【正文】 碩 士 學(xué) 位 論 文光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其控制研究 原 創(chuàng) 性 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。論文作者簽名： 日期： 關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說明本人完全了解中北大學(xué)有關(guān)保管、使用學(xué)位論文的規(guī)定，其中包括：①學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；②學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；③學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱；④學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈送和交換學(xué)位論文；⑤學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容（保密學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定）。簽 名： 日期： 導(dǎo)師簽名： 日期： 中文摘要光伏并網(wǎng)發(fā)電可以高效的利用太陽能這種綠色清潔能源，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究成為發(fā)展趨勢和熱點。本論文在分析了光伏并網(wǎng)發(fā)電國內(nèi)外進展的基礎(chǔ)上，本文分析了單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。在分析了不同控制策略的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，采用電流跟蹤控制和電網(wǎng)電壓前饋控制的策略，對控制系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)建模。設(shè)計并制作了基于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的硬件電路，包括系統(tǒng)的主電路、信號的采樣與處理電路、PWM及SPWM信號的隔離與驅(qū)動電路以及電源電路。對這些電路的工作過程進行了詳細的分析，對電路中的參數(shù)進行了計算，完成了硬件電路的制作與實驗調(diào)試。研究了最大功率點跟蹤控制(MPPT)的原理和方法，并采用電導(dǎo)增量法來實現(xiàn)光伏陣列的最大功率點跟蹤關(guān)鍵詞： 太陽能 并網(wǎng)發(fā)電 PWM MPPT ABSTRACTGridConnected photovoltaic technology is a good way to make full use of solar energy,which is green and clear gridconnected photovoltaic system has been a hot on the introduce of the current condition of gridconnected photovoltaic system，the basic foundmental of GridConnected photovoltaic system is analyze different control strategy,current follow up amethod is used. Mathematic model is established. Furthermore,GridConnected photovoltaic circuit is designed, including maincircuit,signal sample and process circuit ,PWM and SPWM wave generation circuit and order driver and source circuit. These circuit operation foundamental is analyzed in manufaction and debug is power follow technique is studed, and conduction increment method is adopted.KEY WORDS：solar energy, GridConnected, PWM, MPPT目 錄第一章 綜述 1 課題研究背景 1 國內(nèi)外光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究進展 2 國外進展部分 2 國內(nèi)進展部分 4 本論文的研究思路 6第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計 7 硅太陽電池的性能特點 7 太陽能電池的模擬技術(shù) 10 電源變換器 11 系統(tǒng)的總體設(shè)計 13 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成 13 光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 15 PI控制算法 16 最大功率點跟蹤算法 17 最大功率點跟蹤方法 17 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 19第三章 軟硬件電路設(shè)計 20 PWM信號的生成方法 20 用于生成PWM信號生成Saber模型 20 PWM波形生成的軟件實現(xiàn)方法 22 BOOST變換器模塊 23 加入PI反饋控制器的Boost電路 27 SPWM波形生成模塊 30 橋式逆變器模塊 32 控制電路工作原理 34 輔助電源設(shè)計 34 IGBT與MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計 34 橋式MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計 36 反饋調(diào)壓電路設(shè)計 37 arm微控制器及外圍電路 38 軟件系統(tǒng)的設(shè)計 39 PCB制作及成品圖片 42第四章 實驗結(jié)果分析 45 實測各種波形 45 數(shù)據(jù)記錄 47 結(jié)論 48第五章 總結(jié)和展望 49 全文的總結(jié) 49 展望和后續(xù)的相關(guān)工作 49參考文獻 51發(fā)表論文和科研情況說明 53致 謝 54 ii 1 第一章 綜述第一章 綜述 課題研究背景在跨入21世紀以來，人類正面臨實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟己經(jīng)成為全球熱點問題。而能源問題將更為突出，不僅表現(xiàn)在常規(guī)能源的匾乏不足，更重要的是化石能源的開發(fā)利用帶來了一系列問題，如環(huán)境污染，溫室效應(yīng)等都與化石燃料的燃燒有關(guān)。目前的環(huán)境問題，很大程度上是由于能源特別是化石能源的開發(fā)利用造成的，人類要解決這些能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源[1]。國際能源機構(gòu)預(yù)測，全世界煤炭只能用220年，油氣開采峰值位于2012年，并將在30~60年后消耗殆盡。據(jù)估計我國的煤炭只可開采80年，天然氣可開采30年，石油可開采20年。同有限的化石燃料能源相比，太陽輻射能預(yù)計在100億年里可保持近似恒定的輻射輸出，堪稱無限的能源。太陽能每秒鐘到達地球的能量高達80萬千瓦，%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率為5%，那么每年發(fā)電量可達 千瓦時，相當(dāng)于目前全世界能耗的40倍。光子能量完全可以轉(zhuǎn)換成人類需要的能源，其中，光能轉(zhuǎn)換為電能是最為重要的一種轉(zhuǎn)化過程，這是因為電能是一種高級的能源形式，電能可以方便地轉(zhuǎn)換成熱能、動力能、化學(xué)能等各種形式的能源，從而滿足人類生活、生產(chǎn)的不同需要[2]。因此，在尋找和開發(fā)新能源的過程中，人們很自然的把目光投向了各種可再生的替代能源，光伏發(fā)電就是其中之一。相對而言，目前這項技術(shù)的發(fā)展還處在初期階段，到2030年之后將會有很穩(wěn)定和很高的增長率，會成為可行的電力供應(yīng)者。除此之外，與其它的能源相比，太陽能是一種理想的可再生能源，開發(fā)利用太陽能的主要途徑是光伏發(fā)電，它具有如下優(yōu)點:無噪聲、無污染，能量隨處可得且取之不盡，不受地域限制，可以無人值守，建設(shè)周期短，規(guī)模設(shè)計自由度大等，這些優(yōu)點都是常規(guī)發(fā)電和其他發(fā)電方式所不能比擬的[3]。因此，開發(fā)利用太陽能己成為世界上許多國家可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略決策。光伏發(fā)電己經(jīng)在許多應(yīng)用領(lǐng)域都被證明在技術(shù)上是成熟的，在經(jīng)濟上是合算的。分析表明，在目前光伏電站有效系統(tǒng)功率與輸電距離的比值小于100瓦/公里時，建光伏電站較常規(guī)電網(wǎng)延伸供電經(jīng)濟。因此，陽光發(fā)電是解決我國邊遠地區(qū)和特殊領(lǐng)域供電的重要途徑。我國是個發(fā)展中國家，地域遼闊，有許多邊遠省份和經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，目前尚有約900萬戶、2800萬人口還沒有用上電，60%的有電縣嚴重缺電。一些地區(qū)的農(nóng)牧民，居住分散，遠離電網(wǎng)，而且用電水平很低，平均年用電僅為120千瓦時，在10年甚至20內(nèi)都不可能靠常規(guī)電力解決他們的用電問題，光伏發(fā)電則是解決分散農(nóng)牧民用電的理想途徑，市場潛力十分巨大[5]。目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類:(1)離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)。這是一種常見的太陽能應(yīng)用方式，在國內(nèi)外應(yīng)用己有若干年。系統(tǒng)比較簡單，而且適應(yīng)性廣。只因其一系列種類蓄電池的體積偏大和維護困難而限制了使用范圍。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)用電負荷較大時，太陽能電力不足就向市電購電。而負荷較小時，或用不完電力時，就可將多余的電力賣給市電。在背靠電網(wǎng)的前提下，該系統(tǒng)省掉了蓄電池，從而擴張了使用的范圍和靈活性，并降低了造價。離網(wǎng)和并網(wǎng)兩者混合系統(tǒng)，這是介于上述兩個方之間的系統(tǒng)。該方案有較強的適應(yīng)性，例如可以根據(jù)電網(wǎng)的峰谷電價來調(diào)整自身的發(fā)電策略。但是其造價和運行成本較上述兩種方案高。從遠期看，光伏并網(wǎng)發(fā)電將以分散式電源進入電力市場，并部分取代常規(guī)能源。從近期看，光伏并網(wǎng)發(fā)電可以作為常規(guī)能源的補充，解決特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如通信、信號電源，和邊遠無電地區(qū)民用生活用電需求，從環(huán)境保護及能源戰(zhàn)略上都具有重大的意義 國內(nèi)外光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究進展 國外進展部分在國外，近年來太陽能光伏電源己開始由補充能源向替代能源過渡，并從偏遠無電地區(qū)中火功率的獨立發(fā)電系統(tǒng)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的方向發(fā)展。我國光伏技術(shù)雖然經(jīng)過40年的努力，已具有一定的水平和基礎(chǔ)。但是，與世界先進國家相比仍有不少的差距。目前我國光伏產(chǎn)品的市場份額為:啟用光伏電源和獨立光伏電站占30%，通信領(lǐng)域占40%，鐵路、公路信號源、氣象臺站電源等其他工業(yè)領(lǐng)域占20%，各種民用商品占10%。隨著常規(guī)能源資源的有限性和環(huán)境壓力的增加，使世界上許多國家重新加強了對新能源和可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持。近幾年，國際光伏發(fā)電迅猛發(fā)展。世界光伏組件在過去巧年平均年增長率約15%。90年代后期，發(fā)展更加迅速，最近3年平均年增長率超過30%。1999年光伏組件生產(chǎn)達到200MW。在產(chǎn)業(yè)方面，各國一直通過擴大規(guī)模、提高自動化程度、改進技術(shù)水平、開拓市場等措施降低成本，并取得了巨大進展。商品化電池效率從10%－13%提高到13%~15%，生產(chǎn)規(guī)模從1MW/年發(fā)展到5MW/年，并正在向50MW甚至100MW擴大。光伏組件的生產(chǎn)成本降到3美元/W以下[6]。發(fā)展中國家印度處于領(lǐng)先地位，目前有50多家公司從事與光伏發(fā)電技術(shù)有關(guān)的制造業(yè)，其中有6個太陽電池制造廠和12個組件生產(chǎn)廠，累計裝機容量約40MW[7]。國際光伏發(fā)電正在由邊遠農(nóng)村和特殊應(yīng)用向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑結(jié)合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電己由補充能源向替代能源過渡。到目前為止，世界太陽電池年銷售量己超過60兆瓦，電池轉(zhuǎn)換效率提高到12%以上，系統(tǒng)造價和發(fā)電成本己分別降至4美元/峰瓦和25美分/度電。在太陽能利用方面，由于技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用規(guī)模越來越大，僅美國太陽能熱水器年銷售額就逾10億美元。太陽能熱發(fā)電在技術(shù)上也有所突破，目前己有20余座大型太陽能熱發(fā)電站正在運行或建設(shè)。并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，從1994年后迅速發(fā)展，到2003年己占當(dāng)年太陽能發(fā)電設(shè)備市場的55%。其中比較突出的是美國，1997年提出的“百萬太陽能屋頂計劃”，按每戶3kw計算，計劃到2010年將在100萬個用戶屋頂上安裝共計3000MW的太陽能發(fā)電設(shè)備。德國1999年開始實施的10萬太陽能屋頂計劃，在2005年安裝共計300~SOOMW的太陽能發(fā)電設(shè)備。日本從1994年開始發(fā)展并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，到2004年已安裝58000套，到2008年要達到247600套。日本為了發(fā)展并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，把它作為一種新的家用電器來對待，突破關(guān)鍵技術(shù)，降低成本。這其中包括把太陽電池的轉(zhuǎn)換效率提高到15%以上，發(fā)展新型的高頻變壓器絕緣方式或正激變壓器絕緣方式逆變器。據(jù)資料介紹，2005年日本太陽電池價格為140日元/W，并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備價格為370日元/W，發(fā)電成本為30日元/kWh。2010年將分別下降為120日元/W，300日元/W和25日元/kwh。2020年將分別下降為60日元/W，200日元/W和巧日元//kw。到那時完全可以和火力發(fā)電價格相競爭。然而，在開發(fā)太陽能技術(shù)的過程中，人們把大部分注意力都放在了如何提高光電池的效率上。但另一個不能忽略的重要問題是，如何設(shè)計將電池產(chǎn)生的直流電高效率地轉(zhuǎn)換成交流電的電路。為了在成本上與燃燒媒、石油等化石燃料的發(fā)電方式相競爭，提高逆變器每一個百分點的效率都是非常重要的。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要組成部分之一。這種并網(wǎng)逆變器較好地適應(yīng)了光伏電池類似電源的特性，取得了較好的性能。但由于采用了電流源逆變主電路，使主電路及控制復(fù)雜化，因而沒有得到很好的發(fā)展。90年代以來，隨著電力電子及控制技術(shù)的發(fā)展，電壓型PWM可逆變流技術(shù)越趨成熟。由于其優(yōu)越的雙向功率變流及其電流控制性能，使這類技術(shù)直接應(yīng)用于光伏陣列的并網(wǎng)發(fā)電，并獲得了網(wǎng)側(cè)正弦波電流特性，真正實現(xiàn)了“綠色”電能變換[8]。隨著技術(shù)的不斷更新，控制電路中的調(diào)制技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，其中SPWM調(diào)制與滯環(huán)調(diào)制是目前逆變器中最常見的兩種調(diào)制方式，它們分別從數(shù)字通信的脈寬調(diào)制和Delta調(diào)制發(fā)展而來。通信中調(diào)制的目的是為了遠距離傳輸信號，而在電力電子裝置中則是為了減小系統(tǒng)的體積、提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和降低輸出諧波含量。從改善輸出波形 國內(nèi)進展部分我國是以煤炭為主要消費能源的國家。較之以油、氣為主的能源消費主流方式，能源結(jié)構(gòu)很不合理。在相當(dāng)長的歷史時期，我國曾把發(fā)展能源、交通作為國民經(jīng)濟的發(fā)展重點，對能源資源過度的開采和粗放型使用，不惜以環(huán)境污染作為代價，試圖突破能源和交通，致使我國現(xiàn)在的能源開發(fā)面臨著極大的挑戰(zhàn)。況且，我國太陽能資源非常豐富，與同緯度的其他國家相比，與美國相近，比歐洲、日本優(yōu)勢大得多，開發(fā)和利用太陽能資源對解決我國的能源問