光伏发电系统的并网控制研究
光伏发电系统的并网控制研究[20191215170653]
摘要
随着全球经济的快速发展，石油天然气等化石燃料的供应越来越紧张，开发使用新能源已经成为当务之急。太阳能作为一种清洁无污染的可再生能源，受到了众多国家的重视。它的开发利用对缓解能源危机以及环境污染等问题具有重大意义以及众多的积极效应。加快发展太阳能光伏产业是促进我国能源转型、调整产业结构的必然选择。工业经济发展的规律表明，传统产业由于受到比较技术、产品、市场等因素影响，产业发展大多处于稳健增长期。光伏产业是具有巨大发展潜力的"朝阳产业"，产业链长，带动力强，和许多新兴产业一样，具备了爆发性增长的内外部强劲动力。本次毕业设计将会对大功率太阳能光伏发电及其并网过程进行探讨。
本次毕业设计的主要工作是建立光伏发电系统的并网控制研究。光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。它的主要部件是太阳能电池、控制器和逆变器。其主要特点有：工作点变化较快，这是由于光伏发电系统受光照、温度等外界环境因素的影响很大；输入侧的一次能源功率不能主动在技术范围内进行调控，只能被动跟踪当时光照条件下的最大功率点，争取实现发电系统的最大输出；光伏发电系统的输出为直流电，要将直流电优质地逆变为工频交流才能带负荷。利用MATLAB/SIMULINK仿真系统搭建光伏发电系统的并网控制，从光伏阵列，最大功率跟踪，并网逆变器控制等几部分进行模拟仿真，并结合不同的情况分析各种控制策略的实用性(本文将着重对最大功率点跟踪MPPT部分的扰动观测法进行分析)。
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关键字:字光伏发电；并网调控；最大功率点跟踪
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1 引言 1
1.2光伏发电的研究和内容 2
1.3光伏发电的发展和现状 2
1.4 课题研究的依据 3
1.5 课题研究的主要内容 4
第2章太阳能光伏电池 5
2.1太阳能发电光伏阵列模块 5
2.1.1光伏电池的结构以及工作原理 5
2.1.2光伏电池的主要影响因素 5
2.2太阳能光伏电池模块 6
2.2.1太阳能电池的等效电路以及其参数功率间的关系 6
2.2.2光伏电池的伏安特性曲线及其输出特性 6
2.3本章小结 8
第3章最大功率点跟踪方法研究 9
3.1最大功率跟踪原理 9
3.1.1最大功率跟踪的概念 9
3.2扰动观测法 10
3.2.1扰动观测法原理 10
3.2.2扰动观测法的优缺点 11
3.2.3扰动观测法误差分析 11
3.3增量电导法 11
3.3.1增量电导法原理 11
3.3.2增量电导法的优缺点 12
3.4基于优化模型的控制算法 13
3.4.1短路电流检测法 13
3.4.2开路电压检测法 13
3.4.3电流扫描法 13
3.5基于输出端控制的MPPT控制方法 14
3.5.1负载电流/电压最大法 14
3.5.2直流侧电压下降控制法 14
3.6 MPPT控制算法的有机结合 15
3.6.1恒定电压法结合增量电导法 15
3.6.2恒定电压法结合扰动观测法 16
第4章系统设计与仿真 18
4.1光伏电池的仿真与结果分析 18
4.1.1光伏电池的仿真模型 18
4.1.2光伏电池的仿真结果分析 20
4.2MPPT实现的控制策略 21
4.2.1最大功率跟踪的仿真模型建立 21
4.2.2 MPPT仿真结果与分析 23
4.3三相光伏逆变器 26
4.3.1三相逆变的分类及优劣 26
4.3.2三相光伏逆变器仿真模型的建立 27
4.3.3三相光伏逆变器的仿真结果及分析 28
第5章结论与展望 30
5.1结论 30
5.2展望 31
参考文献 32
附录A 35
附录B 48
第1章 绪论
1.1 引言
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术在化石燃料逐渐枯竭的环境下，有很大的发展空间[1]。在我国化石能源储量巨大，但人均占有量却极少[2]。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳能电池组件，再配合上功率追踪器以及逆变器等部件就形成了光伏发电装置。太阳能光伏发电的最基本元件是光伏阵列（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。其中，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。多晶硅电池效率在16%至17%左右，单晶硅电池的效率约18%至20%。光伏组件是由一个或多个太阳能电池片组成。
光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场可提供电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。到2009年，中国并网发电还未开始全面推广，不过，2008年北京奥运会部分用电是由太阳能发电和风力发电提供的。
光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。硅原子有4个电子，如果在纯硅中掺入有5个电子的原子如磷原子，就成为带负电的N型半导体；若在纯硅中掺入有3个电子的原子如硼原子，形成带正电的P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，空穴由N极区往P极区移动，电子由P极区向N极区移动，形成电流。
1.2光伏发电的研究和内容
光伏并网系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中PV方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用PV方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本[3]。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源。降低了整个系统的负载缺电率。而且并网PV系统可以对公用电网起到调峰作用。但是，并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。
1.3光伏发电的发展和现状
太阳能作为一种可永续利用、可再生的清洁能源，有着巨大的开发应用潜力。太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023kW其中到达地球的能量高8×1013kW相当于6×109t标准煤。太阳30分钟辐照地球的能量就够全世界1年的能源消耗。人类赖以生存的自然资源几乎全部转换自太阳能，人类利用太阳能的历史更是可以追溯到人类起源时代。太阳能是人类得以生存和发展所需的最基础的能源形式，从现代科技的发展来看，太阳能开发利用技术的进步有可能决定着人类未来的生活方式。
随着传统能源的日益枯竭和石油价格的不断上升，以及人们对自身生存环境要求的不断提升，积极寻找新的替代能源已刻不容缓，作为无污染的清洁能源，太阳电池必将会得到迅速的发展。虽然太阳能光伏发电成本较高，但是从长远看，随着技术的步以及其他能源利用形式的逐渐饱和，太阳能可以在2015年之后成为主流能源利用形式，有着不可估量的发展潜力。国际经验表明，政策扶持是光伏产业发展的最主要驱动力，政府的政策导向将决定光伏产业的发展水准和市场需求，太阳能产业的发展对我们国家能源的开发和利用具有极其深远的意义[4]。
我国的光伏发电市场目前主要用于边远地区农村电气化、通信和工业应用以及太阳能光伏商品，包括太阳能路灯、草坪灯、太阳能交通信号灯以及太阳能景观照明等。由于成本很高，并网光伏发电目前还处于示范阶段[2]。光伏产业包括多晶体硅原材料制造、硅锭/硅片生产、太阳电池制造、组件封装和光伏系统应用等，还有一些与整个产业链相关联的产业，如各环节的专用材料制造、专用设备制造，专用检测设备制造以及光伏系统平衡部件制造等。
1.4 课题研究的依据
逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到２２０Ｖ，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必须设计升压电路。中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差[5]。全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。
1.5 课题研究的主要内容
建立光伏发电系统的并网控制研究。光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。与现有的主要发电方式相比较，光伏发电系统的特点有：工作点变化较快，这是由于光伏发电系统受光照、温度等外界环境因素的影响很大；输入侧的一次能源功率不能主动在技术范围内进行调控，只能被动跟踪当时光照条件下的最大功率点，争取实现发电系统的最大输出；光伏发电系统的输出为直流电，需要将直流电优质地逆变为工频交流才能带负荷。利用MATLAB仿真系统搭建光伏发电系统的并网控制，从光伏阵列，最大功率跟踪，并网逆变器控制等几部分进行模拟仿真，并结合不同的情况分析各种控制策略的实用性。
第2章 太阳能光伏电池
2.1太阳能发电光伏阵列模块
光伏电池是一种直接将太阳辐能转换成电能的器件，它利用的是半导体光伏效应。若干个光伏电池封装在一起形成电池组件，若干个组件组合在一起形成光伏阵列，组件的多少取决于需求功率的大小。光伏发电系统便是由光伏阵列及储能、控制、测量等装置配套组成。
2.1.1光伏电池的结构以及工作原理
光伏电池以晶体硅为例，利用硅材料做成大面积的P-N结来工作。常采用的结构为N+/P同质结，用扩散法在P型硅片上制作出一层经过重掺杂的很薄的N型层，然后将金属栅线制作在N型层上并作为正面接触到电极，将金属膜制作在整个背面作为背接触电极。通常还在表面覆盖一层很薄的减反射膜以降低光反射损耗。太阳光照射在半导体材料表面，使得材料内部电荷分布状态改变从而产生电流和电动势，从而直接实现由太阳能到电能转换的能量转换。当太阳光照射在光伏材料上，价带电子、空穴或自由电子、杂质能级上存在的电子等实际光电器件可利用的粒子吸收光子的能量并跃迁至较高能态。
2.1.2光伏电池的主要影响因素
在生产光伏电池的时候，不同的材料以及工艺都会对电池的功效产生影响。同时，不同的工作环境（例如：光照强度，温度等不同）也会对光伏电池的功效产生影响。由于本次设计重点不在光伏电池的影响部分，本次设计对部分外部条件（如温度、光照面积等）加了特定的限制。
摘要
随着全球经济的快速发展，石油天然气等化石燃料的供应越来越紧张，开发使用新能源已经成为当务之急。太阳能作为一种清洁无污染的可再生能源，受到了众多国家的重视。它的开发利用对缓解能源危机以及环境污染等问题具有重大意义以及众多的积极效应。加快发展太阳能光伏产业是促进我国能源转型、调整产业结构的必然选择。工业经济发展的规律表明，传统产业由于受到比较技术、产品、市场等因素影响，产业发展大多处于稳健增长期。光伏产业是具有巨大发展潜力的"朝阳产业"，产业链长，带动力强，和许多新兴产业一样，具备了爆发性增长的内外部强劲动力。本次毕业设计将会对大功率太阳能光伏发电及其并网过程进行探讨。
本次毕业设计的主要工作是建立光伏发电系统的并网控制研究。光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。它的主要部件是太阳能电池、控制器和逆变器。其主要特点有：工作点变化较快，这是由于光伏发电系统受光照、温度等外界环境因素的影响很大；输入侧的一次能源功率不能主动在技术范围内进行调控，只能被动跟踪当时光照条件下的最大功率点，争取实现发电系统的最大输出；光伏发电系统的输出为直流电，要将直流电优质地逆变为工频交流才能带负荷。利用MATLAB/SIMULINK仿真系统搭建光伏发电系统的并网控制，从光伏阵列，最大功率跟踪，并网逆变器控制等几部分进行模拟仿真，并结合不同的情况分析各种控制策略的实用性(本文将着重对最大功率点跟踪MPPT部分的扰动观测法进行分析)。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字光伏发电；并网调控；最大功率点跟踪
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1 引言 1
1.2光伏发电的研究和内容 2
1.3光伏发电的发展和现状 2
1.4 课题研究的依据 3
1.5 课题研究的主要内容 4
第2章太阳能光伏电池 5
2.1太阳能发电光伏阵列模块 5
2.1.1光伏电池的结构以及工作原理 5
2.1.2光伏电池的主要影响因素 5
2.2太阳能光伏电池模块 6
2.2.1太阳能电池的等效电路以及其参数功率间的关系 6
2.2.2光伏电池的伏安特性曲线及其输出特性 6
2.3本章小结 8
第3章最大功率点跟踪方法研究 9
3.1最大功率跟踪原理 9
3.1.1最大功率跟踪的概念 9
3.2扰动观测法 10
3.2.1扰动观测法原理 10
3.2.2扰动观测法的优缺点 11
3.2.3扰动观测法误差分析 11
3.3增量电导法 11
3.3.1增量电导法原理 11
3.3.2增量电导法的优缺点 12
3.4基于优化模型的控制算法 13
3.4.1短路电流检测法 13
3.4.2开路电压检测法 13
3.4.3电流扫描法 13
3.5基于输出端控制的MPPT控制方法 14
3.5.1负载电流/电压最大法 14
3.5.2直流侧电压下降控制法 14
3.6 MPPT控制算法的有机结合 15
3.6.1恒定电压法结合增量电导法 15
3.6.2恒定电压法结合扰动观测法 16
第4章系统设计与仿真 18
4.1光伏电池的仿真与结果分析 18
4.1.1光伏电池的仿真模型 18
4.1.2光伏电池的仿真结果分析 20
4.2MPPT实现的控制策略 21
4.2.1最大功率跟踪的仿真模型建立 21
4.2.2 MPPT仿真结果与分析 23
4.3三相光伏逆变器 26
4.3.1三相逆变的分类及优劣 26
4.3.2三相光伏逆变器仿真模型的建立 27
4.3.3三相光伏逆变器的仿真结果及分析 28
第5章结论与展望 30
5.1结论 30
5.2展望 31
参考文献 32
附录A 35
附录B 48
第1章 绪论
1.1 引言
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术在化石燃料逐渐枯竭的环境下，有很大的发展空间[1]。在我国化石能源储量巨大，但人均占有量却极少[2]。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳能电池组件，再配合上功率追踪器以及逆变器等部件就形成了光伏发电装置。太阳能光伏发电的最基本元件是光伏阵列（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。其中，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。多晶硅电池效率在16%至17%左右，单晶硅电池的效率约18%至20%。光伏组件是由一个或多个太阳能电池片组成。
光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场可提供电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。到2009年，中国并网发电还未开始全面推广，不过，2008年北京奥运会部分用电是由太阳能发电和风力发电提供的。
光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。硅原子有4个电子，如果在纯硅中掺入有5个电子的原子如磷原子，就成为带负电的N型半导体；若在纯硅中掺入有3个电子的原子如硼原子，形成带正电的P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，空穴由N极区往P极区移动，电子由P极区向N极区移动，形成电流。
1.2光伏发电的研究和内容
光伏并网系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中PV方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用PV方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本[3]。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源。降低了整个系统的负载缺电率。而且并网PV系统可以对公用电网起到调峰作用。但是，并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。
1.3光伏发电的发展和现状
太阳能作为一种可永续利用、可再生的清洁能源，有着巨大的开发应用潜力。太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023kW其中到达地球的能量高8×1013kW相当于6×109t标准煤。太阳30分钟辐照地球的能量就够全世界1年的能源消耗。人类赖以生存的自然资源几乎全部转换自太阳能，人类利用太阳能的历史更是可以追溯到人类起源时代。太阳能是人类得以生存和发展所需的最基础的能源形式，从现代科技的发展来看，太阳能开发利用技术的进步有可能决定着人类未来的生活方式。
随着传统能源的日益枯竭和石油价格的不断上升，以及人们对自身生存环境要求的不断提升，积极寻找新的替代能源已刻不容缓，作为无污染的清洁能源，太阳电池必将会得到迅速的发展。虽然太阳能光伏发电成本较高，但是从长远看，随着技术的步以及其他能源利用形式的逐渐饱和，太阳能可以在2015年之后成为主流能源利用形式，有着不可估量的发展潜力。国际经验表明，政策扶持是光伏产业发展的最主要驱动力，政府的政策导向将决定光伏产业的发展水准和市场需求，太阳能产业的发展对我们国家能源的开发和利用具有极其深远的意义[4]。
我国的光伏发电市场目前主要用于边远地区农村电气化、通信和工业应用以及太阳能光伏商品，包括太阳能路灯、草坪灯、太阳能交通信号灯以及太阳能景观照明等。由于成本很高，并网光伏发电目前还处于示范阶段[2]。光伏产业包括多晶体硅原材料制造、硅锭/硅片生产、太阳电池制造、组件封装和光伏系统应用等，还有一些与整个产业链相关联的产业，如各环节的专用材料制造、专用设备制造，专用检测设备制造以及光伏系统平衡部件制造等。
1.4 课题研究的依据
逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到２２０Ｖ，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必须设计升压电路。中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差[5]。全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。
1.5 课题研究的主要内容
建立光伏发电系统的并网控制研究。光伏发电系统
第2章 太阳能光伏电池
2.1太阳能发电光伏阵列模块
光伏电池是一种直接将太阳辐能转换成电能的器件，它利用的是半导体光伏效应。若干个光伏电池封装在一起形成电池组件，若干个组件组合在一起形成光伏阵列，组件的多少取决于需求功率的大小。光伏发电系统便是由光伏阵列及储能、控制、测量等装置配套组成。
2.1.1光伏电池的结构以及工作原理
光伏电池以晶体硅为例，利用硅材料做成大面积的P-N结来工作。常采用的结构为N+/P同质结，用扩散法在P型硅片上制作出一层经过重掺杂的很薄的N型层，然后将金属栅线制作在N型层上并作为正面接触到电极，将金属膜制作在整个背面作为背接触电极。通常还在表面覆盖一层很薄的减反射膜以降低光反射损耗。太阳光照射在半导体材料表面，使得材料内部电荷分布状态改变从而产生电流和电动势，从而直接实现由太阳能到电能转换的能量转换。当太阳光照射在光伏材料上，价带电子、空穴或自由电子、杂质能级上存在的电子等实际光电器件可利用的粒子吸收光子的能量并跃迁至较高能态。
2.1.2光伏电池的主要影响因素
在生产光伏电池的时候，不同的材料以及工艺都会对电池的功效产生影响。同时，不同的工作环境（例如：光照强度，温度等不同）也会对光伏电池的功效产生影响。由于本次设计重点不在光伏电池的影响部分，本次设计对部分外部条件（如温度、光照面积等）加了特定的限制。
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