（电力电子与电力传动专业论文）光伏发电系统中的逆变器研究.pdf

d r i v e s r e s e a r c ho ni n v e r t e ro fp h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o ns y s t e m b yl i uz h o n g d i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a ns h i ji e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 l e c t r i c a l 川，洲l ：6 0 恳。 独创性声明 ，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 学位论文作者签名：去l 表虹 日 期：2 叼年碉目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： i 出遍 签字日期：2 即牟7 月p 固 两 导师签名： 签字日期： 一i 一 红多 沙7 专- 7 f 5 i 莎良 l i li一 摘要 了一致青 低和光伏 独立发电 。其中独 立发电系统中逆变器的输出电压和并网发电系统中逆变器并联运行控制是两大技术难 题，本文针对单相逆变器并联下垂控制和三相四桥臂带不平衡负载控制做了理论分析和 仿真研究。 在研究三相四桥臂逆变器输出波形控制之前，首先研究单相逆变器的控制，基于单 相逆变器的研究，提出了三相四线制控制思想。针对单相逆变器控制时提出了双环控制， 即外环和内环控制。外环采用两个p i 控制器对幅值和相位分别进行独立控制，确保输 出电压的稳态精度；内环控制加入了比例控制器，减小了滤波电感，保证电源输出的快 速响应和减少了波形的畸变。利用相关函数概念，针对电压相位检测问题提出了一种新 的算法。通过仿真研究表明，所提出的控制系统具有良好的动态和静态特性，在负载任 意条件下都能保持输出波形的正弦度。 针对三相不平衡或者非线性负载供电提出三相四桥臂逆变器。由于第四桥臂的滤波 电感的耦合效应，使三相电压的控制变得十分复杂。针对该问题，本文提出了一种解耦 控制策略，将滤波电感看成是电源内部的阻抗，并从改变电源内部阻抗思想出发，推导 出变换关系式，使三相电压控制实现解耦。将复杂的三相电压的控制转化成单相电压控 制问题。在本文研究的单相逆变器控制的基础之上我们采用了3 次谐波注入法，提高了 直流母线电压的利用率。同时解决了第四桥臂的电感值的选择问题。本文提出的控制算 法计算简单和易于控制。通过仿真研究表明，该逆变的输出可带任意负载，且具有良好 的动态特性和静态特性。 在分析逆变器并联运行控制时，采用了无互联线下垂控制。利用传统的卜垂控制理 论控制并联逆变器之问的环流和输出有功功率、无功功率。对并联系统进行了简单的仿 真研究，验证了下垂控制理论能够应用在逆变器并联控制系统中。 关键字：光伏发电；双环控制；解耦控制；单相逆变器；三相四桥臂逆变器；下垂控制 k民。， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ni n v e r t e ro fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n s y s t e m a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w h i l em o s tc o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l da r ed e v e l o p i n gg r e e na n dr e n e w a b l e e n e r g y , s o l a re n e r g y i s a c c e p t e dc o m m o n l yb e c a u s eo fi t su n u s u a l a d v a n t a g e s p h o t o v o l t a i e ( p v ) s y s t e mi sp a i dm o r ea t t e n t i o nt oa m o n gi t sv a r i o u sa p p l i c a t i o n s w i t hp r i c e r e d u c t i o no fp vm o d u l e ，t h er o l eo fp vg e n e r a t i o ns y s t e mi s g r a d u a l l yc h a n g e df r o m s u p p l e m e n t a le n e r g yt os u b s t i t u t ee n e r g y s t a n d a l o n ea n dg r i d c o n n e c t e dp vg e n e r a t i o n s y s t e mw i l lb et h et r e n da m o n gp va p p l i c a t i o n s t h em a i np r o b l e m sa r ei n v e r t e ro u t p u t v o l t a g ec o n t r o lo fs t a n d - a l o n ep vs y s t e ma n di n v e r t e rp a r a l l e l o p e r a t i o n c o n t r o lo f 鲥d 。c o n n e c t e dp vg e n e r a t i o ns y s t e m t h ep a p e rf o c u s e st h er e s e a r c ho nd r o o pc o n t r o l m e t h o df o rp a r a l l e li n v e r t e ra n dt h r e e p h a s ef o u r - l e g g e di n v e r t e rt h r o u g ht h e o r ya n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n f i r s ts t u d yt h e s i n g l e 。p h a s ei n v e r t e rc o n t r o lb e f o r es t u d yt h r e e - p h a s ef o u r - l e g g e d i n v e r t e ro u t p u tw a v e f o r mc o n t r o l ，w h i c hb a s e do na s t u d ys i n g l e - p h a s ei n v e r t e ra n ds u b m i ta t h r e e p h a s ef o u r - w i r ei n v e r t e rc o n t r 0 1 ad o u b l ef e e d b a c kl o o pc o n t r o ls c h e m e 。w h i c hi so u t e r c o n t r o ll o o pa n di n n e rc o n t r o ll o o p ，i sp r o p o s e df o r s i n g l e p h a s ep o w e rs u p p l yt h r o u g h s i n u s o i d a li n v e r t e r t h e p r o p o s e d o u t e rc o n t r o l l o o p u s e st w op ic o n t r o l l e r sf o r t h e i n d e p e n d e n tc o n t r o la sm a g n i t u d ea n dp h a s et oe n s u r eah i g h l ys t e a d yp r e c i s i n go ft h ev o l t a g e o u t p u tf r o mi n v e r t e dp o w e rs u p p l y t h ei n n e rc o n t r o ll o o pa d d e dap r o p o r t i o no ft h e c o n t r o l l e r ，r e d u c e dt h ef i l t e ri n d u c t o r ，t oe n s u r eaf a s tr e s p o n s et ot h ev o l t a g eo u t p u ta n d r e d u c ew a v e f o r md i s t o r t i o n an e wa l g o r i t h mi s p r o p o s e dt h a tu s i n go fc o r r e l a t i o nf u n c t i o n t od e t e c tt h ep h a s eo fs i n u s i o i d a lv o l t a g eo u t p u tf r o mt h ei n v e r t e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t si s s h o w w i n gt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep r o p o s e dm e t h o dh a se x c e l l e n td y n a m i ca n d s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c st o k e e pa l lv o l t a g eo u t p u tw a v e f o r m sh i g h l ys i n u s i o i d a lu n d e ra n y l o a d i n gc o n d i t i o n s t h et h r e e - p h a s e f o u r l e g g e di n v e r t e rw a sp r o p o s e df o ra n s y m m e t r i c a la n dn o n l i n e a r t h r e e p h a s el o a d a st h ee x i s t e n c eo ft h e f o r t hl e ga n dt h ec o u p l i n ge f f e c to ft h ef i l t e r i n d u c t a n c e ，s ot h a tt h ec o n t r o lo ft h et h r e e - p h a s ev o l t a g eb e c a m ev e r yc o m p l i c a t e d t h ep a p e r p r o p o s e dan e wd e c o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ea b o v ep r o b l e m i nt h i sp a p e r ，t h ef i l t e r t i t - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u c t a n c ei s r e g a r d e d a sa ni n n e rr e s i s t a n c eo ft h ep o w e rs o u r c e at r a n s f o r m a t i o n r e l a t i o n s h i pi sp r o p o s e db a s e do nt h ei d e ao fc h a n g i n gt h ei n n e rr e s i s t a n c eo ft h ep o w e r s o u r c e t h e r e f o r et h et h r e e - p h a s ev o l t a g ec a nb ed e c o u p l e de n t i r e l ya n dt h ec o m p l e xc o n t r o l p r o b l e mc a nb ec h a n g e di n t os i m p l es i n g l e p h a s ev o l t a g ec o n t r 0 1 w eh a v ea d o p t e da3 r d h a r m o n i c 岫e c t i o nm e t h o da n dh a v ei m p r o v e dt h eu t i l i z a t i o no fd c b u sv o l t a g ew h i c hb a s e d o ns i n g l e p h a s ei n v e r t e rc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，t h i sm e t h o dg i v e sh o wt oc h o o s et h ev a l u e o ft h ef o u r t hl e g si n d u c t a n c e i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o ls t r a t e g yi ss i m p l ea n de a s yt oc o n t r 0 1 t h es i m u l m i o nr e s u l t sw e r es h o w nt h a tt h i si n v e r t e dp o w e rs u p p l yf i t sa n yl o a da n dh a s e x c e l l e n td 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 i na n a l y z i n gt h ep a r a l l e lo p e r a t i o no fi n v e r t e r ，w h i c ha p p l yt h ew i r e l e s sd r o o pc o n t r o l s t r a t e g y w ea d o p tt h et r a d i t i o n a ld r o o pc o n t r o lt h e o r yf o rc o n t r o l l i n gt h ec i r c u l a t i o nc u r r e n t ， o u t p u ta c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e ro f t h ep a r a l l e li n v e r t e r s m o r e o v e r , w em a k eas i m p l e s i m u l a t i o nf o r t h ep a r a l l e ls y s t e m ，v e r i f y i n gt h ef a c tt h a tt h ed r o o pt h e o r yc a nb eu s e di nt h e p a r a l l e lc o n t r o ls y s t e mo ft h ei n v e r t e r k e y w o r d s ：p vg e n e r a t i o ns y s t e m ；d o u b l ec o n t r o ll o o p ；d e c o u p l ec o n t r o l ；s i n g l e - p h a s e i n v e r t e r ；t h r e e p h a s ef o u r - - l e g g e di n v e r t e r ；d r o o pc o n t r o l i v 、 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 太阳能光伏发电产业的广阔前景2 1 2 1 国外光伏发电产业的现状2 1 2 2 国内光伏发电产业的现状3 1 3 太阳能光伏发电工作原理及系统组成5 1 3 1 太阳能光伏发电的工作原理5 1 3 2 太阳能光伏发电系统组成5 1 4 独立光伏发电系统中的逆变器7 1 4 1 独立光伏发电系统的拓扑结构7 1 4 2 正弦逆变器的现状7 1 5 本文研究工作8 第2 章光伏发电系统中逆变器的控制策略。9 2 1 并网发电系统中逆变器控制9 2 1 1 有互联线逆变器并联控制。9 2 1 2 无互联线逆变器并联控制1 0 2 2 独立发电系统中的逆变器控制1 2 2 2 1 单相逆变器控制技术1 2 2 2 2 三相四桥臂逆变器控制技术1 3 第3 章独立发电系统中单相逆变器控制1 7 3 1s p w m 调制基本原理一17 3 1 1 双极性s p w m 调制理论17 3 1 2 双极性s p w m 调制谐波分析2 0 - v - l l 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 电力滤波器设计2 1 3 2 1 理论计算2 2 3 2 2 分析验证2 3 3 3 单相s p w m 逆变器双环控制策略仿真2 4 3 3 1 控制原理2 5 3 3 2 建模与仿真结果分析2 6 第4 章独立发电系统中三相四桥臂逆变器控制3 5 4 1 适于负载不平衡的三相逆变器3 5 4 1 1a y 变压器的逆变器3 5 4 1 2 中点形成变压器( n f t ) 式三相逆变器3 5 4 1 3 分裂电容式的逆变器3 6 4 1 4 组合式三相逆变器3 7 4 1 5 三相四桥臂逆变器3 7 4 2 三相四桥臂逆变器解耦控制一3 8 4 2 1 解耦控制理论分析3 8 4 2 2 控制参数的选择4 2 4 3 解耦控制建模4 2 4 3 1 零线相建模4 3 4 3 2 单相控制建模一4 4 4 3 3s p w m 波形建模4 6 4 3 4 控制系统建模4 6 4 4 仿真结果分析4 7 4 4 1 三相平衡负载4 7 4 4 2 三相不平衡负载51 4 4 3 突加负载5 5 4 4 4 结果分析5 7 第5 章并网发电系统中逆变器控制。5 9 5 1 逆变器并联控制原理5 9 5 1 1 基于下垂法的同步并联5 9 一v i 目录 6 2 6 4 6 5 6 5 6 7 6 8 6 8 6 9 5 4 3 仿真结果分析7 0 第6 章总结与展望一7 3 参考文献7 5 致谢。7 9 - v i i 1111 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 跨入2 1 世纪之后，绿色、和谐发展已经成为人类的目标。如何在有限的能源和环 境保护的双重制约下发展经济己经成为全球各国关心的热点问题。但是，由于常规能源 的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家的能源供应不足，不能满足其社 会的发展需要，并且由于蕴藏量有限，常规能源正面临着枯竭的危险f 。而且，使用常 规能源发电每年要排放数十万吨硫等有害物质，使大气环境收到严重的污染，同时由于 大量排放c q 等温室气体而使地球产生明显的温室效应，引起全球气候变化。水力发电 本身虽然是洁净能源，但是由于水利资源的限制和季节的影响，并且水力发电的建设经 常会破坏当地的生态平衡。因此，随着社会的进步和发展，人们对能源提出了更高的要 求，开发和利用新的能源是人类当前函待解决的重大课题。太阳能是以其清洁、无污染， 并且取之不尽、用之不竭的优点越来越得到人们的关注。太阳是地球永恒的能源。它以 光辐射的形式每秒向地球辐射的能量大约为1 8 x 1 0 1 8 k w h ，是全球能耗的数万倍。充分 利用太阳能具有持续供能和环保双重伟大的意义。 太阳能开发利用技术发展很快，特别是上世纪七十年代爆发的世界性石油危机极大 的促进了太阳能的开发和利用。经过近半个世纪的努力，太阳能光热利用技术及其产业 异军突起，成为能源工业中的一支后起之秀。太阳能的利用方式很多，主要包括热利用、 化学利用和光伏利用。由于电能是现代社会中最常用的直接的能源，因此，太阳能直接 转化成电能就成为了太阳能利用中最具有前景的方式，太阳能光伏发电是重要的形式 【2 】。太阳能光伏发电具有以下优点【3 】： ( 1 ) 清洁、安全、无噪声。本身发电并不消耗物质，而且无排放物。 ( 2 ) 太阳能无处不有，范围很广。全球大部分地区获取方便。 ( 3 ) 结构简单，体积小且重量轻，易安装，易运输，建设周期短。 ( 4 ) 启动容易，维护简单，使用方便，供应稳定。 ( 5 ) 可靠性高，使用寿命长。一般晶体硅太阳能电池寿命可长达2 0 3 5 年。 太阳能的光伏发电主要分为五类4 】【5 】【6 】：( a ) 独立系统，( b ) 并网发电，( c ) 光电 光热结合系统，( d ) 风光互补，( e ) 专用系统。 近2 0 年来，太阳能的光伏利用通过以上几种形式得到了迅猛的发展。上世纪9 0 年 代以来，发达国家掀起了发展光伏并网系统的高潮，特别是发展“屋顶光伏并网系统”。 屋顶光伏并网发电系统不需要单独的地方，直接将太阳能电池安置在居民的屋顶上，非 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 常适合用、太阳能能量密度低的特点，而且灵活性和经济性都非常突出。有利于普及太 阳能这种新能源，而且也有利于能源的安全，受到了世界各国的普遍重视。并网发电是 光伏利用的发展趋势，是太阳能发电走上规模化发展的必然方向。专家估计：太阳能电 池及相应的配套装置将通过大规模并网发电迅速发展成为全球的重要产业【4 】。 1 2 太阳能光伏发电产业的广阔前景 1 1 2 1 国外光伏发电产业的现状 。1 在各国竞相发展绿色能源的今天，光伏发电作为一种绿色可替代能源逐步受到各个 国家的重视。据介绍，随着光伏发电技术不断提高，商品化电池效率由上世纪九十年代 的1 0 至1 4 提高到目前的1 3 至1 7 。2 0 0 4 年世界光伏系统的总装机容量超过4 0 0 0 万千瓦。太阳能光伏发电产业自2 0 世纪8 0 年代以来持续高速发展，每年以3 0 - 4 0 的速度递增。同时全球光伏电池产量快速增长，全球太阳能企业在1 9 9 5 2 0 0 5 年增长了 1 7 倍。2 0 0 5 年世界太阳能电池产量达到1 6 5 0 m w 7 。累计装机容量5 g w 。为了鼓励太 阳能的开发和利用，各国政府分别积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发 展。其中，以美日德等西方发达国家为主【8 9 】。 ( 1 ) 2 0 世纪8 0 年代，美国建成抛物面槽太阳能发电站，1 9 9 7 年美国政府在全世 界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划”，2 0 0 5 年，美国光伏电池生产总量达到1 5 6 m w ， 计划到2 0 1 0 年要求发电成本降到7 7 美分千瓦时。 ( 2 ) 日本政府早在1 9 7 4 年就公布了“阳光计划”，1 9 9 3 年又提出“新阳光计划”， 旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展。2 0 0 0 年有7 万家庭安装了太阳能家庭发电 设备。计划到2 0 1 0 年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能系统。2 0 0 5 年，日本的光 伏电池生产总量已达到7 6 2 m w ，占世界总产量的4 6 。 ( 3 ) 德国政府是世界上最早和最积极倡导鼓励光伏应用的国家之一。1 9 9 0 年，德 国政府率先推出“1 0 0 0 太阳能屋顶计划”，1 9 9 3 年，德国首先开始实施由政府投资支持， 被电力公司承认的1 0 0 0 屋顶计划，继而扩展为2 0 0 0 屋顶计划，1 9 9 8 年德国政府进一步 提出了1 0 万光伏屋顶计划，同时研究开发与建筑相结合的专用光伏组件等。1 9 9 9 年11 月起开始实施“十万太阳能屋顶计划”。德国政府颁布的“可再生能源法”与2 0 0 0 年4 月1 日正式生效。 此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙等都有累似的计划，并投巨资进 行技术开发和加速工业化进程。从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发和规模 应用发展，其应用范围几乎遍及所有的用电领域，大到宇宙飞船，4 , n j l 童玩具，并且 光伏集中并网发电、光伏建筑的发展迅速，已逐渐成为市场主力。表1 1 ，“光伏报导” 杂志2 0 0 3 年3 月出版的2 2 卷上发表的世界太阳能电池组件产量汇总： 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 1 世界太阳能组件产量汇总表 t a b l e 1 1w o r l dp r o d u c t i o no fs o l a rm o d u l e ss u m m a r y 从上述表中，可以清楚的看出：世界太阳能电池材料发展的趋势是非常迅猛的。世 界太阳能电池组件的发展，2 0 0 2 年是1 9 9 6 年的6 6 倍( 增长5 6 倍) ；其中日本2 0 0 2 年是1 9 9 5 年的1 5 3 倍( 增长1 4 3 倍) 。2 0 0 4 2 0 0 6 世界主要太阳电池生产商发展规划 见图1 1 。 | | | | | | | | | | | | | | | 一 匍2 0 0 4 l 2 0 0 5 同2 0 0 6 ff 匕cc c _ i j 。_ 一 | p f rf尸_ ，l 、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 际大环境的影响、国际项目政府项目的启动和市场的拉动；例女1 1 ：2 0 0 2 年由国家法改委负 责实施的“光明工程”送电到乡和即将实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技 术。由于我国西部人口密度小，居住分散，同时又拥有丰富的太阳能资源。太阳能光伏 发电是即廉价又清洁的能源选择【10 1 。 近2 0 年来，我国光伏产业的发展已初具规模，但在总体水平上我国同国外相比还 有很大差距，表现为： ( 1 ) 生产规模小。我国太阳电池制造厂的生产能力约为o 5 - - 1 兆瓦年，比国外生产 规模低一个多数量级。 ( 2 ) 技术水平较低。电池效率、封装水平同国外存在一定差距。 ( 3 ) 专用原材料国产化经过“八五”攻关取得一定成果，但性能有待进一步改进，部分 材料仍采用进口品。 ( 4 ) 成本高。目前我国电池组件成本约3 0 元瓦，平均售价4 2 元瓦，成本和售价都 高于国外产品。 ( 5 ) 市场培育和发展迟缓，缺乏市场培育和开拓的支持政策、措施。 专家预测在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，到2 0 1 0 年 以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2 0 1 1 年到2 0 2 0 年，中国光伏发电 的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统 【1 1 1 。 表1 2 应用领域的市场划分( ) t a b l e i 2a p p l i c a t i o no ft h ef i e l do fm a r k e ts e g m e n t a t i o n 2 0 0 5 年2 月2 8 日，第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过中华 人民共和国可再生能源法，于2 0 0 6 年1 月1 日起正式实施。可再生能源法规定国家将 可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的 优先领域，纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划，并安排资金支持可再生能源 开发利用的科学技术研究、应用示范和产业化发展，促进可再生能源开发利用的技术进 步，降低可再生能源产品的生产成本，提高产品质量。国家鼓励和支持可再生能源并网 发电。 - 4 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 为促进我国可再生能源和新能源技术及相关产业的发展，根据国家可再生能源中长 期发展规划，国家发展和改革委员会决定在2 0 0 8 - - 2 0 1 0 期间，实施可再生能源和新能 源高技术产业化专项。其中太阳能光伏发电、太阳能电池用硅锭硅片以及高效低成本太 阳能电池组件及系统控制部分的产业化成为可再生能源和新能源高技术产业化专项支 持的重点领域之一。太阳能是洁净无污染的巨大能源，最大限度地开发利用太阳能将是 人类新能源利用方面的科技发展方向。近年来，由于世界能源的日趋紧张和光伏技术的 不断发展，廉价的非晶硅太阳电池的生产技术已经成熟。大规模的光伏发电，可解决广 大中西部无电地区居民的能源问题。 专家预测，若光伏电池与城市和农村的建筑相结合，实行光伏并网发电，不但达到 绿色环保的目的，而且会逐步改变我国传统能源结构，对克服我国能源紧张、改善生态 环境及人体健康具有重大意义【1 2 , 1 3 】。 1 3 太阳能光伏发电工作原理及系统组成 1 3 1 太阳能光伏发电的工作原理 太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池。太阳能电池发电的原 理是光生伏打效应。当太阳光( 或其他光) 照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生，芝 光生电子奎穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异争 号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出 电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能 就直接变成了可以付诸实用的电能。 可把上述太阳能电池将光能转换成电能的工作原理概括为如下3 个主要过程： ( 1 ) 太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子一空穴对，称为“光生载 流子”，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电； ( 2 ) 电性相反的光生载流子被半导体p n 结所产生的静电场分离开； ( 3 ) 光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极所收集，并在外电路中产生 电流，从而获得电能。 1 3 2 太阳能光伏发电系统组成 太阳能发电系统是直接将太阳光能转换为电能的装置，根据太阳能系统与电网的关 系，可以分为独立于电网的太阳能系统和并网系统。独立于电网的太阳能系统，常用在 远离电网的偏远地区。而在并网系统中，太阳能发电系统代替电网提供有用功率，也把 功率馈送回电网。独立电网还是并网由控制器根据负载情况而选择。直接把太阳能电池 与负载相连，中间不带储能装置，这类太阳能系统叫直接耦合太阳能系统，但这类系统 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在阴雨天和晚上的时候不能提供能量，所以通常中间要加入蓄电池。由于太阳能系统受 外界因素影响比较大，所以为获得额定功率输出，通常要加上控制器来调节、控制和保 护系统功能。所以太阳能发电系统基本包括太阳能电池板、电力电子变换装置、储能装 置、控制器四大部分，如图1 2 所示。储能装置一般采用蓄电池，尤其是铅酸蓄电池。 电力电子变换装置根据负载的不同非为两类： ( 1 ) 直流变换器，按照直流负载的要求供电。 ( 2 ) 逆变器，通常为工频逆变器，输出恒频、恒压的交流电。在并网太阳能发电系统 中还要有交流并网装置和电能计量装置 图1 2 太阳能发电系统的组成 f i g 1 2t h ec o m p o s i t i o no fs o l a rp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m 控制器为整个系统的控制核心，负载对系统各运行参数进行检测，并根据预设和判 断做出控制指令，使系统能够自动稳定运行，并工作于最佳状态。一般有一个控制器进 行集中控制。 目前我国太阳能发电系统主要是直流系统，如图中a 点左侧部分所示，太阳能电池 发出的电能给蓄电池充电，蓄电池直接供电给各类负载。这类系统结构简单，成本低廉。 由于负载直流电压的不同( 如1 2 v ，2 4 v 等) ，很难实现系统的标准化和兼容性，特别 是生活用电，其负载主要为交流电。因此，交流太阳能逆变电源正在逐渐取代直流太阳 能电源。图1 2 中b 点左侧部分为独立型太阳能逆变电源系统，可以提供直流电和交流 电，适于远离电网的偏远地区或者比较分散、居住地不稳定的用户。图1 2 所示整个系 统为并网式太阳能发电系统，并网式系统是通过联系装置与已有电力系统连接，然后由 户用太阳能系统，通过连接装置，将电力输往电力系统，此状态称为逆潮流状态( 从电 力系统将电力输往用户的状态称为顺潮流) 。并网式系统由于受到电力系统的电力支援， 可以把电网作为储能装置，通常可以省去蓄电池，成为经济的系统。当前，并网式太阳 能发电系统，尤其是户用并网式太阳能发电系统，因为可以与建筑合为一体，方便并节 约用地和成本，成为世界上太阳能发电研究和开发的热门。 目前由于光伏发电系统成本较高，使其应用大受影响。降低太阳能光伏系统发电的 成本，这是当今世界范围内研究和开发的一个课题。太阳能发电系统的成本与效率，除 - 6 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 了取决于电池组外，系统所用的电源逆变器也扮演着重要角色。 1 4 独立光伏发电系统中的逆变器 1 4 1 独立光伏发电系统的拓扑结构 图1 3 为户用独立发电系统的逆变器拓扑结构，t l t 5 为功率器件。由图可知，系 统主要包含如下几个部分：光伏列阵、光伏充电器、蓄电池组、正弦波逆变器( d c a c ) 等。 光 伏 列 阵 t 5 t 1d 1 2 l t 3 d ， 、 b a l ：- = 2i d c 2 = - = = c c = = 2 2 ( t 2 d 之i t 4 d 4 j 、 v 5 0 h z 图1 3 独立光伏发电系统的逆变器拓扑结构 f i g 1 3i n v e r t e rt o p o l o g yo fs t a n d a l o n ep vs y s t e m 图1 3 所示的户用独立光伏发电系统其输出为标准的2 2 0 v 、5 0 h z 的正弦波电压， 该系统常用语西部偏远的无电地区或孤立的海岛上，通常功率比较大，可供整个村庄或 海岛使用。 1 4 2 正弦逆变器的现状 应用于户用独立光伏发电系统中的正弦波逆变器，其工作方式和应用于其它场合下 的正弦波逆变器完全一样，为输出电压控制性电压源逆变器。然而，随着逆变电源要求 的不断提高，传统的模拟控制型工f 弦波逆变器由于其固有的缺点己渐渐不能满足要求， 同时，随着各种高性能微处理器的出现，己经使逆变电源的全数字控制成为现实，和传 统的模拟控制方式相比，数字控制方式具有如下优点： 1 易于采用先进的控制方法和控制策略，使得逆变电源的智能程度更高，性能更完 美。 2 控制更加灵活、方便，可以在线设置工作方式和修改参数，使得系统完全可以通 过修改软件实现智能升级。 3 可以通过同步串口通讯读取系统的故障类型，使得维修和故障识别更加方便、快 捷。 一7 一 1 5 本文研究工作 本文研究光伏发电系统中的逆变器，其中独立发电系统中逆变器研究作为本文研究 的主要方向。本论文做了以下四方面工作： ( 1 ) 对单相和三相四桥臂逆变器的电力滤波器进行了理论计算，对其参数正确性 在仿真中进行了验证。 ( 2 ) 独立光伏发电系统中单相逆变器的双环控制。本控制方法是基于以往的控制 方法提出了一种新的控制算法。外环采用的是幅值和相位检测，经过p i 控制器保证了 输出电压的幅值和相位的稳态精度，内环采用的是输出电压反馈的比例控制，等效地减 小了滤波电感，增加了输出波形的正弦度。在任意负载条件下系统都具有良好的动态和 静态特性。在s i m u l i n k 中建立双环控制模型，对双环控制进行了仿真验证。 ( 3 ) 独立光伏发电系统中三相四桥臂逆变器的解耦控制。此控制方法是在基于单 相控制的基础之上提出了三相四线制的解耦控制理论。解耦控制理论将滤波电感看成电 源的内部阻抗，推导出了三相的解耦控制关系。将复杂的三相控制转换为简单的单相控 制。仿真验证说明，该逆变器可带任意负载，输出电压和电流波形都互差1 2 0 0 。 ( 4 ) 并网发电系统中的逆变器下垂控制。首先分析了下垂控制方程，给出了功率 计算的方法和数字锁相环的理论，最后建立了逆变器并联下垂控制的仿真模型，验证了 下垂控制在逆变器并联控制系统的正确性。 一8 一 第2 章光伏发电系统中逆变器的控制策略 逆变器的控制策略 统组成有了初步的认识。本论文主要研 究的是光伏发电系统中d c a c 部分，既是逆变器的研究。本章主要介绍一些逆变器的 控制方法。经过研究比较各种控制方法之后，逆变器的并联控制采用的是无互联线下垂 控制技术，独立逆变器输出电压和电流控制采用的是双环s p w m 控制，三相四线制采 用的是基于单相逆变器控制而提出的解耦控制。 2 1 并网发电系统中逆变器控制 逆变电源的并联控制技术研究，是交流电源系统从传统的集中式供电方式向分布式 供电发展过程中必须解决的一个重大课题。逆变电源的并联化运行，可以大大提高系统 的灵活性，打破了逆变电源在功率等级上的局限，用户可以根据需要任意组合系统的功 率，同时可以采用方便的冗余设计，因而具有高可靠性、易大功率化的优点。这样可降 低不同容量电源的设计成本和重复投资，并减少生产和维护费用。 2 1 1 有互联线逆变器并联控制 有联线逆变器并联运行的控制方式一般分为：集中控制、主从控制、分散逻辑控制三“ 种【1 3 】。 2 1 1 1 集中式并联 集中控制方式中，各逆变单元共用一个集中控制中心，此控制中心向每一台逆变器 发出同步脉冲，各逆变器采用锁相环使本台逆变器的电压基准与同步脉冲同步，再将各 台逆变器的输出电流( 或输出有功功率和无功功率) 集中处理，误差电流经电流调节器后 仅仅调节逆变器的输出电压幅值。这种控制方法借鉴了直流变换器并联的方法，认为单 台逆变器输出电流的差异是由逆变器输出电压的幅值差