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1、单相光伏并网系统设计 本科毕业设计（论文）开题报告题目：单相光伏并网系统设计 的统的学生姓名 学号 教学院系电气信息学院专业年级电气工程及其自动化2012级指导教师 职称副教授单位 91单相光伏并网系统设计研究的目的、意义1.1 研究目的与意义在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，光伏利用成为世界各国争相发展的热点，光伏并网发电作为太阳能光伏利用的发展趋势，必将得到快速的发展。随着化石能源持续大量的消耗以及地球生态环境的日渐恶化，世界各国都在积极的寻找一种可持续发展且对生态环境无污染的新能源1。因此光伏并网发电技术已成为太阳能光电应用的主流。所以大力开发光伏发电成为必然，而随之而来的的是并网
2、技术的发展。所以以后的发展方向，在于光伏的发电和并网上面。太阳能光伏并网研究目前需要科研人员，大力开发，降低开发成本。随着社会的进步，经济的发展，人们对能源有了更高的追求，需找新能源成了人类的难题。太阳能以清洁，环保，用之不尽等优点收到人们的广泛关注，全球能源专家一致认为太阳能将成为21世纪最重要的能源之一，据欧洲JRC预测，到未来2100年太阳能在整个能源结构中占据百分之六十七的份额2。1.2 单相光伏并网系统设计研究现状目前对光伏并网系统的研究，大多是针对大中型光伏并网电站或是对小区成套光伏屋顶，一般以单相光伏发电并网系统为研究对象。这种系统应该是小功率，小体积，低噪声，性能可靠。光伏发电
3、并网系统的研究主要集中在如下几个方面：(1)研究如何优化光伏阵列布置(比如最佳倾斜角设计)、光伏模块串并联模式择优、光伏主电路参数设计、功率模块选型、系统成本控制等。(2)研究光伏并网系统主电路拓扑新结构。除了目前通用的无变压器直接并网 模式外，还有工频变压器隔离型并网、高频变压器隔离型并网、Z源阻抗型并网4。针对当前使用最为广泛的无变压器带升压电路直接逆变型式的光伏逆变器，其直流升压环节通常采用的拓扑，也出现了除经典Boost升压电路外。诸如罗氏升压电路、Buck-Boost变换电路、双向斩波电路等结构3，各种拓扑结构各有优缺，实际中须择优应用。(3)控制策略方面进行深入研究。光伏最大功率跟
4、踪 (MPPT，Most Power Point Tracking)策略方面也引起了广泛关注，恒定电压跟踪法,扰动与观察法等，导纳增量法,实际测量法等也都各具优点，可以根据实际需要选择4。2.毕业论文任务概况1. 分析光伏电池的工作机理及输出特性，并建立光伏电池的MATLAB仿真模型。2. 分析单相光伏并网发电系统的工作机理，并探讨光伏阵列的MPPT和并网控制算法。3. 搭建光伏并网系统的仿真模型，研究MPPT和并网控制算法。4. 完成小功率光伏并网发电系统主电控制电路的设计及控制程序的设计。3主要研究内容及研究方法3.1光伏并网系统主电路结构在进行小容量单相光伏发电并网系统设计时，其中一个重
5、要的不可或缺的因素。就是拓扑结构，它直接关系到系统运行性能、发电效率、制作成本、装备可靠性等。拓扑一旦确定后，系统特征元件及其相应参数的选择也十分关键，比如储能电感、直流电容、输出滤波器等，都会影响到系统的运行稳定状态、电磁兼容。小容量单相光伏发电并网系统一般采用的是无变压器，直流升压电路加单相全桥逆变单元的结构。还需关注环境、输出电能品质、系统可靠性等。图3.1主电路基本直流斩波有：降压(Buck)、升压(Boost)、升降压(BoostBuck)、库克、Zeta斩波电路、罗氏升压等5。Boost升压电路，仅需要二极管、电感、电容三个主要元件；同时该结构发电效率高，可达90以上。虽然因为未隔
6、离的原因，其存在着向电网注入直流电流分量的可能，但是通过控制算法与控制器参数的调节，完全可以避免。单相光伏并网系统应具有结构简单，小体积，低噪声，性能可靠，使用安全方便等特点。DCDC级采用简单实用的Boost升压电路。图3.2带MPPT的Boost的原理图该级电路有两个功能：一是将光伏阵列的直流电压升压后送至后级逆变环节，二是由于光伏电池功率输出的非线性，为了最大程度上利用光能，要在该级变换中实现最大功率点跟踪(MPPT)的功能，通过调节占空比来实现。在这一级不进行DCDC输出稳压控制6。器件选择：储能电感。两组耐压值较高的直流大电容。3.2光伏阵列的MPPT（最大功率点跟踪技术）在单相光伏
7、发电并网系统中，最大功率点跟踪功能的实现是在DCDC级。将该级作为光伏电池的负载，通过改变占空比来改变其与光伏电池输出特性的匹配。实现太阳能电池的MPPT，其实质为匹配电池和后级变换器的动态负载。当外界环境变化时，通过不断调整变换器的开关占空比，实现太阳能电池与变换器之间的动态负载匹配，就可以实时获得太阳能电池的最大输出功率。将同一温度、不同的日照强度下和不同的温度、同一日照强度下光伏电池特性曲线中各拐点依次连成线后，即可以得到该光伏阵列的最大功率点轨迹曲线。这一曲线佐证了光伏阵列既非恒流源也非恒压源，而是一种非线性直流电源，直接精确其数学模型具有较大难度，最大功率点跟踪(Maximum Po
8、wer Point Tracking，MPPT)即被引入，用于实现使光伏电池始终工作一个无限逼近该曲线的状态，即为光伏最大功率点跟踪控制7。3.2.1电导增量法通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗的变化量，根据比较结果进行相应的调制来完成最大功率点跟踪的功能。太阳能电池的P-V特性曲线可知，在最大值Pmax处斜率为零。 (3.1) (3.2) (3.3)要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，阵列工作于最大功率点。若不相等，则要判断dp/du是大于零或小于零。电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。这种控制算法同样需要对光伏阵列的电压和电流进行
9、采样，电导增量法控制精确，响应速度比较快，适用于大气条件变化较快的场合，但是对硬件的要求特别是传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都要求比较快，因而整个系统的硬件造价也会比较高。电导增量法最大的优点，是当太阳电池上的照度产生变化和表面温度产生变化时，可以始终向后级负载提供最大功率，并同时满足快速和高精度的要求。采用电导增量法实现最大功率点的跟踪8。 3.2.2扰动观察法扰动观察法的基本原理：先给出一个扰动u再测量太阳能电池阵列输出功率的变化，与扰动之前其输出功率值相比，若功率增加，表示扰动方向正确，可继续朝同一方向扰动；若功率减少，表示扰动方向错误，可按-u方向扰动。经过大量的实验得出
10、最大功率点对应的输出电压近似为太阳能电池阵列开路电压的76，因此系统的初始值根据阵列的开路电压选择可以使系统的工作点快速接近最大功率点9。最大优点就是结构简单，测试的参数少，跟踪原理清晰、易于实现，是广泛使用方法之一。具有以下两个缺点：一是因为扰动值U是一个确切的值，这种设定难以兼顾系统的动态性和稳定性。当U设置过小，MPPT步长会使到达最大功率点的时间增加，且导致系统的动态响应速度变慢；但如果U设置过大，则使太阳能电池输出的能量波动较大，影响系统的稳定性能，同时U过大会使系统扰动幅度过多，导致平均输出功率将远小于太阳能电池提供的最大功率而损失部分能量10。二是在外界环境快速变化的情况下，扰动
11、观察法可能会引起误判，导致系统工作点远离太阳能电池的最大功率点。即使到了最大功率点，扰动仍在，在最大功率点附近振荡运行，导致部分功率损失。而且跟踪过程可能出现失序的情况，进而导致跟踪失败，因此这种方法不适用在环境快速变化的情况下运行11。扰动观察法的程序框图见图图3.3扰动法流程图3.3单相光伏发电并网系统整体结构分析3.4.1逆变器的并网控制方案逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制，市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，一个电压源与电压源并联运行的系统，这种情况下要保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步，在稳定运行
12、的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小及相移以控制系统的有功输出与无功输出。但由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题，不易获得优异性能。如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。由于其控制方法相对简单，因此电流型并网控制方式被广泛地采用。光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的控制方式。3.4.2双环控制方案通常逆变器的功率电路使用桥式电路，由此可将直流输入转换为交流输出，由于电感的滤波作用，可使输出波形较为平滑。被控量并网电流。与电网电压同频、同相，要求加上同步锁相环以保证并网电流与电网电压的同
13、步。逆变器的输出端接电网，从控制原理上来讲，电网是一个扰动量。图3.4 并网系统整体结构框图内环控制采用基于并网电流的瞬时值反馈，用于电流的实时跟踪。附加外环的目的是为了消除单独采用内环控制存在的误差。外环控制系统的工作原理是：在电网过零点来到时，通过幅相检测器分别检测并网电流的幅值和相位误差，PI调节后产生辅助参考电流信号与同步锁相环产生的主参考电流信号相加后作为内环的参考电流。外环将与内环的共同作用保证了并网电流对主参考电流的无差跟踪。因此可将内环与外环一起称为电流跟踪环。电网电压过零点是同步锁相环和外环相位控制环的同步源，提供了产生正弦信号的基准点。为了消除这个稳态误差，改进方案：在内环
14、外增加一个外环，分别控制并网电流的相位和幅值，检测内环输出的并网电流的相位和电网电压相位差作为相位控制环的反馈输入，检测并网电流的幅值作为幅值控制环的反馈输入幅值误差和相位误差分别经过PI调节器输出后产生辅助参考电流。3.4.3锁相环的实现在光伏并网系统中，为了保证并网电流和电网电压严格同频、同相(只有在功率调节器中出于无功功率补偿的需要，才可控地实现一定的相位差)，锁相环能满足这一要求，所以要使用锁相环(PLL)技术。同步锁相环从功能上可理解为一个信号发生器，实时发出与电网电压同步的正弦波。锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。锁
15、相环是一种反馈控制电路，它的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。锁相环是一个使输出信号(振荡器产生的)与参考信号或者输入信号的频率和相位上同步的电路。在同步状态，振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零，或者保持常数。图3.5 PLL结构控制框图3.4.4滤波器的设计凡是有具有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。用来分开及组合不同频 率，选取需要的信号频率，抑制不需要的信号频率的微波器件。主要功能是作为 各种电信号的提取、分隔、抑止干扰。电气工程上,常利用LC元件对不同频率交流电量的电抗不同,对交流电量进行分流,称为滤波。滤波器一般由电感或电容以及电阻等元件组成电容滤波，简单的说，滤波是利用电容对特定频率的等效容抗小，近似短路来实现的（与谐振无关）。4 预期结果1、阅读中外参考文献
