单相光伏发电的并网控制研究毕业论文.doc
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单相光伏发电的并网控制研究
【摘要】
能源是国家经济发展以及人类赖以生存和发展的重要物质基础,在当今能源紧缺的时代背景下,太阳能光伏发电的研究具有非常重要的战略意义。
随着电力电子技术的不断发展,建立大规模的光伏并网发电系统将会是太阳能利用的主要方式。
基于此背景,本课题研究了单相光伏并网发电系统,对该系统中的光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)、并网逆变作了分析与研究。
首先对单相光伏并网发电系统的几种不同结构进行了比较,确定了单相光伏并网系统的拓扑结构。
其次从光伏电池的等效模型出发,建立其数学模型。
利用Matlab/Simulink建立光伏电池模型,仿真分析了光照强度的改变及温度的改变对其输出特性的影响。
然后分析比较了几种常规的最大功率跟踪(MPPT)方法,并采用扰动观察法通过控制Boost电路占空比实现光伏电池的最大功率跟踪控制。
仿真表明模型对外界环境变化具有较好的适应性和良好的动态性能。
最后通过并网电流控制方式的分析和比较,研究实现了光伏发电并网运行控制策略的仿真模型,确定了控制器参数。
建立了电网电压前馈补偿的SPWM电流跟踪控制模型,仿真验证了模型能够实现单位功率因数并网。
关键词:
光伏发电;最大功率点跟踪;Boost变换器;逆变
【Abstract】
Energyisanimportantmaterialfoundationofthenationaleconomicdevelopmentandhumansurvivalanddevelopment.Intoday'senergyshortageunderthebackgroundofthetimes,thesolarphotovoltaicresearchhasveryimportantstrategysense.Theestablishmentoflarge-scalegird-connectedPVsystemswillbethemainwayofusingsolarenergywiththecontinuousdevelopmentofpowerelectronicstechnology.Thesinglephasephotovoltaicgrid-connectedgenerationsystemisresearchedinthepaper.Thesystemmakesaprofoundanalysisandresearchofphotovoltaicmaximumpowerpointtracking(MPPT)andgrid-connectedinverter.
Firstly,thetopologyofthesysteminthepaperisdeterminedbyanalyzingseveraldifferentstructuresofthesingle-phasegrid-connectedPVsystems.Secondly,themathematicalmodelsofsolarcellareestablishedthroughtheequivalentmodelofsolarcell.MATLAB/Simulinkisusedtostudytheoutputcharacteristicsofphotovoltaicarrayundertheconditionsofthechangesoflightintensityandtemperatureandpartialshadow.
Thirdly,severalconventionalmaximumpowerpointtracking(MPPT)methodsareanalyzedandcompared.PerturbationandObservationmethod(P&O)isusedtocontroltheboostconvertertorealizethePVMaximumPowerPointtracking(MPPT).Theresultsofsimulationshowthatthemethodhasgoodadaptabilityaccordingtoexternalenvironmentalchangingandgooddynamicperformance.
Finally,thesimulationmodelofPVgrid-connectedoperationcontrolstrategywasstudied.TheSPWMcurrenttrackingmodelwasusedtotrackthesingle-phasePVgrid-connectedcontrolandthegridvoltagefeed-forwardcompensationisconsidered.Simulationshowsthatthecontrolmodelcanachieveunitypowerfactor.
KeyWords:
Photovoltaicgeneration;MaximumPowerPointTracking;BoostConverter;Invert
目录
1 引言 1
1.1 研究背景和意义 1
1.1.1全球能源危机与环境问题 1
1.1.2太阳能光伏发电的优势 1
1.2 光伏产业的现状和发展趋势 2
1.2.1国外光伏产业的发展 2
1.2.2国内光伏产业的发展 3
1.3 光伏发电系统的分类及关键技术 4
1.3.1光伏发电系统的分类 4
1.3.2光伏并网发电系统涉及的关键技术 6
1.4 本文研究内容 7
2 光伏并网发电系统拓扑分析 8
2.1 光伏并网发电系统结构分析 8
2.1.1隔离型光伏并网发电系统 8
2.1.2非隔离型光伏并网发电系统 9
2.2 双级型非隔离光伏系统拓扑结构 10
2.2.1DC/DC变换器 10
2.2.2DC/AC逆变器 11
2.2.3滤波电路 12
2.3 本章小结 13
3 光伏电池模型及仿真 14
3.1 光伏电池的建模 14
3.1.1光伏电池工作原理 14
3.1.2光伏电池数学模型 14
3.2光伏电池仿真 17
3.2.1电池模型搭建 17
3.2.2光伏模型仿真分析 18
3.3 本章小结 20
4 光伏电池最大功率点跟踪模型及仿真 21
4.1 最大功率点跟踪理论 21
4.1.1最大功率点跟踪的概念 21
4.1.2最大功率点跟踪的原理 21
4.2 常用最大功率点跟踪算法 22
4.2.1恒定电压法 23
4.2.2扰动观察法 23
4.2.3电导增量法 24
4.3 MPPT环节仿真建模 24
4.3.1DC-DC变换器建模 24
4.3.2MPPT模型 25
4.3.3PWM脉宽调制的建模 26
4.4 最大功率点跟踪仿真分析 27
4.4.1标况下仿真分析 28
4.4.2环境变化时仿真分析 29
4.5 本章小结 29
5单相光伏发电并网的建模与仿真 30
5.1 光伏并网逆变器控制原理 30
5.1.1逆变器控制目标 30
5.1.2常用单相并网逆变电流控制方式 30
5.2 单相光伏发电并网模型 31
5.2.1单相光伏发电并网结构 31
5.2.2单相光伏发电并网控制模型 33
5.3 仿真分析 35
5.3.1仿真模型与参数设置 35
5.3.2标况下单相PV并网模型仿真分析 36
5.3.3外界环境变化情况下单相PV并网模型仿真分析 38
5.4 本章小结 41
6总结 42
6.1结论 42
6.2展望 42
致谢 44
参考文献 45
1 引言
1.1 研究背景和意义
1.1.1 全球能源危机与环境问题
能源是维持整个人类社会运营和发展的动力,对人类社会起着至关重要的作用。
在上个世纪中,人类利用的能源为石油、煤炭和天然气等化石能源。
这些能源在本质上都是亿万年以来,太阳能辐射到地球被动植物所储存,经过漫长时间的演化而成现在所看到的能源矿藏。
但是经过人类数千年以来,特别是第一次工业革命以来,上述的化石能源已经被消耗了相当大的比例[1]。
在本世纪初进行的关于世界化石能源储量的调查研究数据显示:
以当前人类的能源消耗速度,石油还可以开采约40年,煤炭为227年,天然气为61年[2]。
而我国化石能源的储量情况更加严峻,严重制约了经济的发展[3]。
此外,由于化石能源的大量使用,对环境造成了严重的污染,对生态造成了巨大的破坏。
如何在使用能源的同时,保护好整个地球的生态环境应经成为全球各个国家面临的重要问题。
当今,人类社会的飞速发展必定会依赖于大量能源的消耗,为了应对能源危机和环境问题,必须改善现阶段的能源结构,大规模开发利用一些可再生的清洁能源[4]。
迄今为止,人类使用的能源从本质上来看,都是由太阳能转化而来的。
每四十秒太阳辐射到地球上的能源,就可以满足人类一天的消耗。
太阳早在数十亿年前就已经出现,太阳能是一种取之不尽,并且用之不竭的能源。
太阳能可以直接应用,而且基本上不会对环境造成任何污染,是一种可靠的清洁能源。
对太阳能的开发利用,是解决当今人类社会能源短缺和环境污染等问题的一种比较有效地手段。
从上个世纪七十年代开始,世界各国都投入了大量的社会资源对太阳能发电进行了研究,从九十年代开始,太阳能发电得到了较快速度的发展,太阳能将会成为二十一世纪中叶以后的主要能源[5][6]。
1.1.2 太阳能光伏发电的优势
一般人类对太阳能转换利用的方式有三种,分别为:
光热转换利用、光电转换利用和光化学转换利用。
太阳能光伏发电是将太阳辐射的能量直接转换为电能的发电形式。
人类对光伏发电的研究可以追溯到100多年前,在近半个世纪以来,光伏发电技术不断改进和完善,使其成为人类在21世纪重要的能源[7]。
光伏发电较很多其他的发电方式有很多的优势,主要表现在:
1)太阳能的储量及其丰富,从太阳形成的时间可以追溯到亿万年前,而存在至今,太阳仅仅只消耗了自身百分之二的能量。
2)地球上从人口密集的城市地区到寸草不生的沙漠地区,太阳能均可以辐射照射到。
这就使得太阳能可以就地采集、就地发电,这对解决偏远山区和交通不便地区的居民用电有着很好的实际应用价值。
3)太阳能是一种非常绿色环保的能源,在对其开发和利用的过程中不会对环境产生任何的污染。
4)光伏发电系统设备维护相对简单,并且不存在因物理运动而产生磨损的部件,这就使得整个系统的使用寿命较长。
5)发电资源、发电设备和用电群体都可以设在同一个区域,这就避免了电能长距离的运送,节约了用电成本。
6)硅作为制作光伏电池的制作材料,在地球上的储量十分丰富,便于生产光伏电池板用于发电。
由上述光伏发电的种种优势,我们可以预测,光伏发电在人类社会的中将会起到越来越重要的作用。
1.2 光伏产业的现状和发展趋势
1.2.1 国外光伏产业的发展
能源和环境问题近半个世纪以来,越来越受到世界各国的重视,为了实现其可持续发展,世界各国对清洁能源的开发列为发展的重点,尤其是光伏发电[8]。
即使在整个世界的经济处于衰退或低谷时期,光伏发电产业仍然保持较快的速度发展着,光伏并网发电的应用也越来越宽广。
世界整个光伏发电市场之所以有这么快的增长,是和德国、美国和日本政府的鼓励政策是分不开的。
德国在光伏发电技术方面的研究一直处于世界前列。
德国政府在1991年至1995年施行了“1000屋顶计划”[9],安装了多达2250个的光伏并网系统。
并且立法通过了《可再生能源法》,制定了光伏发电的电价,对整个德国光伏产业的发展起到了极大的刺激作用。
在20世纪末继续施行了“10万屋顶计划”,使得德国的光伏发电市场由1999年的12MW发展到2003年的130MW。
到了2004年,德国的光伏发电装机容量到达了世界领先水平。
目前,德国在慕尼黑的光伏发电系统仍然是世界上最大的光伏发电系统之一。
美国是世界上最早开始发展光伏产业的国家之一,早在上个世纪80年代初期就开始实施了PVUSA计划来刺激整个光伏产业的发展[10]。
并于1997年提出了“百万屋顶计划”,用于促进独户PV系统的发展,同时政府通过一些减免税收等有关措施来作为光伏产业发展的动力。
如果这一计划可以顺利实施,将会有将近101万套光伏设备安装完成并投入使用,整个容量将会达到3025MW。
自上个世纪70年代爆发的石油危机以来,日本一直致力于本国的光伏产业的发展。
近十多年来,日本在光伏发电和建筑结合的方面取得了比较好的成果。
日本的光伏屋顶发电系统把光伏电池阵列和建筑材料结合在一起,使得推广光伏发电的道路更为平坦。
世界上许多其它的发达国家,如西班牙、意大利、奥地利、英国、瑞士、加拿大、芬兰等都有与上述类似的光伏产业发展计划[11],并且投入了庞大的财力和物力进行一些技术开发、制作工艺的提升。
在发展中国家中,印度也于1997年12月份制定计划,预计在2020年之前建成150万套光伏发电系统。
多项调查研究和资料表明,光伏发电将会是世界能源发展的趋势,并最终会在电力市场中扮演主要角色。
1.2.2 国内光伏产业的发展
我国国土辽阔,是世界上太阳能资源最丰富的国家之一,每年全国接受的太阳能辐射量为5.6×1022焦耳,那相当于1.9×1012吨煤产生的能量[12]。
有关研究数据显示,我国年日照数达到2000小时的地区,占全国总面积的三分之二,而且西藏地区接受的年最大太阳辐射量仅次于非洲的撒哈拉沙漠地区,位居世界第二。
由表1-1可以看出,我国有对太阳能资源进行利用的优良条件。
表1-1 我国太阳能辐射量及地区分类
地区类型
年日照时数
(h)
年辐射总量
(MJ/m2)
等热量所需燃煤(t)
包括的主要地区
备注
一类
3200~3300
6680~8400
225~285
宁夏背部、甘肃北部,新疆南部、青海西部、西藏西部
太阳能资源最丰富地区
二类
3000~3200
5852~6680
200~225
河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南部
较丰富地
区
三类
2200~3000
5016~5852
170~200
山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部
中等地区
四类
1400~2000
4180~5016
140~170
湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、安徽南部
较差地区
五类
1000~1400
3344~4180
115~140
四川大部分地区、贵州
最差地区
我国从1958年开始对光伏电池进行研究,并在1971年首次将光伏电池用于东方红二号卫星上,实现了历史性的突破。
在上个世纪80年代以前,由于受到价格和产量的限制,我国的光伏产业一直没有太大的发展,年产量也只徘徊在10KW以下。
经过近数十年的不懈努力,我国的光伏产业得到了迅速的发展,但是主要集中在山区或边远地区的独立光伏发电系统,如在1999年底分别成功在西藏的7个无电县城安装了光伏发电系统并顺利运营,从2000年起又开始在无电乡村建设光伏发电站。
虽然我国对光伏发电技术已经有了一定的研究,但是技术中的核心部分仍来源于国外,其中,光伏并网技术才刚刚起步,与国际著名大企业(如德国西门子、日本三菱等)的先进技术还存着很大的差距。
目前为止,在北京和深圳已经分别建成了容量为100KW、17KW和7KW的光伏发电屋顶系统,并且实现了并网发电。
我国政府对光伏发电技术非常重视,并于2007年8月,发布了《可再生能源中长期发展规划》,在2008年3月,又提出了《可再生能源发展的“十一五”规划》。
明确了我国光伏发电在2020年的具体规划目标[13],见表1-2。
表1-2 我国光伏发电规划目标
市场分类
累计装机容量/MW
市场份额(%)
农村电气化
200
12.5
通信和工业
100
6.25
太阳光伏产品
100
6.25
光伏并网建筑(BIPV)
1000
62.5
大型荒漠光伏并网发电
200
12.5
合计
1600
100
从表1-2可以看出,到2020年我国光伏并网发电在整个光伏产业市场份额的75%,与建筑相结合的分布式光伏发电系统的装机容量将会达到1000MW,占整个光伏发电市场62.5%,而荒漠光伏并网发电的装机容量将会达到200MW,占市场份额的12.5%。
1.3 光伏发电系统的分类及关键技术
1.3.1 光伏发电系统的分类
光伏发电是通过利用光伏电池板来实现太阳辐射能转换为电能的一种发电方式。
整个光伏发电系统都是由以下几个部分构成:
光伏电池阵列、控制器、电能变换装置和电能储存装置。
一般情况下,我们可以把光伏发电系统分为独立型系统、并网型系统和混合型系统。
1)独立型光伏发电系统
独立型光伏发电系统的结构框图如图1-1所示。
其特点是不和电网相连接,主要用于偏远无电地区和特殊领域的供电,如偏远山村用电设备、卫星通信设备、航标灯、气象和地震观测站等远离电网的用电设备。
在有太阳光照的情况下,光伏阵列产生电能,并向负载供电。
当光伏阵列的发电量大于负载的消耗,那么多余的电能就会转换为化学能,存储在蓄电池中。
当负载消耗大于当前光伏阵列产生的电能,那么光伏阵列和蓄电池同时对负载供电。
如果当前没有太阳光照,则由蓄电池单独供电。
同时,还可以根据负载的类型,选择是否加入逆变器。
图1-1 独立型光伏发电系统结构框图
2)并网型光伏发电系统
图1-2 并网型光伏发电系统结构框图
并网型光伏发电系统的结构框图如图1-2所示。
其特点是输出端与公共电网相连接。
按照电网接入点的不同可以分为输电侧和配电侧并网型光伏发电系统。
城市中并网型光伏发电系统一般安装在建筑物表面,并且并网点一般在配电侧。
而输电侧的并网型光伏发电系统一般安装在沙漠地区。
其工作原理为:
首先通过光伏阵列将太阳能转换为电能,再通过逆变器将光伏阵列产生的直流电转换为和电网相位、频率都相同的交流电,并将所产生的电能并入电网。
并网型光伏发电系统是光伏发电的主要形式,目前占到整个光伏发电市场份额的80%以上。
而并网型光伏系统根据电网的相数可分为单相并网和三相并网,对于小功率的并网型光伏发电系统一般采用单相并网,考虑到本文设计的是4000W的光伏并网系统,因此采用单相并网。
3)混合型光伏发电系统
图1-3 混合型光伏发电系统的结构框图
混合型光伏发电系统的结构框图如图1-3所示。
其最大的特点就是,系统中除了光伏发电,还有其它形式的发电系统。
当光伏阵列产生的电能不能满足负载需求的时候,可以通过其它形式的发电系统作为电能补充。
目前应用比较多的就是风光互补发电系统,这样组合可以使得系统的稳定性、可靠性比单独的光伏发电系统或者风力发电系统有了很大的提高。
通过合理的配置和设计,可以基本满足负载的需求。
1.3.2 光伏并网发电系统涉及的关键技术
光伏发电系统中涉及到的关键技术主要包括以下几个方面:
1)最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)技术
光伏阵列的输出特性具有很强的非线性特征,并且受外部环境(光照强度、光伏电池表面温度和负载情况)的影响。
但是,当外部环境处于稳定的状态下,光伏阵列存在一个且唯一的最大功率输出点(MaximumPowerPoint,MPP)。
为了尽最大限度地使用光伏阵列产生的电能,必须在光伏阵列后面添加一个最大功率点跟踪环节,该环节可以根据光伏阵列的输出电压来选择降压或者升压的DC/DC电路。
目前,用于光伏发电最大功率跟踪的方法有很多种,最常见方法有固定电压法(CVT)、扰动观察法(P&O)、电导增量法(INC)等。
除此之外,近些年又引入了模糊控制、滑模控制等方法。
上述的方法都可以对光伏发电系统进行最大功率跟踪,但是都含有一定的缺陷。
所以,如何快速、稳定地实现最大功率跟踪仍然是光伏发电系统研究的一个热点。
2)逆变技术
光伏阵列输出的电压为直流电压,而在大多数情况下都会使用到交流电,所以逆变环节是光伏发电系统中的一个十分重要的环节。
逆变技术的研究主要包括拓扑(半桥、全桥、多电平逆变等)和调制算法(滞环比较、SPWM调制等)。
3)光伏并网控制策略
为了能使光伏产生的电能可以并入电网,这就必须保证并网电流和电网电压实现同步(即相位、频率相同),这里面就涉及到:
最大功率跟踪、逆变器控制、锁相环、孤岛检测等技术。
4)系统的稳定性和可靠性
光伏发电系统可以看成是一个开关电源系统,所以其系统的稳定性和可靠性显得尤为重要。
由于在系统中会用到很多的高频率工作的电力电子开关器件,因此谐波是影响光伏发电系统稳定性和可靠性的因素。
如何降低谐波对系统的影响,一直是热门的研究问题。
1.4 本文研究内容
本文根据对光伏发电系统的研究情况,安排论文的章节如下:
第一章首先阐述了当前环境和能源问题的严峻性引出研究光伏发电的意义,并对国内外光伏产业的发展现状和前景进行了详细分析,最后对光伏发电系统的结构和其中的一些关键技术进行了介绍。
第二章介绍了光伏并网发电系统的几种结构,并进行分析比较,确定了本文采用的结构。
并对一些常用的变换器拓扑结构进行了介绍,进而给出本文系统的拓扑图。
第三章介绍了光伏电池的工作原理。
通过光伏电池的等效模型建立了其数学模型,进而建立了光伏组件数学模型并对它们的输出特性进行了详细的分析。
第四章介绍了几种常用的最大功率点跟踪算法。
然后以两级式光伏发电结构为应用目标,结合光伏电池以及一级控制部分,并通过仿真的形式测试了算法模型的正确性。
第五章首先分析了并网的条件,确定了并网采用的控制策略,建立了单相PV并网运行的控制仿真模型,然后仿真验证模型的可行性。
第六章对本文做出的工作进行了总结和展望。
2 光伏并网发电系统拓扑分析
大规模的光伏并网发电是光伏发电应用的必然趋势,现如今光伏并网系统的结构种类繁多,而选择合适的结构,对整个系统的工作效率和控制策略都有很重要的影响。
2.1 光伏并网发电系统结构分析
光伏发电系统是利用光伏阵列将太阳能直接转换为电能的装置[14],并网发电能够更好地利用光伏阵列产生的电能。
为了实现并网,一般利用控制器将电能通过电力电子变换装置,然后再连接到电网。
根据系统中是否含有隔离变压器,光伏并网发电系统可分为隔离型与非隔离型两大类,下面对这两类进行详细的介绍。
2.1.1 隔离型光伏并网发电系统
在隔离型光伏并网发电系统中,根据隔离变压器的工作频率,又可以将其分为两类:
工频隔离型、高频隔离型。
1)工频隔离型光伏并网发电系统
工频隔离型结构是光伏并网系统中比较常用的一种,其结构图如图2-1所示。
图2-1 工频隔离型光伏并网发电系统结构图
这种结构的工作原理如下:
首先将光伏阵列产生的直流电能通过逆变器直接逆变成
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