单相光伏并网逆变器研究(本科论文)

1、单相光伏并网逆变器的研究轮机工程学院摘摘 要要能源危机和环境问题的不断加剧，推动了清洁能源的发展进程。太阳能作为一种清洁无污染且可大规模开发利用的可再生能源，具有广阔应用前景。并且伴随“智能电网”理论的兴起，分布式电力系统正日益受到关注，光伏逆变系统作为分布式电力系统的一种重要形式，使得对该领域的研究具有重要的理论与现实意义。论文在分析光伏逆变系统发展现状与研究热点的基础上，探讨了光伏逆变系统的主要关键技术，对直接影响光伏逆变系统的工作效率以及工作状态的最大功率点跟踪控制、光伏逆变器控制等技术进行了详细研究。为研究光伏逆变系统，本文建立了一套完整的光伏逆变系统模型，主要包括光伏电池模块，前级 DC/DC 变换器，后级 DC/AC 逆变器，以及相应的控制模块。为了提高系统模型的准确性及稳定性，论文设计了一种输出电压随温度光照改变的光伏电池模型，提出了一种基于 Boost 升压变换器的最大功率点跟踪（MPPT）控制策略，并且将正弦脉冲宽度调制技术（SPWM）应用于逆变器控制。最后在 Matlab/Simulink 软件环境下搭建了光伏逆变系统的整体模型，完成系统性的实验验证。经过仿真实验验

2、证，所提出的光伏逆变系统设计方案正确可行，且输出达到了设计要求，为进一步实现并网功能提供了条件，具有较高的实用参考价值。关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；光伏逆变系统；正弦脉冲调制技术关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；光伏逆变系统；正弦脉冲调制技术IABSTRACTWith intensify of the energy crisis and environmental problems, the development of clean energy has got a promotion. The solar energy has a broad application because of its friendly-environmental advantage and renewable property. With the proposition of the Smart Grid, Distributed Power System has earned more attention. As an important form of Distributed Power Sys

3、tem, photovoltaic inverter system is the key of the research in this field.This paper discusses the key techniques of photovoltaic inverter system on the basis of analysis of development and research hotspot of PV inverter system and traverses the main techniques such as maximum power point tracking (MPPT) which has a direct influence on work efficiency and work condition and technology of PV inverter. In order to research PV inverter system, this paper builds an integral model, including PV bat

4、tery model and DC/DC converter and DC/AC single phase inverter as well as corresponding control models. In order to improve the validity and the stability of the system, the paper uses a PV battery model whose output voltage changes with intensify of the illumination and the real time temperature. And this paper proposes a control method of MPPT on the basis of Boost converter and applies the Sinusoidal PWM in single phase inverter control. At last, we will build an integral PV inverter system b

5、y using Matlab/Simulink software, to get a verification and validation.Through many simulation experiments, the proposed photovoltaic inverter system design is correct and feasible. And the output indicators meet the design requirements. The system paves the road to the further implement and grid connection and has a high practical value.KEY WORDS: PV battery；maximum power point tracking (MPPT)；PV inverter system；sinusoidal pulse width control (SPWM)II目目 录录第 1 章 绪论11.1 课题背景及意义.11.2 光伏并网逆变器技术简介.2

6、1.3 光伏并网逆变器的国内外现状及发展趋势.31.4 本文主要研究内容.4第 2 章 光伏并网逆变系统分析52.1 逆变器拓扑结构.52.2 并网逆变器输入方式.52.3 并网逆变器的隔离方式.62.4 并网逆变系统的方案及其工作原理72.4.1 光伏电池的原理及数学模型.82.4.2 前级 Boost 升压电路工作原理102.4.3 后级单相全桥逆变器的工作原理.112.5 最大功率点跟踪模块的原理及分析.122.5.1 最大功率点跟踪原理.122.5.2 爬山法132.6 本章小结.15第 3 章 光伏并网逆变器的控制及实现163.1 并网逆变器的 SPWM 技术 .163.1.1 SPWM 调制技术原理 163.1.2 单相单极性 SPWM 逆变器 .173.1.3 单相双极性 SPWM 逆变器 .173.2 光伏并网逆变器的输出控制.183.2.1 并网逆变器的控制目标.183.2.2 并网逆变器的输出控制模式.183.3 并网电流闭环控制系统数学模型.213.4 本章小结.24第 4 章 基于 SPWM 的并网系统 MATLAB/Simulink 仿真254.1 单相光伏并

7、网逆变系统的仿真.254.2 光伏电池模型仿真.254.3 并网逆变系统的仿真.274.4 系统仿真结果及分析.28结论30III参 考 文 献31致 谢33采用电流型控制的光伏模块的最大功率控制 0单相光伏并网逆变器的研究单相光伏并网逆变器的研究第第 1 章章 绪论绪论1.1 课题背景及意义课题背景及意义被誉为全球经济血液的能源是影响国家安全的重要因素之一，是人类社会运行和发展的基础物质条件1。随着经济社会的快速发展，能源消耗急剧增长，能源危机也越来越引起人们的关注，能源危机是我国乃至全世界一个长久存在的严峻问题，它严重影响着经济的发展和环境的变化。目前世界资源消耗在逐年递增，其特点可以用以下两点概括为：一是发达国家放慢了对能源需求的速率，而发展中国家尤其是亚太地区的却加快了对能源消费的速率。二是在不断走向多元化的世界能源消费结构的影响下，石油的消费早在 50 年前就超越了能源消费量最大的煤炭，且最近几年和天然气的消耗同呈现持续上升状态。与此同时，能源消费结构也发生了变化，不再是单一的只依靠化石燃料，潮汐能、地热、风能等可再生新能源也相继被更多更广泛地开发利用2。但全球能源的消费依旧

8、是以不可再生的化石燃料为主，这导致化石能源枯竭来临的那一天日益临近，能源使用引发的生态污染也日益加重，这将是未来继续困扰人们的一大问题3。有关数据表明，世界石油总储量约为 1.15 万亿桶，如不加以节制仅够利用 41 年。且这种以不可再生的化石能源为主的世界能源消费结构带来的全球性的破坏力极大的能源环境问题，如酸雨、臭氧层破坏、海平面上升等，给我们的生活带来了很大的困扰。人类面临着有限的资源和严格的环保约束，要想解决能源问题，唯一途径是借助科学的力量，将风能，地热能，潮汐能等可再生洁净能源成为能源消费结构的主导力量4。我国现今正处于工业化、城镇化进程加快的时期，且正进一步扩大经济规模，对能源需求持续呈现大幅度上升趋势，但国内可利用资源相对短缺，这对能源供给形成了巨大的挑战，为缓解供求矛盾，石油天然气的需长期大量依赖进口。如今国际局势风云变幻，我国在能源的依存等国家安全保障工作方面将面临着巨大的挑战5。同时以煤为主的不可再生的能源结构在环境方面也给我国造成了很大困扰。因此为了全面建成小康社会，应本着可持续发展的科学发展观，进一步开发、利用可再生能源尤其是太阳能,当务之急就是改变能源消费结

9、构。太阳辐射的能量中被地球最终接收的可达到 5.41024焦耳，如果这些能量的十万分之一能转变为被人们方便利用的电能，就基本上能满足了目前全世界的用电需求6。由此可见，利用太阳能来发电不仅可以缓解日益恶化的环境还可以从根本上解决现今能源危机。从结构特征上看，太阳能光伏发电系统可以分为三种采用电流型控制的光伏模块的最大功率控制 1基本类型：独立型、并网型和混合型光伏发电系统7。现今的光伏发电系统的九成装机容量采用的是并网模式，并网式光伏发电系统与独立式相比降低了成本且可减少维护工作。全世界并网式光伏系统年在世界范围内的年增长率可 25-30%，可见并网式光伏发电系统是现今开发太阳能发电的发展方向。逆变技术是光伏并网发电技术的核心8。现今的并网逆变器还需更可靠性化、更效率化、更智能化。并网逆变器性能的改进在提高系统的效率、增强能量转化的可靠性、延长设备的寿命、降低成本等方面体现至关重要的作用9。1.2 光伏并网逆变器技术简介光伏并网逆变器技术简介尽可能的减小能量的损耗且降低系统的成本，光伏并网发电系统采用了并网逆变器将太阳电池组件中产生的直流电转换成与电网相匹配的同频同相的交流电,并直接将交流电输入电网中,省去蓄电池储能和释放的过程,可充分利用光伏所发的电能。并网逆变器在满足太阳能电池组件输出的电力与电网电力的电压频率等电性能标准一致中担任重要的角色10。逆变器也可以称为逆变电源,它是通过控制半导体功率开关的接通和断开来将直流电转变为交流电的一种变流转置，逆变器及逆变技术的简单分类11如表 1.1所示： 表表 1.1 逆变器及逆变技术的简单分类逆变器及逆变技术的简单分类分类方式类 型1234输出交流电相数单相逆变器三相逆变器多相逆变器输入直流电源性质电压源型逆变器电流源型逆变器主电路拓扑结构推挽逆变器半桥式逆变器全桥逆变器输出交流电的频率低频逆变器工频逆变器中频逆变器高频逆变器处于光伏阵列和电网中间的环节主要是用于服务用电户的光伏并网逆变器。故光伏并网逆变器的技术研究是从光伏阵列、电网和用电户要求这三个方面来开展的。首先，只有光伏阵列工作在最

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