【正文】 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章 課題背景能源是人類經(jīng)濟(jì)及文化活動的動力來源。世界文明史上，人類不斷的從自然界索取、探求適合生存和發(fā)展所需的各種能源，能源的利用水平折射出人類文明的進(jìn)步步伐。從原始社會開始，化石能源逐步成為人類所用能源的主要來源，這種狀況一直延續(xù)到科技發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會。隨著人類對能源需求的日益增加，化石能源的儲量正日趨枯竭。全球資源專家們呼吁：煤炭、石油等可貴的化石資源應(yīng)該是留給子孫后代的“化工原料，而不該在我們這代人手中僅僅把它們作為燃料而消耗殆盡。此外，大量使用化石燃料已經(jīng)給人類生存環(huán)境帶來了嚴(yán)重的后果。目前由于大量使用礦物能源，全世界每天產(chǎn)生約1億噸溫室效應(yīng)氣體，已經(jīng)造成極為嚴(yán)重的大氣污染。如果不加控制，溫室效應(yīng)會將融化兩極的冰山，這可能會使海平面上升幾米，四分之一的人類生活空間將由此受極大威脅。當(dāng)前人類文明的高度發(fā)展與地球生存環(huán)境的快速惡化已經(jīng)形成一對十分突出的矛盾，它向全世界能源工作者提出了嚴(yán)峻的命題和挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球熱點問題，而能源問題將更為突出。因此，人類要解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模的開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能具有儲量的“無限性”、存在普遍性、開發(fā)利用清潔性及逐漸顯露的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，它的開發(fā)利用是最終解決常規(guī)能源，特別是化石能源帶來的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題的有效途徑，是人類理想的替代能源llJ。在可再生能源中，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是全球發(fā)展最快的新興產(chǎn)業(yè)之一，從1996年到2006年最近十年的平均年增長率為40％，從2001年到2006年最近5年的平均年增長率為45％，2006年世界太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到了2790MW，總裝機(jī)容量達(dá)到了8GW。太陽能開發(fā)利用必將在21世紀(jì)得到長足的發(fā)展，并終將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移中擔(dān)當(dāng)重任，成為21世紀(jì)后期的主導(dǎo)能源。光伏并網(wǎng)發(fā)電開始于上個世紀(jì)80年代初，美國、日本、德罔、意大利都為此做出了努力。按照當(dāng)時認(rèn)識，建造的都是較大型的光伏并網(wǎng)電站，而且都是政府投資的試驗性電站。試驗結(jié)果在發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)方面都是成功的，但在經(jīng)濟(jì)性方面卻并不十分令人鼓舞，主要是由于太陽能電池成本過高，雖然具有明顯環(huán)境效益，但其發(fā)電成本卻很難讓電力公司接受。通過改進(jìn)工藝、擴(kuò)大規(guī)模和開拓市場等措施，大幅度的降低了太陽能電池成本。90年代以來，國外發(fā)達(dá)國家重新掀起了發(fā)展光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研發(fā)高潮，這次的重點并未放在建造大型并網(wǎng)光伏電站方面，而是側(cè)重發(fā)展“屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)”。人們認(rèn)為，屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不單獨占地，將太陽能電池安裝在現(xiàn)成的屋頂上，非常適合太陽能能量密度較低的特點，其靈活性和經(jīng)濟(jì)性都大大優(yōu)于大型并網(wǎng)光伏電站，有利于普及，有利于戰(zhàn)備和能源安全。而且由于功率比較小，并網(wǎng)逆變器的體積也可以做的很小，因而可以直接安裝在太陽能電池板的背面，使并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的安裝和使用更加簡易。在各國的屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展中，德國的屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展速度始終是位于世界前列的。1993年，德國首先開始實施由政府補(bǔ)貼支持的“1000 個光伏屋頂計劃，同時制定了“可再生能源電力供應(yīng)法”，極大的刺激了光伏發(fā)電市場。由此為契機(jī)，德國在1995年安裝了太陽能發(fā)電系統(tǒng)容量5MW，1996年增加了一倍，達(dá)到了10MW，1999年擴(kuò)大為15．6MW。1997年在慕尼黑貿(mào)易展覽中心安裝了世界上最大的屋頂太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，容量為1．016MW。1999年1月德國開始實施“十萬屋頂計劃。2000年安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)容量超過40MW?，F(xiàn)在德國的太陽能發(fā)電市場已由探索階段發(fā)展為繁榮的專業(yè)市場。在技術(shù)方面，專用逆變設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，在歐洲光伏專用逆變器就有SMA，F(xiàn)ronius，Sputnik，Sun Pwer和西門子等眾多的公司具有市場化的產(chǎn)品，其中SMA在歐洲市場中占有50％的份額。除歐洲外，美國、加拿大、澳大利亞、新西蘭以及亞洲的日本在并網(wǎng)型逆變器方面也都已經(jīng)產(chǎn)品化。這些都表明光伏并網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)是世界范圍內(nèi)一個蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)，它和光伏器件(主要是太陽能電池)同時并列為光伏產(chǎn)業(yè)的兩大支柱?？傊?，從能源利用的國際發(fā)展趨勢來看，光伏發(fā)電最終將以替代常規(guī)能源的角色進(jìn)入電力市場，而并網(wǎng)發(fā)電將是光伏發(fā)電進(jìn)入電力市場的必由之路。我國正處在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)軌和蓬勃發(fā)展時期，但能源問題嚴(yán)峻，由于城市中大量使用化石能源，環(huán)境持續(xù)惡化。2000年世界衛(wèi)生組織公布的世界上污染最嚴(yán)重的十大城市中，中國占了8個。另一方面，我國具有豐富的太陽能資源，尤其是西部地區(qū)有很大的潛力。在這些地方發(fā)展并網(wǎng)發(fā)電計劃， 對于緩解當(dāng)?shù)氐哪茉簇毞η闆r，提高當(dāng)?shù)厝藗兩钏接兄鴺O其重要的意義。我國在20世紀(jì)50年代開始研究太陽能電池，于1971年首次成功應(yīng)用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星。我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了2個重要時期，第一個是在20世紀(jì)80年代中期，引進(jìn)4條總計5MW的光伏電池生產(chǎn)線，光伏產(chǎn)業(yè)初步形成。第二個發(fā)展時期是在新世紀(jì)初，國家發(fā)改委在2002年啟動了“送電到鄉(xiāng)工程”，該工程光伏系統(tǒng)容量為20MW，極大的拉動了我國光伏市場的需求。國內(nèi)光伏系統(tǒng)主要采用單位功率因數(shù)并網(wǎng)，不具備電能質(zhì)量控制功能。因此，研究具有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)有重要意義，其研究主要放在并網(wǎng)逆變器的控制方法上，相同的拓?fù)潆娐?，采用不同的控制方法能夠產(chǎn)生不同的控制效果。對逆變器建立模型并進(jìn)行分析，采用先進(jìn)的控制策略對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的性能是必不可少的。同時采用先進(jìn)的控制算法是提高逆變器效率的方法之一。第2章 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)簡介 典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、電力電子變換器、儲能裝置、負(fù)載等組成，其構(gòu)成如21圖所示。圖21 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成 Solar photovoltaic power generation system 光伏陣列的結(jié)構(gòu) 光伏發(fā)電系統(tǒng)，是利用光生伏打效應(yīng)原理制成的光伏電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏電池單體是用于光電轉(zhuǎn)換的最小單元，工作電流約為,將光伏電池進(jìn)行串、并聯(lián)封裝后，就成為光伏電池組件。實際光伏發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)需要，將若干光伏電池組進(jìn)行串、并聯(lián)，排列組成光伏陣列，滿足光伏系統(tǒng)實際電壓電流的需要。光伏組件串聯(lián)，要求所串聯(lián)組件具有相同的電流容量，串聯(lián)后的陣列輸出電壓為各光伏組件輸出電壓之和，相同電流容量光伏電池串聯(lián)后輸出電流不變；光伏電池組件并聯(lián)要求所有并聯(lián)的光伏組件具有相同的輸出電壓等級，并聯(lián)后的陣列輸出電流為各個光伏電池輸出電流之和，而電壓保持不變。在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的光伏組件，將被當(dāng)做負(fù)載消耗其他有光照的光伏電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的光伏電池組件此時會發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴(yán)重破壞光伏電池，有光照的光伏電池所長生的部分或全部能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止光伏電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，需要在光伏電池組件的正負(fù)極兩端并聯(lián)一個旁路二極管，實現(xiàn)電流的旁路保護(hù)光伏陣列。為了避免由于光伏電池在陰雨天和夜晚不發(fā)電時或者出現(xiàn)故障時，蓄電池通過光伏方陣放電，這就需要在方陣中加入防反充二極管，又稱為阻塞二極管。除了電方面的保護(hù)，還要考慮機(jī)械方面的保護(hù)，如如防風(fēng)、防雨、防雹能力，另外，為了防止鳥糞玷污光伏電池表面引起熱斑反應(yīng)，還需要在方陣頂上特別安裝驅(qū)鳥器。 變換器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，變換器分直流變換器和交流變換器兩種。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的變換器一般要具備幾種功能：最大功率點跟蹤、蓄電池充電、直流電的升壓或降壓以及逆變。 最大功率點跟蹤控制器。通過調(diào)劑負(fù)載功率，改變光伏電池板的輸出電壓和電流，是光伏電池板輸出功率最大化。 蓄電池充電控制器。通過調(diào)劑控制器的輸出電壓和電流，實現(xiàn)對蓄電池策略的充電控制，有利于有效的利用太陽能以及對蓄電池的保護(hù)。 升降壓變換器。因為光伏陣列實際的工作電壓跟負(fù)載或者后端逆變器所需電壓不匹配，所以需要對光伏陣列的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，或升獲降，以滿足負(fù)荷的使用要求。 逆變器。因為光伏電池發(fā)出的電視直流電，如果光伏發(fā)電系