太阳能光伏发电系统的设计.pdf

I 摘要太阳 能发电作 为 一种典 型 的新能 源 发电方式 具有可 持续发展和 绿色环 保两大优势。 在太 阳能 发电 的众 多 课 题中， 三 相并网型 光伏发 电具有更高 的实用价值和研 究意 义。 本 文重 点 分 析研究 了 三相并 网型光伏发 电系统 ，提出 一套可行的硬 件选 型和 电路 设计 方 案 ， 并 最终通过 MATLAB 仿真 验证了 硬件系统设计的可 行性 。首先 本文依次 研 究了三 相 并网光 伏 发电系统 的光伏 阵列模块、 直流变 换与最大功率 点跟 踪控 制模 块、 逆变并 网 模块， 其中 又涉及到光 电幕墙 的选用 ，以及直流变 换电 路、 最大 功率 点 跟 踪算法 、 逆变电路 及其并 网方式的对 比选取。然后选 定了 三相 并网 光伏 发 电系 统 的结构 方式，将各 个模块 选取的硬件整合，并配合外围电路和 CPU 控 制 回路的 设 计，完成了三 相并网 光伏发电系统模型的整 体设 计。 最后 对硬 件 系 统在 MATLAB SIMULINK 环境下经 行仿真初探，它 运用 了先 进空 间矢 量 脉 宽调制 的 技术，验 证了本 文设计的具 体可操作性。关键词 光伏发 电系统 ； 最大功 率 点跟踪 ； 三相逆变 并网； 仿真II The design of solar photovoltaic power generation system Abstract As a kind of typical generating new energy way, solar power has the sustainable development and green environmental protection two advantages. Many of the subjects in solar power, three-phase grid type photovoltaic power system has higher practical value and significance of the research. This paper focus on the study of three-phase grid type photovoltaic power system, and puts forward a feasible hardware selection and circuit design project. Finally this paper verified the feasibility of hardware system design by MATLAB simulation.Firstly this paper studied photovoltaic array module, DC transformation and the maximum power point tracking MPPT control module, inverter grid modules of the solar photovoltaic power generation systems in turn. It also involves the 忽略 parative selection of photoelectric curtain wall, DC transform circuit, maximum power point tracking algorithm and AC grid way. Then it selected the solar photovoltaic power generation systems structure, and integratethe select hardware derive from each module ， and cooperate with peripheral circuit and CPU control circuit design 忽略 pleted solar photovoltaic power generation systems model overall design. Finally it did simulation for hardware system in MATLAB SIMULINK environment. It ’ s used the advanced space vector pulse width modulation SVPWM technology that verified the specific design in this paper is maneuverability. Keywords Photovoltaic system; MPPT ; Three-phase inverter grid ; SimulationIII 目 录摘要 IAbstract . II 第一章 绪论 1 1.1 光伏发电 的 背景及 意 义 . 1 1.2 国内外太 阳 能光伏 发 电应用 的 现状 . 2 1.2.1 世 界太 阳能 光伏 发 电 的发展 现状 . 2 1.2.2 国 内太 阳能 光伏 发 电 的发展 现状 . 2 1.3 课题主要 研 究内容 . 3 1.4 本章小结 3 第二章 光伏发电 系 统的概 述 4 2.1 光伏电池 技 术 4 2.1.1 光 伏电 池的 发电 原 理 5 2.1.2 光 伏电 池的 分类 及 特 点 6 2.2 光伏阵列 之 光电幕 墙 . 7 2.2.1 光 电幕 墙特 点 . 8 2.2.2 光 电幕 墙的 工作 原 理 8 2.2.3 选 用光 电幕 墙的 优 越 性 8 2.3 光伏发电 系 统的结 构 分类 8 2.3.1 基 于 是 否带 有储 能 装 置的分 类 . 8 2.3.2 基 于 是 否与 电力 系 统 并网的 分 类 . 10 2.4 光伏发电 系 统并网 的 结构方 式 12 2.4.1 工 频变 压器 绝缘 方 式 12 2.4.2 高 频变 压器 绝缘 方 式 12 2.4.3 无 变压 器方 式 . 13 2.5 本章小结 13 第三章 DC/DC 变 换 与 MPPT 控 制 部分 14 3.1 最大功率 点 跟踪的 概 述 . 14 3.1.1 最 大功 率点 跟踪 的 原 理 14 IV 3.1.2 最 大功 率点 跟踪 研 究 的现状 . 15 3.2 最大功率 点 跟踪的 算 法 . 16 3.2.1 恒 压跟 踪法 CVT 16 3.2.2 扰 动观 察法 PO 17 3.2.3 电 导增 量法 INC 18 3.3 DC/DC 变 换 器 19 3.3.1 降 压式 变换 器 Buck Converter . 20 3.3.2 升 压式 变换 器 Boost Converter 20 3.3.3 升 降压 式变 换器 Buck-Boost Converter . 22 3.3.4 库 克式 变换 器 Cuk Converter . 22 3.4 DC/DC 变 换 器与 MPPT 的 适用 23 3.4.1 适 用于 光伏 MPPT 的 DC/DC 变换器 . 23 3.4.2 MPPT 在 DC/DC 变换器中功能的实现 23 3.5 本章小结 25 第四章 三相并网 光 伏发电 系 统的逆 变 部分 26 4.1 光伏并网 逆变 器的 基 本 构成 26 4.2 光伏并 网逆 变器 的分 类 . 27 4.2.1 三 相 半桥式 逆 变器 . 28 4.2.2 三 相 全桥式 逆 变器 . 29 4.2.3 组 合 式逆变 器 的电路 . 29 4.3 光伏并网 逆 变器并 网 的控制 策 略 . 30 4.3.1 电 流滞 环比 较方 式 . 30 4.3.2 定 时比 较方 式 . 32 4.3.3 三 角波 比较 方式 . 33 4.3.4 无 差拍 控制 方式 . 33 4.4 本章小结 36 第五章 三相并网 光 伏发电 系 统的硬 件 设计 37 5.1 三相并网 光 伏发电 系 统的主 电 路设计 . 37 5.1.1 三 相并 网光 伏发 电 系 统主电 路结构 . 37 5.1.2 三 相并 网光 伏发 电 系 统的调 度方式 . 38 V 5.2 三相并网 光 伏发电 系 统的主 要 参数设计 . 38 5.3 三相并网 光 伏发电 系 统的逆 变 电路设计 . 39 5.3.1 DC/DC 电路 设 计 39 5.3.2 DC/AC 电路 设 计 39 5.4 三相并网 光 伏发电 系 统的逆 变 外围电路 设计 40 5.4.1 控 制电 源的 选择 . 40 5.4.2 信 号检 测电 路 . 41 5.4.3 驱 动和 保护 电路 . 41 5.5 三相并网 光 伏发电 系 统的 CPU 控 制回路设 计 42 5.5.1 TMS320LF2407 控 制芯片 简 介 . 42 5.5.2 选 用 TMS320LF2407 芯 片的原 因 . 44 5.6 三相并网 光 伏发电 系 统的整 体 设计 . 44 5.7 本章小结 45 第六章 三相并网 光 伏发电 系 统的仿 真 . 47 6.1 SVPWM 的 原理 47 6.2 SVPWM 的 算法 48 6.3 三相并网 光 伏发电 系 统的仿 真 初探 . 50 6.3.1 SVPWM 的 Simulink 仿真 50 6.3.2 三 相并 网光 伏发 电 系 统的仿 真 . 52 6.3.3 三 相并 网光 伏发 电 系 统的仿 真波形 . 54 6.4 本章小结 55 结论与展望 56 附录 A 57 附录 B 58 参考文献 59 致 谢 60 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1 第一章 绪论1.1 光伏发电的背景及意义随着科学技术的不断发展，人类进入 20 世纪后对能源的需求也不断增长。与此同时，人们对保护环境的重要性也有了越来越明确的认识。由于化石燃料的枯竭环境的破坏所引起了温室效应、全球变暖、农林水产资源的减少等，如果再进一步恶化，人类就会收到大自然的警告，到时后果将不堪设想。现在的世界能源构成中主要的能源还是化石能源，包括石油、煤、天然气，另外还有可再生能源核能、水能，其他的可再生能源只占微乎其微的小部分。传统的化石能源是不可再生的，世界范围内发展可再生能源是解决能源危机的必经之路。根据世界能源协会 WE World Energy Council 的预测，到2050 年，世界的可再生能源将会到达 8.7TW-15.0TW 1TW＝ 1012W ，而到时候全社会能量总需求为 26.3 TW-33.0TW。由此可见，可再生能源在 21 世纪将会变成一种主要的新兴能源。世界上现有的可再生能源主要是水能发电和地热能，太阳能光伏发电和风力发电只占其中小部分，而水电和地热能被继续开发的潜力已经微乎其微，在未来十五年之内发展太阳能光伏发电技术和风力发电技术就迫在眉睫。因此，无论是为了保证能源的供应， 还是为了保护生态环境， 开发利用取之不尽而又清洁的新能源已是大势所趋 [1]。在地球上所能利用能量的 98.98最初都来自太阳能。太阳能光伏发电的能源来源于取之不尽，用之不竭的太阳能，是资源最丰富的可再生能源。太阳能光伏发电是能源的高新技术， 具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。 太阳能发电不会给空气带来污染，不破坏生态环境，是一种清洁安全的能源，同时又具有在自然界不断生成，并能从自然界得到有规律的补充，储量巨大，取之不尽，用之不竭，是可再生的清洁绿色能源。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处， 能为中国一直追求的和谐社会作出巨大的能源支持。 20 世纪 70 年代， 随着能源危机的爆发， 世界各国努力发展光伏发电技术，尤其是西方发达国家更是重视研发。 20 世纪 9 年代以来一直以 30到 40的速度上升，2004 年已经达到 60的增长速度。可以预见，太阳能的开发利用必将在 21 世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为 21 世纪后期的主导能源。太阳能资源开发利用有如下优点1 充分的清洁性。无须论证，太阳能是真正的无污染的可持续发展的绿色能源，这是其他任何能源都无法比拟的；2 绝对的安全性。并网电压一般在 220V 以下；内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）2 3 相对的广泛性。太阳能的分布范围广，对于绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用；4 使用寿命长，易维护。光伏电池按目前的研发技术可使用 20 年以上，并且易于维护，不用二次投资；5 利用灵活。既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行。1.2 国内外太阳能光伏发电应用的现状随着科技的进步和环保意识的增强，清洁的绿色能源己逐渐受到了人类的重视。其中，太阳能无疑成为最受青睐的绿色能源。太阳能的应用领域非常广泛，但最终可归结为太阳能热利用和光利用两个方面。 太阳能可以转换成多种其它形式的能量， 比如热能、氢能、机械能、生物能、电能等等，由于电能是现代工业中最常用的直接能源，因此由太阳能直接转化成电能是太阳能利用中最具有前景的方式。1.2.1 世界太阳能光伏发电的发展现状20 世纪 90 年代，由于太阳电池成本的持续降低，太阳电池实行并网发电，建立太阳能电站已经成为可，并在全世界范围内逐渐发展。近年来，与住宅屋顶相结合的太阳电池并网发电也成为重要的应用方向。美国、欧洲和日本先后制定了太阳能发展计划，由政府提供部分研究开发资金和相关的产业扶持政策， 众多国家纷纷制定雄心勃勃的发展规划， 推动光伏技术和产业的发展。 日本通产省第二次新能源分委会提出， 2010 年光伏发电装机达到 5GW；欧盟可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动” 2010 年的目标是，光伏发电装机达到 3GW；美国能源部国家光伏规划的目标是，光伏发电装机达到4.7GW；澳大利亚提出， 2010 年光伏发电装机达到 0.75GW。因此，世界光伏产业有了突飞猛进的发展，从 1997 年至 2001 年，年的平均年增长率达 35.5。 2004 年世界光伏电池组件的生产量达到 1194MW，比 2003 年的 744.26MW 增长 60.46。到 2004 年底，世界光伏发电的累计装机容量达到 4330MW。 近几年各国可再生能源法的颁布、 快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供了良好的基础。 光伏发电的应用领域将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预计今后十年，太阳能光电工业将以 20～ 30的速度增长，成为世界上最具发展前景的朝阳工业之一。1.2.2 国内太阳能光伏发电的发展现状中国光伏发电产业于 20 世纪 70 年代起步， 1980 年以前， 应用项目十分有限功率很小，光伏电池年销售量不超过 10KW 。 20 世纪 80 年代后期，随着几条光伏电池生产线内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）3 的引进，光伏电池价格大幅度下降，产量大大提高，应用领域不断开辟市场大为拓展。90 年代以来，改革开放的大好形势为光伏技术的广泛应用和市场开拓创造了有利条件，光伏电池用量每年在以 20以上的速度递增。经过 30 多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。进入 21 世纪后，在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下， 我国光伏发电产业迅猛发展。 2003 年底， 中国光伏发电的累计装机容量约达 55MW 。到 2007 年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到100MW， 2008 年太阳能电池的产量达到了 2000MW 虽然近几年我国太阳能发电产业取得了巨大的进步，但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较国外比较小、产业链不完整，自动化水平低。其次，平衡设备薄弱落后，特别是并网逆变器和智能控制器差距更大。而且，专用材料的国产化程度不高，性能有待改进，光伏电池成本价格尚高，标准规范也不够健全。因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验 [2]。1.3 课题主要研究内容1 对光伏电池的工作原理及工作特性进行介绍，对几种传统的最大功率点跟踪 MPPT 控制算法和 DC/DC 转换电路进行了研究、分析和比较，提出各自优缺点。2 对三相并网光伏发电系统中的逆变部分做重点的分析， 对 DC/DC 部分和 DC/AC部分工作原理、 电路选型与 MPPT 控制算法选取过程进行了详细的分析， 并注重对逆变部分做了仿真探究。3 基于光电幕墙对三相并网光伏发电系统进行设计，选用 TMS320LF2407 高速数字信号处理器，结合 PWM 控制技术对系统中逆变部分的开关器件进行开断控制，从而实现与公共电网的并网，使其与公共电网电压同幅、同频、同相位。4 基于硬件电路对三相并网光伏发电系统做了 MUTLAB 仿真初探， 在 SIMULINK平台下实现了逆变并网模块的构建与仿真运行。 其中采用了先进的 SVPWM 技术， 使得逆变控制更加精确。 最终对仿真波形进行分析比较， 进而验证了硬件电路的的可实行性。1.4 本章小结本章主要介绍了光伏发电技术在国内外的发展和现状， 提出了本课题研究的目的和意义。光伏发电技术拥有节约能源、保护环境、促进可持续发展的优势，在克服光伏电池成本问题后，逐渐成为替代火力发电的一种主要发电形式。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）4 第二章 光伏发电系统的概述光伏 Photo Voltaic 发电技术采用面积通常只有几个平方厘米的半导体电池 晶片 。 从物理方面来看， 电池基本上可以看成是一个大面积的 PN 二极管， 其结贴近顶面。电池的功能是将太阳光照射转换为直流电，发电就是将大量的电池并成一个组件，将大量的太阳光照射转化成所需的电能。与动态风力机不同，光伏机组是静态的，不需要坚固的高塔，也不会产生震动或噪音，也无需主动冷却。2.1 光伏电池技术各种不同材料的公共结被光子辐射照射之后，这两种材料之间便产生了电动势，这种现象就是光伏效应。 这一现象是法国物理学 Becquerel 在 1839 年首次发现的。 光伏电池可以将光能转化为的电能直接加以利用。在 1954 年，贝尔实验室制造了第一块硅电池。光伏电池的物理机理与经典的 PN 结二极管非常相似。当结吸收光时，吸收的光子转换成材料的电子一质子系统，并产生质子流，分散在结中。电解液中的电子一离子对和固体半导体材料中的电子一空穴对都可能成为载流子，并产生了电动势梯度，经电场加速后与外电路形成环流。电功率即为电流的平方与电路电阻的乘积。剩余的光子功率则转换成电池的热功率，升高电池温度并散发。图 2.1 光伏效应转换光子能量 图 2.2 光伏的基本结构光伏电动势的来源是两种相互绝缘的材料中电子的化学电势差，称为费米能级。当两种材料结合到一起时，结就会达到一个新的热动态平衡。这种平衡只有在两种材料中费米能级相等的情况下才能实现。电子从一种材料流向另一种材料，直到两者间建立了一定的电压差，具有的电动势与初始的费米能级差相等。这个电动势驱动着光电流在光伏电路中流动。图 2.2给出了基本的电池构造。 结的两面都有金属电极， 由于光子碰撞而引起的电流。顶面 被照射 上有一层由银纤制成的薄薄的导电网格，既能手动电流，又能使光穿过。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）5 网格中导电纤维的间距是导电性能最大化和光阻挡最小化的折中。 导电箔 焊接 电机覆盖在底层 无光 表面和顶层的边缘。除了基本的元件之外，构造中还有集中增强特性。例如，电池的前面有防反射涂层，从而最大限度地降低反射，吸收经可能多的光线；利用透明粘合剂，添加了一层玻璃表面作为机械保护。与交流发电技术相比，最重要的方面是输送每千瓦时的电力的能源成本。对于光伏发电，能源成本主要依赖于两个参数光伏能量转换效率和每瓦容量的投资费用。总之，这两个参数标志了光伏电能的经济竞争力。光伏电池研发的主要目标是提高转换效率和其他性能参数， 以减少商业太阳电池和组件的成本。次要目标是显著提高产能，同时减少能源消耗和制造成本，减少杂质和缺陷。 要达到这些目标， 就要提高对光伏电池的基本物理特性的理解。 为了生产出更高效，更低成本的电池，研发在不断地投入，目前市场上已经有各种各样的关于转换效率的组件成本的光伏技术。2.1.1 光伏电池的发电原理太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏特效应。 太阳能电池实际上是由若干个 PN 结构成。当太阳光照射到 PN 结时，一部分光被反射，其余部分被 PN 结吸收，被吸收的辐射能有一部分变成热能，另一部分以光子的形式与组成 PN 结的原子价电子碰撞，产生电子空穴对，在 PN 结势垒区内建电场的作用下，将电子驱向 N 区，空穴驱向 P 区，从而使得 N 区有过剩的电子， P 区有过剩的空穴。这样在 PN 结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场。 光生电场除一部分抵消内建电场外， 还使 P 区带正电， N 区带负电， 在 N 区和 P 区之间的薄层产生光生电动势， 这种现象称为光生伏特效应。如图 2.3 所示。若分别在 P 区和 N 区焊上金属引线，接通负载，在持续光照下，外电路就有电流通过， 如此形成一个电池元件， 经过串并联， 就能产生一定的电压和电流，输出电能，从而实现光电转换 [3]。PN-耗尽层光子势垒电场 光生电动势PN 结 N 区P区 a 平衡时 b 光照时图 2.3 PN 结光生伏特效应原理图