1、硕 士 学 位 论 文光伏并网发电系统及其控制研究 原 创 性 声 明本人郑重声明：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。论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的
2、，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定） 。签 名： 日期： 导师签名： 日期： 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
3、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 PWM MPPT ABSTRACTGrid-Connected photovoltaic technology is a good way to make full use of solar energy,which is green and clear energy.the grid-connected photovoltaic system has been a hot spot.Based
4、 on the introduce of the current condition of grid-connected photovoltaic system，the basic foundmental of Grid-Connected photovoltaic system is analyzed.After analyze different control strategy,current follow up amethod is used. Mathematic model is established. Furthermore,Grid-Connected photovoltai
5、c 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 detail.Circuit manufaction and debug is finished.maximum power follow technique is studed, and
6、 conduction increment method is adopted.KEY WORDS：solar energy, Grid-Connected, PWM, MPPT- i -目 录第一章 综述 .11.1 课题研究背景 .11.2 国内外光伏并网发电系统的研究进展 .21.2.1 国外进展部分 .21.2.2 国内进展部分 .41.3 本论文的研究思路 .6第二章 光伏发电系统的总体设计 .72.1 硅太阳电池的性能特点 .72.2 太阳能电池的模拟技术 .102.3 电源变换器 .112.4 系统的总体设计 .132.4.1 光伏并网发电系统的组成 .132.4.2 光伏发电控
7、制系统的数学模型 .152.4.3 PI 控制算法 .162.5 最大功率点跟踪算法 .172.5.1 最大功率点跟踪方法 .172.5.2 系统总体结构框图 .19第三章 软硬件电路设计 .203.1 PWM 信号的生成方法 .203.1.1 用于生成 PWM 信号生成 Saber 模型 .203.1.2 PWM 波形生成的软件实现方法 .223.2 BOOST 变换器模块 .233.3 加入 PI 反馈控制器的 Boost 电路 .273.4 SPWM 波形生成模块 .303.5 桥式逆变器模块 .32- ii -3.6 控制电路工作原理 .343.6.1 辅助电源设计 .343.6.2
8、IGBT 与 MOSFET 驱动电路设计 .343.6.3 桥式 MOSFET 驱动电路设计 .363.6.4 反馈调压电路设计 .373.6.5 arm 微控制器及外围电路 .383.7 软件系统的设计 .393.8 PCB 制作及成品图片 .42第四章 实验结果分析 .454.1 实测各种波形 .454.2 数据记录 .474.3 结论 .48第五章 总结和展望 .495.1 全文的总结 .495.2 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- 1 -第一章 综述1.1 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
9、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 3060 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
10、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。1206.5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
11、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
12、。因此，阳光发电是解决我国边远地区和第一章 综述- 2 -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
13、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
14、，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义1.2 国内外光伏并网发电系统的研究进展1.2.1 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
15、。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。商品化第一章 综述- 3 -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
16、太阳电池制造厂和 12 个组件生产厂，累计装机容量约40MW7。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
17、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 300SOOMW 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
18、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/kWh。2010 年将分别下降为 120 日元/W，300 日元/W 和 25 日元/kwh。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
