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1、西南交通大学硕士研究生学位论文在人类文明的历史长河中，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的前进步伐。从原始社会开始，由地球在长达50万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等 )一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40 年左右，天然气约 60 年，煤大约 200 年。全球能源消耗的年增长率约为2%，近 35 年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计:到 2025 年全球能源消耗还将再增加一倍。常规能
2、源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。到20 世纪末人们开始意识到 :由于每年燃烧常规能源所产生的CO:排放量约 210 亿吨左右，己经使地球严重污染，而且目前CO:的年排放量还在呈上升趋势。CO:造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖 1.5 - 4. 5 0C，最严重的后果是海平面将上升25-145 厘米。沿海低洼地区将被淹没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。此外，大量燃烧矿物燃料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田。目前全球已有数以千计的湖泊酸性度不断提高，并已接近鱼类无法生存的地步。酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀金
3、属结构，甚至进入了饮用水源，释放出潜在的毒性金属 (如福、铅、汞、锌、铜等 )，威胁人类健康。人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的反差。这些都促使人们必须去开发新的能源。因此自然能发电技术的应用受到越来越普遍的重视，洁净广泛的太阳能正适合于作为可再生的替代能源。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比是最理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。因为它具有以下的特点: (1)储量丰富。太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳每秒钟辐射的能量大约是1.6*1023kW，其中到达地球的能量高达8*
4、1013 kW 相当于燃烧 6*109 吨标准煤。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合成标准煤约 1.892 *106 亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能储量是无限的，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匾乏枯竭的最有效途径。(2)清洁性和经济性。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用几乎无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气，加之储量的无限性，是人类理想的替代能源。(3)分布范围广泛。纬度的不同和气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于绝大多数地区具有存在的普
5、遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景太阳能的开发利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域。除此之外还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀茵技术等。这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广并且成效显著。以光伏电池技术为核心的光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用光伏发电，具有明显的优点: (l)结构简单，体积小且轻。(2)容易安装运输，建设周期短。(3)维护简单，使用方便。(4)清洁、安全、无噪声。(5)可靠性高，寿命长，并且应用范围广
6、。.2 国内外研究的现状太阳能光伏发电产业是20 世纪 80 年代以来世界上增长最快的高新技术产业之一。目前国际上对太阳能资源己经十分重视。20 世纪 70 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。利用太阳能发电的光伏发电技术被用于许多需要电源的场合，上至航天器，下至儿童玩具，光伏电源无处不在。西方一些发达国家纷纷出台有关政策和法规来扶持光伏并网产业。1990 年德国率先提出并实施“一千屋顶计划”，在居民住宅屋顶上安装太阳能并网发电系统。由于采取了一些优惠政策， 项目结束时共安装1 -5kW 的屋顶太阳能并网发电系统 2056 套。1
7、999年 1 月进一步提出了“十万屋顶计划” ，到2000 年安装太阳能发电系统容量超过40MW。现在德国的太阳能发电市场己从探索阶段发展成为繁荣的专业市场。日本从20 世纪 70年代开始连续制订和实施了几个太阳能发电发展5 年计划，到 1996 年底己安装 2700 套并网户用太阳能发电系统，每套容量平均为3MW。同时，日本政府又提出“30 年计划” ，预计到 2030年光伏发电总容量达1 OOGWp。目前日本的光伏组件产量己超过美国居世界第一位。意大利1998 年实施“全国太阳能屋顶计划” ，总容量为 SOMWp。在这类系统中，规模最大的是1997 年 6 月美国总统克林顿在联合国环境发展
8、会议上宣布的“百万太阳能屋顶计划”，到 2010年将安装 101.4 万套光电系统，总安装容量高达3025MWp。欧盟在 1997 年 11 月 26 日发表了名为能源的未来:再生能源的欧盟战略与行动白皮书提出，到2010 年在欧盟范围内要安装100 万套太阳能发电系统，其中50 万套为屋顶太阳能并网发电系统，需要光伏组件1 OOOMW，另外 50 万套是为乡村供电的独立太阳能发电系统。这就需要将目前30MW 的光伏组件的年产量扩大100倍(3GW)。按 NREL(美国国家可再生能源实验室)的估计，到 2015年太阳能发电电价将可与常见能源电价相当。多数人认为到下世纪中叶，太阳能发电量将占世界
9、总发电量的15-20%，必将超过核电成为人类的基本能源之一。世界光伏产业发展迅速，最近to 年太阳电池组件生产的年平均增长率达到 33%，最近 5 年的年平均增长率达到43%0 2004年比上年增长 61.2%，成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。2004 年世界光伏电池 /组件产量达到1200MW，其中日本生产 610MW，占 50.8%:欧洲 320MW，占 26.7%;美国135MW，占 11.25%;其它国家 135MW，占 11.25%0 我国从 1958 年起就进行光伏器件研究，70 年代初成功地制造出空间光伏电源。 70 年代中期后，中国自制的光伏航标灯、太阳灯塔、气象及通讯用
10、光伏电源开始使用，光伏应用逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。80 年代，先后引进了美国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备，是中国的光伏工业开始起步。目前我国大约有40 多个研究机构和大学参与光伏技术研究与开发活动。研究领域涉及太阳电池、光伏材料、光伏系统和部件等。光伏系统的研究与开发取得了很大进展，主要包括100500W 控制/逆变成套设备、 1SkW 光伏水泵系统、光伏照明系统、光伏电视系统、光伏通讯系统、气象站光伏电源，集中式光伏电站以及SkW 光伏并网示范系统等。在光伏部件方面，主要有高效率1 OkW 1 SkW 逆变器及 30kW 正弦波逆变器等 ;同时还成功地研制出新型太阳
11、电池及组件特性测试系统等等。据不完全统计，至1997 年我国安装各类光伏系统总量(包括进口系统 )已达 11MW。近年来，太阳能光伏发电技术在我国得到了推广应用，先后建成20kW 以上光伏电站 7 座，其中 1998 年在西藏安多县海拔4500 米处，建成世界最高的光伏电站，功率 1 OOkW o 从总体上来讲，中国的光伏发电产业，与国外发达国家相比还有很大差距，存在的主要问题是 : (1)生产规模小。目前的4 个单晶硅光伏电池生产厂，基本上保持在19871990年引进时的生产规模和技术工艺水平。各厂在引进时都称年生产能力为 1MW，但各厂都在不同的工艺环节上存在着“瓶颈”。因此实际年生产能力
12、都在 O.SMW 左右，所以中国晶体硅光伏电池的全国总计年生产能力仅为2MWo 1998 年我国单晶硅光伏电池组件的年产量为1.8MW，仅占世界光伏电池总产量的 1.14。生产的规模化程度，比国外的5 -20MW 的生产规模低一个数量级。(2)技术水平较低。目前我国商品单晶硅光伏电池组件的光电转换效率多在 11%一 12%之间;组件的封装水平较低，有的组件经过35 年的使用有发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等现象:组件的实际使用寿命，也不如国外产品。至今尚无多晶硅光伏电池的生产工厂。非晶硅光伏电池厂只能生产单结电池，稳定性较差，转换效率较低，尚不能生产双结和三结电池。(3)平衡设备薄弱落后。光伏
13、发电用的控制器、逆变器等关键平衡设备，至今尚无具有一定规模的、拥有较先进生产和检测设备的专业工厂生产。仅在几个研究所等单位有小量的生产，技术性能不够高，可靠性较低，品种规格少，价格也高，更谈不上研究开发更先进的产品。(4)专用材料的国产化程度不高。银浆、低铁钢化玻璃、PVF 等关键封装材料尚未真正实现国产化。我国曾把专用材料的国产化列入“八五”攻关计划，虽然取得了一定成果，但性能仍然不如国外产品，各生产厂为保证产品质量，目前许多专用材料仍然依靠从国外进口。(5)成本价格高。目前晶体硅光伏电池组件的生产成本约为26-30 元/W 平均售价约为 40-45 元/W，成本和售价均高于国外产品，在国际
14、市场上缺乏竞争力。.3 太阳能光伏发电的前景目前，国际上光伏发电已进入加速发展阶段，近两年太阳电池组件的年增长率高达 30%左右。另外发达国家先后宣布的太阳能屋顶计划强有力地支持了光伏产业的发展，预计今后10 年内太阳电池将以平均20%的年增长率增长。估计我国的光伏产业也将以此速度增长。单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池将在今后 20 年内各占相当市场，光伏电池会扩大到一定的产量。多晶硅薄膜及染料光敏化电池目前预测其产量还为时过早。以现有的基础来看，单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池仍是我国目前产业化发展的主要产品。我国目前尚有约 2000 万户、6000 7000 万的农村人口还没有用上电，很多的有
15、电县镇严重缺电，因此光伏市场的潜力是巨大的。我国光伏系统成本每年下降约 35%，在未来几年，我国户用光伏系统的用量将大幅度增长，预计总量将达到 20MW 。预计在 5 年内我国也将有几个1030MW 年生产能力的太阳电池工厂建立或扩建而成，到2010 年后将出现年产 1 OMW 的生产线。通讯及工业的光伏系统将从目前的40-50%的市场份额到 2010 年下降到2030%，户用及民用光伏系统将从目前的30%上升到 4050%。在未来几年，我国也将开始发展并网式屋顶光伏系统，但预计其系统功率将远不如发达国家，市场份额将不超过5%，但在 2020年后并网系统将会得到防范发展。.4 本论文的主要工作
16、太阳能光伏发电并网具有广阔的发展前景。本课题正是在这一思想的指导下进行对光伏发电并网系统的研究。主要内容如下: (1)首先简单介绍太阳能光伏发电的原理和其系统的组成部分。并介绍了光伏并网的基本知识和相关的要求。(2)分析了光伏并网的电路拓扑结构，选取合适的拓扑最为研究的对象。(3)研究太阳能光伏发电逆变并网的控制方法。选定采用基于SPWM 的三角波比较电流型三相并网的控制策略。利用MATLAB 软件对系统进行建模和仿真。(4)针对并网电流的纹波现象，用仿真的方法来进行分析影响电流纹波的主要因素。(5)通过分析比较几种最大功率点跟踪的方法后，本文采用扰动观察法来进行功率点的控制。对通过改变步长的取值来比较它对功率跟踪的影响。1沈辉，曾祖勤 .太阳能光伏发电技术 .化学工业出版社， 2005. 9 2王长贵，王斯成 .太阳能光伏发电实用技术.化学工业出版社， 2005. 4 仁 3沈锦飞 .电源变换应用技术 .机械工业出版社， 2007. 8 随着全球环境污染和能源短缺问题的日益严重，寻找新能源已经是各国不得不面临的现实。众所周知，太
