各种形式的能量，例如：生物能，水能，风能。表1-1为不同能量载体对太阳能的转换效率以及能量的生产周期。
表1-1不同能量载体对太阳能的转换效率及能量的生产周期
能量载体 | 能量生产周期/年 | 太阳能转换效率 |
煤炭、褐煤 | gt;160，000，000 | lt;0.01% |
石油、天然气 | gt;90，000，000 | lt;0.01% |
木材 | 3~30 | 0.2%~2% |
生物能 | 0.01~10 | 0.1%~4% |
水能 | 0.01~1 | lt;l% |
风能 | 持续产能 | 0.5%~3% |
光伏能源 | 持续产能 | 7%~30% |
从表1-1可以看出，与其他新能源相比，光伏能源以一种利用率最大、转换效率高、最理想的新能源的面貌为我们所开发利用，特别是最近几十年，随着科学技术的不断发展，也推动太阳能及其相关产业成为世界上发展迅速的行业，因为它具有储量大、可用时间久、清洁无污染、不受地域限制、不会枯竭等特点。
太阳能的应用形式主要有两种：一是利用太阳能转换为热能，二是利用太阳能转化为电能，前者被人们开发的比较早，比如我们所熟悉的太阳能热水器;后者是利用太阳光照射半导体器件上产生电流，我们称之为光伏发电技术(也称PV技术)。目前，光伏发电技术备受发达国家如美国、德国、日本等国家的高度重视，半个世纪来，太阳能电池成本已由1500美元/瓦降低至每3.15美元/瓦，应用范围也从国防领域、航天领域等转向为民所用。
近年来，在国家政策的扶持下，我国太阳能产业的发展也十分迅速，光伏电池年生产总量现跃居世界第一位，且以100%~300%增长率增长[2][3]，而与之相对，我国的光伏市场的发展却相对滞后于光伏产业的发展，以2007年为例，我国太阳能电池的年生产总量达到1088MWp，但用于国内的仅仅只有10MWp，其余的几乎都用于出口[2][4]，由此可见我国光伏发电系统装机容量所占比例非常小，而且这些装机绝大部分都用于解决偏远没有通电地区的人民生活用电问题，用于并网发电系统的装机容量仅占总装机容量的6%[4]，因此，研究建立完善的光伏发电并网系统技术对于发展国内光伏发电产业具有重要的意义。
1.2光伏发电在国内外的发展及研究现状
1.2.1国外光伏发电的基本现状
光伏发电的发展在全球范围内都很迟缓，因为大家对其的价值不够重视，一直经历很多年的不断创新与发展，才得以达到了一个全新的高度。20世纪80年代，太阳能光伏发电才开始迅速的发展，到90年代末，55MW这个惊人的总装机容量惊现在人们眼前。2001年总容量
400MW，2002年装机容量达到540MW，2003年总装机容量已为742.28MW，2004年总装机容量达到964.96MW，到2005年底，全世界太阳能光伏发电的总装机容量会达到4961.69M[5][6]。目前己建成了10多座兆瓦级的光伏发电系统，太阳能光伏电池组件的价格的也在大幅下降，在国际光伏发电市场上，太阳能电池的价格大约为3.15美元/瓦，并网系统价格为6美元/瓦[7]，预计到2015年，太阳能电池组件的成本有可能下降到1美元/瓦。
美国于1998年启动了“百万光伏屋顶(Million PV Roof Program)”，装机总容量达到3000MW，并计划于2010年内完成，该项目启动1年左右，就己经在10，000户居民住宅屋顶上铺设了光伏器件，为每个用户提供大约5~10kw的电能;在同-时期，日本也大力支持本国光伏产业的发展，每年投资约110亿日元用于太阳能发电，其中约有半数的资金投入到500MW“光伏屋顶计划”项目上;德国也实施“10万光伏屋顶计划”，总装机容量为300MW[8];荷兰建成1WM太阳能发电系统，提供约5000住宅的生活用电;欧盟计划实施“百万光伏屋顶”项目，一半建在欧州[9]。国际上己建成2~6.5MW的荒漠光伏电站计划，提出“百万kW光伏发电系统规划”[8]。
2002年光伏发电增长最快的三个国家是德国、日本和美国，增长率依次为30%、29%和21%，日本人均占有额SW高于德国人均占有额3.4W。2004年，德国建设SMW光伏发电系统，可为1800户供电。美国计划在2020年以前安装3GW，光伏发电系统容量(增加15%)累计达15GW(1GW=1000MW)，届时全世界光伏发电总装机容量将为70GWP[10]。
1.2.2国内光伏发电的基本现状
据估计，我国的太阳能辐射功率达9.6×1012KW，每年的辐射量可达5.7×1022J，相当于1.9×102吨标准煤或2.5×1012桶石油的能量[11]。由此可见，开发利用进行光伏发电是一项十分诱人的产业[12]。
我国太阳能电池的研究始于1958年，1959年研制成功了第一组有实用价值的太阳能电池。1971年3月首次成功地应用于我国第二颗人造卫星上，1973年开始在地面上应用，1979年开始生产单晶硅太阳能电池。20世纪90年代初中期，我国光伏产业处于稳定增长时期，产量逐年稳步增加，2002年底，我国建成了10MW多晶硅电池生产线，使生产能力在该年有了较大增加，到2003年底我国光伏产业总的生产能力达到38MW。在光伏产业发展的趋势下，我国也开展了对于太阳能光伏发电并网的研究。1995年，25kW离网式光伏电站在我国西藏双湖县建成，地处海拔5100M，这是世界上海拔最高的一个光伏电站。同
年在山东一个海岛上建成30KW混合式光伏与风力发电系统，年发电量约56MW-h。2004年，我国在深圳园林花卉博览园中建成1MW并网光伏电站。仅2004年全国光伏发电装机容量累计为65MW[14]。在我国边疆、沙漠、草原(即荒漠地区)建设光伏电站的计划早已启动。此项计划若完成，可在2010年前，提供我国西北地区人均100W的电能，满足2300万人口对电的需求[13]。目前，上海市10万个太阳能屋顶计划可行性调研初稿己完成，杭州也适时启动了“阳光屋顶”计划，预计我国到2020年光伏发电装机容量的发展为1000MW，从整体的发展状况看，我国的光伏发电产业相对还比较落后。
从国外研究现状来看，目前的光伏发电并网的控制方法、数学模型的搭建和主电路参数的选择研究进步很快，文献[11]提出了基于瞬时p-q功率理论的并网控制方法，文献[12]给出了基于PLL三相光伏并网系统的二阶闭环时域和离散域的动态特性，分析给出了最优化的方法，并给出了在不同实验条件下的锁相结果对比。文献[13]提出针对并网采用了双环控制方法，同时对DC/DC变换器和并网逆变器进行分析，给出了控制的数学模型，并对其在时域进行仿真实验得出了分析结果。文献[14]提出采用小体积的高频变压器可使并网逆变器的容量减小，文献[15]介绍了美国TTC公司推出的光伏并网逆变器的工作原理，并对其性能做了分析，对其进行实验。根据以上文献对光伏发电的研究，对并网系统的控制方法及并网系统的输出电流的纹波分析和主电路参数的选择范围等进行研究对光伏发电技术的发展有着深远的意义。
1.3分布式发电并网标准
分布式并网发电系统在不断地发展中渐渐成长着，数量有所增长，导致电网的调节能力有所下降。因此，有关国际部门对此做出了一系列的措施和规章制度，以规范分布式并网发电系统。二十一世纪初，国际有关部门就制定了第一个对这类光伏发电系统的国际标准。该标准考虑的是容量低于10MVA，工作频率为60Hz的分布式发电系统[16]。但是中国使用的工作效率为50Hz，需要根据具体情况进行修改再作为规范。
标准中的对象是按国际标准选取的，得出的响应时间和频率异常范围。范围功率58.4~60.7HZ属于60Hz下正常的范畴之内，如表1.2所示：
表1.2并网系统频率异常响应时间
分布式系统容量 | 频率范围(Hz) | 响应时间(s) |
≤40kW | gt;60.7 | 0.16 |
lt;58.4 | 0.16 | |
gt;40kW | gt;60.7 | 0.16~300 |
lt;(60.1-57.3) | 0.16 | |
lt;57.3 | 0.16 |
并网电流需要有一定的标准，才能不污染电网。如表1.3所示。
表1.3并网电流谐波指标
奇次谐波（h） | hlt;11 | 11≤h≤17 | 17≤h≤23 | 23≤h≤35 | h≤35 | 总谐波（THD） |
（%） | 4.0 | 2.0 | 1.5 | 0.6 | 0.3 | 5.0 |
在并网系统运行时，它的频率，相位需要与电网电压同步。在电网关闭和系统停止运行时，我们要用电压幅值对电网电压进行跟踪，只有在3个数值满足表格1.4内的数值，我们才能进行连接装置的闭合，电网与系统将并联运行。
表1.4系统并网同步参数指标
容量(kVA) | 频率差(Δf，Hz) | 电压差(Δv，%) | 相位差(ΔΦ) |
0~500 | 0.3 | 10 | 20 |
gt;500~1500 | 0.2 | 5 | 15 |
gt;1500~10000 | 0.1 | 3 | 10 |
1.4本课题的主要内容
本文主要的研究对象是单相光伏发电并网系统的最大功率点跟踪，简单的描述了这个复杂的并网系统的各构件，简单的分析了最大功率点的重要性，并对其进行跟踪。阐述了几种不同的最大功率点跟踪的控制方法，选用方法简便，数据易处理，可靠性高的扰动观察法对最大功率跟踪进行控制，并通过Matlab/Simulink对光伏电路搭建仿真模型进行试验，研究扰动观察法的运行原理，对这种控制方法的不足给予一定的改进措施。
本文主要做的工作：
(l)研究了单相光伏电路的组成与运行，然后对其进行了电路拓扑，理论分析了单相光伏发电并网系统。然后详细分析了并网系统中的DC/DC和DC/AC的单相能量变化。
（2）对现今常用的几个最大功率点跟踪的控制方法做了简单的阐述，并去除它们的优缺点及适用系统。主要分析了扰动观察法的优点，操作简单，数据处理方便，跟踪的迅速性和数据的精确性。用这种方法实现对最大功率点的跟踪，并得出一些数据。
(3)进行了光伏电池模型的选择与分析，Bosst的搭建，最后运用经过改进的变步长扰动观察控制方法进行仿真，得出数据，对其进行探讨研究。
第二章单相光伏发电并网系统的分析
2.1单相光伏发电并网系统的主电路结构
光伏并网系统的主电路结构[17]可分为有三种，如下图2-1所示。工频变压器的绝缘方法就是利用脉通宽度调制使逆变器输出工频电流，接着使用工频变压器对其进行绝缘，同时也进行电压的变换。高频变压器体积和质量与另两个相比都较为大。高频变压器绝缘方式优良，是三种变压器中最好的，但是它内部的各种控制方法都较为复杂，相较而言操作麻烦。无变压器优点很多，但是不用电网绝缘，不适用于单相光伏发电并网系统。以上就是他们各自的优缺点。
图2-1光伏发电系统主电路结构
2.2单相光伏发电井网系统的调度方式
光伏并网系统分为可调度式和不可调度式两种并网方式，区分标准是根据是否带有储能装置如图2-2。此图为无变压器方式的电能转换主电路，其两种系统调度方式的光伏并网系统。
- 可调度式光伏并网系统
可调度式光伏并网系统的优势在于配备有一个可供使用的蓄电池，也正因为这个蓄电池的存在，给这个系统提供了能源，使其能进行更多的功能，例如：滤波，能量的调节。在没有特殊情况下，系统不仅给本身提供一定量的直流电源，而且还能将多余的电量补给给配备的蓄电池。逆变级更是将系统的直流电能通过逆变转化为交流电能，然后送入电网。
在特殊情况下，如：电网负荷需求增加时，我们可以进行对光伏并网系统电网需求的调度。如果这样也不能达到峰值，则需要蓄电池也参加工作，提供一定的电量。
一旦电网停止运行，各种不重要的负载将先后断电，各种能源供应将提供一定的直流电能利用逆变器转化为重要负载的运行能量，保持电源的不中断性。
作为电网终端的有源无功补偿器，它用来抵消有害高次谐波分量以提高电网质量[18]，同时稳定电网电压。
图2-2 可调度式与不可调度式光伏并网系统
(2)不可调度式光伏并网系统
我们直接将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压斩波成适于光伏逆变的直流电压，然后经逆变器转变成与电网频率相一致的交流电能，最后将其送入电网。
当光伏并网系统所产生的电流不足以供自身及本地使用时，电网将缺乏的电量给予补足。当光伏并网系统所产生的电流有所富裕的时候，多余的电量将返还给电网。
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