（电力系统及其自动化专业论文）三相光伏并网发电系统研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ep r o b l e m so fe n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a v eb e c o m e m o r ea n dm o r ep r o m i n e n t ，s o l a re n e r g y ，a so n ek i n do fi m p o r t a n tr e n e w a b l ee n e r g y ， r e c e i v e sw i d e s p r e a da t t e n t i o n g r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e mi st h ei n e v i t a b l e t r e n do fl a r g e s c a l eu s eo fs o l a re n e r g y g r i d c o n n e c t e di n v e r t e ri st h em a i n e q u i p m e n tb e t w e e np va r r a ya n dg r i d ，s os t u d i e so fi t sm a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n d c o n t r o ls t r a t e g yh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s to fa l l ，as u r v e yi sm a d eo nt h ed e v e l o p m e n to 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 na th o m ea n da b r o a d ，a sw e l la st h em a jo rw a y so fc o n n e c t i o nb e t w e e n p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o na n dg r i d r e s e a r c hs t a t eo fo u t p u tc u r r e n tc o n t r o lo f g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e ri sa l s os u m m a r i z e d s e c o n d l y ，t h ep a p e ra n a l y s e st h et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo f g 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 rs y s t e m i nt h et h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo ft h es y s t e m i sa n a l y z e d ，m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) c o n t r o lo fp h o t o v o l t a i ca r r a y s a n do u t p u tc o n t r o lo fg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ra r ea l s os t u d i e d a f t e ri n d e p t hs t u d i e s o fp e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o nm e t h o da n ds l i d i n gm o d ec o n t r o l ，w h i c hr e s p e c t i v e l y i m p l e m e n tm p p tc o n t r o lo fp h o t o v o l t a i ca r r a y sa n dr e a l t i m eo u t p u tc o n t r o lo f g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r , p r o v e m e n t sa r em a d et ot h e m f o rt h ep e r t u r b a t i o na n d o b s e r v a t i o nm e t h o d ，v a r i a b l es t e ps i z ei sa d o p t e d f o rt h es l i d i n gm o d ec o n t r o l ，i t s i n d e xr e a c h i n gl a wi si m p r o v e d b a s e do nt h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a ls t u d i e sa b o v e ，t h ep a p e rd e s i g n sa2 5 k w p g 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 rs y s t e m i nt h ed e s i g n ，i g b td e v i c e sw i t hb e t t e r p e r f o r m a n c ea r eu s e da st h es w i t c hc o m p o n e n t so ft h em a i nc i r c u i t ，a n da d v a n c e d f l o a t i n g - p o i n td s pi su s e da st h ec h i po fc o n t r o lc i r c u i t t h e s ed e v i c e s ，a l o n gw i t h t h ei m p r o v e dp e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o nm e t h o da n ds l i d i n gm o d ec o n t r o lm e t h o d ， p r o v i d eas o l i dt e c h n o l o g ya n dm a t e r i a lf o u n d a t i o nf o rs e t t i n gu pt h es y s t e m t h e n ，t oi m p r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a lm e t h o d sw h i c ha r ep r o p o s e d a b o v e ，s i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e db ym a t l a bs o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ei m p r o v e dp e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o nm e t h o dc a nw e l li m p l e m e n tt h e m p p tc o n t r o lo fp h o t o v o l t a i ca r r a y s ，i m p r o v e ds l i d i n gm o d ec o n t r o la l s oc a nc a r r y o u tt h ef a s t ，s t a b l ea n dh i g hp r e c i s i o nc o n t r o lo fg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r t h o u g h ts t u d i e so nt h et h e o r ya n di m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e sr e l a t e dt o t h e g 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 rs y s t e m ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dn e w a n de f f e c t i v e m e t h o d sa n di t sr e a l i z a t i o ni nt h ef i e l do fm p p tc o n t r o lo fp h o t o v o l t a i ca r r a y sa n d o u t p u tc o n t r o lo fg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r t h e s ew o r k d ow e l lt os o l v et h et h e o r e t i c a l a n dt e c h n i c a lp r o b l e m so 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 rs y s t e m ，a n dp r o v i d ea g o o dt h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to 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 k e y w 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 ；s l i d i n gm o d ec o n t r o l ；g r i d c o n n e c t e d i n v e r t e r ；b o o s tc i r c u i t ；m p p t ；i s l a n d i n gp r o t e c t i n gt e c h n i q u e s 1 i 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。除了文中特另t l d h 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。 名：孙 日期：训拜月哆日 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 、不保密函。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 第一章绪论 随着世界经济发展步伐的加快，各国对能源的需求越来越大。同时，煤、石 油等传统能源的大量使用，导致了能源的迅速短缺与环境的严重污染。近年来， 太阳能作为一种清洁、可再生的新能源，已经悄悄的走入了人类的生活当中，它 的应用与普及逐渐受到了人们的高度重视【s 】。 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 当今世界的能源形势 在2 0 世纪世界所消耗的能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、 煤炭和天然气等化石能源。这些能源本质上是数万年前太阳能辐射到地球上的一 部分能量，并储存到古生物中，经沧海桑田的变化后演化成为了今天地球上的能 源矿产。经过人类数千年，特别是近百年的消耗，传统的燃料能源正在一天天减 少，对环境造成的危害日益突出。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平 的提高，未来世界的能源消费量还将持续增长，世界上的传统能源储备总有一天 消耗殆尽。 随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面前。在2 l 世纪初进行 的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为3 9 9 年，天然气可采量为 6 1 年，煤炭可采量为2 2 7 年。可见，化石能源的可开采量已经是屈指可数了【2 】。 中国的能源资源储量情况更是危机逼人。按2 0 0 0 年底的统计，探明经济可 开发能源总储量约占世界总量的1o 。中国能源剩余可开采总储量的结构为： 原煤占5 8 8 ，原油占3 4 ，天然气占1 3 ，水资源占3 6 5 。剩余能源的储 量保证程度仅为1 2 9 7 年【：】。中国各种一次能源的探明剩余储量( 以储采比表示) 与世界的比较见图1 1 所示，可见，除太阳能以外，中国各种一次能源资源均低 于世界平均水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。 人类在开发利用能源的历史长河中，石油、煤炭和天然气等化石能源终究会 走向枯竭而被新的能源所取代。寻求新的替代能源成为了人类当前的重要任务。 太阳能作为一种清洁的可再生能源，成为了国际社会公认的理想替代能源。根据 国际权威机构的预测，到2 1 世纪5 0 年代，全球直接利用太阳能的比例将会发展 到世界能源结构中的1 3 1 5 之间，而整个可再生能源在能源结构中的比例将 大于5 0 ，如表1 1 所示 3j 。可以看到，太阳能在未来的能源结构中所占的比重 将会越来越大。 2 2 5 0 年 2 2 0 0 年 2 1 5 0 年 2 1 0 0 9 2 0 5 0 年- - 2 0 0 0 匀z 无穷犬_ 世界口中国 一 _ 珂j 牛 ? 可 盯半约1 年_ 。 _ 约5 0 年 酗5 年吖噼舞 图1 1 一次能源的探明剩余储备比较 表1 1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例( ) 1 1 2 太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源之一 从环境角度来看，化石能源的大量开发和利用，是造成大气污染与生态破坏 的主要原因之一。因此，如何在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的 地球环境与生态平衡已经成为一个全球性的重要问题。2 0 世纪中叶以来，世界 各国纷纷采取改善能源结构和提高能源利用效率等一系列措施，以解决这一能源 与环境问题。 中国的能源消费同样对环境造成了非常严重的污染。中国是世界上最大的 煤炭消费国。2 0 0 0 年中国能源生产总量中，煤炭占6 7 2 。煤炭燃烧所产生的 温室气体的排放量比燃烧同热值的天然气高6 1 ，比燃油高3 6 。1 9 9 9 年中国 排放c 0 2 居世界第二位，其中8 5 是燃煤排放的。2 0 0 0 年中国排放s 0 2 居世界第 一位，其中9 0 是由燃煤排放的。由于煤炭等传统能源的大量燃烧，2 0 0 0 年造 2 成中国有5 7 的城市大气中的颗粒物超过国家限制值；有4 8 个城市的s 0 2 浓度 超过国家的排放标准；因环境污染造成的经济损失约占全国g d p 的2 t n 。 研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能量丰富，分布广泛。我国全国有 2 3 以上的地区，年辐照总量大于5 0 2 万k w m 2 ，年日照时数在2 0 0 0 d , 时以上， 陆地表面每年接受的太阳能就相当于1 7 0 0 亿吨标准煤。而太阳能可以直接利用， 基本上没有污染物排放，清洁干净，其开发利用相关技术成为了当今国际上一大 热点。经过最近2 0 多年的努力，太阳能技术迅猛发展，太阳能利用领域已由生活 热水、建筑采暖等扩展到工农业生产许多部门，人们已经强烈意识到，一个广泛 利用太阳能清洁能源的新时代一一太阳能时代即将来到1 4 1 1 5 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( k w m ) 为：煤发电2 7 5 ，油发电2 0 4 ，天然气发电l8 1 ，太阳能热发电 9 2 ，太阳能光伏发电5 5 ，核能发电8 ，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、电源网架的建设、电源发电的运行维 护和废气物的排放与处理等所有环节所消费的能源，按照各种发电方式在寿命期 间的发电量计算得出的。各种发电方式的碳排放率比较如图1 2 所示。 气能 效应 图1 2 各种发电方式的碳排放率比较 由上述可见，以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护地球生态环境的 清洁能源；它将逐渐减少和替代化石能源的使用，它的广泛应用是保护生态环境、 走经济社会可持续发展的必经之路。 1 2 太阳能光伏发电发展现状及前景 1 2 1 国外光伏发电发展现状 当今世界各国特别是发达国家对光伏发电技术十分重视，针对其制定规划， 增加投入，大力发展。2 0 世纪8 0 年代以来，即使是在世界经济处于衰退和低谷 的时期，光伏发电技术产业也在保持着以1 0 1 5 的递增速度在发展。9 0 年代 后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。2 0 0 3 年以 来，全球经济进入了一个繁荣的黄金时期，能源价格暴涨，原油价格在5 年内涨 至2 0 0 3 年的5 倍，这一现象在很大程度上促进了光伏产业的快速发展。据欧洲 光伏工业协会数据显示，2 0 0 7 年全球光伏累计装机容量容量达到了9 1 0 0 m w p ， 2 0 0 8 年达到了1 4 7 2 1m w p 。2 0 0 0 2 0 0 8 年间，累计装机容量增长了将近1 0 倍， 年复合增长率达到3 3 9 。 图1 3 列出19 9 4 年以来全球光伏累计装机容量的数据，显示了太阳能光伏 产业正在高速发展。 1 9 9 4 1 9 9 51 9 9 6 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 图1 31 9 9 4 - 2 0 0 8 年全球光伏累计装机容量图线走势 在不同政策的促进下，各国光伏装机容量增长速度不一，其中西班牙2 0 0 8 年为光伏补贴不设上限的最后一年，2 0 0 8 年新增装机容量达2 5 1 1m w p ，将近占 全球的5 0 。德国新增装机容量l5 0 0m w p ，由2 0 0 7 年的第一位降为第二位。此 外，韩国和意大利加强光伏政策优惠，2 0 0 8 年新增装机容量也大大增加，分别 比同期增长5 3 7 和5 1 4 。 在累计装机容量方面，2 0 0 8 年，全球排第一位的仍然是德国5 3g 孵，西班 牙装机3 1 4g 矾，由2 0 0 7 年的第四位跃居2 0 0 8 年的第二位，第三位是日本 2 17g ，再之后是美国1 1 6g ，意大利3 5 8m w p ，韩国3 5 2m w p 。 4 垂! ：! ! ! ! ! ：! ! 塑至全蔓董丑查墼堕里 国家 累计装机容量新增装机容量 2 0 0 8 年2 0 0 7 年增长率2 0 0 8 年2 0 0 7 年 增长率 德国 5 ，3 0 03 ，8 0 0 3 95 l ，5 0 01 ，1 0 0 3 64 西班牙 3 1 4 3 6 3 23 9 73 2 5 1 15 6 03 4 84 日本 2 ，1 6 81 ，9 3 8 1 19 2 3 02 1 095 美国 1 ，1 5 6 8 1 44 20 3 4 22 0 7 6 52 意太利3 5 81 0 02 5 8 2 5 84 25 1 43 韩国3 5 27 83 5 08 2 7 44 35 3 72 其他 2 ，2 4 4l ，8 0 02 4 7 4 4 4 2 3 0 9 30 合计 1 4 ，7 2 19 , 2 1 6 6 07 5 ，5 5 92 ，3 9 2 1 3 24 根据s o l a r b u z z 统计资料，2 0 0 8 年全球光伏产量为68 g 瞅较2 0 0 7 年 增长了将近1 0 0 。而据前面数据2 0 0 8 年全球光伏装机量为56 g 耽，产量过剩 超过1g 砟。但2 0 0 9 年随着金融危机的过去以及各国政策的大力支持，过剩应 该能缓解。 在全球太阳能电池生产结构中，据图14 所示2 0 0 8 年光伏组件最大生产国 为中国，占3 29 ，然后是德国、日本、中国台湾、美国。特别是中国太阳能电 池的生产在近几年迅猛发展，2 0 0 4 年中国光伏电池产量不足1 0 0 脚r 到2 0 0 7 却达到了12 g 砟，2 0 0 8 年达到了2 0 g 砟，为世界光伏电池产量第一位。 德国 日 他 国142 0 0 8 年全球光伏组件产量份额 光伏发电具有永不枯竭，取电方便，清洁环保等特点，显示巨大的发展潜力。 目前，商业化单晶硅电池效率已经从2 0 世纪5 0 年代的6 提高至1 6 一2 0 。商业 化多晶硅电池效率也达到了1 5 1 8 。薄膜电池的研究工作也获得了很大成功， 非晶硅薄膜电池实验室稳定效率达到了1 6 6 ，碲化镉( c 疋) 实验室稳定效率 达到1 6 4 、铜铟镓硒( c i g s ) 的实验室效应达到了1 9 5 。在晶体硅光伏电池 硅片的厚度方面，已从2 0 世纪9 0 年代的3 5 0 4 0 0 t m 降低至1 8 0 2 8 0b o n ，预计2 0 1 0 年将降到1 5 0 2 0 0 a m ，2 0 2 0 年将降到8 0 1 0 0 朋 2 j 。 太阳能光伏发电的成本随着生产技术的进步以及商业化普及不断地降低，地 面用光伏电池组件已从2 0 世纪6 0 年代的15 0 0 美元耽下降至目前的约3 美元 职。据统计资料分析，2 0 0 9 年上半年晶体硅光伏电池组件的国内市场售价已降 到2 0 元人民币阢以下水平。国际上许多机构普遍认为，光伏发电电价将于2 0 15 年左右达到与火力发电电价相当的水平。 目前，光伏转换效率太低，成本太高仍然是限制太阳光伏发电事业发展步伐 的主要因素，故近年来世界光伏发电产业最主要的发展动力还是来自各国政府的 政策补贴，美国、西班牙、德国、日本等是最重要的终端市场【们。进入2 0 0 9 年 后，西班牙的补贴政策有了很大的变化，设计了补贴上限，故西班牙的新增装机 容量将会大大减少，但是可以预见的是其他国家会接过接力棒。奥巴马大力推崇 新能源，美国很可能会成为全球光伏市场主力增长点。此外，意大利、希腊、日 本等国家政府2 0 0 9 年以来继续推出极具吸引力的光伏补贴政策，推动了全球光 伏产业的发展。行业专家预测光伏产业增长率在未来几年内将保持在3 3 左右， 因此其在2 0 0 9 年经济危机中被誉为将带领未来经济增长的领头羊。 1 2 2 国内光伏发电发展现状与前景 中国于1 9 5 8 年开始研究光伏电池，1 9 7 1 年成功地首次应用于中国发射的东 方红二号卫星上。于l9 7 3 年开始将光伏电池用于地面。中国的光伏工业在8 0 年代以前尚处于雏形，光伏电池的年产量一直徘徊在1 0 七既以下，价格也很昂贵。 由于受到价格和产量的限制，市场的发展很缓慢，除了作为卫星电源，光伏电池 在地面上的使用仅限于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站 的仪器用电等，功率一般在几瓦到几十瓦之间。在1 9 8 1 1 9 9 0 年期间，中国十分 弱小的光伏电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范工程，如微波中继 站、部队通信系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。同时， 先后从国外引进了多条光伏电池生产线，除了一条1m 的非晶硅光伏电池生产 线外，其他全是单晶硅和多晶硅光伏电池生产线，使得中国光伏电池生产能力猛 增到4 5m w e 年，售价也大幅下降。光伏电池不再仅仅用于小功率电源系统，而 开始广泛用于通信、交通、石油、农村电气化、民用产品等各个领域。近年来， 中国光伏发电更是在产业化方面上都取得了很大的进展，其中2 0 0 8 年我国光伏 6 发电新增安装容量达4 0m 砟。在累计安装容量中，农村电气化为4 8m 砟，占 3 4 3 ；通信及工业为3 5j 物f w p ，占2 5 ；光伏照明及其他光伏产品为3 0 t 物t r w p ， 占2 1 4 2 ；城市并网系统为2 6 1m 矾，占18 6 4 ；荒漠电站为0 9 物f w p ，占 0 6 4 【2 】。 光伏并网发电技术是当今世界光伏发电的趋势，是光伏技术步入大规模发电 阶段，成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。2 0 0 0 年以来，国内已开始成 功建造10 0 七阢级的光伏并网示范系统，取得了有益的经验。紧接着于2 0 0 4 年又 在深圳建造了一个10 0 0 七肌的光伏发电站示范工程。表1 3 y o 出了2 0 0 8 年国内一 些地区的装机容量情况【7 】。 表1 32 0 0 8 年国内各地区的装机容量 此外，目前光伏发电系统的装机容量及发电量的比重还比较低，光伏发电技 术的发展前景广阔。按照2 0 0 7 年发布的可再生能源中长期发展规划，我国提 出到2 0 1 0 年，光伏发电总容量达到3 0 0j 物c w p ，到2 0 2 0 年达到l8 0 0j 铘玩的目标。 正在酝酿的新能源发展规划( 原新能源振兴规划) 中将2 0 2 0 年规划目标或 扩至2 0g 矾，而中国产业研究院调研发现，截至目前，光伏发电投资意向已超 过2 0g 耽。财政部2 0 0 9 年3 月开始发布了一系列扶持光伏产业发展的措施，例 如太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法，该办法规定了对太阳能 光电建筑补贴的各种条款。此外，关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意 见以及财政部对光伏发电进行财政补贴的“金太阳 工程的实施等也将大力推 动国内光伏产业的发展r 钉。据预计，随着国家各项政策的出台，国内光伏发电市 场的实际发展规模要明显高于规划目标。 7 1 3 光伏并网逆变器的研究 1 3 1 光伏并网逆变器的作用 在光伏并网发电系统中，并网逆变器主要由电力电子开关器件连接电感构 成，以脉宽形势向电网送电。其主要起着以下作用】： ( 1 ) 实现电能转换，将太阳能光伏列阵产生的直流电能转换成2 2 0 v 、5 0 h z 的三相、正弦波交流电能；其电流和电压的畸变率均要求较小； ( 2 ) 实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输入接反保护、输出短路 保护、交流过压和欠压保护、直流过压保护、“孤岛 保护等； ( 3 ) 实现光伏列阵最大功率点跟踪，调节其输出功率。 1 3 2 光伏并网逆变器控制方法的研究现状 按控制方式的不同来，逆变器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p i 控制】、滞环电流控制、空间矢量控制( s v p w m ) 等。这些控制方法都 有着自身的优缺点，如p i 控制具有算法简单、开关频率固定、易于设计等特点， 但存在着动态响应相对较慢，跟踪存在偏差的缺陷；滞环控制能够实现实时控制， 所以电流响应速度较快，但其开关频率不固定等。随着现代控制理论的发展，许 多先进的算法也被应用到逆变系统的控制中，比如神经网络、自适应控制t n 】和模 糊控制等。 1 3 3 光伏并网逆变器技术的未来发展 对于今后光伏并网逆变器技术的发展，总是伴随并跟踪电力电子技术、控制 技术、计算机技术、新型功率器件及应用、模块电源技术等的发展趋势。从这几 项技术的发展，可以推测光伏逆变器可能的技术发展与创新：新型电路拓扑结构 的设计、智能控制技术的应用，神经网络技术的结合、高频开关技术、软开关技 术、智能检测与保护技术、模块化技术的应用与改进、“孤岛保护、电磁兼容 性等。其目标就是逆变器系统的效率更高、可靠性更好、功率密度更高、成本更 低 1 3 1 。 1 3 4 光伏逆变器的几个重要制造商 并网逆变器是光伏并网发电系统的核心装置，国外的并网逆变器研制技术已 经成熟，产品功率等级从几千瓦至几百千瓦己形成系列化 1 4 1 。目前国际上几家能 8 够提供从小功率到大功率、并网型( u t i l i t y g r i d ) 、离网型( o f f - - g r i d ) 逆变器产品的公司主要集中在德国、美国、加拿大、荷兰、奥地利等国，如s m a 、 s o l e c t r i a 、x a n t r e x 、s u n p o w e r 、m a s t e r v o i 、s y s g r a i o n 、f r o n i u s 等。这些公司在国际上都是小有知名度的企业，具有成熟的技术与产品。 国内的光伏逆变器厂家也有大大小小十几家，比较有影响的如台湾茂迪、合 肥阳光等，最近一些专业从事电信、移动通信电源方面的企业也开始涉入这一行 业，但多主要集中在中小功率( 3 0 k w 以下) 、离网型逆变器系统，技术水平与 国外还存在差距，尤其是并网逆变器还没有形成成熟的商品化产品。一些研究所、 高校也在参与这方面的技术应用开发，如中山大学、中科院广州能源研究所等。 我国对并网逆变器的研究已经进行多年，但是在关键技术与关键设备的研制方面 还有待深入。 1 4 本文光伏并网发电系统构成及其工作原理 随着光伏发电技术的迅速发展，光伏并网发电成为大规模开发和利用太阳能 的主要形式。一般来说，光伏并网发电系统主要由光伏列阵、并网逆变器以及控 制器组成。本文设计的光伏并网发电系统，采用了如图1 5 所示的两级式拓扑结 构，其前级电路为d c d c 变换器，主要完成直流电压升压和直流母线稳压功能。 后级电路采用d c a c 逆变器，将光伏列阵产生的电能逆变成正弦电流注入电网， 从而达到光伏并网发电功能。光伏控制器主要包括最大功率点跟踪( m p p t ) 控 制和并网控制两部分，分别实现光伏列阵的最大功率点跟踪控制以及控制并网逆 变器输出电流的波形，实现并网逆变器输出功率可调，使向电网输送的功率与光 伏列阵所发出的最大功率电能相平衡。 图1 5 光伏并网发电系统结构图 9 1 5 本文主要工作 太阳能光伏发电是清洁能源开发利用的主要形式之一，而并网逆变器是光伏 并网发电系统的关键设备，主要负责将光伏列阵产生的直流电能高效、高质量地 输送入电网中，它的性能决定着整个系统的性能。所以，加深对并网逆变器的研 究对提高光伏并网发电系统的发电效率、降低成本有着重要意义。在这一思想的 指导下，论文开展了如下的研究工作： ( 1 ) 大量查阅文献，比较目前光伏并网发电系统所采用的各种主电路拓扑 结构及其逆变控制方式，论文选择两级式并网逆变器结构及输出电流控制方式。 ( 2 ) 在了解太阳能光伏电池输出特性的基础上，对光伏发电系统的m p p t 控制方法进行分析研究。针对光伏发电特点，本文使用了改进型扰动观察法作为 系统最大功率点跟踪控制策略，通过调节d c d c 电路的占空比，改变光伏列阵 实际工作点电压。仿真结果表明该方法响应速度快、精确度高。 ( 3 ) 详细分析了并网逆变器常用的输出电流控制方法，通过比较，论文提 出了一种基于滑模变结构理论的并网逆变控制策略，并通过对其趋近率的改进提 高控制系统的动静态性能。随后通过对系统进行建模与仿真验证该方法的有效 性。 ( 4 ) 完成光伏并网逆变器的软硬件设计及其主电路元件参数的计算。 1 0 第二章光伏列阵m p p t 控制的研究 太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太阳光 辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。光伏电池就是将太阳能直接转换为 电能的转换器件，而上千个光伏电池封装成光伏电池组件，再根据需要组合成为 一定功率的光伏列阵。光伏列阵输出非线性化，为充分利用太阳能，使光伏列阵 在某一光照强度、电池温度的情况下尽可能多地输出电能，这就需要对其最大功 率点跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 问题进行研究。 2 1 太阳能电池的工作特性 2 1 1 太阳能电池的主要参数 ( 1 ) 短路电流 当太阳能电池通过外电路之间短路时，流经外电路的电流称为太阳能电池的 短路电流，用符号，。表示。短路电流是太阳能电池能够向外电路提供的最大输 出电流。当外电路电压不为零时，它的作用是正向偏置于太阳能电池的p n 结上， 所产生的暗电流同光电流的方向相反，抵消掉一部分光流，使太阳能电池的输出 电流降低。外电路电压越高，太阳能电池的总输出电流越小。 ( 2 ) 开路电压 太阳能电池组件在外电路开路情况下的端电压称为开路电压，用符号u 。表 示，在不存在有效力场的情况下，p n 结内建静电场越强，它使光生非平衡电子 和空穴各自向相反方向漂移，从而在半导体材料两端形成的光生电势就越高，在 开路状态下形成的开路电压u 。也就越高。 除了内建静电场对开路电压的贡献以外，由于电子和空穴扩散系统不同而引 起的光生电动势也对开路电压有一定的贡献，这种电动势称为丹倍电动势。一般 情况下丹倍电动势是很小的，但对于某些材料，例如非晶半导体材料，丹倍效益 对开路电压【厂。的贡献相对来说比较重要。 ( 3 ) 峰值功率 太阳能电池组件总输出电功率等于其输出电压与工作电流的乘积。太阳能电 池组件不同于具有电压源特性的蓄电池，蓄电池以相对恒定的电压产生电流。而 太阳能电池组件可以在很宽的电压范围内产生电流。任何给定组件的输出性能都 可以用特性曲线描述，称为太阳能电池组件的i u 特性曲线，该曲线展示出组件 的输出电流与输出电压关系。图2 1 是太阳能电池组件的典型i u 特性曲线实例， 水平坐标代表输出电压，垂直坐标代表输出电流，条件是太阳辐照度1 0 0 0 肜m 2 和电池温度2 5 。c ，通常称1 0 0 0 肜m 2 为一个“峰值日照 。 l 短路电流 3 0 2 5 22 0 柏已1 5 蹲 - e p 1 0 0 5 0 电压( v ) 图2 1 功率太阳能电池组件的典型i u 曲线 在太阳能电池i v 曲线上有3 个具有重要意义的点，即最大功率点( u 呷，i 叩) 、 开路电压点( u ，o ) 和短路电流点( 0 ，l ) 。i u 曲线上最大功率点标注为“u 。， ，。 ，在这个工作点组件产生最大的输出功率。太阳辐照度10 0 0 形m 2 和电池温 度2 5 。c 的运行条件已被广泛采用为标准化参数。在电压刻度线上读取数值，图 2 1 所示曲线表示的最大功率点电压近似为1 8 3 v 。最大功率点的输出电流同样能 够确定，方法是通过最大功率点向左延伸水平线，在电流刻度线上读取数值，图 2 1 所示曲线所示的最大功率点电流值近似为2 5 a 。用最大输出功率点电压乘以 电流可以得到最大输出功率点的功率值。随着电压下降，输出功率减少；当超过 最大功率点后，随着电压的增加，大多数组件的输出电流或输出功率将减少。开 路电压u 。是当无电流从组件汲取时可能达到的最大电压，图2 1 所示的开路电压 大约是2 1 4 v 。短路电流，。是组件在回路阻抗等于零，即外电路短路时能够达到 的最大输出电流，图2 1 所示曲线的短路电流值约为2 6 5 a 。在短路电流，。或开路 电压u 。的条件下，组件输出的功率均为0 t ，引。 i u 曲线上能使输出功率达到最大值巴的工作点，称为最大功率点。与其对 应的电压和电流为最大功率点电压u 呻和和最大功率点电流，仰。 己= u 呷i 唧 ( 2 1 ) 在标准测试条件下，即在辐照强度为10 0 0w m 2 ，大气质量为1 5 ( a m l 5 ) ， 太阳能电池的结温为2 5 。c 的环境中测得的太阳能电池的最大输出功率称为该太 阳能电池的峰值功率，用符号矽。表示。峰值功率形。是表征太阳能电池输出能力 和容量的一个很重要的参数。 1 2 ( 4 ) 填充因子 太阳能电池输出特征的填充因子定义为： f f ：l ：u r a p 1 r a p( 2 2 ) u 。is cu 。i 啦 由式( 2 2 ) 看出，填充因子即为最大输出功率占以u 。和，。为边长的矩形面 积的百分比。填充因子是表征太阳能电池输出特征好坏的重要参数，它的值越高， 表明太阳能电池输出曲线越趋近于矩形，电池的转换效率也越高。计算和实验证 明，填充因子随开路电压u 。的提高而提高。禁带较宽的半导体材料可得到较高 的开路电压，因而有较高的填充因子。 2 1 2 影响太阳能电池组件输出特性的主要因素 ( 1 ) 负载阻抗 太阳能电池阵列输出电压的确定取决于负载工作电压和功率大小，以及蓄电 池标称电压等因素。例如，标称电压为1 2 v 的光伏系统，组件工作电压范围选定 在1 1 5 1 7 5 v 较为合适。 l 。 ，一、 s 爝 删 图2 2 负载特性与组件特性匹配原理 图2 2 示出了纯阻性负载与组件i u 特性曲线的匹配原理。如果负载阻抗尺m 合适，则负载与组件的i v 特性处于最佳匹配，太阳能电池组件可以运行在最大 功率点，此时组件工作效率最高；当负载阻抗增加到r h 时，组件运行在高于最 大功率点的电压水平，这时输出电压增加少许，但电流明显下降，使组件输出功 率减少，运行效率降低。当负载阻抗减小到r ，时，组件运行在低于最大功率点 的电压水平，这时输出电流略有上升，但电压急剧下降，同样使组件的输出功率 减少，运行效率降低。 感性负载( 水泵或电动机) 直接由太阳能电池列阵提供电能时，由于负载 工作点经常改变，负载与列阵之间的阻抗匹配更为重要，为此，在大的感性负载 系统中，应使用功率跟踪器。 ( 2 ) 日照强度 3 0 2 5 2 0 斌1 5 脚1 0 0 5 0 电压( v ) 图2 3 日照变化对组件i u 特性曲线影响 太阳能电池组件的输出功率与直接的太阳辐射度成比例，日照增强时，组件 的输出功率也随之增加。日照强度变化对组件i u 特性曲线的影响如图2 3 所示。 从图2 3 可以看出，如果保持i u 曲线的形状相似，随着日照水平下降，曲线将 向下移动、组件输出电流减小。然而，日照强度变化时组件工作电压基本不变。 ( 3 ) 太阳能电池温度 3 0 2 5 2 0 嫣1 5 脚1 0 0 5 0 51 01 52 02 5 电压( v ) 图2 4 温度对组件输出电流的影响 太阳能电池组件温度较高时，工作效率降低。图2 4 示出了较高的电池温度 对组件性能的影响，i u 曲线形状虽然没有改变，但是随着温度的升高曲线在向 左移动，即组件温度上升工作电压下降。如果组件或阵列的最大功率点移动到低 于负载工作电压时，输出点的温度对组件输出电流的影响流将明显减少。通常， 在8 0 9 0o c 时，温度每上升1o c ，组件的效率损失0 5 。因此，使太阳能电池 板上下方的空气流动非常重要，这样可以将热量带走，避免太阳能电池因温度升 高而损失效率。设计一种有利于组件冷却的安装方案十分必要，例如安装时电池 板之间留有缝隙或分层安装等，都是组件散热较为简单的解决办法。应当选用高 温性能好的太阳能电池组件或设计阵列时增加一些组件，以补偿由温度升高引起 的电压损失【3 5 】【3 6 】。 1 4 ( 4 ) 阴影 阴影对太阳能电池组件性能的影响不可低估，一个局部阴影也会使输出功率 明显减少。有些类型的组件对阴影极为敏感，局部阴影对组件输出的影响如图 2 5 所示，而对输出功率的影响入表2 1 所示。由图2 5 所示曲线和表2 1 的数据 都显示出，在一个单晶硅电池组件上，一个单电池上的阴影可对整个组件的输出 产生很大影响，例如，一个单电池被完全遮挡时，太阳能电池组件可减少输出 7 5 。由于在组件电路里安装了二极管可以减少阴影的影响，阴影的影响可能比 显示在图2 5 中的要小。但不能低估了局部阴影对太阳能电池性能的影响。 3 0 2 5 2 0 臻1 5 脚1 0 0 5 0 电压( v ) 图2 5 局部阴影对组件输出影响 表2 1 局部阴影对组件输出功率影响 太阳能电池被遮档状况组件功率损失比例 o 2 5 单个光电池被遮挡 5 0 比例 7 5 1 0 0 3 个光电池被遮挡 0 2 5 5 0 6 6 7 5 9 3 2 1 3 太阳能电池组件 单体太阳能电池的输出电流、电压和功率都很小，一般输出电压只有0 5 v 左右，输出功率只有1 2 w ，除了极个别情况以外很难应用到实际情况当中。因 此，为提高输出电压及功率，需要将多个单体太阳能电池合理地连接起来，并封 装成为太阳能电池组件。在需要更大功率的场合，往往还需要将多个太阳能电池 组件连接成太阳能电池列阵( 又称为“太阳能电池阵 或“太阳能电池方阵 ) 向负载提供数值更大的电流、电压输出。 将单体太阳能电池连接起来的主要方式有串联和并联两种，也可以同时采用 这两种方法，即串、并联混合连接方式，如图2 6 所示。如果每个单体电池的性 能是一致的，多个单体电池的串联连接可以在不改变输出电流的情况下使输出电 压成比例地增加，并联连接方式则可以在不改变输出电压的情况下使输出电