（交通信息工程及控制专业论文）基于DSP的光伏发电系统并网技术的仿真研究.pdf

摘要 摘要 传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害同益突出，同时全球还有2 0 亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再 生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，太阳直接辐射到地球的能量 丰富，分布广泛，可以再生，不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。光伏发电 结合其自身的优点和特点，日益得到各国的重视。光伏并网发电是光伏发电的一个重要 研究方向，光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部件。本文主要内容如下： 本文概述了光伏发电技术的背景和意义、存在的问题与前景，光伏并网发电技术的 现状和发展，并简单介绍了光伏发电并网系统的结构和分类，对光伏并网发电有一个全 面的认识。 。 论述了光伏电池的工作原理、伏安特性和输出功率等，为实际应用提供了理论基础。 由于光伏阵列是一种非线性的电源，因此最大功率点跟踪控制( m p p t ) 是光伏并 网系统经常遇到的问题，本论文在分析和比较了各种常用m p p t 控制方法的基础上，提 出采用最优梯度法来跟踪最大功率点，使得分析结果满意，算法简单。 光伏并网系统由光伏阵列、变换器和控制器组成，文中采用两级式逆变拓扑结构， 重点设计了直流直流变换器、直流一交流逆变器、基于d s p 的控制电路以及系统保护电 路，分析了电路的工作原理，对主控单元的硬件和软件部分做了详细分析，并根据要求 确定了合适的参数和电子器件，在m a t l a b s i m u l i n k 工作软件中建立一台直流1 3 8 v 至交流2 2 0 v 的逆变器，对其仿真来验证设计的可靠性和可行性。 本文通过比较分析，得出并网逆变器采用电流控制模式更为合理的理论。并用 m a t l a b s i m u l i n k 建立了以数字控制策略为基础的电流跟踪的模型，确定合适的参 数，进行仿真，对本文采用的控制策略进行了实验验证。 关键词：光伏发电；最大功率点跟踪( m p p t ) ；逆变器；d s p 人连交通人学i ：学硕十z 何论文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lf u e l sr e d u c ed a yb yd a y , h a r m f u lt ot h ee n v i r o n m e n tw o r s e n i n g ，a tt h es a m e ， t h e r ea r ea b o u t2 0b i l l i o np e o p l ed o n th a v en o r m a le n e r g ys u p p l ya l lo v e rt h ew o r l d t h e n ， p e o p l ec a s tt h e i re y e so nr e n e w a b l ee n e r g y ；h o p er e n e w a b l ee n e r g yc a nc h a n g eo u re n e r g y s t r u c t u r e ，a n dm a i n t a i nl o n g t e r ms u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s o l a re n e r g yi sa b u n d a n t l y , w i d e l yd i s t r i b u t e d ，r e v e r t i b l e ，d o e sn o tp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t ，i ti sr e c o g n i z e da st h ei d e a l a l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e p vp o w e rg e n e r a t i o nh a sb e e ng r o w i n ga t t e n t i o nt ot h ec o u n t r i e s b e c a u s ei t sa d v a n t a g e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s p vg r i d c o n n e c t e ds y s t e mi sa n i m p o r t a n t d i r e c t i o no fp vp o w e rg e n e r a t i o n p vg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ri st h ec o r ec o m p o n e n ti np v g r i d c o n n e c t e ds y s t e m t h i st h e s i sr e a da sf o l l o w s ： t h i st h e s i sp r o v i d ea no v e r v i e wo ft h eb a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c e ，s t a t u s ，d e v e l o p m e n t p r o b l e m s a n dp r o s p e c t so fp h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g y ，a n di n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n d c l a s s i f i c a t i o no ft h eg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e ms i m p l y h o l dac o m p r e h e n s i v ec o m p r e h e n s i o n o fg r i d - c o n n e c t e dp v s y s t e m d i s c u s st h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，v o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c sa n do u t p u tp o w e ro f p h o t o v o l t a i cc e l l s ，p r o v i d ea t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt op r a c t i c a la p p l i c a t i o n p h o t o v o l t a i ca r r a yi san o n l i n e a rp o w e r m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gc o n t r o l ( m p p t ) i sap r o b l e mo f t e ne n c o u n t e r e di ng r i d c o n n e c t e dp vs y s t e m ，t h et h e s i sa n a l y s i sa n dc o m p a r e s o m em p p l rd e s i g n su s e df r e q u e n t l y , p r o v i d et h eu s eo fo p t i m a lg r a d i e n tm e t h o dt ot r a c kt h e m a x i m u mp o w e rp o i n t ，m a k eas a t i s f i e dr e s u l t ，a n da l g o r i t h mi ss i m p l e g r i d c o n n e c t e dp vs y s t e mi sc o n s i s t e do fp va r r a y , c o n v e r t e ra n dc o n t r o l l e r , c o n t r o l l e r i st h ec o r et e c h n o l o g y i ta d o p t st w o - l e v e li n v e r t e rt o p o l o g yi nt h et h e s i s t h et h e s i sf o c u so n t h ed e s i g no ft h ed c - d cc o n v e r t e r d c a ci n v e r t e r ，a n dc o n t r o l l e rb a s e do nd s pa n d p r o t e c t i o nc i r c u i t ，a n a l y z et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e s ec i r c u i t s ，d e t e r m i n i n gt h ea p p r o p r i a t e p a r a m e t e r sa n de l e c t r o n i cd e v i c e s u s i n gm a t l a b s i m u l i n kt oe s t a b l i s ha ni n v e r t e r i t c a nc h a n g ev o l t a g ef o r md c13 8 vt oa c2 2 0 ，t h es i m u l a t i o nv e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h ed e s i g n b yc o m p a r i s o n ，a d o p tc u r r e n tc o n t r o lm o d et op vg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e ra sr e a s o n a b l e t h e o r y u s i n gm a t l a b | s i m u l i n kt oe s t a b l i s ham o d et ot r a c kc u r r e n tb a s e do nd i g i t a l c o n t r o ls t r a t e g y , d e t e r m i n i n gt h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s ，s i m u l a t i o n ，v e r i f y i n gd e s i g no ft h e c o n t r o ls t r a t e g yo ft h i sa r t i c l eb yt e s t s k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n ；m p p t ；i n v e r t e r ；d s p 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 光伏发电研究的背景和意义 1 1 1 太阳能是化石能源的主要替代能源之一 太阳能作为一种巨能的可再生资源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶 石油燃烧的能源。丌发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少的污 染，太阳能既是近期急需的能源补充，也是未来能源结构的基础。无论是从经济社会走 可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途来 解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。 人类在开发利用能源的历史长河中，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的时期， 仅是一个不太长的阶段，它们终将走向枯竭而被新的能源所代替。人类必须及早寻求新 的替代能源。研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能量丰富，分布广泛，可以再生， 不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。从环境角度来看，化石能源的大量开发 和利用，是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。据研究报道，约 8 0 的温室气体是人类活动引起的，其中c d 的作用约占6 0 。可见，c o ，是大气中的 主要温室气体类型，而化石燃料的燃烧是c 0 2 的主要排放源。2 0 0 3 年世界一次能源消费 中，石油、天然气和煤炭分别占3 7 3 、2 3 9 和2 6 5 ，发达国家多数以石油为主要能 源。这些化石燃料向大气排放了大量的c d 。人们可以预计：如果不对温室气体采取减 排措施，从2 1 世纪初起，全球平均气温每1 0 年将升高0 2 ，到2 1 0 0 年全球平均气温 将升高1 3 5 【1 1 。 中国的能源开发利用对于环境造成的污染同样非常严重。中国是世界上少数几个能 源结构以煤炭为主的国家，也是世界上最大的煤炭消耗国。2 0 0 3 年中国煤炭消费量占世 界煤炭总消费量的3 1 o ；一次能源构成中，煤炭占绝对主导地位，所占比重达6 8 3 6 ， 煤炭燃烧所产生的温室气体的排放量比燃烧同热值的天然气高6 1 ，比燃油高3 6 。 2 0 0 6 年中国排放c o ，居世界第一位，其中8 5 是燃煤排放的。2 0 0 6 年中国排放s d 居 世界第一位，其中5 2 1 是由燃煤火电排放的。由于能源利用及其他污染源大量排放环 境污染物，2 0 0 0 年造成中国有5 7 的城市环境污染中的颗粒物超过国家限制值；有4 8 个城市的s 0 2 浓度超过国家的排放标准：8 2 的城市出现过酸雨，面积达国土面积的 3 0 ：许多城市的d ，有增无减。太阳能可以直接利用，基本上没有污染物排放，清洁 干净。目前，各种发电方式的碳排放率( g 碳( k w h ) ) ：煤发电为2 7 5 ，油发电为2 0 4 ， 天然气发电为1 8 1 ，太阳能热发电为9 2 ，太阳能光伏发电为5 5 ，波浪发电为4 1 ，海洋 人迕交通人学l 硕十学何论文 温差发电为3 6 ，潮流发电为3 5 ，风力发电为2 0 ，地热发电为1 1 ，水力发电为6 。这些 数据是以各种发电方式所用的原料和燃烧的丌采和运输、发电设备的制造、电源网架的 建设、电源的运行发电以及维护保养和废弃排放与处理所有循环中消费的能源，按照各 种发电方式在寿命期间的发电量计算得出的| 2 l 。中国地处北半球，南北距离和东西距离 都在5 0 0 0 公罩以j 二。中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年1 7 0 0 0 亿吨标准煤。 太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。在中国广阔的上地上，有着丰富的太阳能资源。 大多数地区年平均f 1 辐射量在每平方米4 千瓦时以上，西藏= 1 辐射量最高达每平米7 千 瓦时。年同照时数大于2 0 0 0 小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、 h 本优越得多，因而有巨大的开发潜能。近2 0 年来，中国光伏产业长期维持在全球市 场1 左右的份额。2 0 0 3 、2 0 0 4 年中国太阳电池组件的生产量有了大幅度增长，2 0 0 3 年 达1 2 万千瓦，约占世界份额的2 2 ，2 0 0 4 年达3 5 万千瓦，约占3 。由上述可见， 以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地球生态环境的洁净能 源；它将逐渐减少和替代化石能源的使用。根据欧洲联合研究中心( j r c ) 的预测，到2 0 5 0 年，可再生能源在能源中的比例约为5 2 ，太阳能光伏利用占其中的2 8 ，到2 1 0 0 年， 可再生能源在能源中占的比例为8 6 ，光伏利用占6 7 1 弘j 。 1 1 2 光伏发电的优点和存在的问题 太阳能利用主要有光热利用，光伏利用和光化学利用等三种形式。热利用主要在采 暖领域比较多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换成当今最普通的能源利用 方式一电能，从而具有热利用不可比拟的优势，光伏发电系统与其他发电系统相比具有 的很多优势： ( 1 ) 它的能源取之不尽，用之不竭，无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放 。 ( 2 ) 资源普遍，分布极其广泛，凡是太阳光能照射到的地方就能发电。 ( 3 ) 可再生，具有理想的可持续发展属性。 ( 4 ) 无论规模大小，其发电效率几乎是相等的。 ( 5 ) 电能可以便捷地通过输电线路传输、使用和存储。 目前，光伏发电存在以下4 个大的不足： ( 1 ) 光伏发电的最基本元件是光伏阵列，主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜光伏电 池等。一般地，单晶硅光伏转化效率为1 0 1 5 友右，非晶硅光伏电池效率为5 8 庄右，薄膜光伏电池目前的转化率仅为2 4 左右。由于光电转换效率太低，从而 使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。并且由于对光电转化管理不利，真 破太阳能的利用率只有5 0 7 0 。 ( 2 ) 系统造价成本高。由于光伏发电效率低，要发出足够的电则需要许多光伏电池板。 2 第一章绪论 2 0 0 3 年，单、双晶硅光伏电池组件的价格约为3 6 - - 4 0 元巩，光伏发电系统价格约为 ， 6 0 - 8 0 元w ，相比于目前的火力和水力发电，光伏发电的成本约为后者的倍， 成本高是当前。制约光伏发电市场快速发展的主要原因。 6 2 0 ( 3 ) 发电运行受到气候环境因素影响大。 ( 4 ) 制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源。硅是地球上各种元素中含量 仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子( d ) ，从沙子变成多晶硅和单晶硅要经过多道 化学和物理工序，要消耗相当多的能量，这也是它们生产成本高的原副7 8 l 。 1 2 光伏并网发电的现状及发展 1 2 1 并网发电是光伏发电的趋势 光伏发电分为离网和并网两种工作方式。独立光伏发电系统主要应用于偏远无电地 区，其建设的主要目的是解决无电问题。其供电可靠性受气象环境、负荷等因素影响很 大，供电稳定性也相对差，很多时候需要加装能量存储和能量管理环节。与孤立运行的 太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处。首先，不必考 虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处， 由大电网来接纳太阳能所发出的全部电能，提高了太阳能发电的效率；再其次，省略了 蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由于存在蓄电池 而带来的运行与维护费用，同时消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。并网光伏发电 技术是当今世晃光伏发电的趋势，是光伏技术步入大规模发电阶段，成为电力工业组成 部分之一的重大技术步骤。近几年来，并网光伏发电市场份额逐年增长情况如图1 1 所 示。 图1 1 并网光伏发电市场份额 f i g 1 1g r i dp vm a r k e ts h a r e 1 2 2 全球光伏并网发电的现状与发展 3 人迕交通人学+ i ：学硕十。 ：f 节沦文 荚国是最早进行光伏发电的国家之一，8 0 年代初就丌始实施p v u s a ( p vu t i l i t y s c a l e a p p l i c a t i o n ) 计划，即作为规模公共电力应用的光伏发电计划，首批建造了1 0 0 k w 以上的大型并网光伏电站4 座。美国能源部于1 9 9 0 年开始启动光伏制造技术的产业化 计划，通过国家可再生能源实验室实施，并成立了国家p v 中心，与产业界、大学和研 究机构联合进行研究，以大幅度降低光伏电池的生产成本。使得晶体硅光伏电池组件的 光电转化率达到1 2 1 4 ；生产规模从过去的l 5m 职年发展到5 2 0m w 年；d 生产 艺不断简化，自动化程度不断提高，另外美国政府在政策上也制定了一系列鼓励 光伏发电有用的政策，1 9 9 7 年，美国提出了“百力太阳能屋顶计划”，即准备到2 0 1 0 年美国将为1 0 0j - 家庭安装太阳能屋顶，总容量在1 0 0 0 m w 3 0 0 0 m w 之间。2 0 0 8 年9 月，参议院曾通过了一项1 8 0 亿美元的新能源计划，其中光伏行业的减税政策( i t l ) 续延2 6 年，这些计划加速促进了美国光伏产业的快速发展。 上世纪9 0 年代中后期德国对世界上几种成熟的光伏技术进行认真研究和分析，在 实施一千屋顶计划( 1 9 9 4 - - - 1 9 9 8 ) 基础上，于2 0 0 0 年1 月颁布实施了与“全网平摊” 相配套的“可再生能源上网电价法 ，规定光伏发电的上网电价为每度电o 9 9 马克( 高 于常规电价0 6 马克度的电价) ，极大地刺激了光伏发电市场，2 0 0 4 年又通过了可 再生能源法案，以及2 0 0 8 年实施的“强制光伏上网定价”，促进了德国光伏市场的完 善，使得德国市场的总装机容量2 0 0 6 年至今一直稳居全球首位，此外，德国2 0 0 9 年立 法，要求任何建筑或翻新建筑安装一定比例无碳发电技术，这对光伏市场无疑是一利好， 会在一定程度上促进德国光伏产业的发展。 日本政府早在1 9 9 7 年就启动“阳光屋顶计划 ，并通过新能源法，采用“补贴法” 来推进屋顶发电计划，对光伏系统实施政府补贴，初始补贴达7 0 ，该政策曾使闩本成 为世界最大的太阳电池生产国和世界光伏市场最大国，并于2 0 0 9 年第一季度又拨款9 0 亿日元用于太阳能电池家用普及活动，日本政府的目标是到2 0 1 0 年光伏并网系统总容 量达到7 6 0 0 m w 。世界光伏系统发展路线图如表1 1 所示。 表1 1 世界光伏系统安装量趋势( 单位：g 昨) t a b l e1 1w o r l dt r e n di np vs y s t e mi n s t a l l t i o n ( u n i t ：g 昨) 年度2 0 0 0 位2 0 1 0 年2 0 2 0 年2 0 3 0 年 美国 0 1 52 13 62 0 0 日本 0 1 53 04 l2 0 0 欧洲 o 2 54 83 02 0 5 世界合计 l 1 4 o2 0 01 8 5 0 4 第一章绪论 许多发达国家也有类似的光伏屋项并网发电项目货计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥 地利、英国等，除此之外，法国、韩国、希腊、东南亚等国家和地区对光伏产业的发展 也日益重视，并相继出台了一系列光伏补贴政策，因此未来市场的发展前景值得期待。 欧洲光伏工业协会( e p i a ) 的预测，2 0 2 0 年世界太阳能电池产量将达到4 0 g ，光伏发 电总装机容量1 9 5 g w p ，发电量，占全球发电量的1 ，太阳能电池组件成本 2 7 4 t w h 下降到1 美元w p ：2 0 4 0 年光伏发电量7 3 6 8 t w h ，占全球发电量的2 1 。 1 2 3 我国光伏并网发电的现状及发展 目前我国的太阳能光伏发电系统，绝大多数是为解决我国边远地区人民生活用电和 某些特殊生产用电而建立的独立系统。关于并网光伏发电系统的研究还处于研究示范阶 段，已建成的示范性并网光伏电站均为低压用户端并网模式，发电容量相对较小，不参 与电网调度，基本不影响电网的正常运行。而大型和超大型并网光伏电站系统不仅建设 规模可以达到m w 甚至g w 级别，发出的电能直接并入高压输电网络，未来可参与电 力的输送和调配，是世界各国未来可再生能源发电的重要发展方向。 国际上并网光伏发电有两种应用方式，一种是在城镇的建筑屋顶或其它空地上建 设，和低压配电网并联，光伏电站发出的电力直接被用户消耗，多余部分输送到电网； 另一种是在荒漠建设，和高压输电网并联，通过输电网输送，降压后再供给用电负载。 我国政府对并网光伏发电技术的研究十分重视。早在“九五 期间我国就丌始了对 并网光伏发电技术的攻关，对光伏发电的并网技术、大型光伏电站使用的控制器和逆变 器技术都进行了认真的研究和攻关，取得了阶段性成果。在此基础上，先后研制并建成 了5 k w 、1 0 k w 的光伏屋顶并网示范电站。国家科技部在“十五 期间，将并网光伏发 电技术列为重要的研究方向，加强了对并网光伏发电的系统设计、关键设备研制和光伏 与建筑相结合等方面的攻关，加速了并网光伏发电技术的步伐，并建成了多座并网示范 电站。除国家科研支持的项目外，近年来在北京、山东、广东、西藏、海南等省市政府 和一些公司也相继建成了多座光伏与建筑结合的并网示范电站。这些示范电站的建设都 大大的推动了我国并网光伏技术的发展。 我国科技部通过“十一五”8 6 3 项目支持开展m w 级并网光伏电站及其相关技术 的研究。研究内容包括：掌握其系统集成技术，研制配套的并网控制逆变器、配电设备 及太阳光伏阵列跟踪设备、荒漠用光伏组件等关键设备。为将来大规模的光伏并网发电 系统做好技术准备。“十一五”期间，我国的光伏发电系统的应用一方面还将以采用户 用光伏发电系统和建设小型光伏发电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问 题。另一方面，借鉴发达国家发展光伏屋顶系统的经验，在经济发达、现代化水平较高 的大中城市的公益性建筑物和其他建筑物上推广使用与建筑结合的光伏电源，计划到 5 人迮交通人学i ：学硕卜学f 节论文 2 0 1 0 年建设总容量5 0 m w 的屋顶光伏发电项目，此外，还将丌展大型并网光伏系统的 示范，为在光伏发电成本下降到一定水平时丌展大型并网光伏系统的大规模应用做准 备。“十一五”未期，光伏系统在这三个方面的应用总量将达到约4 0 0 m w 。在今后的十 几年，我国太阳能光伏市场将会向并网光伏发电方向发展p l 。 1 2 4 我国并网发电亟待解决的问题 尽管我国的光伏产业及光伏并网发电技术发展很快，但与世乔相比应然有很大的差 距。有关专家论证，我国光伏产业必须以接近4 0 年均增长率的速度发展j 能使我国光 伏产业水平在2 0 1 0 年与世界基本趋同。因此必须分析存在的问题，采取相应的措施。 ( 1 ) 市场和产业发展的不平衡，制约了并网光伏产业的健康发展。 目前，我国的光伏产业存在“两头在外”的状况，一方面，光伏产业下游的组件封 装、太阳能消费品生产等由于资金门槛和技术含量低，迅速发展，我国已经成为国际上 光伏产品的主要生产国。但另一方面，我国晶体硅生产技术和产业非常落后，晶体硅原 材料9 5 以上靠进口。由于多晶硅原料的紧缺和价格飞涨，已经严重影响了光伏产业的 发展。更为严重的是，由于发达国家的技术封锁，无法通过引进技术来解决多晶硅原料 的紧缺问题。这已经成为我国光伏产业发展的最大障碍。 ( 2 ) 并网光伏发电缺乏明确的激励政策。 在并网光伏发展迅速的发达国家，政府的激励政策起到了非同小可的促进作用。尽 管国家在原则上对光伏并网发电给予肯定和支持，但是目前还没有可以实际操作的优惠 政策和补贴政策出台，国内并网光伏系统并没有大规模开拓，相关政策体系还不够完整， 经济激励力度弱，相关政策之间缺乏协调，政策的稳定性差，没有形成支持光伏产业持 续发展的长效机制。 ( 3 ) 并网电站建站规模小，示范效应应有待加强。 中国目前最大的并网光伏发电的规模仅为1 m w ，与国际相比，差距很大。唯一与 高压输电网并网的光伏电站一西藏羊八井电站，装机容量只有1 0 0 k w p 。 ( 4 ) 光伏并网关键技术研发力量薄弱。 大型光伏并网电站的控制逆变技术是光伏并网发电领域的核心技术，目前很多能源 领域的国外公司都在致力于这方面的研发工作，而且取得了卓越的成效，形成了比较完 善的针对并网逆变器的标准。例如：德国s m a 公司已经成功研制出最大功率达到 1 0 0 0 k w 的大型逆变器，并开始系列牛产。x a n t r e x 公司5 0 0 k w 并网逆变器也于2 0 0 6 年上市。我国肘小型与低压用户电网直接并网的光伏逆变器做过一螳研究，但是没有成 熟的产品：对直接和高压网并网的逆变器的研究还n i j l 即l 起步。 ( 5 ) 光伏阵列跟踪系统的研究。 6 第一章绪论 光伏电池的发电效率一直是制约光伏发电进入常规能源体系的主要原因，在现有技 术条件下，采用跟踪式光伏发电系统是提高太阳辐射利用率，降低成本的最佳方式，国 外的研究现实单轴跟踪系统可以提高发电量2 0 以上，而双轴跟踪系统则可以将发电量 提高4 0 之多。我国目前尚未建成带有光伏列阵跟踪系统的并网光伏站，中科院电工所 2 0 0 6 年1 0 月底在西藏羊八井建成我国第一座具有多种跟踪方式的光伏示范电站，总容 量为1 3 2 k w e ，目前处于试运行阶段。 ， 我国的光伏并网产业还处于初期发展阶段，有关的光伏并网标准还不完善，迫切需 要适应光伏并网产业的发展，并与国际光伏并网标准体系接轨，逐步完善有关标准，从 而为我国大规模开发光伏并网发电系统提供技术支持。 1 3 光伏并网系统的介绍 1 3 1 光伏并网系统的基本组成 典型的光伏并网系统的结构图包括：光伏阵列、直流一直流变换器、逆变器和集成 的继电保护装置。光伏并网系统的结构如图1 2 所示。 图1 2 光伏并网系统结构图 f i g 1 2s t r u c t u r ed i a g r a mo fp vg r i d c o n n e c t e ds y s t e m 1 、光伏阵列 光伏电池足组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电池效率较小，最大输 出功率不超过5 w ，一般不能满足负载用电的需要，也不便于安装使用，所以通常将几。 片、几十片或者几百片单体太阳能电池根据负载需要，经过串、并联后统一封装构成光 伏模块，这是目l j f 光伏器件的主要存在及应用方式，用户可以根据需要构建不同等级的 光伏模块，如果光伏发电系统中所需功率超过光伏模块功率，将同规格的光伏模块串联 7 人迮交通人学1 ：学硕 j 学位论丈 起来构成光伏阵列为系统提供更高的输出功率和输出电压。 2 、变换器 变换器将光伏电池所发出的电能变成正弦电流并入电网中，分为d c d c 变换器和 逆变器。直流变换部分作用主要足把光伏阵列输出电压变换成满足储能系统和逆变器要 求的电压等级。通过d c d c 升压斩波变换器，可以在变换器和逆变器之i 日j 建立直流坏。 同时d c d c 变换器也可以作为最大功率点跟踪器，增大光伏系统的经济性能。逆变器 是光伏发电系统中一个关键环节。它的功能是受控制系统控制，将直流转变为与交流电 网或本地交流相匹配的交流电。该环节的主要指标要求是变换的高可靠性和高转换效 率。并网系统中，逆变器是技术含量较高的关键部件，同样阵列容量在太阳气候条件下， 由于采用了不同构造的逆变器，所输出的电量会相差很多。随着现代电力电子技术、微 电子技术和控制技术的进步，特别是电力电子器件和高性能微控制器技术的提高，使得 高性能、高可靠性的能量变换器成为可能。世界各大光伏系统公司都各有所长地推出了 各种主电路拓扑结构及不同控制方式、不同功率等级的产品。 3 、控制器 控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电 网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。随着数字控制技术的不断发展、 数字电路硬件成本不断降低的今天，数字化控制方式具有更加广泛的应用前景。控制器 一般是由单片机或者数字信号处理芯片作为核心器件构成。主要负责采集直流、交流电 压和电流等模拟量用于检测和控制，向功率器件驱动板提供用软件产生的脉宽和频率可 实时改变的p w m 信号，接受功率器件提供的过流、过压等保护信号，实现自动保护等 功能。 1 3 2 光伏并网系统的结构与分类 一般地，光伏并网发电系统按照系统的设计要求可以分为两类：一种是“不可调度 式光伏并网发电系统 ，这种系统不含有储能环节；另外一种是“可调度式光伏并网发 电系统”，这种系统含有储能环节。在不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将 光伏阵列产生的直流电直接转换为电网电压同频、同相的交流电能，完全由日照和环境 温度等因素来决定并网时间和并网的功率大小：可调度式光伏并网系统增加了储能环节 ( 目前主要为蓄电池) ，系统首先对蓄电池进行充电，然后根据需要将系统用作并网或者 经逆变后独立使用，系统工作时间和并网功率大小可以认为设定，当电网断电或者故障 时，逆变器自动切断和电网的电气连接，同时可以根据需要选择是否进行独立逆变，用 以对本地负载继续供电，这个选择过程般由手动，也可以自动完成。 8 第一章绪论 1 3 3 光伏并网系统的拓扑 光伏并网发电拓扑结构主要有以下几种【9 】： 1 单级式并网逆变器拓扑 单级并网逆变器必须能在一个功率变换环节实现升压、最大功率点跟踪、d c a c 逆变以及光伏电池和电网之间的电隔离，因此这种拓扑结构必须包括有变压器。图1 3 所示为双向回扫逆变器，由主回路具有双向电流导通能力，该逆变器可以保持输出电流 的连续状态。这种拓扑的缺点在于，电网频率为5 0 h z 时，相比两级和多级拓扑，光伏 电池母线电容上的1 0 0 h z 纹波电压较大，而减小这些纹波就需要更大的母线电容容值。 图1 3 单级并网逆变器拓扑结构 f i g 1 3t o p o l o g yo fs i n g l e s t a g ei n v e r t e r 2 两级式并网逆变器拓扑 两级式并网逆变器拓扑是采用较多的主回路拓扑结构。如果逆变器是自换相的，通 过在d c d c 变换后高压直流母线上并联一个电容，可以很好的实现能量解耦。 逆变电路 n 光伏阵列 厂 【轴 j t 彳一 r 占3 1 0 、i l d c d c 谐振变换器 图1 4 两级式并网逆变器拓扑结构框图 f i g 1 4t o p o l o g yo ft w o s t a g eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r 9 电网 人造交通人i ：学硕l j 学位沦文 主回路两级。般分为软j 1 ：天d c d c 变换环节和自换相或电网换相的d c a c 逆变环 节，如图1 4 所示。这样拓扑有两个好处：第一，夜问光伏电池没有输出时，电网的交 流电压不能通过逆变全桥上的反并联二极管整流到高压直流母线电容上，消除了夜间并 网逆变器的待机损耗；第二，逆变全桥两个桥臂工作在不同频率，其中左桥臂在2 0 - - 一 8 0 k h z ，起f 弦波调制作用，右桥臂为2 倍电网频率，即1 0 0 h z ，起换相作用，这样可 以把开关损耗降低一半。 3 多级式并网逆变器拓扑 多级拓扑设计会增加并网逆变器的复杂程度和成本，但这也给它同时实现多种功能 带来可能，包括：逆变桥低丌关频率( 1 0 0 h z ) ；d c d c 变换器谁弦半波直流输出；光伏 电池与电网之问的能量解耦。因此多级拓扑设计可以再降低损耗的同时达到很好的最大 功率点跟踪特性，但是这种结构采用的是简化的最大化功率点跟踪，不是真正的闭环控 制，因此温度变化大时效率比较低。图1 5 所示是一种多级式拓扑的并网逆变器。第一 级的b o o s t 电路起升压作用，它将光伏电池输出电压升到2 0 0 v 左右，同时还实现最大 功率点跟踪。b o o s t 电路中电感上还有一个绕组为辅助电源电路供电。第二级推挽电路 控制输出电流波形为整流正弦波，同时实现电网和光伏电池的电隔离。最后一级为1 0 0 h z 逆变器，起换相作用。由于升压比较大，三个环节中第一环节的b o o s t 电路时整个逆变 器重损耗最大的部分。 图1 5 多级芹网逆变器结构原理图 f i g 1 5s t r u c t u r eo fm u l t i s t a g eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r 以上几种并网逆变器都实现了相同的功能，即提高光伏电池的输出电压并逆变到电 网。逆变电路为半桥或全桥结构，丌关频率从l o o h z 到几十千赫兹。l o o h z 的情况足前 级输出为整流讵弦波电流，逆变电路只需要实现换相功能；高频逆变的场合，前一级 1 0 第一章绪论 只要实现直流升压和最大功率点跟踪功能，这样也减小了对高压直流母线滤波电容的需 要。而且，直流输出的d c d c 变换器比整流正弦波电流输出的变换器所需峰值容量要 小一半。不同的并网逆变器拓扑同样也决定了系统中m p p t 技术实现方法的差异。例如， 在两极或者多级拓扑的并网逆变器中，m p p t 控制在电能的第一级变换中实现，并网控 制等其他控制要求在后面的变换中实现，从而降低了控制的复杂程度，也增加了各级控 制的精度；而在单级式并网逆变器中，m p p t 控制、逆变控制、相位同步等控制目标要 求在一个变换环节中得到实现，好处是系统组成得到简化，其代价是控制算法更加复杂。 1 4 本课题的目的、任务及意义 通过上述调查研究和分析，开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或 者产生很少的污染，太阳能即是近期急需的能源补充，也是未来能源结构的基础。因此， 对光伏发电系统的研究具有极大应用价值和现实意义。本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 、最大功率点跟踪( m p p t ) 是光伏系统常见的问题。为了能使光伏电池工作在最大功 率点上，获得最大功率输出，本文阐述了最大功率跟踪控制的原因，介绍了目前常用的 实现最大功率点跟踪( m p p 0 的控制策略，通过对各种m p p t 方法的比较分析，采用最 优梯度法来实现最大功率点的跟踪。 ( 2 ) 、本文详细分析了和设计了逆变器主电路的拓扑结构和工作原理图，并在 m a t i a b s i m u l i n k 环境下建立了动态仿真模型，通过仿真实验验证了理论分析的准 确性。 ( 3 ) 、在控制策略方面，介绍了当前应用比较广泛的数字控制策略，随着数学电路硬件成 本的不断降低，数字控制已经成为主要的控制方式，对原有的控制方式进行改变，使其 具有稳定性和动态响应得到改善，并用软件建立了相应的模型进行仿真验证理论分析的 可行性。 人迮交通人i ：学硕十学f 亏沦文 第二章光伏电池及其特性 2 1 光伏电池及其分类 光伏电池就是利用半导体光伏效应制成，它是一种能将太阳能辐射能直接转换为电 能的转换器件。对光伏发电技术的研究始于1 0 0 多年前，发展至今业已种类繁多，无论 采用何种材料生产光伏电池，它们对材料的一般要求是：半导体材料的禁带不能太宽； 要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产，而且性 能要稳定。下面以电池结构和材料分类形式加以阐述。 2 1 1 按电池结构分类 1 、同质结光伏电池。指在相同的半导体材料( 除了其中含有少量的杂质外) 上构成一个或 多个p n 结的光伏电池。 2 、异质结光伏电池。指在不同禁带宽度的两种半导体材料相接的界面上构成一个异质 p n 结的光伏电池。如果这两种异质材料的晶格结果相近，界面处的品格匹配比较好， 则构成异质界面光伏电池。 3 、肖特基结光伏电池。指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的光伏电池( 又 称为m s 光伏电池) 。其原理是基于在一定条件下金属一氧化物一半导体光伏电池( 即 m o s 光伏电池) 、金属一绝缘体一半导体光伏电池( 即m i s 光伏电池) 等。 4 、薄膜光伏电池。指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料铺在非半导体的衬底上而 构成的光伏电池。可用于构成薄膜光伏电池的材料很多，主要有多晶硅、非晶硅、碲化 镉以及c i s 等，其中以多晶硅薄膜光伏电池的性能较优。 5 、叠层光伏电池。指将两种对广波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电 池。通常是让波长最短的光线被最上边的宽禁带材料电池吸收，波长较长的光线能够透 射进去让下边禁带较窄的材料电池吸收，这就有最大限度地将光能变成电能。 6 、湿式光伏电池。指在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电解液而构成的 电池。这种形式的电池不但可减少半导体材料的消耗，还为建筑物和太阳能应用的一体 化设计创造了条件1 1 0 j 。 2 1 2 按电池材料分类 1 、硅型光伏电池。包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。其中单 晶硅材料结晶完整，串联电阻小，光电转换效率最高，可以达到2 0 左右，但成本比较 昂贵。多晶硅晶体方向无规律性，效率般比单晶硅光伏电池低，但是多晶硅光伏电池 成本较低。非晶硅材料基本被制成薄膜电池形式，但光电转换效率比较低，稳定性也不 1 2 第二章光伏电池及其特性 如晶体硅光伏电池，目前只要用于弱光性电源，如手表、计算器等的电池。 2 、非硅半导体光伏电池。主要有硫化镉光伏电池和砷化镓光伏电池。硫化镉分单晶或 多晶两种，它常与其他半导体材料合成使用，如硫化亚铜硫化镉光伏电池、碲化镉 硫化镉光伏电池，铜铟硒硫化镉光伏电池等。而砷化镓具有较好的温度特性，理论效 率高，较适于制成太空光伏电池。既可采用同质结形式也可以采用异质结形式，既可采 用单晶切片结构也可采用薄膜结构以制成光伏电池。 3 、有机光伏电池。主要出一些有机的光电高分子材料构成的光伏电池。 2 2 光伏电池的工作原理 光伏电池是以半导体p n 结上接受太阳光照产生光生伏特效应为基础，直接将光能 转换成电能的能量转换器。其工作原理是：当太阳光照射到半导体表面，半导体内部n 区和p 区中原子的价电子受到太阳能光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁带宽度 的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生很多处于非 平衡状态的电子一空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或者自由碰撞，或在半导体中 复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于光伏电池能量自动损耗 部分。 半导体材料在不同的温度和光辐射下，产生的电子一空穴对的数量是不同的。利用 光伏效应原理而制成的光伏电池，p n 结是其工作原理的核心。光伏电池可制成p + n 型结构或者+ p 型结构，结构图如图2 1 ( a ) 、( b ) 所示。