单相光伏发电的并网控制研究毕业论文.doc

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单相光伏发电的并网控制研究

【摘要】

能源是国家经济发展以及人类赖以生存和发展的重要物质基础，在当今能源紧缺的时代背景下，太阳能光伏发电的研究具有非常重要的战略意义。

随着电力电子技术的不断发展，建立大规模的光伏并网发电系统将会是太阳能利用的主要方式。

基于此背景，本课题研究了单相光伏并网发电系统，对该系统中的光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）、并网逆变作了分析与研究。

首先对单相光伏并网发电系统的几种不同结构进行了比较，确定了单相光伏并网系统的拓扑结构。

其次从光伏电池的等效模型出发，建立其数学模型。

利用Matlab/Simulink建立光伏电池模型，仿真分析了光照强度的改变及温度的改变对其输出特性的影响。

然后分析比较了几种常规的最大功率跟踪（MPPT）方法，并采用扰动观察法通过控制Boost电路占空比实现光伏电池的最大功率跟踪控制。

仿真表明模型对外界环境变化具有较好的适应性和良好的动态性能。

最后通过并网电流控制方式的分析和比较，研究实现了光伏发电并网运行控制策略的仿真模型，确定了控制器参数。

建立了电网电压前馈补偿的SPWM电流跟踪控制模型，仿真验证了模型能够实现单位功率因数并网。

关键词：

光伏发电；最大功率点跟踪；Boost变换器；逆变

【Abstract】

Energyisanimportantmaterialfoundationofthenationaleconomicdevelopmentandhumansurvivalanddevelopment.Intoday'senergyshortageunderthebackgroundofthetimes,thesolarphotovoltaicresearchhasveryimportantstrategysense.Theestablishmentoflarge-scalegird-connectedPVsystemswillbethemainwayofusingsolarenergywiththecontinuousdevelopmentofpowerelectronicstechnology.Thesinglephasephotovoltaicgrid-connectedgenerationsystemisresearchedinthepaper.Thesystemmakesaprofoundanalysisandresearchofphotovoltaicmaximumpowerpointtracking（MPPT）andgrid-connectedinverter.

Firstly,thetopologyofthesysteminthepaperisdeterminedbyanalyzingseveraldifferentstructuresofthesingle-phasegrid-connectedPVsystems.Secondly,themathematicalmodelsofsolarcellareestablishedthroughtheequivalentmodelofsolarcell.MATLAB/Simulinkisusedtostudytheoutputcharacteristicsofphotovoltaicarrayundertheconditionsofthechangesoflightintensityandtemperatureandpartialshadow.

Thirdly,severalconventionalmaximumpowerpointtracking（MPPT）methodsareanalyzedandcompared.PerturbationandObservationmethod（P&O）isusedtocontroltheboostconvertertorealizethePVMaximumPowerPointtracking（MPPT）.Theresultsofsimulationshowthatthemethodhasgoodadaptabilityaccordingtoexternalenvironmentalchangingandgooddynamicperformance.

Finally,thesimulationmodelofPVgrid-connectedoperationcontrolstrategywasstudied.TheSPWMcurrenttrackingmodelwasusedtotrackthesingle-phasePVgrid-connectedcontrolandthegridvoltagefeed-forwardcompensationisconsidered.Simulationshowsthatthecontrolmodelcanachieveunitypowerfactor.

KeyWords:

Photovoltaicgeneration;MaximumPowerPointTracking;BoostConverter;Invert

目录

1　引言 1

1.1　研究背景和意义 1

1.1.1全球能源危机与环境问题 1

1.1.2太阳能光伏发电的优势 1

1.2　光伏产业的现状和发展趋势 2

1.2.1国外光伏产业的发展 2

1.2.2国内光伏产业的发展 3

1.3　光伏发电系统的分类及关键技术 4

1.3.1光伏发电系统的分类 4

1.3.2光伏并网发电系统涉及的关键技术 6

1.4　本文研究内容 7

2　光伏并网发电系统拓扑分析 8

2.1　光伏并网发电系统结构分析 8

2.1.1隔离型光伏并网发电系统 8

2.1.2非隔离型光伏并网发电系统 9

2.2　双级型非隔离光伏系统拓扑结构 10

2.2.1DC/DC变换器 10

2.2.2DC/AC逆变器 11

2.2.3滤波电路 12

2.3　本章小结 13

3　光伏电池模型及仿真 14

3.1　光伏电池的建模 14

3.1.1光伏电池工作原理 14

3.1.2光伏电池数学模型 14

3.2光伏电池仿真 17

3.2.1电池模型搭建 17

3.2.2光伏模型仿真分析 18

3.3 　本章小结 20

4　光伏电池最大功率点跟踪模型及仿真 21

4.1　最大功率点跟踪理论 21

4.1.1最大功率点跟踪的概念 21

4.1.2最大功率点跟踪的原理 21

4.2　常用最大功率点跟踪算法 22

4.2.1恒定电压法 23

4.2.2扰动观察法 23

4.2.3电导增量法 24

4.3　MPPT环节仿真建模 24

4.3.1DC-DC变换器建模 24

4.3.2MPPT模型 25

4.3.3PWM脉宽调制的建模 26

4.4　最大功率点跟踪仿真分析 27

4.4.1标况下仿真分析 28

4.4.2环境变化时仿真分析 29

4.5　本章小结 29

5单相光伏发电并网的建模与仿真 30

5.1　光伏并网逆变器控制原理 30

5.1.1逆变器控制目标 30

5.1.2常用单相并网逆变电流控制方式 30

5.2　单相光伏发电并网模型 31

5.2.1单相光伏发电并网结构 31

5.2.2单相光伏发电并网控制模型 33

5.3　仿真分析 35

5.3.1仿真模型与参数设置 35

5.3.2标况下单相PV并网模型仿真分析 36

5.3.3外界环境变化情况下单相PV并网模型仿真分析 38

5.4　本章小结 41

6总结 42

6.1结论 42

6.2展望 42

致谢 44

参考文献 45

1　引言

1.1　研究背景和意义

1.1.1　全球能源危机与环境问题

能源是维持整个人类社会运营和发展的动力，对人类社会起着至关重要的作用。

在上个世纪中，人类利用的能源为石油、煤炭和天然气等化石能源。

这些能源在本质上都是亿万年以来，太阳能辐射到地球被动植物所储存，经过漫长时间的演化而成现在所看到的能源矿藏。

但是经过人类数千年以来，特别是第一次工业革命以来，上述的化石能源已经被消耗了相当大的比例[1]。

在本世纪初进行的关于世界化石能源储量的调查研究数据显示：

以当前人类的能源消耗速度，石油还可以开采约40年，煤炭为227年，天然气为61年[2]。

而我国化石能源的储量情况更加严峻，严重制约了经济的发展[3]。

此外，由于化石能源的大量使用，对环境造成了严重的污染，对生态造成了巨大的破坏。

如何在使用能源的同时，保护好整个地球的生态环境应经成为全球各个国家面临的重要问题。

当今，人类社会的飞速发展必定会依赖于大量能源的消耗，为了应对能源危机和环境问题，必须改善现阶段的能源结构，大规模开发利用一些可再生的清洁能源[4]。

迄今为止，人类使用的能源从本质上来看，都是由太阳能转化而来的。

每四十秒太阳辐射到地球上的能源，就可以满足人类一天的消耗。

太阳早在数十亿年前就已经出现，太阳能是一种取之不尽，并且用之不竭的能源。

太阳能可以直接应用，而且基本上不会对环境造成任何污染，是一种可靠的清洁能源。

对太阳能的开发利用，是解决当今人类社会能源短缺和环境污染等问题的一种比较有效地手段。

从上个世纪七十年代开始，世界各国都投入了大量的社会资源对太阳能发电进行了研究，从九十年代开始，太阳能发电得到了较快速度的发展，太阳能将会成为二十一世纪中叶以后的主要能源[5][6]。

1.1.2　太阳能光伏发电的优势

一般人类对太阳能转换利用的方式有三种，分别为：

光热转换利用、光电转换利用和光化学转换利用。

太阳能光伏发电是将太阳辐射的能量直接转换为电能的发电形式。

人类对光伏发电的研究可以追溯到100多年前，在近半个世纪以来，光伏发电技术不断改进和完善，使其成为人类在21世纪重要的能源[7]。

光伏发电较很多其他的发电方式有很多的优势，主要表现在：

1）太阳能的储量及其丰富，从太阳形成的时间可以追溯到亿万年前，而存在至今，太阳仅仅只消耗了自身百分之二的能量。

2）地球上从人口密集的城市地区到寸草不生的沙漠地区，太阳能均可以辐射照射到。

这就使得太阳能可以就地采集、就地发电，这对解决偏远山区和交通不便地区的居民用电有着很好的实际应用价值。

3）太阳能是一种非常绿色环保的能源，在对其开发和利用的过程中不会对环境产生任何的污染。

4）光伏发电系统设备维护相对简单，并且不存在因物理运动而产生磨损的部件，这就使得整个系统的使用寿命较长。

5）发电资源、发电设备和用电群体都可以设在同一个区域，这就避免了电能长距离的运送，节约了用电成本。

6）硅作为制作光伏电池的制作材料，在地球上的储量十分丰富，便于生产光伏电池板用于发电。

由上述光伏发电的种种优势，我们可以预测，光伏发电在人类社会的中将会起到越来越重要的作用。

1.2　光伏产业的现状和发展趋势

1.2.1　国外光伏产业的发展

能源和环境问题近半个世纪以来，越来越受到世界各国的重视，为了实现其可持续发展，世界各国对清洁能源的开发列为发展的重点，尤其是光伏发电[8]。

即使在整个世界的经济处于衰退或低谷时期