10KW太阳能光伏并网发电系统的研究_硕士学位论文.pdf

i o k w 太阳能光伏并网发电系统的研究 导师姓名_袒座：退 导师单位：塞筮理至太堂 答辩委员会主席：屈重题 论文答辩日期：2 0 1 1 年6 月4 日 安徽理工大学研究生处 2 0 11 年月日 k ：矿 气 ；， 专 q f i i 耐， l i i i iii i i u l ii ii i i i i i i iiil 19 7 6 3 7 5 ad i s s e r t a t i o ni nt h e o r yc o n t r o la n d e n g i n e e m i n g c o n t r o l r e s e a r c ho f1o k wg r i d c o n n e c t e ds o l a rp h o t o v o l t a i c p o w e r s y s t e m c a n d i d a t e ： z h a n g m i n s u p e r v i s o r ：z h u l o n g j i s c h o o lo fe l e c t r o n i ca n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g a n h u i u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 ，s h u n g e n gr o a d ，h u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，p r c h i n a o 1 | ! r 飞0 诎 k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徵翌王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 笔刍是日期：逊年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞邀理王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：妊叁己 签字日期：必一f 年月e l 导师签名：秘列 签字日期：刎年参月7 日 咩，：矗 咤 摘要 捅要 目前，太阳能正经历着由补充能源向替代能源发展的历史阶段。由于电力电 子技术的快速发展以及人们对太阳能光伏并网发电重视程度的增加，使得太阳能 光伏并网发电发展非常迅速。其中并网逆变器技术的发展在很大程度上提高了太 阳能光伏并网发电的效率，降低了其发电成本。 本文主要是以安徽理工大学1 0 k w 并网发电系统为例，对太阳能光伏并网发 电系统进行研究。首先分析的是太阳能光伏发电的现状和未来的发展前景，然后 分析了太阳能光伏电池的发电原理，在此基础上对太阳能光伏电池进行了仿真。 接着分析了几种常用的最大功率点跟踪控制算法，在比较了他们的优缺点后，提 出了一种新的最大功率点跟踪控制的算法，证明了其在控制精度和控制速度上均 能满足系统的要求。在主电路的选择上，本文选择了前级带b o o s t 升压变换器的 主电路结构，在前级升压环节先对光伏阵列输出的直流电压进行匹配，使其工作 在最佳状态。本文提出对三相逆变器采用电压外环控制，电流内环控制的方案， 在电压外环控制中使用的是电网电压前馈控制。 本文在理论分析的基础上，分别对太阳能光伏电池、最大功率点跟踪控制、 太阳能光伏并网系统等进行了仿真研究，在仿真的基础上给出了硬件电路和主要 的程序流程，并进行了实验的研究。在分析了仿真和实验结果后，证明本文设计 的太阳能光伏并网逆变器可以保证其输出电流与电网电压相位相同，在理论与实 验上都能并网成功。 图 7 9 】表【3 】参 5 2 】 关键词：光伏发电；最大功率跟踪；空间电压矢量；并网策略；数字信号处理 分类号：t n 8 6 安徽理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，s o l a re n e r g yi sg o i n gt h r o u g ht oa l t e r n a t i v ee n e r g yb yt h ea d d i t i o n a l h i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n ts t a g e a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o l a rp h o t o v o l t a i c p o w e rg e n e r a t i o ni n c r e a s e de m p h a s i s ，m a k i n gt h ed e v e l o p m e n to fs o l a rp h o t o a o l t a i c p o w e rg e n e r a t i o ni sv e r yf a s t t h e 鲥di n v e r t e rt e c h n o l o g yh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h e s o l a rp h o t o a o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h e i rc o s to f e l e c t r i c i t y t 址sa r t i c l ei sb a s e do na n h u iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f10 k wp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m f i r s t ，w ea n a l y s z e dt h es o l a rp h o t o a o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns t a t u sa n d f u t u r e p r o s p e c t s t h e nw ea n a l y s z e dt h ep r i n c i p l eo fp o w e rg e n e r a t i o no fs o l a r p h o t o v o l t a i cc e l l s o nt h eb a s ew ee s t a b l i s h e das i m u l a t i o no fs o l a rp h o t o v o l t a i c c e l l s t h e na n a l y z e ds e v e r a lc o m m o nm a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h m i nc o m p a r i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，w r ep r o p o s e dan e wm a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h m ，p r o v e di t sp r e c i s i o na n dc o n t r o li nt h es p e e d c o n t r o lc a nm e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s o nt h ec h o i c eo ft h em a i nc i r c u i t ，t h ep a p e r c h o s et ob o o s tc o n v e r t e rf r o n te n d 、i t l lt h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r e ，t h ef i r s tp a r to ft h e f i r s ts t a g eb o o s tt h eo u t p u to ft h ep va r r a yd c v o l t a g et om a t c hi ti nt h eb e s tc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s e d t h r e e p h a s ei n v e r t e rw i t hv o l t a g eo u t e rc o n t r o li n n e rc u r r e n t l o o pc o n t r o ls c h e m e ，t h ec o n t r o lv o l t a g ei su s e di no u t e rg r i dv o l t a g ef e e d f o r w a r d c o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ea r es t u d y i n gs i m u l a t i o nw h i c h i n c l u d i n gt h es o l a rp h o t o v o l t a i cc e l l s ，r e s p e c t i v e l y , t h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g c o n t r o l ，s o l a rp h o t o v o l t a i cs y s t e m s o nt h eb a s i so ft h es i m u l a t i o ns h o w st h eh a r d w a r e c i r c u i ta n dt h em a i np r o g r a mf l o w , a n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e s n l ea n a l y s i so ft h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e ds o l a rp h o t o v o l t a i ci n v e r t e r o u t p u tc u r r e n tc a nb eg u a r a n t e e di np h a s ew i t ht h eg r i dv o l t a g e ，b o t hi nt h e o r ya n d e x p e r i m e n t ，a n dc a ns u c c e e di nt h eg r i d f i g u r e 【7 9 】t a b l e 【3 】r e f e r e n c e 【5 2 】 k e yw o r d s ：p vp o w e rg e n e r a t i o n ；m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ；s v p w m ； g r i ds t r a t e g y ；d s p c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t n 8 6 i i ! ； 0 痞 h k 目录 目录 摘! i j e i a b s t r a c t i i l绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外现状2 1 3 光伏发电系统简介4 1 4 本文研究的主要内容5 2 太阳能光伏电池的工作原理及特性7 2 1 太阳光的性质7 2 2 太阳能光伏电池的发电原理7 2 3 太阳能光伏电池的特性8 2 3 1 太阳能光伏电池的等效电路8 f 2 3 2 太阳能光伏电池的外特性曲线9 2 4 太阳能光伏电池建模1 l 2 5 本章小结15 3 太阳能光伏发电的m p p t 控制1 6 3 1 最大功率点跟踪控制的原理1 6 3 2 几种常用m p p t 算法的分析与比较1 7 3 2 1 功率扰动观察法1 8 3 2 2 滞环比较法2 0 3 2 3 增量电导法2 3 3 2 4 固定电压控制法一2 4 3 2 5 基于模糊控制的m p p t 算法一2 5 3 2 6 基于d p d e 的m p p t 算法2 6 3 2 7m p p t 控制算法仿真3 2 4 太阳能光伏发电并网控制的研究3 4 4 1 太阳能光伏并网系统功能结构3 4 i l l 安徽理j r 大学硕士学位论文 4 1 1 主回路结构3 5 4 1 2b o o s t 升压变换器3 6 4 2 并网逆变器的控制策略4 2 4 2 1 空间电压矢量调制( s ，w m ) 技术4 2 4 2 2s v p w m 控制算法4 4 4 2 3 电流内环控制4 8 4 2 4 电压外环控制5l 4 3 并网控制方案5 3 4 3 1 使逆变器输出功率因素为l 的控制5 3 4 3 2 直流电压稳定的控制5 5 4 3 3 并网发电系统仿真模型及结果5 6 5 光伏并网逆变器的硬件与软件设计5 8 5 1 逆变器的硬件设计5 8 5 1 1 主电路的参数设计5 8 5 1 2 控制器6 l 5 1 3 辅助电源的设计6 2 5 1 4d s p 控制器的供电电路6 3 5 1 5 采样电路的设计6 4 5 2 光伏并网发电系统软件设计6 7 5 2 1 逆变器的软件设计6 7 5 2 2 监控系统软件设计6 9 6 光伏并网发电系统的实验调试7 3 6 1 光伏并网逆变器的实验调试7 3 6 2 实验波形分析7 4 6 3 上位机的监控显示7 8 7 研究总结与展望8 0 7 1 研究结论一8 0 7 2 研究展望8 0 i v c 参考文献 致谢 作者简介 、j 安徽理- t 人学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i c h a p t e r l p r e f a c e 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2s i t u a t i o no f c h i n e s ea n da b r o a d 2 1 3i n t r o d u c t i o no f p vp o w e rs y s t e m 4 1 lt h em a i nc o n t e n to f t h i sa r t i c l e 5 2 、p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fs o l a rc e l l s 7 2 1t h t ：n a t u r eo f t h es u n 7 2 2p r i n c i p l eo f s o l a rc e l l s 7 2 3c h a r a c t e r i s t i co f s o l a rc e l l s 8 2 3 1e q u i v a l e n tc i r c u i to f s o l a rc e l l s 8 2 3 21 1 1 eo u tc u r v eo fs o l a rc e l l s 9 2 4 硼km o d e l i n go f o l a rc e l l s 。1 l 2 5c h a p t e rs u m m a r y 15 3 、t h em p p tc o n t r o lo f s o l a rp vp o w e rs y s t e m 1 6 3 1 ，n l ec o n t r o lp r i n c i p l eo f m p p t 1 6 3 2a n a l y s i sa n dc o n p a r i s o no fs e v e r a lc o m m o n l yu s e da l g o r i t h m 17 3 2 1p o w e rp e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o nm e t h o d 18 3 2 2h y s t e r e s i sc o m p a r i s o n 2 0 ：；2 3i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c e 2 3 3 2 4c o n s t a n tv o l t a g ec o n t r o lm e t h o d 2 4 3 2 5m p p ta l g o r i t h mb a s e do nf u z z yc o n t r o l 2 5 3 2 6m p p t a l g o r i t h ms i m u l a t i o n 2 6 3 2 7m p p t a l g o r i t h ms i m u l a t i o n 3 2 4 、c o n t r o lo f g r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m 3 4 4 1f u n c t i o n a ls t r u c t u r eo f g r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m 3 4 v i 王 t c o n t e n t s 4 1 1m a i nc i r c u i ts t r u c t u r e ：i ! ； 4 2g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g y 4 2 4 2 1s v p w m t e c h n i q u e 4 2 4 2 2s v p w mc o n t r o la l g o r i t h m 4 4 4 2 3i n n e rc u r r e n tl o o pc o n t r o l 5 8 4 2 4o u t e rv o l t a g el o o pc o n t r 0 1 51 4 3g r i d - c o n n e c t e dp v s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e la n d r e s u l t s 5 3 4 3 1c t r o lt h ei n v e r t e ro u t p u tp o w e rf a c t o rf o r t h e1 5 3 4 3 2d c v o l t a g ec o n t r o l 5 5 4 3 3g r i d - c o n n e c t e dp v s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e la n dr e s u l t s 5 6 5 、h a r d w a r ea n ds o l w a r eo f g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r 5 8 5 1h a r d w a r ed e s i g no f i n v e r t e r 5 8 5 1 1p a r a m e t e rd e s i g no f t h em a i nc i r c u i t 5 8 5 1 2c o n t r o l l e r 6 1 5 1 3d e s i g no f a u x i l i a r yp o w e rs u p p l y 6 2 5 1 4p o w e rs u p p l yc i r c u i to f d s pc o n t r o l l e r 6 3 5 1 5d e s i g no fs a m p l i n gc i r c u i t 6 4 5 2s o f t w a r ed e s i g no f g r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m 6 7 5 2 1s o f t w a r ed e s i g no fi n v e r t e r 6 7 5 2 2s o f t w a r ed e s i g no f m o n i t o r i n gs y s t e m 6 9 6 、e x p e “ n m e n t a ld e d u g g i n go fg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m 7 3 6 1e x p e r i m e n t a ld e d u g g i n go f g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r 7 3 6 2e x p e r i m e n t a lw a v e f o r ma n a l y s i s 7 4 6 3p cm o n i t o rd i s p l a y 7 8 7 、t h es m m n a d ra n do u t l o o ko f r e s e a r c h 8 0 7 1c o n c l u s i o n so f s t u d y 8 0 7 2o u t l o o ko f s t u d y ；( ) v n 安徽理j t = 大学硕士学位论文 i n t r o d u c t i o no f a u t h o r 8 5 v 1 1 1 摹 t 1 绪论 l绪论 1 1 研究背景 当前，全球化工业进程在进一步展开，经济全球化也在逐步深入，世界人口 持续上升，由此带来的人类对能源的需求也跟着进一步的上升。但是以石油、天 然气和煤炭为代表的传统能源却j 下在一天天的锐减，这必将会给世界带来一场十 分严重的能源危机。根据专家统计的数据显示：一直以来，石油、煤炭、天然气 等化石能源的消耗量都处在急速上升的状态，并且由此带来了能源价格正在一天 天的飞涨。据估算，按照人类当前的消耗速度计算，到目前为止已探明储量的化 石能源仅仅只能支持1 0 0 年左右的时间。以我国为例，按照现在的能源消耗速度， 石油将会在未来5 0 年内耗尽枯竭，天然气和煤炭也只能维持大概1 0 0 年左右的时 间。据相关专家预测：我国的电力供应在2 0 2 0 年左右将会出现高达1 0 0 g w 的缺 口。现在每天化石能源的大量使用对我们赖以生存的周边环境造成了不可估量的 破坏。全球每天排放的温室类气体就多达2 2 亿吨，其中以c 0 2 的排放量为最， 每天的排放量达到令人难以置信的1 9 亿吨。而由此带来的大气污染使地球表面 的气温逐年升高，使南北两极的冰山融化一年年的在加速，导致的海平面的上升 使人类面临着生存的巨大威胁 h 1 2 。 正是由于各类能源的极度紧缺以及坏境的日益恶化，能源、坏境与发展问题 已经成了目前人类发展亟待解决的问题。为了实现人类社会的可持续发展各国都 在加紧研发新的可再生能源。当前，综合考虑能源的存贮量、使用的稳定性、价 格和利用条件等各种因素，太阳能以其无法比拟的优势毫无悬念的成为最符合可 持续发展的可再生绿色能源。联合国能源专家指出，太阳能已经成为2 l 世纪人类 最有前景、最具发展潜力的绿色能源之一。 2 0 世纪5 0 年代人类开始了对太阳能光伏发电的使用，那时候主要是在航天 等科技尖端领域对太阳能电池板的使用，如今经过了半个多世纪的不懈发展已经 取得了长足的进步，已经由那时候在仅仅太空中的应用发展到现如今太阳能光伏 发电集成的建筑群。太阳能资源蕴藏及其丰富、分布十分广泛，而太阳能光伏发 电站清洁、稳定、安全、维护量小以及寿命长等诸多优点，已经被大多数的专家 认定为未来最有发展前景的可再生新能源。最近几年，由于世界各国政府的重视， 尤其是在欧美、日本等发达国家的政策推动和刺激下，使太阳能光伏发电由传统 的离网型向现在以光伏集成建筑群为代表的并网方向发展。现在太阳能光伏并网 安徽理t 大学硕十学位论文 发电已经成为了行业发展的新方向和相关研究人员研究的新方向。 作为新兴产业的太阳能光伏发电行业以其鹤立鸡群的优势、战略价值以及投 资价值，已经成为了各大型企业和有识之士投资的热点行业。充分开发和利用太 阳能，对于提高人民生活水平和尽快实现人类的可持续发展，对了我们的子孙后 代有着相当重要的现实意义和极为深远的历史意义【3 】。 1 2 国内外现状 近年来太阳能光伏并网发电发展十分迅速，其中大部分的资金都使用到了新 产能的提升上。太阳能光伏发电企业在2 0 0 9 年的贷款也大幅上升，比2 0 0 8 年多 了1 3 8 亿美元，创造了历史之最。正是基于此，2 0 0 9 年全球太阳能光伏发电的新 装容量达到了创历史的3 0 1 9m w p 。从上述情况可以看出太阳能光伏发电的产业 规模正在一步步的扩大，并且有很多企业还在源源不断的投身于光伏发电产业。 另外，新能源财务报告数据显示：2 0 0 9 年全球范围内对可再生能源的市场已 经攀升到了1 7 5 亿美元。对太阳能光伏发电的投资也从2 0 0 8 年的7 6 0 亿美元上升 到了接近1 0 0 0 亿美元。以目前的发展速度估算，在未来两年就能突破2 0 0 0 亿美 元。在这部分投资中，美国和欧洲占总投资的约5 0 。在亚洲国家中，日本大约 占1 5 份额，中国和印度都占1 0 左右的份额。根据相关专家的预测，在接下来 的十年里，中国在生物质能、风能以及太阳能等新能源的研发方面将与美国及欧 洲展开全方位的竞争。目前中国对太阳能热的利用规模早已很大程度上超越了其 他国家而独占鳌头，约占世界太阳能热利用的6 5 左右1 4 j 。 2 0 0 9 年全世界新建了1 0 0 0 多个大型的并网光伏发电站，如今已经逐步形成 了一个光伏发电网络的联盟。其中有一部分发电站的建设是分阶段建造而成的， 所以算上那些正在建设中的发电站，这个总数还会更高一些。德国、西班牙、美 国、日本等发达国家在太阳能电站的建设方面一直处于世界的项尖行列。以中国 和印度为代表的亚洲国家也在逐步缩短在技术方面的差距。 中国地域辽阔、光照充足，太阳能储量惊人。理论计算相当于每年燃烧1 7 0 0 0 亿吨煤所发出的能量，因此中国的太阳能资源的丌发利用有着异常广阔的利用前 景。正是因为看到了太阳能光伏行业的前景十分广阔，十一五期问，我国政策扶 持太阳能光伏产业的力度非常大，十一五期间我国太阳能光伏发电也取得了喜人 的成绩。而今年出台的十二五也继续将太阳能光伏发电产业作为最有前途的产业 之一，并提出会在2 0 0 9 年的基础上加大发展力度。众多有发展眼光的的企业家都 2 i 绪论 十分看好该行业的发展前景，都在筹备着进军太阳能光伏行业。2 0 1 0 年中国太阳 能光伏电池的产量已经超越了美国、日本和欧洲成为了世界第一。 十一五关于太阳能光伏发电的主要目标就是研究大功率的太阳能光伏并网技 术并建成和试运行m w 级的太阳能并网光伏电站。十一五项目的圆满完成标志着 我国已经在相当程度上掌握了各种不同形式的m w 级光伏电站的设计和建设能 力。在项目的研究和实施过程中，专家们还携手攻克了低压和高压并网、太阳能 光伏阵列自动跟踪技术以及一系列的并网逆变控制技术，并为2 0 1 0 年上海世博会 大型并网光伏电站的建成运行提供了难得的运行经验和成熟的技术支撑。目前上 海世博会的并网光伏电站运行良好，正时刻向世人展示着中国光伏人在不断努力 后取得的辉煌成果。 太阳能光伏电站另一大有事就是在节能减排和保护环境方面为人类的可持续 发展提供了新的出路。在太阳能资源比较丰富的地区，一座m w 级光伏并网电站 每年能发出1 8 0 万度电，按理论寿命2 5 年来计算，一座m w 级光伏并网电站在 寿命期内累计发电量高达4 5 0 0 万度。这相当于1 7 7 9 4 吨标准煤的发电量，并且相 当于减排了约4 6 2 6 4 吨c 0 2 、4 2 7 吨s 0 2 和1 2 5 吨的n o x 。 为了促进我国太阳能光伏产业更好的发展，2 0 0 9 年国家能源局、科技部以及 财政部一起联合印发了启动太阳能示范工程的关于实施金太阳示范工程的通 知。通知说明我国将采取科技支持、财政补助以及市场拉动相结合的方式实现我 国太阳能光伏发电产业的规模化与产业化发展，争取尽早解决我国的能源、环境 与发展的问题。 国家对太阳能光伏发电项目的政策扶持力度越来越大，而且太阳能光伏电站 在建成之后，不需要很多人值守，也基本上不需要进行大幅度的维护和设备的维 修，因此太阳能光伏电站建成后运营费用极低，可以取得相当的成本优势。而且 国内的对太阳能光伏发电的需求正在逐步上升，所以当前众多的企业蜂拥而至， 都在投资这一项目。 目前中国的太阳能光伏发电市场正由生产型转向消费型。2 0 0 9 年开始我国的 太阳能电池板已经开始出现了产能过剩的现象，这标志着太阳能光伏发电产业的 前端产品已经由卖方市场转向了买方市场。为了推动我国太阳能光伏产业健康良 性的发展并缓解太阳能光伏电池企业因产能过剩产生的压力，国家能源局j 下在研 究如何规模化、产业化发展国内的光伏发电市场。初期将在政策上给予优惠，致 力于启动几十万千瓦的光伏电站项目作为加快我国新能源产业发展、提高我国太 3 安徽理二【人学硕士学位论文 阳能光伏产业稳定发展的一项重要举措5 1 【6 1 。 正是由于太阳能光伏产业的发展前景十分可观，国内外已经有大量的企业进 军光伏市场，对太阳能光伏并网发电系统的研究也正在不断的深入，提出了许多 急需解决的技术问题。对于光伏发电的功率研究、并网结构的研究、并网关键模 块逆变器及并网控制策略等的研究都有着各自不同的见解。 1 3 光伏发电系统简介 光伏发电系统是将太阳光通过光生伏打效应转变成电能后供给电网或者直接 供用户使用的电源系统。光伏发电系统可以分为并网系统和独立系统两大类。其 中独立光伏发电系统是光伏发电系统里应用最早的也是结构最为简单的系统，又 称之为太阳能光伏发电的原型系统，其系统框图如图1 所示。独立光伏发电系统 主要用于海上浮标、灯塔、无线电中继站、偏远地区灌溉、太阳能路灯等市电不 方便供电的场合。当负载是直流负载时，独立光伏发电系统可以直接给直流负载 供电；如果负载是交流的，则必须先将直流电逆变成交流电后才能供给负载。通 常独立系统都需要储能装置，白天将多余的电能存贮在储能装置罩，当夜晚或者 遇到阴、雨、雪等太阳光光照不充足的天气时，由储能装置放电，给负载提供所 需的电能。 图1 独立光伏发电系统图 f i g 1i n d e p e n d e n ts o l a rs y s t e md i a g r a m 随着电力电子技术的发展及对太阳能光伏发电的研究逐步深入，太阳能光伏 发电j 下由原始的独立光伏发电系统向现如今的并网光伏发电系统大踏步的转变。 当前太阳能光伏并网发电已经开始进入产业规模化的发电阶段，并且已经成为当 今世界发展新能源尤其是太阳能光伏发电的主流趋势。太阳能并网电站在国外已 4 i 绪论 经是电力工业的重要组成部分，我国政府也决心要充分利用太阳能光伏并网发电， 早日赶上发达国家的脚步。尤其是太阳能光伏发电与住房建筑相结合的光伏建筑 一体化的太阳能并网光伏发电系统，已经成为了世界各国争相发展的焦点，发展 十分迅速，市场前景非常的广阔、诱人。 太阳能光伏发电系统的系统框图如图2 所示，主要由太阳能光伏阵列、环境 检测仪、直流配电柜、交流配电柜、并网逆变器、p c 工控机、液晶显示等部分组 成。 图2 并网光伏发电系统图 f i g 2g r i d - c o n n e c t e ds o l a rs y s t e md i a g r a m 1 4 本文研究的主要内容 本文是在安徽理工大学1 0 k w 太阳能光伏并网系统的基础上进行的研究。首 先研究了当前国内、外光伏发电的现状，然后对目前光伏并网发电系统存在的一 些主要问题进行了分析和研究。其主要内容如下： ( 1 ) 在查阅和参考了大量资料的基础上，详细研究了温度、光照强度等外部 环境因素对太阳能光伏阵列的影响，并根据其原理用m a t l a b 软件进行了仿真，仿 真结果说明了太阳能光伏阵列与外部环境的关系。 ( 2 ) 在充分研究了太阳能光伏电池特性的基础上，详细介绍了目前使用的一 些常见的最大功率跟踪控制算法，并提出了一种新的基于d p d e 的最大功率跟踪 控制算法。这种算法创造性的将复杂的多目标控制化为单值控制，稳定了太阳能 光伏电池的工作电压，减小了逆变器直流侧电压的波动，提使得跟踪性能更好， 从而提高了输出功率。实验说明其在控制速度和精度两方面都能很好的满足光伏 并网系统的要求，较好的解决了传统算法存在的问题。 5 安徽理t 入学硕士学位论文 ( 3 ) 本文详细的设计了太阳能光伏并网逆变器的硬件连接结构，包括前级 d c d c 升压变换器、控制芯片d s p 、d c a c 逆变主电路、电压电流采样电路、 过零检测电路等。 ( 4 ) 本文以安徽理工大学1 0 k w 光伏并网系统为例研究了太阳能光伏并网 逆变器与上位机的通信与显示。 本文的结构安排如下所示： 第一章主要是对太阳能光伏发电的应用情况以及国内外的研究现状进行分析 研究，并对本文的主要研究内容和论文结构安排进行了简单的叙述。 第二章在分析了太阳光的性质的基础上，详细的分析了太阳能光伏电池阵列 的输出特性。尤其是外部环境( 温度、光照等) 对太阳能光伏电池输出特性的影 响。 第三章主要介绍的是太阳能光伏发电系统的最大功率跟踪控制算法，在详细 的分析了几种常用的m p p t 算法的原理及其优缺点后，提出了一种新的基于d p d e 的最大功率跟踪控制算法，并给出了m p p t 算法的仿真实验。 第四章主要研究的是光伏并网逆变器的控制策略。本章详细分析了控制电压 矢量控制、电流内环控制、电压外环控制等。最后本章给出了本文的并网控制方 案。 第五章介绍的是并网逆变器的软硬件设计。在硬件设计方面详细的设计了并 网逆变器的主电路，包括主电路的选择、升压电感的设计、稳压电容、滤波电感 等。然后还设计的采样电路、供电电路、辅助电源等。软件设计方面主要包括并 网逆变器的软件实现流程、与上位机的通讯、监控和显示等。 第六章主要内容实验调试。本章根据实验室制作的样机进行调试，详细分析 了实验的波形并且给出结论，然后根据安徽理工大学的1 0 k w 并网发电系统给出 了上位机的监控实验图。 6 2 太阳能光伏电池的_ 作原理及特性 2 太阳能光伏电池的工作原理及特性 2 1 太阳光的性质 太阳光的光照强度照射到地球表面时并不是一个恒定不变的量，而是随着时 间、地点、入射角度、云层厚度等因素的变化时刻变化着的一个变量。光伏电池 吸收太阳光后将太阳能转化成电能的过程中，输出的电量也会随着接收到的太阳 光的强弱而发生变化。因此太阳能光伏电池的外特性与同照强度和温度有着直接 的关系，所以在太阳能光伏发电系统的设计和运行过程中有个很重要的因素就是 必须