海岛分布式能源接入光伏并网逆变器实时测控软件设计开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告题目名称：海岛分布式能源接入光伏并网逆变器实时测控软件设计院系名称：电子信息学院班 级：电气112学 号：201100474214学生姓名：冯志国指导教师：王晓雷 2015年3月目录一、课题背景及意义21.1背景21.2课题研究的意义2二、简 述42.1逆变器的分类及参数52.2光伏逆变器的特性及具体要求6三、毕业设计的主要内容以及实施方案83.1毕业设计的主要内容83.2实施方案8四、预期结果114.1软件部分114.2硬件部分11五、时间进度11六、参考文献12一、课题背景及意义1.1背景现代化的发展离不开电力建设，电力已经成为人类生产生活中最方便的动力来源。我国是一个电力大国，2010年的总发电量已超过美国，2012年的总装机容量已与美国持平。由于我国一次能源主要分布在西北地区，而用电区域在东南沿海，造成全国性西电东送、北电南送的局面。因此，我国智能电网发展以坚强网架为基础，大力推进电网智能化建设。但不论电网多么强大，电网事故概率还是存在的，美国的电网发生过多次大面积停电事故，我国南方在冰雪灾害发生时也曾发生过倒塔和停电事故。2012年，国务院通过的能源发展“十二五”规划中提出，要加快能源生产和利用方式变革，强化节能优先战略，全面提高能源开发转化和利用效率，构建安全、稳定、经济、清洁的现代化能源产业体系。分布式能源发展是保证电网安全备用、提高电网能源利用率、减少环境污染、提高负荷调节速率的重要保证。然而随着生态环境的日益恶化，人们逐渐认识到必须走可持续发展的道路，太 阳 能必须完成从补充能源向替代能源的过渡。光伏并网是太阳能利用的发展趋势,光伏发电系统将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统1.2课题研究的意义国际分布式能源联盟WADE对分布式能源定义为：安装在用户端的高效冷/热电联供系统，系统能够在消费地点（或附近）发电，高效利用发电产生的废能-生产热和电；现场端可再生能源系统包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。国内由于分布式能源正处于发展过程，对分布式能源认识存在不同的表述。具有代表性的主要有如下两种：第一种是指将冷/热电系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式直接安装在用户端，可独立地输出冷、热、电能的系统。能源包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和燃气冷、热、电三联供等多种形式。第二种是指安装在用户端的能源系统，一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅。二次能源以分布在用户端的冷、热、电联产为主，其它能源供应系统为辅，将电力、热力、制冷与蓄能技术结合，以直接满足用户多种需求，实现能源梯级利用，并通过公用能源供应系统提供支持和补充，实现资源利用最大化分布式能源是一种建在用户端的能源供应方式，可独立运行，也可并网运行，是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统，将用户多种能源需求，以及资源配置状况进行系统整合优化，采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统，是相对于集中供能的分散式供能方式。分布式能源具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活，系统经济性好等特点。发展主要存在并网、供电质量、容量储备、燃料供应等问题。分布式能源系统分布安置在需求侧的能源梯级利用，以及资源综合利用分布式能源例子天然气和可再生能源设施。通过在需求现场根据用户对能源的不同需求，实现温度对口供应能源，将输送环节的损耗降至最低，从而实现能源利用效能的最大化。分布式能源是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统，根据终端能源利用效率最优化确定规模。分布式能源采用先进的能源转换技术，尽力减少污染物的排放，并使排放分散化，便于周边植被的吸收。同时，分布式能源利用其排放量小，排放密度低的优势，可以将主要排放物实现资源化再利用，例如：排放气体肥料化。分布式能源依赖于最先进的信息技术，采用智能化监控、网络化群控和远程遥控技术，实现现场无人值守。同时，也依赖于未来以能源服务公司为主体的能源社会化服务体系，实现运行管理的专业化，以保障各能源系统的安全可靠运行。根据中国电力企业联合会编制的2005年全国电力工业发电统计年报到2005年底，中国燃煤的单机6000KW及以上供热机组6981万KW，按国际分布式能源联盟的说法，这些全算分布式能源。我们假设2006年全国供热机组增加1500万KW。根据2010年热电联产发展规划及2020年远景发展目标：到2010年时，全国热电联产机组总容量将达1.2亿千瓦，其中城市建筑物采暖集中供热热电厂约5600万千瓦，工业生产用热热电厂约6400万千瓦。预计到2010年全国发电装机容量将达8亿千瓦左右，届时热电联产将占全国发电总装机容量的15%。根据发展形势来看，原预计2010年热电将达1.2亿千瓦，可能偏小。因为2005年底热电已达6981万千瓦，2006年估计可增加1500万千瓦，以后按每年增加1000万千瓦考虑，到2010年底可能达1.25亿千瓦。目前国内以天然气为燃料的分布式能源情况如下：目前我国北京、上海、广州等地已有一批以油、气为燃料的分布式热、电、冷工程投入运行，取得明显的经济效益、环保效益和社会效益。与此同时，几经修改的“新兴能源产业发展规划”日前终于初定。2010年7月20日，国家能源局规划发展司司长江冰透露了这一消息：规划期（2011年2020年）将累计直接增加投资高达5万亿元。规划对洁净煤、智能电网、分布式能源、车用新能源等技术的产业化应用提出了政策指导，这将直接推动国内分布式能源的投资热潮。随着传统能源的日益枯竭，全球面临严重的能源危机，同时，大量使用化石燃料给环境带来严重危害 。 要解决能源问题，只能依靠大规模地开发利用可再生绿色能源 。太阳能是公认的技术含量最高、最有发展前景的新能源具有储量大 、 普遍 、经济和清洁环保等优点。太阳能主要用于光伏并网发电。其核心是并网逆变器 。因此对光伏并网逆变器控制方法的研究具有一定现实意义我的毕业设计的题目海岛分布式能源接入光伏并网逆变器的主电路与驱动装置设计。这个课题主要研究的是应用逆变器实现分布式能源接入光伏并网的技术。该题目要求在熟练运用逆变器技术、电机学、电力电子技术、自动控制原理等课程的基础上，用逆变器对并网过程进行实时测控。该课题还要求会利用MATLAB软件搭建系统仿真结构图，并设置与调节相关参数，直至运行结果满足要求为止。最终用这些参数构建硬件设施，实现设计目的。二、简 述逆变器又称逆变电源，是直流到交流（DC to AC）的变压器，顾名思义是逆向变压,是一种电源转换装置，可将12V或24V的直流电转换成220V、50Hz交流电或其它类型的交流电。它输出的交流电可用于各类设备，最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。现在的逆变器一般采用了PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术，从而获得大功率、高效率的交流逆变输出。2.1逆变器的分类及参数逆变器又称电源调整器，其分类如下:1、根据逆变器在光伏发电系统中的用途可分为独立型电源用和并网用二种。2、根据波形调制方式又可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器和组合式三相逆变器。3、对于用于并网系统的逆变器，根据有无变压器又可分为变压器型逆变器和无变压器型逆变器。光伏并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的电能转换成交流电能并传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用，并且光伏并网逆变器正朝着高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。其安全性考核主要有以下几个方面：1、温升考核逆变器在正常工作和发生单一故障的时候，其内部逆变变压器、PCB 板及其他元件不会有影响到人身安全或影响到周围器件正常工作的过高温度。2、防火要求考核内部逆变变压器、PCB板等容易产生高温的内部元器件是否具有一定的防火等级和能力，用以保证自身不会发生着火危险，以及当其他元件着火时对火焰的蔓延起到减缓和阻止的能力。3、抗电强度考核逆变器在工作时产生的高压是否会由于逆变变压器的绝缘不够使得产生的高压影响到低压输入部分并影响到使用者的安全。4、限流电路因为逆变器是产生高压的元件，同时又是给LCD 面板的灯管供电的，使用者可以接触到液晶屏的表面，万一液晶屏损坏，使用者就有可能接触到逆变器产生的高压，在这样的情况下，不能直接降低输出的电压，就要通过限制逆变器输出的电流以保证使用者的安全，在产品安全测试中，按照限流电路的要求进行考核显得尤为重要。产品如果报备不同厂家的逆变器，还需要对报备的逆变器加做限流电路测试。逆变器的主要参数：1 、输出容量 : 单相 0.5-100KVA , 三相 2-200KVA2 、输出电压 :AC220 3%,380 3%3 、输出频率： 50Hz 0.054 、波形失真率 :5%5 、功率因数 :0.86 、过载能力：过载 150% ， 10S2.2光伏逆变器的特性及具体要求光伏并网逆变器特性：1、易于安装，参数设置和调试；2、易于调试；3、模块化设计，配置非常灵活；4、根据输入情况自动选择输出功率（100%，80%，60%，40%，20%，0%）；5、滤除自身谐波功能；6、参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置；7、低电压穿越功能；8、过/欠压、过/欠频及过流保护；9、主动、被动结合防孤岛； 10、无功功率可调，功率因数范围超前0.95至滞后0.95；11、适应严酷的电网环境，工作频率504.5Hz； 12、.要求具有较高的效率； 14、要求具有较高的可靠性；15、详细的变频器状态信息和全面的信息功能；17、转换效率高、启动快；18、安全性能好：产品具备短路、过载、过/欠电压、超温5种保护功能；19、物理性能良好：产品采用全铝质外壳，散热性能好，表面硬氧化处理，耐摩擦性能好，并可抗一定外力的挤压或碰击；20、带负载适应性与稳定性强使用时要注意以下几点：1、逆变器输出功率必须大于电器的使用功率，特别是对于启动时功率大的电器。2、正、负极必须接正确，逆变器接入的直流电压标有正负极。红色为正极（+），黑色为负极（），蓄电池上也同样标有正负极，红色为正极（+），黑色为负极（），连接时必须正接正（红接红），负接负（黑接黑）。连接线线径必须足够粗，并且尽可能减少连接线的长度。3、直流电压要一致，每台逆变器都有接入直流电压数值，如12V，24V等，要求选择蓄电池电压必须与逆变器直流输入电压一致。4、应放置在通风、干燥的地方，谨防雨淋，并与周围的物体有20cm以上的距离，远离易燃易爆品，切忌在该机上放置或覆盖其它物品，使用环境温度不大于40。5、在连接蓄电池时，确认手上没有其它金属物，以免发生蓄电池短路，灼伤人体。6、两次开机间隔时间不少于5秒（切断输入电源）。7、请用干布或防静电布擦拭以保持机器整洁。8、充电与逆变不能同时进行。即逆变时不可将充电插头插入逆变输出的电气回路中.9、为避免意外，严禁用户打开机箱进行操作和使用。10、在连接机器的输入输出前，请首先将机器的外壳正确接地。11、怀疑机器有故障时，请不要继续进行操作和使用，应及时切断输入和输出，由合格的检修人员或维修单位检查维修。12、使用环境，基于安全和性能的考虑，安装环境应具备以下条件：1）干燥：不能浸水或淋雨；2）阴凉：温度在0与40之间；3）通风：保持壳体上5CM内无异物,其它端面通风良好。太阳能光伏发电系统的并网运行,对逆变器提出了较高的技术要求，这些要求如下:1) 要求系统能根据日照情况和规定的日照强度，在使太阳能矩阵发出的电力能有效利用的条件下,对系统进行自动激动和关闭。.2)要求逆变器必须输出正弦波电流。光伏系统馈入供用电网的电力，必须满足电网规定的指标，如逆变器的输出电流不能含有直流分量，高次谐波必须尽量减少，不能对电网造成谐波污染。3）要求逆变器在负载和日照变化幅度较大的情况下能高效运行。光伏系统的能量来自太阳能，而日照强度随着气候而变化，所以工作时输入的直流电压变化较大，这就要求逆变器在不同的日照条件都能高效运行，同时也要求逆变器本身也要有较高的逆变效率，一般中、小功率逆变器满载时的逆变效率要求达到85%90%，大功率逆变器满载时的逆变效率要求达到90%95%。4）要求有较宽的直流电压输入适应范围。5）要求逆变器的体积小、重量轻，以便于室内安装或墙壁上悬挂。三、毕业设计的主要内容以及实施方案3.1毕业设计的主要内容本次毕业设计的主要内容如下： 查阅资料，完成英文文献翻译。 了解海岛分布式能源光伏发电的优化运行以及电网的结构；完成开题答辩。撰写文献综述、任务书和开题报告； 查看MATLAB相关工具箱以及逆变器模型的各个模块，研究减少光伏发电损耗的数学模型与算法；作中期报告并完成中期答辩。 应用MATLAB优化工具箱，调试仿真结果，完成课题。总结并撰写论文。 完成最终答辩。3.2实施方案光伏并网逆变器是光伏发电系统的核心部件，不仅要将太阳能光伏发出的直流电转换为交流电，还要对交流电的电压、电流、频率、相位与同步等进行控制，也要解决对电网的电磁干扰、自我保护、单独运行和孤岛效应以及最大功率跟踪等技术问题，因此对光伏并网逆变器要有更高的技术要求。下图是并网光伏逆变系统结构示意图。光伏组件方阵DC-AC光伏逆变器滤波隔离最大功率跟踪控制电路系统并网保护电网应急负载并网开关图3-1 并网光伏逆变系统结构示意图实施方案如下：首先，选择相关的设备，并熟悉相关理论，以备后续工作之需。本课题所设计的光伏逆变器的主电路如下图:其中逆变器所用主电路为三相电压型桥式逆变电路，采用IGBT作为开关器件。滤波采用的是LC交流滤波电路。三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式是180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，同一相（即同一半桥）上下两桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120 。这样在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个下面两个，也可能是上面两个下面一个同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。上述180 导电方式中，为了防止同一相上下桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的断路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，等起关断后留一定的时间裕量，让再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死去时间。这样就能防止上下桥臂同时导通而造成短路。这就要求在设计驱动电路时要记得留有一定的死区时间 然后，应用MATLAB软件搭建如附图中的MATLAB仿真结构图，用电流与转速的双闭环实现对异步电机的闭环控制。根据所用电器的参数设置相关仿真模块的参数，运行并观察输出量的波形，分析所得结果的质量，如果输出波形震荡严重，则重新设置参数直至所得波形精确度符合要求为止。最后，用所得结果完成硬件参数调试，调节后验证设计方案的精度。流程图为： 毕业设计期间还要建立数学模型，并利用Matlab进行仿真。MATLAB是一种科学计算软件，是MathWorks公司于1984年推出的一套高性能的数值和可视化数学软件，是Matrix Laboratory(矩阵实验室)的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互试程序计算语言，用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。1993年出现的SIMULINK是MATLAB的一个附加组件，用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。它一般可以附在MATLAB上同时安装，也有独立安装版。Simulink是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确的创建动态系统的计算机模型的，特别是对于复杂的非线性系统，其效果更为明显。Simulink可以用来模拟线性和非线性、连续或离散或这两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统。MATLAB和Simulink都是一种开放性工具，它允许用户可以很方便地制定自己的模块和模块库。随着软件的不断升级换代，Simulink在软硬件的接口方面有了长足的进步，使用Simulink已经可以很方便地进行实时信号控制和处理，信息通讯以及DSP的处理。基于此本文所提供的仿真模型，均是在Simulink的工作平台下进行的。四、预期结果4.1软件部分通过MATLAB仿真模型调试出可行的系统电气原件的参数，然后基于Start软件二次开发的运行程序包，对逆变器的参数进行正确的设置。经过仿真，使所设计的逆变器能在500V900V的输入电压下 ，能得到稳定为380V,50Hz的三相正弦波。4.2硬件部分根据仿真结果选择合适的电气元器件，按照主电路图及驱动电路图连接成实物电路，经过调试，使所涉及的光伏并网逆变器在光伏组件输入电压情况下，逆变器能稳定得到380V，50Hz的没有高次谐波的三相正弦波，且波形失真度5%。在规定的时期内完成论文的各项任务，遵守纪律，认真学习，积极与指导老师沟通，并在6月25日之前顺利交毕业论文定稿，并得到老师的好评，以便在答辩中有出色的表现五、时间进度20142015学年第二学期 第 12周，查阅资料，完成英文文献翻译。 第 34周，了解海岛分布式能源光伏发电的优化运行以及电网的结构；完成开题答辩。 第 57周，查看MATLAB相关工具箱以及逆变器模型的各个模块，研究减少光伏发电损耗的数学模型与算法；作中期报告并完成中期答辩。 第810周，应用MATLAB优化工具箱，调试仿真结果，完成课题。 第11-12周，总结并撰写论文。 第13周，完成最终答辩。六、参考文献1王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.52刘梦璇，王成山，郭力，赵波，张雪松，刘云.基于多目标的独立微电网优化设计方法J.2012,36(17):34-353林伟，陈光堂，邱晓燕，王松，李锐，孟鹏，任增.基于改进自适应遗传算法的微电网负荷优化分配J.2012,40(12)4陈健，王成山，赵波，张雪松.考虑储能系统特性的独立微电网系统经济运行优化J.2012,36(20)5丁伯剑，郑秀云，周逢权，朱浩骏，马红伟.微电网多能互补电源容量配置方法研究J.2013,41(16)6时珊珊，鲁宗相，闵勇，王阳.微电网孤网运行时的频率特性分析J.2011,35(9)7贺鹏，艾欣，徐虹.微电网经济运行研究综述.2011,128杨秀，杨菲，王瑞霄.微电网实验与示范工程发展概述J.2012,29(4)9王凌，李培强，李欣然，刘志勇.微电源建模及其在微电网仿真中的应用J.2010,22(3)10肖峻，白临泉，王成山，于建成.微电网规划设计方法与软件J.2012,32(25)11刘文胜，毛晓明，陈志勇.微网优化运行研究进展与展望J.2012,31(2)12时珊珊，鲁宗相，周双喜，闵勇.中国微电网的特点和发展方向J.2009,42(7)13刘蔚.企业自备电厂柴油发电机组的运行优化J.1992,6(1):52-5614毛建容，周逢权，马红伟.微电网组网优化设计J.2010,34(2)15郑漳华，艾芊，徐伟华，施婕，解大，韩利.智能电网经济运行的多目标调度优化策略J.2010,34(2)16王波一，王鹤，兰森，李佳鹏.基于改进微分进化算法的微电网优化运行研究J.2013,33(1/2)17马溪原，吴耀文，方华亮，孙元章.采用改进细菌觅食算法的风光储混合微电网电源优化配置J.2011,31(25)18杨征.柴油发电机组功率匹配优化设计J.2012,18(138)19沈臣，顾伟，吴志.孤岛模式下的微电网低频健在策略分析J,2011,35(9)20孟祥萍，高嬿.电力系统分析M.北京：高等教育出版社，2012:103-10421乔蕾，段绍辉，汪伟等.独立微网系统优化规划设计方法综述J.2013,25(2):116-118