[论文]太阳能光伏并网发电的研究.docVIP

太阳能光伏并网发电的研究1.文献综述国内外现状能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。在各国政府的大力支持下，光伏产业发展迅速，最近10年太阳电池及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%。日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的50%以上；德、日、英、荷、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场，出口额占世界贸易额的80%以上。1993年，德国首先开始实施由政府补贴支持的“2000个光伏屋项计划”， 1999-2003年，实施“10万屋顶计划”，2000年，德国颁布可再生能源法，使国内的光伏装机容量由2000年的不足200MWp升至2006年的2350MWp。1997年6月，美国前总统克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划”，计划到2010年安装100万套太阳能屋顶。2007年，美国能源部颁布了美国太阳能先导计划(SAI 2006-2010),以保持美国在光伏发电技术开发、制造水平等方面的世界领先地位。日本自1993年开始实施“新阳光计划”，以加速光伏电池、燃料电池、氢能及地热能等的开发利用，其中光伏的2010年目标为4.8GWp 。1997年又宣布了7万太阳能光伏屋顶计划，目标是到2010年安装7.60GWp太阳能光伏电池。据欧盟估计，全球光伏市场将从现今的3000 MW增加到2020年的70 GWp (Wp为峰瓦)，光伏发电将解决非洲30%、经济合作与发展组织(OECD)国家10%的电力需求。和发达国家相比，中国的光伏发电产业的发展也相对缓慢，各种光伏材料的发展都相对落后。1958年开始对太阳能光伏电池进行研究，并于1971年将光伏电池成功应用于东方红2号卫星；1973年开始太阳能光伏电池的地而应用研究；从20世纪70年代初到80年代末，由于成本高，太阳电池在地而的应用非常有限。20世纪90年代以后，随着成本的降低，太阳电池产量迅速增长，太阳电池开始向工业领域和农村电气化应用发展，市场稳步扩大，国家和地方政府开始制订光伏计划。2002年，国家发改委启动了“送电到乡”项目，使得中国的光伏市场迅速增长，总装机容量从2001年的23.5 MW迅速增长到2002年的45 MW，至2003年达到55 MW。2003 2005年，受德国市场的巨大需求影响，国内光伏企业的产能迅速扩展，产量迅速增长。 根据各国光伏发展规划，美国、欧洲和日本到2010年规划的光伏安装量分别为5GW、10GW和8GW；到2020年的规划分别为36GW、41GW和30GW。相比之下，中国光伏发电的近中期目标制定偏低，分别为0.25GW和1.6GW。而据了解，即将出炉的新能源产业振兴规划很可能将2020年的发展目标提高到20GW。发改委能源研究所有关研究预计，2020年中国大型荒漠光伏电站累计装机将达到200MW。课题学术和使用意义如何在有限的能源和环境保护的双重制约下发展经济己经成为全球各国关心的热点问题。由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家的能源供应不足，不能满足其社会的发展需要，并且由于蕴藏量有限，常规能源正面临着枯竭的危险。人们必须开发新的可再生能源以满足日益增长的电力需求。太阳以光辐射的形式每秒向地球辐射的能量大约为1.8x1018 KWh，是全球能耗的数万倍。太阳能光伏发电具有清洁，安全，无噪声，本身发电并不消耗物质，而且无排放物；太阳能无处不有，范围很广；结构简单，体积小且重量轻，易安装，易运输，建设周期短；启动容易，维护简单，使用方便，供应稳定；可靠性高，使用寿命长等优点。根据目前的实际进展和未来的发展速度，专家们预测，到2050年，可再生能源占总一次能源的比例约为54%，其中太阳能在一次能源中的比例约为13%-15%，到2100年，可再生能源将占86%，太阳能占67%，其中太阳能发电占64%。充分利用太阳能具有持续供能和环保双重伟大的意义。将光伏并网发电、电网无功补偿和谐波抑制集于一体的光伏并网发电系统的研究进一步拓展了光伏系统的应用范围，并使光伏并网发电系统的品种和功能等方面获得不断发展，随着世界对新能源发电的渴求，光伏并网发电规模将会更加迅速的发展，应用面将更宽。对世界的未来有着深远的意义。2. 课题研究目的、内容、技术路线研究目的工业自动化社会中，电能起着十分重要的作用，人均消耗的电能量已成为衡量一个国家实力的重要指标。为了高质量，有效地使用电能，生产的总电能中，越来越多的电能必须经过电力电子技术实行能量变换后，再用于工业和军事的需要。因为，它对节能、减小环境污染，改善工作条件，节省原材料，降低成本和提高产量等方面均起着十分重要的作用。在太阳能光伏发电系统中，光伏阵列作为将太阳能转换成电能的装置，在系统中无论从成本上还是功能上都占有重要地位。因此，提高光伏电池阵列的利用效率，降低发电生产成本一直是光伏系统设计的重中之重。但由于其自身不同于常规电源的发电特点,使得并网光伏电站及其接入系统的安全、稳定、可靠运行成为了电网及光伏电站都需要面临的新挑战。因此,大型并网光伏电站及其接入系统运行特性的研究成为目前光伏发电产业和电力领域共同关心的重要课题。利用太阳能的光伏并网发电系统的优化结构和高性能控制策略，将电力电子技术和控制技术有机结合，使系统即能够最高效率的利用太阳能，又能注入理想的电流波形入电网，提供理想电能，为太阳能光伏并网发电系统产品化提供应用理论基础和技术支持，开辟工业应用途径。研究内容 (1)从物理意义上详细研究分析光伏电池的发电机理，建立光伏阵列模型，分析输出特性;在同步旋转坐标变换的基础上，实现光伏阵列最大功率跟踪的光伏并网控制系统建模。运用Matlab的Simulink进行系统仿真研究验证模型的可行性。(2)太阳电池的特性曲线有强烈的非线性，其输出功率受到温度、光照等周围环境因素的影响。针对几种常用的最大功率点跟踪方法的进行了比较分析，研究在阴影情况下新的控制算法实现快速稳定地最大功率点跟踪，保证光伏阵列在最大功率点运行，最大限度地将光能转化为电能，提高系统效率。(3) 分析作为系统核心部分的逆变器的工作原理。给出了在太阳能光伏并网发电系统数学模型的基础上研究逆变环节的控制策略。(4) 分析太阳能光伏发电系统直接并网时的安全保护问题，除了基本的保护功能外，还应具备防孤岛效应的特殊功能。从用电安全与电能质量考虑，研究快速安全的孤岛效应检测控制方法，保证整个系统的高效安全运行。(5)分析太阳能光伏发电系统并网运行时对电网电能质量的影响。综合考虑并网发电与对电网电能质量的治理，为可再生能源发电以及电力系统管理提供必要的技术和信息支持。(6)通过远程监测采集光伏并网电站的运行数据，记录当地的太阳能资源情况、光伏阵列的实际发电情况、可及时了解现场运行情况，分析出太阳能资源的利用率和光伏并网电站的运行性能和运行效率。技术路线 (1) 在MATLAB/Simulink仿真环境下，建立仿真模型，对太阳能电池板的数学模型，最大功率点跟踪控制策略，并网控制策略进行验证仿真。(2) 应用两级能量变换光伏并网系统。DC/DC环节实现直流升压和MPPT控制，DC/AC逆变环节实现逆变及并网控制。研究并网逆变器的各种拓扑结构，确定逆变器的控制策略。(3) 远程监测系统采用现场数据采集与远程监测，观测太阳辐射、瞬时发电量、总发电量、并网电压、并网频率情况及各逆变器的运行情况。通过采集的大量数据，分析太阳能光伏发电系统并网运行时对电网电能质量的影响。3. 创新之处与拟解决的关键问题 创新之处 (1) 光伏发电输出受天气影响很大，尤其在多云天气，发电功率会出现快速剧烈变化，建立阴影下的光伏阵列模型。(2) 通过利用MATLAB仿真分析对比了最大功率点跟踪算法的优缺点，提出最大功率点跟踪的优化算法，提高了光伏发电对太阳能资源的利用。(3) 大规模PV 发电系统的接入，不可避免地会对传统电网的规划设计、调度运行等多方面产生影响，通过远程监测可为全面、有效的并网管理提供参考的依据，从规范管理和技术可靠的角度对并网光伏发电系统提出有力的数据，提高光伏发电系统电能质量、可靠性和安全性。 拟解决的关键问题(1)阴影下光伏阵列模型的建立；(2)最大功率点跟踪算法的改进和优化；(3)并网逆变环节的控制策略；(4)孤岛效应高效的检测方法；(5)远程监控系统的实现。4. 预期目标 (1)通过优化最大功率点跟踪和逆变器的设计减小并网运行时对电网电能质量的影响(2)监测采集光伏并网电站的运行数据，实现对光伏并网电站的评估，并在此基础上对光伏并网电站进行优化设计，为建设更大容量的光伏并网电站和户用光伏并网电站提供依据。5. 可行性论证 随着太阳能电池和电力电子技术的不断进步，电力电子技术与控制理论的结合与发展为这个领域带来了无限生机。太阳能光伏发电得到了长足的发展并已成为新能源利用的主流之一。当前，光伏发电不断向低成本、高效率和高功率密度方向发展，太阳能光伏利用的主要形式将是并网发电系统。高性能的数字信号处理器芯片DSP的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网的控制成为可能。通过收集光伏发电的相关资料，认真总结，充分借鉴国内外先进技术经验，进行方案分析，为本项目的研究进行了技术储备，并收集了大量的技术资料，做好了充分的前期研究工作，在算法方面已做了一些研究，仿真结果验证了太阳能光伏并网发电系统拓扑结构及控制算法的正确性和高效性。6. 参考文献 1 赵争鸣,刘建政等.太阳能光伏发电及其应用M.北京：科学出版社.2005.2 赵晶,赵争鸣,周德佳.太阳能光伏发电技术现状及其发展J.电气应用,2007,26(10):6-11.3 张垠. 居民太阳能光伏发电并网引起的问题研究J.2009,26(4):37-39.4 赵平,严玉廷. 并网光伏发电系统对电网影响的研究J. 电气技术.2009,3:41-44.5 闵江威.电力光伏发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究D.武汉：华中科技大学.20066 赵春江,刘永生,杨金焕.3KW家用型太阳能光伏发电(PV)系统并网后的运行和监测J. 华东电力, 2009,37(8):1374-1377. 7 刘莉敏，曹志峰，许洪华. 50kWp并网光伏示范电站系统设计及运行数据分析J.太阳能学报. 2006,27(2):146-1508 程军照, 吴夕科, 李澍森, 左文霞. 采用Boost的两级式光伏发电并网逆变系统J. 高电压技术. 2009, 35(8):2048-2052.9 Al-Amoudi,L.Zhang .Application of radial basis function networks for solar-array modeling and maximum power-point prediction.IEE Proc- ansnsm.Distrib.,Vol.147,NO.5,September 200010 Arab AH, Driss BA, Amimeur R, et al. 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