（电力电子与电力传动专业论文）太阳能光伏并网发电系统的研究.pdf

i i 合肥工业大学博士学位论文 r e a s e a c ho ng r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c s y s t e m a b s t r a c t i nt h ef u t u r e o n eo ft h em a i nu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g yw i l lb et h ep h o t o v o l t a i c g r i d c o n n e c t e ds y s t e m w i t h t h e a p p e a r a n c e o f h i g h p e r f o r m a n c ed i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) c h i p ，i ti sp o s s i b l et h a ts o m em o s ta d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e sc a nb e u s e dt ot h ep v g r i d - c o n n e c t e ds y s t e m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d e ： i a d y n a m i cm o d e l o ft h es i n g l ep h a s e g r i d c o n n e c t e dp vs y s t e mi sd e v e l o p e du s i n g p o w e rs y s t e mb l o c k s e t st o o lo ft h em a t l a b s o m er e s u l t a n t so ft w o s i m u l a t i o n sf o ro p e nl o o pa n dc l o s el o o pc o n d i t i o n sa r eg i v e ni nt h i sd i s s e r t a t i o n a i i t h o s ew o r k sp r o v i d e dc o n s i d e r a b l es i g n i f i c a n c ea n dc o n c r e t eh e l p sf o rd e s i g n i n g t h ec i r c u i th a r d w a r eo ft h es y s t e m am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs i n a i ls i g n a la n a l y s i so f t h ei n v e r t e ru s e dl np v g r i dc o n n e c t e ds y s t e m si se s t a b l i s h e d a n dt w os i m u l a t i o n s b a s e do nt h i sm o d e lf o ro p e nl o o pa n dc l o s el o o pc o n d i t i o n sa r ea l s og i v e ni nt h i s t h e s i sb yh e l po fs i m u l i n kt o o io ft h em a t l a bs o f t w a r e m p p t ( m a x i m u mp o w e r p o i n t t r a c k i n g ) i so n e o ft h em o s t i m p o r t a n ta n dw e l l k n o w n p r o b l e mf o ra l lp vs y s t e m s s o m eu s u a l l yu s e dm p p td e s i g n i n ga r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d i nt h et h e s i s b e s i d e s ，t h ea u t h o rp r o v i d e ss o m en e w c o n c e p t so fm p p t w i t hh i so w n o p i n i o n i i i f o rk e e p i n gt h ef r e q u e n c ya n dp h a s e s y n c h r o n o u s t ot h e g r i d ap l l ( p h a s el o c k e d l o o p ) i sn e c e s s a r y a n e w c o n c e p to fas p l l ( s o f tp l l ) p r i n c i p l ei n c l u d i n ga u t h o r s p o i n to fv i e wi sp a r t i c u l a r l ya n a l y z e d i v i nt h ef u t u r e p vg r i d - t i e ds y s t e m sc o u l db eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e a n sf o r i m p r o v i n gt h ep o w e r f a c t o ro fm a i ng r k ：1 t h ea u t h o ra n a l y z e d ；t sp e r f o r m a r c ea n d a d v a n t a g e sa n dh a sb e e ns t u d i e di t st o p o l o g i c a lc o n s t r u c t i o nf o ru s i n ga sa na p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) v i s l a n d i n ge f f e c tm u s tb ep r e v e n t e di n t h ea p p l i c a t i o no ft h eg r i d c o n n e c t e dp v s y s t e m a na c m v ed i s t u r b i n gm e t h o dd e v e l o p e db ya u t h o r f o ra n t i i s l a n d i n gi sa l s o g i v e nw i t hs o m es i m u l a t i o nr e s u l t a n t s v 1 ac o n t r o lu n i tb a s e do nd s pf r m s 3 2 0 f 2 4 0 ) m i c r o c h i pf o r s i n g l ep h a s e g r i d - c o n n e c t e d p vs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db ya u t h o r , t h ee x p e r i m e n t si n l a b o r a t o r ya n di nb e i j i n gg u l o us t a t i o na r ec o n s i d e r a b l ee n c o u r a g i n g v i i f o rl a r g es c a l eu t i l i z a t i o no fg r i d c o n n e c t e dp vs y s t e mt h er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n w i l lb ev e r yi m p o r t a n t am o d e r nc o n c e p to fr e m o t ei n s p e c t i n ga n dc o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ef o rg r i d c o n n e c t e dp v s y s t e mi sp r o v i d e di nt h i st h e s i s v i i i s o m en o n - t e c h n i c a lo b s t a c l e so fl a r g e - s c a l ea p p l i c a t i o no fp vg d d - t i e ds y s t e ma r e a n a l y z e d c o r r e s p o n d i n gs u g g e s t i o no fs t r a t e g y f o rd e v e l o p m e n tw i t ha u t h o r sp o i n t o fv i e wa r em e n t i o n e d t h es e c u r i t yo fi n s t a l l a t i o na n do p e r a t i o n 。a ne c o n o m i c ， s o c i a ia n de n v i r o n m e n ta n a l y s i sw i t hs o m ee x a m p l e sa r ea l s og i v e ni nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：g r i d c o n n e c t e d p vs y s t e m 。d s p , t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，p l l ，s o l a r e n e r g y ，i n v e r t e r 。m p p t , a p f , a n t i - i s l a n d i n g 。d a t ac o l l e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：童乙吻签字日期：弘多年岁月2 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些塞堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盒月墨王些太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：赴为 签字日期：码年r 月2 - 日 翩躲杪 签字日期：“船厂月l 目 学位论文作者毕业后去向：合肥工业大学能源研究所 工作单位：合肥工业大学能源研究所电话：0 5 5 1 2 9 0 1 4 2 8 通讯地址：合肥工业大学能源研究所邮编：2 3 0 0 0 9 e 。m a i l h u t _ z h a o w e i 2 6 3 n e t 单位主页：h t t p ：uw w w h u t e n e r g y c o m 台腮羔业大学簿士学控论文 l l l 致谢 葳矮士磷窕生毕救鹭蔽至今，三年辩毙匆舞瑟过。获碛_ 士研究生阶蔽算越， 我已经在含肥工业大学能源研究所学习工作了六年，我很想借博士论文完稿的机 会，袭迭我密衷麴谢意。 + 本论文是在导师余世杰教授的精心指导下完成的。三年来，从论文的选题、 谦蔻开展赢至论文完成的全过程巾都箨随着嚣筛的悉心指导。飙谴的身童，我深 深地感受到作为一名真正的科技工作者j 舞应具备的崇高道德晶质、严谨求实的学 术律帮i 、勤勉静工作态度和无私酌献身精神。这将是我一生的追求茸标。 感谢沈玉梁教授农本论文的完成过程中绘予的理论和实践指导。在课题进摆 中，他藐实的数理萋碥、灵活的憨维和积极躺创新精神使我获益鼠多。 感谢俺慧若教授、苏建徽所长和能源研究所的其他滋师褒论文宠或避程孛绘 予的无私帮助和指导。 本课题主要来澡予国家科技瓤“丸聂”、“+ 纛”科技攻美矮是。在谖题磷究 过程中，得到北京计科新能源技术公司王斯成老师、董路影老师、玉德邻老师和 冯建涛工稷魉以及该公霉遴多员工的攒导寒大力支持，在她表示衷心数感落。 本课题的进行过稔中，还得到了许多同学的帮助和支持。他们是能源研究所 戆歇麓名三、泛避进、寒潦程、正飞、汪海宁等耧溥班彝冬蒋建文、帮海波等。 在这胆，我想要感谢所有给予我帮助的同学们。每天的朝夕相处，我们之间的发 谊帮荧爱怒我久生路上最菇宝贵煞财富。特别感谢汪进进阚学在论文完成过程中 提供的帮助。 最磊感谢我的家人，德 j 给我在耩种上的鼓麓和生活上静照颥，使我得戬顺 利完成本论文。 赵为 2 0 0 3 年2 胃于念肥王业大学 合肥工业大学博士学位论文 v i 图1 1 图1 2 图1 3 图1 - 4 图2 - 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 。1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 圈3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图弛1 插图清单 大气中c 0 2 含量的增长速度 2 0 0 0 年光伏并网发电占世界光伏产业总产值的比例 典型的屋顶光伏并网发电系统住宅布置 光伏屋顶住宅中的电路布置 不同功能的光伏并网发电系统相应的配置框图 采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图 定时控制的电流瞬时值比较方式原理图 跟踪实时电流的三角波比较方式的原理图 电压源电流控制模式下的单相并网系统逆变输出级等效电路示 意图 逆变输出级p i 反馈控制结构图 未加控制的逆变环节的动态性能 逆变输出环节进行p i 校正后的开环波特图 闭环系统的阶跃响应曲线 未进行前馈补偿时扰动u n e t 输入的阶跃响应 带前馈补偿的并网逆变控制系统 扰动传递函数的阶跃响应 电流型单相光伏并网系统逆变输出级闭环状态下的仿真模型 电流型单相光伏并网系统逆变输出级开环状态下的仿真结果 电流型单相光伏并网系统逆变输出级闭环状态下的仿真结果 单个太阳电池单元的模型和外观 太阳能电池单元等效电路 太阳电池阵列的f - v 特性举例 太阳电池阵列温度和日照强度之间的关系 不同温度下的l 二v 关系曲线图 不同温度下的p - v 特性曲线 不同日照量下的l - v 和p v 特性曲线 不同串联电阻对i v 和p - v 特性的影响 太阳电池阵列的输出功率特性 降压型c v t 式蓄电池充电控制器框图 功率回授控制法工作原理框图 扰动观察法程序流程图 扰动观察法可能发生误判的示意图 电导增量算法流程图 间歇扫描法的硬件结构 间歇扫描法的算法流程图 最大功率点附近可能出现的各种状况 滞环比较法中其他的排列方式 滞环比较法控制流程图 最优梯度法进行m p p t 的搜索过程 不可调度式光伏并网系统模糊逻辑控制器构成图 ，4 5 6 9坦他伯 似佰佰仃侣侣伯趁弱“幻孙拍打押孙勰约约；s；：；弘：5；弘5；5；”； 合肥工业大学博士学位论文 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 。7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 6 图5 7 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图7 1 图7 - 2 图7 3 图7 _ 4 图7 - 5 图7 6 图7 - 7 图7 8 图7 9 图7 1 0 图7 1 1 图7 - 1 2 图8 - 1 图8 2 图8 3 各个输入和输出模糊变量的隶属函数图 采用m a t l a b 6 1 进行辅助设计时的模糊变量的定义界面 模糊逻辑控制规则设计例图 m a t l a b 6 1 在给定的输入条件下输出的反模糊化的数字结果举例 m a t l a b 6 1 中输入和输出关系的立体图 p l l 基本结构图 p l l 数学模型 软件锁相环s p l l 的一般组成 光伏并网发电系统软件锁相环原理框图 并网软件锁相环程序流程 最优时间p l l 算法示意图 有限脉冲响应p l l 算法示意图 屯网正弦波电压转换成t t l 脉冲信号的硬件电路 电网电压和转换成的兀l 脉冲信号波形 不同的t 1 p r 值输出不同频率的信号示意图 捕捉中断服务子程序流程图 捕捉中断服务子程序流程图续 系统输出的电流波形和电网电压波形图 可能的有源电力滤波器的结构框图 并联型有源电力滤波器控制系统控制流程图 三相四线式并联型有源电力滤波器原理图 补偿电流指令信号的计算流程图 三相四线系统有源滤波器仿真控制模型 补偿前的电网交流电压v s a 和交流电流i s a 波形 补偿后的电网交流电压v s a 和交流电流i s a 波形 孤岛效应发生时的系统供电状态 使用m a t l a b 进行反孤岛效应仿真的框图 电网正常时，侦测频率于1 次s e c 下的侦测情形 电网断电时，侦测频率于1 次s e c 下的侦测情形 三级变换光伏并网发电系统框图 f 2 4 0 芯片控制功能模块结构图 逆变输出级拓扑结构图 系统逆变输出级控制流程圈 预测公式计算示意图 无预测控制时的并网输出电流波形 使用预测控制后的并网输出电流波形 主程序流程图 光伏并网系统输出级在并网运行模式下的输出波形 安装于北京大兴县别墅楼的光伏并网发电系统 安装于楼顶的太阳电池阵确j ( 5 k w p ) 5 k v a 的并网逆变腔制光伏电源 f 2 4 0 与p c 之间的串口电平转换电路 澳4 控软件主运行界面和菜单 s c i 模块中断服务子程序 钔镗甜“铉弱钳；弱铊酩刀他陀犸卧瓮：盯盯5；引引鸵g；舛舛g；g；懈 合肥工业大学博士学位论文v i i i 图9 1光伏系统中的设备和系统接地示意图 1 1 0 竖一 鱼! 坚些查兰苎圭堂垡丝壅 表4 1 表6 1 表8 1 表8 2 表9 1 表9 2 表格清单 捕获中断服务予程序中的同步判断和动作流程6 1 i e e e s t d 2 0 0 0 9 2 9 u l l 7 4 1 对孤岛效应最大检测时间的限制7 8 运行、故障数据库的字段定义9 5 并网系统运行数据标识字母和含义对照表9 6 美国、德国和日本的补贴和发电成本情况1 0 6 单晶和多晶硅太阳电池组件在不同温度下的电压修正系数1 0 9 一 燕二兰簦鎏 一 ! 第章绪论 1 1 太阳能和光伏发电 。 太阳能是人类能源利用的必然选择 源是人类经济及文化活动的动力来源。世弊文暖史上，人类不凝地扶是然赛索取，掇 求适含生存和发展所需的备种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社 会开始，纯嚣能源逐步残兔久类掰角琵深酌蔓要来源，这种状溅一壹延续至萃车技发达鳃现代 壮会。随着人类对能源需球的目监增加，化石能源的储量正b 趋桔竭。全球资源专象们呼吁： 煤炭、石油簿可贵的化石赘源成该是留给子孙后代的“他工原料”，而不该程我们这代人手 中仅仅把它们作为燃料藤消耗殆尽。 此外，大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿 镑能澈，全氆器每炎产生约 己缱温室效应气体，器经造成投为严重豹大气污染，疆l _ i 绘 出了避若千年来全球c 0 2 排放的迅速增长情况“1 。 图1 - 1大气中c 0 2 含量的增长速度 翅莱不拥控稍，温室效疰浆融纯掰极懿踩由，这霹黪馒海平蘧上辩蔻寒，霆分之一豹a 类生活空间将由此受到极大威胁。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化已经 形成一对十分突出的矛詹。它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战。 钵对以上馕猿，开发利用霹毳生g 源和备弛绿鲤能潞以实现可持续发展是人类必须采取 的措施。从能源供成的诸多因素考虑，太阳能无疑最符合可持续发展战略的蠼想的绿色能源。 垒球缝源专家稻认定，太鬻麓辫成为2 i 避筑最重簧熬能源之一“。 1 1 2 太阳能的主要利用形式和光伏发电的优点 太阳能和j 用主蔡有光热利用、光伏利用和光化学利用等三种主要形式。我国低温光热利 釜羞b越强醛荦爆 2 合肥工业大学博士学位论文 用己经具有可观的规模，它成本低、使用方便、安全可靠。已经为全国广大人民所接受。光 伏利用近期在世界范围内高速发展，我国光伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞，特别是 2 0 0 2 年在“西部大开发”战略的推动下，呈现出了一片繁荣景象。 光伏利用或光伏发电具有以下明显的优点： 夺 无污染：绝对零排放无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”： 夺 可再生：资源无限，可直接输出高品位电能，具有理想的可持续发展属性： 夺 资源的普遍性：基本上不受地域限制，只是地区之间有丰富与欠丰富之别： 夺 机动灵活：发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便； 夺 通用性、可存储性：电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储； 夺 分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战 备的角度看，它更具有明显的意义： 夺 资源、发电、用电同一地域：可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用； 夺 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 ) ：节省发电基地使用的土 地面积和费用，是目前国际上研究及发展的前沿，也是相关领域科技界最热门的话题之 一。 由于太阳电池的主要原料硅的储量十分丰富，随着太阳电池研究的快速进程和转换 效率的不断提高以及其与其相关之系统技术的进展，发电成本已经呈现快速下降趋势。可以 预料，太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。 1 1 3 全球光伏发电产业迅猛发展 由于太阳能光伏发电的诸多优点，其研究开发、产业化制造技术及市场开拓已经成为当 今世界各国，特别是发达国家激烈竞争的主要热点。8 0 年代以来，即使在世界经济总体情况 处于衰退和低谷的时期，光伏产业一直保持以1 0 1 5 的递增速度发展。9 0 年代后期， 由于若干发达国家相继出台了明显有效的鼓励政策，太阳电池在世界市场范围内开始出现供 不应求的局面，更加速激励了光伏产业的迅猛发展。2 0 0 0 年全球光伏组件的产量达到 2 8 7 7 m w ，比上一年增长了4 3 ( 其中日本增长6 1 ，达到1 2 8 6 m w ，德国增长5 0 ， 美国增长2 3 3 ) ，是全球增长率最高的产业( 超过了i t 产业和通信产业) “。 以下列举的一些数据可以说明光伏产业蓬勃发展的近况： 夺通过改进工艺、扩大规模，太阳电池组件的生产成本己开始大幅度降低。组件成本3 0 年 来己降低2 个数量级，2 0 0 0 年世界重要太阳电池组件厂商的成本均大约为25 美元w p ， 组件售价3 5 美元i w p 左右。2 0 0 1 2 0 0 5 年期间单个生产厂商的规模生产能力预计可达 5 0 一i o o m w 年。 当前地面应用最多的太阳电池有单晶硅、多晶硅和非晶硅三大类。目前单晶硅电池的实 验室摄高效率为2 4 7 ( 澳大利亚新南威尔士大学) ，多晶硅电池的实验室最高效率为 1 98 ( 澳大利亚新南威尔士大学) ，非晶硅电池的实验室最高效率( 三结) 为1 5 2 ( u n i s o l a r ) 。 夺1 9 9 5 年澳大利亚新南威尔士大学与太平洋能源公司合作，投资5 0 0 万美元，计划用7 第掌续沦3 笨冀重阕汗茇出薄膜彀漶匏产韭纯生产技术，计谶建立年产m 谢静生产线。嚣报道，该 项目“可行性分析报傺”中指出“薄腆太阳电池的成本可下降到1 澳：迸w p 以下”这 样，太辩能光伏发电的成本将可与常规能源发电的低谷电价相比拟同样。美阈、b 本、 欧洲等其它发达墨家也正撰热紧滋舒摆芙懿磷究与发曩。8 2 光茯并霸发奄系统的广阕前景 1 2 1 并网发电魑太阳能光佚剃用的发展趋势 光伏发电有离嗣和并网两种工作方式过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，光伏 发电多数被耀予偏逡的秃电缝嚣，而且l ；盂户弼及糟痰用的中小系统屠多，都耩于离翻型用户。 但是近年来- 光伏产业及其市场发生了极大的变化，开始出边远农犍蛾区逐步囱城毒势嬲发 电、党伏建筑集成的方向快速迈进，太阳能已经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是 f 一靛“替代能源”。 1 9 9 8 年7 月6 日1 0e l 在舆地利维也纳召开的“第二届国际太阳能光伏会议”上，有 关毙茯发窀豹论文熊3 1 3 篇，箕串专门论述“光饫并网发电系统”的论文竟达1 6 1 篇，占论 文总数的5 1 。4 4 。由此也可窥觅一瑗，光伏共网发电系统的磺究已经残魏世界之熬点秘舞 簧，袭明太阳能并网发电技术已经进入了一个新的历史阶段，玄同时也是光伏发电领域研究 翡蔻沿”。 光伏发电的这种迅猛发展是必然的。只有进入电力系统的规模应用。才e 真正对于缓鳃 能源紧张和抑制环辘污染起到积极的作用阍对，光伏产业的规模发展还将为社会捷供可观 的杜会就业枫会。 ，。2 。2 嚣箨毙铰势耀发壤静凌麓窝琉状 光伏并嗣发电开始予8 0 年代初，美国、积本、德国、意大利都为此作出了努力。按照当 砖认谈，建造的郝是较大型斡光扶蒡瓣瞧蛄，耀模扶 o o 鼢f 戮 瓣w 不等，震晨都戆致痔授瓷 的试验性电站。试验结果在发展相应的技术方面是成功的。但在经济性方面却并不十分令人 鼓舞，主要燕由于太阳电池成本过离，虽然篡有蠲箍的减捧等环境效益，僵箕发电成奉却很 难让电力公司接受。 9 0 年代以来，圈外发达圈骞重新掀起了发展光伏并嗣系统的磷发商潮，这次的重点箨未 救在建遘大型共燃先扶鸯站方囊，嚣是弱蘩发展“屋臻必扶势瓣系统”。大嚣】试为，霪璜毙 伏并嘲系统不单独占地将太阳电池安装在现成的腿顶上。非常适应太阳能能量密度较低的 特点，黼盈箕灵活佼和经济往都大大饿予大燮并网光茯电螭有利于普及，有利于战备和能源 安全，所以受到7 各厦的重视 1 9 9 3 年德嗣首先开始实施由政府补贴支持的“1 0 0 0 个光伏屋顶计划”。继而扩展为 “2 0 0 0 令悲铰曩瑗诗粼”，羁盼镧定了“霹褥生能源毫力供应法”，规定光茯发毫豹上瓣电 价为每度电0 9 9 马克( 高予书规电价0 6 马克魔的电价) t 极大地刺激丁光伏发电市场目前 4 合肥工业大学博士学位论文 德国光伏市场持续地处于迅速上升的态势，至2 0 0 0 年底实际安装的光伏屋顶总数已达2 7 万 户。 日本在光伏发电与建筑相结合方面已经做出了十几年的努力，1 9 9 4 年1 月通产省宣布 “朝日七年计划”，计划至u 2 0 0 0 年推广1 6 2 万套太阳能屋顶住房，总功率达到1 8 5 m w p ；1 9 9 7 年又宣布“七万屋顶计划”，日本政府的目标是到2 0 1 0 年光伏并网屋顶系统总容量达到 7 6 0 0 m w 。日本光伏屋顶并网发电系统的特点是：太阳电池组件和房屋建筑材料形成一体， 如“太阳电池瓦”和“太阳电池玻璃幕墙”等，这样太阳电池就可以很容易地被安装在建筑 物上，也很容易被建筑公司所接受( i o o 美国也是晟早进行光伏并网发电的国家之一，8 0 年代初就开始实施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i o o k w 以 上的大型并网光伏电站4 座，其中容量最大的为6 m w ( 原计划为1 0 m w p ) ；1 9 9 6 年，美国能 源部又开始了一项称为“光伏建筑计划( p v - b o n u s ) ”的实施步伐，共投资2 0 亿美元，专门 用于开发新型光伏建筑集成材料、采光技术光伏调峰电力装置及光伏组件用并网发电模块 等。19 9 7 年6 月，前总统克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划”，计划虱j 2 0 10 年安装10 0 万套太阳能屋顶，总装机容量为3 0 2 5 m w p ，所产生的电力相当于3 5 座大型燃煤电站，每 年可望减排二氧化碳3 5 亿吨，相当于减少8 5 万辆汽车的尾气排放。同时，通过该计划的实施 将使光伏发电的成本由1 9 9 7 年的2 2 美分度下降到7 7 美分度”1 。 许多其他发达国家也都有类似的光伏屋顶并网发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、 奥地利、英国、加拿大”等。属于发展中国家的印度也在1 9 9 7 年1 2 , q 宣布到2 0 2 0 年将建成 1 5 0 万套太阳能屋顶并网发电系统。 许多统计资料表明，近几年世界光伏并网发电市场发展迅速光伏并网发电的装机容量 从1 9 9 6 年的7 m w p 已上升至u 2 0 0 0 年1 4 0 m w p 。光伏并网发电在光伏行业中的市场比例也从 1 9 9 6 年的1 0 上升到2 0 0 0 年的5 0 。随着光伏并网发电系统技术的不断完善和经济性的提 高，其市场占有率将始终保持在5 0 左右。据比较权威的世界能源年鉴报道，2 0 0 0 年光伏并 网发电占世界光伏产业总产值的比例如图1 - 2 所示。 图1 22 0 0 0 年光伏并网发电占世界光伏产业总产值的比例 在技术方面，专用逆变设备和相关系统的最佳配置涉及到多项技术。美国、德国、荷兰、 日本、澳大利亚等国家在光伏屋顶计划的激励下，许多企业和研究机构成功地推出了多种不 同拓朴结构的逆变器。据1 9 9 8 年世界可再生能源企业年鉴报道，世界上能提供屋顶光伏并网 第章缝论s 簸务静金壁蠢经超避2 0 0 家( 我蓬帮窜发未有企监簸辫入) 。其中寄辩美灞翡t r a c e 、s o 穗穗x ， 荷兰e c n 和m a s t e r v o l t ，h 本的k y o c e r a 、f u j i ，澳大列亚的a e g ，德国的s i e m e n s ，意大剃 晌e n e l 蒋，这些都明示着光伏并网发电系统产业已缀是世界范围内一个蓬勃发展的尚新技术 产业，它羊鞋光伏器传( 主疆是太阳电漶) 固聪势烈先光伏产业的耀大支拄， 谯光伏并网发电的行业标准方面，虽然现在还没有i e c ( 国际电工委员会) 标准，但备 阐都籁布了栩应静试行标准，翔荧国s a n d i a 翟象实验室的光软并弼麓电系统标潦等。 总之，从能源刹展的凰际发展趋势来看，光伏发电最终掩以赣代能源的角色避八电力市 场，而并网发电将摄光伏发电进入电力日r 场的必由之路。 1 2 3 我国邋切需疆发展光伏并网发电技术 我国正娥在经济转轨翱蓬勃发展时期，但能源问题严峻，城市中由予大量使用化石能源， 环境持续恶化。2 0 0 0 年世界卫生组织( w h o ) 公布的世界上污染瑷严重的十个大城市中，中 潼占了，个，蒺串筑素藩予莽屯证“7 。夫力绶屣兜後势弼发电将有转予罨晕瓣决这一溺戆。 国家有关领零部门已经开始给予足够重视，菌先是图家科技部已规划脊步骤地推进相关的科 技刨新研究、示范及其产业化进程。“八五”和“九五”期间把“光伏屋顶并两发电系统” 列入了“国家科技攻关计划”，在深圳期j e 京分男建成了1 0 0 k w p 、1 7 k v , , p 、7 k w p 靼5 k w p 的光伏屋顶并网发电系统并成功地实现了并网发电。”1 鳓磊裁为壶，我霉巍捩势溺发奄麴关键技术及设备镄主要来套进霸，毽谣对麴毙基大麴 国内需要，脚踏实地地发展具有自我知识产权的相关高技术，进而实现其产业化，已是刻不 容缓的事。本文正是在这恩怒的指爵下开耀了本领域肉韵一臻研究发展工作。 1 3 光伏并网发电系统的简单介绍 在量大谣广的光伏屋顶并网系统中，比较典型的户用结构约如豳卜3 所示。 甏1 - 3 典垄豹霪臻必扶势瓣发窀系统往患毒攀 图1 3 所示的光伏屋顶并网系统的电路布置大都约如图1 _ 4 所示 光伏屋顶 接线盒 图1 4 光伏屋顶住宅中的电路布置 图1 - 4 中，逆变器是技术含量较高的关键部件。世界各大光伏系统公司都各有所长地推 出了各种主电路拓朴结构及不同控制方式、不同功率等级的产品，它们可以是阶梯波形输出 或全正弦波形输出，性能及效率指标相差悬殊。据德国汉诺威太阳能研究所报道，同样阵列 容量在同样气象条件下，由于采用了不同构造的逆变器，每年送向电网的发电量竟可相差一 倍之多。由此可见，系统技术对于光伏并网效果的重要作用。许多专家指出：太阳电池技术 和光伏系统技术之间的关系就如同彩色显象管研究与彩色电视机研究一样，或者如同计算机 芯片研究与计算机系统研究之间的关系一样，相辅相成，缺一不可。 1 4 本文所做的工作 本文对光伏并网发电系统中的核心问题进行了较为深入的理论分析和研究，通过使用 m a t l a b 软件建立了系统功率输出级的仿真模型。在理论分析的基础上开发研制了一套5 k v a 的单相光伏并网发电系统，并且在实地安装运行。同时开发了基于v b3 0 的测控软件，并 在第九章详细地分析了光伏系统推广在国内所面临的非技术性障碍，提出合理性建议。本文 的创新点和工作重点可以总结如下： ( 1 )使用m a t l a b 的p o w e rs y s t e mb l o c k s e t 工具进行系统仿真研究，对系统的整个实际 开发提供了有效帮助。同时使用小信号分析的方法建立了光伏并网系统的传递函数， 给整个系统的理论分析提供了依据。 ( 2 ) 如何提高太阳电池最大功率点跟踪( m p p t ) 的鲁棒性和快速性，作者一方面将目前常用 的方法加以总结，同时提出了几种新的方法，井给出了仿真结果。 ( 3 ) 如何在光伏并网系统中可靠，快速实现对电月电压的锁相环是光伏并网系统中的一 簿一章舞论7 ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 【7 j ( 8 】 个技术难戆，律誊逶遘使用蔫牲缒豹d s p 芯片t 粥3 2 0 f 2 4 0 实琥了软传锁糖环，毽在 快速响应方面有所欠缺： 使用光伏并网发电系统对电嗣进行_ ，邑功补偿和功寨因数校正是未来光伏应用的一个 方向，本文仔细分凝研究了使月光伏劳霹发电系绕作势弯源滤波器躲线点载运霉特 点。同时进行了羔相光伏并网系统作为有源滤波器进行工作时的运行状况仿真； 孤岛效应是光伏并网系统应用中必须防止发生的现象，本文分析了使用主动扰动方式 实现防止弧岛效或豹方察，劳绘出了访宾结果。 具体详细分析了基于d s p 芯片( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 的单相光伏并网发电系统的控制设计思 想，提供了软件结构和实验结槊； 光茯并弼笈电系统蘸大爝模使溺必须謦曩远糍数据簸控联系在起，本文设计了一套可 实用的光伏并网发电系统的钡l 控系统的软件。 详细分析了光伏系统大规模推广的主鬻非按术障碍并提出对策，并分析了光伏系统在 安装使用申静安全规范潮蘧，麓时结合数据分析了光挟并网发电系统的经济效益、社 会效靛和环境效蕊。 8 合肥工业大学博士学位论文 参考文献 ( 1 ) 赵玉文，“光伏发电在本世纪人类能源发展中的战略地位”，合肥工业大学讲座，2 0 0 1 ( 2 ) 赵玉文，“太阳能光伏技术的发展概况”，第五届全国光伏技术学术研讨会论文集， 1 9 9 8 ( 3 ) 王斯成、董路影，“我国太阳能光伏发电市场发展与国际挑战”，第五届全国光伏技术 学术研讨会论文集。1 9 9 8 ( 4 ) 林安中，王斯成，“国内外太阳电池和光伏发电的进展与前景”，太阳能学报，1 9 9 9 ( 特f 0 ) ，p 6 8 7 4 ( 5 】 王德林、冯建涛、叶东嵘、王斯成、王长贵， t b n 3 0 0 型同步并网逆变器，第五 届全国光伏技术学术研讨会论文集，1 9 9 8 【6 ) 魏光普，“太阳电池发展现状与展望”，物理电源信息，1 9 9 9 ( 2 ) ，p 1 5 7 )g g i r e u l t - m a t l a k o w s k i ，u t h e d e na n da w b l a k e r s “p h o t o v o l t a i c m a r k e t a n a l y s i s ”1 5t he c p v s e c ，v i e n n a 。19 9 8 ( 8 )w u z o n g x i n p a td e l a q u i l ，e r i cd l a m o n c h e nw e n y i n ga n dg a op e n g f e i “f u t u r e i m p l i c a t i o n so fc h i n a se n e r g y - t e c h n o l o g yc h o i c e s ”，w o r k i n gg r o u po ne n e r g y s t m t e g i e s a n d t e c h n o l o g i e s ( w g e s t ) ，c h i n a c o u n c i lf o ri n t e r n a t i o n a l c o o p e r a t i o no ne n v i r o n m e n ta n dd e v e l o p m e n t ( c c i c e d ) ，2 4j u l y2 0 0 1 ( 9 ) l a r r yg o l d s t e i n j o h nm o r t e n s e n 。a n dd a v i dt r i c k e r ，“g r i d c o n n e c i e d r e n e w a b l e - e l e c t r i cp o l i c i e si nt h ee u r o p e a nu n i o n ”，n a t i o n a lr e n e w a b l ee n e r g y l a b o r a t o r y , m a y1 9 9 9 【1 0 ) k o s u k ek u r o k a w a d a i s u k e u c h i d a k e n j io t a n ia n dt a d a t o s h is u g i u r a ，“r e a l i s t i c p vp e r f o r m a n c ev a l u e so b t a i n e db yan u m b e ro fg r i d c o n n e c t e ds y s t e m si n j a p a n ”8 t hi n t e r n c o n eo ns o l a re n e r g yi nh i g hl a t i t u d e s e d m o n t o n ，c a n a d a ， a u g 1 9 9 9 ( 1 1 ) e l i z a b e t hr i c h a r d s ，c h a r l e s h a n l e y , r o b e r t f o s t e ra n dg a b r i e l ac i s n e r o s ， “p h o t o v o l t a i c si nm e x i c o ：am o d e lf o ri n c r e a s i n gt h eu s eo fr e n e w a b l ee n e r g y s y s t e m s ”，p u b l i s h e d a sac h a p t e ri na d v a n c e si ns o l a r e n e r g y , a m e d c a ns o l a r e n e r g ya s s o c i a t i o n ，1 9 9 9 ( 1 2 ) h p t h o m a s b k r o p o s k i 。p _ m c n u t ta n dc e w r t t ，“p r o g r e s si np h o t o v o l t a i c s y s t e m a n dc o m p o n e n t i m p r o v e m e n t s ”，n r e l 。j u l y1 9 9 8 ( 1 3 ) i t b e m a r dv a nh e m e r t ，i nx a v i e r v a l l v ，d i p l 一i n g j e n sm u l l e r 。d r sg e e d i n gl o o i s a n d i n g m a r kk o e r t s “a u t o n o m o u sp v - g e n e r a t o mi na g d c u l t u r ea n dw a l e r m