太阳能光伏并网发电系统的研究概要.docx
- 文档编号:12877555
- 上传时间:2023-04-22
- 格式:DOCX
- 页数:152
- 大小:1.32MB
太阳能光伏并网发电系统的研究概要.docx
《太阳能光伏并网发电系统的研究概要.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《太阳能光伏并网发电系统的研究概要.docx(152页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
太阳能光伏并网发电系统的研究概要
合肥工业大学
博士学位论文
太阳能光伏并网发电系统的研究
姓名:
赵为
申请学位级别:
博士专业:
电力电子与电力传动
指导教师:
余世杰
2003.2.1
台肥工业大学博士学位论文
太阳能光伏并网发电系统的研究
摘要
在不久的将来,太阳能光伏利用的主要形式将是并网发电系统。
高性能的数字信号处理器芯片(DSP)的出现,使得一些先进的控制策略应用于光伏并网的控制成为可能。
本文的主要研究内容有:
I.使用MATLAB中的POWERSYSTEMBLOCKSETS工具软件建立了单相光伏并网发
电系统的动态模型,并进行了在开环和闭环两种情况下的仿真,给具体的硬件设计提供了极为有效的帮助;建立了光伏并网发电系统逆变输出环节的小信号模型,并使用MA.TLAB中的Simulink工具进行了开环和闭环状态下的仿真。
2.MPPT(最大功率点跟踪)是光伏系统中经常遇见的问题。
本文详细地分析了
常用的几种MPPT方案,并提出了几种新的MPPT方案。
3.为了使并网电流和电网电压同频、同相,需要使用锁相环技术。
本文详细分
析了软件锁相环的原理,并结合实际系统给出了设计方案和软件流程图。
4.使用光伏并网发电系统对电网进行无功补偿和功率因数校正是未来光伏应
用的一个方向,本文仔细分析研究了使用光伏并网发电系统作为有源滤波器的优点和运行特点。
5.孤岛效应是光伏并网系统应用中必须防止发生的故障现象,本文分析了使用
主动扰动方式进行防止孤岛效应的方案,并给出了仿真模型和结果。
6.具体并详细分析了基于DSP芯片(TMS320F240)的单相光伏并网发电系统的
控制设计思想,提供了软件结构和实验结果。
7.光伏并网发电系统的大规模使用必须和远程数据监控联系在一起,本文发展
了可供实用的光伏并网发电系统的测控系统的软件。
8.详细分析了光伏系统大规模推广的主要非技术障碍并提出对策:
分析了光伏
系统在安装使用中的安全规范问题,同时结合数据分析了光伏并网发电系统的经济运行、社会效益和环境效益。
关键词:
光伏并网、DSP、TMS320F240、锁相环、太阳能、逆变器、MPPT、有源滤波器、孤岛效应、数据采集
II合肥工业大学博士学位论文
ReaseachonGrid-ConnectedPhotovoltaicSystem
Abstract
Inthefuture.oneofthemainutilizationofsolarenergywillbethephotovoltaicgrid—connectedsystem.Withtheappearanceofhigh—performanceDigitalSignal
canProcessor(DSP)chip,it
I.ispossiblethatsomemostadvancedcontrolstrategiesbeusedtothePVgrid-connectedsystem.Themainresearchcontentsofthisthesisinclude:
Adynamicmodelofthesinglephasegrid—connectedPVsystemisdevelopedusing
POWERSYSTEMBLOCKSETStooloftheMATLAB.Someresultantsoftwosimulationsforopenloopandcloseloopconditionsaregiveninthisdissertation.AIIthoseworksprovidedconsiderablesignificanceandconcretehelpsfordesigningthecircuithardwareofthesystem.AmathematicalmodelforsinailsignalanalysisoftheinverterusedlnPVgridconnectedsystemsisestablished.andtwosimulationsbasedonthismodelforopenloopandcloseloopconditionsarealsogiveninthisthesisbyhelpofSimulinktooIoftheMATLABsoftware.
¨.MPPT(MaxImumPowerPointTracking)isoneofthemostimportantandwell.known
areproblemforallPVsystems.SomeusuallyusedMPPTdesigninganalyzedand
comparedinthethesis.Besides,theauthorprovidessomenewconceptsofMPPTwithhisownopinion.
III.Forkeepingthefrequencyandphasesynchronoustothegrid.aPLL(PhaseLocked
aLoop)is
IV.necessary.AnewconceptofSPLL(softPLL)principleincludingbeoneauthor’spointofviewisparticularlyanalyzed.Inthefuture.PVgrid-tiedsystemscouldofthemostimportantmeansfor
improvingthepowerfactorofmaingrk:
1.Theauthor
advantagesandhasanalyzed;tsperformar}ceasanandAPFbeenstudiedit'stopologicalconstructionforusing(Active
V.PowerFilter).Islandingeffectmustbepreventedintheapplicationofthegrid—connectedPV
system.Anacmvedisturbingmethoddevelopedbyauthorforanti・islandingisalsogivenwithsomesimulationresultants.
V1.AcontrolunitbasedonDSPfrMS320F240)microchip
areforsinglephasegrid-connectedlaboratoryandinPVsystemhasbeendevelopedbyauthor,TheexperimentsinBeijingGulouStationconsiderableencouraging.
VII.Forlargescaleutilizationofgrid—connectedPVsystemtheremotedataacquisition
willbeveryimportant.Amodernconceptofremoteinspectingandcorrespondingsoftwareforgrid—connectedPVsystemisprovidedinthisthesis.
VIII.Somenon-technicalobstaclesoflarge-scaleapplicationofPVgdd-tiedsystemare
analyzed.Correspondingsuggestionofstrategyfordevelopmentwithauthor’spointOfviewarementioned.Thesecurityofinstallationandoperation。
aneconomic,sociaIandenvironmentanalysiswithsomeexamplesarealsogiveninthisthesis.Keywords:
Grid.connectedPVsystem。
DSP,TMS320F240,PLL,Solar
Energy,Inverter。
MPPT,APF,Anti-islanding。
DataCollection
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得——或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名:
童乙吻签字日期:
弘.多年岁月2一日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解金胆王些塞堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
本人授权盒月墨王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本授权书)}
学位论文作者签名:
赴为
签字日期:
’码年r月2-日翩躲杪签字日期:
“船厂月L目学位论文作者毕业后去向:
合肥工业大学能源研究所
工作单位:
合肥工业大学能源研究所
通讯地址:
合肥工业大学能源研究所
E.。
mail..hut_zhaowei@263.net
单位主页:
http:
Uwww.hutenergy.com电话:
0551・2901428邮编:
230009
台腮羔业大学簿士学控论文lll
致谢
葳矮士磷窕生毕救鹭蔽至今,三年辩毙匆舞瑟过。
获碛_士研究生阶蔽算越,我已经在含肥工业大学能源研究所学习工作了六年,我很想借博士论文完稿的机会,袭迭我密衷麴谢意。
+
本论文是在导师余世杰教授的精心指导下完成的。
三年来,从论文的选题、谦蔻开展赢至论文完成的全过程巾都箨随着嚣筛的悉心指导。
飙谴的身童,我深深地感受到作为一名真正的科技工作者j舞应具备的崇高道德晶质、严谨求实的学术律帮I、勤勉静工作态度和无私酌献身精神。
这将是我一生的追求茸标。
感谢沈玉梁教授农本论文的完成过程中绘予的理论和实践指导。
在课题进摆中,他藐实的数理萋碥、灵活的憨维和积极躺创新精神使我获益鼠多。
感谢俺慧若教授、苏建徽所长和能源研究所的其他滋师褒论文宠或避程孛绘予的无私帮助和指导。
本课题主要来澡予国家科技瓤“丸聂”、“+纛”科技攻美矮是。
在谖题磷究过程中,得到北京计科新能源技术公司王斯成老师、董路影老师、玉德邻老师和冯建涛工稷魉以及该公霉遴多员工的攒导寒大力支持,在她表示衷心数感落。
本课题的进行过稔中,还得到了许多同学的帮助和支持。
他们是能源研究所戆歇麓名三、泛避进、寒潦程、正飞、汪海宁等耧溥±班彝冬蒋建文、帮海波等。
在这胆,我想要感谢所有给予我帮助的同学们。
每天的朝夕相处,我们之间的发谊帮荧爱怒我久生路上最菇宝贵煞财富。
特别感谢汪进进阚学在论文完成过程中提供的帮助。
最磊感谢我的家人,德{}j给我在耩种上的鼓麓和生活上静照颥,使我得戬顺利完成本论文。
赵为2003年2胃于念肥王业大学
图1.1图1.2图1—3图1-4图2-1图2.2图2.3图2-4图2—5图2—6图2—7图2.8图2.9图2.10图2—11图2。
12图2.13图2.14图2.15图3—1图3.2图3.3图3-4图3.5图3.6图3.7图3—8图3.9图3.10图3.11图3.12圈3.13图3.14图3.15图3.16图3.17图3—18图3.19图3.20图弛1合肥工业大学博士学位论文插图清单大气中C02含量的增长速度2000年光伏并网发电占世界光伏产业总产值的比例典型的屋顶光伏并网发电系统住宅布置光伏屋顶住宅中的电路布置不同功能的光伏并网发电系统相应的配置框图采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图定时控制的电流瞬时值比较方式原理图跟踪实时电流的三角波比较方式的原理图电压源电流控制模式下的单相并网系统逆变输出级等效电路示意图逆变输出级PI反馈控制结构图未加控制的逆变环节的动态性能逆变输出环节进行PI校正后的开环波特图闭环系统的阶跃响应曲线未进行前馈补偿时扰动Unet输入的阶跃响应带前馈补偿的并网逆变控制系统扰动传递函数的阶跃响应电流型单相光伏并网系统逆变输出级闭环状态下的仿真模型电流型单相光伏并网系统逆变输出级开环状态下的仿真结果电流型单相光伏并网系统逆变输出级闭环状态下的仿真结果单个太阳电池单元的模型和外观太阳能电池单元等效电路太阳电池阵列的f-V特性举例太阳电池阵列温度和日照强度之间的关系不同温度下的l二V关系曲线图不同温度下的P-V特性曲线不同日照量下的l-v和P.V特性曲线不同串联电阻对I.V和P-V特性的影响太阳电池阵列的输出功率特性降压型CVT式蓄电池充电控制器框图功率回授控制法工作原理框图扰动观察法程序流程图扰动观察法可能发生误判的示意图电导增量算法流程图间歇扫描法的硬件结构间歇扫描法的算法流程图最大功率点附近可能出现的各种状况滞环比较法中其他的排列方式滞环比较法控制流程图最优梯度法进行MPPT的搜索过程
不可调度式光伏并网系统模糊逻辑控制器构成图VI,4569"坦他伯似佰仃侣伯趁弱“幻孙拍打押孙勰约;∽;:
弘;弘;”∞
图3.22图3.23图3.24图3.25图3—26图4—1图4.2图4.3图4-4图4.5图4.6图4。
7图4—8图4.9图4.10图4.11图4—12图4.13图5.1图5.2图5.3图5-4图5.5图5.6图5.7图6—1图6.2图6.3图6—4图7.1图7-2图7—3图7_4图7-5图7.6图7-7图7.8图7—9图7.10图7.11图7-12图8-1图8.2图8.3合肥工业大学博士学位论文各个输入和输出模糊变量的隶属函数图采用Matlab6.1进行辅助设计时的模糊变量的定义界面模糊逻辑控制规则设计例图Matlab6.1在给定的输入条件下输出的反模糊化的数字结果举例Matlab6.1中输入和输出关系的立体图PLL基本结构图PLL数学模型软件锁相环SPLL的一般组成光伏并网发电系统软件锁相环原理框图并网软件锁相环程序流程最优时间PLL算法示意图有限脉冲响应PLL算法示意图屯网正弦波电压转换成TTL脉冲信号的硬件电路电网电压和转换成的兀L脉冲信号波形不同的T1PR值输出不同频率的信号示意图捕捉中断服务子程序流程图捕捉中断服务子程序流程图续系统输出的电流波形和电网电压波形图可能的有源电力滤波器的结构框图并联型有源电力滤波器控制系统控制流程图三相四线式并联型有源电力滤波器原理图补偿电流指令信号的计算流程图三相四线系统有源滤波器仿真控制模型补偿前的电网交流电压Vsa和交流电流Isa波形补偿后的电网交流电压Vsa和交流电流Isa波形孤岛效应发生时的系统供电状态使用Matlab进行反孤岛效应仿真的框图电网正常时,侦测频率于1次/sec下的侦测情形电网断电时,侦测频率于1次/sec下的侦测情形三级变换光伏并网发电系统框图F240芯片控制功能模块结构图逆变输出级拓扑结构图系统逆变输出级控制流程圈预测公式计算示意图无预测控制时的并网输出电流波形使用预测控制后的并网输出电流波形主程序流程图光伏并网系统输出级在并网运行模式下的输出波形安装于北京大兴县别墅楼的光伏并网发电系统安装于楼顶的太阳电池阵确J(5KWp)5KVA的并网逆变腔制光伏电源F240与PC之间的串口电平转换电路澳4控软件主运行界面和菜单SCI模块中断服务子程序钔镗∞甜“铉弱钳∞;弱∞铊酩∞刀他陀犸卧瓮:
∞盯;引鸵∞舛;懈
合肥工业大学博士学位论文VIII
图9.1光伏系统中的设备和系统接地示意图110
—竖一.
表4.1
表6.1
表8.1鱼!
坚些查兰苎圭堂垡丝壅表格清单捕获中断服务予程序中的同步判断和动作流程61
表8—2
表9—1
表9—2Std.2000—929/ULl741对孤岛效应最大检测时间的限制运行、故障数据库的字段定义并网系统运行数据标识字母和含义对照表美国、德国和日本的补贴和发电成本情况单晶和多晶硅太阳电池组件在不同温度下的电压修正系数IEEE789596106109
一燕二兰簦鎏一!
第~章绪・论
§1.1太阳能和光伏发电
'。
'.'太阳能是人类能源利用的必然选择
§%源是人类经济及文化活动的动力来源。
世弊文暖史上,人类不凝地扶是然赛索取,掇求适含生存和发展所需的备种能源,能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。
从原始社会开始,纯嚣能源逐步残兔久类掰角琵深酌蔓要来源,这种状溅一壹延续至萃车技发达鳃现代壮会。
随着人类对能源需球的目监增加,化石能源的储量正B趋桔竭。
全球资源专象们呼吁:
煤炭、石油簿可贵的化石赘源成该是留给子孙后代的“他工原料”,而不该程我们这代人手中仅仅把它们作为燃料藤消耗殆尽。
此外,大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。
目前由于大量使用矿镑能澈,全氆器每炎产生约{{己缱温室效应气体,器经造成投为严重豹大气污染,疆l_i绘出了避若千年来全球C02排放的迅速增长情况“1。
釜羞b越强醛荦爆¨
图1-1大气中C02含量的增长速度
翅莱不拥控稍,温室效疰浆融纯掰极懿踩由,这霹黪馒海平蘧上辩蔻寒,霆分之一豹A类生活空间将由此受到极大威胁。
当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化已经形成一对十分突出的矛詹。
它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战。
钵对以上馕猿,开发利用霹毳生g%源和备弛绿鲤能潞以实现可持续发展是人类必须采取的措施。
从能源供成的诸多因素考虑,太阳能无疑最符合可持续发展战略的蠼想的绿色能源。
垒球缝源专家稻认定,太鬻麓辫成为2i避筑最重簧熬能源之一“’。
1.1.2太阳能的主要利用形式和光伏发电的优点
太阳能和j用主蔡有光热利用、光伏利用和光化学利用等三种主要形式。
我国低温光热利
2合肥工业大学博士学位论文
用己经具有可观的规模,它成本低、使用方便、安全可靠。
已经为全国广大人民所接受。
光伏利用近期在世界范围内高速发展,我国光伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞,特别是2002年在“西部大开发”战略的推动下,呈现出了一片繁荣景象。
光伏利用或光伏发电具有以下明显的优点:
夺
夺
夺
夺
夺
夺无污染:
绝对零排放——无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”:
可再生:
资源无限,可直接输出高品位电能,具有理想的可持续发展属性:
资源的普遍性:
基本上不受地域限制,只是地区之间有丰富与欠丰富之别:
机动灵活:
发电系统可按需要以模块方式集成,可大可小、扩容方便;通用性、可存储性:
电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储;分布式电力系统:
将提高整个能源系统的安全性和可靠性,特别是从抗御自然灾害和战
备的角度看,它更具有明显的意义:
夺
夺资源、发电、用电同一地域:
可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用;光伏建筑集成(BIPV—Building
一。
IntegratedPhotovoltaics):
节省发电基地使用的土地面积和费用,是目前国际上研究及发展的前沿,也是相关领域科技界最热门的话题之
由于太阳电池的主要原料——硅的储量十分丰富,随着太阳电池研究的快速进程和转换效率的不断提高以及其与其相关之系统技术的进展,发电成本已经呈现快速下降趋势。
可以预料,太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。
1.1.3全球光伏发电产业迅猛发展
由于太阳能光伏发电的诸多优点,其研究开发、产业化制造技术及市场开拓已经成为当今世界各国,特别是发达国家激烈竞争的主要热点。
80年代以来,即使在世界经济总体情况处于衰退和低谷的时期,光伏产业一直保持以10%~15%的递增速度发展。
90年代后期,由于若干发达国家相继出台了明显有效的鼓励政策,太阳电池在世界市场范围内开始出现供不应求的局面,更加速激励了光伏产业的迅猛发展。
2000年全球光伏组件的产量达到287.7MW,比上一年增长了43%(其中日本增长61%,达到128.6MW,德国增长50%,美国增长23.3%),是全球增长率最高的产业(超过了IT产业和通信产业)“。
。
以下列举的一些数据…可以说明光伏产业蓬勃发展的近况:
夺通过改进工艺、扩大规模,太阳电池组件的生产成本己开始大幅度降低。
组件成本30年
来己降低2个数量级,2000年世界重要太阳电池组件厂商的成本均大约为25美元/Wp,组件售价3.5美元IWp左右。
2001~2005年期间单个生产厂商的规模生产能力预计可达50一IOOMW/年。
々当前地面应用最多的太阳电池有单晶硅、多晶硅和非晶硅三大类。
目前单晶硅电池的实
验室摄高效率为24.7%(澳大利亚新南威尔士大学),多晶硅电池的实验室最高效率为198%(澳大利亚新南威尔士大学),非晶硅电池的实验室最高效率(三结)为15.2%(Uni—solar)。
夺1995年澳大利亚新南威尔士大学与太平洋能源公司合作,投资500万美元,计划用7
第~掌续沦3
笨冀重阕汗茇出薄膜彀漶匏产韭纯生产技术,计谶建立年产∞M谢静生产线。
嚣报道,该项目“可行性分析报傺”中指出.“薄腆太阳电池的成本可下降到1澳:
迸/Wp以下”.这样,太辩能光伏发电的成本将可与常规能源发电的低谷电价相比拟.同样。
美阈、B本、欧洲等其它发达墨家也正撰热紧滋舒摆芙懿磷究与发曩。
8’
§{.2光茯并霸发奄系统的广阕前景
1.2.1并网发电魑太阳能光佚剃用的发展趋势
光伏发电有离嗣和并网两种工作方式.过去,由于太阳电池的生产成本居高不下,光伏发电多数被耀予偏逡的秃电缝嚣,而且l;盂户弼及糟痰用的中小系统屠多,都耩于离翻型用户。
但是近年来-光伏产业及其市场发生了极大的变化,开始出边远农犍蛾区逐步囱城毒势嬲发电、党伏建筑集成的方向快速迈进,太阳能已经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是’F一靛“替代能源”。
1998年7月6日~10El在舆地利维也纳召开的“第二届国际太阳能光伏会议”上,有关毙茯发窀豹论文熊313篇,箕串专门论述“光饫并网发电系统”的论文竟达161篇,占论文总数的51。
44%。
由此也可窥觅一瑗,光伏共网发电系统的磺究已经残魏世界之熬点秘舞簧,袭明太阳能并网发电技术已经进入了一个新的历史阶段,玄同时也是光伏发电领域研究翡蔻沿‘”。
光伏发电的这种迅猛发展是必然的。
只有进入电力系统的规模应用。
才§E真正对于缓鳃能源紧张和抑制环辘污染起到积极的作用.阍对,光伏产业的规模发展还将为社会捷供可观的杜会就业枫会。
,。
2。
2嚣箨毙铰势耀发壤静凌麓窝琉状
光伏并嗣发电开始予80年代初,美国、积本、德国、意大利都为此作出了努力。
按照当砖认谈,建造的郝是较大型斡光扶蒡瓣瞧蛄,耀模扶{OO}鼢f戮'瓣W不等,震晨都戆致痔授瓷的试验性电站。
试验结果在发展相应的技术方面是成功的。
但在经济性方面却并不十分令人鼓舞,主要燕由于太阳电池成本过离,虽然篡有蠲箍的减捧等环境效益,僵箕发电成奉却很难让电力公司接受。
90年代以来,圈外发达圈骞重新掀起了发展光伏并嗣系统的磷发商潮,这次的重点箨未救在建遘大型共燃先扶鸯站方囊,嚣是弱蘩发展“屋臻必扶势瓣系统”。
大嚣】试为,霪璜毙伏并嘲系统不单独占地.将太阳电池安装在现成的腿顶上。
非常适应太阳能能量密度较低的特点,黼盈箕灵活佼和经济往都大大饿予大燮并网光茯电螭.有利于普及,有利于战备和能源安全,所以受到7各厦的重视.
1993年.德嗣首先开始实施由政府补贴支持的“1000个光伏屋顶计划”。
继而扩展为“2000令悲铰曩瑗诗粼”,羁盼镧定了“霹褥生能源毫力供应法”,规定光茯发毫豹上瓣电价为每度电0.99马克(高予书规电价0.6马克/魔的电价)t极大地刺激丁光伏发电市场.目前
4合肥工业大学博士学位论文
德国光伏市场持续地处于迅速上升的态势,
户。
至2000年底实际安装的光伏屋顶总数已达27万
日本在光伏发电与建筑相结合方面已经做出了十几年的努力,1994年1月通产省宣布“朝日七年计划”,计划至U2000年推广16.2万套太阳能屋顶住房,总功率达到18
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 太阳能 并网发电 系统 研究 概要
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)