1、課題來源

本課題為“市電與太陽能發電協調控制實現不間斷電源的開發”，來源于生產實際。

 

2、研究的目的和意義

2.1采用不間斷系統的意義

不間斷供電系統是在市電不正常或發生中斷事故時，能向重要負載繼續提供符合要求的交流電，從而保證重要負載能連續不斷的正常工作的供電系統。眾所周知，一切工業設備、通信裝置、科研設施，都必須直接或間接使用交流50HZ的電源。隨著科技的發展，各個生產環節的工藝流程都處在現代化的高效率、高質量狀況下，在這種情況下，對供電電源的質量和可靠性就有更嚴格的要求。供電中斷的情況是不允許的，有時即使是短暫停電，就有可能造成人員和設備的重大事故，甚至是不堪設想的后果。

采用不間斷供電系統后與常規的以多路市電供電系統的不同之處，在于遇到各種停電事故時，具有較高的停電連接能力，可以做到安全不中斷或只有微秒級的中斷。這樣對重要負載的供電就不會產生任何影響。在進一步的不間斷電源組合后，可以達到不間斷的為重要負載提供符合要求的電源。保證了生產流程安全的進行生產，減少因停電而產生的直接經濟損失。在一定程度上保證了電力系統的安全、穩定、經濟的運行。

不間斷供電系統之所以具有不間斷供電的性能，是因為UPS中除了包含有市電之外，還有一個或多個儲能環節和能量的變換裝置，能在市電不正常或中斷時，依靠這些儲能和能量交換裝置，實現不間斷供電要求。而太陽能就是一種很好的儲能方法。

2.2利用太陽能發電的意義

根據目前太陽產生的核能速率估算，氫的儲能量足夠維持600億年，而地球內部組織因熱核反應聚合成氦，它的壽命約為50億年，一次從這種意義上講可以說太陽能的能量是取之不盡、用之不竭的。在石油、天然氣和核礦藏終將枯竭的今天，充分利用太陽能顯然具有維持功能和環保雙重偉大意義。“到處陽光到處電”的美好愿望終將伴隨著人們對綠色能源的追求而實現。

太陽能光伏發電系統是通過太陽能電池將太陽光輻射能轉換為電能的發電系統。太陽能發電并網是必然的趨勢，利用太陽能在白天發電并儲存起來，在晚上使用白天儲存的電。這樣既達到環保的目的有達到了節約能源的目的。

 

3、國內外的研究現狀和發展趨勢

3.1世界太陽能發電的現狀及趨勢

太陽能光伏產業是世界發展速度最快的行業之一。為實現能源和環境的可持續發展，世界各國均將太陽能光伏發電作為新能源與可再生能源發展的重點。在各國政府的大力支持下，世界太陽能光伏產業發展迅猛。2007年世界太陽能電池年產量帶到3733MW,交2006年的2473.8MW，增長1259.2MW,增幅高達50.9%。截止到2007年底世界太陽能電池累計安裝量達到12300MW。2007年世界太陽能電池產量的排名為：日本 920MW，居第一位；中國821MW，居第二位；德國810MW，居第三位；中國臺灣地區368MW，居第四位；美國266，居第五位。世界太陽能光伏發電應用市場在近年來，呈現一些突出的特點，如：發電在能源構成中的替代功能大為增加，并網太陽能光伏發電的應用比例快速增長已成為光伏技術的主流應用、光伏發電的主導市場。

同時，晶體硅光伏電池技術將持續進步，研發薄膜光伏電池技術加快了。晶體硅光伏電池的進步主要體現在電池效率不斷提高電池硅片的厚度持續下降，電池生產廠的單廠生產規模不斷擴大；而在薄膜光伏電池研發取得新的發展，并積極推進生產線和示范項目的建設。由于近年來薄膜電池的研發工作一直受到重視，積極進行，取得了許多新的進展。2007年薄膜電池在太陽能電池世界總量中的比重上升為9.367%。到2010年，全世界65家薄膜光伏電池生產廠規劃形成4000MW薄膜光伏電池的產能。

實際上，影響太陽能光伏發電進入大規模商業應用的主要障礙，是光伏電池和組件的生產成本過高，致使光伏發電的廢電成本比火力發電的廢電成本高8～10倍。幾十年來，在技術進步和生產規模擴大等因素的推動與領導下，光伏組件的成本大幅度下降，從20世紀60年代第一個地面用光伏組件售價1500美元/wp，到2009年，世界光伏組件售價2.5美元/wp。如果技術上有重大突破，組件價格的降低速率會加大。光伏產業和技術的發展促進了光伏組件成本的下降，從而導致了光伏發電成本的下降；2006年世界光伏發電成本為0.25美元/（kw*h）,2010年將為0.14美元/（kw*h）。

對應對日益逼近的石化能源資源逐步走向枯竭，保護人類賴以生存的地球的生態環境；各國都制定并實施一系列鼓勵政策，積極扶持可再生能源，特別是光伏發電及風力發電和生物質發電的發展，并制定了各自的光伏發展路線圖。世界太陽能光伏發電裝機預測目標是：2010年裝機總量達到14GW，其中日本，4.8GW；歐洲，3.0GW；美國，3.0GW；中國，0.25GW；其他，2.95GW；2020年裝機總量達到200GW，其中，日本，30GW；歐洲，14GW；美國，36GW；中國，1.6GW；其他，91.40GW。根據歐盟委員會聯合研究中心（JRC）的預測，到2030年可再生能源將在世界能源結構中占到30%以上，太陽能光伏發電將在世界供應總量中占到20%以上；到21世紀末可再生能源將在世界能源結構中占到80%以上，太陽能發電將在世界電力供應總量中占到60%以上。

3.2不間斷電源的技術發展動態

UPS的中文意思為“不間斷電源”．是英語“Uninterruptible Power Supply”的縮寫。主要起到兩個作用：一是應急使用．防止突然斷電而影響正常工作：二是消除市電上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，改善電源質量，為計算機系統及其他設備提供高質量的電源。隨著技術的發展，除了UPS 的種類增加外．高性能、高效率、小型輕量化和智能監控也越來越成為各類不間斷電源追求的目標，目前UPS 技術的發展方向主要有：

(1)采用高頻軟開關技術。軟開關技術減小器件應力和發熱，提高了工作效率；器件開關頻率的提高使動態響應、波形質量等指標大幅度提高的同時也使得裝置的體積和重量大大減小。

(2)采用PFC 功率因數校正技術，將UPS輸入功率因數提高到相當理想的程度。降低對電網的諧波污染。

(3)電源系統的模塊化設計，可提高系統的靈活性，使電源系統的體積、重量大為降低，且系統可方便的采用冗余設計，提高系統的可靠性。

(4)采用高檔微處理器和數字信號處理器的數字化控制。數字控制系統集成度高，且具有很強的數據、邏輯運算能力，可以實現一些復雜的先進算法和智能算法。還具有良好的自我診斷功能．能迅速地排除故障，提高其可靠性。

隨著計算機網絡技術和通信技術的迅猛發展而帶動起來的信息產業，對UPS不斷提出更高要求。UPS 發展到今天，幾乎涉及了當代所有電子技術和信息技術。它不再是電源的一個可有可無的后備裝置． 而是成為Internet上不可缺少的部件。隨著用戶要求的日益提高，高新技術的進一步推動，UPS 也將有更加廣闊的應用前景。

 

4、研究的主要內容及設計成果的應用價值

4.1研究的主要內容

本課題是構建一個市電與太陽能發電協調控制的不間斷供電系統。該系統首先通過光電池將太陽能轉化為電能，再通過充電控制器控制對蓄電池進行充電，到晚上時利用逆變器把蓄電池里的直流電逆變成交流電，再并入電網；利用不間斷電源的控制系統的控制市電與太陽能對負載供電；可以實現白天和夜晚的不間斷供電，保證了供電的連續性和穩定性。白天時太陽能轉換成光能儲存，晚上使用，當能量達到下限時轉市電；若白天市電故障自動切換到太陽能，當能量達到下限時報警。

需要研究光電轉換效率，變頻技術，變頻控制技術，逆變器逆變技術，逆變控制技術，不間斷電源的控制技術，進行光伏陣列的最大功率點跟蹤所采用的算法的選取，以及多功能光伏并網發展技術等問題。

4.2設計成果的應用價值

太陽能是一種取之不盡，用之不竭的環保型能源，不間斷電源可以消除市電上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，本課題的設計成果可以保證負載的正常供電，也可以減輕能源缺乏和環境問題帶來的影響。

 

5、工作的主要階段、進度

（1）2009年秋季學期第十一周

接受畢業設計任務書，學習畢業設計（論文）要求及有關規定。

（2）2009年秋季學期第十二周

收集《變頻器直流型專用不間斷電源的開發與應用》、《電力電子技術》、《變頻器基礎及應用》、《通用變頻器應用技術》、《變頻調速系統設計與應用》《一種聚光型太陽能光伏系統的研究》、《多功能光伏并網發展技術研究》、《太陽能光伏發電及其應用》、《太陽能利用技術》、《具有最大功率點跟蹤功能的戶用光伏充電系統的研究》、《新能源發電技術》、《太陽能光伏發電技術》、《Vision of The Future of The Photovoltaic Industry in JAPAN 》、《幾種特殊輸電方式的分析比較和展望》、《太陽能光伏發電實用技術》、《電力電子應用技術》、《GRAWAL POWER ELECTRONIC SYSTEMS—THEORY AND DESIGN》等資料。整理主要是有關太陽能發電、不間斷電源的資料。

（3）2009年秋季學期第十三周-第二十周

閱讀《變頻器直流型專用不間斷電源的開發與應用》、《電力電子技術》、《變頻器基礎及應用》、《通用變頻器應用技術》、《變頻調速系統設計與應用》《一種聚光型太陽能光伏系統的研究》、《多功能光伏并網發展技術研究》、《太陽能光伏發電及其應用》、《太陽能利用技術》、《具有最大功率點跟蹤功能的戶用光伏充電系統的研究》、《新能源發電技術》、《太陽能光伏發電技術》、《Vision of The Future of The Photovoltaic Industry in JAPAN》、《幾種特殊輸電方式的分析比較和展望》、《太陽能光伏發電實用技術》、《電力電子應用技術》、《A GRAWAL POWER ELECTRONIC SYSTEMS—THEORY AND DESIGN》，完成開題報告、外文翻譯任務。大概了解太陽能發電、逆變器原理、不間斷供電電源原理。

（4）2009年秋季學期第二十一周

 上交開題報告、外文翻譯，交指導教師批閱。

（5）2010年春季學期第一周～五周

     閱讀、理解、整理《變頻器直流型專用不間斷電源的開發與應用》、《電力電子技術》、《變頻器基礎及應用》、《通用變頻器應用技術》、《變頻調速系統設計與應用》《一種聚光型太陽能光伏系統的研究》、《多功能光伏并網發展技術研究》、《太陽能光伏發電及其應用》、《太陽能利用技術》、《具有最大功率點跟蹤功能的戶用光伏充電系統的研究》、《新能源發電技術》、《太陽能光伏發電技術》、《Vision of The Future of The Photovoltaic Industry in JAPAN》、《幾種特殊輸電方式的分析比較和展望》、《太陽能光伏發電實用技術》、《電力電子應用技術》、《A GRAWAL POWER ELECTRONIC SYSTEMS—THEORY AND DESIGN》等資料，并存入電子文檔。理解太陽能發電、逆變器原理、不間斷供電電源原理。理清設計思路，進行設計。

（6）2010年春季學期第六周～第十一周

     完成設計初稿。

（7）2010年春季學期第十二周

     修改完善設計，完成設計正稿。全部成果上交；指導教師批閱、評閱。

（8）2010年春季學期第十三周

     畢業答辯。

 

6、最終目標及完成時間

完成太陽能與電能之間的轉化，并利用充電控制器控制對蓄電池進行充電，到晚上時利用逆變器把蓄電池里的直流電逆變成交流電，再并入電網，實現白天和夜晚的不間斷供電。達到白天時太陽能轉換成光能儲存，晚上使用，當能量達到下限時轉市電；若白天市電故障自動切換到太陽能，當能量達到下限時報警的目標；保證了供電的連續性和穩定性。另外，可達到減輕能源缺乏和環境問題。

完成時間：2010年春季學期第十二周

 

7、現有的條件和必須采取的措施

現有光電池、變頻器、逆變器、不間斷電源以及微機等設備，可以完成市電與太陽能發電協調控制實現不間斷電源的研究與設計。在設計中必須采取理論研究與實驗相結合的措施。

 

8、協助單位及要解決的主要問題

本課題的完成應解決太陽能與電能之間轉化與儲存，太陽能與市電的切換實現不間斷供電的技術問題，同時，需要得到老師和校實驗室的大力支持和幫助。