（控制科学与工程专业论文）2kw单相光伏并网发电系统的设计.pdf

d e s i g no f 2k w s i n g l e - p h a s eg r i d - - c o n n e c t e dp vg e n e r a t i o ns y s t e m b y l 0w e n k u n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o n t r o ls i c e n c ea n de n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl u oa n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 易占叶 日期：砂f f 年 皇月冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：易壶叶 剔程名墨抉 日期：如，f 年堂月彬日 e l 期：y ，年9 月够e l 2 k w 单相光伏并网发电系统的设计 摘要 随着社会经济的发展，人类对电力的需求日益增大，而能源危机和环境污染 的日益加重，促进了人类对新能源发电技术的研究。光伏发电技术具有的各种优 势使其成为未来发电的主导方式之一，发展前景巨大，成为近年来研究的热点。 本文以单相光伏并网逆变器为研究对象，从工程实现的角度出发，深入研究了单 相光伏并网发电系统的拓扑结构、主电路工作原理和参数设计、并网控制方法和 控制器系统设计，并在此基础上研制开发了一套2 k w 功率的单相光伏逆变器。 本文首先分析了非隔离型高频光伏并网系统的d c d c a c 电路结构，分别对 b o o s t 升压电路和单相全桥逆变电路的工作原理作了稳态分析，然后针对本文所 设计系统的容量及工作频率，理论分析计算得到b o o s t 电路中储能电感、储能电 容和单相全桥逆变电路中l c 输出滤波器的滤波电感和滤波电容的参数值，为光 伏并网发电系统主电路参数设计提供了理论依据。 确定了系统硬件主电路方案后，本文提出了单相光伏并网发电系统的整体控 制方案。建立了逆变器控制电流内环电气模型，仿真分析了电流内环采用p i 控制 时p i 参数的选取对系统稳定性和指令电流闭环跟踪能力的影响，确定了p i 参数， 并针对此参数进行了仿真验证，仿真结果证明了参数选取的合理性。针对实际系 统中p i 参数变化引起的谐振，会给调试带来困难，本文提出了电流内环采用基于 功率前馈的无差拍控制的方法，建立了系统的无差拍控制数学模型，仿真结果表 明基于功率前馈的无差拍控制方法，跟踪响应速度快，并网电流几乎不含高频毛 刺，效果良好。最后综合考虑了p i 控制和无差拍控制两种控制方式的优缺点，从 装置实现的角度出发，确定本文设计中采用无差拍控制的方法。 本文对最大功率跟踪控制和孤岛效应检测作了初步研究，对比分析了目前常 用的控制方式和检测方法，提出了详细的实现流程，并最终确定了适合本文研制 系统所用的方法。 控制器系统硬软件设计与实现是本文研究的重点之一，文中首先就主要硬件 电路包括外围采样电路、过零捕获电路、死区产生电路和i p m 模块驱动电路等电 路设计方法作了详细介绍，并分别通过实验证明电路有效。然后给出了软件主程 序、各中断服务程序及液晶显示程序的详细流程。 最后本文对所开发的样机进行了测试，观察其并网电流控制性能、m p p t 控 制性能和孤岛检测保护性能，测试结果表示样机装置的各项性能指标均达到了国 家标准，证明了前文理论研究与设计方法的正确性。 关键词：太阳能；光伏并网；逆变器；1 ) s p ；最大功率跟踪；孤岛检测 硕上学位论文 ab s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y ，h u m a n i t y sd e m a n df o re l e c t r i c i t yi s i n c r e a s i n gw h i l et h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r ea g g r a v a t i n gd a yb yd a y ，s o i t p r o m o t e st h eh u m a n i t yt o t h en e wp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h p h o t o v o l t a i c t e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e st ob e c o m eo n eo ft h ed o m i n a n tw a y so ft h ef u t u r ep o w e r g e n e r a t i o n a n di t sd e v e l o p m e n tp r o s p e c ti s s ol a r g et h a ti th a sb e e nar e s e a r c hh o t s p o ti n r e c e n ty e a r s f o c u s e do nas i n g l e p h a s ep h o t o v o l t a i ci n v e r t e r ，e m b a r k i n gi n t h ev i e wo f e n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o n ，a ni n - d e p t hs t u d yo nt h es i n g l e - p h a s eg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m t o p o l o g y ，t h em a i nc i r c u i tw o r k i n gp r i n c i p l e a n dp a r a m e t e rd e s i g n ，g r i d c o n n e c t e dc o n t r o l m e t h o da n d c o n t r o l l e rs y s t e md e s i g na r ec a r r i e do n ，b a s e do nw h i c h ，a2k ws i n g l e 。p h a s e p h o t o v o l t a i ci n v e r t e ri sd e v e l o p e d f i r s t l y t h ed c d c a c c i r c u i ts t r u c t u r e o ft h en o n i s o l a t e d h i g h - f r e q u e n c y g r i d c o n n e c t e dp vs y s t e ma n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eb o o s ts t e p - u pc i r c u i ta n dt h e s i n g l e p h a s ef u l l b r i d g e i n v e r t e rc i r c u i ti ns t e a d ys t a t ea r ea n a l i z e dr e s p e c t i v e l y t h e n d e s i g n e df o rt h ec a p a c i t y a n dt h eo p e r a t i n gf r e q u e n c yo ft h es y s t e m ，t h ev a l u e so f e n e r g y s t o r a g ei n d u c t o ra n dc a p a c i t o ri nb o o s tc i r c u i ta n dt h ef i l t e ri n d u c t o ra n dc a p a c i t o ri n t h el co u t p u tf i l t e rf o rt h es i n g l e p h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e ra r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d ， p r o v i d i n ga t h e o r e t i c a lb a s i sf o rs e l e c t i n gc i r c u i tp a r a m e t e r so fg r i d c o n n e c t e dp vs y s t e m a f t e rc o n f i r m a t i o no fm a i nc i r c u i ts c h e m e ，h o l i s t i cc o n t r o lm e t h o do fs i n g l e 。p h a s e g d d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d f i r s t l y , t h e e l e c t r i c m o d e lo fc u r r e n ti n n e r - l o o pf o ri n v e r t e ri se s t a b l i s h e d t h e n ，s i m u l a t i o ni sa d o p t e dt oa n a l y z e s v s t e r ns t a b i l i t ya n dt h ei n f l u e n c eo fc u r r e n tc l o s e d l o o pt r a c k i n ga b i l i t yw h e nc h o s e nw i t h d i f f e r e n tp ip a r a m e t e r s w h e np ip a r a m e t e r sa r ef i n a l l yd e t e r m i n e d ，s i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o n a r ec a r r i e do u to nt h eb a s i so ft h ea b o v ep a r a m e t e r s ，w h i c hp r o v e st h er a t i o n a l i t y o ft h e s e l e c t i o n w h e nd e v e l o p i n gt h ep r o t o t y p e ，v a r i a t i o no fp ip a r a m e t e r sa r el i a b l et og i v er i s et o r e s o n a n c et h a tb r i n g si nd i f f i c u l t ya td e b u g g i n gp r o c e s s t h u s ，c u r r e n ti n n e r - l o o pc o n t r o lw i t h p o w e ff e e d f o r w a r dc o m b i n e dw i t h d e a d b e a tc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e di nt h ep a p e r m a t h e m a t i c sm o d e lf o rd e a d b e a tc o n t r o ls y s t e mi ss e tu p ，a n dh es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e si t s g o o de f f e c t e v e n t u a l l y , t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t w oc o n t r o lm o d e ，p ic o n t r o la n d d e a d b e a tc o n t r o l ，a r et a k e ni n t oa c c o u n ts y n t h e t i c a l l y f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fe q u i p m e n t r e a l i z a t i o n ，d e a d - b e a tc o n t r o li sc h o s e ni nt h ep a p 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 la n dt h ei s l a n d i n gd e t e c t i o na r ei n d i s p e n s a b l ef o r i i i t h eg d d c o n n e c t e dp vg e n e r a t i o ns y s t e m t h ep a p e rm a k e sap r e l i m i n a r ys t u d yo nt h e mb y c o n t r a s t i n ga n da n a l y z i n gt h ep r e s e n tc o m m o n l yu s e d c o n t r o lm o d e sa n dt h ed e t e c t i o n m e t h o d sa n dp r o p o s i n gr e l e v a n td e t a i l e dp r o c e s so fr e a l i z a t i o n f i n a l l yt h em e t h o d ss u i t a b l e f o rt h es y s t e ma r ed e t e r m i n e d t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rc o n t r o l l e rs y s t e m i so n e o ft h ek e vs t u d i e s i nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h em a i nh a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d i n gp e r i p h e r a l s a m p l i n gc i r c u i t ，z e r oc a p t u r ec i r c u i t ，d e a dz o n ep r o d u c ec i r c u i ta n di p m m o d u l ed r i v ec i r c u i t i si n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e ra n dp r o v e de f f e c t i v et h r o u g he x p e r i m e n t t h e nt h e d e t a i l e dp r o c e s s e so ft h em a i np r o g r a m ，e a c hi n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e sa n dt h el i q u i dc r y s t a l d i s p l a yp r o g r a ma r ep r o p o s e d f i n a l l yt h ed e v e l o p e dp r o t o t y p e i st e s t e d i nt h i sp a p e r t h eg r i d c u r r e n tc o n t r o l p e r f o r m a n c e ， m p p tc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dt h ei s l a n d i n g d e t e c t i o np e r f o r m a n c ea r e o b s e r v e d t e s tr e s u l ts a y st h ep r o t o t y p er e a c h e st h en a t i o n a l s t a n d a r da n dp r o v e st h e c o r r e c t n e s so ft h ea b o v er e s e a r c ha n dd e s i g n k e y w o r d s ：s o l a re n e r g y ；p h o t o v o l t a i c 酣d - c o n n e c t i o n ；i n v e r t e r ；d s p ；m a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g ；i s l a n d i n gd e t e c t i o n 硕十学位论文 目录 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论。l 1 1 光伏发电背景及意义1 1 2 光伏发电的发展现状2 1 3 光伏并网发电系统概述5 1 4 本文的主要工作6 第2 章单相光伏并网发电系统主电路的研究与设计8 2 1 主电路结构与工作原理8 2 1 1b o o s t 电路工作原理分析8 2 1 2 单相全桥逆变电路工作原理1 0 2 2 功率器件的选取1 1 2 - 3 主电路参数设计1 3 2 4 系统主电路方案1 7 2 5 本章小结1 8 第3 章单相光伏并网发电系统控制策略及其仿真1 9 3 1d c a c 变换器的控制策略1 9 3 1 1 电流内环电气模型2 0 3 1 2 电流内环采用p i 控制。2 1 3 1 3 基于功率前馈的无差拍电流控制2 5 3 1 4 电流内环无差拍控制与p i 控制比较分析2 8 3 2 最大功率跟踪策略2 8 3 2 1 太阳能电池的输出特性2 8 3 2 2m p p t 控制策略3 0 3 3 孤岛效应检测策略3 3 3 3 1 孤岛效应及其危害3 4 3 3 2 孤岛效应检测策略。3 5 3 4 本章小结3 6 第4 章基于d s p 控制系统硬软件设计。3 8 4 1 控制系统硬件设计3 9 v 2 k w 学相光伏并网发电系统的设计 4 1 1d s p 控制系统结构与资源分配3 9 4 1 2 外围采样电路设计4 0 4 1 3 过零捕获电路4 2 4 1 4 死区生成电路4 3 4 1 5i p m 模块驱动电路4 4 4 2 控制系统软件设计4 4 4 2 1 主程序结构4 4 4 2 2 中断服务程序4 6 4 2 3 孤岛故障检测程序4 7 4 2 4 液晶显示程序4 8 4 3 本章小结4 9 第5 章系统测试结果及分析5 0 5 1 并网电流控制测试5 1 5 2m p p t 功能测试5 3 5 3 孤岛检测保护测试5 5 5 4 本章小结5 7 结论5 8 参考文献6 0 致谢6 4 附录a 攻读学位期间取得的研究成果6 5 硕上学位论文 1 1 光伏发电背景及意义 第1 章绪论 能源是人类社会活动的物质基础，从某种意义上讲，人类社会的发展离不开 优质的能源和先进能源技术的使用。在当今世界，能源和环境问题是全世界、全 人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展面临的重要问题。据世界能源委员 会2 0 0 4 年的统计预测，按己探明储量和当时的消耗速度，煤炭、石油、天然气的 利用年限分别是2 2 0 年、4 0 年、5 0 年，能源危机迫在眉睫。另外，由于以上化石 燃料的大量燃烧，每年有数十万吨s 0 2 等有害物质排向天空，使大气环境遭到严 重污染，同时由于大量排放c 0 2 温室气体导致地球产生明显的温室效应，引起全 球性气候变化【l 3 l 。能源危机与环境污染成为全球性亟待解决的问题，开发清洁 的可再生能源势在必行。据欧洲可再生能源委员会和绿色和平组织2 0 0 7 年发布的 研究报告预测，到2 0 5 0 年，全球一半的能源需求将通过可再生能源来满足。 太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，地球上一年中接受到的太阳辐射 能高达1 8 1 0 mk w h ，是当前全球能源消耗的数万倍。太阳传送到地球上的能 量，每4 0 秒就有相当于2 10 亿桶石油的能量，约等于全球一天的能源消耗【4 1 。太 阳能具有广泛性、分散性的特点，具备可持续发展和绿色清洁双重优势，是国际 社会公认的理想替代能源。 太阳能发电与传统的火力发电、水力发电以及利用风能、核能、生物质能等 新能源发电相比较有以下优势【5 6 j ： ( 1 ) 太阳能是取之不尽的可再生能源。据计算，一年内辐射向地球的太阳能 总能量是目前世界主要能源探明储量的l 万倍，太阳的寿命有5 0 亿年，这意味着 开发太阳能是人类解决能源匮乏最根本最有效的途径。 ( 2 ) 太阳能清洁无污染。据统计，目前各种发电方式的碳排放率( g k w h ) 如下：煤炭发电为2 7 5g k w h ，石油发电为2 0 4g k w h ，天然气发电为l8 1g k w h ， 太阳能光伏发电为5 5g k w h ，风力发电为2 0g k w h 。而且，在使用太阳能发电 过程中没有废气、废水、废渣排出，不产生噪音，不危害人体。 ( 3 ) 太阳能资源分布广泛。我国有2 3 以上的地区太阳能辐射总量高于 5 0 1 6 m j ( m 2 a ) r 年日照时间超过2 0 0 0 h 以上，尤其是在西部地区更为丰富，对于 缓解当地电力匮乏有着重要意义。 ( 4 ) 能量转换环节少。太阳能光伏发电直接将太阳能辐射能转换为电能，在 各种可再生能源的利用形式中，太阳能光伏发电对能源的利用最直接。 ( 5 ) 太阳能光伏发电装备安装使用灵活，可根据需要，将集成化的模块扩增 或减少以改变系统容量，方便灵活。 2 k w 单相光伏并网发电系统的设计 ( 6 ) 资源、发电、用电在同一地域，可以节省远距离输电投资费用。 ( 7 ) 光伏建筑集成b i p v ( b u i l d i n gi n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c s ) 的推广应用可 以节省建立发电基地使用的土地面积和费用。 太阳能光伏发电的以上诸多优点决定其成为未来发电的主导形式之一，有着 巨大的经济、政治和社会效益，并且其涉及交叉多个学科，如电化学、电子电路、 现代电力电子、现代控技术、电力系统等，具有重要的研究价值。 1 2 光伏发电的发展现状 受2 0 世纪7 0 年代石油危机和环境污染问题的影响，人类对能源和环境问题 的认识不断提高。2 0 世纪8 0 年代以来，世界各国特别是发达国家对太阳能光伏 发电技术十分重视，并分别制定了一些政策和规划，很大程度上促进了光伏产业 的发展。 美国于19 9 7 年宣布了太阳能“百万光伏屋顶计划”( m i l l i o ns o l a rr o o f s i n i t i a t i v e ) ，计划在2 0 10 年以前，在全国1 0 0 万座建筑物上安装太阳能系统( 发 电或热利用) ，预计总安装容量达3 0 0 0m w ，如表1 1 所示1 7 】。由于美国政治形势 的变化，美国政府在该项目实施的中期缺乏专门的预算支持，故该项目计划对美 国的太阳能产业发展的推动没有达到预期效果。2 0 0 5 年，美国政府颁布了2 0 0 5 新能源政策法案，对购买和使用太阳能设备的用户给予相关的激励政策，2 0 0 6 年美国政府宣布了“美国阳光计划”，旨在降低太阳能系统的成本，到2 0 15 年左 右，使太阳能发电技术同传统发电技术相比更具竞争力。由于美国政府的大力支 持，使得美国目前光伏发电的成本大为降低，加利福尼亚地区已降到3 美元w 。 2 0 1 0 年1 0 月，美国政府批准了“布莱斯太阳能项目 ，在加利福尼亚莫哈韦沙漠 建立一座容量为10 0 0 m w 的太阳能发电厂，预计2 0 1 2 年投入使用，是目前美国 规模最大的太阳能发电厂。 表1 1 美国“百万光伏屋顶计划” 日本早在l9 7 4 年即提出了著名的“阳光计划”，在研究开发高效率光伏电池、 降低生产成本方面取得很大突破，l9 9 3 年再次提出的“新阳光计划”，将重点放 在扩大生产规模，实施住宅用光电系统的优惠政策，使得日本于2 0 0 0 年光电系统 硕十学位论文 的生产总量超越美国而居世界第一【8 】。为进一步促进太阳能发电产业的民间投资 和消费，日本政府在2 0 0 8 年制定低碳社会行动计划，提出至2 0 2 0 年太阳能发 电量增加至2 0 0 5 年的l0 倍的目标。并且日本从2 0 0 9 年1 月起实施住宅用太阳能 发电补贴制度，同年1 1 月起实施太阳能发电电力购买制度，电力公司以两倍价格 购入家庭或单位太阳能发电剩余的电力。受此政策的推动，2 0 0 9 年日本国内太阳 能电池产量超过6 0 万千瓦，是2 0 0 8 年的2 6 倍，太阳能发电系统的国内市场规 模达到3 9 0 0 亿日元，仅次于德国和意大利。2 0 11 年3 月，日本福岛核泄漏事件 对日本甚至全球的能源战略带来深远的影响，核电建设节奏的放缓将相应地提高 太阳能在日本以及世界各国能源战略中的地位。 德国于19 9 9 年即提出了“10 万光伏屋顶计划 ，2 0 0 0 年颁布了可再生能源 法，2 0 0 3 年又颁布了可再生能源促进法，在银行贷款和上网电价补贴方面进 行政策上的优惠，使得德国的光伏产业尤其活跃f 9 】。2 0 0 7 年，德国新安装的太阳 能电池总计达到l3 0 0 m w ，几乎占世界范围内太阳能电池安装总量的一半。2 0 0 9 年7 月，德国1 2 家太阳能发电工业企业签署了一项协议，正式启动在撒哈拉沙漠 建造太阳能发电厂一一德塞尔泰克工程，该工程是人类历史上迄今为止最大的太 阳能发电工程。 我国的光伏产业虽然起步较晚，但目前在太阳能热利用和太阳能电池生产制 造方面已走在世界前列。我国于2 0 0 2 年启动了“西部省区无电通电计划”，旨在 通过太阳能和风能解决西部7 个省区的用电问题。2 0 0 3 年国家发改委制定了未来 5 年太阳能资源开发计划“光明工程 ，拟筹资10 0 亿用于推动太阳能光伏产业的 发展。2 0 0 4 年我国太阳能电池的产业规模即超过印度。2 0 0 5 年颁布的中华人民 共和国可再生能源法极大促进了我国包括太阳能在内的可再生能源产业的发展 【1 0 】。2 0 1 0 年，国家发改委启动了2 8 0 m w 光伏发电工程项目，是迄今为止国内最 大的光伏并网发电项目，使光伏发电在中国的推广应用更进一步。 在整个太阳能光伏发电系统中，太阳能电池和光伏逆变器是最基本最重要的 部分，其性能和成本决定着光伏产业的发展前途。 自1 9 5 4 年第一块光伏电池在贝尔实验室的诞生以来，世界各国在光伏电池的 研究上投入了大量精力。目前国际上在太阳能电池行业占领先地位的国家有中国、 美国、日本、德国等国家，根据全球专业太阳能研究调查机构s o l a r b u z z 的调查 统计，2 0 10 年全球太阳能电池产量达到2 7 2 g w ，比2 0 0 9 年增加了1 18 ，2 0 10 年全球十大太阳能电池厂商名单如表1 2 所示【1 1 1 。目前全球最大的太阳能电池产 业供应链为中国大陆，2 0 10 年占全球太阳能电池市场4 7 8 ，相较2 0 0 9 年的3 8 1 提高了9 7 个百分点，而在2 0 0 4 年时，中国大陆的太阳能电池产量尚不到全球的 3 。2 0 1 0 年台湾的太阳能电池产业供应链占全球市场的12 7 ，目前中国两岸太 阳能电池总产量已占全球6 0 。 2 k w 单相光伏并网发电系统的设计 表1 22 0 1 0 年全球十大太阳能电池生产商排名与产量 光伏逆变器作为太阳能发电的重要组成部分，目前在国外已经是一种比较成 熟的市场产品，如s m a 、k a c o 、f r o n i u s 、i n g e t e a m 、s i e m e n s 等公司都已具有市 场化的产品。据统计，2 0 0 9 年世界上主要的光伏逆变器生产厂商及其所占市场份 额如图1 1 所示，前三位超过7 0 市场份额。其中s m a 是全球第一大光伏逆变器 生产供应商，占全球市场份额的4 4 ，该公司推出的s u n n yb o y 系列光伏逆变器 是目前世界上光伏电站使用最多的产品，市场份额占有率一度高达6 0 。k a c o 公司的光伏逆变器产品以直接逆变、无变压器技术为核心，在小功率产品方面具 有较高的市场占有率【l 引。 图1 12 0 0 9 年世界主要光伏逆变器厂商及其市场份额 目前国内的太阳能光伏逆变器生产厂商数量众多，但起步都比较晚，其中合 肥阳光电源占有最大的市场份额，先后参与了北京奥运鸟巢、上海世博会等重大 工程项目，并且其产品作为中国首家通过国际c e 认证的光伏发电设备，已经成 功进入欧洲市场，与国内同行相比优势明显。同时，国内的许多高校和研究所也 在长期致力于太阳能光伏发电技术的研究，如中科院电工研究所建立了光伏系统 硕一l ：学位论文 检测中心，并致力于光伏发电的推广与应用；合肥工业大学在国内高校中较早深 入地展开了光伏发电的研究工作，在光伏并网与光伏照明研究方面取得了优秀的 成果，该高校与合肥阳光电源公司合作密切；上海交通大学能源研究所在b i p v 方面进行了深入的研究；天津大学在使用光伏逆变器构建微网研究方面取得了一 定成就1 1 3 】。 由表1 2 和图1 1 对比发现，我国在太阳能产业的优势仅限于太阳能电池的 生产制造总量，但整体技术水平不高，远落后于国外同行，呈现“耗电大、污染 大、成本高 的特点。另外，在国际光伏逆变器市场中，中国的逆变器产品无缘 前十，规模最大的合肥阳光电源公司的产品也主要用于国内的光伏工程。 随着经济的发展，能源压力日趋加重，光伏逆变器市场竞争逐渐激烈，技术 和价格优势已成为产品的核心竞争力。因此，继续深入地研究太阳能光伏发电技 术对国内的公司厂商来讲具有重要意义，对高校和科研机构来讲也具有重要的科 研价值。 1 3 光伏并网发电系统概述 光伏并网发电系统由光伏阵列、逆变器、控制器构成，如图1 2 所示。基本 工作原理为：光伏电池作为逆变器直流侧电源，控制器采集并计算直流侧电压电 流、网侧电压电流实时数据，通过一定的控制算法控制逆变器工作，实现将光伏 电池直流功率转变为网侧交流功率的功能。 光伏阵列 逆变器 v 彳 p v il il ii ii 图1 2 光伏并网系统结构图 图1 2 给出了一种单级式的光伏并网逆变器结构，具有元件少、损耗低、成 本低、效率高等优点，但逆变器直流侧电压受光伏阵列电压限制，不利于最大功 率跟踪( m p p t ，m o s tp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) 控制操作，系统结构灵活性差，输 出功率低，不能满足光伏阵列直流输入多变性的要求。因此，为提高性能，并网 光伏发电系统一般设计为两级式或多级式结构。 根据是否通过隔离变压器并网，光伏并网系统可分为隔离型和非隔离型，根 据隔离变压器的工作频率，隔离性光伏并网系统可分为工频型和高频性【1 4 17 1 。 工频隔离型是目前最常用的并网逆变器类型，如图1 3 所示。d c a c 变换器 2 k w 单相光伏并网发电系统的设计 直接将直流电压转变为工频电压，通过隔离变压器与电网连接，以保证逆变系统 不会向电网注入电流直流分量，提高了安全性能。但工频变压器具有效率低、体 积大等缺点，限制了该类型产品的广泛使用。 勿 么 ，v i l 厂j 电网 工频变压器 图1 3 工频隔离型光伏并网系统结构 高频隔离型光伏并网系统结构如图1 4 所示。首先通过d c a c 变换器将直流 电压变换为高频交流电压，然后经过高频变压器隔离，在副边使用a c d c 变换 器将高频交流电压整流为直流电压，在经过d c a c 变换器将其变换为工频交流 电压接入电网。由于高频变压器的使用，提高了系统的能量转换效率，减小了装 置体积与成本，但该方式使用元件多，控制复杂。 么 高频 电网 图1 4 高频隔离型光伏并网系统结构 非隔离型高频光伏并网系统的典型结构如图1 5 所示，高频d c d c 变换器将 直流侧电压直接变换到需要的电压范围，在经过d c a c 变换器将其变换为工频 交流电压接入电网。该结构使用元件少，又具有较高效率，但由于没有隔离变压 器的存在，容易向电网注入电流直流分量，该问题可以通过采用先进的控制器与 控制算法得到解决。 勿 么么 v l i r j 电网 图1 5 非隔离型高频光伏并网系统结构 本文研究工作的重点即是围绕图1 5 所示的非隔离型高频结构展开。 1 4 本文的主要工作 本课题来源于国家“9 7 3 ”计划项目分布式发电功供能系统相关基础研究 子课题六微网及含微网配电系统的电能质量分析与控制。为建立分布式发电平 台，研制一套2 k w 单相光伏并网发电装置。全文共分5 章，每章内容安排如下： 第l 章，绪论。介绍光伏发电的背景及意义，分析国内外光伏发电的发展现 状，概述光伏并网发电的基本原理与结构分类。 硕士学位论文 第2 章，单相光伏并网发电系统主电路研究与设计。主要围绕本文所采用的 d c d c a c 电路结构进行拓扑分析、功率器件的选择以及主电路电感电容参数设 计方法论证。 第3 章，单相光伏并网发电系统控制策略研究及其仿真分析。分析并提出单 相光伏并网发电系统的整体控制方案，并针对并网电流控制、m p p t 控制和孤岛 故障检测的传统控制方法做出比较分析，提出本文采用的方法，给出具体实现流 程和仿真验证。 第4 章，控制系统硬软件设计与实现。结合本课题所研制单相光伏并网系统 样机的设计过程，介绍了控制器系统的关键电路的设计，软件程序的整体结构以 及各核心子程序的流程。 第5 章，对本文研制开发的样机进行了测试，观察其并网电流控制性能、m p p t 控制性能和孤岛检测保护性能。 最后，对本文进行总结和展望。 2 k w 单相光伏并网发电系统的设计 第2 章单相光伏并网发电系统主电路的研究与设计 光伏并网系统的拓扑结构直接关系到系统运行的性能，在拓扑结构确定以后， 系统主电路参数的设计至关重要，采用合理的功率器件和电路参数能够增强系统 运行稳定性，提高输出精度，使得装置调试更加顺利。本章就非隔离型高频光伏 并网系统的电路结构和工作原理将作深入分析，并详细讨论主电路参数的设计方 法。 2 1 主电路结构与工作原理 d c d c a c 电路结构如图2 1 所示。太阳能电池提供第一级直流电压玑，电 感厶、二极管v d o 、功率管幺构成b o o s t 升压电路，将电压值较低且变化范围大 的玑，转换为适合d c a c 变换的第二级直流侧电压玑。，巳是容量比较大的电容， 以稳定。g q 4 是功率器件，g o , v d 4 是反向并联二极管，具有续流保护作用， q q 、v o , v d 4 一起组成全桥逆变电路，将直流侧电压玑。变换为与电网电压幅 值接近、频率相同的电压配。，由于该电压具有开关频率特征次的高频谐波，直 接并入电网会带来大量谐波，要通过电感厶电容c 组成的l c 滤波器滤波，使电 流以较低的畸变率并入电网酞。 惩雯电路 图2 1d c d c a c 系统电路结构 图2 1 中0 为光伏直流电流，i i 。，是逆变器输出电流，毛是，i 。经l c 滤波器滤 波后流入电网的电流。 下面对b o o s t 电路和全桥逆变电路的工作原理作详细地分析。 2 1 1b o o s t 电路工作原理分析 图2 1 中，对于b o o s t 升压电路而言，前级太阳能电池相当于电压源，后 硕十学位论文 级全桥逆变电路可看作是负载r ，等效如图2 2 所示。将升压为是通过控 制功率管q o 的关断实现【1 引。 q ， 厶 + 。 图2 2b o o s t 电路 假设电感l o 足够大以保证电流连续，电容足够大以稳定输出电压。q o 导 通和关断时，等效电路如图2 3 所示。图2 3 ( b ) 中电阻为二极管等效导通电 阻。各变量的波形如图2 4 所示。 ， 卜 f 足1 巳卡尺j ( a ) q o 导通 ，r u 忙 u 州 ( b ) q o 关断 图2 3b o o s t 电路两种工作状态时等效电路图 卜_ 丁一 i 一 f 图2 4b o o s t 电路各变量波形 当q o 导通时，二极管v m o 反偏，向电感l o 充电，充电电流为： ，r + u o c 一 o o “o触