（电力系统及其自动化专业论文）光伏并网及其对配电网可靠性的影响.pdf

学位独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：垫迦日期：国，：! f 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权东南大学研究生院办理。 倍钦技 签名： 导师签名：奄击扩謇日期：0 7 ，占2 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 随着人类社会的不断发展，人们对能源的需求越来越多。目前，人类所利用的电能大部 分来源于火电、水电和核电，其中又以火电发电量为最大。但是，由于化石燃料的有限性 和分布的不均匀性，许多国家的电力供应已不能满足社会发展的需要，世界范围内的矿物能 源也正面临枯竭的危险1 ”i 。而且，化石燃料造成的环境污染问题也日益严重，温室效应已 经引起全球气候变化。水电资源受季节影响比较大，核电资源中的核废料处理仍然是一个亟 待解决的问题。因此，寻找清洁、高效、蕴藏丰富的新型能源l e 逐渐成为人类所面临的越来 越迫切的课题之_ _ 1 4 1 。而太阳能凭借其清洁、安全、无污染且取之不尽的优点，被许多能源 专家认定为2 l 世纪最重要、最具活力的新犁能源形式之一，据预测2 1 0 0 年的太阳能将在整 个能源结构中占6 0 1 4 t 。因此，太阳能应用技术的研究和开发对未来社会的发展具有战略意 义。 我国太阳能资源十分丰富，全年日照时数大于2 0 0 0 h ，太阳能总辐射量高于5 0 1 6 m j ( m 2 a ) 的地区约占全国总面积的三分之二以上州。虽然我国的太阳能产业目前还处于起 步阶段，光伏组件产量、安装容蹙、配套设备的产业化程度都远远落后于其他国家，但是光 伏工业蓬勃发展的趋势已经开始逐渐显现，因此，加快对光伏利用技术的研究更是迫在眉睫 的任务，它对促进我国太阳能产业健康快速的成跃和改善我国的能源利_ i j 结构有着重大意 义。 本文的研究范嗣为太阡l 能光伏利用中的单相小功率户用型屋顶并网系统。屋顶光伏并网 系统不单独r 地，将太阳电池安装在现成的屋顶上，1 常适应太阳能能量密度较低的特点， 而且其灵活性和经济性都优于大型并网光伏电站，有利f 普及，有利于战备和能源安全，受 到了各国的普遍重视。 1 2 光伏并网在国内外的发展状况和趋势 国外的光伏并网技术的应用开始于2 0 世纪8 0 年代，美国首先建成抛物面槽太阳能发电 站，随后俄罗斯、澳大利亚、瑞士也相继建立了太阳能发电厂。1 9 9 2 年日本太刚能发电系 统和电力公司电网联网。1 9 9 0 年德国政府首先推出“一千屋顶计划”，1 9 9 8 年义进一步推出 l o 万屋顶计划，并预计2 0 5 0 年德国消耗的能量半数来自太阳能1 2 j 。日本政府1 9 9 4 年开始推 行“朝日七年计划”，总容量1 8 5 m w p ，1 9 9 7 年又宣布了“七万屋顶计划”，总容量2 8 0 m w p ， 截至2 0 0 0 年，日本约有7 万家庭安装了太阳能家庭发电设备口。另外，意大利等其他欧美 发达国家也都纷纷推出自己的太阳能利用计划，其中又以美国的计划规模最为庞大。美国于 1 9 9 7 年宣布“百万太阳能屋顶计划”，计划到2 0 1 0 年安装1 0 1 4 万套光电系统，总容量 3 0 2 5 m w p ，并预测到2 0 1 0 年世界范围内太阳能电池的容量将达到2 0 g w p | 2 4 1 。 我国对太阳能技术的研究起步较晚，1 9 5 8 年才开始研究太阳能电池，于1 9 7 1 年成功将 太阳能电池应用于东方红二号卫星【g j 。8 0 年代后，国家开始关注光伏工业发展，先后通过“七 五”、“八五”、“九五”、“十五”计划对光伏户用系统、通信电源、光伏水泵、光伏并网、光 伏屋顶并网发电系统等方面的技术进行攻关，并在北京建成投运2 0 k w p 、5 0 k w p 等容餐等 级的光伏尾项并网系统【9 i 。虽然我国光伏产业近年取得很大的发展，但总体上仍处于初级阶 段，技术相对落后、应用范围较小，一些关键技术仍不能国产化。不过，随着我国相关的产 业发展政策陆续出台，我国的光伏产业必将得到迅速的发展。据专家预测：我国2 0 2 0 年的 光伏总发电将能达到4 5 0 亿k w h i ”。 1 3 单相光伏并网技术的发展状况和趋势 1 3 1 光伏并网的概念和典型的户用光伏并网系统 光伏并网是指光伏阵列发出的电能通过各种逆变装置变成正弦交流电流并入电网的过 程。在各种光伏并网形式中，又以屋顶光伏并网系统在最近几年发展最快。典型的户用光伏 并网系统一般由屋顶光伏阵列、逆变器、主配电开关等部分组成，结构如图l 1 所示。其中， 光伏阵列完成将太阳能转化成直流电能的功能，然后再由逆变器转化为和电网电压同频同相 的交流电，最后通过主配电开关接入配电网或和实现向本地负载供电。当光伏陈列的发电量 大于本地负载用电量时，电能的一部分供给本地负荷使用，剩余的能量流向电网，称为有回 潮并网发电：当光伏阵列的发电量小于本地负荷需求时，不足部分电能由配电网补充，称为 无回潮并网发电；在夜晚或阴雨天气时，则完全由配电网供电。 图1 1 典型的户用光伏并网系统结构图 与孤立运行的太阳能光伏电站相比，光伏并网运行有许多优点： 1 ) 依托大电网可以很容易的保证供电的稳定性和供电质量； 2 ) 光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接纳光伏阵列所发的全部电能； 3 ) 光伏并网还可以分为可调度式和不可调度式，对于不可调度式光伏并网系统可以省 略作为储能环节的蓄电池，这样一方面降低了蓄电池充放电过程带来的巨大能量损失，一方 面免除了蓄电池带来的运行和维护费用，另外还能消除废旧蓄电池带来的污染”j 。 1 3 2 光伏并网的核心部件光伏逆变器的发展历程嘲 a ) 过去一集中式逆变器 过去的光伏逆变技术，如图1 - 2 ( a ) 所示，是基于集中式逆变器的。光伏模块被分成 许多组串联的组( 称为一个串组) ，每个串组产生一个充分高的电压这样可以避免再次升压。 然后将这些串组通过串联二极管并联起来，以达到一个较高的功率等级。这种集中式逆变器 有许多局限性，比如连接光伏模块和逆变器的直流电压较高，集中式m p p t 带来较大的功 率损失，串联二极管带来的损耗等。另外，由于结构本身不够灵活，集中式逆变器很难实现 规模化生产。集中式逆变器的并网阶段通常是通过晶闸管实现有源逆变，电流谐波含量大， 电能质量差。 2 绪论 b ) 现在串联逆变器和交流模块 现在的光伏并网技术是由串联逆变器和交流模块构成的。 串联逆变器，如图1 2 ( b ) 所示，是一个简化的集中式逆变器。如果我们想要输入电 压足够高，可以不用再次升压，则对于欧洲系统，大概需要1 6 块光伏模块串联。1 6 块光伏 模块串联的总开路电压可以达到7 2 0 v ，就是所谓的1 0 0 0 vm o s f e t i g b t 考虑以7 5 额定 电压运行。这种结构上e 常运行电压比较低约为4 5 0 - - , 5 1 0 v 。如果使用d c d c 变换器或i 【频 变压器升压，也可以使用较少的光伏模块串联。这样就可以消除串联_ 二极管的损耗，而且可 以对每个串组进行最大功率点跟踪。因此，这种结构比集中式逆变结构的总体效率有所提高， 而且由于能够进行规模化生产，价格也有所下降 交流模块化技术，如图1 - 2 ( d ) 所示，是将逆变器和光伏模块整合进一个电气装置。 因为只有一个光伏模块，所以它消除了光伏模块间的不匹配带来的损耗、可以实现光伏模块 和逆变器之间的最佳组合和独立的最大功率点控制。借助于模块化的结构，还可以很容易的 实现系统的扩容。另外这种结构还可以做成即插即用装置，即使一个没有任何电气安装经验 的人也可以很容易的使用。但是，这种结构必须要加装较高升压幅值的升压装置。因为升压 电路结构复杂，可能降低整体的效率，升高每瓦输出的成本。同时，交流模块化非常易于规 模化生产，这样可以降低制造成本和零售成本。 c ) 将来多串组逆变器、a c 模块和a c 电池 多串组逆变器，如图l - 2 ( c ) 所示，是串组逆变器的发展。它是由几个串组先通过各 自的d c d c 变换器接入d c a c 逆变器米实现的。比起集中式系统这种拓扑结构是有很多 优势的，每个独立的光伏串组连接一个低功率的d c d c 转换器，并且每个独立的光伏串组 都拥有自己的m p p t ，自主追踪本光伏组件串的最大功率点。这种结构只需要通过简单的增 加光伏串组和d c d c 转换器就能扩大系统的供电功率。所有的d c d c 转换器通过一个d c 母线连接到中心逆变器，由逆变器将直流电转换成交流电并入电网。中心逆变器为普通的基 于高频开关和p w m 波的逆变器。这种逆变器依据光伏组件串联的数量不同可以产生 1 2 5 - 7 5 0 v 的电压。装置的最人功率范围为5 k w 。 a c 电池逆变系统就是将一个大的光伏电池和一个d c a c 逆变器封装成一个交流电池 装置。对于设计者来说这种结构最大的挑战在于研制一种可以将非常低的电压等级， 0 5 1 0 v1 0 0 w 每平方米，升压到一个适合并网的电压等级，同时还要维持高的转换效率的 逆变装置。这需要一种新的变换结构。 绪论 b )c )( d j 图l 一2 光伏逆变器结构及发展简图( a ) 集中式逆变器( b ) 串组逆变器( c ) 多串组逆变 器( d ) 交流模块化逆变器 1 3 3 两类新颖的光伏并网逆变结构【l a ) 基于磁耦合的逆变器结构 如图1 3 所示，基于磁耦合的逆变器技术来自美国。这种逆变器由三个普通单项全桥逆 变器组成，每个逆变器的输出接入一个变压器的原边线圈，变压器的副变线圈串联在一起， 各个变压器的变比可以取不同值。通常来讲，如果这种逆变器拥有n 种变压器原边线圈的话， 那么通过变压器副边线圈的不同连接方式可以得到3 ”种不同的电压等级。这种逆变器不使 用p w m 波形进行驱动而是使用阶梯波进行驱动，可以通过较低的开关频率获得更为精确的 正弦波形。这种逆变器的最大的缺点就是需要三个变压器。 图l - 3 基于磁耦合的逆变器结构图 4 绪论 b ) 主从式逆变器组合结构 主从式逆变器的基本组成结构与多串组逆变器相同( 图l - 2c ) ，不同的是主从式逆变 器有多个d c a c 模块，d c d c 模块秆id c a c 模块之间的连接方式比较灵活，d c d c 模块 可以选择接入不同的d c a c 模块。这种结构结合了串联技术和主从结构，更好的利川了低 功率逆变器。当太阳的辐射比较弱的时候所有的光伏串联组都并联接入一个逆变器，其他的 逆变器都断开。当太阳的辐射增强时，光伏组件再分成几组分别接入不同的逆变器。这种结 构可望将系统的效率提高2 个百分点。这种结构适用于较大规模的光伏阵列。 1 4 本文的研究内容和结构安排 本文的主要研究对象为单相小功率户用型光伏系统。国外的统计资料显示，在1 9 9 4 - 2 0 0 2 年问，各种不同拓扑结构下的此类逆变装置的平均最大转换效率介于9 2 - - 9 6 之问删。并 网逆变技术已经比较成熟，冈此本文的研究重点不在于进一步的提高逆变效率，而是放在研 究对光伏系统的并网对配电网可靠性的影响上，希望能够充分利用光伏系统来提高配电网的 供电可靠性。另外，由于涉及商业化因素，国内外有关光伏并网的控制方法、数学模型、主 电路参数选择的文献并不多，因此，本文也给出关于单项小功率的户用系统的控制方法、数 学模型和主电路参数选择一些研究。主要内容及章节安排如下： 幻对户用单项小功率光伏并网逆变器进行分析建模和仿真。 对独立逆变电路建模仿真，在此基础上建立了适合户用的并网，独立两用光伏逆变 电路。 c )提出孤岛情况下，区域内多电源供电方案的构想，并对区域内多电源供电进行初步 的仿真分析。 d 1采用蒙特卡罗抽样法，对光伏系统并网后的配电网可靠性进行计算和比较分析。 5 单相小功率户用光伏并嘲系统 第二章单相小功率户用光伏并网系统 2 1 单相光伏并网电路拓扑结构比较 光伏并网电路拓扑结构主要有三类1 3 9 1 ： 1 工频变压器型：即单级结构( d c - a c ) 型，主电路如图2 1 所示，这种结构将宜流 电压逆变成有效值基本不变的p w m 波形，由工频变压器升压得到2 2 0 v 交流电压。这种电 路方式可靠性较高、抗输出短路的能力较强。但是，它的转换效率相对较低( 平均最高转换 效率介于9 3 到9 4 之间脚i ) 、响应速度较慢，波形畸变较重，带非线性负载的能力较差， 而噪声大。另外，本电路采用的工频变压器，体积大，质量大，价格也较贵。 审审l ： le 爿 审审i 工鞭p w m 开关部分 图2 - 1 工频变压器形式主电路 2 高频变压器型：即三级结构( d c - a c - d c a c ) 型，如图2 - 2 所示。主电路分为高 频升压和。 频逆变，系统相对复杂。d c a c - d c 部分：首先将直流电压逆变成高频方波， 经高频变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的高压直流电( 一般3 0 0 v 以上) 。d c a c 部 分：高压直流通过工频逆变电路实现逆变得到2 2 0 v 或者3 8 0 v 交流电。系统转换效率较高， 平均最高转换效率介于9 5 到9 6 之间1 6 6 ，由丁i 这种电路形式采用了高频变压器，体积、 重量、噪音等均明显减小。但是这种结构的电路复杂度较高，不易控制实现。 lz刈岛 q 一 l z。审每 _ 、 毫囊开关部分 图2 - 2 高频变压器形式主电路 3 无变压器型：即两级结构( d c - d c a c ) 型，主电路如图2 3 所示。将直流电经过 b o o s t 升压电路得到高压直流，再1 = 频逆变得到交流电。不采用变压器进行输入和输出的隔 离，体积小、重量轻、效率高( 平均晟高转换效率介于9 6 强j9 7 之间1 6 6 1 ) 而且系统也不 复杂，成本低，但是这种电路能完成的升压变比较低，要求直流输入电压较高。 另外也可以直接通过多光伏模块串联来获取足够高的直流输出电压，这样就不再需要任 何前级升压电路，直接将串组接入逆变电路，从而有助于进步提高了转换效率。 6 单相小功率户用光伏并明系统 图2 - 3 无变压器形式主电路 2 2 单相光伏并网系统工作原理及特点 光伏并网系统的工作过程如下：太阳光子的能量首先通过光伏阵列转化成直流电能，然 后由前置升压单元将光伏阵列输出的较低电压直流电升高到合适的电压等级，最后由逆变单 元将其转化成与电网同频同相的交流电送入电网。在这样一个过程中，由于融入了光电转换 过程和并网过程，带来最大功率点跟踪问题、并网锁相问题和孤岛检测问题，使得光伏逆变 并网比普通逆变电路的实现要复杂和困难的多。另外，在这些问题中，并网锁相问题可以通 过锁相电路来完成或通过软件米实现，相关技术都是通用的技术且比较成熟，这里不再赘述。 a ) 最大功率点跟踪( m p p t ) 。 太阳电池的最大功率点跟踪是光伏系统中一个不可缺少的组成部分，它是指跟踪控制光 伏阵列的输出功率使它始终处于输出特性曲线上的最人功率点位置，这对丁：提高系统的整体 效率有着重要的作用。首先来看光伏阵列的输出特性。光伏阵列的最小单元是太阳能电池单 体。由于单个太阳电池的功率极小，因此一般不单独作为电源使用。实际应用中是将许多单 个太阳能电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳能电池组件使用，所以我们实际应j j 中的最小单元是太阳能电池组件，光伏阵列就是由许多太阳能电池组件经过相应的串、并联 后构成的。因此，研究光伏阵列的输出特性应该从太研l 能电池开始。 太阳能电池的工作原理是半导体的光生伏特效应1 3 p “，太阳能电池的输出特性曲线受 日照强度和温度的影响比较严重。在日照强度和温度一定时，太阳电池的特性曲线如图2 - 4 所示，它表示的是在某一确定的日照强度和温度下，太阳能电池的输出电流和输出电压之间 的关系，称为伏安特性曲线( i v 特性曲线) 。如果我们假定负载为纯电阻负载，负载的曲线 和太阳能特性曲线相交于m 点，如图2 4 所示，则m 点即为这样的日照、温度和负荷条 件下太阳能电池的工作点。由此可见，特性曲线上任意一点均为太阳电池的一个可能的【作 点，每一点都对应着一种负载电阻从太阳电池处获得的功率情况。当调节负载电阻的阻值 r l 时。总可以找到一点m ，对应的i v 为最大，此时，称m 点为最大功率点( m a x i m u m p o w e rp o i n t , 简记为m p p ) 。这一点所对应的电流为最佳工作电流，记为i m ：电压为最佳工 作电压，记为v m ；负载r l v l 为最佳负载电阻，p m 功率为最人输出功率。 从图2 4 也可以看出，太阳能电池的伏安特性曲线具有强烈的非线性。它既非恒压源， 也非恒流源，也不可能为负载提供任意人的功率，是一种非线性直流电源，其输出电流在大 部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流会迅速下降。 光伏阵列的伏安特性具有和单个太阳电池同样的形状，若忽略单个太阳电池及太阳电池 组件相互之间的连接电阻并假设它们具有理想的一致性，则光伏阵列的伏安特性可以看作是 7 单相小功率户用光伏并刚系统 单个太阳电池伏安特性按串、并联方式放大的结果，冈此，图2 - 4 同样也可以看作是光伏阵 列的j v 特性曲线。另外，不同温度和曰照强度下的光伏阵州伏安特性曲线如图2 5 和图2 - 6 所示。 光伏系统中通常通过对太阳电池最大功率点的搜索和跟踪，实现光伏输出功率最大化， 即所谓的最火功率点跟踪( m p p t ) 。光伏系统常用的最大功率点跟踪方法有：定电压跟踪 【6 8 1 、扰动观察法【6 9 】、电导增 耋法【6 9 】、最优梯度法 7 0 】、滞环比较法 7 h 、间歇扫描法 7 2 】 模糊控制法【6 9 】、实时监控法 7 2 】、神经网络预测法【7 0 】等等。 另外，不同的光伏发电系统中，m p p t 功能的实现策略也不相同：在独立光伏发电系统 中，光伏阵列m p p t 功能主要通过控制蓄电池的充电环节来实现；而在并网光伏发电系统 中，光伏阵列m p p t 功能可以通过控制d c d c 升压环节实现，也可以通过控制d c ，a c 逆 变环节实现。 图2 - 4 太阳能电池i v 特性曲线 i埔垮搭 图2 - 5 不同温度下的光伏阵列伏安特性曲线 8 辨 轴 单相小功率户用光伏并列系统 lh辑嚣赫 图2 - 6 不同光照强度下的光伏阵列伏安特性曲线 b ) 孤岛效应检测 孤岛效应指的是在大电网断开后，独立的并网发电系统继续向区域负荷供电的现象i i ”。 通常情况下，分布式发电装置( d i s t r i b u t e dg e n e r a t o r 简称d g ) 在孤岛状况下运行时可能带 来如下问题： 1 ) 可能给用户和线路维修人员的人身安全带来危害 2 ) 可能给线路和设备安全造成威胁 3 ) 用户的供电质量也很难得剑保障， 4 ) d g 的孤岛运行还可能带来非同期重合闸的危险。 冈此，i e e e1 5 7 4 标准规定，对非计划性孤岛，分布式电源的联接系统应在孤岛形成2 s 内检测到孤岛并断开d g 【，j 。 孤岛检测的方法主要分两种：被动方式检测和主动方式检测。孤岛形成瞬间d g 输出的 各项参数通常会出现尖峰，被动方式主要利用这个瞬间波动，通过计算总谐波畸变率( t h d ) 或者是电压不平衡度( v u ) 来检测孤岛的形成p 。计算公式如下： 脚：巫 ，1 ( 2 1 ) 其中厶是d g 输出电流的h 次谐波的有效值，为d g 电流基波的有效值。h 为要考 虑的最高谐波次数。 vu：堡(2-2、 矿 k 和吒分别是d g 输出电压的正序和负序分量。 仿真表明当d g 附近的大负荷投切时，这种检测方法会产生误动作l l ”。主动方法是在 d g 输出中，人为引入一小的电压或频率扰动，孤岛条件下，这类扰动会引起电压或频率的 不稳定，从而最终导致d g 断开。这类方法的缺陷在于：一方面在区域电网重负荷的情况f ， 容易误动作。另一方面，当大量d g 接入系统时，这些人为引入的正反馈将会给公网的电能 质鼍带来比较大的影响。因此，可以采用将主动方法和被动方法相结合的混合方法1 6 j j ，即 先被动监测t h d 和v u ，当发现可能的孤岛形成时，引入扰动来确认。 9 姐 舢躺 。 单相小功率户用光伏并嘲系统 2 3 并网系统逆变电路参数和控制策略分析选择 本文主要研究光伏并网系统中的逆变电路部分。与常规逆变器相比，光伏并网逆变器有 如下不同： 1 ) 逆变器的输出端接入电网，对逆变器控制电路来说，电网电压是个巨大的扰动量， 必须采取有效措施消除电网电压的影响。 2 ) 电网通常要求并网接入的分布式电源作为一个阻性负载存在，不参与电网无功调节， 不引入谐波污染，以降低分布式电源接入对电网的影响，因此，就要求逆变器提供的并网电 流与电网电压同频同相。 本文中的光伏逆变电路采用全桥逆变电路。全桥电路是目前单相逆变器采用较多的拓扑 结构，其结构的主要优点是结构简单，能够充分利用直流母线电压，有较大的功率输出能力。 光伏并网逆变电路结构图如图2 7 所示。 + 2 3 1 滤波电感参数选择 图2 - 7 光伏并网逆变电路拓扑图 在图2 7 所示的光伏并网逆变电路中，交流侧滤波电感的选择非常重要。一方面，由于 并网电路的特殊性，电路中没有并联滤波电容，整个电路的滤波需要完全由电感l 来完成； 另一方面，滤波电感参数的选取还会影响电流环的动、静态响应和制约并网系统输出功率、 系统功耗等。 a ) 滤波电感的选择策略 工程上通常是通过计算纹波电流的办法来选择滤波电感的大小。在图2 - 7 所示的电路 中，纹波电流是指加在电感l 上的瞬时电压一u 。在电感两端产生的电流值f ，在光伏 并网系统中。它是影响输出电流波形质晕的重要参数，必须限定在一定的范围之内。 根据图2 7 所示电路，存在如下关系 f 毗= l _ = 一 ( 2 - 3 ) v 其中，= u 。s i n a 7 f 为电网电压瞬态量，为p w m 脉宽瞬时值，是按正弦规律 变化的非线性量。根据冲量定理 4 3 j ，在单个载波周期的窄脉冲时间内，直流电压“。和电网 电压甜。在电感l 上产生的效果基本相同，即在载波周期的短脉冲内，电网电压甜。与直流 电压甜。所包围的面积近似相等，所以有 f = 甜m - t = u 。咖耐t ( 2 - 4 ) 其中，t = 1 以为载波周期。 l o 十+ 单相小功率户用光伏并网系统 由式2 - 3 和式2 - 4 得： a i = ( u 。s i n 研一三予s i n 2 c a t ) l ( 2 - 5 ) rg 由式2 - 5 可以看出，a i 与l 、五及k 的选择有关，l 、五越大，a i 越小；越大， a j 越大。在、l 、五都确定时，当s i n c o t = - i 时，i a i l 取到晟大值。 由于电路中没有并联滤波电容，电感l 产生的脉动电流没有释放的回路，就会完全叠 加在并网电流上，给并网电流带来谐波污染，因此滤波电感的值不能选择太小。这里取允许 的最人纹波电流为并网电流有效值，。的1 5 ，则由以上分析 a i = ( 以s i n c o t 一s i n 2c a ) l 1 5 l ( 2 6 ) u j 叫+ 五 ( 2 - 7 ) 另外，假设稳态时电感l 上允许产生的最大压降为u ，则u l = i 。c o l ，根据逆变条件有 玑压叽2 + 2 2 0 2 = 压( l c o l ) 2 + 2 2 0 2 ( 2 - 8 ) 推出： 工佯- 2 2 0 2 扣 ( 2 - ” 由上述分析计算得滤波电感可行的选择范围约为：3 9 m h l 0 3 8 h 。 b ) 滤波电感选择对锁相环节的影响分析 由于电感器件存在电流不能突变的特性，滤波电感的大小会影响到锁相效果。为了研究 滤波电感的选择对锁相环节锁相效果的影响程度，分别选择电感值为2 m h 、4 m h 、4 0 m h 、 1 0 0 m h 、4 0 0 m h 的滤波电感在相同的锁相环节f 进行仿真分析，仿真电路如图2 - 1 7 所示， 仿真结果见附图l 5 。结果表明： 1 ) 滤波电感的选取对锁相速度影响较小。在初始相位著为9 0 度，电感值为2 m h 一1 0 0 m h 间的任意值时，系统完成锁相所需要的时间均为5 个周波时间。 2 ) 滤波电感的选取对锁相过程中波形的畸变程度影响较大。滤波电感越小，锁相过程 中的波形畸变也越小，电感值为2 m h 、4 m h 时，锁相过程中的波形畸变比较轻微，电感值 为4 0 m h 时，锁相过程中的波形畸变就变得相当严重。产生这种现象的原因在于，电感越犬， 完成一次充放电所需的能量也就越多，要实现波形跟踪就越凼难。 另外，仿真结果也验证了上文的分析：在u 。、疋值恒定的条件下，在上述范围内参数 l 的值选的越小，纹波电流就越大，当所选l 的值低于式3 5 的低限时，如附图l 所示( l 值为2 m h ) ，纹波电流就会超标，波形中谐波含量迅速增大，滤波效果不能达到要求。当所 选l 的值偏高时，如附图4 和附图5 所示( l 值分别为1 0 0 m h 、4 0 0 m h ) 。并网电流中的三、 五次谐波分量增加，并网电流波形会产生严重失真。 2 3 2 并网逆变电路控制方式和控制策略选择 1 控制方式选择 并网逆变器按控制方式可以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。因为看作电流源输入的逆变器，其直流侧需要串联大电感来保证稳定 的直流电流输入，这样会使系统的动态响应变差，因此当前世界范围内大部分并网逆变器均 采用电压源输入的方式。 单相小功率户用光伏并网系统 通常，配电网可视为容量为无穷人的交流电压源，对丁- 一个作为电压源输入的逆变器， 若输出控制为一个交流电压源，则太r 】能亓网系统和配电网的联结就成为两个交流电压源的 并联，这种情况下，必须严格控制并网系统输出电压的幅值和相位，才能保证系统的稳定运 行。由于输出电压幅值不易精确控制，并且锁相回路的响应速度较慢，这种并网系统容易和 配电网之间形成环流，因此，这里选择将光伏并网系统设计成电压源输入的电流控制系统， 这样，并网系统和配电网之间的联接就相当于一个交流电流源和一个交流电压源的并联，逆 变器的输出电压幅值自动被钳位为电网电压，然后通过采用锁相技术来实现并网电流与电网 电压的相位同步，保证系统输出的功率因数为1 2 控制策略选择 现代控制理论中的控制策略主要有多变量状态反馈控制、无差拍控制、滑模变结构控制、 重复控制等，它们各自的特点人致如下： 曲多变量状态反馈控制 多变量状态反馈控制的优点在于可以大大改善系统的动态品质，因为它可以任意配置系 统的极点；但是建立逆变器状态模型时很难将负载的动态特性考虑在内，所以状态反馈只能 针对空载或假定负载进行，对此应采用负载电流前馈补偿，预先进行鲁棒性分析，才能使系 统具有好的稳态和动态性能。 b ) 无著拍控制 无差拍控制的优点是快速性比较好；缺点是对精确的数学模型的依赖。 c )滑模变结构控制 滑模变结构控制的优点是有较强的鲁棒性；缺点是确定一个理想的滑模切换面比较困 难，且要求很高的采样频率。 d 1 重复控制 重复控制是根据内模原理，对指令和扰动信号均设了一个内模，因此可以达到输出无净 差；缺点是动态响应比较慢，且需要比较人的内存。 考虑剑光伏系统的并网运行模式自身的特殊性，这里选择多变量状态控制中的电流闭环 电压前馈复合控制作为本系统的控制策略，其中电流闭环为主控环节，电压前馈川米补偿电 网电压这个人扰动源对系统的影响。控制结构原理图如图2 - 8 所示，首先由采样电路实时采 集电感电流f ，的值，与正弦波参考信号比较产生误筹信号，误差信号经过设定的调节器电路 后，产生一个控制信号，该信号与来自辅助控制环的电压前馈控制信号叠加，然后再与三角 波比较，最终产生用于开芙控制的s p w m 信号。 奏二1 霉等贮u s 丑i u l u n e t 伏t _ 七= = = lv ol i 薨n 审“审u l - j i l f 4 = 一 ll 虹d 芒煎亡卜莲囹。喜世 + l 随丑一 l 匠歪弘j 图2 - 8 电流闭环和电压前馈复合控制结构原理图 单相小功率户用光伏并网系统 2 4 单相光伏并网系统逆变电路建模仿真 2 4 1 光伏并网逆变电路建模 本文利用平均值模型对图2 - 7 所示的全桥逆变电路进行建模分析。 1 s p w m 控制的开关单元模型 由于电路中功率器件的开关频率，远远大于工频频率( 5 0 h z ) ，将开关一个开关周期内 的、b 作为低频瞬时值处理，s p w m 载波的工作原理如图2 - 9 所示。 卜吾叫 图2 - 9s p w m 载波的工作原理 由图2 - 1 2 中可以得到d ( t ) 表达式如下： ) = 丢( 半+ 1 ) 沼 其中u ( f ) 为调制信号，u 。为三角波的载波幅值，名为光伏阵列输出的直流电压值 u d 。逆变器输出电压的开关平均值为瓦 瓦：垡塑尘譬型! 二塑_ 【2 烈t ) - 1 1 】 ( 2 - 1 2 - 1 1 一) 材= = _ 二一= 1 2 口i 卜一1 r ， 因此，全桥电路瞬时输出的直流分量为： 圪= ( 2 d 一1 ) v g ( 2 - 1 2 ) 将( 2 1 4 ) 1 弋入( 2 1 5 ) 可得： - j = 半个以吲力 ( 2 - 1 3 ) 其中置m2 孟在不变时为常量4 对式( 2 1 4 ) 加入扰动信号可以得到： 硝鼍1 半+ 1 ) 弦 单相小功率户用光伏并嘲系统 其中d 为稳态t 作点的占空比输出，d ( s ) 为输出占空比的扰动，u “为参考信号的直 流分晕，u 可( s ) 为参考信号中的扰动信号。 将式( 2 一1 8 ) 中等号两边的直流分量相抵消，可以得到参考信号的扰动对输山占空比的影 响表达式： 饥1 ：坠盟 2 ( 2 1 5 ) 2 滤波电路模型 在一个开关周期内的两个开关模态中，设s 1 、s 4 的导通时间为d t ，s 2 、s 3 的导通 时间为n - a ) t ，可以得到如下方程组： l 上等：一圪 小乙1 。三一堡 q 珈 lr i l 7 - 硪方7 = - 一圪 ( 1 一d ) 。 i g 。( 2 1 6 ) 将式( 2 - 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 相加，进行周期平均后得到以下式子： 等= ( 2 d 一1 ) 匕一圪( 2 - 1 7 ) o ：t 一堡 在( 2 2 2 ) 中加入扰动信号展开化简并略去高阶扰动可以得到 l i l 。s = 2 名d + ( 2 d 一1 ) v g v 。 o ：；。一生 所以有： ( l s + ，) i l = ( 2 d 一1 ) v g + 2 v g d 有式( 2 - 2 7 ) 可知滤波电路的小信号模型如下： 刚沪詈2 熹 3 系统的开环传递函数 由上面的分析可知，整个系统的小信号模型： ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 啪，= 岳= 砉= 旦l s + r ，瓦1 = k 击 c z - z ， 将外加电压【，。看作叠加在系统上的扰动信号，可得此开环控制系统的传递函数框图 如图2 - 1 0 所示。 单相小功率户用光伏并网系统 ( j ) 图2 1 0 全桥逆变器开环控制系统框图 由上图可见，此开环控制系统为典型的一阶系统，动态响应性能差，对电阻r 的变化敏感。 2 4 2 光伏并网逆变电路控制性能分析 ( 1 ) 电流内环控制 作为主控环节，电流内环控制的控制环节是决定系统性能的关键。为了既能快速跟随参 考电流的瞬态变化，又能改善系统的开环特性，提高系统的犁别，本文选择比例积分控制( p i 控制) 加惯性环节的控制方式。比例积分控制器的各校正环节的作用如f ： 比例环节：代表了当前的信息，及时成比例地反映控制系统的偏差信号p ( f ) ，偏差一旦 产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节使校_ j e 偏差的过程迅速完成。 积分环节：代表了过去的累积信息，可以提高系统的型别( 无差度) ，以消除或减小稳 态误差，改善系统的稳态性能 从频域分析角度来看，p 1 控制器的作用如同相位滞后补偿器，能有效的增大低频增益 并改善静态精度。p i 控制器传递函数和并网逆变器传递函数结合一阶惯性环节，可以将整 个控制系统构建成最优二阶系统。系统的闭环控制结构框图如图2 - 1 1 示。 ii 陬 图2 i1 系统闭环控制结构框图 其中口为信号采样电路对i l 的放大倍数，g 。0 ) 为前馈电路的传递函数。 由图2 1 5 可见，本系统电流内环的开环传递函数为： k s 4 - k ， g d ( 5 ) 2 口k m s ( t s ! + 1 ) ( l s + r ) ( 2 2 4 ) 本系统电流内环的闭环传递函数为： 啪，= 丽硒蒜筹美丽 c z ( 2 ) 前馈控制 作为辅助控制环节，前馈控制主要用来补偿扰动信号对系统的影响，提高系统的响应速 度。从抑制扰动的角度来看，电网电压前馈控制可以减轻反馈控制的调节负担，从而减小反 馈控制系统的增益，有利于减少系统的跟踪误差。从闭环系统控制结构简图来分析前馈控制 的作用原理，闭环系统控制结构简图如图所示。由图2 - 1 2 可见： 单相小功率户用光伏并网系统 图2 一1 2 系统闭环控制结构简图 其中：瓯( 沪_ k v s + k t 而1 ；瓯( 垆丢i 。 将电网电压看作扰动信号，在不考虑用( 0 ) 环节作为电网电压的前馈补偿时，电网 电压对并网电流的影响可以用下式表示： 以加篇啪) ( 2 - 2 6 ) 其中，g , a ( s ) 为不考虑前馈补偿时系统的开环传递函数 当考虑用电网电压的前馈控制时，电网电压对并网电流的影响可以用下式表示： jl ( s ) =g 。( s ) 1 一g 。( s )盟吒( 。) 1 + g d ( s ) ( 2 2 7 ) 其中，g d ( s ) 为计入电网电压前馈补偿后的系统开环传递函数。在上式中，若取 g 。，( s ) ：丁1 五“ ( 2 2 8 ) 可以得到，l ( s 1 = 0 ，因此可得，通过电网电压的前馈控制，可以使得电网电压对输出 电流的影响为零，从而在理论上达到全补偿的要求。前馈补偿实际上是采用开环控制方式去 补偿可测量的扰动信号 4 4 1 ，因此，前馈控制不会改变控制系统的特性。 ( 3 ) 复合控制系统性能分析 由上面的分析可知，理论上前馈补偿可以达到全补偿的要求，这时的前馈控制环节能完 全消除电网电压u 。对电感电流的影响，同时，前馈控制环节对整个系统的控制特性不产 生作用。这种情况下，系统的控制特性完全取决于电流内环控制环节。系统的开环传递函数 为： k s + k ， g 。( 5 ) 。6 d ( 5 ) 钮m 面褊( 2 - 2 9 ) 系统的闭环传递函数为： g c ( 垆g 施，= 丽而筹蓑赢 位，。， 由开环系统传递函数可以知道，系统的开环零、极点分别为； 1 6 单相小功率户用光伏并网系统 k ， s 一= 一l k 。 s 川= o s ，：= 一专s = 一三 由开环零极点可以绘制闭环系统的根轨迹，如图2 - 1 3 所示 l s n s z 昂- k 盯 图2 1 3 闭环系统根轨迹示意图 从图中可以看出根轨迹的渐近线与虚轴平行，渐近线与实轴的交点为： o - - - - 告e + 一争) ，当全桥逆变电路的主电路参数确定时，系统的稳定性取决于 l 、p 一阶惯性环节的时间常数r 和控制环节的调节系数比值k ，k 。的大小：当 亭+ 时系统处于稳定状态，并且时间常数r 、调节系数比值k k p 越小，系统越 山 、p 稳定。吾+ i r = 惫时，系统为l 临界状态。当；+ z r 惫时，系统进入不稳定状态。另 外，由于电感l 的取值通常是小于1 的，因此，参数r 对系统特性的影响被放大。当一阶惯 性环节的时间常数z 取值较大时，参数，对系统特性的影响也较大。 系统的开环波特图和闭环根轨迹图如图2 - 1 4 所示，系统的相位裕度5 4 8 度，穿越频率 1 0 2 2 h z ，表明复合控制系统有良好的稳定性和带宽。 r o dl “峭e 暾e c ) 图2 1 4 系统的开环波特图和闭环根轨迹图 1 7 单相小功率户用光伏并网系统 系统闭环阶跃响应曲线如图2 1 5 所示，其中监色线为系统的闭环阶跃响戍曲线，绿色 线为阶跃响应建立时间曲线。可以看出系统的阶跃响应建立时问小y - l m s ，具有比较快的跟 随性。 图2 1 5 系统闭环阶跃响应曲线图 2 4 3 光伏并网逆变电路仿真结果 1 、仿真参数 光伏全桥逆变并网电路的仿真参数如下表： 参数名称参数值( 单位) 输入电压 d c 3 8 0 ( v ) 输出电压匕 2 2 0 ( v ) 额定传输功率p 3 0 0 0 ( w ) 最大传输功率p m 。 5 0 0 0 ( w ) 并网电流l 1 4 ( a ) 工作频率， 5 0 ( h z ) 开关频率五 1 0 ( k h z ) k 4 0 k p l 控制参数 k ， o 2 r 1 1 e - 4 采样放大系数 盯0 0 2 8 1 8 单相小功率户用光伏并网系统 2 、仿真电路 表2 - 1 光伏全桥逆变井网电路的仿真参数表 图2 1 6 光伏全桥逆变并网仿真电路 3 、仿真结果 1 1正常并网时的输出波形和谐波分析 图2 1 7 光伏逆变系统并网输出电压电流波形图 1 9 雹萼o童wo辱 单相小功率户用光伏并网系统 f u n d a m e n t a l 器0 h z ) = 1 92 b t h d = 02 2 f r e q u e n c y 洲z ) 图2 1 8 光伏逆变系统并网输出电流谐波分析图 2 )开断再接入的输出波形 选择在0 0 2 6 s 将光伏逆变系统从配电网断开，在0 0 6 5 s 将光伏逆变系统重新并入配电 网，系统地输出电压电流波形如图2 1 9 所示。可以看出系统控制能够实现快速跟踪电网电 压的目标，但是，由于电感l 的存在，0 0 2 6 s 时系统电流不能立刻截止，而是维持到过零点 才从电网断开。因此，为了达到即时开断的目的和防止操作过电压，需要在电路开断时为电 感提供能量释放通道。 4 8 2 0 荸o ! 珈 韵 八八 八八 k uu 0 0 ，0 10 。0 20 联10 0 40 o s0 ，0 6 0 0 7 0 o 0 1 图2 1 9 开断实验时的光伏逆变系统并网输出波形图 单相小功率户用光伏并网系统 2 5 本章小结 首先针对户_ e f j 光伏系统直流输入电压低、逆变功率小、对设备体积和噪声的要求较高的 特点选择出适合户用光伏系统的逆变器结构。然后对逆变器进行了建模分析，提出适合户用 光伏系统并网的控制方案，并利用m a t l a b 软件对户用光伏并网系统进行了仿真分析，结 果表明系统动静态响应特性良好，是一种可行的户用光伏系统并网系统。 2 1 独证并网两用逆变电路 第三章独立，并网两用逆变电路 虽然光伏并网发电模式有很多优点，但是作为一种分布式电源，单纯的光伏并网系统却 不能对配电网的供电可靠性有所帮助，因为在配电网故障退出运行后，光伏系统也必须退出 并网运行模式。本文第五章通过对光伏单一并网运行模式下的眄己电网可靠性计算论证了这个 问题。独立，并网两用系统能够实现在光伏阵列的并网模式退出运行后，系统切换到独立运 行模式继续对用户负荷进行供电，这样就可以有效的提高用户的供电可靠性。已有学者提出 基于工频变压器的独立，并网两用系统( 见图2 - 1 ) 。充分利用工频变压器对电网的隔离作用， 消除输出对象变化对光伏阵列运行的影响。但是，由于工频变压器存在体积大、噪声高、造 价昂贵等问题，所以并不适于户用的小功率光伏系统。本章拟在光伏独立供电系统和光伏并 网系统的基础上构造基于高频变压器结构的独立并网两用光伏系统。 3 1 基于高频变压器的光伏系统独立逆变电路 图3 1 独立逆变电路结构及控制原理图 3 1 1 光伏独立逆变电路设计和控制 目前，普通逆变拥有非常成熟的技术。在接有蓄电池的光伏逆变独立供电系统中，光伏 逆变电路同普通逆变电路的区别主要在于升压电路；在不接蓄电池的情况下，光伏逆变电路 同普通逆变电路的区别主要在于光伏逆变电路输入电压的波动范围较大。因此，在不考虑 m p p t 通过d c a c 变化实现的控制策略时，独立逆变电路可以近似用普通逆变电路的设计 方法来设计。 通常情况下，以输出电压为控制目标的独立逆变系统可以采取电压瞬时值反馈单环控制 方式。但是，一方面，电压反馈单环控制系统的输出特性受负载影响严重，负载适应性差i j ； 另一方面，电压单环控制系统存在原理性