光伏并网发电系统及其控制研究硕士学位毕业论文.docx
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光伏并网发电系统及其控制研究硕士学位毕业论文
硕士学位论文
光伏并网发电系统及其控制研究
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所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律责任由本人承担。
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中文摘要
光伏并网发电可以高效的利用太阳能这种绿色清洁能源，光伏并网发电技术的研究成为发展趋势和热点。
本论文在分析了光伏并网发电国内外进展的基础上，本文分析了单相光伏并网发电系统的组成结构和工作原理。
在分析了不同控制策略的优缺点的基础上，采用电流跟踪控制和电网电压前馈控制的策略，对控制系统进行了数学建模。
设计并制作了基于光伏并网发电系统的硬件电路，包括系统的主电路、信号的采样与处理电路、PWM及SPWM信号的隔离与驱动电路以及电源电路。
对这些电路的工作过程进行了详细的分析，对电路中的参数进行了计算，完成了硬件电路的制作与实验调试。
研究了最大功率点跟踪控制（MPPT）的原理和方法，并采用电导增量法来实现光伏阵列的最大功率点跟踪
关键词：
太阳能并网发电PWMMPPT
ABSTRACT
Grid-Connectedphotovoltaictechnologyisagoodwaytomakefulluseofsolarenergy,whichisgreenandclearenergy.thegrid-connectedphotovoltaicsystemhasbeenahotspot.Basedontheintroduceofthecurrentconditionofgrid-connectedphotovoltaicsystem，thebasicfoundmentalofGrid-Connectedphotovoltaicsystemisanalyzed.Afteranalyzedifferentcontrolstrategy,currentfollowupamethodisused.Mathematicmodelisestablished.Furthermore,Grid-Connectedphotovoltaiccircuitisdesigned,includingmaincircuit,signalsampleandprocesscircuit,PWMandSPWMwavegenerationcircuitandorderdriverandsourcecircuit.Thesecircuitoperationfoundamentalisanalyzedindetail.Circuitmanufactionanddebugisfinished.maximumpowerfollowtechniqueisstuded,andconductionincrementmethodisadopted.
KEYWORDS：
solarenergy,Grid-Connected,PWM,MPPT
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本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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目录
第一章综述1
1.1课题研究背景1
1.2国内外光伏并网发电系统的研究进展2
1.2.1国外进展部分2
1.2.2国内进展部分4
1.3本论文的研究思路6
第二章光伏发电系统的总体设计7
2.1硅太阳电池的性能特点7
2.2太阳能电池的模拟技术10
2.3电源变换器11
2.4系统的总体设计13
2.4.1光伏并网发电系统的组成13
2.4.2光伏发电控制系统的数学模型15
2.4.3PI控制算法16
2.5最大功率点跟踪算法17
2.5.1最大功率点跟踪方法17
2.5.2系统总体结构框图19
第三章软硬件电路设计20
3.1PWM信号的生成方法20
3.1.1用于生成PWM信号生成Saber模型20
3.1.2PWM波形生成的软件实现方法22
3.2BOOST变换器模块23
3.3加入PI反馈控制器的Boost电路27
3.4SPWM波形生成模块30
3.5桥式逆变器模块32
3.6控制电路工作原理34
3.6.1辅助电源设计34
3.6.2IGBT与MOSFET驱动电路设计34
3.6.3桥式MOSFET驱动电路设计36
3.6.4反馈调压电路设计37
3.6.5arm微控制器及外围电路38
3.7软件系统的设计39
3.8PCB制作及成品图片42
第四章实验结果分析45
4.1实测各种波形45
4.2数据记录47
4.3结论48
第五章总结和展望49
5.1全文的总结49
5.2展望和后续的相关工作49
参考文献51
发表论文和科研情况说明53
致谢54
第一章综述
一.1课题研究背景
在跨入21世纪以来，人类正面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济己经成为全球热点问题。
而能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匾乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题，如环境污染，温室效应等都与化石燃料的燃烧有关。
目前的环境问题，很大程度上是由于能源特别是化石能源的开发利用造成的，人类要解决这些能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源[1]。
国际能源机构预测，全世界煤炭只能用220年，油气开采峰值位于2012年，并将在30~60年后消耗殆尽。
据估计我国的煤炭只可开采80年，天然气可开采30年，石油可开采20年。
同有限的化石燃料能源相比，太阳辐射能预计在100亿年里可保持近似恒定的辐射输出，堪称无限的能源。
太阳能每秒钟到达地球的能量高达80万千瓦，如果把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率为5%，那么每年发电量可达
千瓦时，相当于目前全世界能耗的40倍。
光子能量完全可以转换成人类需要的能源，其中，光能转换为电能是最为重要的一种转化过程，这是因为电能是一种高级的能源形式，电能可以方便地转换成热能、动力能、化学能等各种形式的能源，从而满足人类生活、生产的不同需要[2]。
因此，在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源，光伏发电就是其中之一。
相对而言，目前这项技术的发展还处在初期阶段，到2030年之后将会有很稳定和很高的增长率，会成为可行的电力供应者。
除此之外，与其它的能源相比，太阳能是一种理想的可再生能源，开发利用太阳能的主要途径是光伏发电，它具有如下优点:
无噪声、无污染，能量随处可得且取之不尽，不受地域限制，可以无人值守，建设周期短，规模设计自由度大等，这些优点都是常规发电和其他发电方式所不能比拟的[3]。
因此，开发利用太阳能己成为世界上许多国家可持续发展的重要战略决策。
光伏发电己经在许多应用领域都被证明在技术上是成熟的，在经济上是合算的。
分析表明，在目前光伏电站有效系统功率与输电距离的比值小于100瓦/公里时，建光伏电站较常规电网延伸供电经济。
因此，阳光发电是解决我国边远地区和特殊领域供电的重要途径。
我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济不发达地区。
据统计，目前尚有约900万户、2800万人口还没有用上电，60%的有电县严重缺电。
一些地区的农牧民，居住分散，远离电网，而且用电水平很低，平均年用电仅为120千瓦时，在10年甚至20内都不可能靠常规电力解决他们的用电问题，光伏发电则是解决分散农牧民用电的理想途径，市场潜力十分巨大[5]。
目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类:
（1）离网光伏蓄电系统。
这是一种常见的太阳能应用方式，在国内外应用己有若干年。
系统比较简单，而且适应性广。
只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。
光伏并网发电系统。
当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电;而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。
在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。
离网和并网两者混合系统，这是介于上述两个方之间的系统。
该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。
但是其造价和运行成本较上述两种方案高。
从远期看，光伏并网发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源;从近期看，光伏并网发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义
一.2国内外光伏并网发电系统的研究进展
一.2.1国外进展部分
在国外，近年来太阳能光伏电源己开始由补充能源向替代能源过渡，并从偏远无电地区中火功率的独立发电系统向并网发电系统的方向发展。
我国光伏技术虽然经过40年的努力，已具有一定的水平和基础。
但是，与世界先进国家相比仍有不少的差距。
目前我国光伏产品的市场份额为:
启用光伏电源和独立光伏电站占30%，通信领域占40%，铁路、公路信号源、气象台站电源等其他工业领域占20%，各种民用商品占10%。
随着常规能源资源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。
近几年，国际光伏发电迅猛发展。
世界光伏组件在过去巧年平均年增长率约15%。
90年代后期，发展更加迅速，最近3年平均年增长率超过30%。
1999年光伏组件生产达到200MW。
在产业方面，各国一直通过扩大规模、提高自动化程度、改进技术水平、开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。
商品化电池效率从10%－13%提高到13%~15%，生产规模从1MW/年发展到5MW/年，并正在向50MW甚至100MW扩大;光伏组件的生产成本降到3美元/W以下[6]。
发展中国家印度处于领先地位，目前有50多家公司从事与光伏发电技术有关的制造业，其中有6个太阳电池制造厂和12个组件生产厂，累计装机容量约40MW[7]。
国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电己由补充能源向替代能源过渡。
到目前为止，世界太阳电池年销售量己超过60兆瓦，电池转换效率提高到12%以上，系统造价和发电成本己分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电;在太阳能利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾10亿美元。
太阳能热发电在技术上也有所突破，目前己有20余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。
并网型户用太阳能发电设备，从1994年后迅速发展，到2003年己占当年太阳能发电设备市场的55%。
其中比较突出的是美国，1997年提出的“百万太阳能屋顶计划”，按每户3kw计算，计划到2010年将在100万个用户屋顶上安装共计3000MW的太阳能发电设备。
德国1999年开始实施的10万太阳能屋顶计划，在2005年安装共计300~SOOMW的太阳能发电设备。
日本从1994年开始发展并网型户用太阳能发电设备，到2004年已安装58000套，到2008年要达到247600套，。
日本为了发展并网型户用太阳能发电设备，把它作为一种新的家用电器来对待，突破关键技术，降低成本。
这其中包括把太阳电池的转换效率提高到15%以上，发展新型的高频变压器绝缘方式或正激变压器绝缘方式逆变器。
据资料介绍，2005年日本太阳电池价格为140日元/W，并网型户用太阳能发电设备价格为370日元/W，发电成本为30日元/kW·h。
2010年将分别下降为120日元/W，300日元/W和25日元/kw·h。
2020年将分别下降为60日元/W，200日元/W和巧日元//kw。
到那时完全可以和火力发电价格相竞争。
然而，在开发太阳能技术的过程中，人们把大部分注意力都放在了如何提高光电池的效率上。
但另一个不能忽略的重要问题是，如何设计将电池产生的直流电高效率地转换成交流电的电路。
为了在成本上与燃烧媒、石油等化石燃料的发电方式相竞争，提高逆变器每一个百分点的效率都是非常重要的。
逆变器是光伏发电系统中主要组成部分之一，80年代末日本学者.Nonaka等率先研制成功一种电流源型光伏阵列并网逆变器。
这种并网逆变器较好地适应了光伏电池类似电源的特性，取得了较好的性能。
但由于采用了电流源逆变主电路，使主电路及控制复杂化，因而没有得到很好的发展。
90年代以来，随着电力电子及控制技术的发展，电压型PWM可逆变流技术越趋成熟。
由于其优越的双向功率变流及其电流控制性能，使这类技术直接应用于光伏阵列的并网发电，并获得了网侧正弦波电流特性，真正实现了“绿色”电能变换[8]。
随着技术的不断更新，控制电路中的调制技术也得到了很大的发展，其中SPWM调制与滞环调制是目前逆变器中最常见的两种调制方式，它们分别从数字通信的脉宽调制和Delta调制发展而来。
通信中调制的目的是为了远距离传输信号，而在电力电子装置中则是为了减小系统的体积、提高系统的动态响应和降低输出谐波含量。
从改善输出波形
一.2.2国内进展部分
我国是以煤炭为主要消费能源的国家。
较之以油、气为主的能源消费主流方式，能源结构很不合理。
在相当长的历史时期，我国曾把发展能源、交通作为国民经济的发展重点，对能源资源过度的开采和粗放型使用，不惜以环境污染作为代价，试图突破能源和交通，致使我国现在的能源开发面临着极大的挑战。
况且，我国太阳能资源非常丰富，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优势大得多，开发和利用太阳能资源对解决我国的能源问题有着很重要的作用。
但是，我国太阳能光伏技术开始于20世纪70年代，开始时主要运用于空间技术，而后逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。
目前我国已经成为世界上最大的太阳能热水器生产和销售国，产值突破100亿元，技术水平也处于国际先进行列。
但在光伏工业和太阳能热发电领域与国外还有相当的差距。
在国内，光伏发电的应用主要集中于农村电气化和离网型光伏产品。
以前阻碍光伏推广的最直接因素是政策和成本，但在气候变化和能源短缺的背景下，太阳能发电越来越受到国家和投资者的重视。
因而，1995年国家计委、科委和经贸委就制定了《新能源和可再生能源发展纲要》。
纲要明确提出了我国在1996年~2010年间新能源和可再生能源的发展目标任务以及相应的对策和措施。
1996年9月，“世界太阳能高峰会议”提出了在全球无电地区推行“光电工程”的倡议时，中国政府立即做出积极响应，制定并实施了“中国光明工程”的计划。
2005年3月，正式颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，并将于2006年开始实施。
该政策的出台，促进了太阳能光伏发电产业的发展，使太阳能光伏发电量上升到一个新的水平。
截止到2006年，中国国内光伏发电累计装机为8万千瓦，累计总投资40多亿元人民币，中国可再生能源计划和国家送电到乡工程，已利用太阳能发电为我国内蒙古、甘肃、新疆、西藏、青海和四川等地共16万无电户解决了用电问题[8]。
但是，在过去30多年里，尽管光伏发电的成本由每度5美元下降到0.5美元左右，但是其成本仍远远高于常规电价。
又由于电力部门尚未正式接受光伏发电上网，并网型的光伏市场没有真正启动。
根据专家的测算，到2010年我国并网光伏发电安装量占光伏发电的20%，从2010年到2020年，中国光伏发电将会由离网发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。
2020年和2050年将分别上升至60%和80%目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。
此类系统结构简单，成本低廉，但于负载直流电压的不同（如12V、24V、48V等），很难实现系统的标准化和兼容性特别是民用电力，又由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为民品进入市场。
另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用成熟的市场模今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流[9]。
我国光伏应用己经进行了许多研究，开发了各种光伏系统的控制器及逆变器，光伏水泵已形成一定生产能力，各种太阳能灯具已推广应用，各种级别的并网逆器己开始结合实际需要进行研制。
但是，光伏用的控制器、逆变器等关键平衡设从总体上说，技术性能不够高，可靠性尚低，品种规格少，功能不多，与国外产品有不小差距，特别是并网逆变器和智能控制器差距更大。
光伏并网发电系统分为可调度式并网系统（带少量蓄电池）和不可调度式并系统（不带蓄电池），后者由于没有蓄电池，造价相对较低，但由于不能够控制网时间，作为调峰使用效果较差，这类并网系统要求逆变器只有单一的并网工作式，当电网失电时停止工作。
国外开发可调度性并网系统的目的是电网调峰，虽带有蓄电池，但其容量只要求满足每天3到4个小时调峰，不如独立光伏系统要求存储量满足3天使用，因此造价比独立光伏系统大大下降。
由于上网时间可以控制，可调度式并网系统的调峰效果大大提高，深受电力部门的欢迎。
可调度式并网系要求逆变器同时具有独立工作和并网工作两种模式，具有更大的灵活性，更容易电力部门作为电力调峰所接受。
目前关于可调度型并网逆变器的研制方案大多是用80C9616位单片机配合D/A转换和MOSFET功率模块实现的。
这种电路简单实施，但所需的外围电路较多，且功能简单。
目前，逆变电源控制方式大多采用正弦波脉宽调制，即所谓的SPWM技术。
控制电路大多采用模拟方法实现，模拟控制技术虽然已经非常成熟，但其存在很以逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。
由于我国并网型太阳能发电设备还未形成规模生产，如何正确选定并网型太阳能发电设备用逆变器和控制器，提高并网发电系统的能量转换效率，降低供电成是太阳能并网发电系统必须面对的一个重要课题
一.3本论文的研究思路
本文分析了单相光伏并网发电系统的组成结构和工作原理。
分析了不同主电路拓扑结构的优缺点。
在分析了不同控制策略的优缺点的基础上，采用电流跟踪控制和电网电压前馈控制的策略，对控制系统进行了数学建模。
设计并制作了基于光伏并网发电系统的硬件电路，包括系统的主电路、信号的采样与处理电路、PWM及SPWM信号的隔离与驱动电路以及电源电路。
对这些电路的工作过程进行了详细的分析，对电路中的参数进行了计算，完成了硬件电路的制作与实验调试。
研究了最大功率点跟踪控制（MPPT）的原理和方法，并采用电导增量法来实现光伏阵列的最大功率点跟踪。
设计的主要目标如下：
（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：
RS和RL在给定范围内变化时，使
，相对偏差的绝对值不大于1%。
（2）实现了全数字控制及数码显示；
（3）实现了输出电压可调，调节范围：
AC12.3V-50V；
（4）实现了输出频率可调，调节范围：
30Hz-250Hz。
（5）当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率
≥60%。
（6）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。
第二章光伏发电系统的总体设计
二.1硅太阳电池的性能特点
太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。
能产生光伏效应的材料有许多种，如:
单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化稼，硒锢铜等。
它们的发电原理基本相同，当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P一N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。
这个过程的的实质是:
光子能量转换成电能的过程。
太阳能电池主要由下面的几个部分组成[10]：
（1）基体材料：
用于制备空间用硅太阳电池的基体材料为硅单晶，对材料的基本要求在GJB431-92中作了规定，其主要技术要求包括单晶制备方法、导电类型、基体电阻率、晶向、少数载流子寿命和位错密度
（2）PN结，是构成太阳电池的核心，制备PN结是制造太阳电池的关键，所谓PN结制备是在一块具有确事实上导电类型的基体上再掺杂另一种不同导电类型的元素，形成一个势垒区。
这个区域称为太阳电池的PN结。
（3）上下电极：
在已制备PN结硅单晶上，制作一层金属后，才成为一个可输出电能的器件即电极。
对N+P结构的太阳电池而言，N+层为电池的光照面，其上制备上电极，与电池背面接触的电极称为下电极。
采用钛钯银三种金属作为电极材料。
电极的结构中通常下电极为全覆盖形式，而电池光照面上的电极设计要综合考虑减少电极对电池的遮挡面积和由电极引起的串联电阻。
通常使用梳状或王字形电极
（4）减反射膜，因为入射到光亮的硅表面光能有近1/3被反射掉，为了减少对光反射损失，在光照面上要镀一层多层减反射膜，来提高电池对光能的利用率。
电阳电池的评价和判断光照时性能好坏的标准有4个主要的参数：
短路电流、开路电压、转换效率和填充因子。
当受到光照时，光生电流流过负载，并在负载两端建立起电压，其等效电路如下：
太阳电池可看成一个由一个能恒定产生光电流IL的电流源、一个与之相并联的处于正偏压的处于正偏压下的二极管和负载电阻三部分组成，太阳电池受光照后产年的光电流中一部分流过二极管，称为正向电流ID，余下部分流过负载电阻，称为负载电流I。
在实际太阳电池中，存在串联电阻Rs和并联电阻Rsh，其实际的等效电路如下：
图2－1中显示的是常用的光照太阳能电池的电流一电压特性曲线，如果太阳能电池（组件）电路短路，即U=0，此时的电流为短路电流Isc。
如果电路开路，此时的电压为开路电压Uoc。
太阳能电池（组件）的输出功率等于流经该电池的电流与电压的乘积[11]。
图2－1太阳能电池的输入输出特性
当太阳能电池（组件）的电压上升时，电池的输出功率亦开始增加;当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压达到开路电压Uoc。
电池输出功率达到最大的点，称为最大功率点;该点的功率，则称为最大功率Pmax。
温度的变化会显著改变太阳能电池的输出特性。
由半导体物理理论可知，载流子的扩散系数随温度的升高而增大，因此，光生电流工L也随温度的升高有所增加。
对于硅材料来说，电池的工作温度每升高1℃，开路电压约下降ZmV，大约是正常室温时的
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