（电力电子与电力传动专业论文）光伏并网电压型逆变器电压控制策略及mppt研究.pdf

r e s e a r c ho nv s v cm e t h o da n dm p p t o fp h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h et h e o r yo fv s v ci sb e e nr e s e a r c h e di no r d e rt oa v o i dt h e d i s a d v a n t a g eo ft h et r a d i t i o n a lv s c cm e t h o d b e c a u s ei tc a n ti m p r o v et h e e l e c t r i cp o w e r q u a l i t yo fg r i ds oa sc a n n o tt oo p e r a t ei n d e p e n d e n t l yo ro p e r a t ei na m i c r o - g r i d t h eo u t p u te n da c t i v ea n di n a c t i v ee l e c t r i cp o w e rc a nb ea d u s t e db y c h a n g et h ep h a s ea n dt h ea m p l i t u d ea c c o r dt ot h ed r o o pm e t h o dt h e o r y i tc a n o p e r a t ei nm i c r o - g r i ds y s t e mo ro p e r a t ei n d e p e n d e n t l yb e c a u s ei t c o n t r o l st h e v o l t a g ed i r e c t l yt og e tr i do ft h er e l i a n c eo nt h ev o l t a g eo fg r i d t h ef e a s i b i l i t yo fv s v cs t r a t e g ya n dt h es y s t e mc h a r a c t e f i s t i c sa r ev a l i d a t e d w i t hm a t l a bc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h er e s u l t sa r es a t i s f a c t o r y 1 t h eo u t p u tp o w e rc a nb eq u i c k l ya d j u s t e db yc h a n g i n gt h ep h a s ea n dt h e a m p l i t u d e o f o u t p u t e n da c c o dw i t ht h el o a di nt h es y s t e mw i t h v o l t a g e - c o n t r o ls t r a t e g y 2 t h ep o w e rq u a l i t yo fg r i dc a nb ei m p r o v e db ys u p p o r ta c t i v ea n di n a c t i v e p o w e rw h e ni tp a r r a l e l lw i t hg r i da n da l s oa d a p tt ot h el o a dc h a n g ew h e n l u l li n d e p e n d e n t l y 3 t h eo u t p u tv o l t a g ew i l lh a v ea l li m p u l s ew h e nt h ei n v e r t e rd i s c o n n e c tw i t h t h eg r i d 4 b e c a u s eo fi t sg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i ss y s t e mc a n a p p l yi nv a r i o u ss i t u a t i o n s t h et r a d i t i o n a lm p p tm e t h o dh a sd i s a d v a n t a g e si n b e i n gi n f l u e n c e db y t e m p e r a t u r es e v e r e l y , h a st h ee x c e s s i v ep o w e rl o s s o rt h eb r e a k d o w no fd c l i n k - v o l t a g e s o ，t h i sd i s s e r t a t i o np u tf o r w a r dad a t a b a s e b a s e dm p p tc o n t r o l m e t h o dt og e tr e do ft h e s es h o r t c o m i n g s k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m , c u r r e n t - c o n t r o lm e t h o d , v o l t a g ec o n t r o lm e t h o d ，m p p t 插图清单 图1 一l 全世界的太阳电池累计生产量 图1 2 全世界光伏系统的累计安装总量 图1 3 光伏并网系统示意图 图2 一l 太阳能电池原理示意图 图2 2 太阳能电池单元等效电路 图2 3 光伏电池的1 v 和p v 特性曲线7 图2 4 光照和温度对太阳能电池的影响 图2 5 不同串联电阻对i v 和p v 特性的影响 图2 6 不可调度式和可调度式并网系统的差别 图2 7 单级式与两级式光伏并网系统结构的比较 图2 - - 8 单相光伏并网逆变器主电路结构 图2 9 带工频变压器的单相并网逆变器结构 图3 1 单相全桥光伏并网系统主电路 图3 2 并网电压电流关系相量图 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 电流控制电压型系统的控制框图 电流控制策略不同调制度下的仿真波形。 传统电流控制系统向负载提供有功能量。 电流控制策略带不同负载的仿真结果 系统正常运行带不同负载电网突然停电仿真结果 1 5 1 6 图3 8 带有源滤波器功能的电流控制系统能量流向图1 7 图3 9 光伏并网系统等效电路简化图 图3 1 0 不同容量逆变电源下垂特性示意图 图3 1 l电压控制策略简要示意图 图3 1 2 有功功率给定 图3 1 3 无功功率给定。 图3 1 4s p w m 调制示意图 图3 1 5 电压控制型光伏并网系统控制结构图 图3 1 6 电压控制型仿真电路示意图 图3 1 7 系统带纯阻性负载仿真波形 图3 1 8 系统带阻感负载时的仿真波形 图3 1 9 系统带纯感性负载时的仿真波形 图3 2 0 系统突加重载的仿真结果 图3 2 1 系统突减负载的仿真结果 图3 2 2 带重载电网停电时系统的工作情况 1 8 。1 9 2 0 2 l 。2 l 2 2 2 2 2 3 2 4 2 4 2 5 2 6 2 7 。2 8 2 3 4 6 7 灌p 口= 加n u j b ”h 图3 - 2 3 带轻载电网停电时系统的工作情况。2 9 图4 1 光伏阵列不同光照下p v 曲线 图4 2 所示为c v t 法的控制框图。3 1 图4 3c v t 方式因温度对输出的影响3 2 图4 4m p p t 的控制结构框图。3 3 图4 5m p p t 搜索过程3 3 图4 6 稳定光照m p p t 误差分析3 4 图4 7 光照突变时m p p t 误差分析3 4 图4 8 方向误判引起的直流电压崩溃3 5 图4 9 基于数据库的m p p t 算法控制原理图3 6 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 金目b 王业太堂 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做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文储躲翰和 签字吼2 0 0 7 年卿。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g b 工些盍堂有关保留、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 金a b 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、缩印和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：蒋永扣 签字日期2 加0 7 年6 月7 。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：私弩 签字日期：7 卿年6 月f 6 日 电话 邮编 致谢 在能源所三年的学习即将结束，期间的工作和学习让我的动手能力得到了 提高，专业知识得到了丰富，同时也认识到自身很多方面的不足，还有很重要的 一点是和老师同学们建立的深厚的情谊。这些对我来说都是宝贵的经历和财富， 值得永远珍藏。行期将近，蓦然回首，百感交集，在所里的三年得到了很多老 师同学的指导和帮助，仅以寥寥数语表达一下对大家的感谢。 首先感谢苏建徽老师，苏老师给我的前进指明了方向，自始至终都对我的 课题和论文给了极大的关注和指导。苏老师雄厚的理论，工作的投入以及工作 中注重方向性和方法性的思想都是我今后努力的目标。 张国荣老师在我实际的动手操作中给予了极大的帮助，他总是很有耐心的 给我答疑解惑，在我工作遇到困难时他更是亲自来指导。张老师总是和若春风， 循循善诱，他是个好老师但更像亲人。张老师的工作方法、做事的态度是我以 后学习的榜样。 十分感谢我的导师茆美琴老师，茆老师认真的工作态度严谨的治学精神让 人佩服，茆老师还很关心我在生活和学习上的问题，在整个学习期间，给了我 很大的帮助。 杜燕老师在我学习的初级阶段给了我很多的指导，平时工作中遇到很多困 难她都会热心的给我帮助并给以建议，她既是我的老师又是我的朋友。 张建老师也给了我很大的帮助，他的聪明能干和好学给我留下了很深的印 象，我们一起干活，一起讨论问题。他的勤奋和随和，都值得我去学习。 感谢能源所的汪海宁老师、杜雪芳老师、刘翔老师以及电子车间的同事们， 他们都给过我很多的帮助。 向关心和帮助过我的师兄、师姐、师弟和师妹们表示深深的谢意，我们互 相学习，共同进步，他们是0 2 级的吴杰；0 3 级的贺文涛、杨向真、刘宁、陈 林、李桂臣、潘江洪、公平、梁海涛等同学；0 4 级的马炎、阮景义、周玉柱、 孙艳霞、赖纪东、申翔、张铁良、张军军、李冉等同学和0 5 级的焦道海、彭凯、 张召、陶然和李启明等同学。 最后要向关心我的家人和朋友表示我最深切的敬意，尤其是我的姐姐蒋苓， 没有他们的支持和关怀，我根本不可能这么顺利的毕业! 铁打的银盘流水的兵，青山留不住，碧水东流去。在今后的工作和生活中 我将继续努力学习理论知识，改正自身存在的缺陷，尽量不辜负老师们的教诲 和家人的期望，不给老师们丢脸。 蒋永和 2 0 0 7 年5 月2 0 日 第一章绪论 在世界范围内，煤炭、石油、天然气等传统能源的消费量正在不断的增加， 并且越用越少。各种能源的储量、产量和消费量分布也极不平衡，主要集中在 某些地区和少数国家。( b p 世晃能源统计2 0 0 6 ) ) 显示，2 0 0 5 年世界煤炭的消费 量增长了6 3 ，其中的7 5 来自中国；天然气消费量增长了3 3 ：美洲、中东、 非洲和中国的石油消费量增幅都很大超过2 。2 0 0 5 年全球石油探明储量中东 约占6 1 9 ，世界石油的储存产出比下降了2 7 个百分点；全球探明的天然气 储量1 7 9 5 3 万亿立方米，主要集中于前苏联、o e c d ( 经济合作与发展组织成 员国) 、欧盟等地区。探明的煤储量7 5 存在美国、前苏联、中国和印度，并 且储存产出比还有所下降。有数据表明，以目前的开采速度计算，全球石油储量 可供生产4 0 多年，天然气和煤炭则分别可以供应6 7 和1 6 4 年。 另外，化石能源的大量使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，它会产生二氧化碳、二氧化硫以及烟尘等。二氧化硫会导致酸 雨的形成，二氧化碳则会加剧“温室效应”。 可见，人类正面临着能源和环境两大问题，发展可再生的、清洁无污染的 替代能源成为当务之急。太阳能由于其本身的优点越来越受到人们的关注，成 为世界各国研究的热点。 1 1太阳能的优势及其利用 太阳辐射出来的总能量大约为3 7 5 x 1 0 2 6 w ，到达地球范围内的能量大约为 1 7 3 x l o 亿千瓦，真正到达地球表面时只有大约为8 1 x 1 0 4 亿千瓦。而地球表面 陆地表面约有1 7 x 1 0 4 亿千瓦，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生 的总能量的3 5 万多倍，这其中，被植物吸收的仅占0 0 1 5 ，被人们利用作为 燃料和食物的仅占o 0 0 2 ，己利用的比重微乎其微，所以太阳能利用的潜力 很大。 太阳能的优势在于： 能量巨大，有很大的利用空间； 对环境不产生污染，是一种清洁能源； 取用不竭，目前太阳还有4 0 亿到5 0 亿年的寿命，对于人类来说，不 必顾虑太阳能源的枯竭。 普遍存在且无需采掘和运输。 据记载，人类利用太阳能的历史已经有3 0 0 0 多年了，在能源紧缺，环境与 发展并重的今天，它正逐渐受到世界各国的重视。目前对太阳能的利用主要有 以下三种形式： 光热利用利用太阳光的热辐射来加热物体作为热源或者进一步转 化成动力源的利用形式。包括太阳能热水器、太阳能热发电、太阳房、太阳灶 等。 光化学利用一一将太阳能转换成化学能，或者再转换为其他形式能量 的太阳能利用形式。比如植物的光合作用，光化学储存、光解水制氢等。 光伏利用一一利用光伏电池的光电效应将光能直接转换成电能。其基 本装置是太阳能电池，一般由太阳能电池和变流器组成光伏发电系统来加以利 用。该系统将光伏电池产生的电能经转换供给负载使用，根据是否并联到电网 可以将它分为独立发电系统和并网发电系统两种类型。 1 2 光伏产业发展的现状 光伏产业近些年发展非常迅速，应用范围已遍及民用、住宅等多领域。其 中太阳能电池的研究与制造是至关重要的一个环节。太阳电池的种类很多，主 要有硅半导体、化合物半导体和有机半导体三大类，其中最常用的为硅半导体 中的单晶硅、多晶硅电池，目前二者的市场份额达到9 4 。 近十几年全世界太阳能电池的生产量星指数级增加，2 0 0 5 年的总产量为 1 8 1 8 m w ，是1 9 9 4 年6 9 4 m w 的2 6 2 倍，如图l 一1 所示。 图l l 全世界的太阳电池累计生产量 另外，光伏产业中十分关键的光伏系统的安装量也大幅增加，到2 0 0 5 年已 经达到4 0 5 6 m w ，而1 9 9 4 年仅为1 6 3 8 m w ，1 1 年间增加了约2 4 7 6 倍，如图 l 一2 为全世界光伏系统的累计安装总量。 2 图1 - - 2 全世界光伏系统的累计安装总量 根据这个形势判断，未来十几年之内，全世界的太阳能电池产量和光伏系统安 装总量还会继续大幅增加。 从政策层面看，世界各国都先后制定了本国的发展计划并大力投入研发力 量和产业链的建设。美国于1 9 7 3 年制定了光伏发展计划，随后欧盟日本等其它 西方国家也纷纷仿效，简要介绍如下： 美国一1 9 8 8 年提出并实旋p v u s a ( p vu t i l i t ys c a l ea p p l i c a t i o n ) 计划， 1 9 9 5 年又提出了光伏建筑计划( p v b o n u s ) ； 德国一1 9 9 0 年提出并实施1 0 0 0 屋顶发电计划，1 9 9 8 年又提出了1 0 万 屋顶计划； 日本一1 9 9 4 年提出“朝日七年计划”，1 9 9 7 年再次提出的“七万屋 顶计划”。 1 9 9 7 年“京都议定书”签订过后，各国再次进行了新的规划： 美国一提出要在2 0 1 0 年实现总功率为3 0 0 万k w 的屋顶光伏发电计划； 德国一发布了一项1 0 万屋顶计划( 1 9 9 9 2 0 0 4 年) ； 意大利一发布了一项l 万屋顶计划( 1 9 9 9 2 0 0 3 年) ； 日本一制定了新能源法，到2 0 1 0 年要普及功率为5 0 0 万k w 的屋顶发 电系统。 这些国家采取了优惠政策和财政补贴，鼓励人们购买光伏发电系统和使用 太阳能电力，并注重将太阳能应用同建筑物结合起来。 另外，太阳电池的效率也在不断地提高。1 9 5 3 年，美国贝尔实验室研制出 世界上第一个硅太阳能电池，转换效率为o 5 ；1 9 5 4 年贝尔实验室又迈出重 大的一步，研制出转换效率为6 的实用型单晶硅电池，这一技术进步为光伏 发电产业的发展铺平了道路，是太阳能应用领域的里程碑；1 9 9 4 年转换效率已 提高到1 7 ，到2 0 0 4 年，理论上单晶硅的效率能达到2 5 3 0 ，太阳电池效 率的提高又进一步的推动了光伏产业的发展。 3 我国硅储量很丰富，光照资源也十分可观，全国各地太阳年辐射总量为 3 3 4 0 $ 4 0 0 m j m 2 ，尤其是广大的西北部地区，发展光伏产业的基础良好。近 2 0 年来，我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 年我 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 。据中国光伏产业协会统计，2 0 0 4 年，我国晶体硅电池组件的封装能力达到1 5 0 兆瓦，随着无锡尚德和保定英利 的扩产和南京中电的建设，我国晶体硅生产能力将达到2 0 0 兆瓦。我国在建和 扩建的光伏电池生产企业如全部投产，年产电池组件可能超过3 0 0 兆瓦。 我国对光伏电池的应用研究始于1 9 5 8 年，当时主要针对解决卫星的供电 问题，进入9 0 年代后，国家逐年加大了对光伏产业的投入。在“八五”和“九 五”期间，“光伏屋顶并网发电系统”被列入了“国家科技攻关计划”；“十五” 计划和至2 0 1 0 年远景目标明确规定要降低太阳能电池成本，提高系统效率；推 广小功率光伏系统和建立分散型和集中型百万级并网光伏示范电站。按照计划， 到2 0 1 0 年我们将利用光伏发电和风力发电解决两千三百万边远地区人口的用 电问题，使当地人均发电容量达到i o o w ，相当于届时全国人均拥有发电容量 的1 3 。 目前，我国光伏发电技术仍处于研发阶段，和国外相比还要落后很多。太 阳能发电系统的总体发电效率主要与太阳电池效率、逆变器效率和功率控制方 式有关。前文所述目前太阳电池的转换效率还不高，最大也就百分之二十几， 另外加上其成本高昂，在1 9 8 0 年售价为2 1 美元瓦，目前是2 。7 美元瓦，因此逆 变器的效率和功率控制方式就现的尤为重要。 当前国内外光伏并网系统占据了光伏系统大部分的份额，光伏并网发电系 统的技术也逐渐完善。如图1 3 为一种光伏并网系统原示意图，它由太阳能光 伏阵列、并网逆交器、输出滤波器( l 或l c ) 、工频变压器、电网和负载组成。 图l 一3 光伏并网系统示意图 光伏并网系统有单级、两级、单相、三相等多种结构，控制策略有电流控制方 法和电压控制方法。 目前实际应用中基本上都采用了电流控制策略，因为它具有跟踪快速快， 稳定性能好等优点，主要实现与大电网并联运行。随着电网建设的发展以及对 4 电能质量要求的提高，电流控制策略一些固有的缺点限制了它的应用，它以电 网电压为参考，通过p w m 调制实现并网电流对电网电压的实时跟踪，二者同 频率同相位，功率因数为1 。虽然有诸多优点。但是在并联到大电网中运行时， 它只能给电网提供有功功率，对电网电能质量的改善不起任何作用，由于采用 了开关器件，多少还会给电网带来一定的谐波，因此这种并网设备不适合大量 使用。针对这一缺点有人提出带有源滤波器功能的电流控制策略的改进算法， 它可以实现对电网无功能量的提供和对电网谐波的抑制。但是在脱离大电网而 在微网系统中或者独立运行的场合由于不能对电压进行调节，这两种控制方法 将不再适用，而电压控制策略是一种较好的解决方法。 1 3 本文所做的工作 本文针对光伏并网系统的电压控制策略，做了如下一些工作： 1 比较了几种主电路结构的优缺点，选用单相单级式结构的逆变器作为本 文研究的对象； 2 讨论了传统电流控制策略的缺点并阐述了电压控制策略的基本理论； 3 仿真研究了电压控制策略的动、静态性能，验证它的可行性； 4 分析对比了c v t 法和传统的m p p t 算法的优缺点，并针对c v t 法受温 度影响过大和传统的m p p t 算法存在的扰动损耗和直流母线崩溃的缺点，提出 一种基于数据库的m p p t 实现方法。 5 第二章太阳电池模型与并网电路结构选择 光伏阵列是光伏并网系统最为重要的组成部分之一，它由太阳能电池组合 而成，深入地了解太阳能电池的原理、内部结构以及工作特性对于分析研究其 电路来说十分关键。另外，并网逆变器也是光伏并网系统的关键组成部分，并 网逆变器有多种结构，针对具体的应用场合合理的选择其结构也是很重要的。 本章将对太阳能电池的工作原理、等效结构、工作特性等进行介绍，并根 据各电路结构的特点选择适合本文的并网电路结构。 2 1 太阳能电池分析 2 1 1太阳能电池的基本原理 太阳能电池应用p n 结的光伏效应( p h o t o v o l t a i ce f f e c t ) 将太阳的光能转 变成电能。太阳电池的主要组成材料是半导体，其中“硅”应用最广。如图2 1 所示，将较薄的n 层置于较厚的p 层上面，当日光照射到n 层表面，在p n 接触面就会产生漂移电流，通过p n 结上的金属连线引出即可供给负载。 图2 1 太阳能电池原理示意图 太阳能电池的单元为太阳能晶片，将若干个太阳能晶片通过串并联组合起 来，再经过封装就是常见的太阳能电池板，若干个太阳能电池板再经过串并联 就构成了光伏阵列。 理想的p n 结单元晶片的i v 的关系如下： 川。 e x p c 务一 ( 2 - - 1 ) 其中i 为p n 结的电流( a ) ：厶为反向饱和电流( a ) ；v 为外加电压( v ) ；q 是电 子电荷( 1 6 l o 。1 9 c ) ；k 是玻耳兹曼常数( 1 3 8 x l o “j k ) t 是绝对温度( k ) 。 实际的单元晶片还具有体串联电阻r s 和并联电阻r 。以及p n 结电容等，通 6 常采用如图2 - - 2 所示的等效电路。 卜 l i d l i 2 f c jl r s h ： 图2 2 太阳能电池单元等效电路 一般太阳光照变化比较缓慢，在分析系统时可以忽略结电容c 的影响，此 时p n 结晶片有如下的i v 方程： m 一，o e x 剃斗等( 2 - - 2 ) 其中，a 为二极管因子，取值范围为1 5 。 选购太阳能电池板时要考虑好它的规格，主要是外型尺寸以及特性参数。 太阳能电池的特性参数主要包括： 开路电压w o e ) ； 短路电流( i s c ) ； 最大功率( p m a x ) ； 最大功率点电压( v m ) ； 最大功率点电流( i m ) 。 2 1 2 太阳能电池的工作特性 太阳电池的工作特性为非线性，主要用它的i v 和p v 特性曲线来描述，如 图2 3 所示。 x - i t 曲线卜y 蓝线 图2 3 光伏电池的i v 和p v 特性曲线 7 另外，它的输出还受到温度和光照强度的影响，如图2 4 所示。从中图 ( a ) 中，可以看出短路电流近乎与日照强度成正比增加，开路电压随着日照强 度的增大而略微增加。随着日照强度的降低，总体效果会造成太阳能电池的输 出功率下降如图( b ) ；从图( c ) 中可以看出，温度上升使太阳电池开路电压下 降，短路电流i 。则轻微增大。总体上，温度升高会造成太阳能电池的输出功率 下降，如图( d ) 所示。 c - ，不同光照下的i v 曲线 c ，不同温度下的i - v l l l l 线 b 不同光照下雕j r - v 越线 d 不同温度下的r y 曲线 图2 4 光照和温度对太阳能电池的影响 此外，串联电阻r s 对太阳能电池的输出也有影响，它是太阳能电池内部 所有分布电阻的集中体现，其阻值主要由制造工艺决定，也受环境因数的轻微 影响。串联电阻会产生欧姆损失，降低电池的效率从而改变太阳能电池的输出 特性，但它并不影响其开路电压和短路电流的大小，如图2 - 5 所示。 ( b ) 不同温度下的p 一1 r 曲线 图2 - - 5 不同串联电阻对i v 和p v 特性的影响 2 2 并网电路结构选择 光伏并网系统从功能上可分为可调度式系统和不可调式度系统，二者之间 显著的差别在于是否带有直流储能环节，如图2 6 所示。 ( a ) 可调度式 ( b ) 不可调度式 图2 - - 6 不可调度式和可调度式并网系统的差别 可调度式光伏并网系统的功能比不可调度式系统强大，对于电网的调峰有 一定意义，但是它存在直流储能部分这个薄弱的环节，因而限制了它的使用。 其弊端主要体现在： 系统变的复杂，可靠性和效率降低； 常用蓄电池储能，它有寿命短、占用空间大以及会造成环境污染等缺 9 点； 不可调度式并网系统因为具有有结构简单、可靠性好、效率高以及易于安 装调试等优点，所以受到了更为广泛的应用。 并网系统从主电路结构来看可分为单级变换系统和两级变换系统，如图2 7 所示。 ( b ) 两缀孟系统 ( a ) 单缓式系统 图2 7 单级式与两级式光伏并网系统结构的比较 两级变换系统在直流侧有d c d c 变换环节，它往往带有蓄电池，在太阳电 池电压比较低的场合，用来升压变换。两级变换系统在控制的时候，最大功率 点控制和逆变控制分开成两个环节进行，控制复杂且动态响应慢。综合起来， 两级式变换系统也存在效率相对较低，带直流环节，以及控制复杂，动态相应 慢的缺点。 在单级式光复并网系统的结构中，光伏阵列输出直接逆变并网，省去了中 间的d c d c 环节，提高了效率，简化了系统的结构，更加有利于调试和维护， 它完全克服了两级式光伏并网系统的缺陷。 并网逆变器是光伏并网系统的很重要的一个部分，它分电压源型和电流源 型两种。上个世纪8 0 年代末日本学者率先研制出一种电流源型光伏并网逆变器， 取得了较好的性能。但电流型逆变电路控制复杂，因此没有得到很好的发展。 而电压源型p w m 变流技术逐渐成熟，由于其很好的双向变流能力，因而被广泛 的应用于光伏并网发电中，如图2 8 ，为单相单级式电压源型光伏并网逆变器 结构。它由光伏阵列、直流母线电容c 、逆变桥和滤波电感l 组成，在某些系统 中，由于光伏电池电压较低，逆变输出端还要增加一个工频的升压变压器，如 图2 9 。 l o 图2 8 单相光伏并网逆变器主电路结构 图2 9 带工频变压器的单相并网逆变器结构 综合上面的分析，本文选用不可调度式单相单级电压源型光伏并网系统作 为研究的对象。 第三章光伏并网系统电压控制策略的研究 由于采用传统的电流控制策略系统具有结构简单、稳定性较好、系统鲁棒 性较好等优点，从而获得了广泛的应用。随着电网建设的发展、分布式发电系 统的增多以及对电能质量要求的提高，电流控制策略的应用将不能满足系统的 要求。电力电子开关器件的大量应用会给电网带来污染，降低了电网的电能质 量。更重要地，在研究和应用越来越多的分布式微网系统中，电流控制策略已 经不能再应用，脱离大电网后逆变器输出电压将不稳定，会随着负载的不同而 变化。综合这两点，必须寻求新的并网控制策略，来解决这些新问题。 目前存在的电压一频率下垂法通过控制逆变器电压的幅值和相位来改变其 输出功率，对于抗负载的扰动取得了不错的效果。我们将下垂法应用在光伏并 网系统中便可以针对并网负载的变化而给电网提供适当的有功和无功功率，这 就是本文的电压控制策略的实质。 本章首先分析了传统电流控制策略的实现方法及其不足之处，然后对电压 控制策略进行了理论分析，最后对比仿真研究来了解它的动、静态特性，验证 这种控制策略可行性。 3 1 传统的电流控制策略的分析 传统的电流控制策略是基于直接电流跟踪控制方法的思想，它以电网电压为参 考，通过控制逆变桥的输出来实现并网电流和电网电压的同步。它控制简单，易于实 现。 3 1 1 传统电流控制策略的实现方法 这里通过单相全桥拓扑结构来对电流控制策略进行分析，如图3 一l 。 图3 1 单相全桥光伏并网系统主电路 显然，逆变输出端电压【，m 的基波分量与电感两端的电压u 。，电网电压 ( ，鲥d ，并网电流，。满足如下关系： u 蛆= u l + u 吲 u l = j c o l l 可以用图3 2 所示的相量图表示。 图3 2 并网电压电流关系相量图 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 传统的直接电流控制，可以采用滞环比较跟踪、定时比较跟踪、三角波比 较控制等方法来实现。 常见的控制框图如图3 3 。 图3 3 电流控制电压型系统的控制框图 图中u s p 和i s p 分别是太阳电池阵列的电压和电流，m p p t 模块控制输出最大 功率点电流i m 信号，i m 和单位正弦信号s i n c o t ( 与电网电压同相位) 相乘后得到 并网电流给定信号i 。i f 为并网电流反馈信号，g f ( s ) 为反馈环节，电流误差 值经过电流调节器g l ( s ) 调节控制p w m 输出。忽略功率器件压降及死区时间的非 线性影响，s p w m 控制方式下的桥式逆变环节可视为一个高增益的小惯性环节， 可表示为如下形式；g 2 ( s ) = k ( t s + 1 ) ；g 3 ( s ) = 1 ( l s + r ) 是交流侧滤波电感l 和线路 阻抗r 组成的滤波环节；g n ( s ) 是系统控制中采用的电网电压前馈环节。 按照图3 1 所示的主电路结构和图3 3 所示的控制结构对系统进行了仿 真。如下图3 4 ，它分别是在调制度为0 8 、0 8 5 、0 9 和o 9 5 时的并网电流和 电网电压的波形。 i 窿篓匿 i 藤! 蕊! 溺i 愿：蕊! ：溺 占_ 晶广百若1 南盎r 出。4 盂广j f 可亩盎广去 ( a ) 调制度为08 ( c ) 调制度为0 9 ( b ) 调制度为0 8 5 ( t t ) 调制度为0 9 5 图3 - 4 电流控制策略不同调制度下的仿真波形 从图中可以看出，不同调制度下，系统都能够稳定地实现并网电流和电网 电压的同步，单位功率因数。 3 1 2 传统电流控制策略的缺陷 缺陷一：不能改善电网电能质量 由于传统的直接电流控制方式强迫并网电流对电网电压的跟踪，功率因数 为l ，按照功率计算公式 有 p = * 础= u i c o s 妒 q = u i s i n 妒 p = u i q = 0 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 辫 籼瑚。瑚跏4 2 o 涩博 纂 删a 姗棚o 2 a 在w 所以在并联到大电网中运行时， 网提供无功功率或者进行谐波抑制， l 它只能给电网提供有功功率，并不能给电 如图3 5 。 图3 5 传统电流控制系统向负载提供有功能量 图中，u 。一一逆变器输出电压；u 。一一电网电压； q 一一负载所需总功率；q 1 一一负载所需有功功率； 绞负载所需无功功率；q ：一一逆变器提供的有功功率； q l ”一一电网提供的有功功率；三滤波电感。 逆变器只能为负载提供部分的或者全部有功功率，而电网为负载提供全部的无 功功率。如图3 6 ，是电流控制策略在不同负载下的仿真波形。 廛三一 电网电压电网电压 0 匾0 0 1002圈0030 0 4 0 惦 一 ( a ) r - 1 0 0 。l - 0i m h( b ) r 一5 0 0 ，i ，i m h 图3 6 电流控制策略带不同负载的仿真结果 从上图可以看出，在不同负载下并网电流始终同电网电压同步，所以这样 的系统的确不能给电网提供无功能量，理论分析和实际结果相一致。 在实际应用中，由于逆变桥采用了开关器件，多少还会给电网带来一定的 谐波。这样，很多同类的光伏并网逆变器同时并网工作时必然会给电网带来很 多的干扰，这是绝对不允许的。 伽瑚。猢伽 5 o 与 缺陷二：不能脱离大电网独立运行 由于传统电流控制策略只控制逆变电流而不管逆变电压，完全依靠大电网 电压的钳制作用，所以它对电网十分的依赖。如果脱离大电网独立工作，其电 压和电流受负载影响太大。理论上，若负载能够和逆变器完全配合系统还能够 正常运行给负载供电，但是实际中这种情况很少会出现。 另外在分布式微网系统中，由于不存在大电网也会有相同的问题发生。 如图3 7 所示，为传统电流控制策略在电网突然断电而独立运行的情况 下的仿真图形( 不加反孤岛运行功能) ，其中设定电网断电时刻为0 0 2 s 。 一薹一 逆变电流 0n 0 10 0 20 0 0 40 晒 ，带旺盛载，r ：5 0 0 q ，p 1 “ 逆变电流 b ，带札豳戴，舡0 q ，l ；1 “ 图3 - 7 系统正常运行带不同负载电网突然停电仿真结果 由图中可见，电网突然断电后，对于不同的负载，逆变器输出电压和电流 将会发生变化。图( a ) 中，电网断电后由于逆变器单独给负载供电，电流会增 大导致电压也有所增大；图( b ) 中，负载电阻值较小，电流会增大，但由于阻 值较小电压值会降低。 3 1 3 对于传统电流控制策略的改进 改进方法一：带有有源滤波器功能的电流控制策略 针对传统电流控制策略不能对电网进行无功补偿和谐波抑制的缺点，有人 采用有源滤波器的理论和实现方法并结合太阳能发电的具体特点，提出了“带 有有源滤波器功能的电流控制策略”的改进算法。这种算法具有有源滤波器的 功能，可以实现对电网无功能量的提供和对电网谐波的抑制，国内已有单位研 制出了样机。 如图3 8 所示为采用这种控制策略的系统并网运行时的能量流动情况。 1 6 1 0 1 伽瑚。枷枷 o 舶 l 图3 8 带有源滤波器功能的电流控制系统能量流向图 图中，u 。逆变器输出电压； u 鲥一一电网电压； q 一一负载所需总功率； 显然， q = q + q 叫 g = g + q ： q f = 办+ 鲮 三一一滤波电感； q 仰逆变器给负载提供的能量 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 带有源滤波器功能的电流控制策略能够弥补传统电流控制策略不可改善电 网电能质量的不足，但由于它仍然要依赖于电网参数，所以它还是不能脱离大 电网而独立运行。 改进方法二：光伏并网的电压控制策略 电压控制策略通过调整逆变器输出电压的幅值、相位或频率来调节其输出 的有功和无功功率，它既可以实现并联到大电网运行，动态跟随负载的变动， 改善供电质量，又可以在分布式微网系统中运行或者独立运行，下面一节将对 它进行重点的研究。 3 2 光伏并网系统的电压控制策略 3 2 1v s v c 的理论基础 光伏并网系统相当于并网逆变器和电网并联运行，逆变器输出端串联了一 个滤波电感，逆变器内阻相对较小，线路阻抗主要成感性，该系统等效电路可 近似简化如图3 9 所示。 1 7 图3 9 光伏并网系统等效电路简化图 从上图可知，逆变电源的输出复功率表达式为： 墨= 丑+ ，g = 丘耳= e 兰l ! 兰! 三一= 掣 d = 等s m 艿+ ， 专半 ( 3 - - 1 0 ) 其中：x 是逆变电源的输出电抗，万是逆变电源输出电压矢量扇与电网电 压矢量言之间的夹角。 因此，逆变器的输出有功功率和无功功率分别为： 最= 争i n 占 e e c o s 6 一e 2 蜴2 二r 一 ( 3 一1 1 ) 由于逆变器的输出阻抗比负载的阻抗小很多，因此逆变器输出电压矢量盅 与电网输出电压矢量应之间的相差会很小，当相角采用弧度表示时就近似有 s i n 6 = 艿，c o s 8 = 1 。则式( 3 一1 1 ) 可化简为： 只：墨旦j 1 x q e i e 竺 xx ( 3 1 2 ) 实际中，常认为电网为容量无穷大电压源，e 可以近似认为是一个常数， 因此，令k ，= e i e x ，9 0 = e 2 x ，k q = e 置，则式( 3 1 1 ) 可表达为： 1 8 f 只= k p 8 1 q l - - k 。且一q o ( 3 1 3 ) 式( 3 1 3 ) 表明，有功功率的传输主要受功角万的影响，无功功率的传 输主要决定于逆变器输出电压的幅值巨。所以逆变器输出电压的相位和幅值与 其输出有功功率和无功功率具有近似的线性耦合关系。 逆变电源输出电压的幅值可以直接控制，而其相位控制则可以通过调节输 出频率来实现的，如下： d 6 q 2 i ( 3 1 4 ) 其中m 、艿分别为逆变器输出角频率和相位角。这样逆变器就可以通过检 测负载功率大小，控制频率( 相位) 与幅值来近似解耦控制输出有功功率和无 功功率。 根据上述理论，可对逆变输出控制采取电压一频率下垂法：在光伏并网系 统中检测负载所需有功功率和无功功率大小，通过下垂法控制得到输出电压频 率和幅值的指令值，从而给电网提供适当的有功功率和无功功率。 采用电压一频率下垂法控制，逆变器的输出电压频率和幅值均按下式变化： c 五o i = ：c e o o - 一m 啊i 9 e l ( 3 - - 1 5 ) 式中，为逆变器空载输出角频率，即电网角频率5 m 。为逆变器输出角频率的下垂系数； e 为逆变器空载输出电压幅值，即电网电压幅值； t 1 1 为逆变器输出电压幅值的下垂系数； 只为逆变器输出有功功率 q 为逆变器输出无功功率 图3 1 0 给出了光伏并网逆变器下垂特性示意图。从中可见，逆变器通过调整 二x 瓦磊 i 、h i i i 一 弋：二i ! ， i ! 一 “) 有功功率下垂特性 b ) 无功功率下垂特性 图3 1 0 不同容量逆变电源下垂特性示意图 1 9 各自输出电压的频率和幅值，使其降低到一个新的稳定工作点，从而改变输出， 为电网提供适当的有功功率和无功功率。 由( 3 1 5 ) 式可知， q = m 鹋 ( 3 一1 6 ) a e = 啊q l ( 3 1 7 ) 另外，由= 2 矽可得 如= 2 x a f ( 3 一1 8 ) 则由式( 3 1 6 ) 和式( 3 1 8 ) 可推导如下： 邮= 叻i m l = 2 ；, r a f l m i ( 3 - - 1 9 ) 由式( 3 1 7 ) 可知，通过调节逆变输出的电压幅值可以达到调节输出无功 功率的目的； 由式( 3 1 9 ) 可知，通过调节频率可以达到调节输出有功功率的目的。 这就是光伏并网电压控制策略的理论基础。 3 2 2v s v c 的系统构成 基于这种理论，我们只要计算出电网所需的有功和无功功率作为给定，再 瞬时计算出逆变器输出的有功和无功功率最为反馈，便可构成一个闭环反馈控 制系统，将功率的误差作为调节电压的依据，这样就可实现电压调节，如图3 一1 1 所示。 图3 1 1 电压控制策略简要示意图 其中有功量误差经过有功调节输出逆变电压的频率变量，无功量误差经过 调节输出逆变电压幅值变量，再进行p w m 调制产生驱动信号。 在这里，瞬时功率的计算是个基本点也是个关键点，它直接关系到系统的 控制效果。根据瞬时功率理论，将电网电压瞬时值与并网电流瞬时值i 直接 相乘，对其乘积进行一个电网周期的积分，积分结果即为并网逆变器输出有功 功率。将电网电压瞬时值延时1 4 周期后与并网电流瞬时值i 直接相乘，对 其乘积进行一个电网周期的积分，积分结果即为并网逆变器输出无功功率。 有功计算公式如( 3 3 ) ，无功计算公式如下： q = ；沁e 一 ( 3 2 0 ) 在比较环节中，将计算出来的并网的瞬时有功和无功功率分别与给定量相 比较。 首先，并网系统要尽量多的给电网提供有功电能，如图3 - - 1 2 。 图3 1 2 有功功率给定 从直流侧来看，太阳电