光柴互补供电系统的研究
摘 要 化石能源的使用，极大的促进了人类生产力的发展。然而随着社会的发展，能源和环境问题日益成为困扰人类的两大难题。面对严峻的能源和环境的挑战，各国都开始着手新能源的开发与利用。一方面，太阳能由于其储量丰富，环境友好和使用方便的特点而备受青睐。另一方面，太阳能作为一种自然资源，受环境影响较大，无法单独作为一种稳定的能源使用。本文综合了光伏发电系统和柴油机发电系统的优点，旨在设计一种以“绿色、高效、方便、可靠”为主要特色的光伏和柴油发电机并网控制装置，在紧急情况下提供充足的电能保障。本课题运用MATLAB/SIMULINK进行光伏系统和柴油发电机系统的混合建模和仿真，对于工程上使用具有重大意义。本文通过查阅大量相关文献，提出了光柴互补供电系统的系统模型与控制策略。本发电系统包括光伏发电系统，柴油发电机系统，储能系统和控制系统，并通过相关的控制策略进行系统的协调控制。本文系统的控制变量为光照，主要研究光照变化条件下，不同系统的相互切换。实现了当光照强度降低时，由光伏发电系统向柴油发电机系统进行切换，并输出了负载在光照变化情况下两端电压的变化，很好地反应了不同系统的切换。摘 要 1
目 录
ABSTRACT 2
第1章 绪论 5
1.1 引言 5
1.1.1 新能源的发展现状和发展趋势 5
1.1.2 研究的背景和意义 5
1.2 光柴互补供电系统的概念 7
1.2.1 光柴互补供电系统的系统构成 7
1.2.2 光伏发电系统 7
1.2.3 柴油发电机系统 8
1.2.4 蓄电池 8
1.3 光柴互补供电系统的运行方式 8
光柴互补供电系统与外部电网可以采用并网运行或孤岛运行。 8
1.3.1 并网运行 8
1.3.2 孤岛运行 8
1.4 光柴互补供电系统的研究现状 9
1.4.1 系统建模的研究现状 9
1.4.2 控制系统的研究现状 9
1.5 本文主要研究内容 10
第2章 光柴互补供电系统的模型介绍 11
2.1 光伏发电系统 11
2.1.1 光伏电
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
池的介绍 11
2.1.2 光伏电池的数学模型 12
2.2 最大功率点跟踪算法的实现设计 14
2.2.1 最大功率点跟踪的概念 14
2.2.2 最大功率点跟踪的原理 15
2.2.3 常用的最大功率点跟踪算法 16
2.3 柴油发电机系统 19
2.3.1 柴油发电机的介绍 19
2.3.2 柴油发电机的数学模型 20
2.4 蓄电池 21
第3章 MATLAB程序设计及结果分析 22
3.1 MATLAB介绍 22
3.1.1 MATLAB的简介 22
3.1.2 MATLAB的优势特点 22
3.2 系统MATLAB仿真模型的建立与仿真 23
3.2.1 光伏电池建模及最大功率点跟踪 23
3.2.2 柴油发电机系统的建模与仿真 26
3.2.3 储能模块建模 27
3.2.4 控制策略及总体模型 27
第4章 论文总结及展望 31
4.1 论文总结 31
4.2 论文的不足之处及展望 32
4.2.1 论文不足之处 32
4.2.1 今后的研究方向 32
参考文献 34
致谢 36
第1章 绪论
1.1 引言
1.1.1 新能源的发展现状和发展趋势
能源为当今世界一种最为宝贵的财富，社会经济的进步离不开能源的不断开发利用。从农耕社会人们使用牛来犁田，到工业社会大规模使用煤和石油等化石能源，再到电能的大规模推广使用，每一项社会的进步都离不开新能源的开发与利用。一方面，在过去的几百年内，人类社会对能源的消耗量急剧上升。另一方面，由于人类过度的使用，使得化石资源等不可再生资源日渐减少，环境也遭受了严重的破坏。当今社会，对于新能源开发利用的需求也不断增加。新能源具有绿色，无污染，可再生等显著优点，为人类社会实现科学发展的必然选择[1]。各个国家都已经意识到了新能源开发的重要性，而我国也是新能源开发的佼佼者。
我国新能源行业的出现相较于先进国家来说较晚，但是，随着近年来我国在新能源行业的投资持续增加，我国的新能源行业也取得了迅猛的进步。目前，我国新能源中利用率较高，发展较快的是风能，太阳能和生物质能，尤其是我国光伏产业这一块的增速尤为明显。
中国作为“富煤贫油”的代表，石油基本靠进口。而煤的储量虽然是世界第一，但结合我国的人口来计算，人均可采煤的储量依旧不及世界平均水平的百分之五十。众所周知，煤给自然造成的破坏更甚于石油。过分的煤和石油的使用，已让我国的大自然无法负担。而另一方面，虽然能源不会在短时间内消耗殆尽，但如果一直这样无限制的开发下去，终有一天会开采完。于是，我国开发新能源便呈现出更为必要的需求。
所以，新能源肯定会成为今后社会的首要能源，我也相信国家对于新能源的开发会给与更加强有力的支持。旧能源的持续减少，新能源的持续发展，终有一天，新能源必会代替旧能源。
1.1.2 研究的背景和意义
当今社会，能源与自然难题日益受到人们的重视。在我们对大自然无限制的索取之后，大自然开始用它自己的方式对人类提出警示。温室效应，臭氧空洞，海平面上升，雾霾，沙尘暴等无时无刻不警示人类关注环境的保护。一方面，自然破坏最大的因素便是化石能源的使用。汽车尾气，工业污染等都与化石能源的使用密不可分。另一方面，大自然为人类提供的化石能源也不是无限制的。
根据国际资源会议的统计，地球上已发现能够挖掘的煤炭总量共计15980亿吨，能挖掘差不多200年左右。能够抽取的已发现的石油合计1211亿吨左右，还可抽取预计3040年。已发现能够采集的天然气的总量合计119亿立方米左右，能够供采集预计59年。可供开采的已发现的铀的储量共计235.6万吨（未包括中央计划国家），这是一笔宝贵的财富，如果开发合理，可供人类使用超过2000年。水利能源可供长期使用，整个地球可供利用的水利能源总容量可达22.6亿W，年供能可达9800万kwh[2]。
诚然，在我们这一代也许还不会出现危险的能源匮乏。然而，人类必须时刻记住，人类不仅是在前人那儿得到了地球的资源，也是从后辈手中得到了世界的资源。因此，新能源的使用便日益变得关键了。
除开已经广泛使用的化石能源等不可再生能源，太阳能，风能等可再生能源也开始出现在我们的生活中。我们现在已经可以见到太阳能与风能供电的路灯，也能见到屋顶上密密麻麻的太阳能热水器。相较于其他可再生能源，太阳能毫无疑问是新能源开发的重点。太阳能存在于世界的任何一个角落，可以说，只要太阳不灭，太阳能便永远不会枯竭。虽然太阳能具有种种优点，但我们必须清楚的看到，光伏发电仍然只占据了我们发电量极小的一部分。因为太阳能供能的花费高，在技术没有突破之前，还是无法大范围推广。此外，太阳能供能也容易遭到环境的变化而变差。一天中的不同时段，一年中的不同季节，甚至阴天与晴天，光伏系统的发电量都有着极大的区别。因为太阳能发电的这种不稳定性，光伏系统单独供电的场合并不多见，典型的设计有太阳能水泵等。
由于种种限制，我国的光伏发电主要集中于山区或海岛等大电网难以供电的偏远地区。此种区域大都人迹罕见，光能储量丰富。在大规模推广太阳能之前，这些地区大都采用柴油发电机供电。相对于太阳能发电，柴油发电机不仅会产生废气污染大气，发电时发出的噪音也使人难以忍受。但柴油发电机具有光伏发电不具有的稳定性。因此，光伏发电与柴油发电机发电具有很强的互补性。
目 录
ABSTRACT 2
第1章 绪论 5
1.1 引言 5
1.1.1 新能源的发展现状和发展趋势 5
1.1.2 研究的背景和意义 5
1.2 光柴互补供电系统的概念 7
1.2.1 光柴互补供电系统的系统构成 7
1.2.2 光伏发电系统 7
1.2.3 柴油发电机系统 8
1.2.4 蓄电池 8
1.3 光柴互补供电系统的运行方式 8
光柴互补供电系统与外部电网可以采用并网运行或孤岛运行。 8
1.3.1 并网运行 8
1.3.2 孤岛运行 8
1.4 光柴互补供电系统的研究现状 9
1.4.1 系统建模的研究现状 9
1.4.2 控制系统的研究现状 9
1.5 本文主要研究内容 10
第2章 光柴互补供电系统的模型介绍 11
2.1 光伏发电系统 11
2.1.1 光伏电
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
池的介绍 11
2.1.2 光伏电池的数学模型 12
2.2 最大功率点跟踪算法的实现设计 14
2.2.1 最大功率点跟踪的概念 14
2.2.2 最大功率点跟踪的原理 15
2.2.3 常用的最大功率点跟踪算法 16
2.3 柴油发电机系统 19
2.3.1 柴油发电机的介绍 19
2.3.2 柴油发电机的数学模型 20
2.4 蓄电池 21
第3章 MATLAB程序设计及结果分析 22
3.1 MATLAB介绍 22
3.1.1 MATLAB的简介 22
3.1.2 MATLAB的优势特点 22
3.2 系统MATLAB仿真模型的建立与仿真 23
3.2.1 光伏电池建模及最大功率点跟踪 23
3.2.2 柴油发电机系统的建模与仿真 26
3.2.3 储能模块建模 27
3.2.4 控制策略及总体模型 27
第4章 论文总结及展望 31
4.1 论文总结 31
4.2 论文的不足之处及展望 32
4.2.1 论文不足之处 32
4.2.1 今后的研究方向 32
参考文献 34
致谢 36
第1章 绪论
1.1 引言
1.1.1 新能源的发展现状和发展趋势
能源为当今世界一种最为宝贵的财富，社会经济的进步离不开能源的不断开发利用。从农耕社会人们使用牛来犁田，到工业社会大规模使用煤和石油等化石能源，再到电能的大规模推广使用，每一项社会的进步都离不开新能源的开发与利用。一方面，在过去的几百年内，人类社会对能源的消耗量急剧上升。另一方面，由于人类过度的使用，使得化石资源等不可再生资源日渐减少，环境也遭受了严重的破坏。当今社会，对于新能源开发利用的需求也不断增加。新能源具有绿色，无污染，可再生等显著优点，为人类社会实现科学发展的必然选择[1]。各个国家都已经意识到了新能源开发的重要性，而我国也是新能源开发的佼佼者。
我国新能源行业的出现相较于先进国家来说较晚，但是，随着近年来我国在新能源行业的投资持续增加，我国的新能源行业也取得了迅猛的进步。目前，我国新能源中利用率较高，发展较快的是风能，太阳能和生物质能，尤其是我国光伏产业这一块的增速尤为明显。
中国作为“富煤贫油”的代表，石油基本靠进口。而煤的储量虽然是世界第一，但结合我国的人口来计算，人均可采煤的储量依旧不及世界平均水平的百分之五十。众所周知，煤给自然造成的破坏更甚于石油。过分的煤和石油的使用，已让我国的大自然无法负担。而另一方面，虽然能源不会在短时间内消耗殆尽，但如果一直这样无限制的开发下去，终有一天会开采完。于是，我国开发新能源便呈现出更为必要的需求。
所以，新能源肯定会成为今后社会的首要能源，我也相信国家对于新能源的开发会给与更加强有力的支持。旧能源的持续减少，新能源的持续发展，终有一天，新能源必会代替旧能源。
1.1.2 研究的背景和意义
当今社会，能源与自然难题日益受到人们的重视。在我们对大自然无限制的索取之后，大自然开始用它自己的方式对人类提出警示。温室效应，臭氧空洞，海平面上升，雾霾，沙尘暴等无时无刻不警示人类关注环境的保护。一方面，自然破坏最大的因素便是化石能源的使用。汽车尾气，工业污染等都与化石能源的使用密不可分。另一方面，大自然为人类提供的化石能源也不是无限制的。
根据国际资源会议的统计，地球上已发现能够挖掘的煤炭总量共计15980亿吨，能挖掘差不多200年左右。能够抽取的已发现的石油合计1211亿吨左右，还可抽取预计3040年。已发现能够采集的天然气的总量合计119亿立方米左右，能够供采集预计59年。可供开采的已发现的铀的储量共计235.6万吨（未包括中央计划国家），这是一笔宝贵的财富，如果开发合理，可供人类使用超过2000年。水利能源可供长期使用，整个地球可供利用的水利能源总容量可达22.6亿W，年供能可达9800万kwh[2]。
诚然，在我们这一代也许还不会出现危险的能源匮乏。然而，人类必须时刻记住，人类不仅是在前人那儿得到了地球的资源，也是从后辈手中得到了世界的资源。因此，新能源的使用便日益变得关键了。
除开已经广泛使用的化石能源等不可再生能源，太阳能，风能等可再生能源也开始出现在我们的生活中。我们现在已经可以见到太阳能与风能供电的路灯，也能见到屋顶上密密麻麻的太阳能热水器。相较于其他可再生能源，太阳能毫无疑问是新能源开发的重点。太阳能存在于世界的任何一个角落，可以说，只要太阳不灭，太阳能便永远不会枯竭。虽然太阳能具有种种优点，但我们必须清楚的看到，光伏发电仍然只占据了我们发电量极小的一部分。因为太阳能供能的花费高，在技术没有突破之前，还是无法大范围推广。此外，太阳能供能也容易遭到环境的变化而变差。一天中的不同时段，一年中的不同季节，甚至阴天与晴天，光伏系统的发电量都有着极大的区别。因为太阳能发电的这种不稳定性，光伏系统单独供电的场合并不多见，典型的设计有太阳能水泵等。
由于种种限制，我国的光伏发电主要集中于山区或海岛等大电网难以供电的偏远地区。此种区域大都人迹罕见，光能储量丰富。在大规模推广太阳能之前，这些地区大都采用柴油发电机供电。相对于太阳能发电，柴油发电机不仅会产生废气污染大气，发电时发出的噪音也使人难以忍受。但柴油发电机具有光伏发电不具有的稳定性。因此，光伏发电与柴油发电机发电具有很强的互补性。
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