逆变技术在家庭光伏发电中的应用专业电气工程及其自动化_开题报告

能源是人类赖以生存与发展的主要物质基础之一，当今社会发展与经济繁荣主要得益于常规化石燃料能源的广泛应用，然而随着经济的发展和社会的进步，能源的需求日益增长，常规能源越来越供不应求，人类将不得不面临着无能源可用的能源危机，我国的能源供应结构里，煤炭、石油与天然气等不可再生能源占绝大部分，但由于化石燃料的有限性和分布的不均匀性致使能源问题严峻，并且由于储存量有限，矿物能源正面临着枯竭的危险。新能源包括各种可再生能源和核能，而其中最理想的能源是太阳能。太阳能照射在地球上的能量非常巨大，大约四十分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费，特别是太阳能洁净、取之不尽、用之不竭，所以太阳能和其它形式的太阳能一起被誉为“人类的理想能源”。太阳能的利用主要包括热利用、化学利用和光伏利用。光伏利用的主要形式是光伏发电，有独立发电和并网两种工作方式。过去光伏发电大多采用独立供电方式，用于偏远无电地区，而且用于中小系统偏多。易受到诸如时间和季节的影响。随着电力电子技术的进步和控制理论的发展，光伏产业发生了巨大变化，已经开始向并网发电转变，并且家庭光伏发电在自给自足的同时通过并网可以将用不完的电能输送到电网，光伏发电得到迅猛的发展，而逆变技术在光伏发电中尤为关键。

我国从1958年起就进行光伏器件研究，70年代初成功地制造出空间光伏电源开始，光伏应用逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。美国总统奥巴马更是把发展大规模分布式太阳能光伏发电作为其新能源的重要组成提上议程。日本也早在1974年就开始执行“阳光计划”，1992年电力公司收购光伏发电系统与电力制度开始实施，1994年提出“朝日七年计划”，到2010年安装7600兆瓦太阳能电池。德国1990年提出1000屋顶发电计划，1998年进一步提出10万屋顶计划。并网发电开始于80年代初，但由于当时成本过高，且环境效益还不是很明显，使得电力公司难以接受，直到近年来，国外发达国家才掀起了光伏并网系统研发的高潮，美国、欧洲、日本等国家已实施了光伏屋顶计划并取得了一定的成果。同时许多发达国家启动并实现了兆瓦级的大型光伏并网电站计划。专家预测太阳电池及相应的系统将通过大规模并网发电迅速发展为全球重要产业，但目前国内光伏并网系统的研究和开发尚处于起步阶段。光伏并网发电的关键技术及设备仍主要来自进口，面对如此巨大的国内需要，发展具有自我知识产权的相关高新技术，从而实现产业化是刻不容缓的事情，家庭光伏并网发电具有深远的理论价值和现实意义。从总体上讲，中国的光伏发电产业与国外发达国家相比还有很大差距，存在的主要问题是生产管理不规范、技术水平低、设备薄弱落后、专用材料的国产化程度不够和成本居高等。接下来，单就光伏发电中逆变器的应用技术进行着重研究。

二、研究方案及预期结果

2.1、本课题主要研究内容：

（1）进行了解太阳能光伏发电国内外的技术现状；

（2）针对太阳能光伏发电理论进行较为系统的调研；

（3）分析光伏电池的基本原理和特性，理解最大功率点的存在；

（4）安装家庭光伏发电系统并应用Matlab对其电路进行仿真测试；

（5）通过实际操作和测试，对逆变转化输出进行较为深刻的分析；

（6）分析DC-AC变换的拓扑结构，推敲光伏发电的制约与其发展方向；

2.2、研究设计：

太阳光伏发电是根据光生伏特效应产生原理，利用太阳能电池将太阳光直接转化为电能，整个太阳能光伏发电系统的组成如下图所示：

  

太阳能电池是太阳能光伏发电的核心组件，对太阳能电池的研究主要集中在提高光电转换效率上，在该系统中可将多个太阳能电池进行串联封装组成太阳能电池板。为了控制电池的充放电，则需应用到控制器；而对于控制器类型的选择，可选最大功率跟踪型控制器，以便对其最大功率点的存在的分析，通过判断是否运行在最大功率点，若不是，则可以调整脉宽、调整输出占空比、改变充电电流，再次进行采样判断，通过这样的寻优过程，保证太阳能电池板始终运行在最大功率点，使其得以充分利用；而对于放电的控制主要是当电池缺电、系统故障(如电池开路或接反时)切断放电电路。控制器还对蓄电池有过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，控制器还应具备温度补偿的功能。太阳能电池组件的直接输出一般都是直流12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的交流电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此

需要使用DC-AC(直流-交流)逆变器。DC-AC逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。一般是通过全桥电路，采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压后，得到与用电负载频率相同、额定电压匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。而电网并网运行还要考虑与电网的同步，需采用并网运行的逆变器，而逆变器分为有源逆变器和无源逆变器，在该系统中可选择电压源式逆变器，其在光伏并网中应用最为普遍。光伏并网逆变器是整个并网系统中的关键部件。世界各大光伏系统公司都各有所长地推出了各种主电路拓扑结构及不同控制方式、不同功率等级的并网逆变器产品，它们可以是阶梯波形输出或正弦波输出，性能及指标相差悬殊。同样阵列容量在同样气象条件下，由于采用不同的并网逆变器，每年馈向电网的发电量可相差一倍之多。设计步骤可大致可分为：首先，对太阳能光伏电池的基本原理和特性进行分析；其次，建立电池的等效电路并进行仿真，对光伏电池的最大功率点跟踪控制算法进行研究，讨论如何使光伏电池在不同的环境条件下输出功率达到最大；再次，利用Matlab对所建的太阳能光伏并网发电系统模型进行分块仿真，分析其逆变器在其中所起的关键及技术；最后，通过屋顶家庭光伏发电，验证理论成果，并积极深入改善。

三、^范文撰写提纲

1、绪论

   1.1  当前的能源形势，及开发新能源的必要性，特别是光伏发电

   1.2  光伏系统应用的调研情况

       1.2.1  光伏发电理论和基本特性

       1.2.2  光伏发电的优势及对环境的保护

       1.2.3  光伏系统中存在的不足和亟待解决的问题

   1.3  逆变技术的研究现状和发展趋势

2、光伏发电系统的设计

   2.1  光伏发电系统的组成结构

   2.2  逆变器的工作原理及作用

   2.3  仿真电路的测试与分析

   2.4  实际操作和测试，对逆变转化输出进行较为深刻的分析

   2.5  系统设计

3、家庭光伏发电系统的研究

   3.1  家用光伏发电系统组成

   3.2  在家庭光伏现实运用中遇到的难题和解决方案

   3.3  分析逆变技术在中所起作用

   3.4  如何进一步完善系统及在今后的发展趋势

4、结论

四、课题研究进度

第一阶段：依据实际工作，翻阅大量文献和资料并撰写开题报告

第二阶段：结合所学的理论知识，收集的资料对设计方案进行初步规划

第三阶段：构建家庭光伏发电系统结构并建立分析电路说明逆变器在其中所起作用；

第四阶段：梳理、修改、完善课题内容，^范文定稿；

五、主要参考文献

[1] 王兆安.黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 曹仁贤.光伏发电系统中逆变电源的原理与实现[M].1998, 2:17-19

[3] 赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥工业大学.2002.5.

[4] 韦东远.我国太阳能光伏产业发展现状与趋势.[J].中国科技成果2009.10

[5] 佟刚.现代逆变技术研究[J].吉林师范大学学报.2010，31（3）：149～151  

[6] Fukuda S. Yoda T. A novel current-tracking method for active filters based on a sinusoidal internal model[J]. IEEE Trans, on Industry Applications, 2001.

[7] 钱拨章.太阳能光伏发电成本及展望[J].中国环保产业.2009.04

[8] Waldau A J. A European roadmap for PV R&D[A].3nd World conference on Photovoltaic  Energy Conversion [C],Osaka:2003. 

[9] 吴奎华.单相电流型PWM并网逆变器的研究[D].硕士学位^范文.杭州：浙江大学.2008

[10]陈杰.黄鸿.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社，2010，8.

[11]杨清梅.孙建民.传感器与测试技术[M].哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社,2005，1

[12]方荣生.太阳能应用技术[M].北京.中国农业机械出版社.1985