（电力系统及其自动化专业论文）太阳能发电并网系统的研究.pdf

a b s tr a c t ! 【n t h e 2 0 t h c c n t u r y ，t h ew o r l d s c n e r g ys t n i c t u r e ，t h eu s eo f h u m a ne n e r g yi s ? a 1 鼍y 0 钉n a t u r a l g a sa n d c o a l ，a n d 0 h e ro n e 1 i m ee n e r g y a 1 0 n gw i t ht h ee c 。n 二i c d e v e l o p m e n t ，p o p u l a t i o l lg r o w t ha n ds o c i a li m p r o v e m e n t0 f l i v i n g s t a n d a r d s ，e n e r g y ? s u m p n o n g r o w 也，t h ew o r ld ，sc n c r g yc r i s i sh a s a l f e a d y e m e r g e d c o u n t r i e sa l l 。二 ：巴e ，_ o r l l 。a c 1 y e l y s e e kas u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fn e wa n dc l e a n e n e r g y t h e 如g h l y 咖d e n 0 1 a re n e r g ya s a c l e a na n ds u s t a i n a b l ed e v e l 。p m e n t o fn e z n e r g y ? 叮：邝a m 饥h 订y w 讨e a t t e n t i o n a n d t h e u s e 。fp h o t o v o l t a i cs 。l a r e n e r g yw i l l 三二 n ：m a ：n f o r mo fs 。1 a rp h o t o v o i t a i cs y s t e m s a n dn e t w o r k s i nt h i sc o n t e x t ，t h i s p a p e r ， s 竺p ? v o n 鲥c 8 y s 把m s a n “e t w o r kh a r d w a f ed e s i g n c o n t f o la 1 9 0 r i t h m s ，0 s ：e 二 葛1 1 u l a n o n ，c a r r l e do u ti n d e p t he x p l o r a t i o n n i sp a p e rs l u d j e si n r e c e n ty e a r si nt h ef u l l f i e l d 。fp h 。t 。v o l l a i c g e n e r a t j n g 埘印n i ：小心甜曲r c s u “s o nt h e b a s i s0 f a t h r e e - p h a s ed e s i g n0 f p h 。t 。v o l t a i c p o w 毒 竺e ? r a ：0 ns y 吼啪a n d n 吼w o r k ，t h e t 。p o l o g y o f t h es y s t e md e s i g n ，c 。n t r o l 孟u i t 蚴g n 1 s9 1 v e nad e t a i l e dd e s i g nf e a t u r e s d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7f o rt h ec o n t r o lo ft h e 兰。r e ! 。a c h l e v e h e c u r r e n tp r o t e c t i o n ，d a t aa c q u i s i t i 。n ，p a r a m e t e r s e t t j n g s ，a n d 。t h e f f u ：讲1 ：a n d f o r v a r 幻u sp h o t o v o l t a i cn e t w o r kc o n t r o la l g 。r j t h mp r o v i d e san e x i b l e a n d r e 攀1 e h a r d w a r ep l a t f o r m i n t h e s o f t w a r ec o n t r o lo nt h es p a c ev e c t o fp w m c o n ? 订地m m t h e a n a l y s i so fe x i s “n gm a x i m u mp o w c r p o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) ：吼? 1 s p f e s e n 钯d b a s e do nt h e u s e0 ff u z z yc 。n t r o l o f t h em a x i m u mp 。w 二rp o i n ： ? c | i n g a n d 舀v e “h e f u z z yc o n t r o l r u l e s a n d t h e0 t h e r o f t h ei s l a n d i nt h en e t 孟c t ? 芑e p r o b l e m ，a n d p r e s e n t s a s o l u t i o n f i n a l l y ，ap o w e r e l e c l r 。n i c sm a t l 诣 k e yw o r d s 。：t ：h r p h o t 。v o i t a g e 刚dc 蚰n e c t e d ；m p p l ；f u z z y c 。n t r o l ；d s p ； i s i a n d i n ge 1 f e c t h 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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 集体已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：郭亚吴 日期：细睥6 月6 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，即：学校有 权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。本人授权兰州理工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。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库况并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：卦亚冤 导师签名。互蚴 日期：例驴年月6 日 日期必簿月易日 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 2 0 世纪人类所利用的能源主要是石油、天然气和煤炭等一次性能源。随着经 济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，能源消费量的增长，世界上已经 出现了能源危机。人类不得不寻求新的替代能源和可再生能源。太阳每天到达地 球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量，太阳能作为一种清洁的可再 生能源，被国际社会公认为是最理想的替代能源心1 。 太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用和光化学利用三种主要形式。我国 低温光热利用己经具有可观的规模，它成本低、使用方便、安全可靠，己经为全 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。 ， 光伏利用主要是光伏发电，具有以下明显的优点： 无污染：绝对零排放一一无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放 ； 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；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；机动灵活性： 发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便；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；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：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； 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 0 1 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一一硅的储量十分丰富，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 越来越重要的地位口1 。 1 2 国内外光伏发电的现状 太阳电池开发出来后，首先是服务于空间电源，价格十分昂贵。为了推动太 太阳能发电并网系统 阳电池在地面的应用，单靠市场需求是不行的。 从7 0 年代开始，各国政府都投入了很大的力量来支持太阳电池的发展。美国 于1 9 7 3 年首先制定了政府光伏发电发展计划，明确了近、中、远期的发展战略目 标。 自8 0 年代以来，其它发达国家，如德国、英国、法国、意大利、西班牙、瑞 士、芬兰等，也纷纷制定了光伏发展计划，并投入了大量资金进行技术开发和加 速工业化进程。 8 0 年代末至今，西方发达国家从环境和能源的可持续发展的角度出发，纷纷 制定政策，鼓励和支持光伏并网发电口8 1 。例如：美国于1 9 8 8 年开始实施p v u s a 计划，建立集中型光伏并网发电系统( 1 m w p 1 0 m w p ) ；9 5 年实施与屋顶结合的 p v b o n u s 计划；9 7 年又宣布美国百万太阳能屋顶计划，总光伏安装量将达到 3 0 2 5 m w p 。 德国于1 9 9 0 年提出1 0 0 0 屋顶发电计划，所发出的电由电力部门收购。9 8 年 进一步提出1 0 万屋顶计划。9 9 年的光伏电网电价为每度电o 9 9 马克，极大地刺 激了德国乃至世界的光伏市场。 此外，意大利、印度、瑞士、荷兰、西班牙都有类似的计划。欧盟“可再生 能源白皮书 规定到2 0 1 0 年生产3 7 0 0 m w ( 欧盟3 7 亿人口平均人手1 0 w ) 供欧 盟地区使用，另有3 0 0 0 m w 出口，欧盟共计需要6 7 0 0 m w 。预计到2 0 l o 年世界光 伏容量将达2 0 0 0 0 m w 。 与之相应，国际上高效聚光光伏电池效率已达3 2 ，各国政府正在投入巨资研 究进一步提高效率，扩大生产，降低成本。目前世界最大的光伏工厂年产3 6 m w ， 价格为3 4 美元w p ，当光伏电池售价降至l 美元w p 时，光伏发电的成本当达到 6 美元k w h ，可以与火电相竞争。 从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段，现在正在向大 批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并 网发电，其应用范围也已遍及几乎所有的用电领域。 中国从1 9 5 8 年开始进行光伏器件研究，2 0 世纪7 0 年代初成功地制造空间光 伏电源之后，即开展光伏技术的地面应用。中国研制的航标灯光伏电源、太阳能 灯塔和气象用光伏电源、通信用光伏电源在2 0 世纪7 0 年代已开始应用，但规模 很小。1 9 7 7 年，中国光伏电池产量只有1 1 k w ，价格高达2 0 0 元w ，光电转换效 率为6 一1 0 。 2 0 世纪8 0 年代开始，中国先后引进了一批美国的单晶硅太阳能电池和非晶 硅太阳能电池生产设备，使得中国的光伏产业开始起步。至1 9 8 7 年底，中国光 伏电池产量达到1 0 0 k w 年，单晶硅太阳能电池的价格降到4 0 4 5 元w ，光电 转换效率达到8 一1 2 。 2 硕士学位论文 到2 0 0 0 年底，中国已形成8 5 m w 年的太阳能电池的生产能力，其中，单晶 硅太阳能电池处理为6 5 m w 年，非晶硅太阳能电池产量为2 o m w 年。1 9 9 7 年， 中国单晶硅光伏电池总产量为1 8 m w ，2 0 0 1 年达到3 0 m w 。价格从1 9 9 7 年的4 2 4 7 元w 降为2 0 0 1 年的3 5 4 0 元w 。其中非晶硅太阳能电池产量为4 0 0 k w ，价 格为2 3 2 5 元w 。 以深圳为中心的周边地区已经形成中国最大的光伏器件及系统来料加工区， 2 0 0 0 年用进口光伏电池封装组成的太阳能草坪灯，太阳能庭院灯和各种光伏系统 出口总量达2 m w 以上。 近年来，已经筹建的太阳能光伏公司有宁波2 m w 年太阳能电池用多晶硅片， 河北保定3 m w 年多晶硅太阳能电池、无锡1 0 m w 年多晶硅太阳能电池和天津 5 m w 年非晶硅太阳能电池灯。在“十五 期间，我国光伏电池的生产能力将有了 很大的增长，若再与绿色奥运及西部大开发相结合，中国的光伏产业将会有一个 巨大的飞跃4 1 副。 1 3 光伏发电并网系统的现状和论文研究的意义 光伏发电有离网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，光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居 多，都属于离网型用户。但是近年来，光伏产业及其市场发生了极大的变化，开 始由边远农村地区逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进，太阳能 己经全球性地由“补充能源的角色被认可将是下一代“替代能源”哺1 。 光伏并网逆变技术经过近几年的研究和发展，在技术上已近成熟，在电力电 子技术先进的德国、日本、美国和加拿大等发达国家己有成熟的、技术先进的、 性能优秀的产品问世，从小功率几十瓦到上百瓦、上千瓦的高频光伏并网模块， 到高压大功率的光伏并网逆变电源，品种繁多，不仅如此，其功能也很完善，多 机并联、独立后备与并网发电两用、多机组合群控、最大功率自动跟踪、孤岛效 应防止、远程调度管理等。 我国在光伏并网逆变技术方面的研究经过“九五和“十五 的国家科技攻 关，在基本理论和实用技术方面已经取得可喜成绩，在并网逆变的关键技术方面 已有所突破，并具有自主知识产权，国内己有部分企业能够生产并网逆变样机产 品，但在并网逆变技术的细节方面，与国外先进技术相比还有较大差距。例如， 并网逆变系统的电磁噪声和电磁兼容性问题，国内相关研究并不多，但这一问题 在并网逆变系统中却相当重要，要良好地予以解决在技术上也相当困难。在并网 逆变发电系统的最大功率跟踪方面，虽然国内研究报道较多，原理也相当简单一1 ， 但真正能够实现性能指标优秀的光伏阵列最大功率跟踪还未能看见实际样机。在 3 太阳能发电并网系统 适应电网安全方面，对孤岛效应的识别方式和并网功率控制方式还缺乏详细的实 验研究和标准制定。此外，光伏并网逆变器主电路的研究也较单一，适应面较窄。 国内的光伏并网逆变技术与国外先进技术的差距形成，其原因是多方面的， 多年来缺乏国家新能源政策的支持，光伏发电在我国的发展缓慢，企业、研究单 位的研究投入不够是主要原因。 光伏并网发电系统不仅仅涉及到太阳电池和并网逆变技术，还涉及到系统的 控制和优化问题，太阳能发电系统的总体发电效率除与太阳电池效率、逆变器效 率和功率控制方式有关外，同时也与当地的纬度、气候、日照、和太阳电池阵列 的倾角、方位角有关，提高光伏系统的全年总体发电效率是一个复杂的系统工程， 它涉及到现代工程数学、现代控制理论、仿真技术、建模技术等多学科领域，多 学科相互交叉，国外在经过多年的大量的光伏应用研究和运行统计的基础上，己 经建立了完善的全球各地区气象年均日照和月均日照统计数据库，为光伏系统的 优化设计和配套提供充分的依据条件，并研制成功专门的光伏系统优化设计软件 包，在风力资源统计数据的基础上，也同时研发了风光互补发电系统优化设计软 件，为方便光伏系统的推广应用、节省设备投资、降低成本、提高系统的运行可 靠性及供电的保证度等提供理论依据和优良设计工具。 国内在光伏系统的优化设计方面，己经有部分院校做了相关研究，但由于存 在大量的气象数据统计据的获取、电站运行的数据统计、研制经费的缺乏等原因， 系统的优化设计软件应用推广还有待时间和实践考验，也还有待于进一步的完善。 相信随着光伏系统在我国的普及和推广应用的发展，光伏系统的优化设计问题会 越来越受到人们的重视陌1 。 针对以上问题，光伏并网发电系统的研究具有重要的理论和现实意义。 1 4 论文研究的主要内容 工作主要包括总体方案设计、硬件设计与选型、保护方案实现技术的研究以 及软件的开发等方面。论文的具体章节安排如下： 第1 章绪论，分析了国内外光伏发电和光伏发电并网的现状，提出了对光伏 并网系统研究的必要性。 第2 章论述了光伏并网系统的基本原理，光伏并网系统的分类，建立了光伏 并网系统的数学模型。 第3 章描述了基于d s p 的光伏并网系统的硬件电路，并针对各构成部分硬件 电路模块的原理和功能进行了详细分析。 第4 章论述了光伏并网系统的软件开发，重点在于分析了现有的各种最大功 率跟踪( m p p t ) 方法和孤岛检测方法的基础上，提出了利用模糊控制的最大功率 4 硕士学位论文 跟踪的方法和主动挂到检测方法。 第5 章介绍了通过m a t l a b 仿真验证硬件电路的可靠性和软件功能的实现情 况。 5 太阳能发电并网系统 第2 章光伏发电并网系统分类和基本原理 将太阳电池阵列产生的直流电馈送给交流电网，其间能量的传递与变换可以 有多种方式。光伏并网发电系统由于功能和性能要求的不同，其相应的配置和逆 变器的拓朴结构也将不同。 本章将从不同的角度对光伏并网发电系统进行分类，通过分类可以更加深入 地对光伏并网发电系统的工作原理及结果进行研究和分析。 2 1 光伏并网发电系统的分类 按照不同的分类方式，太阳能光伏发电系统有不同的分类。 按照系统功能分，目前常用的光伏并网发电系统可以为两类，一种为不含蓄 电池环节的“不可调度式光伏并网发电系统”；另一种为含有蓄电池组的“可调度 式光伏并网发电系统 。二者相应的系统配置如图2 1 所示，其中图a 为可调度式 光伏并网发电系统，图b 为不可调度式光伏并网发电系统 太阳能电池 ( b ) 图2 1 不同功能的光伏并网发电系统相应的配置框图 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能转 化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网 供电。白天，当光伏系统产生的交流电能超过本地负载所需时，超过部分馈送给 电网；其它时间，特别是夜间，当本地负载大于光伏系统产生的交流电能时，电 网自动向负载提供补充电能。当电网故障或维修时，出于安全考虑，逆变器停止 工作，而且必须使逆变器、电网和负载三者电气断开，光伏并网系统不再向电网 和负载提供电能。 6 硕士学位论文 可调度式光伏并网发电系统和前者相比，最大的不同处是系统中配有储能环 节( 目前通常采用蓄电池组) ，蓄电池组的容量大小按具体需要配置。可调度式光 伏并网发电系统在功能和性能方面较之不可调度式有若干扩展和提高，主要表现 在： 1 核心逆变器一般由并网逆变器和蓄电池充电器两部分组成。其功能不仅是将 太阳电池阵列产生的直流电能逆变后输向电网，同时还经d c d c 变换后向蓄电池 充电： 2 系统中核心逆变器配备有开关和重要负载开关。正常情况下，两者均闭合， 当交流电网断电时，核护心逆变器断开其本身的并网发电主开关，但核心逆变器 中按优先级别区分的重要负载开关仍保持闭合，以便太阳电池阵列和蓄电池组提 供的直流电仍能通过主逆变器重要的交流负载供电，对重要交流负载而言，系统 兼具不间断电源( u p s u n i n t e r r u p t a b l ep o w e rs u p p l y ) 的作用。这对于诸如银行、 医院、公共场所等重要负荷甚至某些家庭用户来说是十分具有吸引力的； 3 可调度系统不仅能向电网馈送同频同相的正弦波电能，而且还可作为电网终 端的有源功率调节器用于补偿电网终端缺乏的无功分量以稳定电网电压，同时亦 可抵消有害的高次谐波分量，对提高电能质量极有裨益； 4 大功率可调度式光伏并网发电装置可以根据运行需要自由确定并网电流的 大小，这有益于电网调峰。电网负荷增加时，可以调度增加光伏并网发电装置的 上网电流，有助于电网的运行质量。 可调度式光伏并网系统在功能上虽似优于不可调度式光伏并网系统，但由于 增加了储能环节( 目前主要为蓄电池，将来也可能逐步为制氢、燃料电池等新技术 所替代) ，也带来了若干严重的弱点，正是这些弱点使可调度式并网系统的应用规 模当前还难与不可调度式相比较，这是因为： 1 蓄电池组的寿命较短：目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常估计 为5 年，而光伏阵列稳定工作的寿命则在2 5 3 0 年左右，因此只有为数较少的场 合使用可调度式光伏并网系统； 2 蓄电池组的价格在目前仍相对昂贵； 3 蓄电池组较为笨重，需占用较大空间，如有漏液，则会泄漏出腐蚀性液体， 此外报废的蓄电池必须进行后处理，否则将会造成“铅污染 ； 4 不可调度式光伏并网发电系统的集成度高，其安装和调试相对方便，可靠 性也高】。 按照光伏并网系统的逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制，电压 源电流控制，电流源电压控制和电流源电流控制四种方法。以电流源为输入的逆 变器，其直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感 往往会导致系统动态响应差。因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电 7 太阳能发电并网系统 压源输入为主的方式。 逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。市电系统可 视为容量无穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制， 则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统，这种情况下要保证系统稳定 运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步，在稳定运行的基础上，可通 过调整逆变器输出电压的大小及相移以控制系统的有功输出与无功输出。但由于 锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题， 如果不采取特殊措施，一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优 异性能h 9 | 。 如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电 电压，即可达到并联运行的目的。由于其控制方法相对简单，因此使用比较广泛。 综合以上所述原因，光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的 控制方式。 采用电流型并网系统时，按照输出电流的控制方式可分为以下几种类型： 1 电流瞬时值比较方式 图2 2 为采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图。图中将指令电流f ，和实 际并网电流f 。进行比较，两者的偏差越。作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器 产生控制主电路中开关通断的p w m 信号，该p w m 信号经驱动电路控制功率器件 的通断，从而控制电流并网电流t 的变化。 这种控制方案具有如下特点：硬件电路简单易控；实时控制，电流响应快； 毋需斩波，输出电压中不含特定频率的谐波分量；若滞环的宽度固定，电流跟随 的误差范围是固定的，但电力半导体器件的开关频率却是变化的，这将导致电流 频谱较宽，增加了滤波器设计的难度，可能会引起间接的谐波干扰。 2 定时控制的电流瞬时值比较控制方式 该控制方式原理如图2 3 所示，它使用由时钟定时控制的比较器代替滞环比 较器。每个时钟周期对越。判断一次，使得p w m 信号至少一个时钟周期才会变化 一次。该方式可以避免器件开关频率过高的情况发生。不足之处在于补偿电流的 跟随误差是不固定的。 滞环比较器 图2 2 采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图 8 硕士学位论文 图2 3 定时控制的电流瞬时值比较方式原理图 3 跟踪实时电流的三角波比较方式 该控制方式原理如图2 4 所示，它将指令电流f 。和并网电流t 的实时值进行 比较，两者的偏差经放大器a 后与三角波进行比较，以输出p w m 信号。放大器a 多采用比例或比例积分放大器。 这种电流控制方式具有如下特点：跟随误差较大；软硬件相对复杂；输出电压 中含有主要与三角载波相同频率的谐波；放大器的增益有限；功率器件的开关频 率固定地等于三角载波的频率；电流响应相对于瞬时值比较方式为慢。 图2 4 跟踪实时电流的三角波比较方式的原理图 瞬时值比较方式和三角波比较方式各有优缺点，不能孤立地评价孰优孰劣， 实际应用中必须根据系统要求按需选择。“日本电气学会”的调查结果表明：两种 方法在实际应用中大体上各占一半，基本相当h 引。 按照并联电网类型的不同可分为单相光伏并网发电系统和三相光伏并网发电 系统。低压三相电网又可分为三相三线和三相四线两种。从控制基本原理看，三 者并无差异，只是在具体实现是，三相并网系统在控制器软硬件的设计与制造方 面要求略高。本文重点研究三相光伏并网发电系统。 2 2 太阳能电池和三相光伏并网发电系统的工作原理 太阳能电池阵列是太阳能光伏发电系统中的重要组成部分，它的好坏直接关 系到整个光伏系统的性能和质量。由于太阳能电池阵列是由若干太阳能电池组件 串、并联而成，为此，下面我们将介绍太阳能电池的工作原理。 太阳能电池工作原理的基础，是半导体p n 结的光生伏打效应。所谓光生伏 9 太阳能发电并网系统 打效应，简言之，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产 生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其它光照射半导体p n 结时，就会在p n 结的两边出现电压，就叫光生电压。这种现象就是著名的光生伏打效应。使p n 结短路时就会产生电流。 众所周知，物体的原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电，电子带负 电，电子就像行星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道围绕着原子核高速旋转。 当在太阳光辐射时，电子就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在它的 原来地方留出一个空位，即半导体物理学中所谓的“空穴 。由于电子带负电，空 穴就表现为带正电。当太阳光照射p n 结时，在半导体内就会产生电子一空穴对， 由于p n 结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子 和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电 场的作用下，电子被驱向n 型区，空穴被驱向p 型区。离开势垒区，结果使p 型 区电势升高，n 型区电势降低，p n 结两端形成光生伏打电动势，这就是p n 结的 光生伏打效应。由于光照产生的非平衡载流子各自向相反方向漂移，从而在内部 构成自n 区流向p 区的光生电流，在p n 结短路情况下构成短路电流。在p n 结 开路情况下，p n 结两端建立起光生伏打电势差，这就是开路电压。如将p n 结与 外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，p n 结起了电源的作 用，这就是太阳能电池发电的基本工作原理。若把几十个、数百个太阳能电池串 联、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光照射下，便可得相当可观功率的 电能。 光伏并网的工作原理就是要把太阳能电池组件发出的直流电转换成交流电， 并并入市电电网，可供正常的交流用电电器使用。目前广泛应用于太阳能并网发 电系统中的方案原理是：首先将太阳光能转化成电能的形式，然后将电能调节成满 足s p w m 全桥逆变器需要的直流电压，最后经s p w m 全桥逆变器将太阳能回馈给交 流电网。在整个系统最主要的环节( 逆变器) 中，采用的就是s p w m ( 正弦波脉宽调制) 逆变技术。根据电力系统准周期并列的条件，采用s p w m 全桥逆变电路的再生能源 回馈电网系统并网时应同时满足以下3 个条件：荐生能源回馈电网系统中逆变器 的输出电压和市电电压接近相等，一般压差应在1 0 以内；逆变输出频率接近市 电频率，一般频差不超过o 4 h z ；逆变输出电压和市电电压同相，通常此相位差 不宜超过l o 度。 光伏并网控制目标是：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦 波，且与电网电压同频、同相。 1 0 硕士学位论文 第3 章三相光伏并网系统硬件电路的设计 3 1 三相光伏并网系统硬件电路的总体方案 三相光伏并网系统，本论文中简称g c p v ( g r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c ) ，硬 件结构主要包括：断路器、d c d c 变换电路、d c a c 变换电路、滤波电路、d s p 控 制板、数据采样电路，保护电路以及电网等，见图2 1 。数据采集电路负责采集电 路中的电压和电流。它将采集的数据送给d s p 控制板，d s p 控制板计算出合适的驱 动脉冲，并控制主功率电路的工作。 电霸 图3 1 硬件模块图 各单元的功能简介如下： 断路器： 断路器分别用于分断直流输入，交流输出，为用户提供安全保证。 滤波电路： 主要功能为滤除逆变器主回路开关器件在工作时产生的高频电磁噪音和共模 干扰，以保证并网逆变器在运行时不对电网中其它设备产生不良影响。 d c d c 升压单元： 由功率器件构成d c d cb o o s t 升压回路。通过控制该回路中的功率器件的导 通与关断将太阳能电池板输出的低压直流电升压成高压直流电，为d c a c 逆变器 的工作提供前提条件。升压回路通过脉宽调制技术( p w m ) ，可在直流输入电压大范 围变化的情况下保证高压侧直流的稳定输出。 d c a c 逆变单元： d c a c 逆变单元是该并网逆变器的核心部分，根据c p u 控制回路发出驱动信号 l l 太阳能发电并网系统 控制三相逆变电路中功率器件的开通和关断，实现将高压直流电逆变成三相交流 电，并将其平稳送入电网的功能。其中的低通滤波器，滤除d c a c 产生的开关电 流谐波，使流入变压器的电流为5 0 h z 的基波电流。 c p u 控制回路： 采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 芯片，不但能够满足1 5 k h z 的三相电流 瞬时统一控制快速响应要求，同时还能够完成m p p t ，故障保护等实时性、快速性 要求很高的控制。由于能够实现三相电流统一控制，主回路结构得到了简化，大 大降低了成本。另外，通过屏蔽的r s 2 3 2 通信口，c p u 控制回路可实现与显示板和 远程控制计算机的通信。将并网逆变器的工作状态，运行参数传给显示板和计算 机，实现实时数据传送，显示和采集。 驱动检测回路： 负责逆变器主回路电压电流等模拟信号的处理，及开关量的驱动传送。另外， 能够实现瞬时故障锁定和硬件故障保护功能3 。在发生严重故障时能够屏蔽掉c p u 发出的驱动信号；保证功率器件在故障期间不被误触发。 控制电源： 为了适应太阳能发电的特殊要求，该逆变器控制电源应具备从8 0 v 至6 0 0 v 大 范围直流电压变化情况下的稳定工作能力即在光线很弱的情况下仍能保证逆变器 控制系统的正常工作。 本章主要介绍g c p v 的d c d c 变换电路、d c a c 变换电路、d s p 控制板、数据 采样电路等的设计。 3 2d c a c 部分的主回路设计 逆变部分的主回路结构如图3 2 所示。从图中可以看出，主回路构成为一个 三电平的d c a c 三相逆变输出单元，而不是由三个单相d c a c 逆变器构成，从而 降低了主回路的成本，提高了控制性和可靠性。 太阳能电池板输出的低压直流电通过断路器、噪音滤波器连接到由功率器件 构成的d c d cb o o s t 升压回路中。并采用动态响应快可交直流兼用的电流和电压 霍尔传感器作控制直流电压电流，交流电压电流的传感器，通过霍尔传感器测出 电路的电压值和电流值，即在电路中直流电压霍尔信号v 刚和电流霍尔信号i 。作 为d c d c 单元的m p p t 控制和直流电压控制的反馈信号。 其中d c d cb o o s t 升压模块和d c a c 逆变模块均用i g b t 管来进行驱动，i g b t 管是绝缘栅双极型晶体管的简称，它将m o s f e t ( 功率场控晶体管) 和g t r ( 功率晶体 管) 的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的 特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，故降低了外部电子线路 硕士学位论文 的复杂性，提高了整个系统的可靠性。 从回路结构来讲，该逆变器主回路结构为电压型逆变器。其工作的基本模式 是电压脉宽调制方式。但通过交流电感电容滤波器，及瞬时电流控制方法，实际 上从外部来看，该逆变器可被看作为电流源，通过输出端向电网输送正弦波交流 电流。逆变电路的控制方法将在下一章节中进行详细叙述。 图3 2 三电平逆变电路图 3 3 使用d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制核心 从图3 1 中可看出c p u 控制回路部分作为该逆变器的大脑部分，其功能为完 成空间矢量调制波( s v p w m 波) 的生成和一些诸如m p p t 、故障保护等重要的控制功 能的实现。以下将对d s p 技术及所使用的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 的性能作一介绍， 并同时阐述使用该芯片的理由。 3 3 1d s p 芯片和技术的介绍 d s p 芯片也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。它的基本结 构包括 ： ( 1 ) 哈佛结构：哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间 中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址， 独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使 数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和数据存储在两个分开的空间中，因此取址 和执行能完全重叠。 ( 2 ) 流水线操作：流水线与哈佛结构相关。d s p 芯片支持流水线操作，使取 太阳能发电并网系统 址、译码和执行等操作可以重叠执行，这样一来可减少指令执行的时间，从而增 强了处理器的处理能力。 ( 3 ) 专用的硬件乘法器：乘法速度越快，d s p 的性能越高。由于具有专用的 应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。 ( 4 ) 特殊的d s p 指令和快速的指令周期：哈佛结构、流水线操作、专甩的硬 件乘法器、特殊的d s p 指令再加上集成电路的优化设计使得d s p 芯片的指令周期 在5 0 n s 以下。 d s p 同单片机比，其片内有多总线，片外的地址、数据总线分开，还有比异步 串口( u a r t ) 速度高得多的同步串口或通信口，因而，数据输入输出能力很强。d s p 数据位宽、乘法器位宽也比单片机大，进行数字信号处理时不仅速度快，精度也 高。d s p 有大容量的片内存储器。正是因为这些性能优点，使得d s p 芯片广泛应用 于自动控制、信息处理、通信以及仪器仪表等领域，并且随着d s p 处理速度和性 能的不断提高，以及成本价格的大幅度下降，d s p 的应用范围还将不断扩大。 本装置中使用的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列的一种， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列是美国德州仪器公司( t i ) 推出的高速、高性价比、低功耗的1 6 位定点d s p ，它具有处理性能更好、外设集成度更高、程序存储器更大、a d 转换 速度更快等优点，是为满足控制应用而设计的。2 4 0 x 系列d s p 包含多种芯片，可 提供不同容量存储器和不同外设，以满足各种应用的要求，例如t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 片 内有高达3 2 k 字的f l a s h 存储器，为多种用途的产品提供了经济的可编程解决方 案1 2 3 j 。同时多达4 0 个通用、双向的数字i o 端口( g p i o ) 也是变压器保护装置选用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作c p u 的一个重要原因，通过配置这些数字i o 端口输入或输出来 直接与外部进行信息交换，可大大省去扩展i o 口的元器件。以保护装置为例， 开入开出量在经过光电隔离后可直接接到d s p 芯片的i 0 端口，从而省去了用并 行i o 接口芯片8 2 5 5 来扩展i o 口，同时也提高了保护装置开入开出的可靠性。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列的主要特点： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使供电电压降为3 3v ，减小了控制器的功 耗；3 0 m i p s 的执行速度将指令周期缩短为3 3 n s ( 3 0 舳z ) ，从而提高了控制器的实 时控制能力i 圳。 ( 2 ) 片内有高达3 2 k 字的f 1 a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ， 5 4 4 字双口r a m 和2 k 字的单口r a m 。可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) 总共1 9 2 k 字空 间：6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字数据存储器空间；6 4 k 字i o 寻址空间。 ( 3 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。 ( 4 ) 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。其中大多数 的引脚都是基本功能和一般i o 功能复用的引脚，通过9 个1 6 位控制寄存器的软 1 4 硕士学位论文 件设置，来配置这些引脚的功能并读取其状态和输出特定的数据。 ( 5 ) 控制器局域网络( c a n ) 2 o b 模块；串行通信接口( s c i ) 模块；1 6 位的串 行外设接口( s p i ) 模块。 ( 6 ) 5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 除了具有t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 芯片的上述所有突出特点外， 还提供有c 编译器，可支持通用c 语言编写程序。在本装置的软件开发过程中就 主要是采用c 语言，这是因为一方面c 语言具有良好的模块化，易于维护和移植； 另一方面，在利用定点d s p 研制保护装置，运算时可能会产生数据溢出，例如两 个整型量( i n t 型) 相加，其和的范围就有可能超过i n t 型量的范围而溢出，而采用 c 语言开发编写保护算法程序可以解决这一问题，就以上面的两个整型相加为例， 在其相加和有可能溢出时，可将其和的变量类型定义成长整型( 1 0 n g 型) ，这样一 来就可以完全避免数据溢出口 。 3 3 2 选用d s p 芯片的理由 目前，随着单片机技术的迅速发展，涌现出许多高性能单片机。选择一款合 适的芯片作为控制核心十分重要。以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 下称f 2 4 0 7 ) 芯片作为最终 选择是由该芯片强大的功能所决定的。理由如下： 1 每片f 2 4 0 7 具有两个事件管理器( e v a ，e v b ) ，并且每个事件管理器都具有2 个通用定时器，8 个1 6 位p w m 通道，可以方便地产生三相p w m 波，对功率开关器 件进行空间矢量p w m ( 即s v p w m ) 控制； 2 f 2 4 0 7 运行速度很快，可以用软件实现滤波，跟踪等功能，而不需使用任何 硬件，这也是数字信号处理器的特点； 3 f 2 4 0 7 具有方便的a d 接口和数字量接口； 4 f 2 4 0 7 的开发十分方便，具有与片内扫描仿真逻辑相连的符合i e e e 标准 1 1 4 9 1 的测试访问端口； 5 f 2 4 0 7 具有良好、方便的通讯功能，可以和微机进行串口通一讯，便于系统 网络化： 6 f 2 4 0 7 内部具有1 6 k 木1 6 位字的e p r o m ，可以满足普通的系统软件的容量要 求。同时大大简化了外围硬件，提高了系统的稳定性和可靠性； 7 f 2 4 0 7 的指令系统功能强大，适合进行数字信号处理。 另外f 2 4 0 7 的价格也比较合适，性价比不错。并且随着d s p 芯片的大规模应 用，其价格将会持续下跌 正是基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的上述特点，本光伏并网发电系统选用这种d s p 芯片 来分别作装置的核心控制器和数字信号处理器，以完成装置的监控和保护功能。 太阳能发电并网系统 3 3 3 利用d s p 芯片的控制电路 因篇幅有限，在这里仅就其中的数据采集电路和保护电路进行介绍。 1 数据采集电路 在本系统中，对于数据的采集是必不可少的。要求采集的数据量如下表所示。 表3 1 数据采集量 模拟量内容符号实际值范围变换目标范围 光伏阵列输出直流电压 u d c7 0 1 0 0 vo 3 3 v a 相电网电压u a3 1 v0 3 3 v b 相电网电压 u b3 1 v0 3 3 v c 相电网电压u c3 1 v0 3 3 v 光伏阵列输出电流 l d c o 5 a0 3 3 v a 相负载电流 i a l1 0 a0 3 3 v b 相负载电流 l b l 1 0 a0 3 3 v c 相负载电流 i c l1 0 a 0 3 3 v 输出a 相电流 i a 25 a0 3 3 v 输出b 相电流 l b 25 a 0 3 3 v 输出c 相电流 l c 25 ao 3 3 v 对于系统电压与电流反馈信号进行采集，通常有三种采集方法：电阻法、互 感器法和霍尔传感器法，下面分别对这三种方法进行分析。 ( 1 ) 电阻法 采用电阻分压法，可将电压信号衰减至所需要的电平。而将被测电流通过已 知电阻( 分流器) ，通