1.1 课题背景
能源一直是人类生存发展的重要基础与保障，对人类文明、经济发展起到了不可或缺的推动作用。长期以来煤炭、石油、天然气等传统化石类一次能源占据了能源消费的主导，目前我国一次能源的生产与消费都超过了 20 亿吨，其中煤炭占一次能源消费达到 63%[1]。随着人类社会的快速发展，现有储备的传统能源已经无法满足人类长期发展的需要[2][3]。根据国际能源机构的预测，到 2050 年，世界石油总开釆量只有现在的 70%，到 2080 年，世界石油总开釆总量仅为目前的 50%，煤炭开采量更是减少到目前的 40%[4][5]。另外传统能源在开采与使用过程中对生态环境造成破坏与污染，增加社会成本。如气候变暖、海平面上升，臭氧层空洞、雾霾等问题，并由此引发一系列生态与社会问题。如何应对能源危机和环境污染问题，寻找清洁的新能源替代传统能源成为世界研关注的热点[6][7]。 新能源分布广泛，可循环利用且储量丰富，主要包括：太阳能、风能、氢能、地热能、生物质能、潮汐能等。随着社会发展，电力需求越来越大，在新能源基础上发展起来的太阳能发电、风力发电、潮汐发电、燃料电池等得到越来越多的关注和发展，为减少传统能源依赖和提升用电可靠性提供了有力支撑[8][9][10]。 太阳能遍布地球各个角落，太阳能发电是一种应用灵活、无污染、取之不尽用之不竭的发电方式。太阳能发电主要分为光热发电和光伏发电，其中光伏发电是目前最广泛应用和最有前景的一种发电方式，其主要是通过晶体硅太阳能电池的光生伏特效应将太阳能转变为电能。图1.1 显示了 2007 年到 2014 年全球新增光伏装机总量[11]，可以看出光伏发电在世界迅猛发展，根据国际能源署的预测，到 2050 年，光伏累计装机总量将达 4600GW，光伏发电量将占全球的16%。光伏发电系统主要有独立运行模式、并网模式和介于二者模式，独立运行模式一般都是直接通过变换器给负载供电，为保证供电的稳定性，供电系统一般都会有一个蓄电池作为后备能源。并网模式通常是通过前级 DC-DC 变换器实现最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，后级通过逆变器把能量输送到电网。
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1.2 新能源联合供电系统介绍
大多数新能源受到环境等因素的影响较大，如光伏发电须有阳光辐射才能工作，风力发电须在有风时才能发电，并且新能源存在能量密度低，供应不稳定的特点，无法满足多数用电系统的需求。为了克服上述不足，可以采用多种能源联合供电系统为负载供电，利用新能源与其他能源或者新能源之间进行互补，获得稳定连续的电能[14]。例如常见的风光互补发电系统是由风力发电和太阳能光伏发电联合起来的发电系统，相互补充供电。另外，为了平衡负载和与新能源之间的功率，保证负载的连续稳定供电，一般会将新能源发电与储能设备或者稳定供电系统联合使用，如蓄电池、燃料电池、发电机、电网等，这样可以保证构成的联合供电系统在最大限度利用新能源的同时稳定为负载供电。由上述可知，新能源联合供电系统就是利用太阳能、风能等新能源与蓄电池、燃料电池、电网联合为负载供电的系统。目前，新能源联合供电系统已经在很多方面得到了应用，比如常见的微电网系统、偏远地区供电、新能源动力汽车、通信基站、服务器、户外风光互补照明系统等，新能源联合供电系统使新能源得到充分利用，从而有效的减小了环境污染，是未来发展的必然趋势。根据联合供电系统的母线电压种类不同，新能源联合供电系统主要被分成基于直流母线、交流母线以及交直流混合母线三种结构。基于直流母线的联合供电系统如图 1.3 所示，系统主要包括电网、直流母线、新能源及对应接口变换器、储能单元及对应接口变换器、负载及对应接口变换器、市电及对应接口变换器。新能源通过相应的接口变换器把能量输到直流母线中，直流母线通过负载接口变换器给直流负载或者交流负载提供电能。电网通过双向 AC-DC 变换器将能量传递到直流母线，在新能源提供能量不足时为直流母线供电，当新能源提供的能量高于负载的能量时可以通过双向 AC-DC 变换器将多余的能量输送到电网。储能单元经双向DC-DC 变换器连接到直流母线，实现对储能单元的能量管理。在电网停电且新能源能量小于负载时，由储能单元提供不足的能量。
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第二章 光伏市电联合供电系统结构及控制
2.1 光伏市电联合供电系统结构
本文在有市电场合下，将光伏电池与市电联合起来构成基于直流母线结构的光伏市电联合供电系统，其结构如图 2.1 所示。整个联合供电系统主要包括市电、太阳能光伏电池、市电接口 AC-DC 变换器、光伏接口 DC-DC 变换器、直流母线、负载接口变换器、负载、控制器等。DC-DC 变换器连接了太阳能光伏电池与直流母线，实现了对光伏电池的升压与最大功率跟踪。单相 AC-DC 变换器连接了市电与直流母线，控制母线电压并实现功率因数矫正。该变换可以实现能量双向流动，当太阳能光伏电池提供的能量大于负载需求时，该变换器将多余的能量逆变并网，从而最大限度利用太阳能。由于本文单相 AC-DC 变换器选用单相 PWM(Pulse Width Modulation) 整流器，因此直流母线电压需要高于市电峰值，本文直流母线电压范围设计为350V~450V。直流母线后级可以接交流或者直流负载，本文在直流母线后接一个 DC-DC 降压变换器，输出电压 48V，可以应用在通信、数据中心供电等场合。
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2.2 光伏市电联合供电系统变换器
常用的 DC-DC 变换器有 Buck、Boost、Buck-Boost、正激、反激、半桥、推挽、移相全桥、LLC 谐振变换器等。由于单块太阳能电池板最大功率点输出电压在 30~40V，故需要选择升压类变换器。其中 Boost 电路简单，控制方便，但本文光的伏市电联合供电系统直流母线电压为400V 左右，因此 Boost 占空比需达到 0.9，导致单级 Boost 电路较难设计。Buck-Boost 变换器同样也不适合，正激、反激变换器一般只适合小功率场合。推挽变换器虽然适合大功率场合，但是由于其电路不可能完全对称，故存在变压器磁平衡问题以及软开关困难等缺点。所以移相全桥、LLC 谐振变换器更适合用于本系统，相对于 PWM 变换器而言谐振变换器算是另一类变换器，它利用电路谐振原理，在电压或者电流谐振到零时开通或者关断，从而实现了软开关。因谐振变换器有开关损耗小、噪声低等特点，目前在高频或者高效率变换器领域受到了越来越多的青睐[33]。LLC 变换器整合了串联谐振和并联谐振变换器的特点，具有带空载的能力并且能量循环相对减小，轻载效率得以提升[43]。LLC 谐振变换器可以实现升压也可以降压，在本系统中升压比达到 10，对变压器设计不利，因此本文选用两级式结构变换器 Boost-LLC，如图 2.2所示。Boost-LLC 变换器结合了 Boost 与 LLC 变换器各自的优点，前级 Boost 输入电流连续，实现初步升压，同时实现太阳能电池板的 MPPT 功能，后级全桥 LLC 变换器工作在效率较高的谐振点处。
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第三章 1KW 光伏市电联合供电系统设计及损耗模型建立 ....... 20
3.1 引言 ........... 20
3.2 光伏市电联合供电系统主电路参数设计.... 21
3.3 光伏市电联合供电系统损耗分析 ..... 28
3.4 本章小结 .... 43
第四章 光伏市电联合供电系统变母线电压效率优化方法......... 44
4.1 引言 ........... 44
4.2 系统效率随直流母线电压变化分析........... 44
4.3 系统在线效率优化方法 .......... 45
4.4 系统离效率线优化方法 .......... 49
.5 本章小结 .... 51
第五章 光伏市电联合供电系统仿真与实验验证..... 52
5.1 系统仿真验证 ...... 52
5.2 系统实验验证 ...... 57
5.3 本章小结 .... 64
第五章 光伏市电联合供电系统仿真与实验验证
5.1 系统仿真验证
为验证本文光伏市电联合供电系统的可行性以及能量管理策略的有效性，在 MATLAB 软件中利用 Simulink 搭建系统仿真平台进行仿真验证，利用 S-function 模块在 MATLAB 里编写程序控制系统运行，通过 S-function 模块控制系统和实际 DSP 控制结果更相近。 光伏市电联合供电系统仿真模型如图 5.1(a)所示，包括 Boost-LLC 变换器、单相 PWM 整流器、半桥 LLC 变换器、直流母线、负载、市电、光伏电池。Boost-LLC 变换器仿真模型如图5.1(b)所示，太阳能电池由搭建的太阳能电池模型控制可控电流源模块来模拟，通过 S-function模块编写程序实现太阳能电池的 MPPT 控制。单相全桥 PWM 整流器仿真模型如图
