摘 要

随着新时代的快速发展、科学技术水平的进步和人们对高质量生活的不断追求，因此带来的由于化石能源不断加速消耗所引发的一系列环境问题也在不断加重，这些环境问题深深的困扰着我们，同时也要求我们在可持续发展战略方针上加大投入力度，加速开展如风能、地热能、太阳能、潮汐能等一系列无污染、可再生的新能源发展，尤其是对于风电和光电要进行大力投入。由于太阳能存在无污染、普遍易收集、安全可靠等一系列优点，无论是从长远角度，还是能源环境角度，亦或是边远地区应用角度，利用太阳能进行发电都极具吸引力，因此对于光伏发电技术的研究也成了热门的研究方向。随着电力电子行业技术的不断进步所带来的光伏电池生产使用成本不断的下降，光伏发电代替传统化石能源发电出现了可能性；同时随着光伏电池板功率密度的不断提高，光伏发电并网运行也逐渐成了重点的研究方向。本文的主要研究方向是光伏并网的矢量控制技术。在经过对光伏发电系统理论的不断学习，搭建了光伏发电系统矢量控制模型，并且对此系统在不同光强、不同温度下的电压、功率等输出特性进行了分析与研究。

本文的重点研究对象是对光伏发电系统进行矢量控制，通过在MATLAB/SIMULINK中进行光伏发电矢量控制系统的搭建。并且基于此模型验证所设计矢量控制系统的有效性，并分析验证所设计矢量控制系统的动态特性。

关键词：光伏发电、并网、矢量控制、 MATLAB仿真

Abstract

With the rapid development of the new era, the progress of science and technology level and the people in the pursuit of high quality life, so bring because the fossil energy consumption caused by accelerating a series of environmental problems are getting worse, these environmental problems plague us deeply, but also requires us to intensify investment in the sustainable development strategy, speed up such as solar energy, wind energy, tidal power, and a series of new non-polluting, renewable energy development, especially for wind power and photovoltaic to vigorously inputs. Due to the solar energy is no pollution, is generally easy to collect, safe and reliable, and a series of advantages, whether in the long term, or energy and environment Angle, or remote application point of view, using solar energy to generate power is attractive, so for photovoltaic power generation technology research has become a hot research direction. Along with the advance of power electronics technology and the declining cost of photovoltaic cells, photovoltaic power generation from complementary energy to alternative energy becomes possible; With the continuous improvement of photovoltaic solar panels power density at the same time, the photovoltaic grid-connected operation also gradually become the key research direction. The research object of this article is photovoltaic (pv) grid control system, the main task is to control of the photovoltaic (pv) grid system are studied. Through the in-depth research and study of photovoltaic power generation systems theory, established a complete system of photovoltaic power generation systems, photovoltaic cells under different light intensity, temperature, voltage, power output characteristics are studied and analyzed.

In this paper,the research emphasis is the vector technology of the photovoltaic power generation system,through the simulation in NATLAB/SIMULINK environment set up photovoltaic vector control system.And based on this model to demonstrate the effectiveness of the designed vector control.

Keywords: photovoltaic power generation, interconnection, vector control, inverter, the MATLAB simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1.研究背景与意义 1

1.2.国内外研究现状 2

1.2.1.国外研究现状 2

1.2.2.国内研究现状 5

1.3本文设计内容 8

第二章 光伏发电系统的原理组成及分类 8

2.1光伏发电系统原理 8

2.2光伏发电系统的组成 9

2.3光伏发电系统的分类 9

2.3.1独立光伏发电系统 10

2.3.2 并网光伏发电系统 10

第三章 光伏电池 11

3.1光伏电池工作原理 11

3.1.1光伏电池的等效模型 11

3.1.2影响光伏电池的因素 14

第四章 光伏发电系统的矢量控制 17

4.1光伏发电最大功率跟踪技术 17

4.2.光伏并网发电系统的控制 18

4.2.1 控制系统数学模型 18

4.2.2 PI参数的设计 19

4.2.3并网逆变器控制方法 21

4.2.4 矢量调制信号的产生原理 22

4.3 坐标变换 24

4.3.1 变换（3s/2s变换） 24

4.3.2 dq变换（2s/2r变换） 25

第五章 仿真与分析 26

5.1 电路仿真模型 26

5.2 仿真实验结果 26

第六章 总结与展望 30

6.1总结 30

6.2展望 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1.研究背景与意义

在人类发展的漫长的发展历史长河中，我们对能源的需求在进入现代文明之后显得尤为迫切。在十八世纪初，由英国率先引领了工业革命的序幕，人类从此跨入了蒸汽时代，工业革命极大地推动了人类社会生产力的发展，以机器生产代替传统手工业生产成为时代的标志，人类从此进入了现代文明社会，但是也正因为蒸汽机，电动机等一系列跨时代机器的出现，由此引起了一股人类对能源迫切需求的热潮，大量的化石能源被开采使用，用以促进生产力的发展。

然而，在自然界中，人们用以快速发展而大量开采使用的煤炭、石油、天然气等一次化石能源储量是十分有限的，伴随着人类对世界的不断探索和发展，人们对化石能源的开采也愈发频繁，人类对能源的需求越来越大，能源的危机已经迫在眉睫，基于综合现有石油储量的估计，从全球来看，对于可支配的传统能源，全世界范围内的石油储量还能供人类使用至多40年，天然气也只能维持使用大概60年左右，即便是最丰富的煤炭资源，也只能最多继续供给人类300年。近代出现的一种新的核能发电也存在着诸多问题。不仅作为原料的铀储量十分有限，还存在着核泄漏等大规模污染性问题。并不是长久之道。人类的能源危机迫在眉睫。因此，替代能源的开发和利用还是另当今世界上许多学者所共同思考和解决的问题。

根据官方数据统计，中国的进口原油总量仅在过去的一年里就达1.5亿吨。从我国目前对于能源使用消耗的速度来进行预估，我国现在所拥有能源储备仅可以支持我们使用至多50年。不过值得一提的是，随着科学技术水平的不断发展提高，人类发现了许多新型的清洁可再生能源如核能、风能、潮汐能、地热能、太阳能等。在面对日益枯竭的化石能源和环境保护可持续发展的压力下，世界上许多国家加强了新型绿色清洁能源和可再生能源的发展支持。跨入21世纪以后，世界上各个国家对于能源的需求量愈发增大。在可再生能源发电的装机容量方面，德国和丹麦等发达国家在这方面已经走在世界领先地位。。

同时，为了促进可再生能源的发展，各个国家不仅增加对可再生能源技术研发的投入，在政策上也加大了对可再生能源开发利用的支持与补贴，用以加快其发展步伐，真正实现能源多样化，各种替代清洁能源可以真正应对气候和环境等各种复杂变化，真正实现可持续发展。中国高度重视可再生能源事业的发展，近些年来，对于清洁能源的发展更是加大了投入支持力度，包括国家专项科技经费支持、政府项目和各种政策优惠。尤其我国近年来颁布的是《中华人民共和国可再生能源法》。这部法典极大地推动了中国可再生能源事业的发展，为我国发展循环经济和建设资源节约型、环境友好型社会的理念提供了强有力的支持。

作为一种新型的绿色环保可再生能源，与其他的新能源相比，太阳能是利用率最高、最理想的清洁可再生能源。尤其是近十几年来，随着中国科技水平的不断提高，太阳能及相关产业已成为世界上发展最快，最有前景的产业之一。尤其是光伏电池，光伏汽车和光伏发电站相继问世。进一步证明了太阳能相关行业的巨大发展潜力。太阳能产业发展如此迅速，因为它具有以下优势：

巨大的储量：太阳是太阳系中心的一颗恒星，阳光是地球能量的主要来源。可利用量巨大。太阳放射的总辐射能量在穿过大气层，到达地球陆地表面后的能量还剩余大约为 1.7xW，相当于世界上一年中目前消耗的各种能源产生的总能量的35,000倍。作为一颗正值壮年的恒星，太阳还有着漫长的寿命，可以说太阳能够持续供给地球能源的时间是无限的。

（2）易于使用，不需要采矿和运输等一系列繁琐的生产活动。

（3）能源清洁，不排放污染物，不会对大气造成不可弥补的影响

（4）使用安全，无噪音污染。 太阳能发电本身不会对环境造成任何影响，并且不会产生机械噪音。这是一种相当理想的清洁能源。

（5）具有较高可靠性，寿命较长且应用广泛。 晶体硅太阳能电池的使用寿命最高可长达三十五年之久，使用在在光伏系统中，只要设计合理，选型合适，电池寿命便可以高达十年以上。极大的减少了维修成本。并且太阳能几乎无处不在的特性，使得太阳能电池可以在中国大部分地区作为独立电源进行推广使用。

利用太阳能进行发电所具有的优点还有很多，作为一种理想绿色能源，太阳能在我国目前实现可持续发展战略的方针中占有重要席位。.太阳能分布广泛、安全清洁、取之不尽、用之不竭，是我国大力发展支持的新兴清洁能源，是人类最终可以依赖的能源。

1.2.国内外研究现状

人类社会进入21世纪以来，就面临着许多重要发展问题，其中能源的发展危机尤为显著。为了应对这一危机，国内外的许多专家学者纷纷投入到新能源的开发与建设中去，其中太阳能以其安全、便捷、无污染、可靠性高、分布广泛等显著优点成为了各国大力支持发展的对象。

1.2.1.国外研究现状

十九世纪三十年代末，法国著名的物理学家贝克勒尔发现了光电效应其中的一种——光生伏打效应。十九世纪五十年代中，包括美国贝尔研究所皮尔逊在内的三位科学家利用单晶硅作为原料，首次成功研发出实用的太阳能电池。从那时起，太阳能电池开始应用于将太阳能转化为电力的实用光伏发电技术。在十九世纪七十年代，赫兹使用固态硒材料来制造基于光伏效应的光伏电池。 在1973年，全世界范围内爆发了一场石油危机，这场危机导致多种矿石能源呈现巨大涨幅，这一现象也为人们敲响了人们对化石燃料过度开采的警钟。人们开始着眼于对光伏发电等新能源技术的开发利用。从那时起，光伏发电技术逐渐被重点关注和发展。各个国家的政府和各个行业的研究机构均加强了对光伏发电技术的研发并投入了大量的资源来。自从1980年以来，利用太阳能进行光伏发电就是各个国家的主要研究内容，并且以每年30％至40％的速度快速增长。

二十世纪七十年代，发达国家积极研究制定了国家太阳能发电计划。其中以日本在1974年开始的“阳光计划”尤为突出。在20世纪80年代后期，太阳能电池的种类不断增加，应用范围不断扩大。 90年代光伏发电迅速发展。过去10年太阳能电池组件的平均年增长率为35％，过去五年的平均增长率为44％。 2012年，全球多晶硅产能达到400000吨，产量达到234000万吨。 2011年与240000吨相比，多晶硅产量略有下降。电子级多晶硅的产量约为25,000吨，其余为太阳能级多晶硅。中国在世界上排名第一，产量近71000吨。美国以59000吨名列第二。韩国，德国和日本的产量分别为41000吨，4000吨和13000吨，其中中国和韩国主要生产太阳能级多晶硅，日本主要供应电子级多晶硅，美国和德国都是。在产能方面，中国居世界第一，产能19000吨。排在世界第二位是美国，生产能力接近86000吨，排在第三位的是韩国，产能有将近57000吨，紧随其后排名第四和第五的分别是，德国和日本，产能约为55000吨和19000吨。从现有的发展势头来看，中国，美国，韩国和德国逐渐形成了四国的局面，而日本则更侧重于在电子级多晶硅领域发挥优势。 2012年，全世界范围内包括薄膜电池在内的光伏电池产能已经跨过了70兆瓦的大关，同比增长11.1％。相比于2011年增长了6.3％。到目前为止，全世界范围内，前十大太阳能电池出货量已达到预估的毛重水平。就电池类型而言，晶体硅电池的产量约为33吉瓦，薄膜电池约为4吉瓦，浓缩电池约为100兆瓦。就地区分布而言，中国大陆地区居世界第一位，产量达21吉瓦，其次是中国台湾，从元器件方面来看日本和马来西亚位居榜首。全世界范围内产能已经高达达70兆W以上，产量跨入36.5GW大关，同比增长5.4％。然而就区域分布而言，中国仍是世界首屈一指的生产大国，年产量多达22兆瓦，主要的生产产品为晶体硅电池（占总比的96％），位居第二的是欧洲，年产值接近5兆瓦（其中20％为薄膜电池）。日本区屈居第三，年产量接近2.6兆瓦（其中30％为薄膜电池）。至于在市场的应用方面，全世界范围内，在2012年新增加的光伏装机容量已经达到达到3200000千瓦，同比增长6.0％，但是相比过去的十年来讲，达到了最低增长率。其中，欧洲各个国家新增加装机容量已经达到了18.2兆瓦，在全世界范围内，欧洲新增装机容量的56.9％，超过全球新增装机容量的一半但是依然比2011年下降约13%。从安装配电容量来看，德国装机容量为7.6兆瓦达到世界第一。中国在世界范围内位居亚军，配电容量为4.5兆瓦，同比增长66.9％。美国全球排名达到第三位，配电容量为3.3兆瓦，同比增长78.6％。全世界范围内光伏市场的新装机总容量在2011年以47兆瓦的容量创造历史新高，累计总装机容量突破188.8兆瓦大关。世界光伏市场格局在悄然的发生着改变。中国，日本和美国光伏市场的迅速升温促进了经济繁荣的这一周期。 英国于2014年迅速崛起，在新兴光伏市场领域，已成为市场霸主。光伏技术的不断进步也是的光伏市场不断地进行优化细分。除传统的光伏电站等应用类型外，光伏汽车等新兴企业光开始崭露头角。图1.1为2007年至2014年全球光伏安装容量，图1.2为2014年安装光伏容量最高的前十大国家所占市场份额。

图1.1.2007~2014年全球光伏累计装机容量

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