光伏发电系统设计的与仿真开题报告
2020-04-28 20:17:12
1. 研究目的与意义（文献综述）
| 1. 目的及意义（含国内外的研究现状） 能源是推动当代社会工业进步的动力，也是维持社会稳定运行的物质基础。然而，经过长达几个世纪的无休止开采，煤炭、石油、天然气等人类赖以生存的不可再生能源已日趋枯竭。随着二十一世纪人口的爆炸式增长以及信息时代的到来，社会对这些能源的需求越来越大，能源已经成为影响世界格局和世界和平的一大因素。若能源问题不能解决，能源争夺战争或将不可避免。进入新世纪以来，各类新能源的研究利用获得了蓬勃发展，水能、核能、风能等新型可再生能源所占的比重越来越高。这些新型可再生能源或受地域分布影响，或受技术的限制，并未能在各国、各地区普及。与水电、风电、核电等相比，太阳能发电拥有无噪音、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点。另外，丰富的太阳辐射能，是取之不尽用之不竭的廉价能源。太阳能每秒钟到达地球的能量高达80万kW，如果把地球表面的0．1％的太阳能转化为电能，且转化率为5％，那么每年发电量可达5．6×1012kWh，相当于目前全球能耗的40倍。 我国地域辽阔，且占全国总面积三分之二的地区年日照时间超过2300个小时。76％的国土光照充沛，全年辐射总量为917～2333kWh／m2，理论总储量为147×108GWh/a，光能资源分布较为均匀，资源优势得天独厚，所以光伏发电应用前景十分广阔。我国能源供应中占主导地位的煤，其消耗量相当之大，同时也带来了众多严峻的环境问题，从环境和能源双重考虑，我国政府已经着手计划并采取有效的措施以发展可再生能源技术。根据2007年我国制定的《可再生能源中长期发展规划》可知，到2020年太阳能发电总容量将达180万kW，并且按照有关专家的预测，这一数字有望达到1000万kW。有效开发利用太阳能资源不仅可以带来良好的环境效益和社会效益，而且可以创造可观的经济价值。因此，世界各国都不断加大光伏发电系统的研究与开发力度。 在全球，光伏产业一直处于发展迅速的状态，1996年到2006年这10年里，太阳电池及组件生产的年平均增长率高达33％，早已经成为现如今发展最迅速的高新技术产业之一。2004年世界光伏电池及组件产量已达到1200MW，这其中日本生产量为610MW，超过50．8％；欧洲320MW，占据26．7％；美国135MW，占据11．25％；其他国家总产量为135MW，占据11．25％。随着技术的发展，并网发电在光伏市场中的份额逐渐开始增加并慢慢占据主导地位，并网光伏系统在太阳能发电中的比例不断变大，光伏发电已经开始逐渐从偏远地区的特殊用电向城市的生活用电过渡。21世纪以来，全球太阳能光伏并网发电年度并网容量增长44．1倍，从2000年的187MW递增至2008年得12．95GW，年增长率达60．99％，同比2007年增长了72．67％。全球太阳能光伏并网发电并网累计总量增长10．5倍，从2000年的1．435GW增长至2008年的16．4GW，年增长率35．6％，同比2007年增长60．78％，据统计，到了2010年，全球累计并网接近30GW。在欧洲，2010年左右，欧盟安装的太阳能光伏容量已经达到3GW，预计到2020年，太阳电池组件的年产量将达到54GW。 在美国，1999年前，其太阳能光伏研究与发展一直处于世界第一，但随后因为种种原因，渐渐落后于日本及欧洲。2004年9月，美国提出了“我们太阳电力的未来：2030及更久远的美国光伏工业线路图”，明确要恢复美国在光伏领域上领先地位的目标，政府增加科研投入，于是在那之后，美国安装太阳电池组件的增长率每年大概都在30％以上，同时美国预计，到2020年时累计安装太阳能电池组件容量将达到36GW，平均每年安装7．2GW，到2030年累计安装太阳电池组件容量将达到200GW，太阳能发电总量将高达3699亿kWh。日本政府1974年公布了“阳光计划”，接着在1993年提出了“新阳光计划”，目的是推动太阳能研究计划全面、长期的发展。日本新能源组织在2004年发表了《面向2030年光伏路线图》，计划使光伏发电到2030年就成为关键技术之一。 在光伏发电系统的核心部件——光伏控制器的研究方面，欧美等发达国家也走在世界前面。目前已研制成功了多种性能优良的MPPT光伏控制器，如意法半导体推出的SPV1001、SPV1020、SPV1040等系列产品能够最大限度的提升从太阳能电池板上采集到的电能，从而提高太阳能发电系统的总体效率。这些器件都内置了MPPT精密算法，以确保太阳能电池板在不同环境下都能输出最大功率。在MPPT算法的研究方面，亦是国外研究人员在突破。如提出扰动观察法、增量电导法等常用的控制方法。目前还提出了神经网络法、滑模控制法、MPPT模糊控制法等，但因算法仍不成熟，故未在实际中广泛使用。 自1985年起，我国就进行光伏器件的研究，并且在20世纪70年代的时候制造出空间光伏电源，到了80年代，我国还渐渐引进了美国单硅太阳能电池以及非晶体硅太阳能电池。经过多年的努力，光伏在我国已经迎来了快速发展的阶段，在发展政策方面，“金太阳工程”的实施使得光伏产业得到了极大的支持。据统计，截至到1997年，我国安装各类光伏系统的总量（其中包括进口系统）已达到11MW，并且还先后建立了20kW以上光伏电站7座，其中1998年在西藏安多县海拔4500m处，我国建成的100kW光伏电站，还成为世界上最高的光伏电站。2010年1月16日，采用阳光电源大型并网逆变器的3个大型光伏电站并网发电仪式在宁夏吴忠市太阳山集中举行，这是当时国内光伏电站最大规模的一次性并网，这次成功并网为我国荒漠光伏电站的推广应用起到了良好的示范和借鉴作用，在中国新能源行业和低碳经济领域具有重要意义。另外值得一提的是，在2010年的上海世博会上，由合肥阳光电源有限公司承建的世博会主体工程——主题馆、中国馆的大型光伏发电系统并网发电取得成功，为举世瞩目的上海世博会提供了清洁绿色的电力。在光伏控制器的研究方面，我国的研究内容主要还停留在对已有算法的改进和优化上。许多自主研制的光伏发电系统中，带最大功率跟踪的光伏控制器仍采用最原始的恒压追踪法，其性能与国外的MPPT控制器仍有一定的差距。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 2.基本内容和技术方案 光伏发电系统可分为以下几大模块：
图1 光伏发电系统框图 （1） 光伏组件：进行太阳能到电能的转换，收集电能并向外输送。 （2） DC-DC模块：因为太阳能电池输出的电压是不稳定的直流电压，为了满足直流负载或蓄电池充电的需要，必须进行DC-DC变换器的变换。 （3） MPPT控制器：主要是控制DC-DC变换器实现光伏组件的最大功率跟踪（Maximum Power PointTracking）。 （4） 蓄电池：电能有剩余时可存储起来，在夜晚和阴雨天时使用。 （5） 负载。 具体研究内容如下： （1）熟悉发电系统仿真软件和光伏发电系统的基本结构； （2）研究光伏电池的输出特性，利用仿真软件建立单个太阳能光伏电池模型； （3）研究光伏电池阵列的MPPT管理技术，利用仿真软件建立MPPT数学模型； （4）建立光伏阵列及储能电池的数学模型，综合负荷模型以及能源的匹配设计，构建系统整体框架； （5）建立综合发电、存储和使用的光伏发电系统的仿真模型，并进行仿真研究。 太阳能电池组件的性能可以用U-I曲线和P-U曲线来表示。电池组件的瞬时输出功率(U*I)就在这条U-I曲线上移动。电池组件的输出要受到外电路的影响。最大功率跟踪技术就是利用电力电子器件配合适当的软件，使电池组件始终输出最大功率。如果没有最大功率跟踪技术，电池组件的输出功率就不能够在任何情况下都达到最佳(大)值，这样就降低了太阳能电池组件的利用率。
图2 光伏电池I-U特性曲线
图3 光伏电池P-U特性曲线 MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最大功率输出对蓄电池充电。应用于太阳能光伏系统中，协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，是光伏系统的大脑。 MPPT算法可以分为自寻优法和非自寻优法两大类，自寻优法包括爬山法、扰动观测法、电导增量法、恒定电压法、短路电流法、寄生电容法等；而非自寻优法主要是曲线拟合法。相比之下，自寻优法应用更为广泛，每种方法各有优缺点。以下是几种常见MPPT的工作原理。 （1）恒压法 相对于温度变化对光伏阵列输出功率引起变化，辐照度的变化对光伏阵列输出功率的影响更加明显，而经过研究得出结论，不同辐照度下最大功率点对应的输出电压变化量不是很大（如图4所示）。因此可以粗略认为最大输出功率对应某个恒定的电压，就是说可以把MPPT控制简化当作稳压控制。此方法的优点是控制起来简单，比较容易实现，但是由于其忽略了温度对光伏出力的影响，所以精度并不是很高。 图4 恒压跟踪法 （2）扰动观测法 在光伏阵列正常运行时，通过不断加以微小的电压波动来扰动光伏阵列的输出电压，在端电压变化的同时检测输出功率变化的方向，就能确定寻优方向，从而决定下一步电压参考值的大小（如图5所示）。此方法较恒定电压法精度更高，而且被测参数少，易于实现。但是此方法不适合环境快速变化的时候使用，而且由于不断的人为加入的扰动，光伏输出功率不能稳定在最大功率点上，而是在其附近震荡。
（3）电导增量法 由光伏阵列的P-V特性曲线可知，存在唯一的最大功率点，并且在最大功率点处，功率对电压的导数为零：
当光伏变换器工作在P-V曲线的右侧时：
当光伏变换器工作在P-V曲线的左侧时：
综上分析，拟定的技术方案如下：首先利用MATLAB/simulink仿真技术仿真出单个太阳能电池输出特性I-U和P-U曲线，并根据其特性曲线，搭建DC-DC变换电路利用PWM波推荐输出使其与负载相互匹配已达到最大功率。同样通过MATLAB/simulink的仿真，MPPT控制器算法选择与P-U曲线对应的电导增量法，用于控制DC-DC变换器的最大功率输出。蓄电池则采用恒压控制器。利用PWM技术，当蓄电池端电压达到充电电压上限时，在维持其上限电压的同时考虑向负载充电。最后进行光伏发电系统整体的搭建仿真，分析仿真结果。
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3. 研究计划与安排
| 3.进度安排 1-2周：完成开题报告和文献翻译，完成开题答辩； 3-4周：熟悉仿真软件和光伏发电系统的基本结构； 5-8周：搭建光伏电池模型及MPPT控制模型； 9-10周：综合负荷模型及能源的匹配设计，关键系统整体框架； 11-12周：建立综合光伏发电系统仿真模型，进行仿真研究； 13-15周：撰写毕业论文； 16周：完成论文答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
| 4.参考文献 [1] 廖志凌, 阮新波. 独立光伏发电系统能量管理控制策略 [J]. 中国电机工程学报, 2009, 29(21): 46-52. [2] Taher Niknam, Faranak Golestaneh, Ahmadreza Malekpour etal. Probabilistic energy and operation management of a microgrid containingwind/photovoltaic/fuel cell generation and energy storage devices based onpoint estimate method and self-adaptive gravitational search algorithm [J]. Energy,2012, 43(1): 427-437. [3] 吴志鹏, 卿湘运, 杨富文, 林海. 光伏发电系统的最大功率点跟踪算法及仿真研究[J]. 电源学报, 2013, (04): 20-25. [4] Mario Petrollese,Daniele Cocco. Optimal design of a hybrid CSP-PVplant for achieving the full dispatch ability of solar energy power plants[J]. Solar Energy, 2016. [5] Hui Shao, Xing Li, Chi-Ying Tsui. A Novel Single-InductorDual-Input Dual-Output DC–DC Converter With PWM Control for Solar EnergyHarvesting System [J]. IEEE transactions on very large scale integration(VLSI) systems, 2014, 22(8): 1693-1704. [6] 梁适春. 混合储能光伏发电系统的控制器研究 [D]. 北京交通大学, 2014. [7] 田雪, 郑敏信. 基于MATIAB的光伏储能控制系统设计 [J]. 国外电子测量技术, 2014, 33(12): 53-56, 60. [8] 马征.独立式太阳能光伏发电系统储能技术综述 [J]. 甘肃科技, 2015, 31(16): 37-40. [9] Yang Cao, Chun Liu, Yuehui Huang, Tieqiang Wang, Chenjun Sun, YueYuan, Xinsong Zhang, Shuyun Wu. Parallel algorithms for islanded microgridwith photovoltaic and energy storage systems planning optimization problem:Material selection and quantity demand optimization [J]. Computer PhysicsCommunications, 2016． [10] Ying-Yi Hong, Angelo A. Beltran, andArnold C. Paglinawan. Real-time simulation of maximum power point trackingcontrol using fuzzy logic for stand alone PV system [J]. 2017 IEEE 3rdInternational Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017- ECCE Asia), Kaohsiung, Taiwan, 2017. [11] 田雪, 郑敏信. 基于MATIAB的光伏储能控制系统设计 [J]. 国外电子测量技术, 2014, 33(12): 53-56, 60. [12] 孙富荣, 倪鹏. 基于MATIAB软件数据采集的光储能量管理系统研究 [J]. 黑龙江电力, 2016, 38(02): 131-134. [13] Asadur Rahman, Lalit Chandra Saikia,Nidul Sinha. Automatic generation control of an interconnected two-areahybrid thermal system considering dish-stirling solar thermal and windturbine system [J]. Renewable Energy, 2017, 105. [14] 李大中, 杨育刚, 李秀芬, 云峰. 基于能量预测的光伏微网储能系统控制策略[J]. 可再生能源, 2014, 32(12): 1771-1775. [15] 杨育刚. 基于光伏发电与负荷预测的微电网储能系统控制策略研究 [D]. 华北电力大学, 2015. [16] 陈益哲, 张步涵, 王江虹, 毛彪, 方仍存, 毛承雄, 段善旭. 基于短期负荷预测的微网储能系统主动控制策略 [J]. 电网技术, 2011, 35(08): 35-40. [17] Kamal Himour, Kaci Ghedamsi, El MadjidBerkouk et al. Supervision and control of grid connected PV-Storage systemswith the five level diode clamped inverter [J]. Energy conversion amp;amp;management, 2014, 77: 98-107. [18] 汤秀芬, 张鑫, 米晨. 独立光伏发电系统中太阳能充电器的设计 [J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(06): 72-76. [19] 于跃. 光伏发电系统中DC/DC变换器及其相关技术的研究 [D]. 东南大学, 2012. [20] Lin, Chia-Hung et al. Maximumphotovoltaic power tracking for the PV array using the fractional-orderincremental conductance method, Applied Energy, 2011, 88(12): 4840-4847. [21] 闵江威. 光伏发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究 [D]. 华中科技大学, 2006. [22] 邵国庆, 孙秀桂, 孙江波等. 基于能量转换的光伏系统MPPT控制算法比较[J]. 中国电业（技术版）, 2011, (8): 58-61. [23] 周习祥, 李加升. 基于自适应占空比扰动算法的光伏发电系统MPPT控制 [J]. 电气传动, 2012, 42(08): 24-28. [24] Fangrui Liu, Shanxu Duan, Fei Liu,Bangyi Liu, and Yong Kang. A variable step size INC MPPT method for PV system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(7): 11-23. [25] 谢伊雯, 朱金荣, 丛方舟, 沈德明. 基于改进变步长扰动算法的光伏系统MPPT控制 [J]. 电力电子技术, 2017, 51(01): 53-55. [26] 戴瀹. 应用于光伏系统的推挽全桥变换器研究 [D]. 中国矿业大学, 2014. [27] 张莹, 佘炎, 姜建国, 赵剑飞. 用于光伏发电系统的DC-DC变换器的设计 [J]. 电气自动化, 2010, 32(06): 63-65. [28] 闫文龙. 光伏系统DC/DC变换器设计与仿真 [J]. 电子测试, 2015, (06): 1-3. [29] 黄悦华, 吴袭, 任路路, 邾玢鑫. 一种新型零电压关断高增益DC/DC变换器[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(S1): 186-192. [30] Tohid Nouri, Seyed Hossein Hosseini,Ebrahim Babaei, Jaber Ebrahimi. A non-isolated three-phase high step-up DC–DC converter suitable for renewable energysystems [J]. Electric Power Systems Research, 2016. [31] 王挺, 汤雨. 应用于微逆变器的高增益DC/DC变换器设计 [J]. 电力系统自动化 ,2013, 37(13): 121-126. [32] 高伟, 罗全明, 吕星宇, 韦玉麒, 周雒维. 一种三绕组零纹波高增益DC/DC变换器 [J]. 中国电机工程学报, : 1-10. [33] 窦友婷. 三电平软开关正反激DC-DC变换器的研究 [D]. 南京邮电大学, 2016. [34] 李洪珠, 马文涛. 交错并联磁集成软开关双向DC/DC变换器的研究 [J]. 电力电子技术, 2015, 49(07): 12-16. [35] 张立新, 王旭东, 李鑫, 姜润泽. 基于半桥LLC谐振式通信电源的设计 [J]. 电气传动, 2016, 46(05): 34-37. |
