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1、河北工业大学硕士学位论文分布式光伏发电系统光电单元的设计与研究姓名：周立身申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：李练兵20070101河北工业大学硕士学位论文 i 分布式光伏发电系统光电单元的设计与研究分布式光伏发电系统光电单元的设计与研究 摘摘 要要 本文主要以光伏发电系统中的光电单元为研究对象，对光伏发电系统的各个环节做了全面的理论分析，完成了光伏电池模拟器、具有最大功率跟踪功能的充电器、超级电容适配器、并网逆变器等系统部件，在此基础上对并网系统的拓扑结构、控制策略等作了详细的分析和研究，主要内容有： 通过分析太阳能光伏电池的 I-V 输出特性，确定了光伏电池模拟器的拓扑电路
2、，研制了基于 Buck 变换器的光伏电池模拟器，使其输出特性与要模拟的光伏电池特性相似，运用 Holtek46R24 单片机和 UC3842 芯片的联合控制，可使光伏电池模拟器具有较高的精度和快速的动态响应特性。为后面的实验打下了基础。 为了充分利用光伏电池的能量， 通过分析Buck和Boost电路在最大功率跟踪上的特点，确定了采用 MPPT 充电器的拓扑结构。采用扰动观察法研制了基于 Boost 变换器的具有最大功率跟踪功能的充电器，在其工作时通过改变输出阻抗，寻找最大功率点，使光伏电池输出功率最大。 把超级电容器作为大电流充放电储能器件，应用到了光伏系统中，分析半桥无隔离双向 DC/DC
3、变换器的拓扑，研究了半桥拓扑的不同工作模态，利用双向 DC/DC 变换器，在蓄电池的大电流充放电中，起到了削峰填谷作用，实现了蓄电池的优化管理。 对电压型逆变器和电流型逆变器并网进行模型分析与闭环设计，介绍了同步锁相和切换技术，并进行相关的仿真和实验。开发了基于高性能 DSP 芯片 TMS320LF2407A 的光伏发电系统的软硬件实验装置，实现了高速的数据采集、事件管理和复杂的控制算法，完善了系统的智能保护措施。 关键词：关键词：光伏电池/模拟器、光伏发电、MPPT 分布式光伏发电系统光电单元的设计与研究 ii DESIGN AND RESEARCH OF THE DISTRIBUTED P
4、HOTOVOLTAIC GENERATION SYSTEMS PHOTOVOLTAIC UNIT ABSTRACT In this paper, a photovoltaic unit of distributed photovoltaic generation is studied. Each part of the system of photovoltaic unit is analyzed in theory, a photovoltaic-cell simulator, a MPPT (maximum power point tracing) charger, an ultracap
5、acitor adaptor, and a grid-connectable inverter are implemented. The topology structure of grid-connected generation system and its control strategy are studied in detail. By analyzing the I-V output characteristics of photovoltaic cell, a photovoltaic-cell simulator is designed based on Buck DC/DC
6、converter. As the base of indoor experiment of the photovoltaic system, the output characteristics of the photovoltaic-cell simulator are designed to be identical with that of the real photovoltaic cell. In order to obtain the maximum power of the photovoltaic cell, a MPPT charger is designed and im
7、plemented based on Boost DC/DC converter to trace the maximum power point. As a new energy-storage device with the characteristics of large-current charge and discharge, the ultracapacitor has been employed in the system of photovoltaic generation. The ultracapacitor can smooth the output voltage an
8、d optimize the management of the battery in large-current charge and discharge processes based on bidirectional DC/DC converter. The parallel model of VSTI and CSTI is analyzed and closed-loop control circuit is designed. Synchronous phase lock loop (PLL) and switching method is introduced and teste
9、d by simulation and experiment. A high-performance DSP-based system of photovoltaic generation is developed and a experimental device of the system is designed to achieve high-speed data acquisition, event management and complex control arithmetic and complete intelligent protection of the system. K
10、EY WORDS: photovoltaic cell/simulator, photovoltaic generation, MPPT 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存
11、、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、扫描、 数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 (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： 日期： 导 师 签 名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1第一章 绪论第一章 绪论 1-1 光伏发电产业的现状及其发展 1-1 光伏发电产业的
12、现状及其发展 1-1-1 光伏发电产业的紧迫性 1-1-1 光伏发电产业的紧迫性 能源是人类发展的动力源泉， 从原始社会的钻石取火到近代的化石能源以及核能、 地热能、 潮汐能、风能、太阳能等各种新能源的应用无不闪现着人类的智慧之光。 然而，随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。自 1973 年世界石油危机以来，常规能源频频告急1。在中国，这一情况也不容乐观，据官方统计，仅去年一年，中国进口原油 1.5亿吨，按目前的消耗速度，中国的现有能源储量至多可以使用 50 年。根据专家预测，到 2020 年，中国石油消费量将突破 4 亿吨，其中一半以上将依赖进口，天然气的需求量将达到 2
13、 千亿立方米。同时，化石能源在开采、 运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成严重的污染， 同时使得地球表面气温逐年升高；近若干年来全球CO2排放量迅速增长，如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使海平面上升几米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁2。此外，由于环境恶化造成的“黑洞”已经使人类即将面临太阳紫外线的直接照射。 正是在这样的背静下，世界各国相继制定了各种政策来减缓能源危机和提倡环境保护。1972 年 6月 5 日，联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了第一次人类环境保护会议。随后，联合国设立了环境保护规划署。 环境保护从此提到联合国和各级政府的议事日程上来，
14、并规定每年的六月五日成为世界环境保护日， “世界只有一个地球” ， “地球是你我共同的家” ， “让地球充满生机”等环保口号充分反映了全人类的共同心声。 1-1-2 国外光伏发电产业的现状及其发展 1-1-2 国外光伏发电产业的现状及其发展 化石能源资源的有限性和环境保护压力的增加， 使世界上许多国家加强了对绿色能源和可再生能源技术发展的大力支持。技术方面，经过几十年的发展，澳大利亚新南威尔士大学研制的单晶硅光伏电池效率已达 23.7%，多晶硅电池效率突破 19.8%。同时，研究人员正在探索用切薄硅片、扩大平面晶体或使用聚光等方法，力争把硅片的成本降低到 0.8 美元/WP。据推测，在今后 1
15、520 年间利用这几种方法有望把硅片的成本降低到 0.5 美元/WP，这样，光伏系统的价格可以降低到接近 3 美元/WP。薄膜电池是廉价衬低上采用低温制备技术沉积半导体薄膜的光伏器件， 材料与器件制备同时完成， 工艺技术简单，便于大面积连续化生产； 制备能耗低， 缩短了回收期。 太阳能电池实现薄膜化， 大大节省了半导体材料，具有大幅度降低成本的潜力，是当前国际上研究开发的主要方向。除了光伏电池以外，当前国际上最新的研发热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变器件和光伏建筑集成应用系统等方面，专用逆变设备和相关系统的最佳配置涉及到多项技术。美国、德国、荷兰、日本、澳大利亚等国家在光伏屋顶
16、计划的激励下，许多企业和研究机构成功的推出了多种不同的高性能逆变器。 分布式光伏发电系统光电单元的设计与研究 2 产业化方面， 光伏发电发展的初期主要是依靠各国政府在政策及资金方面的大力支持， 现在已逐步商业化， 进入了一个新的发展阶段。 光伏发电的市场前景吸引了一批国际知名企业或企业财团介入光伏电池制造业。这些大公司的介入，使产业化进程大大加快。预计今后 10 年光伏组件的生产将以每年增长 20%30%甚至更高的递增速度发展，到 2010 年可能达到 4600MW 年的生产量，总装机容量将可能达到 18GW。国际光伏工业在过去的 10 年中的平均增长率为 20%，1998 年世界太阳能电池组件生产量为 155MW，2000 年增长到 288MW，2002 年达到 540MW。截止到 2000 年低，世界光伏发电累计总装机容量达到了 1300MW。目前全球太阳能光伏电
