直流变压器在并网光伏发电系统中的应用研究.docx

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1、本科毕业论文论文题目：直流变压器在并网光伏发电系统中的应用研究当今社会，人们对能源的需求量增加，传统不可再生能源已经无法满足需求，于是开始需要发展新型能源，太阳能作为其中的代表，对绿色发展有着重要意义。在太阳能转换为电能然后，就需要并入电网，在并网过程中，有一重要组成部分：变压器，其可以改变光伏系统发出电流的电压，让电流安全高效并入电网。随着光伏系统发展，传统变压器已不能满足需求，而新型直流变压器在不断更新换代的过程中,不断优化,在很多方面可以已经完美替代传统变压器。面对目前的新式变压器，本文将选出其中具有代表性的一部分，对其优劣性进行介绍，并与传统变压器做出对比，让人们在选择变压器时能更好做

2、出判断，选择出最适合自己的变压器。本文也讲述了并网系统的组成部分，并详细介绍直流变压器在其中的作用，直流变压器的分类、原理、特点及使用注意事项，来对变压器的使用和维护做出参考。最后将通过仿真模拟低压直流电转换为高压直流电过程，观察模拟结果图像，得出结论。通过仿真，以DAB拓扑设计了并网系统中的直流变压器运行过程，利用受控直流电压源模拟光伏阵列，发出50-100V的电流，通过直流变压器，变压至380V。输出电流为2.62A,得到输出功率为IkW,符合设计要求。此设计说明了直流变压器的运行过程，直观展示了直流变压器在光伏并网系统中的作用，证明了并网系统需要通过直流变压器改变电压，让电流安全、高效的

3、并入电网，以供使用。关键字：光伏发电；并网系统；直流变压器；仿真论文类型：工程设计AbstractIntodayssociety,people,sdemandforenergyisincreasing,andtraditionalnon-renewableenergycannolongermeetthedemand.Therefore,newenergyisneededtodevelop.Solarenergy,asarepresentativeofit,isofgreatsignificanceforgreendevelopment.Whenthesolarenergyisconverted

4、intoelectricity,itneedstobefedintothegrid.Animportantpartofthegridconnectionprocessisthetransformer,whichcanchangethevoltageatwhichthephotovoltaicsystemsendsthecurrent,allowingittobefedintothegridsafelyandefficiently.Withthedevelopmentofphotovoltaicsystem,thetraditionaltransformercannolongermeetthed

5、emand,andthenewDCtransformerintheprocessofcontinuousupgrading,continuousoptimization,inmanyaspectscanhavetheperfectreplacementofthetraditionaltransformer.Inthefaceofthecurrentnewtransformer,thispaperwillselectarepresentativepartoftheadvantagesanddisadvantagesoftheintroduction,andmakeacomparisonwitht

6、hetraditionaltransformer,sothatpeoplecanmakeabetterjudgmentintheselectionoftransformers,choosethemostsuitablefortheirowntransformer.Thispaperalsodescribesthecomponentsofthegrid-connectedsystem,anddescribesindetailtheroleofDCtransformer,DCtransformerclassification,principle,characteristicsandusepreca

7、utions,tomakereferencetotheuseandmaintenanceoftransfonners.Finally,theprocessofconvertinglowvoltagedirectcurrentintohighvoltagedirectcurrentissimulatedandthesimulationresultsareobserved.Throughsimulation,theoperationprocessofDCtransformeringrid-connectedsystemisdesignedwithDABtopology.ThecontrolledD

8、Cvoltagesourceisusedtosimulatephotovoltaicarray,andthecurrentof50-100Vissentout,whichpassesthroughtheDCtransformerandchangesvoltageto380V.Theoutputcurrentis2.62A,andtheoutputpowerisIkW,whichmeetsthedesignrequirements.ThisdesignillustratestheoperationprocessofDCtransformer,intuitivelyshowstheroleofDC

9、transformerinphotovoltaicgrid-connectedsystem,andprovesthatthegrid-connectedsystemneedstochangethevoltagethroughDCtransformer,sothatthecurrentissafelyandefficientlyintegratedintothegridforuse.Keywords:photovoltaicpowergeneration;Grid-connectedsystem;Dctransformer；simulation摘要IAbstract错误!未定义书签。目录III1

10、绪论11.1 本课题的研究背景及意义11.2 直流变压器结构11.3 直流变压器分类21.4 直流变压器的原理与功能31.5 小结42光伏系统中的直流变压器简介52.1 光伏系统中直流变压器特点52.2 并网系统中的直流变压器工作原理62.3 并网系统中变压器的要求72.4 系统可能遇见的故障及改进策略82.5 小结93并网光伏系统中的直流变压器应用仿真113.1 并网光伏系统组成113.2 并网系统中的直流变压器仿真原理113.2.1 仿真受控直流电压源部分123.2.2 仿真主电路部分133.2.3 仿真控制部分143.3 仿真结果及分析183.3.1 仿真输入输出电压183.3.2 仿真

11、输出电流20333仿真输出功率21334仿真结果分析214结论与展望224.1 结论224.2 展望22参考文献24致谢25附录仿真系统原理图261绪论1.1 本课题的研究背景及意义近年来，随着人类社会对电力需求的不断增加和石化能源的枯竭，可再生能源的利用变得越来越重要。2020年9月，习近平总书记在联合国大会纪念世界环境与发展大会开幕式上发表了题为人与自然和谐共生的绿色发展之路的致辞，其中指出，我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。进入21世纪，世界各国对太阳能的开发与利用取得了巨大的进展。然而，由于光伏发电还存在着间歇性、波动性、随机性等特点，如果将光伏阵列直

12、接接入到交流电网中，将会导致无功电压。由于电力系统的相位、频率不一致，且电力系统的供电能力和覆盖范围有限，就会使得远距离输送时有较大的能量损失。相对于传统的交流电网，直流电网具有供电稳定性高、线路成本低、损耗小、无功稳定以及相位同步性好等特点，因此直流电网的发展不断被人们重视。直流变压器在光伏发电的接入、汇集和传输过程中具有重要意义，就使得直流配电网和直流变压器的研究变得越来越重要。与常规的逆变式光伏电站相比，采用直流方式并网，可大幅降低电流的损耗，提高发电效率。然而，由于其独特的架构，使得该系统在故障穿越与保护上仍面临诸多难题，具体表现为：(1)在并网过程中，因具有直流变换级，就会导致系统发

13、生故障穿越时，可能会出现直流母线过电压问题。(2)当系统本身故障穿越时，站侧的距离保护很可能失效，从而就会产生被拒动的危险。(3)在直流故障通过某一过渡电阻时，因系统故障不易察觉，常规直流保护无法有效辨识。为此，本文对相应的原理进行研究，对问题进行分析，认识其出现原因，并对其解决方案提出自己的观点。1.2 直流变压器结构在各种直流变压器中，大多数变压器的结构是相同，即结构分为原边和副边，而原边与副边电路的匹配是多种多样的。在直流变压器中，原边电路有推挽、半桥、全桥等多种方式，副边可以采用半波或全波整流器，还可以采用推挽正激整流器。因此，对直流变压器的拓扑进行研究是非常有意义的。在图1.1中，可

14、以看到直流变压器的经典代表：双向半桥直流变压器。图1.l双向半桥直流变压器基本电路1.3 直流变压器分类对直流变压器分类的方式很多，若按变压器的高压侧与低压侧的比值，可将直流变压器分为高压、中压、低压变压器，如表1.2所示。若按两侧是否进行电气隔离以及其拓扑结构，可分为隔离型直流变压器和非隔离型直流变压器。如表1.3所示。表1.2直流变压器根据电压变比归类直流变压器分类变比低变比k1.5中变比1.5k0nDelay1OnDelay2以及OnDelay3。而系统中的NoT、Delay、P和f(u)共同构成移相系统对副边进行移相来实现闭环控制。系统中的滤波系统构造图见图3.6,OnDeIay构造见

15、图3.7。i=Ax+y=C+DmOut图3.6系统滤波系统图3.7OnDelay构造图在OndeIay中核心部分主要是开通延时模块(ONDelay)和关闭延时模块(OFFDelay),开通延时模块构造图见图3.8,关闭延时模块构造图见图3.9。DeIay模块是一种基本的时间延迟模块，它可以将输入信号延迟一定的时间后输出。DeIay模块可以用于模拟延迟、存储、缓存等功能。在SimUlink中，Delay模块可以用来模拟系统响应时间，如电路的传递时间。图3.8开通延时模块构造图图3.9关闭延时模块构造图而在开通延时模块和关闭延时模块中的主要组成是：边缘检测器(EdgeDetector),主要用于边

16、缘检测,以离散型的差分算子运算图像亮度函数的梯度的近似值。见图3.10和采样保持电路(SamPleandHOld)见图3.11,主要用来把上一个点的采样值保持到下一个点。图3.10边缘检测器(EdgeDetector)OnIndTKjD图3.11采样保持电路(SamPIeandHold)其中，边缘检测器的组成是上升脉冲(POSitiVeEdge)和下降脉冲(NegaIiVeEdge),上升脉冲结构见图3.12,下降脉冲结构见图3.13。其主要作用是让电路在开通和关闭的一瞬间输出信号，发生动作。回3.3 仿真结果及分析3.3.1 仿真输入输出电压通过示波器可以观察到开关管电压达到0之后驱动波形才

17、达到高电平，开关管才开始导通，实现了零电压开通的软开关效果。开关管驱动与两端电压波形如图3.14所示,其中上下分别表示开关管驱动波形和开关管两端电压波形。S00610200610300610400610600610600610700610800610时间/s千死修T=O100图3.14开关管驱动两端电压波形。示波器显示系统在0-0.05s输入电压为50V,0.05S时输入电压阶跃突变到100V。其中输入电压波形如图3.15所示。此显示展示了仿真系统的输入电压，主要模拟实际情况中照光伏阵列的输出，可按照需求调节。时间/s-005OMOOT000009Ql图315输入电压波形/S图3.16输出电压

18、波形：系统在0-0.05s输入电压为50V,输出电压经过调节最终稳定在380V与设定值一致，0.05s时输入电压突增，输出电压略微上升，经过调节最终仍然稳定在380V。可见在50-1(X)V输入电压范围内输出电压均可稳定在设定值380V。输出电压波形如图3.16所示。若将示波器显示结果放大，即可观察到输出电压纹波，电压纹波约为0.22V,输出电压波纹如图3.17所示。在380V的电路中，波纹较小，由此可以说明所使用DAB系统的优良性能。时间/s图3.17输出电压纹波3.3.2 仿真输出电流根据示波器显示输出电流波形图可知,输出电流约为2.62A。输出电流波形如图3.18所示。符合实验设计预期目

19、标。时间/s1二A00901*笈4TRIg图3.18输出电流波形3.3.3 仿真输出功率根据最终输出功率波形显示输出功率为IkW满足设计要求。可以说明模拟仿真实验成功，可以在实验条件下升压满足并网要求。输出功率波形图如图3.19所示。图3.19输出功率波形3.3.4 仿真结果分析在仿真中，利用变压器将50V电压升压至380V,又根据示波器结果放大后观察电压波纹，变化较小，说明变压后的电流输出稳定，符合并网要求。且在电流按照预定值2.62A情况下输出功率1kW,符合预期目标，展示了直流变压器在并网光伏系统中的作用，证明了其重要性。4结论与展望4.1 结论在文中的仿真过程中通过Simulink搭建

20、光伏并网系统中的直流变压器，因为在光伏系统中，光伏阵列所发的电往往电压较低，不能满足并网要求，就需要通过升压电路升压来满足并网要求。在仿真过程中采用DAB拓扑将输入的低压直流电升压为满足单相并网要求的高压直流电。在仿真过程中使用受控直流电压源来充当输入电压源，使用双有源全桥拓扑结构不仅能实现输入与输出间的电气隔离，并且还能实现开关管零电压开通。在仿真中用设定的380V减去实际值得到电压误差，并通过误差得到移相比，然后对副边移相实现闭环控制。对于仿真结果，通过观察示波器，可以得到开关管驱动与两端电压波形，输入输出电流与电压波形，以及输出功率波形。最终得到输出功率为IkW,满足设计要求，说明实验仿

21、真设计成功，直流变压器满足并网系统。虽然仿真模拟的为理想情况，与实际应用过程可能略有不同，但面对真实情况做出相应合理的调整，就可投入到实际的应用生产中去。在并网过程中，可能会遇到各种问题，需要合理调整电路，及时对电路进行闭锁，又要合理规避死区电压对电路造成的损害等等，实际遇到的情况可能比实验过程中遇到的问题更多，就需要对电路进行合理的保护，比如使用隔离型DC-DC变换器以及使用电容滤波方案。在光伏并网过程中，直流变压器应该具备故障隔离能力，来避免故障扩散引起的系统解列。若在工作中遇到严重故障，则需首先保证设备及自身安全，然后在考虑尽快恢复供电。在电网运行过程中可能遇见各种问题，只有清楚理解其工

22、作原理，才会在面临问题时做出最合理的解决方式。4.2 展望人类发展几千年来，对于能源的需求从未停止，从最开始的柴薪能源到后来的一次不可再生能源再到现在的可再生清洁能源，能源的开发和使用也在侧面反映人类的科技发展阶段。如今，环境污染日益严重，绿色发展不断被带入到生活的方方面面，发展使用绿色能源势在必行。太阳能作为新型能源的代表，拥有其他新型能源所不具备的优势，它含量高，几乎无污染，不会对周围环境产生噪音以及可以使用周围零碎空间等等，太阳能发展潜力巨大。随着太阳能的不断发展，将会对并网系统产生前所未有的机遇和挑战，现有的技术终有一天将会落后于时代，因此只有跟随时代不断发展，不断更新换代才能满足人们

23、不断提高的需求。作为光伏并网系统中的重要元件，直流变压器发展飞快，目前己经出现多种新型号的直流变压器，可以完美取代传统的变压器，并且各种型号的变压器可在不同场景解决不同问题，以满足人们的各种需求。目前主流的变压器基本原理和结构相同，都是通过电磁感应原理工作，通过两组线圈工作，初级线圈产生磁场，然后次级线圈产生电动势以此完成变压，并通过调节初级线圈和次级线圈的匝数比来控制变压后电压大小。而除了基本原理相同，现有变压器又在细节方面不同，比如隔离型直流变压器和非隔离型直流变压器，它们拓扑结构不同，于是存在各种不同的优缺点，可适用于不同场景。这种例子还有很多，因为需求不同，所以发明的产品不同，找出适合

24、自己的才是挑选变压器的首要目标。直流变压器将会随着科技发展不断优化，但其基本原理永远不会变化，在未来，直流变压器仍有很大的发展空间，了解其工作原理以及正确使用方法，将会迎来巨大机遇。参考文献1王利宁,苏义脑,陆亚晨,等.实现碳中和目标的路径与对策J.石油科技论坛,2022,41(1):63-70.宋国恺.中国落实碳达峰、碳中和目标的行动主体及实现措施J.城市与环境研究,2021(4):47-60.3王启同,张兆云,孙裾,王星华.直流变压器研究综述J.湖北电力,2020,44(06):18-26.4奚鑫泽,徐志,高尚.直流变压器光伏中压并网故障运行特性研究J.电力科学与技术学报,2020,35(05):89-95.5赵海林.光伏发电系统经MMC并网控制策略的研究D.北京交通大学,2022.6李思雨.光伏并网发电系统下变压器故障特性及差动保护研究D.东北电力大学,2021.庞晓霞,熊小俊.光伏并网技术要点浅析与应用探讨J智能建筑电气技术,2022,16(04):46-49