直流微电网光伏模拟器开题报告.docx

直流微电网光伏模拟器研究一、课题来源目前世界范围内的国家都已煤、石油、天然气等化石能源为主。但这些 化石能源都是不可再生且及其有限的能源。据联合国能源署的报告称，以目 前地球上各国开采化石能源的速度和地球化石能源的存储量来计算，煤炭资 源可供开采 30 年，石油资源可供开采 30 年，天然气资源可供开采 50 年。 可以说未来五十年，人类将把地球上几亿年储存的化石能源消耗殆尽。而且 开采能源也会引发一系列的环境问题。可以说人类面临的不仅仅是能源的匮 乏，还有生存环境的挑战。在这种环境下开发新的清洁能源是迫在眉睫。目前来说，最为清洁可靠的可再生能源当属太阳能。太阳能获取简单方 便，人类取之不尽。据相关计算，太阳每一秒钟发出的能量相当于地球上 1.3 亿亿吨煤燃烧产生的热量，而其中照射到地球表面的约为全球发电力总和的 20 万倍。更为关键的是太阳能发电没有废物排放，清洁绿色，利于人类生态 环境的保护，而其发电形式多种多样，不会受到空间地域的影响。从上个世 纪开始，各国已经开始了对太阳能的研究利用。上世纪 90 年代许多国家开 始实行光伏屋顶计划，开始了对太阳能的开发利用。但是总体来讲对太阳能 的利用还远远不够，因而研究出高效的太阳能发电系统是十分有必要的。对于太阳能的开发利用主要需要解决其转换效率的问题。由于地区天气 变化，太阳能光伏阵列所处的环境光强温度是不断变化的。在不同的环境下， 光伏阵列的工作效率也不同。研究在各种环境下太阳能光伏阵列的工作状况 是提高太阳能光伏阵列转化太阳能效率的关键。但是由于光伏阵列占地面积 大、研究周期长、耗费资金巨大等问题，给光伏发电的发展造成了很大的影 响。为了解决太阳能光伏发电研究成本高、效率低的问题，加快新能源的开 发研究与开发，早日解决全球能源匮乏和环境污染等问题，设计出一种直流 微电网光伏模拟器来满足生产、教学、科研的需要，因而提出本课题。二.研究的目的和意义1、本课题的研究目的太阳能的大规模应用将会是 21 时间的一个重要标志，日益恶化的环境使人们认识到对于新能源的开发利用的重要性。目前，传统的石化能源与经 济、环境的矛盾越来越突出。能源是经济与社会发展的基本动力，但由于常 规能源有限性和分布不均衡，造成世界上大部分国家的能源供应不足。为了 解决能源需要和社会矛盾环境问题，研究直流微电网光伏发电就变得十分重 要。本课题研究直流微点网光伏模拟器，可以方便解决太阳能可以困难等问 题，而且在光伏发电领域加入对直流微电网的应用更加能将节能环保做到更 好。直流微电网与光伏发电都是未来全球能源发展的主流，开发这两方面的 技术可以对经济发展起到较为积极的作用。在本课题中，将太阳能发电作为直流微电网中的一种微源。直流微电网 是通过一条公共直流母线将所有的微电源链接起来，这样燃料电池、光伏发 电、微型汽轮机、风力发电等微电源通过一个集中的 DC/AC 换流装置与大电 网相连，这部分结构与交流微电网较为不同。通过光伏模拟器加快对太阳能 光伏发电的快发，通过直流微电网更加有效的对光伏发电产生的电能进行使 用，将新能源的开发利用与节能环保结合起来共同发展。 2、本课题的研究意义由于直流微电网是通过一条公共直流母线将所有的微电源链接起来，故 而相比于交流微电网，直流微电网具有以下几点优势：（1）直流微电网系统 成本和损耗将大幅度减少。在直流微电网中，直流母线与各种微型电源的连 接形式更为方便、简单。不需如同交流电网那样考虑电源的输出电压的频率、 相位等。直流微电网只需经过一次 DC/DC 或者 AC/DC 变流转换，而且直流 母线与大电网之间的连接也只需经过一次 DC/AC 逆变装置，可以说直流微电 网将使供电系统更加简单可靠。（2）直流微电网中各微电源更容易实现协调 控制。控制直流微电网只需控制直流母线电压，对潮流的控制更大程度上也 与电流控制有关。（3）与交流微电网相比，直流微电网中的换流装置要少了 不少，这就大大降低了系统成本和能量损耗。（4）在先进的配电系统中，如 果能应用直流微电网，可以把太阳能光伏发电所产生的直流电直接提供给家 庭或者企业的电子设施，能够更加有效的利用太阳能。研究直流微电网光伏模拟器，将对光伏发电的发展起到积极的推动作用， 也是现今人类解决能源问题、环境问题的一种解决思路。三、国内外研究现状和发展趋势近几年，国际上光伏发电发展速度很快，美国、 以及日本制定了庞大 的光伏发电发展计划。直流微电网光伏发电系统也受到广泛关注。1997 年美 国提出“百万屋顶计划”，美国连续三年光伏产业均高于 30%。1974 年比本执 行“阳光计划”，投资 5 亿美元，一跃成为世界太阳电池的生产大国。1997年又宣布 7 万光伏屋顶计划，到 2010 年将安装 7600MW 太阳电池。 我国的光伏发电系统也发展迅速。从 20 世纪 80 年代，我国太阳能光伏技术迅速发展，以每年 30%-40%的速度持续高速度增长。特别是 2002 年近 800 个无电乡政府用电问题被解决。一直到今天，国内五大发电集团也将发展光 伏发电作为一项主要的工作在发展。总体来说我国光伏发电发展速度快，但 是和国外还有一定差距。对于微电网技术，现在研究走在前列的也是经济发达的国家。在美国从 城市到农村都有微电网的应用。美国加州分布式电源综合测试项目是美国首 个微电网商用项目，包含各类光伏电池、蓄电池等微电源。而美国 MADriver 乡村微电网虽然分布式微源较少，但也已经投入商业用途。在日本，仙台微 电网、爱知微电网、京都微电网等都已经投入使用。为日本能源供给多样化、 环保化做出了巨大贡献。我国的微电网技术还处于起步阶段，国家能源局也计划在“十二五”期 间建设 30 个微电网示范工程，各级政府已经出台了一些支持性政策，自下而 上推动力越来越显著。在国家 863 和 973 计划中都分别支持了微电网的研究 合肥工业大学于 2006 年建成全国第一个微电网实验室，主要研究内容包括： 分布式发电系统电能质量问题；分布式发电系统仿真的动态模型和稳态模型； 分布式发电系统安全经济运行分析与能量管理等。2007 年 11 月，意大利环 境国土与海洋部与上海交大太阳能发电机制冷教育部工程研究中心联合启动 了中意绿色能源建筑实验室建设，将实施太阳能、风能、分布式能源系统的 微电网集成系统、楼宇冷热电联产技术、零排放节能住宅等先进建筑能源系 统。总的来说，微电网技术满足我国未来能源发展的需要，也必将为我国的 能源事业做出重要贡献。四、本课题采用的实施平台及课题拟采用的路线、方针本设计主要对光伏发电系统中的直流微电网光伏发电的模拟研究，研究 国内外直流微电网光伏发电的发展和发展方向。设计中对直流微电网与光伏 模拟器有充分全面的介绍，且利用数学物理建模得出太阳能电池的模型，使 用 MATLAB 软件对太阳能电池的输出特性曲线进行仿真验证。设计中研究了一 种数字的光伏模拟器，这种模拟器使用 TMS320F28335 控制器，系统硬件包 括功率电路、检测电路、驱动电路。该模拟器的核心部分是光伏阵列特性跟 踪，也就是输出工作点的确定。这个输出工作点就是光伏输出特性和负载特 性曲线的交点，不同的负载伏安特性曲线不同曲线的交点也就不一样。控制 模块需要通过一定的算法来迅速找到这些工作点，让系统稳定在这个工作点 上，当负载或者光伏曲线变化时，模拟器可以快速找到新的工作点并且稳定 运行。利用该系统是研究直流微网实验系统，这个系统将光伏模块发出的电 接入到 48V 的直流母线中，在直流母线上还有超级电容、蓄电池等储能模块 及三相逆变模块，系统中光伏模拟器接入具有最大功率跟踪功能的 BOOST 电路，故而这个光伏模拟器能够迅速稳定工作在最大功率点。五、进度安排主要包括课题调研及查阅资料，开题报告，毕业论文（设计）撰写，毕 业论文（设计）答辩和评分等阶段。第一阶段：材料搜集阶段 时间安排：2013年12月11日2013年12月30日第二阶段：讨论分析实验阶段 时间安排：2014年1月1日2014年4月1日第三阶段：论文初稿形成阶段 时间安排：2014年4月2日2014年5月10日第四阶段：论文修改阶段 时间安排：2014年5月10日2014年5月20日第五阶段：论文答辩及装袋阶段时间安排：2014 年 5 月 20 日2014 年 6 月 2 日六、参考文献1钱 伯 章 . 世 界 能 源 消 费 现 状 和 可 再 生 能 源 的 发 展 趋 势 ( 上 )J ， 节 能 与 环 保.2006(3):8-11.2吴理博.光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现D.清华大学博士学位论 文.2006.3李华.MCS-51 系列单片机实用接口技术M .北京:北航出版社.2003:28-35.4赵宏，潘俊民.基于 BOOST 电路的光伏电池最大功率点跟踪系统J.电力电子技术， 2004（6）.5欧阳名三，余世杰，沈玉梁，王飞，苏建徽，赵为，夏小虎.具有最大功率点跟踪 功能的户用光伏充电系统的研究J.农业工程学报，2003,19（6）：272-275.6Marnay C, Robio F J, Siddiqui A S. Shape of themicro-gridC. IEEE PowerEngineering SocietyW i n t e rM e e t i n g ,C o l u m b u s ,O H ,U S A , 2 0 0 1 ,1 : 150-153.7丁明,张颖媛,茆美琴.微网研究中的关键技术J. 电网技术, 2009, 33(11):6-11.8陈 维 , 沈 辉 ， 邓 幼 俊 . 太 阳 能 光 伏 应 用 中 的 储 能 系 统 研 究 J. 蓄 电 池 ，2006(1):21-27.9Chen Y,Smedly K M.A cost-effective single-stage inverter with maximum power point trackingJ.IEEE Transactions on Power Electronics,2004(19):1289-1294.10王长江基于 MATLAB 的光伏电池通用模型J电力科学与工程，2009，25（4）：11411Beerbaum S. Weinrebe C. Solar thermal power generation in India-a t Ethno-economicanalysis J.Renewable Energy, 2000, 21(2):153 -174.12Can C, Riffat S B. Numerical study of solar chimney for natural ventilation ofbuildings with heal recoveryJ.Applied Thermal Engineering, 1998, 18(12):1171 一118713孙孝金. 太阳能电池阵列模拟器的研究与设计D.济南：山东大学.2009.14韩钰. 太阳能电池阵列模拟器的研究与设计D.杭州：浙江大学，硕士学位论文，2006.15 Tengfei Wang and Yongqiang Zhu Analysis and Compari Son Of Multicarrier PWM Schemes Applied in HbridgeCascaded Multilevel InvertersJIndustrial Electronics and Applications（ICIEA），2010 the 5th Ieee Conference on 2010 June 1517：13791383.16苏建徽，余世杰，赵为，吴敏达，沈玉梁，何慧硅太阳电池工程用数学模型J 太阳能学报，2001，22（4）：409411.17沈玉梁，跟随样品太阳电池的光伏阵列模拟器J太阳能学报，1997（10）：44845118赵庚申，王庆章.最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用J.光电子.激光，2003，14(8):813-816.19周明杰，吴麟章，江小涛，土远等.一种高性价比的复合太阳能电池发电系统，武汉科技学院学报，2005,18(8), 16-1920欧阳名三.独立光伏系统中蓄电池管理的研究D.合肥工业大学博士论文，2004.