电网环境下光伏发电系统控制技术研究论文

硕士学位论文硕士学位论文 实际电网环境下光伏发电系统 控制技术研究 Photovoltaic Generation System Control Technique Under the Actual Grid Environment 刘振东刘振东 2014 年年 3 月月 国内图书分类号：TM614 学校代码：10079 国际图书分类号：621.3 密级：公开 硕士学位论文 实际电网环境下光伏发电系统 控制技术研究 硕 士 研 究 生 ： 刘振东 导 师 ： 彭咏龙 副教授 申 请学位 ： 工程硕士 学科 ： 电气工程 专业 ： 电力系统及其自动化 所 在 学 院 ： 电气与电子工程学院 答 辩 日 期 ： 2014 年 3 月 授予学位单位 ： 华北电力大学 Classified Index: TM614 U.D.C: 621.3 Thesis for the Master Degree Photovoltaic Generation System Control Technique Under the Actual Grid Environment Candidate： Liu Zhendong Supervisor： A. Prof. Peng Yonglong School： School of Electrical and Electironic Engineering Date of Defence： March, 2014 Degree-Conferring-Institution： North China Electric Power University 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实际电网环境下光伏发电控制 技术研究 ，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 实际电网环境下光伏发电系统控制技术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 I 摘 要 全国各大城市雾霾天气不断，环境问题不容忽视，新型可再生能源的开发利 用迫在眉睫，太阳能作为一种原始能源，其利用也颇受重视，而太阳能的主要利 用形式就是太阳能发电。 近年全球光伏发电系统并网容量逐年上升， 这也意味着， 大容量并网光伏发电系统同电网之间的相互影响已不容忽视。因此，光伏发电系 统并网控制的研究日益深刻， 原本理想电网环境下的研究已远远不能满足实际需 求，而实际电网环境下并网控制研究具有现实和重要意义。根据现代电网实际情 况，本文对实际电网环境下，光伏发电系统的增强控制技术进行了研究。 本文主要对电网含有负序及 5 次、7 次谐波情况，光伏发电系统数学模型进 行了深入研究，并根据其数学模型研究其控制策略。本文的基于理想电网环境下 光伏发电系统的数学模型，经过坐标变换的方式，分别建立了正向同步速、反向 同步速、反向 5 倍同步速和正向 7 倍同步速四个旋转坐标系下的数学模型。在不 同坐标系下数学模型的基础上，更深入地从能量守恒的角度，研究了推导出光伏 发电系统的输出功率，并根据功率中所含成分，讨论了光伏发电系统并网变流器 控制目标。 通过合理地分解任务， 有计划的分步实施， 本文不仅建立了不同电网环境下， 光伏发电并网系统的数学模型，研究其控制方式。并在 PSCAD/EMTDC 上进行 了仿真验证，不仅证实模型的正确性，也验证了控制方式的有效性。 关键词：光伏发电系统；实际电网环境；光伏并网系统；MPPT； 华北电力大学硕士学位论文 II Abstract The major cities of fog and haze in China, environmental issues can not be ignored, development and utilization of new and renewable energy sources is imminent, solar energy as a source of energy, its usage is also highly regarded, but mainly in the form of solar energy is solar power. In recent years, the global photovoltaic power generation system and network capacity increased year by year, it also means that large-capacity grid-connected photovoltaic power generation system with the interaction between can not be ignored. Therefore, the study of photovoltaic systems and network control increasingly profound study of the original ideal grid environment can not meet the actual demand, and actual network environment and network control and research has practical significance. According to the actual situation of the modern power grid, the paper under real network environment, and enhance the control technology of photovoltaic power generation system were studied. This article contains a negative sequence on the grid and 5th, 7th harmonics, the photovoltaic power generation system mathematical model of the in-depth study, and study its control strategy based on the mathematical model. In this paper, the mathematical model of the ideal grid photovoltaic power generation system based on the environment, through the coordinate transformation, namely the establishment of a synchronous speed forward, reverse synchronization speed, reverse and forward 5 times 7 times synchronous speed synchronous speed of four rotating coordinate system mathematical model. On the basis of mathematical models in different coordinate systems on more in-depth perspective of energy conservation, study deduced PV system output power, and the power contained in the composition according discussed photovoltaic inverter systems and network control goals. By decomposing the task under reasonable and planned step by step, this paper is not only to establish a different network environment, photovoltaic power generation system and network mathematical model to study the control. And in the PSCAD / EMTDC simulation validation, not only confirmed the correctness of the model, but also demonstrate the effectiveness of control methods. Keywords: Photovoltaic Power Generation System; The Actual Network Environment of Grid-connected Photovoltaic system; MPPT; 华北电力大学硕士学位论文 III 目 录 摘 要 I Abstract . II 目 录. III 第 1 章 绪论 . 5 1.1 课题研究背景 . 5 1.1.1 光伏发电发展现状 . 5 1.1.2 光伏发电发展趋势 6 1.2 国内外光伏发电并网研究 . 8 1.2.1 光伏并网变流器 8 1.2.2 理想电网环境下光伏发电系统控制现状 . 9 1.2.3 非理想电网环境下光伏发电系统控制现状 . 11 1.3 本文的主要工作 . 12 第 2 章 光伏发电系统原理及建模 13 2.1 光伏发电系统 . 13 2.1.1 光伏发电系统简介 . 13 2.1.2 光伏发电系统分类 . 13 2.2 光伏组件数学模型 . 15 2.2.1 太阳能光伏电池简介 . 15 2.2.2 光伏发电系统建模 . 16 2.2.3 光伏发电系统输出特性 . 17 2.3 光伏发电系统并网变流器数学模型 . 18 2.4 本章小结 . 20 第 3 章 光伏发电系统并网及 MPPT 控制 . 22 3.1 光伏变流器并网方式 . 22 3.2 光伏发电系统的 MPPT 技术 . 23 3.2.1 电压反馈法 . 23 3.2.2 电导增量法 . 23 华北电力大学硕士学位论文 IV 3.2.3 直线近似法 . 25 3.3 光伏发电系统变流器并网控制策略 . 26 3.4 理想电网环境下光伏发电系统仿真 27 3.5 本章小结 31 第 4 章 实际电网环境下光伏发电系统并网变流器运行控制策略 32 4.1 实际电网环境对光伏发电系统的影响 . 32 4.1.1 电网负序电压对光伏发电系统的影响 . 33 4.1.2 电网 5 次谐波电压对光伏发电系统的影响 . 34 4.1.3 电网 7 次电压谐波对光伏发电系统的影响 . 35 4.2 实际电网环境下光伏发电系统并网变流器建模 . 36 4.3 实际环境下光伏发电系统并网变流器增强控制技术 . 37 4.4 本章小结 . 42 第 5 章 结论及展望 43 5.1 论文工作总结 . 43 5.2 后续工作展望 . 43 参考文献 . 45 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 . 49 致谢 50 作者简介 . 51 华北电力大学硕士学位论文 5 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景 1.1.1 光伏发电发展现状 社会发展到现在，一切进步和发展都离不开能源的利用和开发。尤其是正处 于工业转型、市场化程度不断加深、国民经济发展日益迅速的中国，能源更是各 项国民发展目标的关键，不容忽视1。然而，随着化石燃料的过度开发，酸雨、 温室效应等由于燃烧而造成的环境问题日益突出。2000 万吨以上的二氧化硫排 放量造成了酸雨的覆盖率达到全国总面积的 30%-40%，对环境造成了不可恢复 的破坏2。这一现象严重背谬了我国可持续发展的基本国策，因此化石能源的利 用类似于饮鸩止渴，不仅不能解决问题，反而造成更加难以解决的环境问题。因 此，环境友好型的新能源的开发和利用势在必行。尽管现在煤炭、石油、天然气 的消费量仍占主要地位，然而环境友好型能源的开发和利用以发展迅速，尤其是 太阳能的开发和利用速度已远远超过了常规能源3。 地球上一切能源均来源于太阳。太阳每年向地球辐射的能量可达约 1.8xl018kWh。在新能源中，太阳能是最具潜力的，其开发不仅可以解决能源问 题，还可以一并解决环境问题4。太阳能的利用形式包括太阳能光伏发电和太阳 热能发电，而太阳能光伏发电是目前开发规模最大的可再生能源发电。太阳能光 伏发电的规模发展，对于减少火电厂的建设和化石燃料量都有很好的效果，对能 源危机和环境问题的解决也有釜底抽薪之效。 到 2012 年，全球光伏发电的装机容量已达到 16.331GW，其安装速度逐步 满足需求，详见图 1-1。2008 年末,全球范围内的光伏发电装机容量高达 16GW。 到 2010 年，全球光伏发电装机总量约为 40GW，平均增长速度可达 50%5。其 中， 位于光伏装机容量之首的是欧盟， 装机容量可达 30GW， 随后是日本 3.6GW， 第三是美国 2.5GW6。截止到 2014 年，全球光伏发电市场预计可达到 30GW。 华北电力大学硕士学位论文 6 0 5000 10000 15000 20000 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 供给（MW）需求（MW） 图1-1 全球光伏装机容量 20世纪70年代我国才开始发展光伏发电产业， 90年代中期才开始稳定发展， 到现在，光伏发电产业开始飞速发展。2009 年我国的光伏发电产业安装容量高 达为 228MW，年增长率高达 552%；2012 年，我国继续保持光伏安装容量快速 发展的强劲势头， 光伏安装容量详见图 1-2。 据估计到 2020 年我国光伏产业的安 装容量将超过 20GW7-9。 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 2002年2004年2006年2008年2009年2010年2011年 年容量（MW）累计容量（MW） 图1-2 我国光伏发电装机容量 1.1.2 光伏发电发展趋势 1839 年 “光生伏达效应”的发现和 1954 年太阳能光伏电池的生产，都为 今后太阳能光伏发电的实现和应用奠定了坚实的基础。 其中光伏发电具体发展历 程如表 1-1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 7 表 1-1 太阳能光伏发电发展历程 时间 事件及影响 原因 1839 年 1945 年 1973 年及 20 世 纪 90 年代 21 世纪初期 太阳能发电进入研究阶段 太阳能发电从理论进入实践 太阳能光伏发电迅速发展 太阳能光伏发电的发展突飞猛 进 “光生伏达效应”发现 太阳能光伏电池产生 石油危机和环境污染对化石燃料使用的 限制 德国的可再生能源法补贴方案，美国加 州的“百万个太阳能屋顶计划10”等发 达国家的政策热潮极大地加速了太阳能 光伏发电的蓬勃发展 在很多发达国家政策的支持与推动下， 太阳能光伏发电发展呈现后来者居上 的趋势，太阳能光伏发电的发展前景无限光明11。 光伏发电的发展情况如下： （1）太阳能光伏电池的产量不断增加，1999 年以来，太阳能光伏电池的产 量的年均增长率超过 40%， 到 2005 年， 太阳能光伏电池的产量比 1999 年增长了 9 倍多； （2）太阳能光伏电池的生产规模持续扩张。目前，中国内地的尚德和晶奥 两大太阳能电池生产企业年产能分别达到 15.85 和 14.63 亿瓦，世界前 5 大太阳 能电池厂（中国尚德、中国晶奥、美国 First Solar、中国天合光、德国 Q-Cells） 的年产量均在 10 亿瓦以上； （3）发达国家制定有利于太阳能光伏发电发展的政策相继出现。 2004 年 德国新能源法补贴法的修订，2006 年，美国加州的“百个太阳能屋顶计划”等 都不同程度地激励了太阳能光伏发电的飞速发展； （4）新型技术应用提高了太阳能电池的效率。单晶硅，多晶硅的发展技术， 以及自动化控制技术的进步，使太阳能电池的效率日益提高。先进的控制技术还 能是并网光伏电池实现很多附加功能，解决电网的很多问题。电池的寿命和作用 都达到空前的效用。 （5）随着生产工艺的精细化，大大降低了太阳能电池及其电池组件的成本。 随着生产技术的进步，太阳能电池的价格一路下降，从 1996 年到 2003 年，太阳 能电池的整体价格下跌了达 50%。 然而随着太阳能产业的发展， 太阳能电池的应 用场合颇多，价格虽有上升趋势，但是这种下降趋势不会成为长久趋势，随着原 华北电力大学硕士学位论文 8 材料问题的解决，太阳能电池价格的下降趋势将是不容改变的现实。 1.2 国内外光伏发电并网研究 1.2.1 光伏并网变流器 功率变换器技术能让不同的电力设备（可再生能源发电、能量存储、柔性传 输和可控负载）与电力系统实现高效、灵活的互联。因此，可以预见的是，正如 同步发电机在集中式电力系统中所扮演的中心角色一样， 并网变流器 （也称为 “同 步变流器” ）在未来基于智能电网技术的电力系统中将会发挥重大作用。并网逆 变器是光伏发电系统并网运行不可或缺的设备， 它可以将光伏阵列输出的直流电 能逆变成工频交流电能，以方便并入电网。 光伏逆变器的分类很多，按照光伏电池阵列的容量，可做如下分类： 1）模块集成式逆变器（Module Integrated Inverter） ，适合光伏发电系统容量 为 50400W，多用于微型光伏发电装置； 2）单串式逆变器（String Inverter） ，适合光伏发电系统容量为 0.42kW，多 用于小型屋顶式光伏发电装置； 3）多串式逆变器（Multisring Inverter） ，适合光伏发电系统容量为 1.56kW， 多用于中、大型屋顶式光伏发电装置； 4）迷你集中式逆变器（Mini Central Inverter） ，适合光伏发电系统容量大于 6kV，迷你集中式逆变器是三相拓扑结构，采用模块化设计，多用于大型屋顶式 光伏发电装置，亦或是容量在 100kV 以内的小型发电站，其逆变单元的功率等 级为固定的几个等级值，分别为 6kV、8kV、10kV、15kV； 5）集中式逆变器（Central Inverter） ，典型功率为 1001000kW，具有三相 拓扑结构和模块化设计，适用于功率高达数 10MW 的大型电站，其典型的逆变 单元的功率等级为 100kW、150kW、250kW、500kW、1000kW。 20 世纪 80 年代，世界上首台并网运行的光伏发电系统出现，该系统采用的 是晶闸管的集中逆变器。首批系列生产的基于晶体管的光伏逆变器是 1990 年由 SMA 公司生产的 PV-WR12。从 20 世纪 90 年代中期开始，除了模块集中式光伏 逆变器仍主要采用 MOSFET 之外，各种类型的光伏逆变器均已采用 IGBT 和 MOSFET。 太阳能发电装置成本高， 因此效率问题成为太阳能发电并网逆变器技术进步 的最大动力。为了提高光伏系统的并网效率，提高市场竞争力，各种各样的光伏 逆变器结构争相出现。 同电机驱动逆变器相比，无论在硬件还是功能上，光伏逆变器都更为复杂。 华北电力大学硕士学位论文 9 造成光伏逆变器硬件复杂程度升高的因素主要有三个：并网滤波器、提升输入电 压、脱网继电开关盒直流开关。而光伏逆变器应具备的典型功能主要包括最大功 率点跟踪、电网同步、反孤岛和数据记录等。 事实上，电机驱动行业的历史比光伏行业要早 20 年。由于成本的原因，全 桥拓扑结构的逆变器。而对光伏行业来说，为了达到提高效率和减少工业制造成 本的主要目的，几年来开发出多种新型的光伏逆变器拓扑结构。由于光伏电池板 寿命一般都会超过 20 年，因此人们也努力开展延长光伏逆变器的使用寿命的研 究。如今，多家生产厂商都提供长达 20 年的售后服务。 目前，随着光伏发电系统发展，其应用形式主要有四种：户用离网系统、非 户用离网系统13-14、分布式并网系统和集中式并网系统15-16。本文主要研究实 际电网环境下光伏发电系统控制，因此，本文主要研究集中式并网系统，本文所 提到的光伏发电并网均是指集中式并网系统。 1.2.2 理想电网环境下光伏发电系统控制现状 由于光伏逆变器的拓扑结构非常多，其控制结构也不尽相同。每一种拓扑结 构都有其特定的调制算法。并网变流器是光伏发电系统并网运行所必须的设备， 因为如果没有并网变流器，太阳能电池输出的直流电能无法并入交流电网，更无 法传输到负荷终端，太阳能光伏电池的价值也无从体现。日前，太阳能并网变流 器的控制内容如表 1-2 所示： 表 1-2 太阳能光伏并网变流器控制 控制方式 控制目标 控制效果 直 流 母 线 电 压 控制 保持光伏电池输出 电压稳定、无谐波 控制好光伏电池的输出 电压不仅可以延长光伏电池 的寿命， 还可以提高并网变流 器的逆变效率 交流电压控制 保证光伏发电系统 并网电压符合并网要求 控制光伏发电系统并网 电压的频率、 电压幅值以及相 位达到同期并网要求， 减小并 网冲击， 提高电网的电能质量 开关逻辑控制 控制并网变流器的 开关状态，从而达到控 制策略的实现 将对变流器的控制转变 为对并网变流器IGBT开断的 控制，实现并网变流器的控 制，达到并网控制的目标 华北电力大学硕士学位论文 10 除了用于光伏发电系统并网运行的变流器外，变流器的研究日益深入，控制 方法也多种多样，广泛使用的有直接功率控制、预测电流的控制、电压电流双闭 环矢量控制策略等。为了说明本文研究情况，又便于表达研究成果，本文的控制 器多采用矢量控制，还介绍了坐标变换与定向方法，本文采用定向方法有电压定 向和磁链定向 17-20。并网变流器的调制方法有脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation ，PWM)、空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM) 、正弦脉宽调制(Sin Pulse Width Modulation，SPWM)。 光伏发电系统并网研究至今，其并网控制的研究多种多样。然而，基本方向 有三个：开关逻辑控制、交流电流的控制和直流电压的控制21-23。直流电压控制 方法中，输入量取的是直流电压反馈量与参考电压的差，控制的参考值取交流电 流的幅值。电流前馈控制24大大改善了电压控制的响应速度。而关于电压调节 器的设计,当前应用较多的控制器是 PI 控制器，而新的算法也争先恐后的出现， 如神经元预测控制算法25和 DSP 快速实时处理26,这些方法在一定程度上有很 强的优势， 然而由于这些控制复杂繁琐， 其实际应用并不常见。 交流电流控制中， 能够严格控制交流电流的波形，使其严格接近于正弦波形，还可以控制交流侧输 出功率，保持功率因数为定制（也可实现单位功率因数控制） 。光伏发电系统并 网变流器还可选择交流电流作为控制量,根据控制量的选择，又包括间接电流控 制27和直接电流控制。间接电流控制是指通过调节并网逆变器中桥臂中点的电 压幅值和相位来控制变流器的交流输出电流。直接电流控制包括滞环电流控制 28、瞬态电流控制29、预测电流控制30、同步 PI 电流控制方法。根据开关逻辑 的方式,现在应用最多的有：空间矢量控制31-33、 PWM 调制控制和直接能量控 制34-37三种。 文献38研究了变流器在 dq 坐标系下的性能与特性，定向方式采用电网电 压定向，从而实现了电压外环控制和电流内环双闭环的控制。电压外环中的电压 是指直流母线电压，电流内环是指交流电流的 dq 轴分量，这里可以实现有功功 率和无功功率的解耦控制。文献39介绍了预测电流法的应用，该方法首先通过 微分或积分的算法提前计算出电流的预测值， 然后控制有功功率和无功功率的输 出，该方法响应速度快、控制精度高，然而该方法瞬态的超调较大，鲁棒性也较 差。文献40中所介绍的双环控制方法实质电容电流控制和输出电流控制，其控 制目标仍然是变流器输出的有功功率和无功功率， 该方法所采用的控制器是电流 控制器， 并在电流控制环前加入了电压环的影响， 并以电容电流的影响考虑在内。 文献41、42采用 SPWM 调制方式，推导了并网变流器的瞬时功率模型，通过 研究所有矢量对瞬时功率的影响，文献提出了开关是量表法来控制开关量。通过 控制矢量的开关量来实现系统的控制。同文献41、42不同，文献43采用的调 华北电力大学硕士学位论文 11 制方式是 SVPWM 技术，该种调制技术队直流电压的利用率更高，谐波含量也 比较低，而且该方法比较适合数字化控制。矢量控制虽然有很多优点，然而其实 现却基于复杂的坐标变换，在坐标变换中，矢量定向技术至关重要，其准确性也 令人担忧，为了解决矢量控制的种种问题，又有很多学者研究出了其它方法，如 直接功率控制（Direct Power Control，简称 DPC）策略。 1.2.3 非理想电网环境下光伏发电系统控制现状 国家电网规定，允许少量的谐波存在于电网中，然而今年来，随着电力电子 器件的大量应用，谐波的含量也逐步上升。这些谐波分量不仅对电网的稳定运行 有影响，也会对电气设备的寿命。对于太阳能光伏电池而言，随着并网容量的日 益增大，二者之间的相互影响已不容忽视，因此，本文对电网含有谐波情况下光 伏发电系统的控制进行了研究。 目前，光伏发电系统并网装置采用 PWM 变流器，很小的不平衡电压将造成 变流器交流电流的不平衡、光伏电池电压的波动，很小的谐波电压也会使变流器 交流电流中含有很大谐波分量。当前光伏并网容量相对于电网容量越来越大，缺 乏实际电网环境下光伏发电系统， 这些波动的功率和含有谐波的电压电流并入电 网，会对电网造成伤害，电网中的谐波也会对太阳能发电设备的寿命和使用造成 不可恢复的影响44。 非理想电网环境下， 并网变流器高性能控制的研究多针对电网电压含有负序 分量的情况。然而，序分量分解会造成很大的延时，PI 控制器的跟踪速度也会 受到很大影响，为了解决这些问题，文献45在原有的转子电流控制环中增加了 新的控制器PR（Resonant controller）谐振控制器，文献46在原有的转子电 流控制环中增加了 PI+R 新型控制器，这样不仅可以减少了序分量分解次数，以 及控制器的数量，大大提高了控制效果。文献47将定子的负序电压作为一种补 偿相，加入到转子负序电压的计算公式中。通过这种方式，平衡定转子电压中的 不平衡分量，从而使发电机的输出转矩和电磁功率的波动降低，甚至减小为零。 文献48类似于文献47，直接补偿转子电压的负序分量，从而达到抑制电磁转 矩的波动目的。文献47和48采用增加负序电压补偿控制器的方法以避免序分 量分解。 目前学术界要就较多的包括各次谐波的控制，针对电网中所含有的 5、7 次 谐波，文献49建立了此时的并网变流器的严格数学模型，设计了专门针对各次 谐波的控制器，实现了不同的控制目标。文献50提出了一种抑制并网 5、7、11、 13 次谐波电流分量的交叉耦合控制策略，以减小并网变流器的波动。文献51 为了实现各次谐波的有效控制，设计了 PI-R 电流控制器。但是，光伏并网变流 华北电力大学硕士学位论文 12 器有其自身的特点，而直接针对光伏并网变流器的谐波控制研究甚少，国内外文 献涉及还未见闻，因此本文针对光伏并网变流器的特点进行了研究和仿真。 1.3 本文的主要工作 光伏发电系统并网容量的日益增加， 光伏发电系统与电网之间的相互影响不 容忽视，实际电网环境对并网型光伏发电系统的影响也越来越大，针对此情况， 本文对非理想电网环境中， 太阳能光伏发电系统并网运行增强控制基础理论与关 键技术进行了研究。 （1）介绍太阳能光伏发电系统及其分类。介绍了太阳能光伏电池的原理， 建立了太阳能光伏电池的数学模型，研究了其输出特性，验证了模型的正确性。 建立了太阳能光伏发电系统并网变流器物理模型，并根据 KVL 和 KCL，得到太 阳能光伏发电系统并网变流器的数学模型。 （2）探讨了太阳能光伏发电系统的并网方式。介绍了太阳能光伏发电系统 的 MPPT 技术，介绍了 MPPT 算法，并详细介绍了电压反馈法、电导增量法和 直线近似法。研究了理想电网环境下太阳能光伏发电系统并网变流器的控制策 略，并在 PSCAD 上搭建了理想电网环境下太阳能光伏发电系统并网运行模型， 完成了实际电网环境下，太阳能光伏发电系统并网运行进仿真。 （3）研究了电网电压中同时含有不对称分量和 5、7 次谐波分量时，太阳能 光伏发电系统并网运行特性，并分析了电网电压的不对称分量和 5、7 次谐波对 太阳能光伏发电系统的影响。为了更好研究电网还有谐波时，光伏发电系统的运 行特性，以更好地对其进行控制，本文还建立了电网电压分别含有负序分量、5 次谐波含量和 7 次谐波含量情况下太阳能光伏并网变流器的数学模型， 在此基础 上，本文进一步推导了其吸收的有功功率和无功功率，探讨了不同的控制目标， 提出具有针对性的控制策略。并在 PSCAD/EMTDC 上搭建了仿真模型，验证了 控制策略的有效性和正确性。 华北电力大学硕士学位论文 13 第 2 章 光伏发电系统原理及建模 太阳能光伏发电系统中，光伏电池是最主要的设备，也是太阳能转换为电能 的关键元件。本文主要研究的是光伏发电系统并网运行控制，而并网变流器是光 伏发电系统并网运行的不可或缺的设备，因此本文的研究重点便是二者的控制。 2.1 光伏发电系统 2.1.1 光伏发电系统简介 太阳能发电包括光伏发电、 光化学发电、 光感应发电和光生物发电四种形式， 其中太阳能光伏发电是指将太阳能直接转换成电能的发电方式。 它发出的电能是 直流电， 整个过程不需要旋转设备， 便于维护和安装。 是太阳能利用的主要形式， 也是太阳能发电的主要方式。 完整的光伏发电系统由太阳能电池板、变流器、太阳能光伏系统控制器三部 分组成。下面一一进行介绍。 1）太阳能电池板。它是整个太阳能光伏发电系统重要设备，其主要作用就 是实现能量的转换。其中，太阳能转换成电能的比率称为电池板的转化率这是太 阳能电池板的重要参数。 2）变流器。太阳能发电系统中并网变流器通常有逆变器，前面介绍太阳能 发电时提起过，太阳能电池输出的是直流电，而逆变器的主要作用就是将该直流 电逆变成适合并网和应用的工频交流电。 3）太阳能光伏系统控制器：太阳能是一种波动能源，其具有不稳定性，因 此通常会有蓄电池联合使用。 2.1.2 光伏发电系统分类 光伏发电系统的分类很多，本文将介绍独立型光伏发电系统、并网型光伏发 电系统、混合型光伏发电系统三种。 1）独立型光伏发电系统 独立型太阳能光伏发电系统如图 2-1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 14 太阳能电池板DC/DC蓄电池（组）直流负载 控制器逆变器交流负载 图 2-1 独立型光伏发电系统结构框图 从图中可以看出，独立型光伏发电系统主要包括太阳能电池板、逆变器、控 制器、蓄电池四部分。其中，太阳能电池板的主要作用是实现能量的转换，其发 出的电能一般是直流形式，因此可以直接给直流负载供电，然而需给交流负载供 电时，必须经过逆变器将其转换交流电。由于太阳能的波动与不稳定性，导致电 能的波动，甚至中断，因此需要使用蓄电池来平滑太阳能的波动。 2）并网型光伏发电系统 并网光伏发电系统如图 2-2 所示 太阳能电池板DC/DC 电网 控制器 逆变器 交流负载 图 2-2 并网型光伏发电系统结构框图 从图中可以看出，同独立型光伏发电系统不同，并网型光伏发电系统必须经 逆变器才能并网运行。按照是否有蓄电池这一储能环节，可将并网型的光伏发电 系统分为两种，一种是带有储能装置的，又叫做可调度式并网光伏发电系统，该 系统兼具不间断电源的作用，又有功率调节器的作用。另一种是不带有储能装置 的，也可叫做不可调度式并网光伏发电系统，该系统只能将光伏发电系统输出的 电能转换成工频交流电能，并入电网，传输到负荷侧。太阳能发电系统并网问题 归根到底是能量守恒的问题，如果想从根本上解决能量守恒问题，只用增加储能 设备。 3）混合型光伏发电系统 图 2-3 为混合型光伏发电系统 华北电力大学硕士学位论文 15 太阳能电池板蓄电池（组）直流负载 控制器逆变器交流负载 主开关 发电机组 图 2-3 混合型光伏发电系统结构框图 从图中可以看出，该系统除了有独立型系统的基本设备外，还增加了台备用 发电机，用来与光伏电池配合使用，以补充太阳能的波动与变化。该发电机还可 以通过整流器， 给储能环节中的蓄电池充电， 保证供电的稳定性与可靠性， 因此， 该系统应该是供电可靠性最高的太阳能发电系统。 2.2 光伏组件数学模型 2.2.1 太阳能光伏电池简介 太阳能光伏电池是光伏发电系统的主要设备，能够将太阳能转换成电能，太 阳能光伏电池必不可少。其发电原理成为光生伏达效应 52-53。光生伏达效应效 应是半导体所特有的性能，因此半导体器件是太阳能光伏电池的主要设备。 光导效应和内部电场是太阳能光伏电池实现能量转换的两个必不可少的要 素。 只有当半导体材料吸收了足够大的能量后， 才能使电子越级到高能带， 此时， 才能脱离原子核的束缚，游离成为自由电子，同时也使原子带有空穴，如图 2-4 所示。随着自由电子和空穴的不断增加，半导体的导电性逐步增强，这就是光导 效应。我们都知道，电流是正电荷的定向移动，因此，空穴和自由电子的定向移 动便形成了电流，从而实现了太阳能到电能的转换。然而空穴和自由电子的移动 方向是一定的，因此，太阳能光伏电池发出的电能是直流电能，要想并网运行， 必须经过逆变器，将其转换成工频交流电能。 电子-空穴对 阳光 减反射层 上电极 基底 背电极 发射极 华北电力大学硕士学位论文 16 图2-4 太阳能光伏电池的结构图 单晶硅、多晶硅和非晶硅是生产太阳能光伏电池的主要材料。三者的比较可 见表 2-1。 表 2-1 光伏电池材料汇总 主要材料 优点 缺点 单晶硅 具有基本完整的点阵 结构， 纯度高， 电学性能均 匀，光电转换效率高 直径较小，机械加工性差， 生产成本高 多晶硅 机械性能较好， 生产成 本较低 其化学性能和电性能远不如 单晶硅，其本身也含有杂质，效 率不高 非晶硅 成本较低，可自由裁 剪，可以拉到很薄 光电转换效率太低，结构不 稳定 综合考虑，目前应用最广泛的光伏电池材料时单晶硅，特别是在卫星等要求 高的光伏电池中，单晶硅的应用最为广泛。而非晶硅的市场竞争性最差，作为光 伏电池，应用场合也最少。 2.2.2 光伏发电系统建模 图 2-1 所示即为太阳能光伏电池的等效电路54， 由于光伏电池由多个 PN 结 构成，而且它还可以发出电能，可用电流源 ph I等效太阳能光伏电池，如图 2-1 所示， s R表示 ph I的串联电阻，其值一般很小，理想状态下可近似为 0； sh R 为 ph I 的并联电阻，其值一般较大，理想状态下近似为无穷大。本文为了计算和讨论问 题的简便，在不影响光伏电池性能及特性的情况下，将 sh R和 s R忽略。PN 结的非 线性阻抗可用 j R表示， j D用来表示 PN 结二极管， o R表示外接负载，I，V则分 别代表太阳能光伏电池的输出电流及电压。 ph I j R sh R o R I V s R 图2-5 太阳能光伏电池的等效电路 综上，光伏电池的输出电流可表示为： 华北电力大学硕士学位论文 17 exp1 pphpsat s qV In In I kTA n (2-1) 式中， p n表示太阳能光伏电池模块的并联个数； s n表示太阳能光伏电池模块 的 并 联 个 数 ；q表 示 电 子 的 电 荷 量 （ 19 1.6 10C ） ；k表 示 波 尔 曼 常 数 （ 23 1.38 10J K ） ；T表示太阳能光伏电池的温度；A表示太阳能光伏电池的理想 因数（15A） 。 sat I表示太阳能光伏电池的反向饱和电流，可表示为： 3 11 exp Gap satrr rr qE T II TkATT (2-2) 式中， r T表示的是光伏电池的参考温度； rr I表示的是光伏电池在特定温度 r T 时的反向饱和电流；而 Gap E表示的是半导体材料跨越能带间隙时所需要的能量 （硅的1.1 Gap EeV） 。这些参数在某一参考温度下都是固定的，此时， sat I就是温 度T的单值函数。太阳能光伏电池的输出电流 ph I直接与太阳照度和大气温度有 关，它们之间的关系可用式（2-3）表示： /100 phssoiri IIK TTS (2-3) 式中，Isso指的是太阳能光伏电池工作在参考温度和日照条件（100mW/cm2） 下，所测到的短路电流值；Ki指的是光伏电池的短路电流温度系数；Si指的是太 阳的日照强度。上式清楚地表述了光伏电池的物理特性，利用式 2-1 也可以计算 出其输出功率 P： exp1 pphpsat s qV PIVn I Vn I V kTA n (2-4) 2.2.3 光伏发电系统输出特性 联立式 2-1、 式 2-2、 式 2-3 和式 2-4 等数学关系式， 并利用数学分析法求解， 在日照强度和大气温度等条件改变时，太阳能光伏电池的电压 V、电流 I 与功率 P 之间随日照强度 Si和温度 T 变化的关系图如下所示。 V I A 2 1/kWm 2 0.75/kWm 2 0.5/kWm V P 2 1/kWm 2 0.75/kWm 2 0.5/kWm 华北电力大学硕士学位论文 18 a) I-V关系图 b) P-V关系图 图2-6 太阳能光伏电池的日照特性 图 2-6(a)表示不同光照强度下，太阳能光伏电池的电压-电流特性，图 2-6(b) 表示不同光照强度下，太阳能光伏电池的电压-功率特性。从这两个图中可以看 出，光照强度是影响太阳能光伏电池输出特性的重要因素。另外，从电压-电流 特性曲线中可以看出，相同光照强度下，A 点是恒流输出和恒压输出的分界点。 从电压-功率特性曲线可以看出，在每一个光照强度下，对应不同的电压，都会 有功率最大的一点，可用图 2-6(b)中的虚线表示。 V I V P 0oC 25oC 50oC 0oC 25oC 50oC a) I-V关系图 b) P-V关系图 图2-7 太阳能光伏电池的温度特性 图 2-7(a)表示温度下，太阳能光伏电池的电压-电流特性，图 2-6(b)表示不同 温度下，太阳能光伏电池的电压-功率特性。从这两个图中可以看出，温度也是 是影响太阳能光伏电池输出特性的另一个重要因素。从电压-电流特性曲线中可 以看出，温度对太阳能光伏电池的短路电流影响甚微，然而，对开路电压的影响 却不容忽视。从电压-功率特性曲线可以看出，不同的温度情况下，随着电压的 升高，功率的变化也不相同，但是每个温度下，都在电压达到某个值时，功率达 到最大。 根据图 2-7(a)、(b)，在太阳光照强度一定的条件下，温度发生变化时光伏电 池的输出特性： (1)温度对光伏电池的输出短路电流影响不大，温度上升时，输出短路电流 略有增加，但开路电压随着温度增加而减小。 (2)光伏电池输出的最大功率点随电池温度的上升而下降，变化趋势如图 2-7(b)中虚线所示。 2.3 光伏发电系统并网变流器数学模型 光伏发电系统并网变流器一般常采用三相两电平 PWM 变流器。 其拓扑结构 可用图 2-8 所示结构表示。其中，egi（i=a、b、c）表示三相电网电压，Lg、Rg 华北电力大学硕士学位论文 19 表示并网交流侧等效电感和电阻，igk（k=a、b、c）为交流侧输出三相电流，Vgk （k=a、b、c）为交流侧三相输出电压 Vdc为光伏电池出口电压，idc为光伏电池 出口直流电流，iload为直流侧负载电流，Cdc为直流母线稳压电容。定义功率开 关管开关函数 Sk（k=a、b、c） ，Sk =1 时，相应桥臂上管导通，下管关断；Sk =0 时，相应桥臂上管关断，下管导通。 ega egc egb 太阳能 光伏 电池 udc LgRgiga igb igc iload Cdc Va Vb Vc 0 idc SaSbSc N Lg Lg Rg Rg SaSb Sc 图2-8 光伏发电系统并网变流器拓扑结构 假设电网电压三相平衡，功率开关为理想器件，根据上图所示，由 KVL 得 a 相电压回路方程 ga gagg gaga di eLR iV dt (2-5) 同理，得到 b、c 两相回路方程 gb gbgg gbgb di eLR iV dt (2-6) gc gcgg gcgc di eLR iV dt (2-7) 通常假设系统三相对称无中线，则 0 0 gagbgc gagbgc eee iii (2-8) 根据图 2-9，流过电容的电流可以表示为 dc dcdcloada gab gbc gcload du CiiS iS iS ii dt (2-