微电网中光伏发电控制技术的研究硕士学位论文.pdf

分分类 号号 号 u u u d c c c c c 密密级 级 级 学学号 号 号 、砂矫争 了 ，去军 硕 士学位论文 微 电网中光伏发 电控制技术 的研 究 田莎 学 科名 称 : 学 科门 类 : 指导教师 : 电力 系统及 其 自动化 工学 同 向前 任 碧 莹 申 请日 期 : 2010 年 3 月 独 创 性 声明 本人所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所 知，除特别加 以标注 的地方外 ，论文 中不包含其他人 的研 究成果 。与我一 同工作的同 志对本文的研究工作和成果的任何贡献均 已在论文中作 了明确 的说明并 已致谢 。 本论文及其相关资料若有不实之处 ，由本人承担一切相关责任 、 、 _， ， _ _ _， 、 夕 公， 。 l 二_， _， 力_化 又 作 省 贷 书 : 二过上艾 李一v l v牛j月尸日 学位论文使用授权声 明 本 人 已 二组 一在 导 师 的 指 导 下 创 作 完 成 学 位 论 文 的 知 识 产 权 归 西 安 理 工 大 学 所有 ，本人今后在使用或发表 该论文涉及 的研究 内容 时，会注 明西安理工大学 。本人 作 为学位 论文著 作权 拥 有 者 ， 同意授权 西安理工大 学拥 有 学位 论 文 的部 分使用权(在 以下 “口 ”中标 明 ，同意 的划 “了” ，不 同意 的划 “x ” )，即 : 本 人 提 交 的 印刷 版 和 电 子版 学位 论文 ， 口 学校 可 以采用 影 印、缩 印或其他复制手段保存 ; 口 学校 可 以将 学位 论 文 的全 部 内容编 入 公 开 的数据 库进 行 检 索 ; 口 学校 可 以将 学 位 论 文 的摘 要 编入 公 开 的数 据 库进 行检 索 ; 口学 校 可 以将 公 开 的 学 位 论 文 或 解 密 后 的学位 论 文 作 为 资料 在 图书 馆 、资料 室 等 场 所 及 校 园 网上 供 校 内师 生 阅读 、浏 览 。 本 人 学位 论 文 全 部 或 部 分 内容 的公布 (包 括 刊 登 ) 授 权 西 安 理 工 大 学研 究 生 学 院 办 理 。 (保密 的学位 论文在解 密后 ，适用本授权 说 明) 论 文 作 者 签 名 :-困立一导 师 签 名 :二 童嘘二妙年了 月，日 绪 论 .， .，1 1.1分布式发 电系统 . . . . . ， . . . . . . ， ， 1 1.1.1分布 式 发 电 的意 义 . ， . . . . ， . . . . . . . . 1 1.1.2分布式 发 电并 网的难点 . . . . . . . . . 1 1. 2微 电网研 究现状 . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1微 电 网的概 念 . . . . . . . . . 2 1.2.2国 内外 微 电网研 究现 状 . . . . . . . . . . . . .3 1. 3光伏 发 电的应 用 . . . . . . . . . . . . 一4 1. 4论 文选 题 的背 景 和 意 义 . . . . . . . . 4 1. 5本文所 作 的主要工作 . ， . . . . . ， . . ， 5 微 电网 中光伏 发 电系统控制策 略 . ， 7 2.1光伏 电池 的原理及工 作特性 . . . . .， . . . . . . . . . . . . . . .7 2. 2传 统 光伏 发 电控制 策略不适 用于微 电网运 行 . . . . . . . . .， .8 2.2.1传统光伏 发 电逆 变器控制 策略不适 用于微 电网运 行 . . . . . . .8 2.2.2传统光伏 发 电输 出功率控制 策略不适 用 于微 电网运 行 . . . 9 2. 3现有 的微 电网中光伏 发 电逆 变器控制 策略 . . . . . . . . . . . . .9 2.3.1根据 电源 的类 型逆 变器采 用不 同的控 制 策略 . . . . .1 0 2.3.2分布式 电源逆 变器 多环 反馈控制 策略 . . . ， . . .1 1 2.3.3基 于 虚拟 同步发 电机 思想 的逆变器控制 策略 . ， . . . 1 2 2. 4基 于下垂特性 的微 电网光伏 发 电逆 变器控制 策略 ， . . ， 1 3 2， 4.1基 于下 垂 特 性 的 v / f 控 制 策略 . . . . . . 1 4 2.4.2基 于下 垂 特 性 的 pq 控 制 策略 . . . . . .， . 1 6 2.4.3 pq 和 v / f综 合控制 策 略 . . . . . 1 7 2.4.4预 同步控 制 策略 . . . . . . .， . . . . . 1 9 2.4.5微 电网的平 滑 切 换控 制 策 略 . . . . . . . . . 1 9 2. 5微 电网 中光伏 发 电系统控 制 策略 . . . . . . . . ， 2 0 2.5.1联 网运 行模式光 伏发 电控制 策略 . . . . . . . . .2 1 2.5.2孤 岛运 行模 式 光伏 发 电控 制 策略 . . . . . . ， . .， .2 3 2.5.3直 流侧 电压 的控 制 策 略 . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2. 6本 章 小 结 ， . . . . ， . 24 微 电网 中光伏 发 电运 行 特 性 仿 真 分析 . ， 2 5 3.1光伏 发 电后级逆 变器 仿真 模型 . . . . . . . . . 25 3. 2光伏 发 电系 统 后级逆 变 器运 行仿真 分析 . . . . . . . . . . .26 3.2.1微 电网 从联 网到孤 岛的过 渡 过程 . . . . . . . . . . . . . 2 8 西安理工大学硕士学位论文 3.2.2微 电网从孤 岛到联 网的过渡过程 . . . . . . . . . 3 0 3.2.3微 电网孤 岛模 式运行特性 分析 . . . . . . . . .3 1 3. 3光伏 发 电系统运行仿真 分析 . . . . . . . . .3 2 3.3.1微 电网联 网模式下光伏发 电运行特性 . . . . . . .3 3 3.3.2微 电网孤 岛模式下光伏发 电运行特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . 36 3. 4本章小结 . . . . . . . . . ， . . . . . . . . .37 4微 电网 中光伏 发 电系统 的设计 3 8 4.1控 制 系统 设计 . . . . . . . . . . . . .3 8 4. 2硬件 设计 . . . . . . . . . . .3 9 4.2.1采样 滤波 及 调 理 电路 设计 . . . . . . . . . 3 9 4.2.2 ig b t 隔离 、驱动 电路 的设计 . . . . . . . . . ， 39 4 . 3软件设 计 . ， . . . . . . . . . . . . . 40 4.3.1 d c 心 c 变换器控制 部分软件设计 . . . . . . .40 4.3.2 d c / a c 变换器控制部 分软件设计 . . . . . . . 4 1 4.3.3功率 计算方法 . . . . . . . . . 42 4. 4实验 结果及分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4.4.1前级 b o o st 电路功率控制算法实验结果分析. . . . . .44 4.4.2后级逆变器运行 实验结 果分析 . . . . . . .4 5 4. 5本章 小 结 . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5结论 与展望 ， . ， ， .， . 4 7 5.1本文 的结论 . . . . . . . . . . . . .47 5. 2展望研 究 . . . . . . . . . . . . . . . 47 致 谢 .48 参考文献 . 49 攻读硕士学位期 间发表论文情况 . ， . 5 2 摘要 论文题 目: 微 电网中光伏发 电控制技术 的研 究 学科专业 : 电力系统及其 自动化 研 究 生 : 田莎签 名 : 指导教师 : 同向前 教授签 名 : 任碧莹签 名 : 曰 爷 栖 幕 任 瓢 摘要 大量分布式发 电接入 电力系统将会对大 电网的运行产 生很大 的影响 。 以微 电网结构形 式接入 电力系统不仅可 以解决分布式发 电的大规模接入 问题 ， 而且可 以充分发挥分布式发 电的各项优 势 。由于光伏 发 电被公认为是众 多分布式能源 中最理想 的可再生能源 ，因此研 究光伏发 电在微 电网中的控制技术具有十分重 要 的意义 。 传统 的光伏发 电控制策略 已不适用于微 电网灵活的运行要求 ， 因此本文着重研 究 了光 伏发 电在微 电网中的控制策略 。 根据微 电网运行特 点 ， 利用下垂特性思想采用 了一种新型 并网变换器控制策略 。在微 电网联 网模式下 ，光伏发 电前级采取m ppt 控制达到最 大功率 输 出，后级逆变器采用基 于下垂特性 的pq 控制策略使得有功 、无功独立可控 ; 在 微 电网 孤 岛模式下 ，光伏 发 电前级 按照负荷需求采取 限功率控制输 出功率 ，后级逆变器采用基于 下垂特性 的v 时空 制 策 略实现 负荷 功率 的合理分配 。这种控制策略可 以实现光伏发 电系统 在微 电网不 同模式下 的稳 定运行 。 通过p s i m 软件建立微 电网仿真模型 ，针对微 电网从联 网到孤 岛的过渡过程 、从孤 岛 到联 网的过渡过程 、 微 电网孤 岛运行模式 、以及 当光伏 电池受到光照强度和温度变化影 响 时的光伏发 电的运行特性进行 了仿真分析 ，仿真 结果验证 了控制策略 的正确性和有效性 。 搭建 了基于d sp 的两级式光伏发 电系统实验平 台，光伏发 电系统前级b o o st 电路采用扰 动观察法和 限功率 的扰动观察法分别实现 了最大功率 点跟踪控制 和 限功率控制 ， 同时对光 伏发 电系统后级逆变器运行进行 了实验研究。 关 键 词 : 微 电 网 ; 下 垂 特 性 ; 光伏 发 电; pq 控 制 ; v / f 控制 西安理工大学硕士学位论文 t itle :t h e c o n tro l 飞 e h n o lo g y o f p h o to v o lt aie p o w e r g e n e ra tio n in m ie ro g ird m a j o r: e l eetri c p ow er s ystem and i ts a uto m ati o n n a m g :t ia n s h a5 ig n a tu re : 丁 以目 万 眯 s u p e r vis o r:p ro f. t o n g x ia n g q ia n r e n b iy in g a b s tfa c t a eeess to a larg e n u m b er o f d istrib u ted p o w er g en eratio ns)， stem w ill b rin g a serio u s im p aet f o r th e o p eratio n o f larg e p o w er g rid .a eee ss to th e p o w er s) stem w ith stru etu ral f o r m o f m iero g rid n o t o n ly ea n so lv e p ro b lem o f aeeess to lar g e一 seale d istrib u ted g en era t io n . b u t ean g iv e f u ll p la)to th e ad v an tag es o f d istrib u ted p o w er g en eratio n . a n d p h o to v o ltaie p o w er g en eratio n h as b een reeo g n ized as a b est o f ren ew ab le en erg y in a n u m b er o f d istrib u ted en erg )7 50 th e researeh o f eo n tro l teeh l no lo g y o f p v p o w er g en eratio n in m iero grid 15 g rea t sig n if i ean ee . t r ad ition al eo n tro l stra t egy f o r p h oto v o ltaie p o w er gen era t io n h as eeased to ap p i)，toa m iero g rid o f f l ex ib le o p eratio n req u irem en ts. t h eref o re. th e eo n tro l stra t eg y o f p v p o w er g en eratio n in m iero g rid 15 stu d ied m ain ly in th e p ap er. a eeo rd in g to th e o p eratio n al eh araeteristies o f m iero g rid . a n ew ty p e o f g rid 一 eo n v er t er eo n tro l strateg y w ith th e d ro o p ch ara eteristie s 15 a d o p te d . in th e g rid 一 eo n neeted m o d e o f m iero g rid . p h o to v o ltaie p o w er generation ta k es m pp t control to aehieve the m axim um pow er output.and the inver t er w ith pq eo n tro l strateg y b ased o n d ro o p eh a r aeteristies m ak es th e aetiv e. reaetiv e in d ep en d en tl) eo n tro l. in th e islan d in g m o d e o f m iero g rid . p h o to v o ltaie p o w er g en eratio n tak es p o w er eo n tro l to lin飞 it o u tp u t p o w er th at 15 a ee o rd in g to lo ad req u irem en t. th e in v er t er w ith v /f e o n tro l stra t eg ) b a sed o n d ro o p eh araeteristie s ean aeh iev e a rea so n ab le d istrib u tio n o f lo ad p o w er t h e eo n tro l strateg ) ea n b e aeh iev ed stab le o p eratio n o f m iero g rid in d if f eren t m o d e s. t h e sim u latio n m o d el o f m iero g rid 15 estab lish ed th r o u gh p s im so f t 认 are . t h e o p eratin g eh araeteristies o f p h o to v o ltaie p o w er g en eratio n are an aly zed . f r o m th e tran sitio n p ro eess o f g rid 一 eo n neeted to islan d in g m o d e .f r o m th e tran sitio n p ro ee ss o f islan d in g m o d e to 11 摘 要 g rid 一 eo n neeted . in th e islan d in g m o d e. an d u n d er th e co n d itio n s o f v ario u s lig h t in ten sity an d tem p eratu re ef f eets f o r p v eells. t h e sim u la t io n resu lts sh o 认 th e eo r r eetn ess an d、 ， alid it)厂o f eo n tro l strateg )几a p h o to v o ltaie p o w er g en era t io n ex p erim en t p la t f o r m 15 estab lish ed w ith d s p . t h e m ax im um p o w er p o int traek in g eon tro l an d lim ited p o w er eo ntro l o f p v 15 aeh iev ed b )一 th e d istu rb a nee o b ser v a t ion an d d isturb an ee ob ser v a t ion m eth o d of iim ited p ow er.a t th e sam e tim e. th e eo ntro l stra t eg ) o f th e in v er t er 15 stu d ied ex p erim en tally. k ey w ords:m ierogrid:droop eharaeteristies:pv 二 p q eontrol:v /f control 1 11 绪论 1 绪论 随着 国 民经济 结构 的调整 ，当今 社会对 电力供应 的质 量及 安全 可靠 性 等要 求 日益提 高 ，而 目前传统大容量 电力系统暴 露 出的弊端更 加突 出 ”:(l )现 在 全世 界 的供 电系统 都是 以大 机 组 、大 电网、高 电压 为主 要特 征 的集 中式单 一供 电系统 ，任 何 一 点 的故 障所 产 生 的扰 动 都会 对 整个 电网造 成 较 大 影 响 ， 严 重 时可 能 引起 大 面积 停 电甚 至 是 全 网崩 溃 ;(2 ) 市场 经济加大 了负荷波动 、发 电厂投 资等 因素 的随机变化程度 ，而大 型 电力系统 不 能够 灵 活跟 踪 负荷变化 ，造 成 了发输 电设备投 资容量浪 费 ;(3 )集 中式大 电网结构对 偏远 地 区 供 电会造 成输 电费用 过 高 ，而 且 这 种 集 中式供 电系统 难 以实现 热 电联 产 ， 造 成 发 电热 量 白 白损 失 。此外 ，由于 能源 紧张 、环境 污染 、温 室效应 等 问题 的 出现 ，以及 分布 式发 电节 能 、 环保等优越性 的体现 。综合 以上几种 因素 ，发达 国家相继把 发展 电能 的研究 更 多 的转 向利 用清 洁 的可 再生 能源 和分散 的能源 上 ，分布式发 电系统得到迅速 发展 2 。 但 是分布 式发 电系统单机接 入成本 高 ，不 易控制 ，最重要 的是对 于大 电网而 言 它是 一个 不 可控 源 ，因此 大 电网系 统 往往 采 取 限制 、隔离 的方 式来 处置 分 布 式. 电源 ，从 而 减 小 其对大 电网的冲击 和 负面影 响 。为 了更好地 发挥 分布式 发 电的潜 能 ， 逐 步形成 了一种 新 的 组织 形 式微 电网 ，有 效 的将 分布 式 发 电融入 到大 电网系统 中 。 1.1 分布式 发 电系统 1.1.1 分布 式 发 电的意义 分 布 式 发 电 (d g ) 指 的是 在 用 户 附近 配 置较 小 的发 电机 组(几 十 千 瓦 到几 十 兆 瓦)， 以满足特 定用户 的需要或支 持现 有配 电网的经济运行 。 这 些小 的机 组包括燃料 电池 、微 型 燃气轮机 、光伏 电池和风力发 电等。分布式发 电系统可 以给 电力系统运行带来许多优点， 归纳起来 主要有 以下几 点 【 3 : (1 )分 布 式 发 电系统 中各 电站 相 互独 立 ，用户 由于 可 以 自行控 制 ，不会 发生 大 规 模 停 电事 故 ，安全 可 靠 性 比较 高 。 (2 ) 分 布 式 发 电可 以弥补 大 电网安全 稳 定性 的不足 ，在 电网故 障或 意 外 灾 害 发 生 时 能 够 继续 为重要负荷 正常供 电， 己成 为集 中供 电方式不可缺 少 的重要补 充 。 (3 )由于 分 布 式 发 电靠 近 用 户 ， 因此 其 输 配 电损 耗 很 低 ，甚 至 没 有 ，无 需 建 配 电站 ， 可 降低 或避 免 附加 的输配 电成 本 ， 同时土 建和 安装 成 本低 。 (4 ) 分 布 式 发 电启动 快速 ，调 峰性 能好 。 1.1.2 分 布 式 发 电并 网的难 点 传 统 的大 电网是 一 个 潮 流 单 方 向流 动 (从 电厂 到 负 荷 ) 的放 射 状 网络 结 构 。当分 布 式 电源 接 入配 电网之 后 ， 配 电系 统 从放射 状无 源 结构变 为多 电源 结构 ，潮流 的大 小和 方 向都 有可 能发生 巨大变 化 ， 故将 分布式 电源直接接 入配 电网后将对配 电网的结构和 运 行 产 生严 重 的影 响 。 但 是将 分布 式 发 电系统集 成 到现 有 的配 电系统 中 ，是 今 后 分布 式 发 电的 发展趋 西安理工大学硕士学位论文 势 。也就是说分布式发 电与现有大 电网的融合 问题 己成为分布式发 电发展 的最大瓶颈 ， 其 主要表现 在 以下几个 方面 【 5、 6 : 首先是对 电能质量的影响。 分布式发 电是 由当地用户来控制的， 用户根据其 自身的需 要起动和停运 d g ， d g 的频繁起动会使配 电线路上的负荷潮流变化加大 ，从而加大 电压 调整 的难度 ，调节不好会使 电压超标 。 其 次是对 继 电保护 的影 响 。d g 接 入配 电网后放射状 的无源 网络将 变 成 一个 遍 布 电源 和 负荷互联 的网络 ， 潮 流 也不 再单方 向地 从变 电站母线流 向负荷流动 。 配 电网结构和运行 的根本性变化使得网络中各种保护定值与机理发生了深刻变化。 另外 ，还有其它方面 的 问题 : 如短路 电流 、铁磁谐振 、电网效益 、配 电系统 的实 时监 控 、 控 制 和调 节等 问题都 是必须考 虑 的重 要 问题 ， 应有一 定的控制 策略和手段来 给 予保 证 。 这 些 问题 的产 生是 由分布 式发 电与现有 电力系统之 间的根本性 差异所 导致 的 。 1.2微 电网研 究现状 1.2.1 微 电网 的概 念 大量 分布 式 发 电接入 电力系 统将会对大 电网的运行产 生很大 的影 响 。 为 了解 决大 电网 与分布 式发 电之 间 的接入 问题 ，微 电网结构应运而 生 。在 与大 电网的接入 问题 上 ，微 电网 的入 网标 准 只针对微 电网与大 电网的公共连接 点( p c c ) ，而 不针对微 电网 内各 个 具体 的微 电源 ，因此 微 电网结构 的产 生不仅解 决 了分布 式发 电的大规模接 入 问题 ，充分 发挥 了分 布 式发 电的各项优 势 ， 同时还 为用户 带来 了其他 多方面 的效益 【 6、 7， 。 目前 国 际 上 对 微 电 网 的 定 义 也 各 不 相 同 。 美 国 电气 可 靠 性 技 术 解 决 方 案 联 合 会 (e e 盯 s一 e onsor t ium 允r e leet r ic r eliabili ty t e eh n ology solu t ions) 给 出的定义 为 : 微 电网 是一种 由负荷和 微 型 电源 共 同组成系统 ，它可 同时提供 电能和热量 ; 微 电网 内部 的 电源 主 要 由电力 电子器件 负责 能量 的转 换 ，并提供 必需 的控制 ; 微 电网相对于外部大 电网表现 为 单一的受控单元 ，并可 同时满足用户对 电能质量和供电安全等的要求 。欧盟微 电网项 目 (e uropea n e om mission pro j eet m icro一 grids) 给 出的定义是 : 利用 一次 能源 ; 使 用微 型 电 源 ，分 为不可控 、部分可控 和全控 三种 ，并可 冷 、热 、电三联供 ; 配有储 能装 置 ; 使 用 电 力 电子装 置进 行 能量调节 。 美 国威 斯康 辛麦迪逊 分校 (u niversity ofw iseonsin 一 m adison ) 的 r . h . l a s se t er 给 出的概 念 是 : 微 电网是 一个 由负载 和微 型 电源 组 成 的独 立 可 控 系 统 ，对 当地 提 供 电能和 热 能 【 8， 。 如 图 1一 1 所 示 为 c e r ts 定 义 的微 电网基 本 结构 。它通 过 隔离变 压 器 、静 态 开关 和 大 电网相连 接 。微 电网中绝大部 分 的微源 都采用 电力 电子变换器和 大 电网、负载 相连接 ，控 制 灵 活 。微 电网 内部 有 三 条馈 线 ，馈 线 a 和 b 连 接 重 要 负荷 ，且 有 微 源 连 入 微 电网 ; 馈 线 c连 接 有 非重要 的负荷 ，在 一 定情 况 下 可 以切 除该馈 线及 其 负荷 。每 个 微 源 出 口处都 配 有 断路器 ，同时具 备 功 率和 电压控 制 器 ，可 以在 能量 管 理 系统 或 本 地 的控 制 下 ，调 整 各 自功率输 出用 以调节馈 线潮 流 。当配 电网 出现 电压扰 动等 电能质量 问题或 断 电时 ， 静态 开 绪论 关动 作 ，使微 电网转 入孤 岛运行模式 ，以保证 网 内重要敏感 负荷 的不 间断供 电。同时各微 源 的功 率 和 电压控 制器 调 节 输 出 电压 ， 以保证微 电网 内部 功 率平 衡 ， 电压稳 定 【 ， 。 进窿黔气 l:渊 :_ 赢黝比“ 圈芝 焦 蓝 户. ， 为 ， 狱 o 全 众 下 m l丫 助爪 f么 狱，i 熟 车.“ 犷. :罗 图 1一 1 c e r ts 提 出的微 电网结 构 f 19 .1 t op o lo g iea l str u etu re o f m iero g rid p ro p o sed b y c e r ts 综 合 以上 分 析 ，并 结合 我 国 电网的实 际状 况 ，文献 【 8 给 出我 国微 电网的定义 : 能 量 来 源 主 要 为可 再 生 能源 ; 发 电系统类 型 可 为微 型燃 气轮 机 、内燃 机 、燃 料 电池 、太 阳 能 电池 、风 力发 电机 、生物质 能等 ; 系统容量 为 z k w - 1 0 m w ; 网 内的用户配 电电压 等级 为 380v ，或 者 包 括 1 0 . skv 如 与外 部 电网进 行 能量交 换 ，电压 等级 由微 电网的具 体应 用 等情 况 而 定 。 1.2.2 国 内外微 电网研 究现状 作 为一 个 新 的技 术 领 域 ，微 电网在 各 国的发展 呈现 不 同特 色 。在 欧美 一些 发达 国家 ， 微 电 网 的研 究 己经 取 得 了突破 性 的进 展 。美 国 c e r ts 于 2 0 0 2年 提 出 了微 电 网概 念 。微 电网工程 得 到 了能源 部 的高度 重 视 ，并在 “ g r i d 2030 ”发展 战略 中将 微 电网视 为未 来 电 力 系统 的三大基 石技术之 一 。欧洲依据其 “ 智 能 电网 ”计划提 出要充分利用分布式 资源 ， 智 能技 术 ，先进 电力 电子 技 术 等 ，以实现 集 中供 电与 分布 式 发 电的高效紧 密结合 。微 电网 被 视 为 未来 分布 式 网络 的基 本特 征 以及 未来 欧洲 电力 网络 战略研 究议程 的重 要 组 成部 分 。 日本 是 当今世 界微 电网研 究 的领 头羊 ， 其 发 展 目标 主要 定位 于 能源 供给 多样 化 ， 减 少污 染 ， 满 足 用 户 的个性 化 电力 需求 ，日本 学者 提 出 了灵 活 可靠 性和 智 能 电能供 给 系统 ，其 主要 思 想 是在 配 电网 中加 入一些 灵活 交 流输 电系统(f ac t s ) 装 置 ，利 用其快 速 ，灵活 的控 制 性 能 实现 对 配 电 网能源 结构 的优 化 ，满 足 用 户 多种 电能质 量要 求 。除上述 国家 以外 ，加拿 大 ， 澳 大利 亚 等 国也 正在 进 行微 电网 的研 究 工 作 【 。 、 ” 。 目前 ，国 内重 点在 分布式 发 电和 分布 式储 能上 开展 相 关 的研 究 ，对 微 电网 的研 究 才 刚 刚 开始 ，还 未有 明确 的研 究 成 果 。而 微 电网在 满 足 多种 电能质 量 要 求 和提 高 供 电可 靠 性 等 方 面 有 诸 多优 点 ，使 它 完 全可 以作 为现有 大 电网的一个有 益 而 又有 必 要 的补 充 。总之 ，微 西安理工大学硕士学位论文 电网的特 点适应 中国 电力发展 的需求 与方 向，因此在我 国有着广 阔的发展 前景 。 1.3 光伏 发 电的应用 在众 多 的分布式 能源 中，太 阳能作为一新型 的绿色可再生能源 ，与其 它新 能源相 比是 最 理想 的可 再 生 能源 2 ，太 阳 能光 伏 发 电具 有 以下优 点 【 3 : (l )清洁 ，安全 ，无噪声 。本 身发 电并不消耗物质 ，而且无排放物 。 (2 ) 太 阳能分布 广泛 ，范 围很广 。全球 大部分地 区获取都很方便 。 (3 ) 结构简单 ，体积 小且重量轻 ，易安装 ，易运输 ，建设周期短 。 (4 ) 启动 容 易 ，维护简单 ，使用方便 ，供应 稳 定 。 (5 ) 可 靠 性 高 ，使用 寿命 长 。一般 晶体硅 太 阳能 电池 寿命 可 长达 20一 3 5年 。 光伏 发 电的优越 性 能使得光伏 发 电得 以广泛 的应用 ，包括独立型光伏 发 电，屋 顶 并 网 型光伏 发 电 以及 大型 并 网光伏 电站 。 独 立 型光伏 发 电: 独立型光伏 发 电系统 多用 于广大 的无 电贫 困 山区和贫 困农村 ，具有 运行可靠 ，性 能优 良的特 点 。这种独立型光伏发 电系统包括直流系统和交流系统两大类 。 直 流 系统 由太 阳能 电池 组件及支架 、控制器和 蓄 电池 组三 部分组成 。 交流 系统 比直 流系统 多一个逆 变器 ，共 由四部分组成 。白天 ，太 阳能 电池组件接 收太 阳光照输 出 电能 ，然 后经 过 防反充二 极 管 向蓄 电池 组 充 电; 夜 晚 ， 直 流系统经过控 制器将 蓄 电池 组储 存 的能量供用 户 使 用 。 屋顶 并 网型光伏 发 电: 随着光伏应用 技术 的发展 ，世 界各 国相继推 出 了相应 的屋顶光 伏 计划 ，“ 九 五 ”和 “ 十 五 ”期 间 ，我 国国家 科 委 也 开始 将 太 阳 能屋 顶 系 统 列 入 国家 科 技 攻 关 计 划 。 将 太 阳 能光 伏 发 电系统 与建筑 物 相 结合之 所 以备 受世 界 的重 视 是 因为它 存 在 很 大方面 的优 点 : 不 占用 土地 资源 ，这对 于土地 昂贵 的城 市尤 为重要 ; 可 以本 地 发 电，本地 使用， 减少了电力输送的线路损耗;降低了墙面及屋顶的温升， 减轻了建筑物的空调负荷， 降低 了空调 的能耗 ; 取 代和节约 了 昂贵 的外饰材料 ，使建筑 物 的外观 统 一协调 ，美化 建筑 环 境 ; 舒 缓 了高峰 电力 的需求 ， 配 备蓄 电池 后 ， 还 满足 了安全用 电设施 的不 间断供 电要求 。 大 型 并 网光 伏发 电: 并 网光伏发 电系统是光 伏技术进步 的重要标志 ，是未来太 阳能光 伏 发 电的必然趋 势 。 光伏 系统步入大规模 发 电阶段 ，意 味着现在 的能源 结构将 发 生根本 的 变 化 ，是 人 类 社会 利 用 能源 的一场 革 命 。 目前 ，在 世 界 范 围 内，如美 国、德 国等 发达 国家 已经 建 设 了一批 千 瓦级 并 网光伏 发 电系统 ，又 正在 建 设 一批 兆 瓦级 的光 伏 并 网发 电系 统 ， 甚 至 印度 、菲律 宾及非洲一些 国家 也开始建 设大 型并 网光伏发 电系统 。 我 国的并 网光伏 发 电系 统起 步 较 晚 ，与上 述 国家 相 比，还 有 一 段很 大 的差距 。 由以上 分析 可 知 ，目前光伏 发 电在微 电网中的应 用还研 究较 少 。所 以研 究光伏 发 电在 微 电 网 中 的应 用 是 很 有 意 义 的 。 1.4 论 文 选 题 的背 景 和 意 义 光 伏 发 电与其 它 分 布 式 能源 相 比较 ，具有 不 可 替代 的优 势 。然 而 目前研 究较 多 的是大 绪论 型光伏 发 电、独立 式光伏 发 电和 屋顶 并 网光伏 发 电技 术 ，对于 多 台小容量 的分布 式 电源 并 联 组成微 电网结构形式 的分布式 电源控制策 略 的研 究较 少 。 此 外 ， 现 阶段在微 电网各 种技 术 的研 究之 中，为 了方便分析 ，通 常对直 流侧 的 电源 做 简化 处理 ，采 用恒流源 或者恒 压源 代 替实 际 的发 电单元 。 这样做很大程度 上影 响 了像光伏 发 电、风力发 电等发 电形式受 天 气 状况影 响较大 ，功率输 出随机 的分布 式 电源在微 电网中工作 时的实 际运行特 性 。考虑 到 以 上两个 因素 ，可知对微 电网中光伏 发 电系统控制 策 略 的研 究具有重要 的研 究价值 。 光伏发 电通过逆变器接 入微 电网。当微 电网处于联 网运行模 式 ，由大 电网提供 刚性 的 电压和 频率支 撑 ，光 伏发 电工 作在 电压源 或 电流 源 状 态 ，采 用 传 统 的光伏 发 电控 制 策 略 ， 调整 功率输 出，系统 能够稳 定运行 。当大 电网发 生故 障 时 ，微 电网转 入孤 岛运行模 式 ，此 时 的 电压 (指 电压 幅值 ) 和 频 率 需 由内部 微 电源控 制 器 负责 调 节 。根 据 微 电网的不 同运 行 模式对微源 的控制要求 ，可知传统 的光伏 发 电控 制 方式难 以满足微 电网灵活 、 稳 定运 行 的 要求 。 那 么如何对微 电网中光伏 电源进行 有效 的控制 ，实现微 电网不 同运行模式 的稳 定运 行 以及模 式 间的平滑切换 ，是微 电网能否可靠运行 的关键 。综合 以上 分析 ，本文在研 究微 电网 中光 伏 发 电控 制 策 略 时 ，首先将 逆 变器 直 流 侧采 用 直 流 电压 源 代 替 ， 对 适 用 于微 电网 运行 环境 的逆变器控制策略进行 了分析研 究 ; 然后 ，为 了进 一步获得光伏 发 电在微 电网中 的实 际运行特性 ， 将逆变器直 流侧接 入光伏 电池 ，对光 伏发 电系统在微 电网中的实 际运行 特 性进行 了分析研 究 。 1， 5 本 文所作 的主要工作 本文 首先将逆 变器直流侧接直 流 电压源代 替 实 际光伏 电源 ，设计 了微 电网中逆 变器 的 控制策略 ，实现 了微 电网两种稳 定模式 的安全 ，可靠运行 ，并可 实现模 式 间的平滑 切 换 ; 为 了更进 一步分析光伏发 电在微 电网中的实 际运行特 性 ，将逆变器直 流侧接入光伏 电池 ， 设计 了微 电网的光 伏 发 电系统 控 制 策 略 ，保 证 光 伏 发 电在 微 电网不 同模 式 下 的稳 定运 行 。 具 体 主要 工 作 如 下 : 1. 第 一章指 出 了微 电网是解 决分 布 式发 电与大 电网融合 问题 的有 效途 径 ，深 入 的 了解 了 微 电网的概念及其研 究现状 ，然后 熟悉 了 目前光伏 发 电技术 的应 用情况 。最 后得 出 了 本 文研 究光伏 发 电系统在 微 电网 中 的运 行特 性 具 有 重 要 的研 究价 值 。 2. 第 二 章 了解 了光 伏 电池 的工 作 原理和 输 出特 性 ，分 析 了光 伏 发 电在 微 电网 中的运 行 模 式 。通 过对 大 电网中光 伏 发 电控制 策 略 的分 析 ，指 出传 统 的光伏 发 电控 制 策 略 己不适 合 微 电网灵 活 的运行 方 式 。然 后 在 阐述 了 目前现 有 的微 电网逆 变器 控 制策 略 并分 析 了 其 各 自的优 缺 点之 后 ，首 先将 逆 变 器 直 流 侧 接 直 流 电压源 代 替 实 际光 伏 电源 ，设 计 了 微 电网中后 级逆 变 器 的控 制 策 略 ，进 而将 逆 变 器 直 流 侧 接 入光 伏 电池 ，设 计 了微 电 网 中光伏 发 电系 统控 制 策 略 。 3. 第 三 章 首 先 对 光 伏 发 电系 统 后 级 逆 变 器(逆 变 器 直 流 侧 电源 以直 流 电压 源 代 替 ) 运 行 进 行 了仿真 研 究 ，通 过对 微 电网从联 网到孤 岛 的过 渡 过程 、孤 岛到联 网 的过渡 过 程 、 以及 孤 岛模 式这三 种工 况 下 的运 行 特 性 进 行 仿 真 分 析 ，验 证 了逆 变器 控 制 策 略 的正确 西安理工大学硕士学位论文 性 ; 然后对光伏 电池受到光照 强度和温度变化影 响时 (逆变器直流侧接入光伏 电池 ) 的光伏 发 电系统在微 电网不 同运行模 式下 的运行特性进行 了仿真 分析 ，验 证 了所采用 光 伏发 电控 制策 略 的正确性 。 4. 第 四章 以t i 公司的td s 3 2 0 lf240 7 d sp芯片为控制核心 ， 搭建实验平台 。 通 过d sp编程 ， 实现 了光伏发 电前级功率控制算法 以及后级逆变器运行控制算法 的实验研 究 。 微 电网中光伏发 电系统控制策略 2 微 电网 中光伏 发 电系统控 制策 略 光伏发 电具有 广 阔的应用前 景 ，而微 电网作 为一种新 型 的分布式发 电并 网方式 ， 在 结 构和 功 能上 与传 统 的分布式发 电系统 不 同。 相应地 ，对分布 式 电源 的 电力 电子接 口的性 能 要 求 也 随之 改变 。 传 统 的光 伏 发 电控 制 策 略 已不适 用 微 电网的稳 定运行 ，因此 需 要研 究 新 的适用于微 电网运行 的光伏发 电系统控制策略 。 本文研 究 的光伏发 电系统采用两级式拓 扑 结构 ，首先将逆变器直流侧采用直流 电压源代替 ，用 以简化系统结构 ，对适用于微 电网运 行环境 的逆变器控制策略进行 了分析研究 ; 然后将逆变器直流侧接光伏 电池 ， 从而对 光伏 发 电系统在微 电网中的实 际运 行特 性做 了进 一步 的分析研 究 。 2.1 光伏 电池 的原理及工作特 性 太 阳能 电池 是 一种利 用 光 生伏 打 效应