1、毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 小型独立光伏发电系统逆变器的设计 1前言部分 能源是人类社会生存和发展的物质基础，在过去的 200 多年中，建立在煤、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。然而，人们在物质和精神生活不断提高的同时，也意识到大规模使用这些化石燃料所带来的严重后果，资源日益枯竭，环境不断恶化，这些问题已经展现在人们的面前1。由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要，一次能源面临枯竭的危机是大力发展太阳能发 电的主要原因之一。据有关资料显示，按照目前能源的消耗速度，世界一次能源最多只能再用 2
2、00 年左右 2。而传统获得电能的主要方式需燃烧大量煤炭、石油等石化材料。随着现代社会发展对能源需求的不断增加，可供利用的煤炭、石油等一次能源日益枯竭，如不尽早寻求新的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。而新能源如太阳能、风能、潮汐能等可再生能源在全球范围的发展让人们在能源危机的焦虑中，得到不少慰藉 3-4。 当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨含硫化合物物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影 响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成酸雨，严重污染水土。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，仅燃煤产生的 SO2就占了全国排放总量的 25，有 48 个城市的 S02
3、 超过国家二级排放标准，有 82 个城市出现过酸雨，超过国土面积 40，其中仅 1998 年酸雨沉降造成的经济损失就约 GNP(国民生产总值 )的 2。由于污染造成经济损失， 2004年全国环境污染造成经济损失占当年 GDP 的 3.05，超过 5000 亿。室外空气和水污染对于中国经济造成的健康和非健康损失的总和每年 1000亿美元 (约相当于中国 GDP 的 5.8 )，因此 需要大力提高可再生能源在能源消费中的比重。而化石燃料产生另一大环境问题是 “ 温室效应”，由于化石燃料燃烧排放大量的温室气体 CO2 而产生温室效应，引起全球气候变化 5-7。全世界每天产生约一亿吨温室效应气体，己经
4、造成极为严重的大气污染。如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁，这一问题己提到全球的议事日程，其影响甚至已超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制各国二氧化碳等温室气体的排放量。普通燃料能源正在日渐减少，对环境的危害却日益突出。 这个时候，全世界都把目光投向了可再生资源，希望可再生资源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展 8-10。 2主题部分 2.1 光伏发电发展现状和前景 太阳能是一种不受任何人的控制与垄断，是无私、免费、公平地给予人类的可再生能源。在常规能源供给紧张和环保压力不断增大的背景下，世界上许多国家
5、掀起了开发和利用太阳能的热潮，使太阳能的应用领域得到广泛的拓展。 2.1.1 国外发展现状 1839 年，法国物理学家埃德蒙贝克勒尔意外发现了光伏效应：将两片金属浸人溶液构成的伏打电池，当受到阳光照射时会产生伏打电动 势。他把这种现象称为 “ 光生伏打效应 ” (Photovoltaic effect)，简称 “ 光伏效应 ” 。 1883 年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。以后，人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为 “ 光伏器件 ” 。由于半导体 P-N 结在太阳光照射下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为 “ 太阳能电池 ” (Solar cell) 11-13
6、。 2.1.2国内发展现状 从科学原理角度看，太阳能光伏发电技术将太阳能直接转换为电能，是最具有应用前景的太阳能利用方式之一，将逐步成为我国能源的绿色支柱，从补充能源 成长为替代能源。中国太阳能资源非常丰富，据估算，中国陆地表面每年接收的太阳辐射能约 50 10 璩千焦，约相当于 1700 亿吨标煤。从全国太阳能辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能辐射总量都很大。尤其是青藏高原地区最大，这里平均海拔高度在 4000 米以上，大气层薄而清洁，透明度
7、好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为 “ 日光城 ” 的拉萨市， 1961-1970 年间的年平均日照 时数为 3005.7 小时，相对日照率为 68，年平均晴天为 108.5 天，阴天为 98.8 天，太阳总辐射为 8160 兆焦 (米 2 年 )，比全国其他省、区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量为最小，其中尤以四川盆地为最小，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有 “ 雾都 “” 之称的成都市， 1961-1970年，年平均日照时数仅为 1152.2 小时，相对日照率为 26，年平均晴天为 24.7天，阴天达 244.6 天。其它地区的太阳年辐射总量居中。所以太阳能资
8、源在中国进行开发利用的潜力非常广阔 14-15。 2.2 独立运行光伏发电系统 根据系统与电网的关系，太阳能光伏发电系统可以分为独立系统和并网系统两种。 独立光伏发电系统利用光伏电池和蓄电池构成独立的供电系统来向负载提供电能。当太阳能电池输出电能不能满足负载要求是，由蓄电池进行补充，而当其输出的功率超过负载需求是将电能储存与蓄电池中，而不会将电能回馈上电网以供其他客户端负载使用。独立光伏发电系统的组成与负载有关：如果只是直流负载，则仅需要对输出电压进行升 /降压处理即可与负载连接；如果还需带交流负载，就需要加入逆变单元 16-17。 独立运行光伏发电系统总结构如 图 1 所示，一般由光伏阵列、
9、控制器、蓄电池和逆变器等组成。独立运行系统中，电能的唯一来源是太阳能电池阵列。为保证稳定性和运行效率，系统必须配备蓄电池来储存和调节电能，当在夜晚或日光不强等外在条件影响下，太阳能电池不能为负载提供足够的能量时，蓄电池向负载提供能量以保证电能稳定。当日光充足时，系统输出多于负载所需要的能量时，蓄电池将贮存多余的电能。 图 1 独立运行发电系统结构框图 并网光伏发电系统是将光伏发电系统和电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充；而当其输出的功率超过负载要求时 ，将电能送到电网中。因为要将功率回馈给电网，就要求系统满足电网对电能的各项性能指标要求，还要具备各种保护功能以保
10、证不影响电网的稳定运行，因此其控制器的功能更加复杂，对并网逆变器的要求也更高，图 2 为带蓄电池的并网系统结构框图。 图 2 带蓄电池的并网系统结构框图 2.3 DC AC逆变器 DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。 DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源 (UPS)、变频电源、有源滤波器 、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。 DC/AC 逆变器的控制部分是逆变器设计的重点部分，包括逆变器输出电压、电流采样和滤波，正弦波发生，输出波形控制，电网电压锁相以及各种保护等等。本
11、章主要叙述前面几部分，逆变器的保护将在随后重点叙述。 图 3 逆变器原理框图 3总结部分 随着太阳能利用技术的不断发展，光伏发电越来越成为人们关注的焦点。本文对最大输出功率为 25W 的独立运行光伏发电系统进行了研究，文中详细论述整个独立系统电路设计，包括电池板、升压电路拓扑结构的参数设计选择，控制电路，采样电路及其蓄电池的 参数等的选择设计。本文 MPPT 控制算法采用结构简单的扰动法，但为避免传统扰动法的缺点，提出电压自适应控制算法实现最大功率跟踪，以实现系统稳定准确的运行。 光伏系统的逆变电路是将 Boost电路升压得到的高压直流电经 SPWM全桥逆变，变成 220V 的 SPWM 电压
12、，再经输出滤波电路滤波为 220V、 50Hz 纯正弦交流电压输出。输出纯正弦波一般有 3 种控制方法：模拟控制；由单片机实现数字控制；由 DSP 实现数字控制。逆变电路还需具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能，且具有快速的动态响应。 太阳能逆变器将 会得到进一步的发展和运用，将带动电力稳定器的发展，电力稳定器是介于市电、用户负载、与再生能源之间的电力调节系统。以逆变器为核心的电力稳定器将成为未来智能型住宅电力供应系统的核心。 太阳发出的能量大约只有二十二亿分之一能达到地球范围，约为 173 104亿千瓦。经过大气的吸收和反射，能够到达地球表面的约占 51，大约 88 10
13、4亿千瓦。而能够达到陆地表面的只有达到地球范围辐射能量的 10左右，约为17 104 亿千瓦。尽管如此，如果把这些能量利用起来，也相当于目前全球消耗能量的 3.5 万倍。太阳能作为巨大的能源资源 ，其利用的潜能巨大。 光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。无论是独立运行还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板 (组件 )、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。太阳能作为一种可持续发展的新能源，与风能、水能、核能等比较，是最理想的可再生能源。太阳能是一种不受任何人的控制
14、与垄断，是无私、免费、公平地给予人类的可再生能源。在常规能源供给紧张和环保压力不断增大的背景下，世界上许多国家掀起了开发和利用太阳能的热潮，使太阳能的应用领域得到广泛的拓展。 4参考文献 1裴郁 .我国可再生能源发展战略研究 D.辽宁 :辽宁师范大学 ,2004， 5 2崔容强 ,喜文华 ,魏一康等 .太阳能光伏发电 J.太阳能 ,2004(4):72-76. 3秦伟 ,李国强 .光伏太阳能 21世纪的能源之星 J.新经济产业 ,2003:44-46 4 Haas.Reinhard et al. Socio-economic aspects of the Austrian 200KWp Pho
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