带储能模块的并网光伏发电系统研究.pdf

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专业学位硕士学位论文带储能模块的并网光伏发电系统研究ResearchOnTheGridconnectedPhotovoltaicPowerGenerationSystemWithEnergyStorageModule作者姓名：

王堑工程领域：

扭越工猩学号：

31104050指导教师：

邪墓态虽塾援完成日期：

201305大连理工大学DalianUniversityofTcchnologylIIIIIIIIIIitIIIIIIIIIIIIIIY2417392大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目：

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圣蝇日期：

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I：

人学专业学位硕+学位论文摘要目前全球能源形势不容乐观，开发可再生新能源，改变能源结构成为大势所趋。

太阳能资源作为分布范围广泛、洁净环保、储量无限的新能源已成为开发的重要对象。

现代工业中最直接利用的能源就是电能，所以利用太阳能发电作为电网的重要补充形式成为研究热点。

由于光伏发电不稳定，会受外界环境和负载的影响，并网会对电网电能造成污染，所以光伏发电技术中如何高效利用太阳能产生稳定电能，将产生的电能无污染馈送到电网成为了目前的重点研究方向。

开发了等效不问断电源的储能模块，储能模块包括充放电控制和蓄电池两部分，蓄电池技术已经相当成熟，本系统主要对充放电控制方法进行研究，充电采用三阶段控制，放电采用电压控制，设计了电压外环电流内环的双闭环控制策略，该控制策略能有效的延长蓄电池的寿命；光伏电池阵列的输出功率随环境及负载的变化而不同，其中有且仅有一个最大功率点，为了实现光伏电池阵列实时工作在最大功率点达到光伏发电的高效利用，设计了定电压启动变步长追踪的新型电导增量控制算法，使光伏电池阵列输出仅需005s即可达到稳定，且功率波动极小；设计了三相并网逆变器，当光伏电池阵列产生电能大于负载所需时，可将多余的电能输送到电网，避免光伏发电的浪费，还可节约成本，当光伏电池阵列产生电能不足负载使用时，电网输送电能进行补充，逆变器的控制方式采用基于空间矢量的电压外环电流内环的双闭环策略，既实现了单位功率因数馈送电能不对电网造成污染又减小了直流母线电压的波动。

针对系统随着负载及其环境变化产生的七种不同工作状态，设计了工作模式切换控制策略，使光伏电池模块、储能系统模块和并网模块的工作状态做出相应的调整。

最终在各模块原理分析及控制策略设计的基础上搭建了整体系统的仿真模型，在Simulink软件中进行了不同工作模式的仿真分析，仿真结果验证了系统各模块工作状态的正确I生。

关键词：

光伏发电；最大功率跟踪；储能模块的充放电；并网逆变器；直流母线带储月z,匕m佚J-块的并网光伏发电系统研究ResearchOnTheGridconnectedPhotovoltaicPowerGenerationSystemWithEnergyStorageModuleAbstractAstheglobalenergysituationisnotoptimisticatpresent，thedevelopmentofnewrenewableenergyandthetransfclrmationofenergystructurehasbecomethetrendofTheTimesThesolarenergyresource，onekindofwidelydistributed，cleanandinfiniteenergy，hasbecomeanimportantobjectofstudyInthemodemindustry，electricenergyisthemostdirectuseofenergyAndusingsolarenergyinelectricitygenerationasanimportantsupplementforpowergridiSaresearchhotspot，13ecauseofextemaIenvironmentand【oad，theelectricitygeneratedbysolarenergyisnotsteady，andgridconnectionisanadverseeffectforthegridConsideringtheproblem，howtousesolarenergytogeneratesteadyeteetricityefficientlyandfeedthegridwithoutadverseeffectiSthekeyresearchdirectionatpresentDesignedonekindofenergystoragedevicethatcansupplypowercontinuallyTheenergystoragedeviceincludeschargeanddischargecontrolsystemandstoragecellsConsideringthetechnologyofstorageceilsismatureThisarticleresearchedchargeanddischargecontrolmethodChargeiscontrolledbythreestages，anddischargeiscontrolledbyvoltageDesigneddoubleclosedloopstrategyconsistedofvoltageouterloopandcurrentinnerloopThiskindofcontrolstrategyisabletoprolongthelifeofstoragecellsTheoutputpowerofphotovoltaiccellsarrayiSchangedunderdifferentenvironmentsor10adsInthesesituations，thereiSoneandonlyonemaximumpowerpoint。

f11ordertoJephotovoltaiccallsarrayworkjnthemaximumpowerpointinrealtimeefficientlydesignedanewconductanceincrementcontrolalgorithmthatisstartedbyconstantvoltageandtrackedbyvariablestepBythisway，thephotovoltaiccellsarrayjustcost005stoachievesteadystatus，andthefluctuationofpowerisveryslightlyDesignedthreephasegridconnectioninverter，whichcansupplyredundantelectricityenergytopowergrid，Bythisstrategy，wasteisavoided，andcostissavedWhentheelectricitygeneratedbyphotovoltaiccellsarraycannotundertaketheload，gridwillsupplementenergytothesystem，TheinverterwasdesignedtObeonekindofvoltageandcurrentdoubleclosedloopcontrolsystembasedonspacevectorInthisway，DCbusvoltagecarlbestabilizedandunitypowerfactoroutputdoesnothaveharmfuleffectonpowergridAsthesystemhavesevendifferentworkingstatutesindifferentloadanditsenvironment。

designedswitchingcontrolstrategyofworkingstatutes，adjustingworkingmodelofphotovohaicceils，storagesystemandinverterFinally，onthebasisofprincipleanalysisandII大连理f：

人学专业学位硕十学位论文_二-二二=：

designofcontrolstrategy，setuptheoverallsystemmodelandanalyzedeachkindofworkingmodeofthesystembySimulinksoftwareTheresultofsimulationprovedmeworkingstatutesofthesystemSmodelsKeyWords：

GridconnectedPhotovoltaicPowerGeneration；MaximumPowerPoi几tTracking；EnergyStorageModuleChargingAndDischarging；ThreephaseGridconnect仑dInverter；DCBus带储能模块的并网光伏发电系统研究目录摘要IAbstractIIl绪仑l11课题研究背景及意义112并网光伏发电系统而临的问题313国内外并网光伏发电技术研究现状4131蓄电池充放电控制研究现状4132最大功率跟踪技术研究现状5133并网逆变器控制策略研究现状614本文主要研究内容72光伏电池阵列模块及储能模块821光伏电池工作原理及特性分析8211光伏电池工作原理8212光伏电池模型821t3光伏电池阵列建模及仿真输出特性1022储能系统及其控制策略13221光伏蓄电池工作原理及其参数13222双向DCDC主电路及工作原理14223蓄电池充放电控制策略1523本章小结173摹于改进电导增量法的最大功率跟踪及其实现1831最大功率点跟踪（MPPT）原理及实现电路1831，1最大功率点跟踪（MPPT）原理18312DCDC电路选取19313Boost电路参数设计2032定电压启动变步长的跟踪电导增量法21321定电压控制法22322传统电导增量法22323定电压变步K电导增量法23324电导增量法MPPT仿真结果分析25人连理丁人学专业学位硕+学位论文33本章小结264三相并网逆变器的设计与控制2741并网逆变器的概述27411并网逆变器主电路结构及其工作原理27412并网逆变器控制策略2842电压电流双闭环控制策略2842】前馈解耦控制284122电压电流双闭环参数30423锁相环技术32424空问矢量脉宽调制技术3343SVPWM工作原理及实现33431SVPWM基本原理33432SVPWM技术的实现3544本章小结405带储能模块的并网光伏发电系统仿真研究4151光伏发电系统工作模式及其控制策略41511光伏发电系统上作模式分析41512光伏发电系统工作模式的控制策略4452光伏发电系统典型工作模式的仿真分析455121工作模式一45522工作模式二46523工作模式三47524工作模式四4753本章小结48结论49参考文献50致谢一53大连理工大学学位论文版权使用授权书54人连理工人学专业学位硕+学位论文1绪论由于世界各国对传统能源的同益消耗和传统能源对人们生活环境造成的污染日益严重，各国将目光投向了可再生无污染的新型能源。

近年来，各国大力发展风能、水能、太阳能、地热能等可再生能源，其中，太阳能是一种分布最为广泛，是可以长期依赖的清洁环保可再生能源形式。

因此，太阳能越来越受到人们的重视，充分开发利用太阳能这种新型能源成为能源发展的重要研究课题。

将太阳能转换为工、Ik直接利用的电能是太阳能利用的一种重要形式，由于电能在世界范围的成本较高、普遍短缺，所以太阳能发电技术具有广阔的前景。

如何实现最大效率的利用太阳能资源并且实现电网并网成为光伏发电系统目前必须解决的问题。

11课题研究背景及意义传统能源枯竭及带来的环境污染问题是目前经济发展亟待解决的两大问题。

目前世界已探明的传统能源的储量和可使用量不容乐观，并且利用传统能源给环境造成了严重的污染。

为实现经济的可持续发展，JI：

发和探究可再生新型能源成为世界范围的趋势。

新型能源丰要包括风能、水能、太阳能和地热能等，众多新型能源的利用能够缓解能源紧张的情况，减轻污染，促进经济发展，实现能源结构的改割21。

综合考虑多种新型能源，从存储量、分布范围和价格等多方面考虑，太阳能的应用前景最为广阔，最具发展潜力，受到很多国家的重视。

电能在世界范围的成本较高、普遍短缺，开发利用太阳能转换为工业直接利用的电能是太阳能利用的一种重要形式，实现新型能源的普遍利用。

与其他新型能源发电技术及普遍使用的大电网供电系统相比较，光伏发电具有很多优势：

（1）发电形式简洁，利用率高。

光伏发电是光了到电子的直接转换，过程中既无中问过程也没有机械运动，所以可以得到很高的发电效率，提高了利用率，减少了能源浪费。

（2）太阳能资源分布范围广泛，洁净环保。

利用过程中无需运输且无污染，无任何国家实现控制或垄断的可能。

（3）不用担心太阳能耗尽问题。

（4）规模人小可根据使用做出调整，安装和拆卸方便。

欧洲联合研究中心（JRC）对光伙发电的未来发展作出预测：

2020年世界太阳能电池的发电量l世界总能源需求的1，2050年占到20，2100年则将超过50t3|。

由于太阳能资源独有的优势，世界范围内的研究使得技术不断创新，并且很多国家带储能模块的并网光伏发电系统研究出台优惠政策，所以光伏电池的性能提高，成本下降，使光伏发电应用范围不断扩大，目前已经达到产业化、规模化阶段041。

表11显示了2004年至2012年全球光伏电池年产量及增长率。

从表中可以看出，近10年来，全球年光伏电池产量增长率平均达到40以上。

表1120042012年全球光伏电池产量及增长率Tab11GlobalProductionofphotovoltaiccellsfortheyears2004t02012不得不提的是，2012年由于受到反倾销反补贴的影响，太阳能产业是崎岖颠簸的一年，各个国家都出现了供给过剩及价格下跌的情况，但是据统计数据显示，由J二光伏装机量的明显增加，光伏市场并没有想象的那么糟糕，反倾销裁决对光伏电站的安装及组件价格影响不大。

下述是各国2012年的光伏装机量及前景【551。

德国足世界最大的光伏发电国家，2012年装机量约为77GW，预计2013年装机量为65GW。

2012年初，德国补贴下调方案正式出台，预计装机量目标为2535GW，此后该目标每年下调400MW。

但是2012年德罔光伏市场表现出人意料，竟达到近8GW。

出现这种情况的原因是装机成本下滑，即使补贴下调，电站投资商依旧有利可图。

其次由于德国传统能源电价上涨，使得光伏发电成本更具竞争力，因此大部分德国民众开始投资光伏发电以节约电费开支。

美国2012年全年装机量增加至32GW，2013年有望达到39GW。

存光伏电站、太阳能租赁及光伏组件成本下降的推动下，美国仍旧保持强劲的增长趋势。

同本2012年全年光伏装机量为14GW，预计2013年装机量达到23GW。

不同于欧洲等其他市场，R本光伏市场是最稳定的，因为日本核电关闭后形成的能源真空、高度发达的经济条件和较高的电价补贴等各项条件保证了光伏发电在只本的蓬勃发展。

中国2012年全年光伏装机量为67GW，在各种政策的鼓励下，预计2013年装机量有望超过6GW。

中国出台了多项光伏产、Ik扶持的相关政策，促进了光伏产业的发展：

国家能源局发布太阳能发电发展“十二五”规划对装机容量目标做出调整，到2015年底，太阳能发电装机容量调整到40GW；第二批“金太阳”示范工程项目总装机量达人连理I：

人学专业学位硕士学位论文283GW；国家电网提出未来将对符合条件的分布式光伏项目提供系统方案制定、并网检测、调试等全过程服务，不收取费用，赋予电力全额收购的免费入网优惠政策。

图11是近几年全球光伏系统累计安装量。

从图中可以看出太阳能光伏发电产业已然成为电网电能的重要补充形式，其发展前景十分广阔。

12010080604020O全球光伏装机量变化（Gw）2003200420052006200720082009201020112012年份图11全球累计安装量Fig11Globalcumulativeinstalledcapacity国年增长皱一祟汁装机传统配电电网系统，施行长距离高压输电，供电模式单一，存在严重的安全隐患，一点故障就会引发全线大面积停电，严重影响人民生活和经济建设【16】。

由上述分析可知，开发太阳能能源供电，不仅可以缓解世界范围的能源危机，还可以优化传统电网结构，缓解电能短缺问题，促进电力的发展。

我国的地理位置决定可以广泛利用太阳能资源，实现全国范围使用光伏发电，将多余产生的电能直接接入中低压配电网，光伏发电补充电网已经成为中国发电趋势。

研究充分利用太阳能发电，实现产生的电能无污染的馈入电网，对我国能源问题和电