單相光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告</p><p>　題目：?jiǎn)蜗喙夥⒕W(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的統(tǒng)的</p><p>　　1單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的目的、意義</p><p><b>　　研究目的與意義</b></p><p>　　在能源枯竭與環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重的今天，光伏利用成為世界各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的熱點(diǎn)，光伏并網(wǎng)發(fā)

2、電作為太陽(yáng)能光伏利用的發(fā)展趨勢(shì)，必將得到快速的發(fā)展。隨著化石能源持續(xù)大量的消耗以及地球生態(tài)環(huán)境的日漸惡化，世界各國(guó)都在積極的尋找一種可持續(xù)發(fā)展且對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)污染的新能源[1]。</p><p>　　因此光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)已成為太陽(yáng)能光電應(yīng)用的主流。所以大力開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電成為必然，而隨之而來(lái)的的是并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。所以以后的發(fā)展方向，在于光伏的發(fā)電和并網(wǎng)上面。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)研究目前需要科研人員，大力開(kāi)發(fā)，降低開(kāi)發(fā)成本。隨

3、著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源有了更高的追求，需找新能源成了人類的難題。太陽(yáng)能以清潔，環(huán)保，用之不盡等優(yōu)點(diǎn)收到人們的廣泛關(guān)注，全球能源專家一致認(rèn)為太陽(yáng)能將成為21世紀(jì)最重要的能源之一，據(jù)歐洲JRC預(yù)測(cè)，到未來(lái)2100年太陽(yáng)能在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)百分之六十七的份額[2]。</p><p>　　單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究，大多是針對(duì)大中型光

4、伏并網(wǎng)電站或是對(duì)小區(qū)成套光伏屋頂，一般以單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象。這種系統(tǒng)應(yīng)該是小功率，小體積，低噪聲，性能可靠。光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究主要集中在如下幾個(gè)方面：</p><p>　　(1)．研究如何優(yōu)化光伏陣列布置(比如最佳傾斜角設(shè)計(jì))、光伏模塊串并聯(lián)模式擇優(yōu)、光伏主電路參數(shù)設(shè)計(jì)、功率模塊選型、系統(tǒng)成本控制等。</p><p>　　(2)．研究光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路拓?fù)湫陆Y(jié)構(gòu)。除了目前通

5、用的無(wú)變壓器直接并網(wǎng) 模式外，還有工頻變壓器隔離型并網(wǎng)、高頻變壓器隔離型并網(wǎng)、Z源阻抗型并網(wǎng)[4]。針對(duì)當(dāng)前使用最為廣泛的無(wú)變壓器帶升壓電路直接逆變型式的光伏逆變器，其直流升壓環(huán)節(jié)通常采用的拓?fù)?，也出現(xiàn)了除經(jīng)典Boost升壓電路外。諸如羅氏升壓電路、Buck-Boost變換電路、雙向斬波電路等結(jié)構(gòu)[3]，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺，實(shí)際中須擇優(yōu)應(yīng)用。</p><p>　　(3)．控制策略方面進(jìn)行深入研究。光伏最大功率跟

6、蹤 (MPPT，Most Power Point Tracking)策略方面也引起了廣泛關(guān)注，恒定電壓跟蹤法,擾動(dòng)與觀察法等，導(dǎo)納增量法,實(shí)際測(cè)量法等也都各具優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇[4]。</p><p>　　2.畢業(yè)論文任務(wù)概況</p><p>　　分析光伏電池的工作機(jī)理及輸出特性，并建立光伏電池的MATLAB仿真模型。</p><p>　　分析單相光伏并網(wǎng)發(fā)

7、電系統(tǒng)的工作機(jī)理，并探討光伏陣列的MPPT和并網(wǎng)控制算法。</p><p>　　搭建光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，研究MPPT和并網(wǎng)控制算法。</p><p>　　完成小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主電控制電路的設(shè)計(jì)及控制程序的設(shè)計(jì)。</p><p>　　3主要研究?jī)?nèi)容及研究方法</p><p>　　3.1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)</p>&l

8、t;p>　　在進(jìn)行小容量單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，其中一個(gè)重要的不可或缺的因素。就是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行性能、發(fā)電效率、制作成本、裝備可靠性等。拓?fù)湟坏┐_定后，系統(tǒng)特征元件及其相應(yīng)參數(shù)的選擇也十分關(guān)鍵，比如儲(chǔ)能電感、直流電容、輸出濾波器等，都會(huì)影響到系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)、電磁兼容。</p><p>　　小容量單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)一般采用的是無(wú)變壓器，直流升壓電路加單相全橋逆變單元的結(jié)構(gòu)。還需關(guān)注環(huán)

9、境、輸出電能品質(zhì)、系統(tǒng)可靠性等。</p><p><b>　　圖3.1主電路</b></p><p>　　基本直流斬波有：降壓(Buck)、升壓(Boost)、升降壓(Boost—Buck)、庫(kù)克、Zeta斬波電路、羅氏升壓等[5]。</p><p>　　Boost升壓電路，僅需要二極管、電感、電容三個(gè)主要元件；同時(shí)該結(jié)構(gòu)發(fā)電效率高，可達(dá)90％

10、以上。雖然因?yàn)槲锤綦x的原因，其存在著向電網(wǎng)注入直流電流分量的可能，但是通過(guò)控制算法與控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)，完全可以避免。單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小體積，低噪聲，性能可靠，使用安全方便等特點(diǎn)。DC／DC級(jí)采用簡(jiǎn)單實(shí)用的Boost升壓電路。</p><p>　　圖3.2帶MPPT的Boost的原理圖</p><p>　　該級(jí)電路有兩個(gè)功能：一是將光伏陣列的直流電壓升壓后送至后級(jí)逆變環(huán)節(jié)，二

11、是由于光伏電池功率輸出的非線性，為了最大程度上利用光能，要在該級(jí)變換中實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的功能，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這一級(jí)不進(jìn)行DC／DC輸出穩(wěn)壓控制[6]。器件選擇：儲(chǔ)能電感。兩組耐壓值較高的直流大電容。</p><p>　　3.2光伏陣列的MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)）</p><p>　　在單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，最大功率點(diǎn)跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)是在DC／DC級(jí)。將該級(jí)作為光

12、伏電池的負(fù)載，通過(guò)改變占空比來(lái)改變其與光伏電池輸出特性的匹配。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的MPPT，其實(shí)質(zhì)為匹配電池和后級(jí)變換器的動(dòng)態(tài)負(fù)載。當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，通過(guò)不斷調(diào)整變換器的開(kāi)關(guān)占空比，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池與變換器之間的動(dòng)態(tài)負(fù)載匹配，就可以實(shí)時(shí)獲得太陽(yáng)能電池的最大輸出功率。將同一溫度、不同的日照強(qiáng)度下和不同的溫度、同一日照強(qiáng)度下光伏電池特性曲線中各拐點(diǎn)依次連成線后，即可以得到該光伏陣列的最大功率點(diǎn)軌跡曲線。這一曲線佐證了光伏陣列既非恒流源也非恒壓源，

13、而是一種非線性直流電源，直接精確其數(shù)學(xué)模型具有較大難度，最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)即被引入，用于實(shí)現(xiàn)使光伏電池始終工作一個(gè)無(wú)限逼近該曲線的狀態(tài)，即為光伏最大功率點(diǎn)跟蹤控制[7]。</p><p>　　3.2.1電導(dǎo)增量法</p><p>　　通過(guò)比較太陽(yáng)能電池陣列的瞬時(shí)導(dǎo)抗與導(dǎo)抗的變化量，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制來(lái)完成最大功率點(diǎn)跟

14、蹤的功能。太陽(yáng)能電池的P-V特性曲線可知，在最大值Pmax處斜率為零。</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p><b>　　(3.2)</b></p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　要達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化

15、量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，陣列工作于最大功率點(diǎn)。若不相等，則要判斷dp/du是大于零或小于零。</p><p>　　電導(dǎo)增量法通過(guò)比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來(lái)改變控制信號(hào)。這種控制算法同樣需要對(duì)光伏陣列的電壓和電流進(jìn)行采樣，電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度比較快，適用于大氣條件變化較快的場(chǎng)合，但是對(duì)硬件的要求特別是傳感器的精度要求比較高，系統(tǒng)各個(gè)部分響應(yīng)速度都要求比較快，因而整個(gè)系統(tǒng)的硬件造價(jià)也會(huì)比較高。電導(dǎo)增量

16、法最大的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)太陽(yáng)電池上的照度產(chǎn)生變化和表面溫度產(chǎn)生變化時(shí)，可以始終向后級(jí)負(fù)載提供最大功率，并同時(shí)滿足快速和高精度的要求。采用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤[8]。 </p><p>　　3.2.2擾動(dòng)觀察法</p><p>　　擾動(dòng)觀察法的基本原理：先給出一個(gè)擾動(dòng)u再測(cè)量太陽(yáng)能電池陣列輸出功率的變化，與擾動(dòng)之前其輸出功率值相比，若功率增加，表示擾動(dòng)方向正確，可繼續(xù)朝同一方向擾動(dòng)；若功

17、率減少，表示擾動(dòng)方向錯(cuò)誤，可按-u方向擾動(dòng)。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得出最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓近似為太陽(yáng)能電池陣列開(kāi)路電壓的76％，因此系統(tǒng)的初始值根據(jù)陣列的開(kāi)路電壓選擇可以使系統(tǒng)的工作點(diǎn)快速接近最大功率點(diǎn)[9]。</p><p>　　最大優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試的參數(shù)少，跟蹤原理清晰、易于實(shí)現(xiàn)，是廣泛使用方法之一。具有以下兩個(gè)缺點(diǎn)：</p><p>　　一是因?yàn)閿_動(dòng)值U是一個(gè)確切的值，這種設(shè)定難以

18、兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性。當(dāng)U設(shè)置過(guò)小，MPPT步長(zhǎng)會(huì)使到達(dá)最大功率點(diǎn)的時(shí)間增加，且導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢；但如果U設(shè)置過(guò)大，則使太陽(yáng)能電池輸出的能量波動(dòng)較大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，同時(shí)U過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)擾動(dòng)幅度過(guò)多，導(dǎo)致平均輸出功率將遠(yuǎn)小于太陽(yáng)能電池提供的最大功率而損失部分能量[10]。</p><p>　　二是在外界環(huán)境快速變化的情況下，擾動(dòng)觀察法可能會(huì)引起誤判，導(dǎo)致系統(tǒng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)。即使到

19、了最大功率點(diǎn)，擾動(dòng)仍在，在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致部分功率損失。而且跟蹤過(guò)程可能出現(xiàn)失序的情況，進(jìn)而導(dǎo)致跟蹤失敗，因此這種方法不適用在環(huán)境快速變化的情況下運(yùn)行[11]。擾動(dòng)觀察法的程序框圖見(jiàn)圖</p><p>　　圖3.3擾動(dòng)法流程圖</p><p>　　3.3單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　3.4.1逆變器的并網(wǎng)控制方案</p>

20、;<p>　　逆變器與市電并聯(lián)運(yùn)行的輸出控制可分為電壓控制和電流控制，市電系統(tǒng)可視為容量無(wú)窮大的定值交流電壓源，如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采用鎖相控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)與市電同步，在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可通過(guò)調(diào)整逆變器輸出電壓的大小及相移以控制系統(tǒng)的有功輸出與無(wú)功輸出。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制、可能出現(xiàn)環(huán)流等問(wèn)題，不易獲得

21、優(yōu)異性能。如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。由于其控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，因此電流型并網(wǎng)控制方式被廣泛地采用。光伏并網(wǎng)逆變器一般都采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。</p><p>　　3.4.2雙環(huán)控制方案</p><p>　　通常逆變器的功率電路使用橋式電路，由此可將直流輸入轉(zhuǎn)換為交流輸出，由于電感的濾波作用，可使輸出波形較為

22、平滑。被控量并網(wǎng)電流。與電網(wǎng)電壓同頻、同相，要求加上同步鎖相環(huán)以保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同步。逆變器的輸出端接電網(wǎng)，從控制原理上來(lái)講，電網(wǎng)是一個(gè)擾動(dòng)量。</p><p>　　圖3.4 并網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　內(nèi)環(huán)控制采用基于并網(wǎng)電流的瞬時(shí)值反饋，用于電流的實(shí)時(shí)跟蹤。附加外環(huán)的目的是為了消除單獨(dú)采用內(nèi)環(huán)控制存在的誤差。外環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理是：在電網(wǎng)過(guò)零點(diǎn)來(lái)到時(shí)，通過(guò)幅相檢

23、測(cè)器分別檢測(cè)并網(wǎng)電流的幅值和相位誤差，PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生輔助參考電流信號(hào)與同步鎖相環(huán)產(chǎn)生的主參考電流信號(hào)相加后作為內(nèi)環(huán)的參考電流。外環(huán)將與內(nèi)環(huán)的共同作用保證了并網(wǎng)電流對(duì)主參考電流的無(wú)差跟蹤。因此可將內(nèi)環(huán)與外環(huán)一起稱為電流跟蹤環(huán)。電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)是同步鎖相環(huán)和外環(huán)相位控制環(huán)的同步源，提供了產(chǎn)生正弦信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)。</p><p>　　為了消除這個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差，改進(jìn)方案：在內(nèi)環(huán)外增加一個(gè)外環(huán)，分別控制并網(wǎng)電流的相位和幅值，檢測(cè)內(nèi)

24、環(huán)輸出的并網(wǎng)電流的相位和電網(wǎng)電壓相位差作為相位控制環(huán)的反饋輸入，檢測(cè)并網(wǎng)電流的幅值作為幅值控制環(huán)的反饋輸入幅值誤差和相位誤差分別經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器輸出后產(chǎn)生輔助參考電流。</p><p>　　3.4.3鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，為了保證并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同頻、同相(只有在功</p><p>　　率調(diào)節(jié)器中出于無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)男枰?，才可控地?shí)現(xiàn)

25、一定的相位差)，鎖相環(huán)能滿足這一要求，所以要使用鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)。</p><p>　　同步鎖相環(huán)從功能上可理解為一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，實(shí)時(shí)發(fā)出與電網(wǎng)電壓同步的正弦波。鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡(jiǎn)稱PLL。</p><p>　　鎖相環(huán)是一種反饋控制電路，它的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因鎖相環(huán)可

26、以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住。鎖相環(huán)是一個(gè)使輸出信號(hào)(振蕩器產(chǎn)生的)與參考信號(hào)或者輸入信號(hào)的頻率和相位上同步的電路。在同步狀態(tài)，振蕩器輸出信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差為零，或者保持常數(shù)。</p><p>　　圖3.5 PLL結(jié)構(gòu)控制框圖&

27、lt;/p><p>　　3.4.4濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　凡是有具有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱為濾波器。用來(lái)分開(kāi)及組合不同頻 率，選取需要的信號(hào)頻率，抑制不需要的信號(hào)頻率的微波器件。主要功能是作為 各種電信號(hào)的提取、分隔、抑止干擾。</p><p>　　電氣工程上,常利用LC元件對(duì)不同頻率交流電量的電抗不同

28、,對(duì)交流電量進(jìn)行分流,稱為濾波。濾波器一般由電感或電容以及電阻等元件組成電容濾波，簡(jiǎn)單的說(shuō)，濾波是利用電容對(duì)特定頻率的等效容抗小，近似短路來(lái)實(shí)現(xiàn)的（與諧振無(wú)關(guān)）。</p><p><b>　　4 預(yù)期結(jié)果</b></p><p>　　1、閱讀中外參考文獻(xiàn)不少于20本（篇）以上；</p><p>　　2、完成初步方案設(shè)計(jì)和開(kāi)題報(bào)告，并提出初步設(shè)計(jì)

29、方案供開(kāi)題答辯；</p><p>　　3、按照任務(wù)要求完成全部設(shè)計(jì)內(nèi)容，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)；</p><p>　　4、按照《西南石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫(xiě)規(guī)范》的要求和格式完成2萬(wàn)余字的畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文），提交按照要求裝訂規(guī)范的報(bào)告（論文）的打印件和電子文檔；</p><p>　　5、完成500個(gè)漢字以上的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的中英文摘要；</p>

30、<p>　　6、完成與設(shè)計(jì)題目相關(guān)的外文翻譯，要求外文字符不少于2萬(wàn)，并提交裝訂成冊(cè)的外文原文和中文譯文，同時(shí)提供電子文檔。</p><p><b>　　5 時(shí)間進(jìn)程安排</b></p><p>　　表5.1時(shí)間進(jìn)程安排表</p><p><b>　　6 參考文獻(xiàn)</b></p><p&g

31、t;　　[1] 姜子晴.單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究[D].江蘇：江蘇大學(xué)，2008.</p><p>　　[2] 郭镥.小容量單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].湖南：湖南大學(xué)，2012.</p><p>　　[3] Geoff Stapleton,Susan Neill,太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[M].：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.</p><p>　　[4] My

32、rzik JMA，Calais M．String and module integrated inverters for single-phase grid connected photovoltaic systems[C]．Power Technology Conference Proceedings，IEEE Bologna．2003，2·8．</p><p>　　[5] 陳宗祥，蔣贏，潘俊民，劉曉

33、東．基于滑?？刂频腪源逆變器在單相光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)．2008，28(21)：33-39．</p><p>　　[6] 關(guān)守平，郝立穎.低壓電網(wǎng)中的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)．2009，30(12).</p><p>　　[7] 高金輝，唐靜.一種新型光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法的研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制．201l，39(23)：21-24(29

34、)．</p><p>　　[8] Tsukamoto O,Okayasu T,Yamagishi K.Study on Islanding of DispersedPhotovoltaic Power Systems Connected to a Utility Power Grid[J]．Solar Energy，2001，70(6)：505-51 1．</p><p>　　[9] 賴東