（电力系统及其自动化专业论文）太阳能光伏并网发电系统控制研究.pdf

r e s e a r c ho nc o n t r o lo fg r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o n s y s t e m b y y a n gz h i c h e n g 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 1 n e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs us h i p i n g a p r i l ，2 0 11 7i唧2 舢48舢8i-y 长沙理工大学 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：日期：年月日 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。本人授权长沙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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密醇 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：咖双日期：年歹月日 导师签名： 日期：2 。f 年多月日 摘要 随着能源的紧张和环境污染日益严重，开发利用太阳能已受到越来越多的重视。光 伏发电是太阳能利用的重要形式之一。随着光伏发电的发展，光伏发电得到世界各国的 高度重视。 光伏发电并网运行是提高光伏发电系统、可靠性、经济性和安全性的重要运行方式。 本文对光伏并网发电系统的控制策略进行了系统研究，深入探讨了太阳能跟踪控制策 略、太阳能阵列输出控制和光伏并网逆变器输出控制的理论方法和技术。 本文在分析国内外光伏发电并网控制研究成果的基础上，重点探讨了太阳能跟踪控 制的模糊控制策略、太阳能阵列输出最大功率跟踪控制的模糊控制策略，详细阐述了太 阳能跟踪模糊控制和太阳能阵列输出最大功率跟踪模糊控制的隶属函数、模糊推理、模 糊语言、模糊规则的原理模型，并进行了m a t l a b 计算机仿真。 本文系统探讨了光伏并网逆变器输出控制的滑模控制方法，系统分析了滑模控制的 原理过程、控制律、指数趋近律的数学模型，探索了趋近律改进方法，并进行了m a t l a b 计算机仿真。 本文基于d s p 技术设计了光伏发电并网控制器系统，完成了光伏发电并网控制器系 统硬件设计和软件开发，并进行了模拟实验。 本文通过科学分析、m a t l a b 计算机仿真、模拟实验，验证了所探讨的太阳能跟踪模 糊控制方法、太阳能阵列输出最大功率跟踪模糊控制方法和光伏并网逆变器输出滑模控 制方法的先进性、有效性和可行性，为光伏并网发电提供了高效、先进的控制策略，为 研制高效、先进的光伏并网发电控制器提供了很好的理论方法。 关键词：光伏发电；太阳能跟踪；光伏阵列；并网逆变器；模糊控制 a b s t r a c t f o rt h ei n t e n s eo ft h ee n e r g ya n dt h ep o l l u t i o np r o b l e m ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i n o nw a s p a i dt ot h ed e v e l o p m e n to fs o l a re n e r g y p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ni sa ni m p o r t a n tf o r m t ou s et h es o l a re n e r g y w i t hi t sd e v e l o p m e n t ，p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o nh a sb e c o m ea n i m p o r t a n ti s s u e sf o rt h er e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l d p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ni ng r i d - c o n n e c t e do p e r a t i o ni sa ni m p o r t a n tm o d eo fo p e r a t i o nt o i m p r o v et h er e l i a b i l i t ye c o n o m ya n ds a f e t yo fp o w e rn e t w o r k t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fp h o t o v o l t a i c ( p 酣dp o w e rs y s t e mi sr e s e a r c h e di nt h ep a p e r t h e nt h et e c h n o l o g ya nt h e o r yo ft h e o r e t i c a ls o l a rt r a c k i n g c o n t r o ls t r a t e g ys o l a ra r r a yo u t p u tc o n t r o la n dp h o t o v o l t a i c ( p v ) 鲥di n v e r t e ro u t p u tc o n t r o li sd i s c u s s e di n d e t a i l o nt h eb a s i co ft h ep h o t o v o l t a i cp o w e rg a dc o n t r o lr e s e a c hd o m e s t i ca n do v e r s e a s ， m e m b e r s h i pf u n c t i o n s ，f u z z yr e a s o n i n g ，f u z z yl a n g u a g e ，t h ef u z z yr u l e sp r i n c i p l em o d e li s p r o p o s e di nt h ep a p e r a n dt h er e s u l ti ss i m u l a t e db ym a t l a b t h e n ，p h o t o v o l t a i c ( p v ) g a di n v e r t e ro u t p u tc o n t r o lo fs l i d i n gm o d ec o n t r o lm e t h o di s p r o p o s e d t h et h e o r ya n dt h em o d e li si n v e s t e di nd e t a i l i ti sa l s ot e s t e db ym a t l a b f i n a l l y , d s pb a s e dc o n t r o l l e rs y s t e mi sd e s i g n e d t h ee x p c r i m e mi sd o n et o s h o wt h e c o n t r o l l e rc a nb eu s e dt or e a l i z et h eg r i d - c o n n e c t e do p e r a t i o no fp h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o n i na l l ，t h r o u g ht h et h e o r ya n a s i s ，m a t l a bs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tt h ec o n t r o l m e t h o dp r o p o s e di nt h ep a p e ri se f f i c i v ea n dp r o g r e s s i v e i tp r o v i d ea nb e t t e rt h r o r ym e t h o dt o a n a y s i st h ep h o t o v o l t a i c ( p v ) g a dp o w e rs y s t e mc o n t r o l l e r 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 ；g r i d - c o n n e c t e d i n v e r ts o l a rt r a c k i n g ； m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ；f u z z yc o n t r o l i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 国内外光伏发电研究现状2 1 2 1 光伏发电在国外的研究现状及发展趋势2 1 2 2 光伏发电在国内的研究现状及发展趋势3 1 3 太阳能光伏发电系统的分类5 1 4 光伏并网发电控制技术的研究现状6 1 4 1 太阳能跟踪控制的研究现状7 1 4 2 最大功率点跟踪控制的研究现状8 1 4 3 光伏并网逆变输出控制的研究现状1 0 1 5 本文的主要内容。1 2 第二章太阳能跟踪模糊控制研究1 3 2 1 模糊逻辑基本原理1 3 2 1 1 模糊数学的产生1 3 2 1 2 经典集合与模糊集合1 4 2 1 3 隶属函数1 4 2 1 4 模糊算子1 6 2 1 4 模糊控制l7 2 2 太阳能跟踪模糊控制的原理2 l 2 2 1 基本思想2 1 2 3 1 模糊控制器的语言变量2 2 2 3 2 语占变量的语言值2 4 2 3 3 隶属函数2 5 2 3 4 模糊推理规则2 6 2 3 5 解模糊2 7 2 5 本章小结2 7 第三章光伏发电最大功率点跟踪模糊控制研究2 8 3 1 太阳能阵列的工作特性。2 8 3 1 1 太阳能阵列的等效电路2 8 3 1 2 太阳能阵列的i v 特性2 9 3 2 最大功率点跟踪原理( m p p t ) 及d c d c 变换电路。3 2 3 2 1 跟踪原理3 2 3 2 2d c d c 变换电路3 3 3 3 最大功率点跟踪模糊控制3 5 3 3 1 模糊化3 5 3 3 2 模糊规则推理3 6 3 3 3 解模糊3 8 3 4 最大功率点跟踪控制仿真分析。3 9 3 5 本章小结4 0 第四章光伏并网逆变输出滑模控制研究4 l 4 1 滑模变结构基本理论4 l 4 1 1 滑模控制的基本问题4 l 4 1 2 趋近律4 3 4 1 3 滑模控制的基本方法4 4 4 1 4 滑模控制的抖振问题4 4 4 2 光伏发电并网的拓扑结构和运行建模4 5 4 3 并网逆变器输出滑模控制的原理4 6 4 4 光伏并网逆变输出仿真分析4 8 4 5 本章小结4 9 第五章硬件设计与实验分析5 0 5 1 硬件设计5 0 5 1 1 整体结构5 0 5 1 2 控制电路5l 5 2 软件设计5 3 5 2 1 太阳能跟踪软件设计。5 3 5 2 2 最大功率点跟踪软件设计5 4 5 2 3 并网逆变器输出控制软件设计5 5 5 3 太阳能跟踪实验及分析5 5 5 4 本章小结。5 6 第六章总结5 7 参考文献5 8 至殳谢6 2 附录a 攻读学位期间发表论文6 3 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 当前，以石油，煤，天然气等为主的常规能源，现有已探测的储量仅够人类使用几 十年，面临着日益“枯竭”的紧迫情势。并且，这些常规能源的使用，对环境有着很大 的污染，是导致温室效应的罪魁祸首。因此，开发和利用新能源来替代常规能源变的十 分紧迫，也是人类当务之急的“任务 之一。目前，所开发和利用的新能源主要有太阳 能、核能、风能、潮汐能等。太阳能与其他新能源相比可以使用更加广泛，而且技术上 要求没有其他的能源苛刻。作为一种“绿色”能源的太阳能，是解决目前能源危机和温 室效应的主要途径之一。因此，世界上越来越多的国家已经或开始重视太阳能的开发和 利用n 】。太阳能的主要特点可概括为乜，： 1 、储量的“无限性”。太阳能是取之不尽、可利用量巨大的可再生能源。太阳放 射的总辐射能量约为3 7 5 1 0 趵w ，是极其巨大的。其中到达地球的能量可达1 7 3 1 0 m k w ，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能约为8 1 1 0 k w 。而到达地球表面的太 阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能约为1 7x1 0 k w ，相当于当前全世界一年内所 消耗的各种能源产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少还有4 0 亿年，相对于人 类历史来说，太阳可不断供给地球能源的时间可以说是无限的。因此，相对于常规能源 的有限性，太阳能具有储量的“无限性 ，取之不尽，用之不竭的独特优势。这就决定 了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匾乏、枯竭的最有效途径之一。 2 、存在的“普遍性 。由于纬度的不同和气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均 匀，但是相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大部分地区具有存在的普遍性，可 就地取用。这就为常规能源缺乏的国家以及地区解决能源问题提供了美好前景。 3 、利用的“清洁性 。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，开发利用时几乎不 产生任何污染，是人类理想的替代能源。 4 、利用的“经济性”。可以从两方面看太阳能利用的经济性。一、太阳能取之不尽， 用之不竭，并且在接收太阳能时不征收任何“税”，可随地取用：二、在目前技术发展 的水平下，有些太阳能利用已经具经济性。随着科技的不断发展以及人类开发利用太阳 能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更为明显。1 9 9 0 年以来，世界太阳能市场年均 增长1 6 。人们对太阳能的利用主要有两种方式：一是集热、贮热和直接利用其热能来 供热；二是利用光电转换，将太阳能转换为电能来满足人们的需求b 1 。 光伏发电是太阳能开发利用的主要形式之一。目前，各种发电方式的碳排放率 ( g 碳伙w h ) ) 为：油发电2 0 4 ，煤发电2 7 5 ，核能发电8 ，天然气发电1 8 1 ，太阳能热 发电9 2 ，太阳能光伏发电5 5 ，水力发电6 。这些数据是以各种发电方式所用原料的开采 和运输、发电设备的制造、电源发电的运行维护和废气物的排放以及处理等所有环节所 消费的能源，根据各种发电方式在寿命期间的发电量计算得出的。 综上，随着人类常规能源的日益短缺和温室效应的增加，开发利用太阳能将具有十 分重要的意义。太阳能光伏发电在不远的将来也会占据世界能源消费的重要席位，不仅 要替代部分常规能源，而且将会成为世界能源供应的主体。据预测，至u 2 0 3 0 年，可再生 能源在总能源结构中将占到3 0 以上，而光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到 l o 以上；至u 2 0 4 0 年，可再生能源将占总能耗的5 0 以上，光伏发电将占总电力的2 0 以上；到2 l 世纪末，可再生能源在能源结构中将占n 8 0 以上，光伏发电将占n 6 0 以 上h 1 。这些数字足以显示太阳能光伏发电产业的发展前景及其在能源领域战略地位的重 要。在实际的开发、应用、推广中，不仅要靠技术手段，而且要靠政策、经济等各种手 段来为太阳能的利用“护航，使其可以进入健康发展的轨道。 1 2 国内外光伏发电研究现状 1 2 1 光伏发电在国外的研究现状及发展趋势 世界太阳能光伏发电产业自上世纪8 0 年代以来得到了迅速发展，平均年增长率达 到3 0 ，而近几年由于出现供不应求的局面，发展更加迅速，成为全球增长最快的高新 技术产业之一。2 0 0 5 年全球太阳能电池产量为1 7 2 7 m w ，比2 0 0 4 年增长了4 4 ，其中日 本的产量为世界第一，占总产量的4 6 ，欧洲占总产量的2 8 ，美国2 0 0 5 年太阳能电 池产量为1 5 6 m w 晦1 。 在光伏制造业方面，大公司垄断，世界前1 0 家光伏电池厂的产量占到全球量的8 5 ，随着近几年中国大陆和台湾地区的迅速崛起，过去由美日德三强控制的世界光伏制 业造格局有望逐渐演变成美日德中四方角力。 近几年光太阳能光伏发电快速发展，世界上已经建成了1 0 多座兆瓦级太阳能光伏 发电系统，6 个兆瓦级的并网光伏电站。如美国能源部1 9 9 0 年启动光电技术产业化，通 过实施可再生能源法，成立国家光电中心，联合相关部门共同攻关，效果显著。电池效 率也从1 0 1 3 提高到1 2 - - - 1 5 ；生产规模从以前的每年1 - 5 m w p 增加到5 - 2 0 m w p ， 并且正在向5 0 , m w p 扩大；光伏发电系统成本下降，2 0 0 5 年系统的安装成本为3 美分w p ， 2 电价成本为1 l 美分kw h ；而2 0 1 0 年安装成本下降到1 5 美分w p ，电价成本为6 美分k w h 以下。日本是最早对光伏发电产业发展制定政策扶持的国家，其基本政策 是政府积极扶持，企业主动跟进，全民积极参与。截至2 0 0 6 年底，日本太阳能光伏发 电累计装机容量达到1 7 6 0 兆瓦，其中户用光伏系发电统的安装量达到3 6 万户，累计总 装机容量达到1 2 5 4 兆瓦，位居世界各国之首嘲，成为光伏发电产业的领头羊。德国新可 再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大促进了光伏市场和产业发展，使德国成为继 日本后世界光伏发电发展最快的国家。发展中国家中印度在光伏发电领域处于的领先地 位。有8 0 多个子公司，6 个太阳能电池制造厂，预计2 0 2 0 年光伏电池组件生产将达到 年5 0 m w 。国际光伏发电市场逐渐由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的 方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。 光伏应用更趋多样化，如并网发电、农村电气化、一体化建筑、应急电源或备用电 源以及太阳能消费品和商品等；“超大规模”的光伏应用，如沙漠电站、宇宙电站，也已 提上议事日程。 光伏并网发电是光伏应用最主要形式，2 0 0 1 年世界光伏并网发电占到了总光伏应用 的5 1 ，为最大的光伏市场，并成为电力工业的重要组成部分。预计到2 0 2 0 年并网光 伏发电系统的价格将下降到1 5 2 美元k w h ，而发电成本将下降到0 0 0 5 3 美元 k w h 7 1 。 太阳能商品住宅市场的迅速崛起也是当今光伏发电市场的热点之一。自1 9 9 1 年到 1 9 9 6 年，美国、日本和西欧在发展太阳能住宅方面的投资达5 0 0 亿美元，表明太阳能建 筑已进入商品化生产时期阳1 。日本有一百多家公司从2 0 世纪9 0 年代开始转向以发展太 阳能住宅为主。 除了光伏屋顶系统外，国外发达国家还在其它光伏应用方面也做了大量工作，例如 风光柴互补发电系统、太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统、太阳能发电专用直流负 载、未来与汽车配套的发电系统等。 1 2 2 光伏发电在国内的研究现状及发展趋势 我国的太阳能资源非常丰富，有2 3 以上的国土面积年日照大于2 0 0 0 小时，年平 均辐射量大于6 0 万k j c m 2 ，各地的太阳能辐射为9 3 0 2 3 3 0 k w h m 2 。中国光伏发电产 业于上世纪7 0 年代起步，9 0 年代中期进入稳步的发展时期。太阳能电池及其组件的产 量逐年稳步增加。通过3 0 多年的努力，已经迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程” 先导项目和“送电到乡”工程等国家项目以及世界光伏市场的有力带动下，我国光伏发 电产业发展迅猛，已经取得了较大的发展。我国于2 0 0 5 年2 月2 8 日出台中华人民共 和国可再生能源法，2 0 0 6 年出台实施细则。 现已建成的光伏并网发电系统有深圳1 m w 光伏并网电站、北京市供电局1 4 0 k w 光伏 并网系统、首都博物馆3 0 0 k w 光伏系统、北京市天普公司5 0 k w 光伏并网电站北京市太 阳能研究所l o o k w 光伏并网系统、科技部大楼的1 5 k w 光伏并网系统、科技部在“十五 ”攻关计划中安排了三座l o o k w 光伏并网系统和7 0 余座3 - 5 k w 光伏并网户用系统等m 。 太阳能电池生产商主要有无锡尚德、保定英利、南京中电、云南半导体厂和宁波太 阳能电力公司等，生产能力达到1 7 5 m w 年。并网逆变器的生产厂家主要有合肥阳光、 北京索英和南京冠亚等；并网逆变器的成熟产品规格有3 - 5 k w 单相并网逆变器和l o k w 三相并网逆变器等。 中德两国财政合作的云南省太阳能电站二期项目2 0 0 8 年1 2 月在楚雄通过初验收， 这意味着云南5 2 个完全不通电的贫困村庄从此被点亮，用上电灯，有了照明，也有了 全新的生活方式。中德两国财政合作太阳能光伏电站项目由德国政府提供赠款2 6 0 0 万 欧元，用来解决贫困不通电村庄的照明问题。由中国无锡尚德太阳能电力有限公司承建 的迄今以色列最大、发电效率最高的太阳能发电项目5 0 千瓦屋顶光伏系统于2 0 0 8 年1 2 月8 日在以色列北部城镇卡次林举行落成典礼，并于当天并网发电。该项目的年 发电量大约在8 万5 干度左右，承建该项目的中国无锡尚德太阳能电力有限公司于2 0 0 2 年成立，2 0 0 5 年在纽约商品交易所上市，是中国首家在美国上市的再生能源企业，也是 第一家在美国上市的中国民营企业，仅太阳能电池板组件和太阳能电池片两项的生产能 力就占据了世界第一和第三的市场份额。目前，该公司8 0 - 9 0 的业务来自于欧美市场， 而在中国市场上，他们也积极参与了北京奥运会主体育场鸟巢以及上海世博会主会 场项目的建设。 据可再生能源中长期发展规划，2 0 2 0 年我国力争使太阳能发电装机容量达到 1 8 g w ，到2 0 5 0 年将达到6 0 0 g w 。预计到2 0 5 0 年，中国可再生能源的电力总装机将占全 国电力装机的2 5 ，而其中光伏发电装机将占到5 。未来十几年，我国太阳能装机容 量的复合增长率有望达到2 5 以上。 当然，我国光伏发电产业目前也存在不少问题n 训。就产业本身而言，我国的光伏产 业构造呈喇叭状，下游的组件封装和太阳能消费品生产等由于资金门槛和技术含量较 低，发展很快；而上游的多晶硅原料生产量很小，基本依赖进口，而更为严重的是，由 于发达国家的技术封锁和我国人才的缺乏，使我国无法通过引进先进技术来解决多晶硅 原料的自主生产问题，这已成为我国光伏产业发展的最大障碍，也是最难解决的问题。 对我国光伏发电产业的建议n 叫：一、认真贯彻可再生能源法，进一步完善光伏 发电的实施细则，培育市场；二、建立和制定明确的产业和市场发展战略并规划以光伏 4 发电发展的路线图，确定每一阶段的发展目标和实施方案，并制定相应的扶持和激励措 施；三、建立国家光伏技术研究中心，提高太阳能硅材料提纯等技术，建立上下游平衡 的光伏产业链；四、在高等学校增设光伏发电专业，培养与光伏发电技术相关的各类人 才，提高创新能力。要加速光伏发电的发展、启动光伏产品的国内市场，应当促进技术 创新，通过提高技术不断降低光伏发电的成本，同时，公众也应加强对环境问题的认识， 增强使用可再生能源的意愿。 1 3 太阳能光伏发电系统的分类 太阳能光伏发电系统一般可区分为独立系统和并网系统两类。 独立发电系统是由太阳能电池直接给负载提供功率，是光伏发发电系统的最基本形 式，这类系统多用于远离市区( 无人操作) 的海上浮标、灯塔、山顶的无线中继电台等作 为供电电源。若负荷是交流的，还须通过逆变器将直流电转换为交流电，此外，输出的 能量还同时供蓄电池充电。蓄电池在夜间和阴雨天可通过放电向负载提供必需的能量 n 1 3 。系统结构如图1 1 所示。 l 董皇些i 图1 1 独立光伏发电系统的基本结构 并网发电系统是太阳能利用的主要形式，其特点是通过控制并网逆变器，直接将太 阳能电池阵列发出的直流电转变为交流电，送入电网。光伏并网发电系统有两种形式： 一种是集中的大型联网光伏电站，这需要复杂的控制和输配电设备，并要占用大片的土 地，发电成本目前也要比市电贵很多，所以这类大型光伏电站发展并不快；另一种是分 散的小型光伏联网系统，尤其是户用联网光伏系统，近年发展迅速。 图1 2 并网光伏发电系统的基本结构 本文的主要研究对象是并网光伏发电系统。 按能量变换的结构，光伏并网发电系统依照级数主要可以分为单级能量变换和双级 能量变换：1 2 3 1 驯。 单级式能量变换结构如图1 3 所示： 5 光伏 d c a c滤波 列阵 g r i d 图1 3 单级式光伏并网发电系统结构图 在单级式光伏并网发电系统中，光伏阵列通过储能电容与并网逆变器相连。检测光 伏阵列的输出电压和输出电流和并网逆变器输出的并网电流，将这些检测信号输入到控 制器中，通过调节并网电流的幅值能够控制光伏阵列的输出功率，来实现最大功率点跟 踪和并网发电。由于单级式光伏并网发电系统升压程度有限，升压是靠电感储能实现的， 所以传输功率也受到限制。 双级式能量变换结构如图1 4 所示： 光伏 列阵 d c d cd c a c 滤波g d d 图1 4 双极式太阳能并网发电系统结构图 双级式光伏并网发电系统结构中，前后分为d c d c 和d c a c 两个级。在d c d c 环节中，将检测到的太阳能电池输出电压与输出电流信号输送到控制器中，通过d c d c 变换器来调整光伏阵列的输出电压，从而达到最大功率点跟踪的目的。d c a c 并网逆变 器将光伏阵列输出的直流电变换成与电网电压同频同相、功率因数近似为l 的交流电并 入电网。 在双极式光伏并网发电系统中，前后两个环节具有独立的控制手段和目标，两部分 可以分开设计，控制环节也比较容易设计和实现。因此，本文采用双极式并网发电系统。 1 4 光伏并网发电控制技术的研究现状 随着光伏并网发电系统的不断发展和广泛应用，如何提高其发电效率及并网电流质 量越来越成为人们关注的焦点，因此，对光伏并网发电系统控制技术的研究逐渐成为提 高光伏并网发电系统性能的主要研究对象。本文所研究的光伏并网发电系统的控制技术 主要包括太阳能跟踪控制、最大功率点跟踪控制和并网逆变输出控制。 6 1 4 1 太阳能跟踪控制的研究现状 太阳能跟踪控制即通过控制太阳能电池板的转动方向，使其时刻正对太阳，从而吸 收更多的太阳能，以提高太阳能电池的发电效率。 目前，各种类型的太阳能跟踪方式，从简单到复杂，主要分为两大类，即机械系统 和电控系统，机械系统一般又可分为压差式和控放式，而电控系统一般可分为光电式和 视日运动轨迹式。 压力差式跟踪的原理是：当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同， 会产生压力差，在压力的作用下，使跟踪装置重新对准太阳。根据密闭容器内所装介质 的不同，可分为重力差式，气压差式和液压式。该机构结构简单，制作费用低，纯机械 控制，不需电子控制部分及外接电源。但是，该机构只能用于单轴跟踪，精度很低。 控放式太阳能跟踪是在太阳能接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的 转动力，并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使 太阳光接收器向西偏转运动。该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接 电源。但是该机构不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非另外加复位 机构；而且该跟踪器只能用于单轴跟踪，精度低。 光敏硅光电管等作为一种利用光作用使半导体材料的电导率显著变化的光敏传感 器，常见的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管。目前国内常用的光电跟踪有 重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器。通常在这些装置中， 光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳。当太阳西移时遮光板 的阴影偏移，光电管因受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路 放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。一般来说光电跟踪灵敏度高， 结构设计较为方便，但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情 况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，就会导致跟踪装置无法对准太阳，有时甚至会 引起执行机构的误动作。 视日运动轨迹系统通常根据跟踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种： ( 1 ) 单轴跟踪 单轴追踪一般采用：倾斜布置东西追踪；焦线南北水平布置，东西追踪；焦 线东西水平布置，南北追踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向追踪，工作原 理基本相似。跟踪系统的转轴( 或焦线) 南北向布置，根据事先计算的太阳赤纬角的变化， 柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动追踪太阳。采用这种跟踪方式，一天之中只有正午 7 时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时热流最大；而在上午或下午太阳光线都是 斜射。单轴追踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太 阳能的效果并不理想。 ( 2 ) 双轴跟踪 如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能， 全跟踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式：极轴式全 跟踪和高度角方位角式全跟踪。 极轴式全跟踪：聚光镜的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴； 另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自 转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动；反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是 为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂，但在 结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。 高度角一方位角式太阳能跟踪：高度角和方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系 双轴跟踪。集热器的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作 时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变集热 器的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟 踪精度高，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容 易。 现有的太阳能收集装置大都是固定一个朝向天空的角度的。研究人员需要计算出一 个最佳的角度以最大化所能收集到的太阳能：由于太阳高度角随时间不断的变化，因此 采用太阳跟踪系统能够提高太阳能的利用率；使用固定的太阳能收集系统会有5 0 的性 能损失，而使用单轴跟踪系统则能将该损失降低到5 一1 0 。通过对双轴跟踪系统进行 测试，结果表明双轴跟踪系统能收集到的太阳能比固定的系统收集到的能量高出7 5 【2 5 - 2 6 1 o 在以上各种跟踪控制系统中，纯机械式的跟踪控制器精度较低，但是跟踪太阳的目 的在于提高太阳能的利用率，如果精度低，跟踪利用率就比较低，要提高利用率就要在 添加其它设备，额外提高了成本。光电传感式太阳跟踪控制系统的精度较高，但如上所 述还存在不少问题。如果要提高太阳能的利用效率，需要近一步的研究和探讨，开发出 真正高精、实用、廉价的太阳能自动跟踪器，本文将对此作进一步研究。 太阳能跟踪控制主要有两类，一类为开环控制，另一类为闭环控制，此外还有结合 两者的混合控制2 7 儿嚣。 8 开环控制在控制理论中就是一类没有反馈的控制。太阳能跟踪开环控制的原理框图1 5 所示。这类控制是基于时间的控制方式，不需要使用传感器对光强进行感应，主要基于 经度和纬度的信息，跟据不同的时间对太阳能电池板进行调整，以达到跟踪太阳的目的 艄幻。开环跟踪控制是建立在确定一天中任何时刻的太阳位置的基础上的。我们在日常 生活中都是运用平太阳时，这种计时方式是假设地球绕太阳转动的轨迹为标准的圆型， 以方便时间的计算。但真实的以太阳为参考点的时间是真太阳时，它是以太阳连续两次 通过中天的时间间隔为一个太阳日。由于地球绕太阳转动的实际轨迹是椭圆形，一年之 中的地日距离是在不断改变的，因此真太阳日的长度也是在不断变化。 太阳能经纬度， + 模糊控制 + 时间等信息 电池板 图1 5 开环控制系统示意图 闭环控制相对开环控制而言就是一类带有反馈的控制方式。太阳跟踪的闭环控制原 理如图l - 6 所示。这类控制是基于光敏传感器进行控制的。系统通过传感器感觉太阳光 的强度，再根据不同的条件调整太阳能电池板的方向以达到对准的目标侧。一种简单 的太阳能跟踪闭环控制方法是，用光敏元件测试正面的光强，不断在一个方向上( 东西 或南北) 调整面板的角度，每次往同一方向旋转一小角度，当测得的光强不断加强时， 则旋转是方向正确的。当测得的光强突然由增加变为减小时，则反方向往回旋转一相同 角度，此时面板在该方向上已对准太阳。这种跟踪控制的一大缺陷在于，若在跟踪周期 时如果有遮蔽物出现，如云彩等，就可能导致定位出现错误，影响后续的跟踪定位的正 确性。为了克服这一问题，需要进行双向的跟踪，也就是不但需要在一个方向进行搜索， 还需要对其反方向进行搜索。这就增加了计算的复杂度，并且需要额外的能耗。 图1 6 闭环控制系统示意图 闭环和开环控制系统中，文献 2 9 和 3 1 分别介绍了模糊闭环和模糊开环控制，并 取得了一定的效果。 1 4 2 最大功率点跟踪控制的研究现状 最大功率点跟踪控制是通过调节太阳能电池输出电压以使太阳能电池输出功率最 9 大。 固定电压跟踪法n 钔是较早产生的一种m p p t 控制方法，该方法是根据在日照强度较 高时，太阳电池阵列的最大输出功率对应的工作电压变化不大这一特性而提出的控制方 法。该方法实际上是把m p p t 控制简化为稳压控制，因此具有控制简单，易实现，可靠 性高、系统运行稳定等优点。但是这种跟踪方式忽略了温度对阵列开路电压的影响，因 而不能实现真正最大功率输出的跟踪控制。随着电力电子技术的发展，控制芯片的工作 速度和存储器容量都不断提高，特别是高性价比的d s p 控制芯片的广泛使用，使得固定 电压跟踪方法的简单性与其造成的能量损失相比已显得很不经济，因此一些新的控制方 法应运而生。常用的m p p t 控制方法包括电导增量法、扰动观察法、最优梯度法等n 钉。 电导增量法6 1 也是光伏系统m p p t 控制使用较多方法之一。该方法是通过对光伏阵 列的瞬间电导与电导增量进行比较来改变控制信号的，因此，其同样需要对列阵的电压、 电流进行采样。这种办法控制精度较高，响应速度也快，常常用于大气条件变化较快的 场合。太阳光照强度变化比较快时，光伏列阵输出电压能平稳地跟踪其变化是电导增量 法的最大优点。但该方法对硬件的要求尤其是传感器的精度要求较高，因而整个系统的 硬件造价相对也较高。 扰动观察法m 1 在实现最大功率点跟踪控制中用的较多，常用于光照强度变化比较缓 慢的场合。该方法在每个控制周期内用较小的步长改变光伏阵列的输出，方向可增加可 减，改变的步长是一定的，控制对象可以是光伏阵列输出的电压或电流，这一过程我们 称之为“扰动 。这种方法的优点是跟踪法则简单、在系统中容易实现，并可实现模块 化控制回路。缺陷是初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响，而且只能 够在最大功率点附近振荡运行，会导致部分功率损失。 最优梯度法是一种以梯度法为基础的多维无约束最优化问题的数值计算法。其的基 本思想是选取目标函数的负梯度方向( 对于光伏并网系统，应选取正梯度方向) 作为每步 迭代的搜索方向，逐步逼近函数的最小值( 对于光伏并网发电系统，为最大值) ；梯度法 是一种传统且被广泛运用于求取函数极值的方法，该方法运算简单，有着令人满意的分 析结果n 羽。 除了上述的常用最大功率跟踪控制方法之外，还有智能控制是这门新兴的理论和技 术，它是传统控制发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统 的控制。智能控制包括专家系统、神经网络和模糊控制，而模糊控制是目前在控制领域 中所采用的三种智能控制方法中最具实际意义的一种方法。在光伏系统m p p t 控制中， 由于外界光照强度和温度变化的不确定性以及并网逆变器的非线性特性，则使用模糊逻 辑的m p p t 控制方法进行控制，有望获得理想的控制效果。 l o 1 4 3 光伏并网逆变输出控制的研究现状 光伏并网逆变输出控制就是通过控制并网逆变器输出的电流与电网电压同频同相， 以单位功率因数向电网送电。 按控制方式的不同来，并网逆变器输出控制可分为电流源电压控制和电流源电流控 制、电压源电压控制和电压源电流控制四种。在光伏发电系统中，用于实现并网功能的 逆变器一般采用电压源电流控制型逆变器。光伏并网发电系统的控制目标是实现正弦电 流并网，并网逆变器输出的电流波形直接影响光伏发电系统的供电质量，所以，逆变器 输出电流控制策略是光伏发电系统研究的一大热点。现有的控制方法有滞环电流控制、 p i 控制明、空间矢量控制( s v p w m ) 等。 电流瞬时值反馈滞环控制主要为将并网电流与参考电流e 相比较，得到两者的差 值t 作为滞环比较器的输入，差值和滞环比较器的环宽进行比较以后产生p w m 信号， 以此驱动功率器件的通断，从而实现对并网电流的控制。这种控制方法能具有硬件电路 非常简单、动态响应较快、输出电流电压波形中不含特定次谐波等优点。但其功率管的 开关频率跟随负载电流变化而变化，这就导致电流频谱宽，加大了滤波器的设计难度。 电流瞬时值反馈与三角波比较控制主要为将逆变器输出电流之和参考电流e 相比 较，得出误差t 经过调