光伏系统平衡部件关键技术和问题的研究
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摘要
随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重,太阳能利用受到世界各国的普遍关注,而太阳能光伏发电是太阳能利用的主要发展趋势,必将得到快速的发展。近几年,国家新能源政策的逐步深入和光伏制造业产业链的日趋完善极大地推动了我国太阳能光伏发电行业的发展。本文就是在此背景下,对光伏发电系统中的平衡部件进行了研究,具有重要的现实意义。
本文首先分析了光伏电池输出特性及光伏发电系统平衡部件的要求,并针对目前光伏发电系统中传统的DC-DC变换器的不足,结合光伏发电系统对DC-DC变换器性能指标的要求,设计了一种新型的具有升降压功能的双向交错式并联DC-DC变换器,阐述了DC-DC变换器关键元件参数的选取和控制器的设计,实验结果表明该DC-DC变换器具有较高的效率和良好的静动态性能。
其次,在研究蓄电池充放电原理的基础上,分析了蓄电池作为光伏发电系统储能元件的充电策略,并针对传统充电策略的缺点,提出了一种安全高效的改进型智能充电策略,该策略能延长电池寿命并具有较快的充电速度
最后,以多电平技术为基础,分析了传统三电平逆变器的中点电位不平衡的原因,设计了一种新的拓扑结构,仿真和实验结果表明该拓扑能极大地改善三电平逆变器中点电位不平衡问题。
本文搭建了一套由光伏电池、蓄电池、充放电管理电路、三电平逆变电路组成的光伏发电系统实验平台,测试结果表明文中设计的光伏发电系统结构合理、电能转换效率高、电能质量好。本论文的研究为光伏发电系统进一步推广应用奠定了坚实的基础。
With the thorough deepening of Chinese new energy policy and the gradual perfection of the PV industry chain, The renewable energy industry make a great development.
The paper discusses the problem needed to solve about the BOS component technology for the photovoltaic power system, and analysis the output characteristics of the photovoltaic cells, gets the requirements of the PV generation system. A new topology for bidirectional interleaved DC/DC converter used in the PV power generation system is discussed. It gives the analysis of the ripple current and ripple voltage of the bi-directional interleaved DC/DC converter. In addition,the key parameter of the structure and the controller design of the bidirectional DC/DC converter is discussed. Finally, the experiment results on a bidirectional interleaved DC/DC converter are given to show a high efficiency in the static and dynamic performance and high power density.
The paper analysis the charge strategy of the PV-VRLA energy storage system based on the principle of storage battery, and proposes a improved intelligent charging strategy for the system mentioned by the paper.It can better balance the life and charging speed of the storage battery than the traditional charging strategy.
The paper focused on the unbalance of neutral potential of the traditional multilevel inverter.A new topology of 3-L inverter used in this system is discussed, The results of simulation and experimental show that it can solve the problem of unbalance of neutral potential. Finally,a prototype realizes some basic functions of the PV power generation system.
本文首先分析了光伏电池输出特性及光伏发电系统平衡部件的要求,并针对目前光伏发电系统中传统的DC-DC变换器的不足,结合光伏发电系统对DC-DC变换器性能指标的要求,设计了一种新型的具有升降压功能的双向交错式并联DC-DC变换器,阐述了DC-DC变换器关键元件参数的选取和控制器的设计,实验结果表明该DC-DC变换器具有较高的效率和良好的静动态性能。
其次,在研究蓄电池充放电原理的基础上,分析了蓄电池作为光伏发电系统储能元件的充电策略,并针对传统充电策略的缺点,提出了一种安全高效的改进型智能充电策略,该策略能延长电池寿命并具有较快的充电速度
最后,以多电平技术为基础,分析了传统三电平逆变器的中点电位不平衡的原因,设计了一种新的拓扑结构,仿真和实验结果表明该拓扑能极大地改善三电平逆变器中点电位不平衡问题。
本文搭建了一套由光伏电池、蓄电池、充放电管理电路、三电平逆变电路组成的光伏发电系统实验平台,测试结果表明文中设计的光伏发电系统结构合理、电能转换效率高、电能质量好。本论文的研究为光伏发电系统进一步推广应用奠定了坚实的基础。
With the thorough deepening of Chinese new energy policy and the gradual perfection of the PV industry chain, The renewable energy industry make a great development.
The paper discusses the problem needed to solve about the BOS component technology for the photovoltaic power system, and analysis the output characteristics of the photovoltaic cells, gets the requirements of the PV generation system. A new topology for bidirectional interleaved DC/DC converter used in the PV power generation system is discussed. It gives the analysis of the ripple current and ripple voltage of the bi-directional interleaved DC/DC converter. In addition,the key parameter of the structure and the controller design of the bidirectional DC/DC converter is discussed. Finally, the experiment results on a bidirectional interleaved DC/DC converter are given to show a high efficiency in the static and dynamic performance and high power density.
The paper analysis the charge strategy of the PV-VRLA energy storage system based on the principle of storage battery, and proposes a improved intelligent charging strategy for the system mentioned by the paper.It can better balance the life and charging speed of the storage battery than the traditional charging strategy.
The paper focused on the unbalance of neutral potential of the traditional multilevel inverter.A new topology of 3-L inverter used in this system is discussed, The results of simulation and experimental show that it can solve the problem of unbalance of neutral potential. Finally,a prototype realizes some basic functions of the PV power generation system.
引文
[1]孔均仁.《可再生能源法》：能源发展新动力[J].中国创业投资与高科技,2005,(9)：25-27.
[2]杨军.太阳能光伏发电前景展望[J].沿海企业与科技,2005,(8)：110-112.
[3]梁宏晖.小功率光伏发电及最大功率跟踪控制的研究[D].[硕士学位论文].天津：天津大学,2008.
[4]钱金法,王雅萍,钱惠祥,光伏产业的发展与分析,电工电气(2009 No.1)：1-4
[5]沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社,2005.
[6]曹倩茹.光伏发电的最大功率跟踪研究[D].[硕士学位论文].西安：西安科技大学,2006.
[7]张源.国外光伏技术现状及发展[J].新能源,1993,15(8)：1-2。
[8]中国光伏发电的市场情况.中美清洁能源技术论坛.2003.www.new-energy.com.cn
[9]Chihchiang Hua, Chihming Shen.Comparative study of peak power tracking techniques for solar storage system[J].IEEE Applied Power Eltronics Conference and Exposition(APEC'98)[C],1998,679～685.
[10]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,袁立强.太阳能光伏发电及其应用.科学出版社.2005.10
[11]昌金铭.国内外光伏发电的新进展.中国建设动态：阳光能源.2007年1期
[12]Sachin Jain,Vivek Agarwat. AS ingle-Stage Grid Connected Inverter Topogy For Solar PV Systems With Maximum Power Point Tracking.IEEE Power Electronics.Vol.22.No.5.2007.9
[13]廖华,许洪华,王环,双支路光伏最人功率跟踪的井网逆变器的研制.太阳能学报.第27卷第8期.2006.8
[14]崔容强,赵春江,吴达成.并网型太阳能光伏发电系统[M].化学工业出版社,2007
[15]陈道炼DC/AC逆变技术及其应用(第1版)[M].北京：机械工业出版社,2005.1
[16]苏建徽.光伏水泵系统及其控制的研究.合肥工业大学博士论文,2003.2.
[17]曹仁贤.高效光伏充电器的研制.太阳能学报,1998.10：433436
[18]王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版)[M].北京：机械工业出版社,2004.2
[19]张兴,张崇巍,孙本新.采用电流寻优的MPPT光伏阵列并网逆变器的研究.太阳能学报,2001,22(3)：306-310
[20]王飞,余世杰,苏建徽等.光伏并网发电系统的研究及实现.太阳能学报,2006,26(5)：605-608
[21]徐德鸿.电力电子系统建模及控制.北京：机械工业出版社.2007.5
[22]Choi S S, Li. B. H, Vilathgamuwa D. M. Dynamic Voltage Restoration with Minimum Energy Injection[J]. IEEE Trans.on IA,2000,15 (1):51-57
[23]Ghosh. A, Ledwich. G. Compensation of Distribution SystemVoltage using DVR [J]. IEEE Trans. on Power Delivery,2002,1 (74):1030-1036
[24]胡寿松.自动控制原理(第五版).北京：科学业出版社,2007
[25]Rong-Jong Wai, Senior Member, IEEE,and Wen-Hung Wang. Grid-Connected Photovoltaic Generation System. Vol.55.No.3.2008.4
[26]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB的仿真.北京：机械工业出版社.2009.1
[27]万山明.TMS320F281xDSP原理及应用实例.北京：北京航空航天大学出版社.
[28]刘平,王雪冬.太阳能电池阴影效应及热斑.物理实验.第18卷,第2期.1998
[29]G. Carannante, Ciro Fraddanno, Mario Pagano and Luigi Piegari.Experimental Performance of MPPT Algorithm for Photovoltaic Sources Subject to In-homogeneous Insolation [J].IEEE Transaction on Volume 56, Issue 11, Nov.2009 Page(s):4374-4380.
[30]时剑.太阳能最大功率点跟踪控制系统的研究与实现[D].[硕士学位论文].江苏：江苏大学,2009.
[31]潘健.基于DSP的光伏并网发电系统研究[D].[硕士学位论文].江苏：江南大学,2008.
[32]吴忠军.基于DSP的太阳能独立光伏发电系统的研究与设计[D].[硕士学位论文].江苏：江苏大学,2007.
[33]田勤曼.光伏发电系统中最大功率跟踪控制方法的研究[D].[硕士学位论文].天津：天津大学,2008.
[34]封焯文,粟梅,孙尧,王辉.用于电动汽车的双向交错式DC/DC变换器的设计[J].电力电子技术2010.4
[35]F. Liccardo, P. Marino, G. Torre and M. Triggianese. Interleaved dc-dc converters for Photovoltaic Modules. IEEE,2007
[36]罗雪莲.中国光伏发电的发展及前景[J].贵州省电机工程学会2007年优秀论文集2008.4
[37]吴海涛.光伏并网逆变器及其仿真研究[D].[硕士学位论文].山东：青岛大学,2007.
[38]项若轩.智能光伏充电控制系统的研究[D].[硕士学位论文].安徽：合肥工业大 学,2009.
[39]G. Plante, C.R. Acad. Sci. Paris,50(1860)640-642.
[40]C.A. Faure, C.R. Acad. Sci. Paris,92(1881)951-953.
[41]D.A.J. Rand等主编,郭永榔等译,阀控式铅酸蓄电池,北京：机械工业出版社,2007年1月第1版
[42]刘广林,铅酸蓄电池工艺学概论,北京：机械工业出版社,2009年01月第1版
[43]胡信国,王金玉,董保光等,阀控式密封铅酸蓄电池的发展,电源技术,1998.12：265-269
[44]刘建平,从阀控式密封铅酸蓄电池看充电器,移动电源与车辆,2000.3：29-32
[45]Rainer Wagner, Dirk Uwe Sauer. Charge strategies for valve-regulated lead/acid batteries in solar power applications. J. Power Sources 95(2001):141-152.
[46]王菊芬,李宣富,杨海平等,光伏发电系统中影响蓄电池寿命因素分析,蓄电池,2002(2)：51-54
[47]R. West, K. Mackamul and G. Duran, Development of s Fully Integrated PV System for Residential Applications Phase I Annual Technical Report National Renewable Energy Laboratory February 27 1998. August 31,1999.
[48]Daniel M. KAMMEN, Stand Alone Photovoltaic System Design Principles. ER120, Renewable Energy. February 21,2002.
[49]肖鹏,陈国呈,吴春华,丁海洋,一种新型光伏独立发电系统研究,电气传动,2008年,第38卷,第8期：32-36.
[50]任柱,陈渊睿,张淼,独立光伏系统中蓄电池充电控制策略,控制理论与应用,第25卷第2期,2008年4月：361-363.
[51]吴理博,光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现,清华大学,博士学位论文,2006.3.贾煜.三电平逆变器控制策略的研究[D].[硕士学位论文].湖南：中南大学,2010.
[53]吴志红,陶生桂,崔俊国,毛明平.二极管箱位式多电平逆变器的拓结构分析[J].同济大学学报,2003,31(10)：1217-1222·
[54]C.K.Lee, S.Y.R.Hui, H.Shu-hung Chung, YashShrivastava.A Randomized Voltage VeCtor Switching Scheme for Three-level Power Inverters[J]-IEEE Trans on Power Electronics,2002,VOL17(NO.1):94-100.
[55]Roberto Rojas, Tokuo Olmishi, Takayuki Suzuki.Neutral-point-clamped Inverter with improved voltage waveform and control range [J].IEEE Trans On Industrial Electronics,Dec.1995,42(6):587-594.
[56]Yamanaka K. A novel neutral point potential stabilization technique using the information of output current polarities sand voltage vector [J].IEEE Transactions on Industry Applications,2002,38 (6).1572-1580.
[57]赵慧杰等.载波PWM方法三电平逆变器中点电位控制研究[J].电力电子技术,2008,41(3)28-30.
[58]欧阳名三,余世杰,沈玉梁等,具有MPPT功能的户用光伏充电系统的研究,农业工程学报,2003.12(6)：272-275
[59]岳新苗,吴捷,张先勇,一种新型的最大功率跟踪实现方法在太阳能充电器中的应用[C],电工理论与新技术学术年会论文集,西安：西安电子科学出版社,2005：421-424.
[60]吴春华,张翼,肖鹏,崔开涌,陈国呈,一种光伏独立发电控制系统,上海大学学报(自然科学版),第14卷,第4期,2008年8月：359-363.
[2]杨军.太阳能光伏发电前景展望[J].沿海企业与科技,2005,(8)：110-112.
[3]梁宏晖.小功率光伏发电及最大功率跟踪控制的研究[D].[硕士学位论文].天津：天津大学,2008.
[4]钱金法,王雅萍,钱惠祥,光伏产业的发展与分析,电工电气(2009 No.1)：1-4
[5]沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社,2005.
[6]曹倩茹.光伏发电的最大功率跟踪研究[D].[硕士学位论文].西安：西安科技大学,2006.
[7]张源.国外光伏技术现状及发展[J].新能源,1993,15(8)：1-2。
[8]中国光伏发电的市场情况.中美清洁能源技术论坛.2003.www.new-energy.com.cn
[9]Chihchiang Hua, Chihming Shen.Comparative study of peak power tracking techniques for solar storage system[J].IEEE Applied Power Eltronics Conference and Exposition(APEC'98)[C],1998,679～685.
[10]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,袁立强.太阳能光伏发电及其应用.科学出版社.2005.10
[11]昌金铭.国内外光伏发电的新进展.中国建设动态：阳光能源.2007年1期
[12]Sachin Jain,Vivek Agarwat. AS ingle-Stage Grid Connected Inverter Topogy For Solar PV Systems With Maximum Power Point Tracking.IEEE Power Electronics.Vol.22.No.5.2007.9
[13]廖华,许洪华,王环,双支路光伏最人功率跟踪的井网逆变器的研制.太阳能学报.第27卷第8期.2006.8
[14]崔容强,赵春江,吴达成.并网型太阳能光伏发电系统[M].化学工业出版社,2007
[15]陈道炼DC/AC逆变技术及其应用(第1版)[M].北京：机械工业出版社,2005.1
[16]苏建徽.光伏水泵系统及其控制的研究.合肥工业大学博士论文,2003.2.
[17]曹仁贤.高效光伏充电器的研制.太阳能学报,1998.10：433436
[18]王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版)[M].北京：机械工业出版社,2004.2
[19]张兴,张崇巍,孙本新.采用电流寻优的MPPT光伏阵列并网逆变器的研究.太阳能学报,2001,22(3)：306-310
[20]王飞,余世杰,苏建徽等.光伏并网发电系统的研究及实现.太阳能学报,2006,26(5)：605-608
[21]徐德鸿.电力电子系统建模及控制.北京：机械工业出版社.2007.5
[22]Choi S S, Li. B. H, Vilathgamuwa D. M. Dynamic Voltage Restoration with Minimum Energy Injection[J]. IEEE Trans.on IA,2000,15 (1):51-57
[23]Ghosh. A, Ledwich. G. Compensation of Distribution SystemVoltage using DVR [J]. IEEE Trans. on Power Delivery,2002,1 (74):1030-1036
[24]胡寿松.自动控制原理(第五版).北京：科学业出版社,2007
[25]Rong-Jong Wai, Senior Member, IEEE,and Wen-Hung Wang. Grid-Connected Photovoltaic Generation System. Vol.55.No.3.2008.4
[26]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB的仿真.北京：机械工业出版社.2009.1
[27]万山明.TMS320F281xDSP原理及应用实例.北京：北京航空航天大学出版社.
[28]刘平,王雪冬.太阳能电池阴影效应及热斑.物理实验.第18卷,第2期.1998
[29]G. Carannante, Ciro Fraddanno, Mario Pagano and Luigi Piegari.Experimental Performance of MPPT Algorithm for Photovoltaic Sources Subject to In-homogeneous Insolation [J].IEEE Transaction on Volume 56, Issue 11, Nov.2009 Page(s):4374-4380.
[30]时剑.太阳能最大功率点跟踪控制系统的研究与实现[D].[硕士学位论文].江苏：江苏大学,2009.
[31]潘健.基于DSP的光伏并网发电系统研究[D].[硕士学位论文].江苏：江南大学,2008.
[32]吴忠军.基于DSP的太阳能独立光伏发电系统的研究与设计[D].[硕士学位论文].江苏：江苏大学,2007.
[33]田勤曼.光伏发电系统中最大功率跟踪控制方法的研究[D].[硕士学位论文].天津：天津大学,2008.
[34]封焯文,粟梅,孙尧,王辉.用于电动汽车的双向交错式DC/DC变换器的设计[J].电力电子技术2010.4
[35]F. Liccardo, P. Marino, G. Torre and M. Triggianese. Interleaved dc-dc converters for Photovoltaic Modules. IEEE,2007
[36]罗雪莲.中国光伏发电的发展及前景[J].贵州省电机工程学会2007年优秀论文集2008.4
[37]吴海涛.光伏并网逆变器及其仿真研究[D].[硕士学位论文].山东：青岛大学,2007.
[38]项若轩.智能光伏充电控制系统的研究[D].[硕士学位论文].安徽：合肥工业大 学,2009.
[39]G. Plante, C.R. Acad. Sci. Paris,50(1860)640-642.
[40]C.A. Faure, C.R. Acad. Sci. Paris,92(1881)951-953.
[41]D.A.J. Rand等主编,郭永榔等译,阀控式铅酸蓄电池,北京：机械工业出版社,2007年1月第1版
[42]刘广林,铅酸蓄电池工艺学概论,北京：机械工业出版社,2009年01月第1版
[43]胡信国,王金玉,董保光等,阀控式密封铅酸蓄电池的发展,电源技术,1998.12：265-269
[44]刘建平,从阀控式密封铅酸蓄电池看充电器,移动电源与车辆,2000.3：29-32
[45]Rainer Wagner, Dirk Uwe Sauer. Charge strategies for valve-regulated lead/acid batteries in solar power applications. J. Power Sources 95(2001):141-152.
[46]王菊芬,李宣富,杨海平等,光伏发电系统中影响蓄电池寿命因素分析,蓄电池,2002(2)：51-54
[47]R. West, K. Mackamul and G. Duran, Development of s Fully Integrated PV System for Residential Applications Phase I Annual Technical Report National Renewable Energy Laboratory February 27 1998. August 31,1999.
[48]Daniel M. KAMMEN, Stand Alone Photovoltaic System Design Principles. ER120, Renewable Energy. February 21,2002.
[49]肖鹏,陈国呈,吴春华,丁海洋,一种新型光伏独立发电系统研究,电气传动,2008年,第38卷,第8期：32-36.
[50]任柱,陈渊睿,张淼,独立光伏系统中蓄电池充电控制策略,控制理论与应用,第25卷第2期,2008年4月：361-363.
[51]吴理博,光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现,清华大学,博士学位论文,2006.3.贾煜.三电平逆变器控制策略的研究[D].[硕士学位论文].湖南：中南大学,2010.
[53]吴志红,陶生桂,崔俊国,毛明平.二极管箱位式多电平逆变器的拓结构分析[J].同济大学学报,2003,31(10)：1217-1222·
[54]C.K.Lee, S.Y.R.Hui, H.Shu-hung Chung, YashShrivastava.A Randomized Voltage VeCtor Switching Scheme for Three-level Power Inverters[J]-IEEE Trans on Power Electronics,2002,VOL17(NO.1):94-100.
[55]Roberto Rojas, Tokuo Olmishi, Takayuki Suzuki.Neutral-point-clamped Inverter with improved voltage waveform and control range [J].IEEE Trans On Industrial Electronics,Dec.1995,42(6):587-594.
[56]Yamanaka K. A novel neutral point potential stabilization technique using the information of output current polarities sand voltage vector [J].IEEE Transactions on Industry Applications,2002,38 (6).1572-1580.
[57]赵慧杰等.载波PWM方法三电平逆变器中点电位控制研究[J].电力电子技术,2008,41(3)28-30.
[58]欧阳名三,余世杰,沈玉梁等,具有MPPT功能的户用光伏充电系统的研究,农业工程学报,2003.12(6)：272-275
[59]岳新苗,吴捷,张先勇,一种新型的最大功率跟踪实现方法在太阳能充电器中的应用[C],电工理论与新技术学术年会论文集,西安：西安电子科学出版社,2005：421-424.
[60]吴春华,张翼,肖鹏,崔开涌,陈国呈,一种光伏独立发电控制系统,上海大学学报(自然科学版),第14卷,第4期,2008年8月：359-363.