单相光伏发电MPPT及系统并网的仿真研究

发布时间：2016-04-14 19:35

1绪论

1.1选题背景与意义
人类可以长期生存和发展,离不开对能源的利用,因此,能源是重要的必要条件对于人类的生存和发展。由于经济在高速的发展和增长,对能源的消耗也在不断的增长,能源的需求量在逐年攀升。由于传统能源对经济的发展起着无可替代的作用,这就使得传统能源被过度的开釆和利用,进而促使传统能源的枯竭速度在逐年的递增。根据世界权威机构的统计,在世界范围内,已被探明可采的煤炭总量共计15890亿吨,估计可连续开釆200年左右。已被探明的可采的石油总量共计1211亿吨,估计可连续开釆40年左右。然而传统能源在使用过程中对环境造成巨大的污染也是显而易见的,这类污染主要包括固体废弃物污染和烟雾对大气的污染。传统能源对环境的污染最突出的两个方面是:一,由于能源的大量消耗,同时伴随着尾气排放,造成空气中的二氧化碳含量不断的递增,使得气候加剧变暖;二,由于气候变暖的原因,原有的生态平衡正在被慢慢的破坏,甚至处于失衡状态。寻找清洁的能源、绿色的能源、低碳的能源是人类社会发展的趋势也是必要的选择,这不但有助于对人类环境的保护同时也有助于人类社会更长久的发展下去。因此,世界上各个国家都在积极的寻找和探索清洁能源。太阳能资源由于其无穷性、清洁而无公害可以很好的为人类的持久发展提供可靠的保障,而且太阳能源在各个国家的能源当中都几乎占有一席之地。如何对太阳能源进行更大规模的开发以及对开发太阳能所需技术的进一步提升,这是人类利用太阳能必须解决的问题。因此,世界上各个发达及发展中国家都逐步的将寻找和开发可再生能源的议题提到国家议程上来。太阳能的优点是众所周知的,而且其受到的青睐度越来越高,如何在更大程度与广度上开展对太阳能发电技术的研究,对于解决传统能源的短缺以及传统能源带来污染和破坏,对于提高和改善人类的生存环境使社会不断持续高速发展都有极其重要的意义。
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1.2太阳能光伏发电的现状
上个世纪五十年代,第一块光伏电池板诞生至今,在这六十多年的时间里,人类对太阳能发电技术的应用和发展并不是一帆分顺的,而是经历了多种波折,经历了坎坷曲折的发展历程。因太阳能电池不菲的造价和光电转换效率一直比较偏低,想要实现产业化一直是各国都在探讨的技术难题。太阳能电池的发展与军事有着密切的联系,最初,太阳能电池是被应用在军事领域和航空领域的。由于上世纪70年代出现了能源短缺的现象以及使用传统能源带来的严重的环境污染,世界各国都在全力寻找新能源和清洁能源,因此,各国政府幵始将关注点集中在对太阳能的利用上,进而,利用太阳能发电不断的受到人们的青睐。对太阳能的光伏利用和深度开发已经成为世界上的一种潮流,世界上的各个发达及发展中国家都竞相出台各种政策来支持本国光伏产业的发展。根据欧盟的预测,在21世纪中叶,欧盟发电总量的40%左右将来自光伏发电容量,因此可以毫不夸张的说太阳能利用的世纪成长于21世纪。由于不受地理位置限制的特点,理论上来说,只要有阳光,那么就有利用光伏发电的可能性。随着各国政府在不断的加大对光伏产业的支持力度,生产的光伏电池的种类趋于多样化,而且由于生产的的电池数量的大幅上升以及伴随着成本的不断下降,同时光伏电池板在一定程度上可以有效地代替建筑材料,这些优点对光伏事业的进一步发展都提供了非常良好的契机,对光伏产业的未来发展有着重要意义。
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2光伏电池和光伏阵列

光伏发电简言之就是将光能转换为电能,而实现这一转换的介质是光伏电池,在转换的过程中,半导体材料对光能的特殊特性即光生伏特效应。要充分利用这一技术就必须使用太阳能光伏电池这一不可或缺的元件,它可以直接将光能转换为电能。将光伏电池按照需要的结构进行合适的组合并进行封装就可以组成大规模的光伏电池组件。按照实际的应用要求,对太阳能电池进行合理组合就可以使得输出的电压和功率达到一定的等级。将光伏电池组进行组合就成了光伏阵列。光伏阵列在光伏发电系统中占据着重要地位。因为它的输出特性很大程度上受制于外界环境,因此非线性的特点是光伏电池输出特性的最明显的特点。因此,对光伏电池和光伏阵列的进行细致的分析和研究,对后面章节有着极其重要的作用尤其在最大功率跟踪技术的研究方面是必不可少的内容。

2.1光伏电池的工作原理
光伏发电的基础是对光伏电池的应用,它将光能直接转换为电能。它的工作原理就是对光生伏特效应的应用。由于每块光伏电池自身的输出电压很低,同时光伏电池的输出电流、输出电压以及输出功率与外界环境温度、太阳光强度、光伏电池受阳光照射的表面积和光伏电池的连接方式有关。通过图4可以直观的了解光伏电池如何将吸收到的太阳能转换为电能的情况[7]。由图4可以看出,当太阳光照射到光伏电池表面(N型),由于各个太阳光的光子携带的能量不同,会发生不同的情况,其中一部分光子会被光伏电池反射回去(如光子①);一部分光子在距离P-N结较远(如光子②),这些光子在被吸收之后并不产生光生电动势;一部分光子由于携带的能量较低,在刚刚进入P-N结表面就会被吸收(如光子③),但是这些光子不仅不产生电动势反而使得光伏电池的本体温度升高而影响光伏电池的输出特性。还有一部分光子携带的能量很高可以直接穿透光伏电池而不会被吸收(如光子④);而那些在P—N结附近被吸收的光子是真正可以利用来产生电动势的,对光伏发电起作用的(如光子⑤),在N型半导体和P型半导体区中,由于太阳的光子对原子的价电子的冲击使得这些价电子获得能量,很多电子一空穴对就会产生而且处于非平衡状态中。
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2.2光伏电池分类
现在市面上出售的光伏电池类型主要有单晶娃、多晶娃、非晶桂和非娃材料,现有的各种光伏材料既有其优点又有其不足之处[8]。单晶娃和多晶娃电池板如图6所不。单晶桂光伏电池是最早被开发的,在目前所有的光伏电池中,它的转换效率也是居于首位的。据资料显示在我国,单晶娃光伏电池的转换效率平均为16.5%,而在实验室里的转换效率要比其平均效率高出很多已经超过了 24.7%。多晶桂光伏电池顾名思义就是由多晶娃构成的电池,它与单晶桂的生产过程是有区别的:单晶娃的生产需要拉制过程而多晶桂是用绕铸的方法,这一方法的优点是生产周期缩短,大大的降低了生产成本。此外,由于组成光伏组件后是以平面的形式进行使用,而单晶娃娃棒则呈现出圆柱状,这就造成了单晶娃光伏电池的利用率不高的问题。正是由于多晶娃光伏电池这一特点,才使得多晶鞋光伏电池在竞争上具有一定的特殊优势。
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3直激直流变换电路......21
3.1斩波变换电路分类......21
3.2升压斩波电路原理......22
3.3 Boost变换器的数学模型搭建......26
3.4仿真......28
3.5本章小结......29
4最大功率追踪技术研究......31
4.1光伏阵列的输出特性......31
4.2最大功率点跟踪原理......34
4.3最大功率点跟踪方法............35
4.4双模式结合的MPPT控制方法研究......39
4.5本章小结......43
5光伏并网系统的研究......45
5.1光伏并网逆变器分类和结构......45
5.2单项光伏并网逆变器控制策略......47
5.3单相并网锁相环研究......57
5.4光伏并网系统稳定性分析......62
5.5仿真......63
5.6本章小结......65

5光伏并网系统的研究

5.1光伏并网逆变器分类和结构

按照发电系统是否与电网连接可以将其分为两种模式[27]: —种不与电网连接即独立式;另一种是与电网的连接的并网式。独立式发电系统主要是用在远离电网的偏远山区和农村等地,主要解决的问题是无电。并网型发电系统还可以进一步的进行细分,按照系统的功能的不同可以将其分为两种方式[28]: —种是不含存储单元的不可调度系统,另一种是含有存储系统的可调度系统。在可调度的发电系统中,按照存储单元连接母线类型又可将其分为直流母线类型和交流母线类型。按照电力电子变换电路的自身特点进行划分[29],又可将光伏并网型发电系统分为基于公共母线的电路拓扑结构、单级电路拓扑结构以及多级电路拓扑结构。对于多级电路中,前级电路的主要作用通常是实现最大功率点的跟踪,前级电路也是DC/DC变换电路,而后级电路的功能是实现并网的作用。公共直流母线电路结构的设计思想是模块化的光伏并网发电系统。按照电路性质进行划分即电路是否隔离可将并网发电系统分为隔离型并网和非隔离型并网。在非隔离型结构中,又可将其分为单级结构和多级结构两种电路类型,其电路图如图36所示。与单级电路结构相比,多级电路的优点是体积方面明显减小,重量也有显著降低而且转换效率有了很大提高。如果将隔离型电路再进行细分[31],则又可将其按照工作频率的不同分为工频隔离型并网和高频隔离型并网两种结构。工频隔离型基本属于单级电路的类型,优点是结构简单,安全性高,效率也相对较高,而缺点是体积大、重量大、噪声大等。高频隔离型大多数属于多级电路型结构,一般可将其分为电压源型、电流源型和周波变流器型。

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总结

光伏发电是我国新能源的重要组成部分,随着我国对其不断的重视,光伏发电在我国能源结构的调整中发挥的角色越来越重要。本文以单相光伏并网发电为平台,介绍了光伏器件的特性,光伏电池的原理,光伏阵列的特性,最大功率点的跟踪技术以及系统的并网等内容。全文的主要的工作如下:
(1)对光伏电池的工作原理进行了细致和全面的分析,对光伏电池的输出特性也进行了较为详尽的分析,并在MATLAB平台上对光伏电池的仿真模型进行了搭建,并且对模型进行了仿真,通过对模型的仿真结果分析,可以对光伏电池的基本工作原理做一个更加深刻的了解。
(2)对升压斩波电路进行了详细的研究。通过对升压斩波电路的分析,得到了其数学模型,在MATLAB平台上搭建了其仿真模型,并对电路进行了仿真。
(3)对最大功率点的追踪技术进行了研究。本文对传统最大功率点进行了分析,了解到传统方法的缺点,并在传统方法的基础上提出了一种新的最大功率点跟踪技术即双模式最大功率点跟踪技术。通过仿真,验证了该方法较传统方法在各个方面均有较大的提高和改善。
(4)对系统的并网进行了必要地研究。主要研究内容包括:系统并网的拓扑结构、系统并网的控制策略、系统并网的调制策略以及锁相环的研究。通过仿真对其可靠性进行了验证,最后对系统并网的稳定性进行了简要的分析。
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参考文献(略)

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本文编号：38319