單相光伏系統(tǒng)設計畢業(yè)設計開題報告

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）開題報告</p><p>　題目：單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設計的統(tǒng)的</p><p>　　1單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設計研究的目的、意義</p><p><b>　　研究目的與意義</b></p><p>　　在能源枯竭與環(huán)境污染問題日益嚴重的今天，光伏利用成為世界各國爭相發(fā)展的熱點，光伏并網(wǎng)發(fā)

2、電作為太陽能光伏利用的發(fā)展趨勢，必將得到快速的發(fā)展。隨著化石能源持續(xù)大量的消耗以及地球生態(tài)環(huán)境的日漸惡化，世界各國都在積極的尋找一種可持續(xù)發(fā)展且對生態(tài)環(huán)境無污染的新能源[1]。</p><p>　　因此光伏并網(wǎng)發(fā)電技術已成為太陽能光電應用的主流。所以大力開發(fā)光伏發(fā)電成為必然，而隨之而來的的是并網(wǎng)技術的發(fā)展。所以以后的發(fā)展方向，在于光伏的發(fā)電和并網(wǎng)上面。太陽能光伏并網(wǎng)研究目前需要科研人員，大力開發(fā)，降低開發(fā)成本。隨

3、著社會的進步，經濟的發(fā)展，人們對能源有了更高的追求，需找新能源成了人類的難題。太陽能以清潔，環(huán)保，用之不盡等優(yōu)點收到人們的廣泛關注，全球能源專家一致認為太陽能將成為21世紀最重要的能源之一，據(jù)歐洲JRC預測，到未來2100年太陽能在整個能源結構中占據(jù)百分之六十七的份額[2]。</p><p>　　單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設計研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究，大多是針對大中型光

4、伏并網(wǎng)電站或是對小區(qū)成套光伏屋頂，一般以單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象。這種系統(tǒng)應該是小功率，小體積，低噪聲，性能可靠。光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究主要集中在如下幾個方面：</p><p>　　(1)．研究如何優(yōu)化光伏陣列布置(比如最佳傾斜角設計)、光伏模塊串并聯(lián)模式擇優(yōu)、光伏主電路參數(shù)設計、功率模塊選型、系統(tǒng)成本控制等。</p><p>　　(2)．研究光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路拓撲新結構。除了目前通

5、用的無變壓器直接并網(wǎng) 模式外，還有工頻變壓器隔離型并網(wǎng)、高頻變壓器隔離型并網(wǎng)、Z源阻抗型并網(wǎng)[4]。針對當前使用最為廣泛的無變壓器帶升壓電路直接逆變型式的光伏逆變器，其直流升壓環(huán)節(jié)通常采用的拓撲，也出現(xiàn)了除經典Boost升壓電路外。諸如羅氏升壓電路、Buck-Boost變換電路、雙向斬波電路等結構[3]，各種拓撲結構各有優(yōu)缺，實際中須擇優(yōu)應用。</p><p>　　(3)．控制策略方面進行深入研究。光伏最大功率跟

6、蹤 (MPPT，Most Power Point Tracking)策略方面也引起了廣泛關注，恒定電壓跟蹤法,擾動與觀察法等，導納增量法,實際測量法等也都各具優(yōu)點，可以根據(jù)實際需要選擇[4]。</p><p>　　2.畢業(yè)論文任務概況</p><p>　　分析光伏電池的工作機理及輸出特性，并建立光伏電池的MATLAB仿真模型。</p><p>　　分析單相光伏并網(wǎng)發(fā)

7、電系統(tǒng)的工作機理，并探討光伏陣列的MPPT和并網(wǎng)控制算法。</p><p>　　搭建光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，研究MPPT和并網(wǎng)控制算法。</p><p>　　完成小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主電控制電路的設計及控制程序的設計。</p><p>　　3主要研究內容及研究方法</p><p>　　3.1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路結構</p>&l

8、t;p>　　在進行小容量單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)設計時，其中一個重要的不可或缺的因素。就是拓撲結構，它直接關系到系統(tǒng)運行性能、發(fā)電效率、制作成本、裝備可靠性等。拓撲一旦確定后，系統(tǒng)特征元件及其相應參數(shù)的選擇也十分關鍵，比如儲能電感、直流電容、輸出濾波器等，都會影響到系統(tǒng)的運行穩(wěn)定狀態(tài)、電磁兼容。</p><p>　　小容量單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)一般采用的是無變壓器，直流升壓電路加單相全橋逆變單元的結構。還需關注環(huán)

9、境、輸出電能品質、系統(tǒng)可靠性等。</p><p><b>　　圖3.1主電路</b></p><p>　　基本直流斬波有：降壓(Buck)、升壓(Boost)、升降壓(Boost—Buck)、庫克、Zeta斬波電路、羅氏升壓等[5]。</p><p>　　Boost升壓電路，僅需要二極管、電感、電容三個主要元件；同時該結構發(fā)電效率高，可達90％

10、以上。雖然因為未隔離的原因，其存在著向電網(wǎng)注入直流電流分量的可能，但是通過控制算法與控制器參數(shù)的調節(jié)，完全可以避免。單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應具有結構簡單，小體積，低噪聲，性能可靠，使用安全方便等特點。DC／DC級采用簡單實用的Boost升壓電路。</p><p>　　圖3.2帶MPPT的Boost的原理圖</p><p>　　該級電路有兩個功能：一是將光伏陣列的直流電壓升壓后送至后級逆變環(huán)節(jié)，二

11、是由于光伏電池功率輸出的非線性，為了最大程度上利用光能，要在該級變換中實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT)的功能，通過調節(jié)占空比來實現(xiàn)。在這一級不進行DC／DC輸出穩(wěn)壓控制[6]。器件選擇：儲能電感。兩組耐壓值較高的直流大電容。</p><p>　　3.2光伏陣列的MPPT（最大功率點跟蹤技術）</p><p>　　在單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，最大功率點跟蹤功能的實現(xiàn)是在DC／DC級。將該級作為光

12、伏電池的負載，通過改變占空比來改變其與光伏電池輸出特性的匹配。實現(xiàn)太陽能電池的MPPT，其實質為匹配電池和后級變換器的動態(tài)負載。當外界環(huán)境變化時，通過不斷調整變換器的開關占空比，實現(xiàn)太陽能電池與變換器之間的動態(tài)負載匹配，就可以實時獲得太陽能電池的最大輸出功率。將同一溫度、不同的日照強度下和不同的溫度、同一日照強度下光伏電池特性曲線中各拐點依次連成線后，即可以得到該光伏陣列的最大功率點軌跡曲線。這一曲線佐證了光伏陣列既非恒流源也非恒壓源，

13、而是一種非線性直流電源，直接精確其數(shù)學模型具有較大難度，最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)即被引入，用于實現(xiàn)使光伏電池始終工作一個無限逼近該曲線的狀態(tài)，即為光伏最大功率點跟蹤控制[7]。</p><p>　　3.2.1電導增量法</p><p>　　通過比較太陽能電池陣列的瞬時導抗與導抗的變化量，根據(jù)比較結果進行相應的調制來完成最大功率點跟

14、蹤的功能。太陽能電池的P-V特性曲線可知，在最大值Pmax處斜率為零。</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p><b>　　(3.2)</b></p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　要達到最大功率點的條件，即當輸出電導的變化

15、量等于輸出電導的負值時，陣列工作于最大功率點。若不相等，則要判斷dp/du是大于零或小于零。</p><p>　　電導增量法通過比較光伏陣列的電導增量和瞬間電導來改變控制信號。這種控制算法同樣需要對光伏陣列的電壓和電流進行采樣，電導增量法控制精確，響應速度比較快，適用于大氣條件變化較快的場合，但是對硬件的要求特別是傳感器的精度要求比較高，系統(tǒng)各個部分響應速度都要求比較快，因而整個系統(tǒng)的硬件造價也會比較高。電導增量

16、法最大的優(yōu)點，是當太陽電池上的照度產生變化和表面溫度產生變化時，可以始終向后級負載提供最大功率，并同時滿足快速和高精度的要求。采用電導增量法實現(xiàn)最大功率點的跟蹤[8]。 </p><p>　　3.2.2擾動觀察法</p><p>　　擾動觀察法的基本原理：先給出一個擾動u再測量太陽能電池陣列輸出功率的變化，與擾動之前其輸出功率值相比，若功率增加，表示擾動方向正確，可繼續(xù)朝同一方向擾動；若功

17、率減少，表示擾動方向錯誤，可按-u方向擾動。經過大量的實驗得出最大功率點對應的輸出電壓近似為太陽能電池陣列開路電壓的76％，因此系統(tǒng)的初始值根據(jù)陣列的開路電壓選擇可以使系統(tǒng)的工作點快速接近最大功率點[9]。</p><p>　　最大優(yōu)點就是結構簡單，測試的參數(shù)少，跟蹤原理清晰、易于實現(xiàn)，是廣泛使用方法之一。具有以下兩個缺點：</p><p>　　一是因為擾動值U是一個確切的值，這種設定難以

18、兼顧系統(tǒng)的動態(tài)性和穩(wěn)定性。當U設置過小，MPPT步長會使到達最大功率點的時間增加，且導致系統(tǒng)的動態(tài)響應速度變慢；但如果U設置過大，則使太陽能電池輸出的能量波動較大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，同時U過大會使系統(tǒng)擾動幅度過多，導致平均輸出功率將遠小于太陽能電池提供的最大功率而損失部分能量[10]。</p><p>　　二是在外界環(huán)境快速變化的情況下，擾動觀察法可能會引起誤判，導致系統(tǒng)工作點遠離太陽能電池的最大功率點。即使到

19、了最大功率點，擾動仍在，在最大功率點附近振蕩運行，導致部分功率損失。而且跟蹤過程可能出現(xiàn)失序的情況，進而導致跟蹤失敗，因此這種方法不適用在環(huán)境快速變化的情況下運行[11]。擾動觀察法的程序框圖見圖</p><p>　　圖3.3擾動法流程圖</p><p>　　3.3單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)整體結構分析</p><p>　　3.4.1逆變器的并網(wǎng)控制方案</p>

20、;<p>　　逆變器與市電并聯(lián)運行的輸出控制可分為電壓控制和電流控制，市電系統(tǒng)可視為容量無窮大的定值交流電壓源，如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，一個電壓源與電壓源并聯(lián)運行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，就必須采用鎖相控制技術以實現(xiàn)與市電同步，在穩(wěn)定運行的基礎上，可通過調整逆變器輸出電壓的大小及相移以控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。但由于鎖相回路的響應較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制、可能出現(xiàn)環(huán)流等問題，不易獲得

21、優(yōu)異性能。如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓，即可達到并聯(lián)運行的目的。由于其控制方法相對簡單，因此電流型并網(wǎng)控制方式被廣泛地采用。光伏并網(wǎng)逆變器一般都采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。</p><p>　　3.4.2雙環(huán)控制方案</p><p>　　通常逆變器的功率電路使用橋式電路，由此可將直流輸入轉換為交流輸出，由于電感的濾波作用，可使輸出波形較為

22、平滑。被控量并網(wǎng)電流。與電網(wǎng)電壓同頻、同相，要求加上同步鎖相環(huán)以保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同步。逆變器的輸出端接電網(wǎng)，從控制原理上來講，電網(wǎng)是一個擾動量。</p><p>　　圖3.4 并網(wǎng)系統(tǒng)整體結構框圖</p><p>　　內環(huán)控制采用基于并網(wǎng)電流的瞬時值反饋，用于電流的實時跟蹤。附加外環(huán)的目的是為了消除單獨采用內環(huán)控制存在的誤差。外環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理是：在電網(wǎng)過零點來到時，通過幅相檢

23、測器分別檢測并網(wǎng)電流的幅值和相位誤差，PI調節(jié)后產生輔助參考電流信號與同步鎖相環(huán)產生的主參考電流信號相加后作為內環(huán)的參考電流。外環(huán)將與內環(huán)的共同作用保證了并網(wǎng)電流對主參考電流的無差跟蹤。因此可將內環(huán)與外環(huán)一起稱為電流跟蹤環(huán)。電網(wǎng)電壓過零點是同步鎖相環(huán)和外環(huán)相位控制環(huán)的同步源，提供了產生正弦信號的基準點。</p><p>　　為了消除這個穩(wěn)態(tài)誤差，改進方案：在內環(huán)外增加一個外環(huán)，分別控制并網(wǎng)電流的相位和幅值，檢測內

24、環(huán)輸出的并網(wǎng)電流的相位和電網(wǎng)電壓相位差作為相位控制環(huán)的反饋輸入，檢測并網(wǎng)電流的幅值作為幅值控制環(huán)的反饋輸入幅值誤差和相位誤差分別經過PI調節(jié)器輸出后產生輔助參考電流。</p><p>　　3.4.3鎖相環(huán)的實現(xiàn)</p><p>　　在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，為了保證并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓嚴格同頻、同相(只有在功</p><p>　　率調節(jié)器中出于無功功率補償?shù)男枰?，才可控地實現(xiàn)

25、一定的相位差)，鎖相環(huán)能滿足這一要求，所以要使用鎖相環(huán)(PLL)技術。</p><p>　　同步鎖相環(huán)從功能上可理解為一個信號發(fā)生器，實時發(fā)出與電網(wǎng)電壓同步的正弦波。鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。</p><p>　　鎖相環(huán)是一種反饋控制電路，它的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內部振蕩信號的頻率和相位。因鎖相環(huán)可

26、以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住。鎖相環(huán)是一個使輸出信號(振蕩器產生的)與參考信號或者輸入信號的頻率和相位上同步的電路。在同步狀態(tài)，振蕩器輸出信號和參考信號之間的相位差為零，或者保持常數(shù)。</p><p>　　圖3.5 PLL結構控制框圖&

27、lt;/p><p>　　3.4.4濾波器的設計</p><p>　　凡是有具有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。用來分開及組合不同頻 率，選取需要的信號頻率，抑制不需要的信號頻率的微波器件。主要功能是作為 各種電信號的提取、分隔、抑止干擾。</p><p>　　電氣工程上,常利用LC元件對不同頻率交流電量的電抗不同

28、,對交流電量進行分流,稱為濾波。濾波器一般由電感或電容以及電阻等元件組成電容濾波，簡單的說，濾波是利用電容對特定頻率的等效容抗小，近似短路來實現(xiàn)的（與諧振無關）。</p><p><b>　　4 預期結果</b></p><p>　　1、閱讀中外參考文獻不少于20本（篇）以上；</p><p>　　2、完成初步方案設計和開題報告，并提出初步設計

29、方案供開題答辯；</p><p>　　3、按照任務要求完成全部設計內容，達到預期的設計指標；</p><p>　　4、按照《西南石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范》的要求和格式完成2萬余字的畢業(yè)設計報告（論文），提交按照要求裝訂規(guī)范的報告（論文）的打印件和電子文檔；</p><p>　　5、完成500個漢字以上的畢業(yè)設計（論文）的中英文摘要；</p>

30、<p>　　6、完成與設計題目相關的外文翻譯，要求外文字符不少于2萬，并提交裝訂成冊的外文原文和中文譯文，同時提供電子文檔。</p><p><b>　　5 時間進程安排</b></p><p>　　表5.1時間進程安排表</p><p><b>　　6 參考文獻</b></p><p&g

31、t;　　[1] 姜子晴.單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究[D].江蘇：江蘇大學，2008.</p><p>　　[2] 郭镥.小容量單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)設計與研究[D].湖南：湖南大學，2012.</p><p>　　[3] Geoff Stapleton,Susan Neill,太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[M].：機械工業(yè)出版社，2014.</p><p>　　[4] My

32、rzik JMA，Calais M．String and module integrated inverters for single-phase grid connected photovoltaic systems[C]．Power Technology Conference Proceedings，IEEE Bologna．2003，2·8．</p><p>　　[5] 陳宗祥，蔣贏，潘俊民，劉曉

33、東．基于滑模控制的Z源逆變器在單相光伏系統(tǒng)中的應用[J]．中國電機工程學報．2008，28(21)：33-39．</p><p>　　[6] 關守平，郝立穎.低壓電網(wǎng)中的太陽能光伏系統(tǒng)拓撲結構優(yōu)化[J]．東北大學學報．2009，30(12).</p><p>　　[7] 高金輝，唐靜.一種新型光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法的研究[J]．電力系統(tǒng)保護與控制．201l，39(23)：21-24(29

34、)．</p><p>　　[8] Tsukamoto O,Okayasu T,Yamagishi K.Study on Islanding of DispersedPhotovoltaic Power Systems Connected to a Utility Power Grid[J]．Solar Energy，2001，70(6)：505-51 1．</p><p>　　[9] 賴東