应用于重庆多雾地区的三相光伏并网发电系统研究 硕士论文.doc
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1、应用于重庆多雾地区的三相光伏并网发电系统研究 重庆大学硕士学位论文学生姓名: 指导教师: 专业:电气工程学科门类:工 学重庆大学电气工程学院二O一四年五月A Thesis Submitted to Chongqing UniversityIn Partial Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of Electrical EngineeringBy Supervised By: Major: Electrical EngineeringCollege of Electrical Engineering Chongqing
2、University, Chongqing, ChinaMay, 2014摘 要目前,国内外十分重视可再生能源的利用研究。太阳能光伏发电作为可再生能源应用的其中一个重要组成部分,具有安全、清洁、可再生等优点,得到了广泛的关注,是国内外正在积极探索并努力进行推广的热点技术。受光照强度、环境温度的影响,光伏电池在工作时其输出电压具有较大波动范围,其较明显的非线性特征,导致系统必须对光伏电池进行最大功率跟踪(MPPT)控制;光伏发电系统作为分布式发电系统的一类,其须向电网输送电能,由此需要对光伏并网发电技术进行研究。综上,针对应用于单级式光伏并网发电系统的最大功率跟踪技术及光伏发电并网控制技术,本文
3、进行理论和实验研究。本文首先建立了并网逆变器的状态空间数学模型,对并网逆变器进行理论分析。考虑到现有控制理论难以对三相并网逆变器的状态空间数学模型进行分析,由此,本文将采用LCL滤波的单相并网逆变器等效三相并网逆变器等效进行单独控制。并进一步对单相并网逆变器的开环特性进行分析。针对光伏电池最大功率跟踪控制须满足单级式三相光伏并网发电系统的要求,本文研究了多种光伏电池最大功率跟踪方法,从理论上详细分析了几种常用的最大功率跟踪方法,对各种方法的优缺点进行了比较。在上述研究基础上,本文提出了一种最大功率跟踪方法来满足单级式三相光伏并网发电系统,并通过仿真验证了该方法应用于光伏发电系统对光伏电池的最大
4、功率跟踪特性较好的改善。在对光伏电池模型、LCL滤波的单相并网逆变器数学模型、最大功率点控制的研究基础上,本文设计了一种并网控制器,并通过仿真验证了该控制器的有效性。本文将并网控制技术与光伏电池的最大功率跟踪控制相结合,提出了改善型最大功率跟踪方法在并网并网发电技术的应用。通过仿真验证了在三相光伏并网系统中本方案能够准确跟踪光伏电池最大功率点,同时实现系统并网。关键词:光伏发电;并网运行;最大功率点跟踪;可再生能源ABSTRACTAt present, attaches great importance to the research and utilization of renewable
5、energy at home and abroad. Solar photovoltaic power generation of renewable energy applications as one of the important component, has the advantages of safe, clean, renewable, received extensive attention, both at home and abroad are actively exploring and trying to make hot technology promotion. T
6、he effects of light intensity, temperature, photovoltaic battery when its output voltage with large fluctuation range, photovoltaic cells with strongly nonlinear characteristics, the need for photovoltaic maximum power point tracking (MPPT); As a distributed power generation system, the PV system en
7、ergy fed into the grid, grid technology research needs of photovoltaic power generation. In this paper, the maximum power of the single stage grid connected photovoltaic system tracking technology and control technology are studied theoretically and experimentally.This paper makes a theoretical anal
8、ysis of three-phase grid connected inverters, the paper established the state space mathematical model of three-phase grid connected inverters. Due to the state space mathematical model of the three-phase grid connected inverter is not conducive to the analysis using the existing control theory, thi
9、s paper based on the coordinate transformation, the equivalent three-phase grid connected inverter with LCL filter is two by using LCL filters single-phase grid connected inverter control alone. And further analysis of the loop characteristics of single-phase grid connected inverter.For single-stage
10、 three-phase grid connected photovoltaic power generation system on the photovoltaic maximum power tracking control requirements, the maximum power point tracking photovoltaic cells are different, the common maximum power tracking method is analyzed in detail, the advantages and disadvantages of the
11、se methods. On this basis, propose a tracking method of maximum power for single-stage three-phase grid connected photovoltaic power generation system, the simulation results show this method can effectively improve the maximum power of photovoltaic cell tracking characteristics. Based on the LCL fi
12、lter mathematical model of single-phase grid connected inverter, photovoltaic cell model, MPPT algorithm on the design of network controller, and the effectiveness of the controller is verified through simulation. According to the characteristics of single stage grid connected photovoltaic cell, the
13、 maximum power tracking control and synchronization control are combined, using the improved the maximum power tracking method to achieve maximum power point of the photovoltaic cell tracking grid at. Through the simulation in the three-phase photovoltaic grid connected system in this scheme can acc
14、urately track the maximum power point, at the same time, the realization of parallel.Key Words: photovoltaic (PV) power generation; stand alone mode; grid-connected mode; maximum power point tracking (MPPT); renewable energy source目 录摘 要3目 录61 绪 论81.1 课题研究的背景与意义81.2 光伏发电系统结构介绍及分类121.3 光伏发电系统控制目标151.
15、4 本文主要研究内容162 并网逆变器模型研究182.1 逆变器状态空间数学模型182.2 逆变器控制目标研究232.3 逆变器脉宽调制(PWM)技术242.3.1 双极性正弦脉宽调制242.3.2 空间电压矢量脉宽调制技术262.3 本章小结273 光伏电池模型283.1 光伏电池原理及模型283.2 光伏电池方阵的参数和输出特性313.3 太阳电池的转换效率333.4 重庆地区日照数据343.5 本章小结394 光伏电池的最大功率点跟踪404.1 光伏电池的最大功率点跟踪介绍404.2 定电压跟踪法404.3 功率反馈法424.3 扰动观测法434.4 增量电导法444.5 开路电压法46
16、4.6 三点重心比较法474.7 最优梯度法494.8 本章小结515 系统建模及仿真525.1 光伏电池仿真模型525.2 最大功率点跟踪仿真模型525.3 系统建模及仿真535.4 本章小结556 全文总结与展望566.1 全文总结566.2 后续研究展望56致 谢571 绪 论1.1 课题研究的背景与意义人们在关注能源危机的同时,更应该关注人类在利用能源过程中所产生能够污染了环境的有害物质和有害气体。这些有害物质使得自然灾害不断加剧,严重破坏了人类赖以生存的生态环境,并直接导致了地球土地荒漠化、温室效应、酸雨等全球环境危机问题的产生。到2040年,全球的平均温度将会上升2-4摄氏度,并将
17、大面积融化南北两极地的冰山,最终导致海平面大幅度上升,将淹没一些岛屿国家、沿海城市;另外,大气污染,其危害遍及全球,已成为全球化问题,与当前高速发展的经济与文明建设相比,一系列的世界环境危机问题显得尤为紧迫,如何在发展经济的同时,实现能源的可持续发展及保护环境是需人们急迫解决的问题。保护全球环境、保证能源的可持续供应是唯一途径,因此人类必须通过实施可持续发展战略,大力开展新能源的开发利用,摆脱对高能耗资源的依赖。世界上现有可再生能源具有可持续性、清洁、经济等优点,其包括太阳能、风能、地热能、水力能、生物质能(包括生物燃料)等。其中太阳能光伏发电直接将太阳辐射能转换成电能使用,没有中间过程和机械
18、运动,理论发电效率高,技术开发潜力巨大,是当前高科技创新领域中,最理想、最具有持续发展的可再生资源。太阳所发出的能量只有二十亿分之一被地球表面所接收,而这些能量是地球所需能量的3万倍还多,因此太阳能是取之不尽用之不竭,太阳能具有一次投资终身受益的经济优势、社会效益。长期以来,环保是人类发展的方向,因此如何高效利用太阳能一直是人类致力于研究的方向。晶体硅太阳能电池的转换效率在20左右,然而生物质能只有其10-30分之一,玉米转乙醇只有其50-100分之一。有业内专家统计,我国太阳能资源含量约为2.1万亿千瓦,即便开发210亿千瓦也只占1,水电的3.78亿千瓦以及风能的2.53亿千瓦远落后于太阳能
19、1。实践已经证明,光伏发电系统碳排放量几乎为零,在25年的运行发电期间,几乎没有任何排放(没有废渣、废料、废水、废气的排出,没有噪声污染)不会对人体和环境产生危害,是最适于当今环保型、快捷型的电力能源资源。因此,研究如何高效利用可再生能源,满足工业生产及人们生活的需求,具有重大的理论和现实意义。 到2030年,作为21世纪最重要及最具活力新能源的光伏发电,在世界总电力供应中的比例将达10以上,到2040年,将达30以上。光伏发电系统,根据与电网的关系,可为离网型光伏发电系统和并网型光伏发电系统两大类。经过多年的发展,光伏发电在电力系统中所占的比例将越来越大,光伏发电技术也日渐成熟可靠,并逐渐从
20、过去的小规模离网光伏系统,朝大规模并网方向发展。将光伏系统接入常规电网,实行并网发电是光伏发电进入大规模商业化应用的关键途径。据IMS最新公布的数据显示,2011年全球光伏装机容量将超过21GW,同比增长27。预计到2016年,全球并网的光伏电站容量将达到375GW。因此可以说,目前光伏发电领域科研的热点和主要方向是光伏并网系统。据报道,截至2012年全球有超过1000亿美元投资于新增可再生能源能力、制造工厂以及研究与开发。未来世界能源和电力的主要来源是光伏发电,在国际上,由于美国、日本及欧洲强有力的政策推动,国际的光伏市场呈现一片欣欣向荣的景象,同时,世界各国近几年都加紧了光伏发电的发展进程
21、。根据国际光伏组织的估算,至2030年,整个光伏产业的产值有可能突破3500亿美元(全球光伏发电装机容量将达到310GW),至2040年全球发电总量的15-20是光伏发电。比如,美国政府的光伏发电的发展规划:在2011年,南加州一个250MW光伏电站与公共土地输电线路的并网申请获得美国内政部(DOI)批准,同年,4.3MW项目在美国新泽西州建成并网,预计未来20年可向电网提供超过1亿度的清洁电力。近年,美国太阳能市场将呈现高速增长幅度,从2009开始,美国光伏市场以每年平均30的增长率增长,增长了10倍达到5.5GW左右;日本早在1974年就制定光伏发电计划“阳光计划”成为世界太阳电池的生产大
22、国,而后1994年提出朝日七年计划,2000年已推广16.2万套太阳能光伏屋顶,到2010年将安装7600MW太阳电池。计划到2030年,安装太阳能光伏发电容量达100GW;另外光伏发电强国法国,近几年光伏发电迅速发展。据报告称,法国截至2011年第二季度并网光伏安装量达147GW。除了3kW以下的系统,法国还有41的光伏系统安装量在33kW到2503kW。这意味着2503kW以上的电站仅占总安装量的26。法国大陆外地区的安装量达203MW,另有275MW等待并网;德国在1993年开始实施由政府投资支持,由电力公司实施的“1000屋顶计划”,现在实际建成的屋顶光伏并网系统已经超过50003-5
23、。在国内,始于70年代,我国太阳能光伏发电应用经过近几十年的快速发展,已经跻身于世界的前列。值得一提的是,中国作为光伏制造大国已经大步迈向光伏强国之路。“十二五”新能源专项规划中指出,到2020年光伏装机容量将达到50 GW。在未来的十几年中,我国光伏发电的市场逐渐由独立发电系统转为并网发电系统(包括沙漠电站和城市屋顶发电系统)。在政策的扶持下,我国太阳能光伏发电发展潜力巨大,家未来三年将投资200亿补贴光伏业,中国太阳能光伏发电又迎来了新一轮的快速增长,并吸引了更多的战略投资者融入到这个行业中来。预计到2030年光伏装机容量将达40多个大型煤电厂,装机容量为100GW年发电量为1300亿千瓦
24、时。我国大型太阳能电站建设标志性事件是2009年全国首个光伏电站敦煌10MW并网光伏电站在敦煌市太阳能工业园区开工。我国高原光伏发电也进入新的发展阶段,2011年7月6日,在全世界海拔最高的城市西藏日喀,日喀则地区第一座大型太阳能光伏电站并网发电,该电站投运后最大发电量30MW,建设总投资人民币8亿元,。2011年,在湖南湘潭,装机容量为20MW总安装面积约20万平方米的屋顶光伏电站屋顶光伏电站并网发电,该项目是全球最大总装机容量太阳能光伏电池发电系统。电站年总发电量近2500万千瓦时,其产生的清洁能源等效为标准煤7800吨,可有效减排二氧化碳19000吨,可节约纯净水7800万升,可减少向空
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