5KW光伏并网发电系统的设计及其控制系统的研究_硕士学位论文.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 5kw光伏并网发电系统的设计及其控制系统的研究 姓名：廖红伟 申请学位级别：硕士 专业：控制科学与工程；系统工程 指导教师：林永君 2011-03 华北电力大学硕士学位论文 i 摘 要 论文主要完成了 5kw 光伏并网发电系统的设计工作， 并提出了一种光伏并网中 孤岛效应的检测方法，设计了基于模糊控制的最大功率跟踪算法的仿真，设计了双 闭环电流电压结合 svpwm 算法在逆变侧的仿真。 (1)首先介绍了光伏发电产生的背 景和国内外发展现状。能源危机和环境危机对世界的影响日益严重，寻找绿色能源 代替传统化石能源是唯一的解决方法。在这种条件下，世界上最清洁，储量最丰富， 有很大开发前景的太阳能得到了大力发展。(2)然后设计了 5kw 光伏并网发电系统， 并成功实现并网发电。研究了热斑效应的成因，并结合本项目中可能会出现得热斑 进行了综合分析。对初步选址地址进行了阴影测试，最终选定了符合搭建条件的地 址。设计了符合搭建的建设方案，并设计了电气线路图。(3)再然后设计了基于模糊 控制的最大功率跟踪算法，并在 matlab 中搭建了仿真模型并进行了仿真。学习 了现有的一些最大功率跟踪算法，重点学习了模糊控制在最大功率算法中的应用， 搭建了仿真模型，并通过仿真图可以看到设计的模糊控制器在最大功率跟踪中取得 了良好的效果。 (4)最后设计了双闭环电压电流控制结合 svpwm 在逆变侧的仿真模 型。 深入的学习了 svpwm 的算法设计了双闭环电压电流控制结合 svpwm 算法的 仿真模型，得到了良好的仿真结果。 关键字：孤岛检测；最大功率跟踪算法；模糊控制 华北电力大学硕士学位论文 ii abstract this article design 5kw photovoltaic grid-connected generation system. a method of islanding detection is proposed and a simulation study of mppt strategy of photovoltaic grid-connected generation system based on fuzzy control is designed. a simulation study of double closed loop control with svpwm algorithm is designed. first, the background of photovoltaic grid-connected generation system and development status at home and abroad are introduced. seeking green energy to instead of traditional fossil energy sources is the only solution of energy crisis and environmental pollution. under these conditions, the worlds cleanest, most abundant, with great development prospects for the development of solar energy has been energetically . second, 5kw photovoltaic grid-connected generation system is design and it is successful achieve the grid system. research of the causes of the hot spot effect is done and the hot spot effect that may happen in the project is comprehensive analysis. shadow testing is done at the preliminary installation place and final installation eligible place is selected. the construction program and electrical circuit is designed. third, a simulation study of mppt strategy of photovoltaic grid-connected generation system is designed that based on fuzzy control. some of the existing maximum power point tracker is learned and the more important research is done on mppt strategy of photovoltaic grid-connected generation system based on fuzzy control and a simulation model is built. the simulation diagrams show that the maximum power tracking fuzzy controller achieved good results. a simulation study of double closed loop control with svpwm algorithm is designed. the simulation diagrams show the double closed loop control with svpwm algorithm achieved good results. keywords: islanding detection; maximum power point tracker; fuzzy control 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文5kw 光伏并网发电系统的设计 及其控制系统的研究 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 5kw 光伏并网发电系统的设计及其控制系统的研究系本人在华北电力大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北 电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北 电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的 复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打“” ） ： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 光伏发电的背景和意义 能源是支撑现代人类活动的动力来源，假如没有了能源人类的各项活动都会陷 入瘫痪状态。现在全世界的人类可以开发利用的能源主要是石油、天然气和煤炭等 化石能源。自从第二次世界大战结束至 2008 年底，世界人口总数从 22.5 亿迅速增 长到 65 亿，随着世界人口的不断快速攀升，地球上的化石能源也开始频频告急1。 这些化石能源的本质上是数万年甚至更久远的来自太阳能辐射到地球上的辐射能 的一部分，最后变成了化石能源。然而经过人类数千年，特别是近些年人类的过度 开采利用，这些化石能源己被消耗了相当大的比例2。与此同时燃烧化石能源会向 大气中排放大量污染性物质，使得气候变暖，臭氧层被破坏。我国的化石能源尤其 是石油和天然气的产量严重不能满足需求，在未来我国对国际能源的依赖性也会越 来越高。但是世界能源价格随着国际局势动荡而波动，我国面临的保障能源供应安 全的形势变得十分严峻。在这样的条件下发展新能源成为唯一可以解决当前能源危 机的可行之路。世界上现有的可以被人类开发和利用的可再生能源主要是水能、地 热能、太阳能和风能。在这些可再生能源中人类已开发利用的部分中太阳能风能只 占到很小部分，而太阳能和风能是新能源中潜在储量最大的能源，因此在未来十五 年之内发展太阳能光伏发电技术和风力发电技术就迫在眉睫3。 在地球上人类所能利用能量的 98.98%最初的来源都是太阳。太阳能是取之不 尽，用之不竭，储量最丰富的可再生能源。自上世纪 70 年代以来，随着能源危机 的爆发，世界各国都投入了大量的人力，物力，财力对太阳能发进行研究，尤其是 西方发达国家更是非常重视光伏发电的研发4。 自从上个世纪 90 年代以来太阳能发 电产业每年都以超过 30%的速度上升。太阳能发电必将在 21 世纪得到长足的发展， 很有希望能够成为 21 世纪后期的主导能源。 1.2 太阳和太阳辐射能 大约每40分钟太阳辐射到地球上的能量就可以满足世界一年的能源需求，每年 辐射到地球上能源总量相当于当前世界发电总量的几十万倍。如果能够充分利用太 阳能将能有力的缓解当前的能源危机和环境危机。 我国地处北半球欧亚大陆的东部，有着十分丰富的太阳能资源。根据中国能 源与可再生能白皮书统计。我国60%以上的地区年日照时数大于2000小时。日辐 华北电力大学硕士学位论文 2 射量在4kwh/m2/天以上， 我国的太阳能资源与同纬度国家相比有着十分优越的条件 5。 图 1-1 中国太阳能分布图 图 1-1 为我国的太阳能分布图。将我国太阳能接受太阳能辐射分为 4 个等级， 分别是：非常丰富地区()6700mj/ m2；丰富地区()5400-6700 mj/ m2；较丰富 地区()4200-5400 mj/ m2；较差地区()4200 mj/ m25。 1.3 国内外光伏发电的发展现状 1.3.1 国外光伏发电现状 世界上的光伏发电产业自上世纪 90 年代后半期开始进入了一个快速发展的新 时期。光伏发电产业发展速度超过 it 产业，成为世界上发展最快的产业之一6。 光伏并网发电方面的研究和应用欧洲开展的比较早，技术也比较成熟。其中德 国在 2000 年率先实施“上网电价”的方法，促进光伏并网发电的发展。该政策的 实施大大拉动了德国的光伏并网发电的发展。使其连续多年光伏发电总量和安装量 居世界首位。 2008 年全球光伏发电装机容量达到了 13gw， 是 2004 年的 6 倍。 2008 年新增容量 5.4gw，其中西班牙年安装达到了 2600mw，一举取代德国成为世界最 大的光伏市场。 德国新增 1500mw 排名第二， 美国新增 310mw， 韩国新增 270mw， 日本新增 240mw 都排在世界前列。 美国、欧洲和日本先后制定了太阳能发展计划，由政府提供部分研究开发资金 和相关的产业扶持政策，推动光伏发电技术和产业的发展。预计2010年世界上制造 光伏电池以及组件其他材料的需求将进一步扩大，达31亿美元，到2015年可达l40 亿美元的市场份额。太阳能电力的需求也将大幅上升，将由58gw增至38gw6。 光伏发电最大功率算法研究方面欧美国家的起步比较早。实际测量法、电压反 华北电力大学硕士学位论文 3 馈法、扰动观察法等一些传统的控制方法应用已成熟。模糊控制、人工神经网络等 先进算法的研究进行的也比较深入。 孤岛方面欧美国家的研究工作也开展的比较早，对孤岛检测方法的研究已 经比较深入，传统的几种方法在实际应用中的技术也比较成熟。现在的研究方 向主要是已有方法的改进和新方法的探索研究。 1.3.2 国内光伏发电现状 我国的光伏发电产业最早起源于上世纪 70 年代。但是在整个 70 年代，光伏发 电的应用领域十分有限，发展十分缓慢，发电功率很小，光伏电池年销售量也不超 过 10kw。90 年代以来，改革开放为光伏发电广泛应用和市场开拓创造了有利的市 场条件，光伏电池的使用量每年以 20%以上的速度递增。经过 30 多年的努力，中 国的光伏发电产业迎来了快速发展的新阶段。 进入 21 世纪以后， 在“光明工程”和“送 电到乡工程”等国家项目推动及世界光伏发电市场飞速发展的有力拉动下，我国光 伏发电产业得到了迅猛发展。2008 年，中国取代日本成为世界上最大的光伏电池生 产国，产量为 1.8gw；其次为德国，产量为 1.3gw；再次为日本，产量为 1.2gw。 对于光伏并网发电方面的应用我国起步比较晚。 2009 江苏省成为我国第一个实 施太阳能电价买回上网的政策的省，仅江苏省 2009 年的市场规模就有望达到 2008 年全国的 2 倍。我国光伏发电预计到 2020 年累计装机容量达到 30gw，发电总量 占到全国发电总量的 1%。2010 年以前，中国的太阳能电池多数是用于独立发电系 统。2011 年以后中国的光伏发电将会转向并网发电系统。 光伏发电最大功率算法方面我国应用的主要还是实际测量法、电压反馈法、扰 动观察法等一些传统的控制方法。这些方法一般简单易于实现，但很难实现精确控 制。 孤岛检测方面的研究开展的也比较晚，孤岛检测的研究也有待深化。应用的主 要有主动检测法有主动频率偏移(active frequency drift，afd)、滑模频率偏移(slip mode frequency shift， sms)和输出功率扰动三种传统的方法。 对一些先进控制算法 大多数还处在理论研究中。 1.4 光伏发电系统的组成及功能 光伏发电系统一般是由光伏电池板、太阳能控制器、逆变器等组成。核心元 件是光伏电池和逆变器。各部件在系统中的作用如下。 (1)光伏电池板：光伏电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电 系统中价值最高的部分。光伏发电中太阳能电池板的主要作用是将太阳的辐射能转 华北电力大学硕士学位论文 4 换为电能，可以输往蓄电池保存起来，可以直接推动负载运行，也可以直接并入电 网。 (2)太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态。由于光伏 电池阵列具有很强的非线性特性， 光伏电池最大功率点跟踪(mppt-maximum power point tracking)是为了保证光伏电池阵列在变化的日照和环境温度下可以保持输出 相应的最大功率。我国目前应用的大多数是简单的控制器，智能型控制器仅用于通 信系统和较大的光伏电站。 (3)逆变器：逆变器的主要功能是交直流转换，这个部件最重要的指标是可靠性 和转换效率。因为在很多场合，需要提供220vac、110vac的交流电。由于太阳能 的直接输出一般都只有12vdc、24vdc、48vdc。为了能向220vac的电器或电网 提供稳定的电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此 需要使用dc-ac逆变器。并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度把太阳能电 池转换出的电能送入电网。 (4)蓄电池：其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需 要的时候再释放出来。由于我国目前没有用于光伏发电系统的专用电池，所以经常 使用的还是铅酸蓄电池。在并网发电系统中可以不用蓄电池，这样既可以极大的减 小成本，又减小对环境的污染。 光伏发电的各组成部分应用连接结构示意图如下图 1-2 所示。 太阳能电池 板 控制器 （mppt） dc/ac逆变 器 交流负荷 电网 蓄电池直流负荷 图1-2 太阳能发电系统构成图 1.5 光伏发电原理 1.5.1 光伏电池光电转换技术简介 光伏电池是由太阳光的光能转换为电能的装置。光伏电池和我们传统概念上的 电池有很大的不同，光伏电池本身只是一个光转换的装置，本身不能储存能量，它 华北电力大学硕士学位论文 5 是利用光伏效应将太阳能转换成电能的器件7。现在常用的光伏电池大多数为半导 体光伏电池。 1.5.2 光伏电池介绍 光伏电池就是一个巨大的p-n结半导体材料， 可以把照在其表面的太阳光照能转 化为电能。其中单晶硅光伏电池研发的最早，晶体硅的形式可以是p型或n型。如果 基底材料为p型，那么把它加热后放在含有n型杂质的蒸汽中，就会在基底上形成一 个带有很薄的n型材料的p-n结，这就是一个n在p上的晶体硅光伏电池的过程，制作 工艺上要求n型要做的非常薄，可以透光。同理也可以得到p在n上的晶体硅太阳能 电池。当前光伏电池主流为硅产品，占90%以上市场份额，其他技术还包括锑化镉、 铜铟镓硒光伏电池等。由于在制造成本、污染控制等方面具优势，硅产品在较长时 期内仍将居主导地位。 1.6 光伏并网发电系统介绍 光辐射能通过光伏电池转换为电能的装置称为光伏发电系统。光伏电池经过串 联后进行封装保护可形成大面积的光伏电池组件，再配合上功率控制器等部件就形 成了光伏发电装置。光伏并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变电源装置组成。 光伏组件能将太阳能转化为直流电能，通过并网逆变电源将直流电能转化为与电网 同频同相的交流电能并入电网。 1.7 光伏发电系统的分类 光伏发电刚刚起步的时候，由于光伏电池板的成本价非常的昂贵，光伏发电大 多用于偏远无电的地区的供电。随着光伏产业的不断进步光伏电池成本的不断下 降，光伏发电得到了大力发展。太阳能己经由“补充能源”的角色被认可为将是下 一代的“替代能源”。并网光伏发电技术是当今世界光伏发电的发展趋势，是光伏 发电技术步入大规模发电阶段，成为电力工业组成部分之一。 目前光伏发电系统可以分为3种：离网型光伏蓄电系统，光伏并网发电系统以 及两者的混合系统。(1)离网型光伏蓄电系统是一种常用的太阳能应用方式，在国内 应用已有若干年。系统比较简单，而且适用性广。但是蓄电池的体积偏大，维护困 难，而且成本较高还会对环境造成污染。这些不利的因素严重制约了其发展。(2) 光伏并网发电系统，当用电负荷较大时，光伏发电系统就向电网购买电力。而当电 力负荷较小或用不完光伏系统所发电力时，就可以把剩余的电力卖给电网公司。有 了电网做后盾支持，系统可以省掉蓄电池，使光伏发电的适用范围和灵活性和方面 华北电力大学硕士学位论文 6 都得到了很大的提高，还降低了成本。(3)两者混合系统就是介于两者之间的系统使 用方案，该系统的实用性很强，但是其造价和运行成本较前两种方案都要高。 1.8 本章小结 本章从分析当前的能源危机和环境危机开始，由于现在应用的常规能源大 多数是非可再生资源，并会对环境带来污染，太阳能是一种清洁无污染且储量 巨大新能源，在未来的几十年中有巨大的发展潜力。介绍了国内外光伏发电的 现状，光伏发电的组成部分和基板原理，并简要分析了光伏发电系统的 3 种基 本工作方式。 华北电力大学硕士学位论文 7 第 2 章 5kw 光伏并网发电系统的设计与搭建 2.1 搭建地的初步选址 光伏并网发电系统搭建项目为湖南省电力公司试研院新能源项目，旨在湖南省 电力公司试研院搭建5kw光伏发电示范项目，推动光伏发电在湖南以及中国的中南 部省份中的应用，并且对并网光伏发电控制系统进行研究和分析。 由于该项目为湖南省电力公司试研院项目所以初步选址要求为试研院内光照 较为充足，尽量避开阴影的遮挡，并且应满足搭建的建筑强度要求的地方。经研究 公司计量楼（9层）顶有较好的光照强度，楼顶也满足光伏发电平台的建筑强度要 求。所以初步选取试研院计量楼顶作为搭建平台。计量楼顶的结构如图2-1所示，侧 视图如图2-2。 图 2-1 湖南省电力公司试验研究院计量楼顶平面布置图 图 2-2 楼顶侧视图 楼顶有效利用净空为长：27000mm，宽：14210mm。整个光伏电池装置长： 15980mm，垂直投影净宽：2043mm。 华北电力大学硕士学位论文 8 2.2 选址过程中热斑效应的防治 2.2.1 热斑的成因和原理 我们所说的热斑效应其实就是指光伏电池组件在阳光照射下，当部分组件受 到遮挡阴影的影响无法正常发电工作，使得被遮盖的部分温度不断升高并远远大于 未被遮盖部分，甚至致使温度过高出现烧坏的暗斑，如下图 2-3 所示。热斑可能导 致整个电池组件损坏，甚至导致整个光伏发电系统因此不能工作。因此研究造成热 斑的原因，因而尽量减小热斑的形成对太阳能发电系统的正常运行非常重要。 图 2-3 光伏电池因热斑效应而损坏 通常电池板温度主要取决于： 日照强度l， 环境温度t， 以及内阻产生的温升 i t 。 电池板温度的计算公式如下： is tlatatt+= 210 (2-1) 其中 0 t、 1 a、 2 a是最小二乘法处理后所得的系数， 与所使用的太阳电池的型号、 安装地点、支架形式等因素都有关系。 此可见，当光伏阵列中太阳能电池污秽物、树叶或其它物体遮挡形成阴影，都 会出现电池板随光照的变化温度明显不同于阵列中那些未被遮挡的部分。当光伏电 池组件中部分电池损坏时，其温度差异将更加明显8。 2.2.2 本项目中可能出现的热斑效应的分析 华北电力大学硕士学位论文 9 由于计量楼（9层）楼顶四周有矮墙，东侧有机房和会议室，西侧有试研院中 央空调的冷却塔，综合分析楼顶特定时间会有阴影挡住光伏电池板，有可能会出现 热斑效应，所以在楼顶具体安装位置的选择上应该尽量减小阴影对电池板的不利影 响，以防止热斑效应影响电池板的使用寿命。 经过连续一周的对楼顶阴影区域的测量发现在本周内每天同一时刻阴影区域 变化不大，综合一周的测量数据绘制出楼顶的阴影区域示意图如图2-4。 线表示左侧部分表示 09：15，右侧部分表示 16：00 的阴影边界 线表示左侧部分表示 08：45，右侧部分表示 16：30 的阴影边界 线表示左侧部分表示 08：15，右侧部分表示 17：00 的阴影边界 线表示左侧部分表示 07：45，右侧部分表示 17：30 的阴影边界 线表示左侧部分表示 07：15，右侧部分表示 18：00 的阴影边界 左侧不同颜色实线的左边部分和黑色边界所围成的区域为上午各个时刻的阴影区域， 右侧 不同颜色实线的右边部分和黑色边界所围成的区域为下午各个时刻的阴影区域。 图2-4 楼顶不同时刻阴影区域图 选择测量时间为当地光照最强的时刻，发生热斑效应的可能性最大的时间，选 择阴影影响最小的区域如图2-5所示。 华北电力大学硕士学位论文 10 图2-5 初步选择安装区域图 经过观察发现所选区域出现阴影一般在早晨07：45以前和晚上17：00以后，此 时楼顶光照强度不是很强。而且这时的阴影移动速度很快(每分钟至少移动几厘米) 不会在固定的光伏电池板上产生长时间的阴影。所以在以上区域不会因“热斑”的 影响损坏组件，对太阳能电池板的寿命不会产生较大影响。 2.3 光伏电池具体搭建设计 太阳能电池准备搭建为三行十列，试验装置采用支架结构，太阳能组件在长度 方向上与楼宇顶部南墙平行摆放。太阳能组件面板正面与地面夹角倾斜34度朝南 墙。光伏电池的具体工程施工搭建方案如图2-6所示，电气线路图安装图如图2-7所 示。 (a) 光伏电池板安装总体示意图 南 东 14210mm 15980mm 2043m 2500mm 5510mm 27000mm 华北电力大学硕士学位论文 11 (b) 搭建具体结构示意图 (c) 搭建施工示意图 图 2-6 太阳能发点平台具体搭建图 南墙 楼顶 300mm 200mm 200mm 300mm 2500mm 808mm 2460mm 1600mm 水泥蹲长水泥蹲长 16000mm 2500mm 南 墙 华北电力大学硕士学位论文 12 图 2-7 电气线路图 2.4 本章小结 本章内容主要是5kw光伏并网发电项目的设计与搭建。该项目为作者参与的湖 南省电力公司试研院项目， 旨在湖南省电力公司试研院搭建5kw光伏发电示范项目， 推动光伏发电在湖南以及中南省份的应用，并且对太阳能并网发电控制系统进行研 究。主要做了： (1)研究了热斑效应的成因，并结合本项目中可能会出现得热斑进行了综合分 析。对初步选址地址进行了阴影测试，最终选定了符合搭建条件的地址。 (2)设计了符合搭建的建设方案。 (3)并设计了电气线路图。 华北电力大学硕士学位论文 13 第 3 章 并网中孤岛效应的检测 3.1 孤岛现象的概述 随着光伏发电的不断开发，未来必定将出现很多的光伏发电系统组成的分布式 供电系统。分布式供电系统并网特点是，需要通过逆变器将直流电变换成交流电再 送到电网上。正常情况下, 这些逆变系统并联在电网上并向电网提供电能。但是当 发生电网断电的情况时，这些独立电源将会与本地负载连接进行独立供电，这种现 象就叫做孤岛( islanding) 效应。从用电安全和用电质量考虑，孤岛是绝对不允许出 现的，由此引出了对孤岛状态进行检测的研究9。在光伏并网发电系统中孤岛现象 一旦发生将会造成巨大的危害，这些危害有：(1)孤岛发生容易对用户或线路维修人 员造成人身安全的危害，用户或线路维修人员在断电情况下如果没有意识到有可能 存在的孤岛现象很可能造成人身危害；(2)对用户电器造成危害，独立电源脱离电网 工作时，供电质量难以得到保证，例如电压和频率波动以及谐波等技术指标，波动 较大的时候很容易对用户的电器造成损坏；(3)电网恢复供电时，光伏发电系统重新 并网会遇到困难。(4)光伏逆变系统为了提高逆变器的效率而设定单位功率因数输 出，但是本地负载总是有对无功功率的需求，这就有可能导致在孤岛运行时负载出 现无功崩溃。因此研究孤岛效应的检测方法和保护措施，将孤岛效应的危害降至最 低，具有很重要的理论意义和工程应用意义10。 孤岛的检测方法主要有被动检测法和主动扰动法。被动检测法的优点是实现简 单，缺点是当发生孤岛后公共耦合点电压处于非检测区内时，存在无法识别问题。 主动扰动法的实现常用的方法是定时改变输出信号实现扰动。可以通过对幅值、频 率或初始相位添加扰动量，如果系统发生了孤岛效应，电网和太阳能供电的公共耦 合点的电压如参数幅值、频率或谐波含量等就会持续增大，到达一定量以后，就可 以通过检测这些扰动量的存在从而检测到电网发生了孤岛效应，从而达到快速检测 检测孤岛效应的目的。 3.2 常用孤岛检测方法 3.2.1 afd法的基本原理 主动频率偏移法(afd)法是是一种最常用的主动扰动检测孤岛的方法。图3-1所 示为afd法基本原理图。 华北电力大学硕士学位论文 14 图3-1 afd法原理图 图中t为公共耦合点电压波形周期， 1 t为逆变器输出电流参考波形的周期， 2 t 为加入扰动后的畸变时间。 前半周期的前段系统输出电流保持正弦但频率不同于电网电压，当该电流达到 过零点，输出电流将保持 2 t时间的零值，直到后半周期开始；后半周期的第一部 分，光伏发电系统输出电流是前半周期第一部分呈现横轴翻折，当系统电流再次达 到过零点，它将保持为零直到电压到达过零点。由于 2 t时间内输出为零，电流参考 波形傅立叶分解中既含有正弦分量又有余弦分量，因此其基波分量相对于此电流就 出现了一个相移。反复如此，系统的频率将会增加。电网正常工作时，在扰动信号 的作用下并网电流只会有微小的频率偏移，无法进行持续的改变频率。当孤岛形成 后，将发生持续偏移，偏移量足够大时就能被频率保护电路检测到。 3.2.2 afd法的缺陷及其改进的2n周期电流扰动法 afd法其本身存在两个重要的缺陷。一是加入了主动扰动信号，导致光伏并网 电的质量下降。二是存在孤岛检测的“死区”，会使在特定条件下对孤岛的检测失 效。所以出现了很多对afd法的改进方法。 2n周期扰动法是一种对afd法的一种改进方法。在第2n整数电压周期时，采 用与afd法相同的电流扰动；在第2n+1个整数电压周期时，逆变器输出电流与公共 耦合点电压同频同相，并不进行任何畸变。检测时比较2n周期和2n+1周期电压的 频率差别， 原理如图3-2所示。 这样既可以提高并网电流质量还有效的减小了非检测 区的范围。 华北电力大学硕士学位论文 15 图3-2 2n周期扰动法原理图 电压方程为： =t t uv u ma 2 sin u tt 0 (3-1) 2n+1周期电流方程为： =t t ii u m 2 sin u tt 0 (3-2) 2n周期电流方程： 时，u值比最大功率点电压 华北电力大学硕士学位论文 25 偏小，应该增大扰动量；当 u i du di 0时， 令a=1； 3 vv0时，令b=1，3 v+vts， 取t1=t1ts/(t1+t2)，t2=t2ts/(t1+t2)。 表5-4 相邻电压矢量作用时间 扇区号 1 2 3 4 5 6 t1 z y z x x y t2 y x x z y z 注:t1表示前一矢量，t2表示后一矢量。 5.3.3 确定比较器的切换点 华北电力大学硕士学位论文 43 令ta= ts-t1-t2/4，tb=ta+t1/2，tc=tb+t2/2，则不同扇区与tcm1，tcm2， tcm3之间的对应关系如表4-5所示。 表5-5 矢量比较器切换点 扇区号 1 2 3 4 5 6 tcm1 tb ta ta tc tc tb tcm2 ta tc tb tb ta tc tcm3 tc tb tc ta tb ta 5.4 双闭环电流电压控制结合 svpwm 算法的仿真 设计双闭环电流电压控制仿真系统如下图5-4所示。 5-4双闭环电流电压控制主系统 直流侧光伏电池输出接到三相六桥臂的逆变电路，输出侧为a，b，c三相电路， 接滤波电感，然后并入电网。信号调制采用svpwm的方式，子系统为双闭环电压 电流控制。用电流表采集a相逆变输出电流，万用表采集a相电网电压和直流侧电 压。a相逆变输出电流和a向电网电压输入scope3，进行比较分析。下图5-5为电 压电流控制的子系统。 华北电力大学硕士学位论文 44 5-5电压电流控制子系统 万用表采集的信号，从上往下依次是：a相输出电流，b相输出电流，c相输出 电流 ，c相电网电压，b相电网电压，a相电网电压，直流侧电压。通过万用表采 集的直流侧电压信号，与给定的电压信号作比较输出误差，采用pi调节，作为电流 内环给定信号，即电压外环控制。之后与锁相环计算得到的电网电压相位信号做乘 法运算，然后与a相逆变输出电流反馈值比较，输出误差信号，采用pi调节，即电 流内环控制。输出信号做abc变换，输入到svpwm脉宽调制模块。 运行仿真电路可以得到图5-6，图5-7。 图5-6 直流侧电压输出 华北电力大学硕士学位论文 45 图5-7 a相逆变输出电流和a相电网电压对比图 由图可知直流侧电压值在0.5秒内达到设计定电压，并保持稳定，逆变输出电 流在0.02秒内跟随电网电压，频率相位均保持一致，达到了并网要求。 5.5 本章小结 本章首先对逆变技术的种类和发展状况进行了介绍，对svpwm技术的原 理进行了详细的说明，对svpwm算法进行了分析研究。设计了双闭环电流电 压控制结合svpwm算法的逆变仿真。 华北电力大学硕士学位论文 46 第 6 章 结论与展望 能源是支撑现代人类活动的动力来源，假如没有了能源人类的各项活动都会陷 入瘫痪。 现在全世界的可以开采利用的能源主要是石油、 天然气和煤炭等化石能源。 自从第二次世界大战结束至2008年底，世界人口总数从22.5亿迅速增长到65亿，随 着世界人口的快速攀升，地球上的化石能源频频告急。 本文工作中主要完成了： (1)设计并搭建了5kw光伏并网发电系统。其中设计了防热斑效应，对搭建 位置进行了选址，设计了具体搭建的施工方案，设计了电气布线图，并成功实 现了并网发电。 (2)对并网发电中的对孤岛现象的发生机理以及检测方法进行了研究，根据 现有的检测方法提出了2n周期扰动法结合关键电量变化率检测相结合的检测方 法，并进行了初步的设计。 (3)对太阳能光伏电池的工作原理进行理论分析， 通过光伏电池的仿真实验， 证明了光伏电池的特性。太阳能光伏电池的发电效率主要受到环境温度、光照 强度等因素的影响。 (4)分析了最大功率点跟踪的原理，并对几种常用的光伏电池最大功率点跟 踪算法进行了比较，介绍了模糊控制在最大功率算法控制中的应用，并通过 matlab simulink仿真了模糊控制最大功率算法。 (5)对逆变技术的种类和发展状况进行了简单的介绍，对svpwm技术的原 理进行了详细的说明，对svpwm算法进行了分析研究。设计了双闭环电流电 压控制结合svpwm算法的逆变仿真。 其中模糊控制应用于最大功率跟踪算法的控制中取得了良好的效果，能够 达到最大功率的及时跟踪，可以在实践中加以应用。双闭环电流电压控制结合 svpwm算法也在逆变控制中得到了预期的效果。 本文中并网孤岛效应的研究工作由于实验条件应满足大电网断电的工作条 件，一直难以满足，一直没能完成实验和现场数据的采集工作，希望以后能够 完成实验，并采集数据完成孤岛检测。 关于模糊控制在最大功率算法和的双闭环电流电压控制研究中本文目前还 是停留在模拟和仿真研究中，望以后能够通过试验和实物搭建来完成后续的研 究工作。 由于时间原因在双闭环电流电压控制结合svpwm算法也在逆变控制的模 华北电力大学硕士学位论文 47 型中，直流侧电压的稳定时间方面虽然能满足要求但不够理想，希望以后的工 作中能加以改进。 华北电力大学硕士学位论文 48 参考文献 1 董密. 太阳能光伏并网发电系统的优化设计与控制策略研究d. 中南大学信息 科学与工程学院. 2005 2 王长贵. 新能源和可再生能源的现状和展望c. 太阳能光伏产业发展论坛论文 集. 2003, 9 : 4-9 3 赵玉文. 21世纪我国光伏产业发展战略思考r. 合肥工业大学讲座. 2002 4 张峰. 太阳能光伏发电控制系统的研究与实现d. 2009, 12 5 王革华. 新能源概论m. 化学工业出版社2006, 8:22-23 6 王斯成. 国内外光伏发电现状及趋势r. 专家论坛 7 翟秀清, 刘奎仁, 韩庆. 新能源技术m. 北京. 化学工业出版社, 2005 8 王君一, 徐任学. 太阳能利用技术m. 北京. 金盾出版社, 2008 9 张超, 何湘宁, 赵德安. 一种新颖的光伏并网系统孤岛检测方法j. 电力电子技 术, 2007, 41(11):97-99 10 陈雷, 石新春, 赵艳军等. 太阳能光伏并网发电系统中孤岛j. 灯与照明, 2009, 33(1):59-62 11 任碧莹, 孙向东, 钟彦儒等. 用于单相分布式发电系统孤岛检测的新型电流扰 动方法j. 电工技术学报, 2009, 24(7):157-164 12 曾议, 吴政球, 刘扬华等. 分布式发电系统孤岛检测技术j. 电力系统及其自动 化学报, 2009, 21(3):106-110 13 胡静, 张建成. 基于数值方法的光伏发电系统mppt控制算法研究j. 电力科 学与工程, 2009, 25(7):1-6 14 王长江. 基于matlab的光伏电池通用数学模型j. 电力科学与工程, 2009, 25(4):11-14 15 weidong xiao, william g.dunford, antoine capel. a novel modeling method for photovoltaic cellsr. 35th annual ieee power electronics specialists conference . germany. 2004, 1950-1956 16 刘荣.自然能供电技术m.北京:科学技术出版社，2000 17 k.h.hussein. an algorithm for rapidly changing atmospheric conditionsj. ieee proc gener transum distrib, 1995, 142(1):59-64 18 k.k.tse, et al. a comparative study of maximum-power-point tracker for photovoltaic panel using switching-frequency modulation scheme j. ieee trans ind electron, 2004, 51(2):410-418 19 eftichios koutroulisal. development of a micro-controller based photovoltaic maximum power point tracking control system j. ieee trans power electronics, 2001, 16(1):46-54 20 陈桂兰, 孙晓等. 光伏发电系统最大功率点跟踪控制j. 电子技术应用, 2001, 27(8):33-35 21 nobuyoshi motuh, et al. prediction-data-based maximum power point tracking method for photovoltaic power generation systems c. pesc record-ieee annual 华北电力大学硕士学位论文 49 power electronics specialists conference, 2002, 3:1489-1494 22 riti-rivera , fang peng. a novel method to estimate the maximum power for a photovoltaic inverter systemc. dept of electrical and computer engineering michigan state university 2120 engineering uilding, east lansing, mi 48824-1226 23 a.zahedl. development of an electrical model for a pv/battery system of performance prediction j. renewable energy. 1998, 15(1):531-534 24 mahmoud,a.m.a, mashaly,h.m, s a kandil, et a1. fuzzy logic implementation for photovoltaic maximum power trackinga. proceedings of the 2000 ieee international workshop on robot and human interactive communication c, 2000, 27-29 25 mummadi veerachary, et al. feed forward maximum power point tracking of pv systems using fuzzy controller j. ieee trans aerosp electron system, 2002,38(3):969-981 26 khaehintun n, sirisuk p, implementation of maximum power point tracking using fuzzy logic controller for solar-powered light-flasher applications c. midwest symp circuits syst, 2004,3:171-174 27 tae yeop kim, eta1. a novel maximum power point tracking control for photovoltaic power system under rapidly changing solar radiationr. ieee international symposium on industrial electronics, 2001, 2:101l-1014 28 eftichios koutroulisal. development of a micro-controller based photovoltaie maximum power point tracking control systemj. ieee trans power electronics， 2001, 16(1):46-54 29 m. a.elshibini, h.h. rakha. maximum power point technique. mediterranean electro tech