新能源(风力和太阳能逆变器)报告.doc

新能源（风力和太阳能逆变器）项目可行性报告一、绪论能源是人类生产存的基本要素,也是国民经济发展的主要物质基础.随着国际工业化的进程,全球未来能源消耗预计仍以3%的速度增长,常规能源资源面临日益枯竭的窘境.开发新能源和可再生清洁能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定性影响的五项技术领域之一。充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策，其中并网发电则最受瞩目。并网发电远期将大规模应用，近期可解决特殊应用领域的需要。到2030年光伏发电在世界总发电量中将占到5一20。光伏发电独具许多优点，如安全可靠，无噪声，无污染，能量随处可得，不受地域限制，无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建设周期短，规模大小随意，无需架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合等。这些优点都是常规发电和其它发电方式所不及的。尽管光伏发电的发展面临着重重困难，但是随着社会和科技的发展，以及考虑到我国的具体国情，大力发展风电将是我国能源结构的必然发展方向，我国风电将具有一个美好的发展前景。（1） 光伏发电的应用：由于我国光伏发电市场的潜力大，光伏项目又具有环保及扶贫双重作用，经常成为国际间的合作与援助优选项目。早期有与德国合作项目北京大兴县多晶硅太阳电他及水泵示范工程，日本在甘肃省的10kW光伏示范工程，欧共体在浙江省大陈岛的光伏示范工程。近期有德国在中国的黄金计划光伏工程，美国能源部在甘肃省及内蒙古的户用光伏项目，日本NEDO机构的光伏工程。这些合作项目对推动我国光伏应用都起到了积极作用。 正在进行或即将进行的项目有1999年开始的世界银行全球环境基金的2500万美元赠款的5年光伏计划，5年内将在西北地区推广10MW户用光伏系统。荷兰政府将为新疆提供150O万美元赠货，新疆地方出资相当于：N千万美元，实施新疆丝绸之路光明工程计划（5年），推广应用总数为78万套户用光伏系统。联合国开发计划署与国家经贸委合作，计划在山东大管岛和浙江北龙岛建立60一100kW的风光互补发电系统，为海岛军民供电；另外计划在西北推广200套小型风光互补发电系统，每套功率在150一500W左右。世界银行与教育部合作，计划在云南省和海南省建立13所太阳能学校，每校光伏发电功率lkW左右。世界银行还与卫生部合作，在7个省开展乡级卫生院改建计划用可再生能源为乡级卫生院提供采暖、热水和电力，我国具有丰富的风能资源，这为发展我国的风电事业创造了十分有利的条件。但就我国目前电力事业而言，火力发电仍是我国的主力电源。以燃煤为主的火电厂，在在大量排放CO2和SO2等污染气体，这对我国的环保极为不利。而发展电力，一方面有利于我国电源结构的调整，另一方面又利于进口方面的压力，对提高我国能源供应的多样化和安全性将做出积极的贡献。我国目前尚有约2000万户、6000一7000万农村人口还没有用上电，60的有电县严重缺电，光伏市场潜力巨大。我国光伏系统成本每年下降约3一5，2000一2005年，我国户用光伏系统的用量将大幅度增长，用电总量将达到20MW。预计在5年内我国也将有几个2一5Mw年生产能力的太阳电池工厂建立或扩建而成，2005年后将出现年产10Mw的生产线。户用及民用光伏系统将从目前的30上升到40一50，到2010年我国也将开始发展井网式屋顶光伏系统，但预计其系统功率将为发达国家的V4，市场份额将不超过5，但在2020年后并网系统将会得到大量发展。光伏产品在国际上的四个主要市场：消费性产品（14）；离开电网的居民供电系统（35）；离开电网的工业供电系统（33），井网光伏系统（18）。光伏发电作为最合理的独立电源可开发更多的应用领域，包括风光互补便携式电源、风光互补泵水系统、风光互补增氧系统、风光互补供暖系统、风光互补海水淡化系统、风光互补景观照明系统等等。随着中小型风力发电机产品的多样化，风光互补独立供电系统在市政项目、边防哨所、偏远地区都有着极广的应用前景。風光互補供電系統應用領域: 通訊基站、氣象站路燈、市政工程森林防火設施供電部隊日常用電補充偏遠地區供電交通信號燈（2）政府对光伏发电的补助政策：由于风电建设成本较高，加之风能的不稳定性，因而导致风电电价较高，而无法与常规的火电相竞争。在这种情况下，为促进光伏发电产业技术进步和规模化发展，培育战略性新兴产业，根据可再生能源法、国家中长期科技发展规划纲要（2006-2020年）（国发【2005】44号）、可再生能源中长期发展规划（发改能源【2007】2174号）和可再生能源发展专项资金管理办法（财建【2006】237号），中央财政从可再生能源专项资金中安排一定资金，支持光伏发电在各类领域的示范应用及关键技术产业化（简称金太阳示范工程），特制订金太阳示范工程财政补助资金管理办法。为了支持发展风力发电，至今国家已经给予多方面政策支持，尤其是政府的特许经营政策，将极大地增强投资方的信心，吸引更多的技术力量和资金设备到风电的发展和研究上来。（3）光伏发电的前景：风力发电是一个集计算机技术，空气动力学，结构力学和材料科学等综合性学科的技术，我国有丰富的风能资源，因此风力发电在我国有着广阔的发展前景，而风能利用必将为我国的环保事业，能源结构的调整，对减少进口能源的依赖做出巨大的贡献。目前尽管有着各种各样的困难，但是随着科技的进步，政策资金以及投资方信心的增强，风电在开发，运行，管理方面都将取得进步和提高。展望未来，随着风电组制造成本的不断降低，化石燃料的逐步减少及其开采成本的增加，将使风电逐步增强市场竞争力，因此其发展前景是十分良好的。 太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。太阳能与风能在时间上和季节上有很强的互补性：白天太阳光照好、风小，晚上无光照、风较强;夏季太阳光照强度大而风小，冬季太阳光照强度弱而风大。这种互补性使风光互补发电系统在资源是具有最佳的匹配性。另外，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通的。风光互补发电系统可根据用户用电负荷和自然资源条件进行最佳的合理配置，既可保证系统的可靠性，又能降低发电成本，满足用户用电需求。本项目完成的意义在于：1、 由于目前全球的能源日益紧张，加之空气污染日趋严重，开发和利用绿色能源已成为全球的能源发展趋势。为响应国家号召，节约能源，减少污染，开发和利用太阳能与风能势在必行，研究与之相应的技术显得十分必要。2、 随着绿色能源的开发利用，相应的从业人员日益增加，培养相关专业学生或为从业人员提供一个较为理想的实验实习所，有必要开发相关实验，使之能够掌握常用风力发电和太阳能发电的工作原理、基本过程、操作流程和常见问题解决方案。3、 能够为相关教师或技术人员提供科研研究对象，并为相关研究方向的工程硕士从事相关研究预留空间；同时兼顾校园景观。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状 发达国家近几年来主要开拓的市场是屋顶式并网发电系统。其原因是发达国家的电网分布已很密集，井网发电不用蓄电池，电网峰值用电的电费高，阳光好的地区采用光伏发电的电价已接近商品电价（估计在2000年到2005年进入成本合算期），人们预测10年后屋顶井网发电系统将大规模推广应用。 井网光伏发电系统应用始于80年代初，美国、日本、德国、意大利都为此作出了努力，当时建造的都是较大型的光伏井网电站，规模从100kw到IMW不等，而且都是政府投资建设的试验性电站。但试验结果并不十分理想，由于当时太阳电池很贵，很难让电力公司接受。 自90年代以来，国外发达国家重新掀起了发展井网光伏系统的高潮，这次的努力不是建造大型井网光伏电站，而是发展屋顶光伏井网系统，屋顶井网光伏系统充分利用了阳光的分散性特点，将太阳电池安装在现成的屋顶上，其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，受到了各国的重视。 1993年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司认可的1000屋顶计划，继而扩展为2000屋顶计划，现在实际建成的屋顶光伏并网系统已经超过5000。这些屋顶井网系统均不带蓄电池，属于不可派送的发电系统，电力公司对光伏并网系统发出的电予以收购，大大刺激了这一领域的商业性发展和技术上的完善。德国政府于1999年：月开始实施10万太阳能屋顶（每户约3kW一5kW）计划，今后几年内需要300MW一500MW太阳电池。1999年先推广6000套，共18Mw，政府给用户375的补助及10年的无息货款。由此可以看出德国政府在推广光伏屋顶系统上的决心。 日本在光伏发电与建筑结合方面已经有十几年的努力，尤其在1996年以后更是突飞猛进，每年新建的光伏屋顶达几万套。日本光伏屋顶的发展有一个特点，他们将太阳电他组件制作成建筑材料的形式，如瓦和玻璃等，这样太阳电池就很容易安装在建筑物上，也很容易被建筑公司接受。 80年代初，美国就已经开始了井网光伏发电的努力，制定了PVUSA计划，即光伏电力规模的应用计划，主要是建立100kW以上的大型井网光伏发电系统，最大的系统计划达10MW，但是由于成本高，电力不可调度，不受电力公司欢迎。 1996年，在美国能源部的支持下，又开始了一项称为“光伏建筑物计划（PV一BONUS）”，计划投资20亿美元。美国目前电力的23用于包括为民用住宅在内的各类建筑物供电，该计划的目标是采用光伏发电缓解建筑物的峰值负荷，并探求未来清洁的建筑物供电途径。此项计划将有助于开发新型的光伏建筑材料，包括玻璃、天窗、墙体等，有助于开发光伏屋顶模块和可由电力部门很容易安装的光伏调峰电力模块等。计划分为三步实施：概念开发，产品开发和市场开发。这项计划的内容很丰富，其中典型的开发项目包括： （1）DsM系统（按需求安排发电的系统），即带有蓄电他的电力可以调度的光伏发电系统。这种井网系统在今后囚年内仅在美国国内就会有300MW的市场。目前这种系统的发电成本为40美分kWh，而美国某些地区的峰值电价已高达20一30美分kwh（一般冬季电价为3一4美分kWh，夏季7一8美分kwh）。估计不久这类调峰系统即可进入市场。 （2）太阳热水器和非晶硅太阳电池联合构成的光伏、光热系统，可以为用户同时提供电力和热水。由于非晶硅太阳电池不象晶体硅太阳电池那样，当温度升高后输出功率会降低，所以特别适合于这种系统。 （3）光伏屋顶建筑材料（柔性的和非柔性的），如透明光伏玻璃，聚光电池供电、供水系统，光伏墙体，光伏智能窗帘等。 1997年，美国总统宣布了百万屋顶计划，即到2010年美国将在美国国内建造100万座太阳能屋顶，包括供热和供电。这一计划有3个目的： （1）计划完成后每年减排的二氧化碳相当于850000辆汽车的排放量；（2）可以增加70000个高技术就业机会；（3）通过这一计划，将大大加强美国光伏工业在世界上的领先地位和竞争实力。 其它一些发达国家也都有类似的光伏屋顶井网发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英国、加拿大等。 除了光伏屋顶系统，国外发达国家还在其它光伏应用方面也作了大量工作，主要有： （i）风光柴互补发电系统：为了进一步降低可再生能源的发电成本，国外在风光柴混合发电系统上作了大量的示范工作和经济对比。NRE1。还开发了混合发电系统的优化软件，它可用于根据当地资源设计最合理最经济的供电方案。 （2）未来与汽车配套的发电系统：光伏发电系统在汽车行业有很大的潜在市场，国外已经开发出较成功的可以为电动汽车蓄电池充电的太阳能快速充电系统，太阳能汽车空调板，太阳能汽车换气扇，太阳能空调和冷饮箱等。 （3）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统：芬兰的NAPs已经完成这一发电系统的示范。太阳电池将太阳能转变成电能，通过电解他电解水，产生氢气和氧气，氧气排放到空气中，氢气储存到储氢罐中。使用时氢气再与空气中的氧气通过燃料电池发电，氢气和氧气在发电过程中又化合成水。该系统属于最清洁的再生能源发电系统，在未来具有巨大的市场，尤其对于冬夏太阳能辐射差异很大，采用蓄电池极不经济的高纬度地区，通过这种办法利用太阳能将会十分有效，此外，随着电动汽车的发展，这一发电系统也会变得更为重要。 （4）再生能源海岛供电系统：海岛是一个特殊的环境，由于其淡水的缺乏，燃料的昂贵，使得可再生能源有了用武之地。国外已经对海岛上应用风光柴混合发电系统作了大量示范，为海岛供应电力和淡水。此外，由于岛上渔民需要用冰来储存和运送新鲜的鱼虾，海岛的可再生能源制冰系统也得到了推广。 （5）太阳能发电专用直流负载：为了提高光伏发电系统效率，减少故障环节，国外开发了许多不需要采用逆变器、可以直接由太阳电池和蓄电池供电的直流负载，包括直流电视机、直流电冰箱、直流空调等，这类专用负载特别适合于车辆、船只和流动性的单位，如旅游团、地质队、部队等。如今在全球的风能发展中，欧洲风能发电的发展速度很快。德国的发电发展处于领先地位，其中风电设备制造已经超越汽车制造业和造船业。在近期德国制定的风电发展长远规划中指出，到2025年风电要实现占电力总用量的25%，到2025年实现占用量的50%的目标。德国政府正在实施的战略目标是在2030年前建成总量为25GW的海上风力发电场，其中1GW以上的至少有12个，发电量将占发电总量的15%，计划在2010年之前建成的部分海上风力发电场，其中容量在1GW以上者有10个，最大风电容量将达4905MW。另外，丹麦的风能发电已经可满足18%的用电需求，法国也在制定风能发电长远发展规划。同时，亚洲的发电业保持较快的发展势头。其中，印度政府积极推动风能的发展，鼓励大型企业进行投资发展风力，并实施优惠政策激励风能制造基地，目前印度已经成为世界第5大风电生产国。随着全球风能的快速发展，风能将会成为21实际全球经济发展所需的重要能源，同时相信其他可再生资源也将会持续发展并得到充分利用，以满足人类对能源的不断增长的需求。1.3.2国内研究现状 长期以来，我国一直以煤炭发电为主，污染大、成本高，且由于多年的开采，我国煤炭储量已经不能支持我国电力的发展。在这种情况下，开发利用风能等看再生能源已经到了刻不容缓的地步。近你来，中国政府加大了可再生资源，尤其是风能的开发和利用力度。 我国风能资源丰富，理论储量16亿KW，实际可利用2.5亿KW，有巨大的 发展潜力，新疆、内蒙古、广东、辽宁、浙江、海南、河北、甘肃、福建、山东、吉林、黑龙江等省区都具备建设电场的资源条件。我国的风力发电于20世纪50年代后期开始进行研究和试点工作，当时在吉林、辽宁、新疆等省、区建设了容量在10KW以下的小型风力电场，但其后就处于停滞状态。到了20世纪70年代中期以后，在世界能源危机的影响下，特别是在昵称、牧区、海岛等地方对电力迫切需求的推动下，我国的一些地区和部门对风力发电的研究、试点和推广应用又给予了重视和支持，但在这一阶段，其发电设备都是独立行动的，直到1986年，在山东荣成建成了我国第一座并网运行的发电场，从此并网运行的发电场建设进入了探索和示范阶段，但其特点是规模和单机容量均小。总的来说，位于我国内陆的新疆、内蒙古起步较早，装机容量名列前茅，装机功率占全国装机容量的62%。沿海地区的广东、辽宁、浙江紧跟其后，占全国装机容量的28%。海南、河北、甘肃、福建、山东、吉林、黑龙江等省正在起步。到2004年9月止，中国已建有41个风电场，风电装机容量已达685MW，其中运行的最大风电机组功率为1300KW,本土化生产的最大风电机组功率为750KW。但是到目前为止，我国风电场总装机容量仅占我国电网总容量的 0.14%，发展潜力非常巨大。尽管我国具备发展风电得天独厚的条件，但由于风电在发展初期电价较高，在国家现有的政策条件和市场环境下还无法与常规的能源发电竞争，全国风场建设成本较高。因此，目前我国的风力发电公司面临许多困难，如果不能克服这些困难，风力发电将很难进一步发展。这些困难包括以下两个方面。1. 技术开发上的困难（1） 风能资源的不确定性，前期测风工作不足。（2） 风电的高成本，某种程度上限制了风电的发展。如何降低成本，促进风电机组的国产化是国内风电面临的问题。目前我国的 风能资源测量工作主要是由投资方出资进行，这又增加了风力发电项目的初期投资。解决这一问题的关键是由国家直接出资或建立相关基金对国内优质风场进行前期测定；其次可以委托国际公认的风能资源勘测机构测风，并将其测得的数据向每一个投资者公开，获得政府和相关机构的认可；最后，国家应对测风相关的项目和科研机构给予政策上的重视和资金上的自持。我国并网型风力发电虽然经过了20多年的发展，但风力发展的总装机容量仅占电力总容量的 0.14%，远远低于欧美国家，也低于日本和印度。我国的风电机组国产化率低，主要依赖进口，这是严重制约我国风力发展的因素之一。目前，我国风电设备主要依靠进口，而其设备的价格较高，约占风电场的综合造价的23，比火电高出50%。据专家估计，如果风电国产化，其价格约可降低30%，风力发电的上网电价将会降低20%左右，不含税风电电价可以大大降低，约可降至0.43元（KW.H）,因此，应采取措施鼓励风电设备国产化。2.资金上的困难除技术困难外，市场及资金的困难也影响了风电的发展。（1） 可再生资源的激励机制不健全和风电电价问题。（2） 风电项目缺乏信心，贷款条件苛刻。（3） 能否保证对风力发电的全额收购。 近年来，我国对风力发电愈来愈重视，多次出台鼓励政策支持风电的发展，但仍然存在很多问题。其中主要障碍就是融资渠道不畅，生产规模过小和上网电价偏高等形成的恶性循环。首先，风电建设的融资限制使电价偏高，国家相关政策 风电项目的还贷期为7年，火电项目的还贷期为1318年，使得风电在还贷期平均上网电价是常规火电的3倍，上网价格没有竞争力。其次，税收对风电价格的影响也不容忽视，在增值税方面，对风电征收的税率为17%，与火电相比，风力发电由于没有燃料消耗，所以没有增值税进项税额的抵扣，从而风电的税率较高。而2003年开始实行的政府特许经营将使此状况得到一些改进。2003年5月，经国务院批准，财政部和国家税务总局联合下发文件规定：对风力发电实行按增值税应纳税额减半征收的优惠政策。2003年底，国家发改委出台了关于风电特许权目前期工作管理办法，对风电项目所涉及的技术、融资、政策等都做了详尽的规定。根据我国的风力资源以及我国风电事业发展的现状，国家计委、国家科委和国家经委规划到2010年并网风电机组的容量达到3000兆瓦。政府项目为小型光伏发电提供一个推广的机会。“送电到乡”工程采用了太阳能发电系统，我国的小型光伏发电失去了一个推广和发展的机会，希望“送电到村”工程能充分考虑采用风光互补发电系统，为我国的中小型风力发电产业及风光互补新能源提供一个推广和发展的机会。在我国的新能源行业中，风光互补新能源产业是为数不多的与国外技术水平差距不大的产业，如果能把这个产业做大，就能成为极具国际市场竞争力的产品，为我国出口创汇做出贡献。1.4风光互补发电系统简介 1.4.1风力发电风力发电装置有两种运行方式。并网运行和独立运行（又称离网运行）。在独立运行时，由于风能是一种不稳定的能源，如果没有储能装置或其它发电装置配合，风力发电装置难以提供出可靠而稳定的能源。解决上述稳定供电的方式有两个，一是利用蓄电池储能来稳定风力发电机的 电能输出，另一个是风力发电机与光伏或柴油等互补运行。独立运行风力发电系统结构组成如图1.1所示。主要部件包括：（1） 风力发电机组：由风力机、发电机和控制部件等组成的发电系统（简称风电机组）（2） 蓄电池组：由若干台蓄电池经串联组成的储存电能装置。（3） 控制器：系统控制装置。主要功能是对蓄电池进行充电控制和过放电保护。同时对系统输入输出功率起着调节与分配作用，以及系统赋予的其它监控功能。（4） 逆变器：将直流电转换为交流电的电力电子设备。（5） 交流负载：以交流电位动力装置或设备。（6） 直流负载：以直流电为动力的装置或设备。 图1.1风力发电示意图1.4.2太阳能发电太阳能发电有两种方式，即光热发电和光伏发电。利用太阳能电池是太阳能利用中最有发展前途的以种技术，也是世界是增长速度最快和最稳定的技术产业之一。光伏发电的研究工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面。制作太阳电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其它新型化合物半导体材料。许多国家在太阳能电池研制方面都取得了实质性的进展，但由于现有理论局限，要取得进一步的技术突破，还要走以段摸索的道路。光伏发电的技术关键是应用新原理研究新材料，继续提高电池的转换效率和降低制作成本。目前，在世界是已建成多个兆瓦级的联网光伏站，总装机容量约1000MW。我国太阳电池技术是在借鉴国外技术的基础是发展起来的，并进行了大量的研究和探索，取得了很大进展。我国已建成的容量最大的光伏电站是100KW的西藏安多电站。独立运行的光伏发电系统如图1.2所示。其主要部件包括：（1） 太阳电池方阵：在金属架上用导线连在一期的多个太阳电池组件的集合体。太阳电池方阵（简称方阵）产生负载所需要的电压和电流。（2） 蓄电池组：由若干台蓄电池经串联组成的贮存电能的装置。（3） 控制器：系统控制装置。主要功能是对蓄电池进行充电控制和过放电保护，同时对系统输入输出功率起着调节分配作用，以及系统赋予恶其它监控功能。（4） 逆变器：将直流电转换为交流电的电力电子设备。（5） 交流负载：以交流电为动力的装置或设备。 图1.2太阳能发电系统示意图 1.4.3风光互补发电系统 太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。太阳能与风能在时间上和季节上都有很强的互补性，白天太阳光照好、风小，晚上无光照、风较强；夏季太阳光照强度大而风小，冬季太阳光照强度弱而风大。这种互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。另外，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的 。风光互补发电系统可根据用户用电负荷和自然资源条件进行最佳的合理配置，既可保证系统的可靠性，又能降低发电成本，满足用户用电需求。二、系统整体结构及各模块的实现2.1系统整体结构2.1.1风光互补发电系统概述风光互补发电系统由太阳能光电池、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组合逆变器等几部分组成。其中的光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电。该系统的优点是供电可靠性高，运行维护成本低；缺点是系统造价高。风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电。该系统的优点是系统发电量较高，造价较低，运行维护成本低；缺点是小型风力发电机可靠性低。另外，风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的步确定性导致发电于用电符合的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池长期处于亏电状态。由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷，同时，发电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以可降低风光互补发电系统的造价。风光互补发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。最简单的风光互补发电系统如图2.1所示。它至少由风机、太阳电池、蓄电池和用电负荷四部分组成。系统中由风机、太阳电池和蓄电池联合为用电负载供电。 图2.1风光互补发电系统结构风光互补发电系统也可作成分式，由风力发电系统、太阳能电池发电系统、储能系统、能源变换系统、直流母线（或交流母线）及能量管理系统等若干子系统组成，风光互补发电系统可分为直流母线结构及交流母线结构。1. 直流母线结构 如图2.2所示为分布式直流母线控制方式。这种方案的主要优点是：第一，只需对母线电压进行控制，容易满足系统性能要求，控制算法相对容易。第二，由于省去了子系统中的整流部分，因此，系统成本低，易于推广。第三，采用分布式直流母线控制，系统容易扩展，可以满足用电设备和发电设备增加的要求。系统采用直流母线，储能单元分为长期储能单元和短期储能单元。蓄电池是长期储能单元的最佳选择，而短期储能单元采用开关磁阻电机飞轮储能系统。开关磁阻电机具有结构简单、成本低、适合高速运行等特点。利用飞轮储能可以有效地补偿由于风速、光照变化以及负荷变化所引起的母线电压波动，提高系统的稳定性，降低由此而引起的蓄电池的充放电次数。对于系统中的交流用电负荷，采用逆变控制单位集中供电。在实际应用中，为了提高系统的适用性，可以非常方便地利用直线母线进行扩展。例如为了进一步提高系统的可靠性，保证重要用电设备的正常运行，可以在直线母线上加装柴油发电机组，并通过系统控制部分统一进行能量控制。也可以利用DCDC变化器向直流用电设备如无整流模块的变频器进行供电，可以降低系统成本、防止谐波污染。 图2.2分布式风光互补供电系统框图2. 交流母线结构虽然直流母线控制算法简单，成本低，易扩展，但对于独立供电系统和其它任何远离公共电网的供电系统而言，重要的是系统能够进行简单且经济的扩容。交流母线可以将各种类型的发电设备或负载都连接到同一母线系统上。这样，无论增加负荷，还是增加发电设备，系统都能够随意扩容，并且现行设备的成熟性，所以本项目选取交流母线分布式供电系统，交流母线分布式风光互补供电系统如图2.3所示。图中10KW风机。风机控制器、风机逆变器组成的整体为风机机组部分。2KW太阳能电池输出直流，经逆变器转换成交流电，接入AC母线。交流母线可经开关控制接交流负载，或取电网。双向逆变器可以将AC母线上的交流变成直流电向蓄电池充电，储存能量，也可以将蓄电池的48V直流电接直流负载。 图2.3 10KW风机+2KW左右太阳能组成风光互补发电系统示意图2.1.2并网控制系统 风能和光能的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。另外，风力发电好光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。并网控制更太高了供电的可靠性。并网控制系统主要有三种回路形式：工频变压器隔离方式、高频变压器隔离方式和无变压器方式。1. 工频变压器隔离方式这种方式是目前大功率下采用最多的结构，实现了典雅变换和电气隔离，所以安全性能好、可靠性高。但由于采用工频变压器，系统整体比较笨重，而且效率相对低。其结构如图2.4所示。 图2.4工频变压器隔离并网系统 2.高频变压器隔离方式该方式采用了带高频变压器DC-DC变换器，将太阳能电池和风机发出的电压变化为满足并网要求的直流电压，再经过逆变后直接与电网相连。这种系统体积小、重量轻，适合小功率场合。其结构如图2.5所示 图2.5高频变压器隔离并网系统3无变压器方式 该方式首先用无隔离的DC-DC变化器将太阳能电池阵列的直流电压提升到逆变器并网需要的直流电压，再经过逆变与电网相连。这种方式在尺寸、重量和效率方面具有更大的优势，因而在并网系统中成为目前研究的热点和发展趋势。该方式结构如图2.6所示。 图 2.6无变压器并网系统2.2 风光互补发电系统中的功率变换 光伏并网逆变器主要由两部分组成：前级DC-DC变化器和后级DC-AC逆变器。这两部分通过Dcvlink相连接，Dclink的电压为400V。在本系统在中，太阳能电池板输出电压为50V左右，风机整流后输出的额定直流电压为100V-170V，最高时可达400V。为此考虑采用风机逆变器与太阳能逆变器分别逆变。这里侧重太阳能逆变器的介绍，风机逆变器原理与其相似。其DC-DC变化器采用推挽结构，DC-AC部分采用全桥逆变器。控制电路的核心是TMS320F240型DSP，其中DC-DC变化器完成最大功率电跟踪控制(MPPT)功能。DC-AC逆变器将电能转换成220V50HZ的正弦交流电。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频和同相。光伏并网逆变器的结构，如图2.7所示。 图 2.7光伏并网逆变器的结构2.2.1主回路的拓扑结构该系统由前级的DC-DC变化器和后级的DC-AC变化器组成。DC-DC变化器的变化电路可选择的型式有半桥式、全桥式、推挽式。考虑到太阳能电池输入电压较低，如采用半桥式则开关管电流变大，输出电压太低；而采用全桥式则控制复杂、开关管功耗增大，因此这里拟采用推挽式电路。DC-DC变化器由推挽逆变电路、高频变压器、整流电路和滤波电感构成，它将太阳能电池板50V直流电压转换成400V的直流转换成为220V50H工频交流电。 光伏并网逆变器的主回路结构如图2.8所示。 图2.8主回路拓扑图 1.DC-DC变化器由SG3525集成电路为控制核心，SG3525的主要特征和工作原理为： SG3525是在SG3524的基础好改进而来的，它克服了SG3524的不足成为第二代集成电路脉冲宽度调制器。它采用了DIP16封装，外型如图2.9所示。各引脚功能如下：如图2.10所示，1、2引脚分别为互差放大器的反相输入端和同相输入端，3脚位同步输出端，4脚位振荡其输出，5、6脚分别外接内部振荡器的时基电容和电阻，7脚接放电电阻，8脚为软启动，9脚为误差放大器的频率补偿端，10脚为关断控制端，用于实现限流控制，11、14脚为输出端，12脚为接地端，13脚接输出管集电极电源，15脚接SG3525的工作电源，16脚为5.1V基准电压引出端。DC-DC变换器的控制电路是以集成电路SG3525为核心,由SG3525输出的两路30KHZ的驱动信号,经门极驱动电路加在推挽电路开关管的门极上.为保持DC/DC变换器输出电压的稳定,将检测到的输出电压与指令电压进行比较,该误差电压经比例积分调节后控制SG3525输出信号的占空比.该控制电路还具有限制输出电压过流过压的保护功能.当检测到DC/DC变换器输出电流过大时,SG3525将减小门极脉冲的宽度,降低输出电压.当输出电压过高时,会停止DC/DC变换器的工作.由于推挽式电路容易因直流偏磁饱和,因此,推挽式电路的设计难点在于如何防止变压器的磁饱和.在本电路中,除了注意的对称性之外,还设计了磁饱和的检测电路,当流经电路的两个支路电流失衡时,就会启动SG3525的软启动功能,使DC/DC变换器重新启动,变压器得以复位.控制框图如下图2.9所示: 2.9 DC/DC变换器控制框图2.DC-AC 变换DC/AC变换器是光伏并网逆变器的重点和难点,DC/AC变换器控制框图如图2.8所示.核心控制芯片采用了DSP芯片TM20F240.原因是实时处理能力强大,因此可以保证系统由更高的开关工作频率。从下图2.10可以清楚地看出输入和输出信号的情况。2.10 DC/AC控制框图 2.2.2 TMS320F240控制板 1.DSP的基本结构及其特点 为了快速实现数字信号的处理运算，DSP芯片一般都采用了特殊的软硬件结构。这些特殊结构包括（1）哈佛结构；（2）流水线技术；（3）硬件乘法期；（4）特殊的DSP指令。这些特殊结构无论是从内部硬件结构还是从指令上都对数字信号处理做了优化，其目的只是一个，就是为了使DSP能够以更快的速度进行与数字信号处理有关的计算。正是DSP的这种特殊内部硬件结构与指令的配合才使得DSP在进行数字信号处理时表现得相当出众。2.DSP芯片的选择目前，在DSP市场上有许多著名芯片公司的DSP产品，如TI,Lucent，AD，Motorola等，它们在价格、性能及用途等方面往往都有相当大的差别。因此，在选择DSP芯片时必须从价格、性能以及是否适合在目标系统中使用等几个方面进行综合考虑。考虑到美国TI公司的DSP产品在世界DSP市场上占有主导地位，而且在国内，TI公司拥有许多代理商和第三方开发者，他们所提供的TI公司的 DSP产品及开发系统品种较为丰富，且售后服务及技术支持做的都比较好，因此在本次设计中决定选用TI公司的TMS320系列产品。 由于软并网控制器是属于电机控制的范畴，因此，考虑到适用性及价格等发面原因，我们选择了TI公司专门为基于控制的应用而设计的TMS320F240. TMS320F240是TMS320C2000平台中24X系列的第一代产品，属定点DSP，于1998年推出，它将高性能的DSP内核和丰富的微控制器外设功能集于一身，如在TMS320F240内集成有AD转换器、I电路、大容量的片内存储器以及高速串行端口等，从而成为传统的多微处理器单元（MPUA）和昂贵的多片设计的理想替代。TMS320LF2407主要性能有：（1） 晶振为30MHZ时的指令周期为33ns；（2） 可扩展的外部存储器总共为192K；（3） 丰富的片内资源；（4） 有两个事件管理器模块EVA和EVB,每个含两个16位通用定时器和8个16位的I通道：（5） 强大的指令集：（6） 遵循IEEE1149.1标准的片内JTAG仿真逻辑。3.控制结构TMS320F240控制板如图2.15所示。以TM公司的TMS320F240型DSP为核心，外围辅以模拟信号调理电路、CPLD、数码管及DA显示、通信及串行EPROM，完成电压和电流信号的采样、I脉冲的产生、与上位机的通信和故障保护等功能。 图2.11 TMS320F240控制板原理框图2.2.3信号检测电路 模拟信号检测电路的功能是把强电信号转换为DSP可以读取的弱电数字信号，同时要保证强电好弱电的隔离。1. 采样电路的设计在控制部分电路中，光伏电池的输出电压、电流的采样时非常重要的。精确地电压、电流测量值，有助于提高最大功率点跟踪的准确性；而误差较大的电压、电流的测量值则会降低最大功率跟踪电准确性，进而致使系统的功耗增加、效率降低。对蓄电池的输入、输出电压进行采样，以保证蓄电池正常充放电，避免过充、过流的测量电路时，必须采用精度高，可靠性好的电路。 本系统采用霍尔传感器对光伏电池的输出过流、过压、蓄电池的电压采样。用这种方法，检测电路和被测电路是完全隔离的，而且互不影响。图2.12是霍尔器件实现光伏系统的采样示意图，图2.13为电流采样电路。2.12 霍尔传感器采样示意图 2 .13 电流采样电路电流霍尔采样到得变化迅速的电流信号不能直接进行A/D转换，因此需要信号调理电路对信号进行保持发达，如2.14所示： 2.14 信号调理电路 电压采样电路如2.15所示： 2.15 电压采样电路2.隔离电路该电路选用惠普公司