（电力电子与电力传动专业论文）单相数控光伏并网发电系统的研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nd i g i t a lc o n t r o lf o rs i n g l e - p h a s e g r i d c o n n e c t e dp v s y s t e m a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y l i uc h u a n y a n g a d v i s e db y p r o f h el i g a o s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f 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 f e b r u a r y ，2 0 1 0 卜 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。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，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 鱼2 堡登 e l 期：赴2t2 tfz 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 全球能源危机的日益加剧，太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源，近几年得到 了广泛的应用。随着煤，石油、天然气等能源的紧缺，环境污染等问题的日益加剧，太阳能并 网发电技术已成为各国研究的热点。 随着数字信号处理器的出现和迅速发展，数字控制系统的抗干扰能力强、控制规律灵活、 通用性强、可实现先进的控制算法以及实时控制的优点使其成为现代电力电子技术发展的方向 之一。本文设计了基于d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 控制的光伏并网发电系统。 本文在分析当前国内外光伏发电的发展与现状的基础上，以单相光伏并网发电系统作为研 究对象，对单相光伏并网发电系统的有关技术问题：最大功率跟踪方法、孤岛检测技术，并网 系统的拓扑结构、控制策略以及软硬件电路设计等方面作了分析和研究。 光伏并网发电系统的核心是并网逆变器的设计。本文系统采用双级式结构：前级d c d c ，实 现功率变换，为后级逆变提供稳定的电压；后级d c a c ，实现光伏发电逆变成交流电馈入电网。 为克服前级转换效率低的缺点，d c d c 采用l l c 谐振变换器，该变换器可以实现原边开关管 的z v s 开通，副边整流管的z c s 关断，从而提高系统前级的转换效率，为后级d c a c 提供了 稳定的能量。d c a c 采用s p w m 驱动控制，并网电流控制是设计的重点，通过检测电网电压 的过零点来实现并网电流与电网电压的同频同相。最后设计了功率为5 0 0 w 的光伏并网系统， 完成了硬件设计、调试和部分控制软件编写，给出了系统仿真结果和部分实验波形，初步验证 了系统设计的正确。 关键词：光伏并网发电，最大功率跟踪，孤岛检测，l l c 变换器，并网电流，过零检测 单相数控光伏并网发电系统的研究 a b s t r a c t w i t hg l o b a le n e r g yc r i s i sg r o w i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s l y , s o l a re n e r g ya sa ni n e x h a u s t i b l e r e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e sh a sb e e nw i d e l yu s e di nr e c e n ty e a r s p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e d t e c h n o l o g yh a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ta sc o a l ，o i l ，n a t u r a lg a ss h o r t a g e sa n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o ni s s u e sg r o w i n g w i t hd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o re m e r g e n c ea n dd e v e l o p m e n tr a p i d l y , d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb e c o m e ad e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm o d e mp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yw i t ht h ea d v a n t a g e so f a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , c o n t r o lf l e x i b i l i t y , v e r s a t i l i t y , a d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m sc a nb er e a l i z e d 舔 w e l la sr e a l t i m ec o n t r 0 1 t h i s p a p e rd e s i g n sag r i d - c o n n e c t e d p vs y s t e mb a s e do nd s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 12 ) i nt h i sp a p e ro na n a l y z i n go ft h ec u r r e n td o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n ts t a t u so fp h o t o v o l t a i c p o w e rs y s t e m ，t e c h n i c a li s s u e sa r ea n a l y z e da n ds t u d i e db a s e do nas i n g l e p h a s eg r i d c o n n e c t e dp v s y s t e ms u c h 嬲m p p t , i s l a n d i n gd e t e c t i o nt e c h n o l o g y , s y s t e mt o p o l o g y , c o n t r o ls t r a t e g y , c i r c u i t s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，e r e g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e ri st h ec o r ed e s i g no fp h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m t h i ss y s t e mu s e s t w o s t a g es t r u c t u r e ：p r e - s t a g ed c d c ，t oa c h i e v ep o w e rc o n v e r s i o np r o v i d i n gas t a b l ev o l t a g ef o r p o s t - s t a g ec o n v e r t ；p o s t - s t a g ed c a c ，t oa c h i e v ep h o t o v o l t a i cc u r r e n ta l t e r n a t i n gc o n v e r ti n t og r i d t oo v e r c o m et h ep r e - s t a g es h o r t c o m i n g so fl o w - l e v e lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , d c d cu s i n gl l c r e s o n a n tc o n v e r t e r , t h i sc o n v e r t e rc a na c h i e v ep r i m a r ys i d es w i t c hz v so p e n i n ga n ds e c o n d a r y r e c t i f i e r sz c st u r n i n go f f , t h e r e f o r ee n h a n c i n gt h es y s t e mc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dp r o v i d i n ga s t e a d ye n e r g yf o rp o s t - s t a g e d c a cu s e ss p w md r i v ec o n t r o l ，g r i d - c u r r e n tc o n t r o li st h ec o r eo f d e s i g n i n g ，t h r o u g hd e t e c t i n gg r i dv o l t a g ez e r o c r o s s i n gp o i n tt oa c h i e v et h eg r i d - c o n n e c t e dc u r r e n t a n dg r i dv o l t a g ew i t ht h es a n l ef r e q u e n c ya n dp h a s e i nt h ef i n a ld e s i g n e da5 0 0 wp h o t o v o l t a i cp o w e r g r i d 。c o n n e c t e ds y s t e m ，c o m p l e t e dh a r d w a r ed e s i g n ，d e b u ga n ds o m ec o n t r o ls o f t w a r e ，g a v es y s t e m j s i m u l a t i o nr e s u l t sa n ds o m ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m st oa c h i e v et h ep r o p e ro f t h es y s t e m k e y w o r d s ：g r i d c o n n e c t e dp o w e rg e n e r a t i o n ，m p p t , i s l a n d i n gd e t e c t i o n ，l l cc o n v e r t e r , g r i d c o n n e c t e dc u r r e n t ，z e r o - c r o s s i n gd e t e c t i o n 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的目的及意义l 1 1 1 太阳能光伏发电的目的意义1 1 1 2 光伏并网发电的研究1 1 2 光伏并网发电在国内外研究现状。2 1 2 1 国外光伏并网逆变器的研究现状。2 1 2 2 国内光伏并网逆变器的研究现状3 1 3 光伏并网系统的介绍。3 1 3 1 光伏并网系统的分类。3 1 3 2 光伏并网系统的拓扑4 1 4 主要研究内容5 第二章l l c 谐振变换器7 2 1l l c 主电路的结构7 2 2l l c 谐振变换器的工作原理。8 2 3l l c 谐振变换器的稳态特性分析l l 2 3 1 基于f h a 的l l c 变换器电路分析1 l 2 3 2l l c 谐振变换器的稳态分析1 2 2 3 3l l c 谐振变换器输入阻抗分析1 4 2 3 4l l c 谐振变换器参数对直流增益影响1 5 2 4l l c 谐振变换器的谐振参数设计1 6 2 4 1 设计规格及技术参数1 6 2 4 2 关键参数设计16 2 5l l c 谐振变换器仿真分析18 2 6 本章小结2 0 第三章单相并网逆变器的控制策略2 l 3 1 单相并网逆变的总体控制2 1 3 1 1 并网逆变控制方式2 1 3 i 2 单相并网逆变主电路拓扑结构2 l 3 1 3 单相并网逆变的控制目标2 2 单相数控光伏并网发电系统的研究 3 2 输出电流控制方式2 2 3 2 1 滞环控制电流瞬时值比较方式2 2 3 2 2 定时控制的瞬时值比较方式2 3 3 2 3s p w m 电流跟踪方式2 3 3 2 4 改进的s p w m 电流跟踪方式2 3 3 3 单相并网控制系统数学模型2 4 3 3 1 单相光伏并网系统逆变输出级2 4 3 3 2 逆变环节的传递函数2 5 3 3 3 闭环控制系统p i 参数的整定2 5 3 3 4 扰动u n c t 对系统的影响及扰动补偿2 8 3 3 5 单相并网逆变系统仿真3 0 3 4 最大功率跟踪3l 3 4 1 太阳能电池模型3 l 3 4 2 最大功率跟踪方法3 3 3 5 孤岛效应3 5 3 5 1 孤岛效应及危害3 5 3 5 2 孤岛检测的基本方法3 5 3 5 3 一种主、被动相结合的检测方法3 7 3 6 本章小结4l 第四章单相并网发电系统的硬件设计4 2 4 1 系统总体结构框图4 2 4 2 主电路设计4 3 4 2 1l l c 谐振变换器的设计4 3 4 2 2 逆变器的设计4 5 4 3 控制电路设计4 8 4 3 1l l c 驱动电路4 8 4 1 3 2i r 2 11 0 驱动电路5 0 4 3 3 数字采样调理电路5 0 4 4 本章小结5 2 第五章系统软件设计与实验结果。5 3 5 1 软件设计总体框图5 3 5 2s p w m 波产生模块5 3 5 3a d 转换模块5 5 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 5 4 捕获( 同步) 中断模块5 6 5 5 最大功率跟踪控制5 7 5 6 部分实验波形5 8 5 6 1l 6 5 9 9 驱动波形5 8 5 6 2 采样电路波形5 9 5 6 3p w m 控制波形。5 9 5 6 4i r 2110 驱动波形6 0 5 6 5 过零点检测和电感电流波形6 0 5 7 本章小结6 1 第六章总结与展望6 2 6 1 本文的主要工作6 2 6 2 进一步的- 作展望6 2 参考文献6 3 致谢6 6 硕士期间发表论文、参与的科研项目及获得荣誉6 7 附录l ：系统控制电路6 8 v 单相数控光伏并网发电系统的研究 图表清单 图1 1 集中式并网逆变器结构图2 图1 2 支路式并网逆变器结构图2 图1 3 交流模块结构图2 图1 4 太阳能光伏发电系统结构图4 图1 5 电流型、电压型并网逆变器拓扑4 图1 6 工频逆变结构图5 图1 7 高频逆变结构图5 图2 1l l c 谐振变换器主电路拓扑。7 图2 2l l c 谐振变换器主要波形8 图2 3l l c 谐振变换器工作阶段9 图2 4l l c 主电路结构图1 l 图2 5 基于f h a 的l l c 等效电路模型1 2 图2 6l l c 谐振变换器交流等效电路1 2 图2 7l l c 谐振变换器直流增益特性图1 3 图2 8 侈6 时谐振网络等效电路图1 4 图2 9f = - f s 时谐振网络等效电路图。1 4 图2 1 0f f s 时谐振网络等效电路图1 5 图2 1 lq - o 时谐振网络等效电路图1 5 图2 1 2 参数变化时的增益曲线图1 6 图2 1 3l l c 谐振变换器的仿真模型1 8 图2 。1 4l l c 谐振变换器的仿真波形。i8 图2 15l l c 谐振变换器上管z v s 开通图1 9 图2 1 6l l c 谐振变换器下管z v s 开通图1 9 图2 1 7l l c 谐振变换器整流二极管z c s 关断图1 9 图2 1 8l l c 变换器的变压器工作过程仿真图2 0 图3 1 单相并网逆变器主电路拓扑结构2 l 图3 2 并网逆变器逆变侧等效电路2 2 图3 3 逆变器并网矢量图2 2 图3 4 滞环比较器的瞬时值比较方式原理图2 2 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 5 定时控制的电流瞬时值比较方式原理图。2 3 图3 6s p w m 电流跟踪方式的原理图2 3 图3 7 改进型s p w m 控制方式图2 4 图3 8 单相并网逆变系统等效电路图。2 4 图3 9 并网电流闭环控制框图2 5 图3 1 0 逆变输出级p i 反馈控制结构图2 5 图3 1 l 控制系统阶跃响应曲线2 8 图3 1 2 控制系统伯德图2 8 图3 1 3 带前馈补偿的并网逆变控制系统图2 9 图3 1 4 加入前馈补偿的等效控制框图2 9 图3 1 5 扰动阶跃响应曲线2 9 图3 1 6 电压型单相并网逆变器闭环控制s i m u l i n k 仿真模型3 0 图3 1 7 电压型单相并网逆变器闭环控制仿真波形3 0 图3 1 8 积分参数过小并网电流仿真图3 1 图3 1 9 太阳能电池在s i m u l i n k 中仿真模型3 2 图3 2 0 日照强度、温度改变时，太阳能电池输出电流、电压及功率之间的关系3 3 图3 2 1 光伏发电系统并网运行结构图3 6 图3 2 2 不同负载下的相位突变波形3 8 图3 2 3 主动电流扰动孤岛检测系统图3 8 图3 2 4 孤岛检测流程图3 9 图3 2 5 孤岛检测仿真模型图4 0 图3 2 6 未加电流扰动孤岛检测仿真波形4 0 图3 2 7 电流扰动孤岛检测仿真波形4 l 图4 1 系统总体结构框图4 2 图4 2 系统主功率电路4 2 图4 3i g b t 的r c d 缓冲电路4 5 图4 4 逆变器输出等效图。4 6 图4 5 冲量定理等效图4 7 图4 6l 6 5 9 9 内部结构图4 9 图4 7l 6 5 9 9 芯片外围电路示意图4 9 图4 8i r 2 11 0 驱动电路5 0 图4 9 电感电流采样调理电路一5 l 图4 1 0 过零比较调理电路5 1 v i i 单相数控光伏并网发电系统的研究 图4 1l 太阳能电池电压采样电路5l 图4 1 2 太阳能电池电流采样电路5 2 图5 1 系统主程序流程图。5 3 图5 2s p w m 程序流程图一5 4 图5 3 系统直流母线电压保护框图一5 5 图5 4c a p 中断流程图5 6 图5 5 扰动观察法流程图一5 7 图5 6 太阳能电池输出p - v 曲线5 8 图5 7l 6 5 9 9 芯片的驱动波形5 8 图5 8l 6 5 9 9 驱动死区波形5 8 图5 9 电流霍尔采样波形5 9 图5 1 0 电压霍尔采样波形5 9 图5 1 ld s p 输出p w m 波形5 9 图5 1 2i r 2 11 0 驱动波形。6 0 图5 1 31 r 2 1 1 0 驱动的死区时间波形6 0 图5 1 4 电网电压过零检测信号波形图6 0 图5 1 5 电感电流闭环波形6 l 表3 1 最大功率点追踪方法的工作原理。3 4 表3 2 各种最大功率追踪方法的优缺点3 4 v i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 一、缩略词与名称 略写 a c m o d u l e p w m s p w m z v s z c s f h a m p p t 英文全称 注释表 p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n z e r ov o l t a g es w i t c h i n g z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g f i r s th a r m o n i ca p p r o x i m a t i o n m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g 二、基本符号及名称 基本符号 q l - q 2 c r l m l r n s n z i “s ) r m d c v o v i n 允 q z o 名称 功率开关管m o s t e t 谐振电容 激磁电感 串联谐振电感 高频变压器副边匝数 高频变压器原副边匝比 谐振电路输入阻抗 折算到原边的等效电阻 直流增益 l l c 谐振变换器输出电压 l l c 谐振变换器输入电压 电感系数 归一化频率 串联谐振频率 品质因数 特性阻抗 基本符号 c 嘴 d l d 4 c o 心 n p h ( s ) 0 k t i - t 4 u a u n 眈 l i f i 屯1 名称 单块太阳能电池并网发电模块 脉宽调制 正弦脉宽调制 零电压开关 零电流开关 基波分析 最大功率点跟踪 名称 m o s f e t 寄生电容 全桥整流二极管 输出滤波电容 负载电阻 高频变压器原边匝数 谐振回路传递函数 串联谐振电感电流 并联谐振( 激磁) 电感电流 功率开关管i g b t 逆变器交流侧电压 电网电压 滤波电感 参考电流 电流偏差 并网电流 并网电流基波分量 单相数控光伏并网发电系统的研究 x 串并联谐振频率 最小输入电压 最大输入电压 标准输入电压 l l c 谐振变换器输出功率 最大开关频率 节点n 处的寄生电容 驱动信号死区时间 标准直流增益 最小直流增益 最大直流增益 扰动误差传递函数 饱和磁通密度 工作磁通密度 电流密度 电导率 穿透深度 原边绕组截面积 串联谐振电感电流 磁芯有效截面积 缓冲电容 太阳能电池直流电压 缓冲二极管 滤波电感等效电阻 逆变器直流侧电压 逆变器开环传递函数 滤波器传递函数 小惯性环节传递函数 p i 调节器传递函数 逆变器增益 i g b t 开关周期 p i 调：i 了器的饱和限幅值 p i 调节器比例系数 p i 调节器积分系数 电网电压前馈传递函数 最大工作磁通密度 变压器效率 占空比 磁导率 变压器副边电流 副边绕组截面积 整流二极管最大电压应力 变压器原边电流 缓冲电阻 太阳能电池输出电流 电流霍尔输出电压 甩u咐耄；k驴陆瞄吁d &hk k凡b咐风衄厂&k k q 仇 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 1 1 1 太阳能光伏发电的目的意义 能源是人类赖以生存和发展的动力源泉，自古以来，人类在不断地探索适合生存和发展所 需的各种能源。当今社会，随着全球工业化进程的发展，人类对能源的需求日益增加，煤炭、 石油和天然气三大能源的储量正面临着日趋枯竭。2 0 世纪中叶以来，世界各国都在纷纷采取措 施来提高能源效率和改善能源结构，用以解决与能源消费密切相关的环境问题，称之为能源效 率革命和清洁能源革命l l j 。 能源、环境与发展是当今世界急需解决的问题。为了减少大气污染、保护人类生态环境、 保证能源的长期稳定供应，必须实施可持续发展战略，逐步改变现有的能源结构，大力开发利 用新能源。太阳能作为人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有储量的无限性、存在的普遍 性、开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，它的开发利用能有效解决常规能源特 别是化石能源带来的能源短缺、环境污染等问题，是人类理想的替代能源。太阳能开发利用必 将在2 1 世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为2 l 世纪后期的主 导能源之_ _ 1 2 1 1 引。 1 1 2 光伏并网发电的研究 对光伏并网发电系统来说，并网逆变器是系统设计的关键。通常光伏并网逆变器按照应用 的方式可以分为三类，分别是集中式逆变器，支路式逆变器，光伏组件集成的交流模块 ( a c m o d u l e ) 。集中式光伏并网逆变器一般用在大型光伏电站中，多组串联的光伏方阵并 联在逆变器的直流输入端，再通过逆变器变换成交流电并入电网，功率等级一般在2 0 - 4 0 0 k w l 4 j 。 这种系统有望用到大规模光伏沙漠电站中。图1 1 给出集中式并网逆变器的示意图。支路式并 网逆变器是将光伏组件串联起来，接到并网逆变器的输入端，通过多个逆变器逆变并入电网， 这种逆变器通常为单相，功率等级大约在l k w 3 k w l 5 1 。这种系统非常适合于城市分布发电和家 庭户用并网发电，是未来光伏发电市场上广泛应用的系统。图1 2 支路式并网逆变器的示意图。 交流模块( a c m o d u l e ) 是将小型逆变器和光伏组件直接结合起来，交流侧并联到电网，这 种模块的功率等级在5 0 w 4 0 0 w ，此系统被认为是未来并网逆变器的重要发展方向之一。图1 3 给出交流模块的示意图。 单相数控光伏并网发电系统的研究 图1 1 集中式并网逆变器结构图 图1 2 支路式并网逆变器结构图 图1 3 交流模块结构图 1 2 光伏并网发电在国内外研究现状 1 2 1 国外光伏并网逆变器的研究现状 国外并网型逆变器己经成为成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆变器市场中就有 s m a 、f r o n i u s 、s p u t n i k 、s u n p o w e r 、p o w e r o n e 和西门子等众多的公司具有市场化的产品，其 中s m a 在欧洲市场中占有一半的份额【6 l ，除欧洲外，美国、加拿大、新西兰、澳大利亚以及日 本在并网型逆变器方面也都已产品化。 s m a 光伏并网逆变器目前具有三大系列产品：支路逆变器、集中逆变器和多支路逆变器。 该产品具有如下特点t 高效率、高功率因数、低t h d 、基于软件实现最大功率跟踪；根据电网 情况调制= 作状态，工作状态自动切换：通过l c d 显示主要工作状态：故障自诊断：测量数据 和工作状态通过总线传输至p c 机；多台逆变器可以任意组合构建系统，使系统设计更加简便、 2 南京航空航天大学硕士学位论文 扩展更加方便。多支路逆变器是s m a 最新推出的产品，该产品采用最大功率跟踪和并网逆变 两级能量变换结构，多个不同支路共用同一个逆变环节，可以使系统的灵活性大为提高；输出 端无工频变压器隔离，采用最新的电网阻抗检测和交、直流电流检测来实现有效保护。 与s m a 相比较，西门子并网光伏逆变器则采用主从式构建系统，由主逆变器和若干个从 逆变器来组建用户要求容量的并网光伏系统，灵活性和系统扩展等均没有s m a 的强。西门子 s i t o ps o l a r 主要分为隔离和非隔离两种支路逆变器，两级能量变换，最大功率跟踪和逆变部分 集成在一个机箱内：功率因数高：数据集中显示；实时进行发电电能显示：r s 2 3 2 串1 2 1 连接p c 或者通信调制器；能够外接辐射计和组件温度传感器。 除s m a 和西门子外，加拿大的x a n t r e x 的s u n t i ex r 系列并网逆变器也是根据光伏市场需 要推出的产品，系列覆盖了中、大功率范围，也可将多台级联扩大输出容量，而逆变器中也集 成了最大功率跟踪和防孤岛环节。 综上所述，目前国外光伏并网逆变器中多级能量变换产品已经成熟，其研发主要集中在最 大功率跟踪和逆变环节集成的单级能量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围【5 l ，控制电 路主要采用数字控制，注重系统的安全性、可靠性和扩展性，均具有各种完善的保护电路。 1 2 2 国内光伏并网逆变器的研究现状 由于我国光伏发电等可再生能源发电技术的研究起步较晚，技术水平相对国外还有一定差 距。就光伏并网发电系统的核心技术并网型逆变器而言，合肥工业大学能源研究所、清华大学、 上海交通大学、南京航空航天大学、燕山大学、中国科学院电工研究所等科研单位和大学在这 一方面进行了相关的研究，并且在“九五”、“十五”期间，国家科技部投入相当数额经费进行开 发。一些科研院所和高校与公司合作，也培育了一些国内生产并网光伏逆变器的生产厂家，如 北京索英电气技术有限公司和合肥阳光电源有限公司等。在“十五”期间中科院电工研究所承担 了国家重点科技攻关计划“5 0 k w 大型屋顶光伏并网示范电站”的研究建设项目。中科院电工所 与加拿大u n b 大学合作研制了一台2 0 k w 单相并网光伏逆变器，已投入示范运行，其效率达 到9 3 ，谐波畸变率为3 左右1 7 1 。近年米，随着电力电子及其控制技术的发展，电压型p w m 斩波控制技术越趋成熟，电压型并网逆变器更多的被人们采用，其中合肥工业大学新能源研究 所提出了一种电流寻优的光伏并网逆变器设计，提高了系统的动态响应时间，实现了正弦波电 流跟踪控制。 l - 3 光伏并网系统的介绍 1 3 1 光伏并网系统的分类 太阳能光伏发电系统可分为两大类：一是独立发电系统，二是并网发电系统。独立发电系 3 单相数控光伏并网发电系统的研究 统是由太阳能电池直接给负载提供功率，是太阳能发电系统的最基本的形式，这种系统多用予 远离市区的海上灯塔、浮标、山顶的无线中继电台等，作为供电电源。如果负载是交流的，须 通过逆变器将直流电逆变成交流电，此外，输出的能量还同时供蓄电池充电。蓄电池可以在夜 间或阴雨天为负载提供必需的能量【9 】。独立系统结构图如图1 4 ( a ) 所示。 ( a ) 独立光伏发电系统结构图 ( b ) 并网发电系统结构图 图l ，4 太阳能光伏发电系统结构图 并网发电系统是太阳能利用的主要形式，并网发电系统的特点是通过控制逆变器，直接将 太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，输向电网，并网发电系统结构图如图1 4 ( b ) 。并 网发电系统主要有两种形式。一种是集中的大型联网光伏电站，这需要复杂的控制及输配电设 备，并要占用大片土地，发电成本目前要比市电贵得多，这类大型光伏电站发展不快。另一种 是分散的小型光伏并网发电系统，特别是户用光伏并网发电系统，近年来得到了迅速发展。 并网发电系统中的太阳能电池阵列可以始终工作在最大功率点上，由电网接纳来自太阳能 电池所发出的全部能量，提高了太阳能发电的效率【8 l ，另一大优点就是可以取消蓄电池，降低 了蓄电池充放电的能量的损耗，免除了对蓄电池的维护，以及由其带来的间接污染，使系统成 本降低，而且加强了供电的稳定性和可靠性。 1 3 2 光伏并网系统的拓扑 光伏并网系统的核心是并网逆变器，它实质上是一个有源逆变系统。就并网系统而言，可 以分为电流型逆变器和电压型逆变器两大类。电流型逆变器的特征就是直流侧利用电感进行直 流储能，从而使直流侧呈现高阻抗的电流源特性。电压型逆变器的特征是直流侧采用电容进行 直流储能，从而使直流侧旱低阻抗的电压源特性。两种电路拓扑结构如图1 5 ( a ) 和( b ) 所示。 芦。 一 l ，io j 时 4 一一 l 1l 门 l ci e j 芦沓 j 时 一= - i - - - li ( a ) 电流型并网逆变器拓扑( b ) 电压型并网逆变器拓扑 图1 5 电流型、电压型并网逆变器拓扑 光伏并网系统从结构上还可以分为高频和工频两种。丁频并网逆变器由于带有一r = 频变压器 南京航空航天大学硕士学位论文 而体积很大且笨重。它是先通过d c a c 变换，将太阳电池直流电能转化为交流电能，然后通 过- t 频变压器和电网相连，完成电压匹配以及和电网的隔离，实现并网发电。工频并网逆变系 统结构如图1 6 所示。 、上 - 心 ；差 1 斗t d c - v 图l _ 6 工频逆变结构图 高频并网逆变器首先通过d c d c 变换器将太阳电池的直流电升压或者降压转化为满足并 网要求的直流电压，然后通过全桥逆交后直接和电网相连。高频并网逆变器结构如图1 7 所示。 高频并网逆变器主要是通过两级变换实现并网逆变。其优点是高频变压器体积小，重量轻，大 大减小了逆变器的体积和重量。 、上 、 d c 斗t 、 d c 、 彳cr r m i 、 j - d c - t - i 图1 7 高频逆变结构图 本文系统设计采用两级式结构，前级d c d c 是把太阳能输出的8