单相光伏并网系统的MATLAB仿真研究硕士学位.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流单相光伏并网系统的MATLAB仿真研究硕士学位.精品文档.分类号:470.4054 密级:天津理工大学研究生学位论文单相光伏并网系统的MATLAB仿真研究(申请硕士学位)学科专业:电力系统及其自动化研究方向:电力电子技术在电力系统中的应用作者姓名:卞策指导教师:王云亮 教授2014年1月Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for the Masters Degree The Study of grid-connectedPhotovoltaic systemBased on
2、 MATLAB Simulation ByBian CeSupervisorProf. Wang Yun-liangJanuary, 2014独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天津理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津理工大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天
3、津理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编,以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名: 导师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日摘要随着我国全年国内生产总值的不断提高,对不可再生能源的依赖明显过度。目前,能源危机问题日益明显,所以,新型能源的应用受到了越来越多的重视。其中,太阳能的可再生性以及清洁性等特点使其备受世界各国的关注,光伏并网系统也成为新型能源开发领域的一个重点发展方向。本文从提高光伏系统并网稳定性的角度出发,对光伏并
4、网发电系统中的电池特性、逆变器控制策略、孤岛检测等问题开展了深入研究。本文首先对光伏并网系统的背景及意义进行了介绍,对光伏并网系统的构成及应用进行了分析。之后,在MATLAB/SIMULINK环境下对模型进行了仿真,分析光强和温度对其输出的影响。然后,对目前常用的几种光伏并网控制策略进行了介绍,在进行比较后得出:使用电网电压前馈和锁相环技术的复合控制效果更为理想,并且在MATLAB环境下的总谐波畸变率更小;另外,研究了并网系统在孤岛效应下的影响问题,对常见的孤岛效应检测方式进行了改进,缩短了反应时间,提高了并网系统的可靠性。关键词:太阳能 光伏并网 MATLAB仿真 逆变 孤岛效应Abstra
5、ctWith the continuous improvement of the annual gross domestic product (GDP), China has an excessive dependence on non-renewable energy obviously. The energy crisis has become increasingly apparent at present. So, the application of new energy has been more and more attention. Among them, solar ener
6、gy has attracted many attentions of the world by its characteristics such as renewable and clean. Photovoltaic (PV) grid-connected system has become a focus in the field of new energy development. In order to improve the stability of the PV grid-connected system, this article has carried out in-dept
7、h study on the battery characteristics of PV grid-connected power generation system, inverter control strategy and the island detection problem.Firstly, this paper introduced the background and significance of PV grid system. The composition and application of PV grid-connected system are. Then the
8、PV cell model was simulated in the MATLAB/SIMULINK environment, the effect of light intensity and temperature on the output was analyzed. Afterwards several kinds of PV grid-connected control strategies were introduced. After comparison we concluded that: the compound control strategy, which based o
9、n the combination of phase-locked loop (PLL) technique and feed-forward control of voltage, shows a better effect and the total harmonic distortion (THD) was reduced. In addition, the influence of grid-connected system has been analyzed under the islanding issues. The common way of islanding detecti
10、on was improved. The reaction time was reduced; the reliability of the grid-connected system was increased.Key words: solar power, PV grid-connected, MATLAB simulation, inverter, islanding目 录第一章绪论11.1 本课题研究背景与意义11.1.1 当今社会的能源现状11.1.2 太阳能资源及特性11.1.3 太阳能源的利用方式21.2 光伏发电发展现状和前景31.2.1国外发展现状及前景31.2.2国内发展现
11、状及前景41.3 本文研究的主要内容6第二章光伏发电系统和光伏电池72.1 光伏发电系统概述72.1.1光伏发电系统构成72.1.2光伏发电系统分类及应用82.1.3光伏发电系统的主要研究问题92.2 光伏电池的工作原理述102.3 光伏电池输出特性112.3.1光伏电池等效电路112.3.2光伏电池的输出特性132.4 光伏电池的建模与仿真研究152.5 本章小结19第三章光伏并网逆变器主电路研究与设计203.1 光伏并网逆变器拓扑结构203.1.1非隔离型并网逆变器203.1.2隔离型并网逆变器213.2 并网逆变器的技术指标223.3 光伏并网逆变器主电路设计233.4 输出滤波参数设计
12、253.4.1 调制方式的确定253.4.2 LC参数设计263.5 本章小结28第四章光伏并网逆变器控制策略的研究294.1 并网系统的电流控制策略294.2 基于电网电压前馈和锁相环技术的复合控制策略304.2.1 电网电压前馈控制304.2.2 PI控制314.2.3 锁相环技术334.3 并网逆变器的仿真与分析354.4 本章小结39第五章 光伏并网系统的孤岛效应检测405.1 孤岛效应405.2 孤岛检测标准425.3 孤岛检测方法435.3.1 被动检测法435.3.2 主动检测法435.4 孤岛检测的仿真研究455.4.1 AFD算法的具体实现455.4.2 AFD的仿真研究46
13、5.5 本章小结50第六章 结论与展望516.1工作总结516.2未来工作展望51参考文献52发表论文和科研情况说明55致 谢56第一章 绪论1.1 本课题研究背景与意义 现代社会,能源,作为一种必不可少的发展动力来源,一直被大量消耗着。从平时生活中的水、电、气到人类所需求的娱乐、通信、交通都和能源保存着密切的联系。而在当今社会科技飞速发展的前提下,现有能源已不能满足社会的需求。尤其石化能源的不可再生性与开发、利用环节中所产生的污染问题日益严峻,已经成为了制约社会发展的主要瓶颈。为了推进人类世界的发展,改变能源结构,开发利用新型能源成为了解决未来世界对能源需求的必经之路。 而太阳能,作为一种接
14、近无限量的新型能源,其在开发和利用的过程中具有清洁、安全等特点,成为了不可再生能源的主要替代品1。开发利用光伏能源的形式有很多,其中光伏并网发电系统作为倍受人们关注的形式之一,应用领域十分广泛2。所以,对光伏并网发电系统开展深入而广泛的研究,对于促进环境保护、解决能源危机以及帮助人类社会经济的稳定发展等都具有重大而深远的意义3。1.1.1 当今社会的能源现状根据美国石油协会统计结果表明,整个地球上的原油可供给人类开采时间不超过95年,而且在2050年之前,全球的社会发展还是主要由煤炭支撑,以后的两三个世纪里,这种资源也会面临消失,矿物化石燃料供应将面临枯竭4-6。同时,随着我国近几十年工业化进
15、度加快,将会使得能源消耗量持续增加,可以预见的是,我国将在不远的未来面临传统能源濒临枯竭的现实7-8。因此,我们应加快寻求新型替代能源的脚步,尽快改善并扭转我国能源日益匮乏的状况。在人类社会来到缺乏能源的时代,由于以往进行经济发展的时候使用了很多污染性燃料,其生成的污染性气体等引起了许多不好的结果,例如一直加剧的世界气候变暖、极低融化、酸雨的产生等一系列自然灾害,使得人类赖以生存的地球遭到严重的破坏9。由此可见,在全世界传统能源日益减少的同时,生态环境的破坏后果却日益突出。所以,在环境不断恶化和能源濒临枯竭的背景下,寻找没有污染的新型能源已是迫在眉睫。1.1.2 太阳能资源及特性太阳能源是由太
16、阳光的辐射传送到地球的,其中大概只有二十二亿分之一的能量可以到达地球范围,大概有1.73106 亿千瓦。这中间再经过大气的吸收、反射,大约会有百分之五十一到达地表,大概为8.8105 亿千瓦。其中,可以到达陆地表面的能量,仅剩百分之十,大约为1.7105 亿千瓦。尽管所剩能量比如此之少,但是如果能够把这些太阳能利用起来,仍然等同于全球目前消耗总能量的3.5万倍,可以说是取之不尽、 用之不竭。和煤炭、石油、天然气等燃料相比,太阳能源不仅总量丰富,而且在整个开发利用的过程中也不会破坏现有的生态环境,它拥有以下几项主要优势10:(1) 存在广泛。不一样的地理位置、不同的气候会对太阳能的辐射造成不同程
17、度的影响,但是,太阳能源对于我们地球上的大多数地区都具有着普遍性,可以进行就地取用。光伏能源利用前景相对较好的地区约占我国领土总面积的三分之二。(2) 储量无限。太阳是一颗年轻的恒星,相比于人类存在的时间来讲,它可以供给我们能量的时间基本上是无穷的,这样,就从根本上解决了传统能源的匮乏问题。(3) 利用清洁。煤炭、石油等化石燃料的使用过程中,会放出很多有害物质,污染环境。而在开发利用太阳能源时不会生成污染大气的物质,是比较理想的绿色能源。(4) 利用经济。太阳能源的经济型需要从两个方面来看待。一是太阳能源就地可取,无需“缴税”,更可以接近负载,减少输配电网络的传输损耗。另一方面,虽然在目前的科
18、技基础下,需要投入很大资金,但是随着科技的发展,相信在不久的将来,人类能实现太阳能源的技术突破。1.1.3 太阳能源的利用方式太阳能源具有多种利用方式,主要类型有以下几种方式,见表1-1所示11。表1-1 太阳能源利用方式一览表1.2 光伏发电发展现状和前景1.2.1国外发展现状及前景自从埃德蒙贝克勒尔研究出“光伏效应”到现在,太阳能发电历经了迅猛的发展,从实验室探索到后来在实际中的大量应用,光伏发电在以不可思议的速度拓展着自己的应用领域。如表1-2所示 12,13。表1-2 光伏技术的发展历史简表目前,世界上的各个国家对该领域的研究都抱着极其重视的态度,并且不断的扩大着光伏发电的市场占有量。
19、在未来,有国内外专家们预测,到二十一世纪的二十年代和三十年代,光伏发电的全世界装机总容量将会成倍增长,达到大约125GW和920GW。由此可以预见到,光伏能源会在不远的未来,由候补能源转向替代能源14。1.2.2国内发展现状及前景在上个世纪后期,我国逐渐实施各个地区和各个工程的光伏系统建设。2002年,在西部启动的“无电乡通电计划”中,进行架设了总共16.5MW的光伏发电系统,这些光伏发电设施为大约八百个乡解决了供电问题,是一个了不起的成就。新世纪以来,我国的光伏发电产业快速增长,在当前阶段,随着光伏电池的造价持续降低,并且全国政府颁布的许多支持其发展的条令,使我国的太阳能产业正在迅速的成长,
20、预计大约在2020年之前,太阳能发电将由独立型发电系统转向并网型,并且到2020年左右我国的光伏发电技术有望与世界先进水平看齐15。表1-3列出了我国太阳能发电技术的研发情况14。表1-3 我国太阳能发电技术的发展历史简表对于光伏发电产业的发展速度起决定性作用就是光伏电池的发展,光伏电池自从在实验室被研究、发现到如今被大量应用,无论是其光电转换的效率,还是其在材料制备方面的类型,均正处于不断发展进步中。在当前阶段,有一部分光伏电池开始进行了商品化的生产,它们主要分为:非晶硅电池、单晶硅电池和多晶硅电池,其中,单晶硅电池的转化效率最高,可达到约百分之二十左右,但是其制作成本较高;而多晶硅电池的转
21、化效率达到约百分之十四左右;最后,非晶硅电池转化效率最低,仅有百分之六左右,但是其制作成本相应的也最低。而研制光伏电池的最首要目的,就是为了让其尽快融入到我们的社会里来,早日形成应用产品,所以,首先要想办法解决的,就是它的制作成本。为此,越来越多类型的光伏电池正逐渐被研制出来,例如薄膜型、聚光型、碲化镉、铜铟硒、砷化镓、染料敏化光伏电池等。同样的在我们国内,也逐渐开始出现很多制作光伏电池的厂家,这些厂家的生产规模正在迅速扩大,其中有几个厂家已经在市场中占有了一席之地。基于太阳能的几大优势与发展前景,我国也在该领域中投入了大量的资金,而在另一方面,许多大型的企业也在太阳能光伏发电领域投入大量的资
22、金。总之未来十几年里,光伏发电技术及产品将在我国开始步入高速发展的阶段16。1.3 本文研究的主要内容光伏并网系统的两个核心设备就是光伏阵列和并网逆变器,它们一个是太阳能与电能的转换装置,一个是电能与电网的接口装置,它们都决定着太阳能的利用率。本文以光伏并网系统(单相)为例,对光伏组件、逆变器以及孤岛效应等进行了仿真分析,各章主要内容如下:(1)第一章绪论,主要对论文的背景及意义作了介绍,包括目前世界能源的现状和太阳能源的不同特性,并对其世界范围内的研究情况与发展进行介绍。(2)第二章光伏发电系统和光伏电池,介绍了光伏并网发电系统的各个组成部分,并叙述了各个组成部分的功能,接着,介绍了光伏电池
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