基于MATLAB的太阳能逆变器仿真研究毕业设计 .doc
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1、毕业设计(论文)报告题 目基于MATLAB的太阳能逆变器仿真研究机电工程学院(系)电气工程及其自动化专业学 号 学生姓名 *指导教师 *起讫日期 2014.2-2014.5设计地点*本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得井冈山大学或其它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。 论文作者签名: 日期: 年 月 日井冈山大学有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印
2、、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权井冈山大学教务处办理。论文作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年月 日 摘 要 为了解决能源匮乏的问题,世界上许多国家已经开始大力开发使用新能源,如风能,太阳能,核能等,这类能源普遍具有可再生能力,其中太阳能的应用备受科学家们的关注。它的能量来自取之不竭,用之不尽的太阳光,分布范围广泛,绿色清洁,凭借这些优势,光伏发电已经成为了能源应用方面一个前沿的热点课题。在这里,我们将逐步分析光伏并网发电
3、系统把太阳能转变成电能这个过程的各个环节,利用最大功率点跟踪技术实现光伏电池的最大功率输出,并用MATLAB软件对光伏发电系统的每个部分进行建模。关键词:光伏发电系统;最大功率跟踪;并网逆变;MATLAB Abstract In order to deal with the situation of energy shortage, manycountries have begun to develop the application of new energy, such as wind energy, solar energy, geothermal energy and other re
4、newable energy, which generally has theability, the application of solar energy has attracted the attention of scientists. The energy from the inexhaustible,inexhaustible solar light, wide distribution, green and clean,with these advantages, photovoltaic power generation has become a hot topic in fr
5、ont of energy applications. Here, we will step by step analysis of photovoltaic power generation system, the solar energy into electric energy each stage of the process, the maximum power point tracking the maximum power output of the photovoltaic cell technology,characteristics of photovoltaic arra
6、y simulation model was established, and each module.Key words: Photovoltaic System; MPPT;Grid-Connected inventor; MATLAB 目 录第1章 绪论 11.1 课题的研究背景和意义11.2 光伏发电的概念及用途21.3 国内太阳能发电的发展状况和趋势3第2 章 光伏并网发电系统 42.1 光伏并网发电概念及其优缺点 42.2 光伏并网发电系统及其组件介绍 4 2.2.1 太阳能电池的工作原理 42.2.2 发电原理62.2.3 系统主要组件介绍7第3章 并网发电系统总框架图 8第4章
7、 光伏电池和MPPT技术研究 94.1 光伏电池特性 94.2 光伏电池的结构 104.3 光伏阵列的仿真研究 104.3.1 光伏阵列数学模型的建立 104.3.2光伏阵列MATLAB仿真模型 114.4 光伏电池的MPPT技术研究 144.4.1 干扰观察法 144.4.2 一种改进的干扰观察法及其仿真研究 15第5章 Boost模块的设计及仿真 18第6章 逆变器的设计及仿真 236.1 逆变电路仿真模型 23第7章 PV电池仿真研 277.1 PV电池仿真模 27 7.2 PV电池仿真结果及分析 28第8章 讨论 30 致谢 31参考文献 32第1章 绪论1.1课题的研究背景和意义:
8、自社会产生以来,人类就开始广泛地利用大自然的能源,因此能源也日渐成为了我们离不开的需求之一。人类可利用的能源种类繁多,如深埋地底的煤炭,储量丰富的石油,干净清洁的风能,廉价易得的天然气,以及无处不在的太阳能等。能源为人类社会的发展提供了强大的动力,如果把整个世界比作一辆车,那么能源就是发动机的燃料,没有能源的供应,世界就失去了前进的动力。因此,如何更好地能源,并解决能源在利用过程中出现的问题,是世界级的课题,引起了越来越广泛的关注。能源按照利用规模和技术成熟度,可以划分为常规能源和新能源。我们常见的常规能源主要包括煤炭、石油、天然气等,这些能源的共同特点是利用规模极大,且技术比较成熟,如煤制成
9、蜂窝煤,用于家庭厨房;碾磨成煤粉,燃烧后对发电厂锅炉进行加热。开发利用时间较短,技术还有待完善的能源,我们称之为新能源。常见的新能源主要有太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能以及核能等。它有以下几个特点: (1)储量丰富,普遍具有可再生性。 (2)应用时不会产生有害物质,因此有利于环保。 (3)不能持续稳定供应,有很大波动性,如风能受季节影响较大,太阳能跟天气状况密切相关,阴雨天气或黑夜太阳能不强。 (4)太阳光的照射范围广,适合分散利用。 (5)由于当前技术不成熟,开发成本仍然比较高。根据2012-2016年中国新能源的发展模式与投资战略里的资料显示,从2002年以来,中国的能源结构没有发
10、生很大的改变。煤炭的消费仍然占很大比重,超过了能源利用总量的一半。这对新能源行业而言是个喜讯。从我国的股市行情看出,绿色能源类的股票价格近期持续保持增长态势。在这种良好的机遇下,众多能源专家一致认为新能源行业要抓住这次机会,积极发展太阳能、风能发电等。据专家估算,一年中辐射到地表的太阳能约有18.8亿千瓦,可开发利用的太阳能大概为60009000亿度,这是因为太阳能覆盖范围很广,且每个地区的光照强度也不一样,导致只能利用其总能量中的小部分。日常生活中,我们常见的太阳能设备主要有太阳能电池,太阳能热水器等。 图1-1 当前,由于能源的大量消耗,人类社会已经开始出现了能源危机。图1-1显示了中国与
11、世界常规能源剩余使用年限。由图1-1可见,目前剩余的石油使用年限只有短短的3到5年。如果不降低天然气的开采量,这种资源将在2045年消耗殆尽。我们还可以看到,中国的资源剩余使用年限比世界平均水平要低,我国面临的形势更加严峻。因此,积极发展太阳能等新型能源,不但可以使得地球上的清洁能源充分利用,而且是维持人类社会发展的必经之路。1.2光伏发电的概念及用途:半导体在光照情况下,可以产生一定的电动势,如果有回路,则可产生电流。光伏电池就是利用这一原理来对负荷进行供电。我国发射的人造卫星,就携带有太阳能电池板,用来维持探测仪器的正常工作。在马路上也可以看到太阳能路灯,节省了成本。现在世界上也建有光伏电
12、站,用以大规模对用户供电。因此,光伏发电在我们身边随处可见,使用场合非常广泛。 用途主要有:一,为没有电的场合提供电源;二,对日常的小功率负荷供电。如太阳能驱动的玩具小车,装有太阳能电池板的路灯等;三,并网发电,这是未来太阳能利用方面的主流趋势。1.3 国内太阳能发电的发展状况和趋势 目前光伏产业发展的最大瓶颈在于开发成本一直居高不下,尤其是太阳能电池的成本,占了所有硬件成本的三分之二左右。所以开发价格更低、效率更高、寿命愈长的太阳电池已成为了世界各国攻关的焦点和难题。当前开发的重心放在晶体硅和非晶硅电池上面。国内太阳电池的研究起源于上世纪五十年代,最早应用在卫星上,如东方红系列卫星就载有太阳
13、能电池板。从上世纪八十年代始,国家的许多科技攻关计划都包括了光伏电池的研究。进入新世纪,我国又制定了多项政策和制度支持光伏产业的大力发展。预计在未来的20年里,光伏发电的应用将由小规模的独立发电逐步向大规模的并网发电转型。根据目前光伏产业的发展速度,到本世纪中叶,光伏电站的总装机容量将达到一亿五千瓦,相当于60个大型燃煤电厂的规模,节约煤矿资源,保护环境的优势愈加突出。国家在未来的五年,将投资200亿支持光伏产业的发展。届时,我国的光伏发电将进入一个新的高速发展期。第2章 光伏并网发电系统 2.1 并网发电系统概念及其优缺点 光伏电池在光照条件下产生的直流电,分别经升压斩波电路和逆变电路进行D
14、C/DC和DC/AC转换后,变成与电网同频同相的交流电,再接入电网给用户供电,这就是光伏并网发电系统。目前可分为大型集中式和小型分散式电站,由于太阳能的能量密度不高,且每个地区的光照强度不一样,限于这些原因,目前应用较广泛的是小型分散式电站。光伏发电是当今世界的前沿技术,和常规发电相比,它具有诸多无可比拟的优势。具体介绍如下: 优点:(1)利用对环境无污染的清洁能源太阳能发电,减少了化石燃料燃烧后产生的有害气体对空气的污染。太阳能不会像煤炭、石油等资源那样,越用越少,只要太阳寿命还在,我们就可以一直利用这种能源。(2)发电系统发出的电直接接入电网,无需加蓄电池,降低了发电成本,且避免了蓄电池对
15、环境产生危害。(3)光伏发电组件可以与建筑物融合在一起,如太阳能电池板可以放置在楼顶,增加了楼层的美感和科技含量,也可以减少装修费用。(4)可以减轻电网输配电能的负担,降低线路损耗,有助于电网的稳定经济运行。 缺点: (1)易受周围环境的影响,如遇阴雨天气,电池的输出功率明显降低。在夏季中午时分光照强度最强,输出功率要高于其他时刻。 (2)当太阳能电池应用在地面上时,往往要放置大面积的电板,才能获得可靠的电能来维持电网上的负荷正常工作。如单块的电池只能给小功率的负荷供电。 (3)和水力发电厂,火力发电厂的效益相比,光伏发电因成本较高,效益处于劣势,且建设一个光伏电站的初期投入资金要比这些电厂更
16、高。2.2 光伏并网发电系统及其组件介绍221 太阳能电池的工作原理 为了了解光伏电池的工作原理,我们首先要熟悉半导体的结构,如图2-1所示:图2-1 硅原子用图2-1中的正电荷表示,正电荷被四个负电荷包围。 当晶体硅中加入了像硼这样的物质时,里面就会有一个空穴。 图2-2 图2-2中,负电荷代表围绕在硅原子旁的四个电子,硼原子用黄色圆圈表示,由于硼原子有三个核外电子,所以非常容易吸收其他电子而发生中和,从而形成N型半导体。图中的蓝色圆圈代表空穴。当我们在Si中加入P时,由于P的核外电子数为五,根据化学规律,磷原子非常不稳定,容易失去一个电子,这样就形成了P型半导体。图中磷原子核用黄色圆圈表示
17、,多余电子用红色表示。图2-3是PN结的形成过程。 图2-3当阳光照在晶体表面时,空穴和电子往相反的方向运动,从而晶体内部有电流产生。其过程如图2-4所示: 图2-4 只要太阳能电池不处在黑暗环境中,就有源源不断的电流往外输出。如果单个的太阳能电池不能满足负载要求,可以将这些电池利用串并联方式组合在一起,以此获得较大功率的输出。222 发电原理如图2-5是光伏系统发电原理图,我们看到:在光照条件下,光伏组件产生直流电,实现光能与电能之间的单向转换。逆变模块将直流电流变成交流电流,当频率和相位都与电网一致时,逆变器的输出电流可接入电网。 图2-5 223 系统主要组件介绍 (1)光伏电池光伏电池
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