电气工程及其自动化毕业设计-基于太阳能光伏发电并网系统相关问题的研究.doc

1、i本科毕业论文（20 届）基于太阳能光伏发电并网系统相关问题的研究所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii目 录摘要 .IAbstract.II引言 .11 绪论 .11.1 太阳能光伏发电研究的意义 .11.2 国内外研究的现状 .21.3 太阳能光伏发电的前景 .31.4 本论文的主要工作 .32 太阳能光伏发电系统 .42.1 太阳能光伏与发电系统 .42.1.1 光伏并网发电系统 .42.1.2 光伏发电系统组成 .52.2 太阳能光伏并网系统 .62.2.1 太阳能光伏并网系统组成 .62.2.2 光伏并网系统逆变器要求 .72.2.3 光伏并网系统的拓扑结构

2、 .73 三相太阳能光伏发电并网控制方法研究 .83.1 三相逆变器主电路原理与分析 .83.1.1 三相逆变主电路选择 .83.1.2 光伏并网逆变器分类 .93.2 基于 SPWM 三角波比较并网控制的研究 .103.2.1 控制系统模型的建立 .103.2.2 三相逆变并网控制系统仿真 .124 光伏并网对电网的影响及解决方案 .144.1 孤岛效应 .144.2 谐波污染 .144.3 无功补偿问题 .144.4 电压闪变 .155 结论与展望 .155.1 结论 .155.2 展望 .15参考文献 .16致谢 .17iiiContentsAbstract.IIIntruduction

3、 .11 The introduction .11.1 The significance of solar photovoltaic power generation .11.2 Research at home and abroad.21.3 The prospect of solar photovoltaic power generation .31.4 The main work of this paper.32 Solar photovoltaic power generation system.42.1 Solar photovoltaic and power generation

4、system.42.1.1 Grid -connected photovoltaic power generation system .42.1.2 The structure of photovoltaic generation system .52.2 Solar photovoltaic (pv) gird system .62.2.1 Solar photovoltaic (pv) gird system .62.2.2 The requirements photovoltaic (pv) grid invertersystem .62.2.3 The topology of the

5、photovoltaic (pv) grid system .73 Three-phase grid-connected photovoltaic (pv) control methodresearch.83.1 Three-phase inverter main circuit principle and analysis.83.1.1 Three-phase inverter main circuit principle and selection .83.1.2 The category of photovoltaic (pv) grid inverter .93.2 Based on

6、the research of SPWM triangle wave comparison grid control.103.2.1 The establishment of the control system model .103.2.2 Three-phase inverter and network control system simulation.124 The effects of photovoltaic (pv) grid for grid and the solution.144.1 Islanding .144.2 Harmonic pollution .144.3 Re

7、active power compensation problem .144.4 Voltage flicker.155 Conclusion and Prospect .155.1 Conclusion.155.2 Prospect .15Refenrces.16To thanks .17I基于太阳能光伏发电并网系统相关问题的研究摘要：相比其他绿色能源，光伏发电并网可以很容易地转换成电能的太阳能为用户提供电。本文介绍了光伏发电的关键技术和研究热点网络的发展现状；讨论了功率变换器的电路拓扑结构和实际情况，我们选择了一个带变压器的单级全桥逆变器结构。本文在控制技术研究方面。通过对相位跟踪方法的研

8、究，并最终以软件和并网使用相位跟踪控制方法；分析了多种最大功率点跟踪控制方法，侧重于扰动观察法的算法，并利用该方法实现最大功率点跟踪控制；讨论了保护技术和孤岛检测的含义以及控制策略成品检测、电压频率检测和保护孤岛。 最后，根据以上的研究工作，设计制作了基于 DSP 控制的光伏发电并网样机，通过详细具体的实验，包括最大功率点跟踪实验、相位跟踪试验、孤岛保护试验，验证了系统的可靠性可行性，为以后工作打下了坚实的基础。 关键词：光伏发电 绿色能源 逆变控制 有功功率 无功功率 孤岛效应IIBased on the research of solar photovoltaic power genera

9、tion systems related issuesAbstract Gridconnected photovoltaic generator is more convenient than the other renewable sources in transforming green energy into electric energy,which is convenience to use. So,the research on the grid connected photovoltaic generator has an important meaning in nowaday

10、s especially theelectric energy is widely used.Firstly,This paper introduces the current situation of the development of photovoltaic power generation key technologies and research hot in network; discusses the power converter circuit topology and the actual situation, we chose a transformer with th

11、e single-stage full bridge inverter structure.The key point of this paper is the research on the control technology. Based on the studyof the phase tracking method the Soft-PLL technology is carry on the grid-connect control;several methods of MPPT (Maximum Power Point Tracking) is analyzed,the desi

12、rably observe method is researched and adopted to solve MPPT; the significance and strategy of Island protecting is dissertated, and came true by observing the RMS and frequency of grid continually. Its very important part that the techniques of maximum power point tracking and islanding protecting,

13、but also the technique for inverter to connected with grid are discussed at emphasis. Finally, a sample of 100Wp grid-connected photovoltaic generator is designed,which is controlled by DSP. The experimental result proves the feasibility andreliability of thesystem which solves three key techniques,

14、 including grid-connect control, maximum power point racking and islanding protectingand set up groundwork for the future research.Keywords：Photovoltaic generator;Renewable energy;Inverter Control;active power1引言太阳能发电是传统发电的有益补充，鉴于其对环保与经济发展的重要性，各发达国家无不全力推动太阳能发电工作，目前中小规模的太阳能发电已形成了产业太阳能发电有光伏发电和太阳能热发电 2

15、 种方式，其中光伏发电具有维护简单、功率大小可调的优点，得到较广泛应用。随着科技的不断发展，世界光伏产业发展迅猛，我国太阳能电池总产量达 1780MW，据统计，2008 的累计装机容量的光伏系统的最终达到 140MW。光伏发电系统可分为离网光伏发电系统和并网型光伏发电系统，并网光伏发电系统比离网型光伏发电系统投资减少 25%，在微电网光伏发电系统和接入大电网并网运行方式的主要方向，与大电网互为补充，提高规模光伏发电的重要技术途径，光伏发电系统和网络运行也是科技发展的未来，而网络可以通过在范围和太阳能的利用扩展的灵活性。在当今光伏发电设备非常需要并网运行，不仅需要在经济政策和法规方面进一步完善之

16、外，能否在技术层面解决好光伏发电系统接入大电网后 2 部分都能安全高效运行这一重大问题，也是决定光伏发电技术能否大规模工业化应用的关键。1 绪论1.1 太阳能光伏发电研究的意义 在人类文明的历史长河中，人类为了寻求生存和发展之道，不断地从大自然中探索和开发自然资源，其中能源的利用效率能反映出当代社会的发展水平。追溯到原始社会，由于 50 万年的矿物积累，人类所用能源的基础是一些常规能源包括煤炭、石油、天然气等。但随着社会的迅速发展，常规能源也迅速的枯竭。从资源的角度看，这些常规能源的储量是有限的，按目前常规能源消耗的速度来算，天然气大约还可以供采 60 年,石油大约供开采 40 年，煤炭大约供

17、采200 年。全球常规能源消耗的年增长率大约是 2%。人们预计，到 2025 全球就常规能源能源消耗可能还会再翻一番。常规能源的大量利用对人类的生存环境产生了巨大的破坏作用。到 20 世纪末人们开始意识到，由于每年燃烧常规能源所产生的 CO2，排放量约 210 亿吨左右，而这个数字每年还在呈现出上升的趋势。C 排放的温室气体造成了地球的温室效应，使全球气候变暖，海平面上升，以致一些低洼的沿海地区将被淹没，将会对国家经济政治产生影响。此外，大量燃矿物燃料的燃耗，产生的酸性气体还会造成酸雨，破坏古建筑物、毁坏农田、森林和胡泊酸性变强，生态环境遭到破坏。威胁人类的生存发展。这些都促使人们开发新能源。

18、因此，自然能发电技术收到更广泛的关注和2应用，清洁的太阳能适用范围广，可作为一种可再生的新型能源。太阳能作为一种洁净的能源近年来受到了普遍的关注，作为一种自然能源他展现出以下几种优点：(1)储量丰富。众所周知，太阳能是无穷无尽的是取之不尽用之不竭的。太阳辐射到达地球的能量高达每秒 8000kW，相当于燃烧 6109 吨标准煤。按照此计算，一年中能够到达地球表面的太阳能转化为标准煤约为 1.892106 亿吨。常规能源是有限的，太阳能的存储是无限的、无穷的。这决定了其美好的未来。(2)清洁性和经济性。太阳能开发利用几乎无任何物质的排放，储量惊人，是人类比较理想的替代能源。(3)分布范围广泛。太阳

19、能在地球的分布是不均匀的，但相对于其他能源来说，太阳能可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区提供了更多可利用的能源。(4)太阳能的三种利用形式光热利用、光化学利用、光伏利用。其中光伏发电具有很多的优点，在这里列举其中的一些优点比如：体积小结构简单、并且容易安装，建设周期短，使用方便易于维护；安全高效无噪音，寿命长，应用范围广泛。1.2 国内外研究的现状 从 1980 年以来，太阳能发电产业迅速发展，作为高新产业之一的太阳能发电技术在未来发展前景广泛。 西方一些发达国家出台了一些相关政策扶持光伏并网发电。1990,德国率先提出“一千屋顶计划”，即在人们居住的房顶上安装太阳能并网发电系统，并将

20、之付诸实现。到了 1999 年又进一步发展到“十万屋顶计划”。目前德国的太阳能发电市场已经发展成一个非常成熟的专业市场。日本在上个世纪 70 年代开始进行太阳能发电的深入研究，实施之后，到了 90 年代已经有了 3000 套的用户以每套容量 3MW 的用量。使用到了太阳能发电系统。针对于这种现状，美国总统克林顿当时就提出了“百万太阳能屋顶计划”。这是迄今为止最大规模的计划。1998 年意大利也开始着手太阳能发电发展计划，容量达到了 50MWP。欧盟发布的“未来的可再生能源 ”欧盟的战略和行动称为白皮书，2010 在欧盟要安装一百万套太阳能发电系统，其中的太阳能屋顶发电系统 50000000 套

21、，需要光伏 1000MW，另外 500000 个单位为农村提供独立的太阳能电力系统。这就需要对光伏组件 30MW，目前年产量扩大到 100 倍（3GW）。据估计，太阳能发电的价格将比普通能源关税低。大多数人认为，下个世纪，太阳能发电将占 15-20%的世界总发电能力，光伏发电将成为一种基本的能量。3中国自 1958 开始做光伏器件的研究，在上世纪 70 年代初成功创造空间光伏发电。在上世纪 70 年代中期，中国制造的太阳能航标灯、太阳的灯塔、气象和通信开始与光伏发电,逐步扩大到地面并形成了中国光伏产业。在上个世纪80 年代，非晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池生产设备在美国出产，这也是中国光伏产

22、业开始。中国目前大约有 40 多个研究机构和大学光伏活动。涉及的研究领域广泛，包括太阳能，光伏材料，光伏系统等组成。对中国光伏产业的研究有着巨大的应用前景。在光伏器件，主要的高效率逆变器 10KW、15KW、 30kW 逆变器正弦波逆变器等。总的来说，中国光伏产业与外国相比差异巨大，还存在很多问题需要解决。包括：(1)小规模生产。 1998 年，单晶硅太阳能电池组件年产量不高，仅为百分之1.14，占世界光伏电池产量占。一个数量级以上的海外 5 50MW 的生产规模。(2)技术水平较低。光电转换效率低；低级别的组件封装，低寿命组件：组件的实际寿命远优于国外产品。到目前为止，没有多晶硅光伏电池生产

23、厂。非晶硅光伏电池厂只能生产单结电池的转换效率低，稳定性差。(3)平衡设备疲软的背后。光伏控制器，用于平衡逆变器等关键设备，但没有一定的规模和生产技术水平。只有一小部分的所有生产研究，技术性能不高，不可靠，那么不同的规格，价格高。(4)本土化对材料需求不高。还需要从国外进口。(5)高价格的成本。在国际市场上缺乏竞争力。1.3 太阳能光伏发电的前景 目前，国际光伏产业的快速发展，近几年的年增长率，高达 30%的太阳能电池模块。一些国家政策大力支持光伏产业发展。中国的光伏产业预计增长率。单晶硅，多晶硅和非晶硅太阳能电池在未来 20 年内，而每个市场将增长到光伏电池生产。多晶硅薄膜、染料光敏电池目前

24、的产量预测为时尚早。与现有的基础设施，单晶硅，多晶硅和非晶硅太阳能电池仍然是目前工业发展的主要产品。现在，有很多偏远地区和农村人口没有电，许多地区严重的电力短缺，因此，潜力巨大的光伏市场。中国的光伏系统的成本，每年都要在未来几年下降，中国的光伏用户将大幅增加。我国将开始开发和密集的屋顶光伏系统，但远不如预期的发展水平，在这方面国外，随着光伏产业的不断发展，中国的光伏产业将会迅速崛起。 1.4 本论文的主要工作 对于太阳能光伏发电来说，光伏发电有着巨大的应用前景，在本论文中，我们对太阳能光伏发电并网系统的一些问题进行了研究，主要内容包括：4(1)首先我们介绍了太阳能光伏发电的一些基本的组成以及太

25、阳能光伏发电的基本工作原理。(2)分析研究了太阳能光伏发电的电路拓扑结构，并且选取了合适的拓扑结构作为太阳能光伏发电的研究对象。(3)对太阳能光伏发电逆变并网如何进行控制进行了研究，并且采用了基于SPWM 的三角波比较电流型三雄并网的控制方法，并对系统进行建仿真和建模。2 太阳能光伏发电系统 2.1 太阳能光伏与发电系统 2.1.1 光伏并网发电系统 一般并网发电系统如图 2-1 所示，把太阳能发电系统和公用电网并联，当太阳能不能满足发电要求时，光伏系统从电网上获取电能，当光伏系统发电量过多时，就会把多余的电量送入公用电网。图 2-1 并网光伏发电系统按其发电方式光伏并网发电系统可分为：集中式

26、并网光伏系统，系统所发电力直接进入公用电网，显然太阳能分布广泛这一特点，使太阳能不能得到充分的利用。分布式光伏并网发电系统，即家用型光伏并网系统，可以组合成一个建筑屋顶光伏系统。在分布式光伏并网发电系统中，对发的电量可以供夜间使用。一个典型的户用型太阳能光伏并网系统如图 2-2 所示。5图 2-2 典型的户用型并网发电系统由上面我们可以知道，分布式光伏电源应用到千家万户中，太阳能广泛的特点，而且还可以大大提高电网调峰能力、电网抗灾还能和改善了电网质量等。目前，对于分布式太阳能光伏发电系统这一方面的研究进步巨大，对于太阳能电池这一方面的研究，是电池没发出一瓦电的造价降低许多，在另一方面，对于发电逆变系统的研究，例如提高发电系统的稳定性和效率、系统对电网的调峰作用以及电池的最大功率点的控制等等。2.1.2 光伏发电系统组成光伏发电系统是由太阳能电池方阵、蓄电池、控制器、逆变器等器件组成，其组成如图 2-3 所示。图 2-3 太阳能电池发电系统示意图充放电控制器这一电子器件是防止蓄电池过度充电和放电以及带有一定测量能力的设备。由于蓄电池得过充电过放电现象严重影响电池的寿命，因此，这一器件在光伏发电系统中是必不可少的。太阳能电池板太阳能电池板按照要求可以由串联并联组成，在太阳光的照射下将光能转变成电能，电池板是系统的一个核心器件。逆变器