直流微电网光伏模拟器毕业设计.docx
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直流微电网光伏模拟器毕业设计
摘要
太阳能是一种不会枯竭的绿色能源,在能源匮乏的今天受到很多国家的重视,但是对于太阳能的开发利用全人类还做的不够。
目前对太阳能的利用主要在于光伏系统,而光伏阵列则是光伏系统的核心,是实现太阳能到电能转换的重要部分。
但是由于光伏阵列的研究成本高、效率很低、占地面积大,这给科学研究带来了很大的困难。
本文介绍直流微电网与光伏模拟器的发展现状及前景,了解直流微电网与光伏阵列的结构与特点,介绍一种数字式的直流微电网光伏模拟器,了解这种模拟器的基本原理及结构,说明对于这种模拟器研究的必要性与经济性。
关键词:
直流微电网;光伏模拟器;微电网;光伏阵列
ABSTRACT
Solarenergyisagreenenergythatcannotbedepleted.lackingofenergyisintheattentionofmanycountriestoday,buthumanityhasnotdoneenoughforthedevelopmentandutilizationofsolarenergy.Currentuseofsolarenergymainlyinphotovoltaicsystems,whilethePVarrayisthecoreofthePVsystemandisanimportantpartoftherealizationofsolarenergytoelectricalenergyconversion.However,duetothehighresearchcostsofthePVarray,lowefficiency,largearea,whichgivessciencetgreatdifficulties.ThisarticledescribesthecurrentsituationandprospectsofthedevelopmentoftheDCmicro-gridPVsimulatortounderstandthestructureandcharacteristicsoftheDCmicro-gridphotovoltaicarrays,introducedadigitalDCmicro-gridphotovoltaicsimulator,tounderstandthebasicprinciplesandstructureofthissimulator,indicatingthenecessityforthissimulatorstudiesandeconomics.
Keywords:
MicroDC-Grid;SolarSimulator;Micro-Grid;PVArray
1绪论......................................................................................................................1
1.1课题的背景及意义..........................................................................................1
1.2直流微电网的研究现状..................................................................................2
1.3直流微电网的研究前景..................................................................................3
1.4光伏发电的研究现状......................................................................................3
1.5光伏发电的研究前景......................................................................................4
1.6本文的主要工作..............................................................................................4
2直流微电网..........................................................................................................5
2.1直流微电网的结构..........................................................................................5
2.2直流微电网的特点..........................................................................................6
2.3直流微电网供电系统的研究..........................................................................7
2.4直流微电网供电系统的关键问题..................................................................8
2.5直流微电网的并网方式及控制方法..............................................................8
2.6微电网的使用..................................................................................................8
3光伏模拟器............................................................................................................11
3.1光伏电池........................................................................................................11
3.2太阳能电池光伏阵列输出的主要参数.......................................................11
3.3太阳能电池光伏阵列最大功率点跟踪........................................................12
3.4光伏电池的仿真............................................................................................13
3.5太阳能电池光伏阵列模拟器的组成............................................................15
3.6太阳能电池光伏阵列模拟器设计要求.......................................................17
3.7太阳能电池光伏阵列模拟器的原理...........................................................17
3.8一种数字式光伏模拟器...............................................................................19
3.9太阳能电池光伏阵列模拟器的作用...........................................................21
4光伏发电系统........................................................................................................23
4.1光伏发电的特点............................................................................................23
4.2光伏发电系统的几种结构............................................................................23
4.3直流微电网在光伏发电系统中的应用........................................................25总结......................................................................................................................27
致谢......................................................................................................................28
参考文献......................................................................................................................29
1绪论
1.1课题的背景及意义
在当今世界上,各个国家都将经济的发展作为主要任务,故而,对能源的需求也是日益增大,可以说经济增长离不开能源的开发利用。
目前世界范围内的国家都已煤、石油、天然气等化石能源为主。
但这些化石能源都是不可再生且及其有限的能源。
据联合国能源署的报告称,以目前地球上各国开采化石能源的速度和地球化石能源的存储量来计算,煤炭资源可供开采30年,石油资源可供开采30年,天然气资源可供开采50年。
可以说未来五十年,人类将把地球上几亿年储存的化石能源消耗殆尽。
而且开采能源也会引发一系列的环境问题。
可以说人类面临的不仅仅是能源的匮乏,还有生存环境的挑战。
人类对化石能源的使用排放了大量的二氧化碳[1],这就造成全球气候变暖,南北极冰川融化,陆地的干旱、沙漠化逐年加重。
可以说未来如果人类还是如此依赖化石能源必将造成十分严重的环境、气候问题。
解决能源问题、保护生态环境是人类急需解决的两件大事,各国也在积极开发新能源。
目前对一些可再生的能源如水力、风能、潮汐、地热能等的开发利用受到了广泛的关注。
但是这些能源的利用很容易受到天气、地域的影响,严重时甚至对当地的生态环境造成影响。
而还有一种比较特别的能源核能也受到广泛的研究,但是随着前苏联切尔诺贝利核泄漏事件和2011年日本地震引起的核泄漏事情给社会造成了极大的危害,人们对核能利用的副作用更加关注,这就要求对核能的利用的技术必须更加成熟过关。
根据这些情况,为了解决能源和环境压力,人类必须开发出一种清洁可靠的可再生能源[2],如此方能满足社会对能源的需求已经对生态环境的保护。
目前来说,最为清洁可靠的可再生能源当属太阳能。
太阳能获取简单方便,人类取之不尽。
据相关计算,太阳每一秒钟发出的能量相当于地球上1.3亿亿吨煤燃烧产生的热量,而其中照射到地球表面的约为全球发电力总和的20万倍。
更为关键的是太阳能发电没有废物排放,清洁绿色,利于人类生态环境的保护,而其发电形式多种多样,不会受到空间地域的影响。
从上个世纪开始,各国已经
开始了对太阳能的研究利用。
上世纪90年代许多国家开始实行光伏屋顶计划[3],
让光伏发电伴随建筑物。
光伏屋顶是指将光伏电池阵列安装在屋顶或者墙壁,就
地发电用电。
这样可以节省电网的许多架线送点设施,安全高效。
这种发电用电方式安装简单利于推广,受到许多国家的重视。
虽然有光伏屋顶计划对太阳能的利用,但是总体来讲对太阳能的利用还远远不够,因而研究出高效的太阳能发电系统是十分有必要的。
目前世界上的太阳能光伏发电技术主要核心是光伏发电系统中的光伏阵列,只要研究出能适应各种条件下的光伏阵列,就能将太阳能的利用效率最大化。
光伏阵列因其占地面积大、效率较低、成本大给科研带来了很大不便,这是设计一种模拟器,模拟出光伏阵列在各个环境下的工作状况对科研机构开展光伏发电的研究是时分有必要的。
而利用直流微电网的光伏模拟器对于太阳能的利用又尤其独特的优越性,从直流微电网的特点来讲可以归纳为以下几个方面:
(1)直流微电网中不需考虑交流微源的输出电压、相位、频率等,可直接接入直流母线。
只需一次AC/DC或者DC/DC换流,换流简单,损耗小。
而母线也只需一次DC/AC逆变器即可。
整个系统成本低损耗小。
(2)直流微网中因其能量只与直流母线电压有关,利于各个微源的协调控制。
(3)在主网故障时,直流微网只需利于并网换流器闭锁功能,即可迅速从大电网切断,进入孤岛运行状态,此时微网中的负荷仍可以正常用电,不受主网故障的影响。
(4)直流微网通可以供给很高的电能质量,因其负荷侧的换流装置,当某处负荷发生短路故障是,其余负荷不受影响,供电有保障。
(5)直流微网有储能功能,将储存的电能作为一个能量缓冲器,这就可以平衡各处微源,解决负载短期能量不足的问题。
总之从直流微电网的特点可以看出直流微电网光伏发电在未来对太阳能的开发利用中必将起到无法估量的作用。
研究直流微电网光伏模拟器对光伏发电的科研具有巨大的推动作用,必将大大简化光伏发电系统的研究,直流微电网光伏发电系统在未来必将为人类的新能源开发与利用做出突出贡献。
1.2直流微电网的研究现状
从2002年美国CERTS微电网被提出以来,经过美国、日本、欧盟等国家的科学家研究与实践,微电网定义慢慢被完善。
更有利于微电网的推广与利用。
CERTS对微电网的定义为:
微电网是一种由微型电源和负荷共同组成的系统,它可以同时提供电能和热量。
美国因为其近些年一些停电现象,使美国更加注重工业用电的可靠性,美国对于微电网的研究也更加注重于可靠性的研究,美国北
部电力系统承建了第一个微电网示范工程。
欧盟也有相应的微电网项目,因为欧盟希望能够优化电源到用户的产业链来发展分布式微电源,而因为欧盟的电源与负荷相隔较近,因此欧盟的研究方向主要在微电网的互联的问题。
日本因为其本土资源匮乏,对于微电网的研究也投入很大,主要对于微电网中的能量储存研究更多,日本的青森县、爱知、和京都都有世界领先的微电网项目。
在我国微电网方面的研究尚处于起步阶段,但是微电网的特点是十分适合我国电力发展的。
1.3直流微电网的研究前景
直流微电网技术因其经济性与可靠性使得世界各国都投入大量经费于技术研究中,直流微电网技术的出现、发展、成熟必将改变传统的电网应对负荷增长的方式。
直流微电网的出现能够减少电力系统能耗、提高电力系统的可靠性。
经济发达的国家如美国、日本等都十分重视微电网的发展研究,只有微电网提供的稳定可靠的电能才能保证国内电能供应,为国家的发展提供坚实的保障。
在我国
经济飞速发展的背景下,对电能的质量与稳定性要求也日益增大。
大电网的脆弱性在这种背景下也日益凸显。
要改善这些情况微电网就是我国电力事业发展的一种重要途径,使电能的供应能够跟上经济发展的脚步。
将地理位置相近的重要负荷组成微电网,再设计出合适的控制管理方法,为这些重要负荷提供优质可靠的电能,这样不仅可以解决电能供应的一些问题,对于节能环保也是有重要作用的。
国家能源局也计划在“十二五”期间建设30个微电网示范工程,各级政府已经出台了一些支持性政策,自下而上推动力越来越显著。
就目前来说直流微电网技术还存在许多问题,但直流微电网在各国发展迅速,相信在不久的将来,直流微电网技术必将广泛的应用到电力系统中。
1.4光伏发电的研究现状
当今世界上光伏发电发展十分迅速,特别是经济发达的国家对太阳能光伏发电十分重视,大力发展。
自20世界80年代开始,世界经济发展如何,太阳能光伏发电相关产业一直以10%-25%的增速飞速发展[4]。
90年代后期太阳能光伏发电的发展达到一个顶峰,是当时世界上成长最快的高新技术产业之一。
截止到2004年,世界上太阳能光伏发电装机容量高达964.9MW,而到2005年这一数值增长到4961.69MW。
目前来说,太阳能光伏发电已经商业化,在国际上太阳能光伏发
电的成本约为0.25美元(kwh),太阳能光伏电池的价格约为3.15美元/W,并网价格约为6美元/W。
可以说随着发电转化效率的提高,太阳能光伏发电的利润正在逐年增加。
目前警惕硅光电池光电转化率达到15%,单晶硅光电池光电转化率高达23.3%。
而且光伏电池的使用寿命也十分长久,可使用30多年。
随着技术的进步,太阳能电池的光电转化率与太阳能电池的使用寿命必将继续提高。
我国的太阳能光伏发电也在飞速发展中,20世界90年代开始我国太阳能光伏发电发展十分快速。
到2004年我国太阳能光伏发电累计装机容量达到35MW,占世界份额的3%。
目前,国内五大发电集团、四小发电豪门都投入到了太阳能光伏发电的开发研究中,必将使我国的太阳能光伏发电产业进入一个新的发展高潮当中。
1.5光伏发电的研究前景
近些年人类的发展对地球环境造成了很大的破坏,而环保现在也成为了各个国家注重的,越是发达的国家越注重对环境的保护。
太阳能光伏发电因其环保、高效、长寿等优势必将是未来能源的主流。
随着技术的突破,太阳能光伏发电产业将不断完善与发展,成本将进一步降低。
据专家预测,2050年太阳能光伏发电将占全球发电量的13%-15%,2100年将占64%。
我国的太阳能光伏发电前景也是一片光明,预计到2020年太阳能光伏发电成本在我国将下降到0.60元/
(kwh),我国的太阳能光伏发电技术将达到世界先进水平[5]。
1.6本文的主要工作
本文主要介绍国内外的直流微电网及光伏发电技术,了解世界各国直流微电网及光伏发电的现状和研究前景,说明该课题存在的必要性和重要性。
文中主要介绍现行的直流微电网和光伏模拟器的方案,研究光伏电池的特点和在生产中的的特性。
使用MATLAB对光伏电池进行仿真,来验证光伏电池的特性曲线。
直流微电网技术与光伏发电技术都是世界尖端技术,要说明这些技术的优越性和基本原理。
对直流微电网光伏模拟器从结构、特点、用途几方面进行研究。
2直流微电网
2.1直流微电网的结构
微电网是相对于常规大电网而言的,是指多个分布式电源及相关负载按一定的拓扑结构构成的网络,并通过静态开关并至大电网。
微电网是一种较为新型的网络结构,与现在世界范围内应用最多的大电网相比,微电网能够实现自我控制、保护和管理的自治系统,既可以与外部电网并网运行,也可以孤立运行[6]。
微电网的控制系统如下图2-1所示:
图2-1微电网的控制结构
微电网分为直流微电网与交流微电网两种,其中直流微电网中系统中的储能装置、DG、负荷等均通过电力电子变换装置接入直流母线,系统结构如下图2-2。
直流微电网DG与母线之间仅有一级电压变换,这就大大节约了系统的建设成本,且无需考虑DG同步的问题,这就降低了直流为电网的技术难度,对于推广直流微电网有很大帮助。
与交流微电网相比,直流微电网因其电压变换少,这样能够减少在电压变换时的能量损耗。
可以说直流微电网是一种经济环保的联网方式。
单相交流母线
三相交流母线
配电网
ACACAC
DCDCDC
直流母线
DCDC
DCDCDC
ACDCAC
DCDC
交流直流
储能储能
交流直流
DGDG
直流负荷
图2-2直流微电网的基本结构
2.2直流微电网的特点
现在社会对于能源的应用主题在于节能与环保,开发太阳能从本质上来讲也是为了这两点。
要解决能源问题除了开发清洁可靠的新能源这一方法,改善电能的运输方式也是一种非常可靠的手段。
采用微电网因其输送电能的灵活性深受重视,但在微电网中,直流微电网相比较于交流微电网则具有更大的优势。
如果将世界现行的主流的交流供电方式改变为直流供电,可以节省20%的电能损耗。
可以说直流微电网在供电领域的应用可以大大改善当今世界紧张的能源问题。
直流微电网是通过一条公共直流母线将所有的微电源链接起来,这样燃料电池、光伏发电、微型汽轮机、风力发电等微电源通过一个集中的DC/AC换流装置与大电网相连,这部分结构与交流微电网较为不同。
相比于交流微电网,直流微电网具有以下几点优势:
(1)直流微电网系统成本和损耗将大幅度减少。
在直流微电网中,直流母线与各种微型电源的连接形式更为方便、简单。
不需如同交流电网那样考虑电源的输出电压的频率、相位等。
直流微电网只需经过一次DC/DC或者AC/DC变流转换,而且直流母线与大电网之间的连接也只需经过一
次DC/AC逆变装置,可以说直流微电网将使供电系统更加简单可靠。
(2)直流微电网中各微电源更容易实现协调控制。
控制直流微电网只需控制直流母线电压,对潮流的控制更大程度上也与电流控制有关。
(3)与交流微电网相比,直流微电网中的换流装置要少了不少,这就大大降低了系统成本和能量损耗。
(4)在先进的配电系统中,如果能应用直流微电网,可以把太阳能光伏发电所产生的直流电直接提供给家庭或者企业的电子设施,能够更加有效的利用太阳能。
正因为有这些优势,可以说直流微电网对于未来太阳能利用有着十分重要的作用,而直流微电网对于传统的交流电网也是一次十分重要的变革。
2.3直流微电网供电系统的研究
目前,直流供电在节能家庭的应用较多。
如日本厂商提出的“DC环保家庭”。
DC环保家庭就是将太阳能电池所发的电储存到充电电池之中,直接使用直流电来驱动用电设备,这样就没转换电能的损耗,当冲电电池中的电量用完之后,把家用的电源转变成直流电,相比起传统供电,这种直流供电只需要转化一次,可以节约能量。
日本NTT公司已经开发出了400V直流的电源插头和插排,该公司还开发出来支持380V的直流供电系统,现正面临试验。
松下公司也正在开发家用的直流供电系统。
总体来讲,直流供电系统在家庭用电中的发展十分迅速,相信真正普及推广很快就会到来。
直流供电系统不仅仅是在家庭用电里面发挥着作用,在
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