1緒論

1.1選題背景與意義
人類可以長期生存和發(fā)展,離不開對能源的利用,因此,能源是重要的必要條件對于人類的生存和發(fā)展。由于經(jīng)濟在高速的發(fā)展和增長,對能源的消耗也在不斷的增長,能源的需求量在逐年攀升。由于傳統(tǒng)能源對經(jīng)濟的發(fā)展起著無可替代的作用,這就使得傳統(tǒng)能源被過度的開釆和利用,進而促使傳統(tǒng)能源的枯竭速度在逐年的遞增。根據(jù)世界權威機構的統(tǒng)計,在世界范圍內,已被探明可采的煤炭總量共計15890億噸,估計可連續(xù)開釆200年左右。已被探明的可采的石油總量共計1211億噸,估計可連續(xù)開釆40年左右。然而傳統(tǒng)能源在使用過程中對環(huán)境造成巨大的污染也是顯而易見的,這類污染主要包括固體廢棄物污染和煙霧對大氣的污染。傳統(tǒng)能源對環(huán)境的污染最突出的兩個方面是:一,由于能源的大量消耗,同時伴隨著尾氣排放,造成空氣中的二氧化碳含量不斷的遞增,使得氣候加劇變暖;二,由于氣候變暖的原因,原有的生態(tài)平衡正在被慢慢的破壞,甚至處于失衡狀態(tài)。尋找清潔的能源、綠色的能源、低碳的能源是人類社會發(fā)展的趨勢也是必要的選擇,這不但有助于對人類環(huán)境的保護同時也有助于人類社會更長久的發(fā)展下去。因此,世界上各個國家都在積極的尋找和探索清潔能源。太陽能資源由于其無窮性、清潔而無公害可以很好的為人類的持久發(fā)展提供可靠的保障,而且太陽能源在各個國家的能源當中都幾乎占有一席之地。如何對太陽能源進行更大規(guī)模的開發(fā)以及對開發(fā)太陽能所需技術的進一步提升,這是人類利用太陽能必須解決的問題。因此,世界上各個發(fā)達及發(fā)展中國家都逐步的將尋找和開發(fā)可再生能源的議題提到國家議程上來。太陽能的優(yōu)點是眾所周知的,而且其受到的青睞度越來越高,如何在更大程度與廣度上開展對太陽能發(fā)電技術的研究,對于解決傳統(tǒng)能源的短缺以及傳統(tǒng)能源帶來污染和破壞,對于提高和改善人類的生存環(huán)境使社會不斷持續(xù)高速發(fā)展都有極其重要的意義。
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1.2太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀
上個世紀五十年代,第一塊光伏電池板誕生至今,在這六十多年的時間里,人類對太陽能發(fā)電技術的應用和發(fā)展并不是一帆分順的,而是經(jīng)歷了多種波折,經(jīng)歷了坎坷曲折的發(fā)展歷程。因太陽能電池不菲的造價和光電轉換效率一直比較偏低,想要實現(xiàn)產業(yè)化一直是各國都在探討的技術難題。太陽能電池的發(fā)展與軍事有著密切的聯(lián)系,最初,太陽能電池是被應用在軍事領域和航空領域的。由于上世紀70年代出現(xiàn)了能源短缺的現(xiàn)象以及使用傳統(tǒng)能源帶來的嚴重的環(huán)境污染,世界各國都在全力尋找新能源和清潔能源,因此,各國政府幵始將關注點集中在對太陽能的利用上,進而,利用太陽能發(fā)電不斷的受到人們的青睞。對太陽能的光伏利用和深度開發(fā)已經(jīng)成為世界上的一種潮流,世界上的各個發(fā)達及發(fā)展中國家都競相出臺各種政策來支持本國光伏產業(yè)的發(fā)展。根據(jù)歐盟的預測,在21世紀中葉,歐盟發(fā)電總量的40%左右將來自光伏發(fā)電容量,因此可以毫不夸張的說太陽能利用的世紀成長于21世紀。由于不受地理位置限制的特點,理論上來說,只要有陽光,那么就有利用光伏發(fā)電的可能性。隨著各國政府在不斷的加大對光伏產業(yè)的支持力度,生產的光伏電池的種類趨于多樣化,而且由于生產的的電池數(shù)量的大幅上升以及伴隨著成本的不斷下降,同時光伏電池板在一定程度上可以有效地代替建筑材料,這些優(yōu)點對光伏事業(yè)的進一步發(fā)展都提供了非常良好的契機,對光伏產業(yè)的未來發(fā)展有著重要意義。
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2光伏電池和光伏陣列

光伏發(fā)電簡言之就是將光能轉換為電能,而實現(xiàn)這一轉換的介質是光伏電池,在轉換的過程中,半導體材料對光能的特殊特性即光生伏特效應。要充分利用這一技術就必須使用太陽能光伏電池這一不可或缺的元件,它可以直接將光能轉換為電能。將光伏電池按照需要的結構進行合適的組合并進行封裝就可以組成大規(guī)模的光伏電池組件。按照實際的應用要求,對太陽能電池進行合理組合就可以使得輸出的電壓和功率達到一定的等級。將光伏電池組進行組合就成了光伏陣列。光伏陣列在光伏發(fā)電系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。因為它的輸出特性很大程度上受制于外界環(huán)境,因此非線性的特點是光伏電池輸出特性的最明顯的特點。因此,對光伏電池和光伏陣列的進行細致的分析和研究,對后面章節(jié)有著極其重要的作用尤其在最大功率跟蹤技術的研究方面是必不可少的內容。

2.1光伏電池的工作原理
光伏發(fā)電的基礎是對光伏電池的應用,它將光能直接轉換為電能。它的工作原理就是對光生伏特效應的應用。由于每塊光伏電池自身的輸出電壓很低,同時光伏電池的輸出電流、輸出電壓以及輸出功率與外界環(huán)境溫度、太陽光強度、光伏電池受陽光照射的表面積和光伏電池的連接方式有關。通過圖4可以直觀的了解光伏電池如何將吸收到的太陽能轉換為電能的情況[7]。由圖4可以看出,當太陽光照射到光伏電池表面(N型),由于各個太陽光的光子攜帶的能量不同,會發(fā)生不同的情況,其中一部分光子會被光伏電池反射回去(如光子①);一部分光子在距離P-N結較遠(如光子②),這些光子在被吸收之后并不產生光生電動勢;一部分光子由于攜帶的能量較低,在剛剛進入P-N結表面就會被吸收(如光子③),但是這些光子不僅不產生電動勢反而使得光伏電池的本體溫度升高而影響光伏電池的輸出特性。還有一部分光子攜帶的能量很高可以直接穿透光伏電池而不會被吸收(如光子④);而那些在P—N結附近被吸收的光子是真正可以利用來產生電動勢的,對光伏發(fā)電起作用的(如光子⑤),在N型半導體和P型半導體區(qū)中,由于太陽的光子對原子的價電子的沖擊使得這些價電子獲得能量,很多電子一空穴對就會產生而且處于非平衡狀態(tài)中。
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2.2光伏電池分類
現(xiàn)在市面上出售的光伏電池類型主要有單晶娃、多晶娃、非晶桂和非娃材料,現(xiàn)有的各種光伏材料既有其優(yōu)點又有其不足之處[8]。單晶娃和多晶娃電池板如圖6所不。單晶桂光伏電池是最早被開發(fā)的,在目前所有的光伏電池中,它的轉換效率也是居于首位的。據(jù)資料顯示在我國,單晶娃光伏電池的轉換效率平均為16.5%,而在實驗室里的轉換效率要比其平均效率高出很多已經(jīng)超過了 24.7%。多晶桂光伏電池顧名思義就是由多晶娃構成的電池,它與單晶桂的生產過程是有區(qū)別的:單晶娃的生產需要拉制過程而多晶桂是用繞鑄的方法,這一方法的優(yōu)點是生產周期縮短,大大的降低了生產成本。此外,由于組成光伏組件后是以平面的形式進行使用,而單晶娃娃棒則呈現(xiàn)出圓柱狀,這就造成了單晶娃光伏電池的利用率不高的問題。正是由于多晶娃光伏電池這一特點,才使得多晶鞋光伏電池在競爭上具有一定的特殊優(yōu)勢。
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3直激直流變換電路......21
3.1斬波變換電路分類......21
3.2升壓斬波電路原理......22
3.3 Boost變換器的數(shù)學模型搭建......26
3.4仿真......28
3.5本章小結......29
4最大功率追蹤技術研究......31
4.1光伏陣列的輸出特性......31
4.2最大功率點跟蹤原理......34
4.3最大功率點跟蹤方法............35
4.4雙模式結合的MPPT控制方法研究......39
4.5本章小結......43
5光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究......45
5.1光伏并網(wǎng)逆變器分類和結構......45
5.2單項光伏并網(wǎng)逆變器控制策略......47
5.3單相并網(wǎng)鎖相環(huán)研究......57
5.4光伏并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析......62
5.5仿真......63
5.6本章小結......65

5光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究

5.1光伏并網(wǎng)逆變器分類和結構

按照發(fā)電系統(tǒng)是否與電網(wǎng)連接可以將其分為兩種模式[27]: —種不與電網(wǎng)連接即獨立式;另一種是與電網(wǎng)的連接的并網(wǎng)式。獨立式發(fā)電系統(tǒng)主要是用在遠離電網(wǎng)的偏遠山區(qū)和農村等地,主要解決的問題是無電。并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)還可以進一步的進行細分,按照系統(tǒng)的功能的不同可以將其分為兩種方式[28]: —種是不含存儲單元的不可調度系統(tǒng),另一種是含有存儲系統(tǒng)的可調度系統(tǒng)。在可調度的發(fā)電系統(tǒng)中,按照存儲單元連接母線類型又可將其分為直流母線類型和交流母線類型。按照電力電子變換電路的自身特點進行劃分[29],又可將光伏并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)分為基于公共母線的電路拓撲結構、單級電路拓撲結構以及多級電路拓撲結構。對于多級電路中,前級電路的主要作用通常是實現(xiàn)最大功率點的跟蹤,前級電路也是DC/DC變換電路,而后級電路的功能是實現(xiàn)并網(wǎng)的作用。公共直流母線電路結構的設計思想是模塊化的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。按照電路性質進行劃分即電路是否隔離可將并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分為隔離型并網(wǎng)和非隔離型并網(wǎng)。在非隔離型結構中,又可將其分為單級結構和多級結構兩種電路類型,其電路圖如圖36所示。與單級電路結構相比,多級電路的優(yōu)點是體積方面明顯減小,重量也有顯著降低而且轉換效率有了很大提高。如果將隔離型電路再進行細分[31],則又可將其按照工作頻率的不同分為工頻隔離型并網(wǎng)和高頻隔離型并網(wǎng)兩種結構。工頻隔離型基本屬于單級電路的類型,優(yōu)點是結構簡單,安全性高,效率也相對較高,而缺點是體積大、重量大、噪聲大等。高頻隔離型大多數(shù)屬于多級電路型結構,一般可將其分為電壓源型、電流源型和周波變流器型。

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總結

光伏發(fā)電是我國新能源的重要組成部分,隨著我國對其不斷的重視,光伏發(fā)電在我國能源結構的調整中發(fā)揮的角色越來越重要。本文以單相光伏并網(wǎng)發(fā)電為平臺,介紹了光伏器件的特性,光伏電池的原理,光伏陣列的特性,最大功率點的跟蹤技術以及系統(tǒng)的并網(wǎng)等內容。全文的主要的工作如下:
(1)對光伏電池的工作原理進行了細致和全面的分析,對光伏電池的輸出特性也進行了較為詳盡的分析,并在MATLAB平臺上對光伏電池的仿真模型進行了搭建,并且對模型進行了仿真,通過對模型的仿真結果分析,可以對光伏電池的基本工作原理做一個更加深刻的了解。
(2)對升壓斬波電路進行了詳細的研究。通過對升壓斬波電路的分析,得到了其數(shù)學模型,在MATLAB平臺上搭建了其仿真模型,并對電路進行了仿真。
(3)對最大功率點的追蹤技術進行了研究。本文對傳統(tǒng)最大功率點進行了分析,了解到傳統(tǒng)方法的缺點,并在傳統(tǒng)方法的基礎上提出了一種新的最大功率點跟蹤技術即雙模式最大功率點跟蹤技術。通過仿真,驗證了該方法較傳統(tǒng)方法在各個方面均有較大的提高和改善。
(4)對系統(tǒng)的并網(wǎng)進行了必要地研究。主要研究內容包括:系統(tǒng)并網(wǎng)的拓撲結構、系統(tǒng)并網(wǎng)的控制策略、系統(tǒng)并網(wǎng)的調制策略以及鎖相環(huán)的研究。通過仿真對其可靠性進行了驗證,最后對系統(tǒng)并網(wǎng)的穩(wěn)定性進行了簡要的分析。
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參考文獻(略)

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本文編號：38319