（电力电子与电力传动专业论文）单相光伏发电并网系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt l l es u s e i l e r 盱s o 珊c e s 伽玳m t l y m ea p p l i c a t i o no fs o l a r 衄q g ri sp a i d m o r e 砒e n t i o nb ym a i l yc 0 蜥懿a l lm ew o r dt h 蜀吸b e 斯e p h o 协v o i t a i c p v g c n 锨t i o n o n em c t h o do f l l s i n gs o l a r 翱哪 i sv e 哆p r o m i s i i l 孚t h ei n 蒯t a b l es 豫l d o fn l eu s eo fs o l a r 髓e 噬 yw i l lb e l e 鲥d c o 衄e c t c dp h o t o v o l t a i c 回归t 锄 t 1 l i sp a p 盯 锄a l y z c dt h et o p o l o g yo ft h e 鲥d c o 皿e c t e ds y s t 锄锄dc o n v c r s a t i o no fe 噼y m a x i m l 珊p o w e fp o n 仃撕n 甙m p p t c o n 仃o ls 臼 a t e g y 觚dt l l ep h a s el 0 c k e d l o o p p l l t e d m o l o g ro f 鲥d c 0 i l i l e c t e ds y s t 锄 f o rt h es i n 百e p h a s ep v 酣d c o n n e c t e ds y s t e m t h ep 印e re x p a t i a t e das u i t a b l e t o p 0 1 0 舀c a lc o n s 锄c t i o n w 1 1 i c hd o e s n tu s et 量i ei n d u s t r i a 王岔e q 嘲c y 呶l s 如r m e ro r 越g h 一丘e q u e n c yt r a n s f o r m 钉w i t h 传a t u r 姻w k c ht h es m a l ls i z e o wc o s ta n de a s y c o n 打o ls t r a t e 黟n ep a p e rd i s c u s s e d 也ec o n v e r s a t i o no fs i n 百e p h 嬲ee n e 啦 a l s ot h e i n t e 萨s 仃u c l u r eb a s i s e do nd s pm es i n 百e p h a s ep v 鲥d c o n n e c t e ds 蹦锄 t h e 卸t l l o ra n a l y z e ds c v e r a lm e t h o d so fm p p to f 嘶d c o i l l l e c t c ds y s t e m 加l d t l l e 撕t h m e t i co fi n 锨瓶e n t a lc o n d u c t 锄c eh 弱a l s ob e 饥西v 髓t o l em p p to fp v s y s t 唧 i nt h i st l l e s i si ti sd 锄o n s 仃a t e d 廿1 e o r e t i c a i l ym a tm em a x 咖p o w 肾o u t p u t c a nb em a t c h e db ya 由l l s t i n gt h ed u yi 砸oo f t h ed c i cc i f i c u i t t h em a l l i p u l a t i v em o d e lo ft h e s i h 哲e p h a s ep v 鲥d c 0 蛐e c t e ds y s t e l l l s i n v c r t e do u q u ti su p b u i l ta n dal i n do fp v 鲥d c o n l l e c t e df e e d b a c kc i 彻j i tc o n 们l s 臼 a t e g yi sa d o p t e d w l l i c hi se i 帆l a t e d t oe l 洳血a t et l l es h o r t a g em e 硼t h o rp r e s e i l t s 觚i m p r 0 v e ds t r a t e 舒b a s e d0 nd o u b l e l o o p 涨1 1 h c 姗l t a 鹏o fn 坞s i l n u l 嘶o n u s i n gm a t l a bp r o v e d 廿1 cf c a s i b i l i t y 锄dv a l i d i 锣 f 0 rt l l ec i 玳砒o fp v 鲥d c o n 鹏c t i e ds y s t 锄m u s tb et l l es 弧ep h 懿e 锄d 圮 s 锄e q u e n c ya s 吐豫鲥dv 0 妇g e n l es o rp l lb a s c do nd s p i si i l 红硼u c e dt ok e e p t h e 脚e n c y 跹dp h 嬲es y n c i 慨o u st 0n l e 鲥d k e y w o r d s s i 埘e p h 嬲ep v 鲥d c 0 衄c c t e ds 弘t 锄 m a x i n l 哪p o w 贯p o 谳触d d 鸥 d c 1 cd r a u i t h l c 础n e n t a lc o i l d u c t 眦c e p h 弱e l o c k e d1 0 0 p i i 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 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 保密口 在年解密后适用本授权书 不保密 学位论文作者签名 警古自蠢 导师签名 编 诚 签字日期 加艿年 月侈日签字日期 加艿年多月b 日 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进 行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容以外 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 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结果由本人承担 学位论文作者签名 差古嚆 日期 8 年f 月f 多日 江苏大学硕士学位论文 1 1 能源利用情况 第一章绪论 自然界中能源以多种形式存在 l 如生物质能 矿物能源 太阳能 风能 地热水能 海洋能等 世界文明史上 人类不断地从自然界索取 探求适合生存 和发展所需的各种能源 人们利用能源经历了材薪 煤炭 石油三个历史时期 这类常规能源不仅枯竭有期 而且它将引起一系列局部的或全球的环保问题 目 前由于大量使用矿物能源 全世界每天产生约1 亿吨温室效应气体 己经造成极 为严重的大气污染 如果不加控制 温室效应将对人类生活空间产生极大的威胁 因而目前世界上许多国家都在采取措施 积极提高能源效率 改善能源结构 去 探索新能源和可再生能源的利用 2 3 并逐步使其取代常规能源 以减少环境污 染并合理利用资源 世界上新能源和可再生能源现状和发展趋势如下 1 水力发电稳步增长 水力发电虽然破坏土地和水生物栖息地 引起土壤侵蚀和河流淤积 但不排 放c 0 2 在许多情况下 水力发电可与石油 煤炭发电竞争 然而由于水力发电 受电站地址选择 初期投资大 以及环境方面和社会方面等因素的影响 因此水 力资源不可能被全部开发 2 风力发电机装机容量扩大 风力发电装机容量地增长主要在欧洲 近年来 丹麦 印度 中国 新西兰 瑞士 加拿大等国家 都在实施风力发电项目 风力发电主要受土地利用的矛盾 风力对鸟类的伤害 大型风力发电与重要地区人口和工业中心相隔较远等因素的 限制 3 地热 生物质能 海洋能的发电有所增长 潜力巨大 4 太阳能发电兴起 太阳能有以下特点 a 太阳能是一种用之不竭的可再生能源 初始能源成本极低 b 太阳能是一种既不产生环境有害气体 又不释放放射性物质的清洁能源 c 太阳电池及其组件可串并联组合 电源或电站的功率可根据需要从几毫 l 江苏大学硕士学位论文 瓦至几十兆瓦配置 d 晶体硅太阳电池可使用2 0 年以上 而且整个系统没有转动装置 系统寿 命长 可靠性高 使用方便 人类之所以没有大规模利用太阳能资源 是因为开发利用的成本比较高 目 前太阳能发电装置一般都采用非晶硅作为光电转换材料 这种材料比较昂贵 另 外它的光电转换效率只有2 5 左右 再者日光能量密度低 要放置太阳热能收集 器需要巨大的空间 在目前的几种新能源技术中 太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未 来能源 有无尽的潜力 当前 世界上大多数国家都把太阳能的利用作为重点研 究 开发的项目 全球能源专家一直认定 4 太阳能将成为2 l 世纪最重要的能源之一 据欧 洲j r c 预测 到未来的2 1 0 0 年时 太阳能在整个能源结构中将占6 8 的份额 世界观察研究所的一项报告指出 太阳能发电作为新兴的产业正在迅速崛起 太 阳能经济 将成为未来全球能源的主流 实现以 太阳经济 为主的能源转移将创 造新的产业 新的就业机会 就象石油帮助人类形成今天的社会一样 这种新的 能源经济也将创造人类的未来 5 l 太阳能的利用主要有光热利用 光化学利用和光伏利用三种形式 热利用的 主要形式是太阳能热水器 太阳能建筑以及太阳能热发电 太阳能热水器是太阳 能热利用中商业化程度最高 应用最普遍的技术产品 太阳能热发电随着技术的 发展 成本逐渐降低 变得越来越可行 光化学利用主要指 太阳能光合作用 太阳能化学储存 太阳能催化光解水制氢 太阳能光电化学转换等方面的新技术 其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技 术之一 光伏利用的主要形式是光伏发电 有独立供电和并网两种工作方式 其中光伏发电技术近期在世界范围内得到了高速的发展 光伏发电实质上是 利用太阳能级半导体电子器件即光电池有效地吸收太阳光的辐射能 将之直接转 换成电能的发电方式 光伏电池单元是光电转换的最小单元 一般是边长为1 0 1 5 c m 的硅板上形成的半导体的一种 本身产生的电压约低于0 5 v 将电池单元 进行串并联后并封装就成为光伏电池组件 功率一般在几瓦 几十瓦甚至数百瓦 再将这样的光伏组件按需要进行串并联 就形成了光伏阵列 这样才能具有实用 2 江苏大学硕士学位论文 的功率等级 在此基础上 再加上电能变换装置就构成了具有实用功能的光伏发 电系统 1 2 光伏发电的技术的发展 法国科学家e d m o n de c q u e r e l 于1 8 3 9 年第一次发现了光伏效应现象 6 胴 他发 现某些材料在阳光照射下能够产生很小的电流 但在此后的几十年中 人们只是 对此感到好奇 直到1 9 世纪7 0 年代 赫兹在固体硒材料上研究了光伏效应 制成 的光伏电池的转换效率达到了1 2 很快这种光伏电池便被用作照相器材的测 光装置 1 9 5 4 年 贝尔实验室的科学家们第一次用晶体硅材料制成了光伏电池 光电转换效率达到了4 始于5 0 年代的空间发展计划成为光伏发电技术的第一 个主要应用对象 而且光伏技术的发展也成为整个空间技术发展计划的一部分 对光伏技术的发展起到了巨大的推动作用 今天 几乎所有的人造卫星都是靠光 伏电池供电 包括通讯卫星 军事卫星和科学实验卫星 计算机工业特别是半导 体晶体管技术的发展同样对光伏电池的发展起到了积极的推动作用 制造光伏电 池同制造晶体管所用的材料差不多 而且它们的工作原理也很相似 以往晶体管 技术的发展往往为光伏技术的发展提供新的思路 而现在半导体工业也时常采用 光伏技术的研究成果 尽管有了很大的发展 到7 0 年代 对大多数地面应用来说 光伏发电技术的 成本仍然太高 7 0 年代中期爆发的世界范围的能源危机使能源价格上升 引起人 们对光伏发电技术新的兴趣 从那以后 各国政府和工业界的研究机构投入了大 量的资金和人力加强光伏发电技术的研究和开发 太阳能光伏发电技术从此开始 了其快速发展 太阳电池的研究在提高效率和降低成本两个方面都取得了较大进 展 晶体硅光伏电池的效率从7 0 年代末的不到9 发展到9 0 年代的1 4 以上 而 同期的光伏电池的价格则由每峰瓦2 7 美元下降到5 美元以下 在光伏电池的研究 方面 各国科学家和研究人员不断的发展一些新材料和新技术 提出的工艺 使 得新型太阳能电池层出不穷 目前实验室条件下太阳能电池的最高转换效率己经 超过3 0 太阳电池效率的提高和价格的降低极大的推动了太阳能光伏发电技术 的应用 除了继续在空间电源中占据主导地位外 光伏电池的地面应用也越来越 广泛 由开始时的海上导航 牧区电围栏 交通信号灯等特殊应用 逐渐发展到 3 江苏大学硕士学位论文 微波通讯电源 石油管道阴极保护 村用电站甚至到太阳能屋顶和大型兆瓦级并 网光伏电站 1 3 光伏发电并网的发展 过去 由于太阳电池的生产成本居高不下 光伏发电大多作为专用的独立运 行系统应用在如航天 边防海岛 或是边远地区的示范工程等 但是近年来 新 型光伏材料的出现 产品价格的不断下降 转换效率的提高 电力电子器件的高 频化 高性价比微处理器的推出 先进控制策略的应用 使得光伏并网技术的研 究和推广日益受到重视 光伏产业发生了巨大变化 已经开始向并网发电转变 并网发电已经成为光伏发电的发展趋势 并网发电开始于8 0 年代初 但由于当时成本过高 且环境效益还不是很明 显 使得电力公司难以接受 为缓解能源危机 大力利用太阳能 推动光伏发电 的迅速发展 西方 些发达国家纷纷出台有关政策 法规来扶持光伏并网产业 1 9 9 9 年以来在世界各目8 9 1 们 尤其是美国 日本 德国等发达国家先后发起的 大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下 世界光伏产业以每 年3 0 以上的增长率保持着高速发展 是一个比i t 发展还快的产业 作为一种 可再生的清洁能源 光伏发电将在2 1 世纪前半期超过核电成为最重要的基础能 源之一 如德国 可再生能源电力供应法 中规定2 0 0 0 年开始执行光伏发电上 网电价0 9 9 马克厥w h 的优惠政策 日本早在1 9 9 4 年就开始实施 新阳光计划 目前已安装近7 万个太阳能屋顶 预计到2 0 1 0 年要安装1 0 0 万个太阳能屋顶 美国于1 9 9 7 年提出 百万太阳能屋顶计划 规划到2 0 l o 年为1 0 0 万个家庭安装 太阳能屋顶 每个光伏屋顶将有3 5 千瓦光伏并网发电系统 英国 可再生能源 法 于2 0 0 2 年初生效 该法强制所有电力供应商要在三年内用可再生能源提供3 以上的电力 2 0 1 0 年可再生能源电力要达到1 0 4 意大利2 0 0 1 年开始实施 光伏屋顶计划 政府配套2 8 0 0 万美元资金 补贴达7 5 等等 在我国 国家科技部己作出相应规划 有步骤地推进相关的科技创新研究 示范及其产业化进程 中国拟在建项目网2 0 0 5 年1 0 月3 1 日消息 上海 可再生 能源发展行动计划 即将推出 根据这一计划 可再生能源如风能和太阳能成了 十一五规划 重点支持产业 风能和太阳能将成为该市 十一五 期间的新能源 4 江苏大学硕士学位论文 新方向 上海市政府联合众多太阳能知名企业启动了 十万屋顶光伏发电计划 拉开了国内太阳能发电大规模应用的序幕 随即 由尚德太阳能电力有限公司承 建的无锡市政府4 0 千瓦屋顶光伏并网发电系统也吹响了江苏 一千个屋顶光伏 发电工程 的号角 这些工程的启动实施 将在一定程度上代表国际上最先进的 用能方式 并将直接影响到我国未来能源利用的发展方向 上海 江苏等地区推 行 太阳能屋顶工程 近日 国内首度引进总投资6 0 亿的第二代太阳能光伏技 术落户山东 2 0 0 8 年北京绿色奥运部分用电也将由太阳能发电提供 中国普及 光伏并网发电系统已拉开序幕 在整个长三角地区 光伏电池产业都正在形成一个发展高峰 2 0 0 6 年5 月 国内最大的硅片加工企业河北晶龙集团在上海投资2 0 亿元建设太阳能科技产业 园 其中包括4 条2 5 兆瓦的太阳能电池片生产线 2 0 0 6 年底 一个总投资3 0 0 0 万美元的太阳能电池生产基地在南京试产成功 之前 江苏已有无锡尚德 林洋 新能源 苏州阿特斯 常州天合4 家光伏企业在美国上市 其中无锡尚德早已跻 身世界光伏行业前十强 占了全国太阳能电池总产能的6 0 同时 江苏大全 温州正泰等企业也纷纷高调进入光伏电池产业 光伏电池产业一时成为新能 源产业阵营新的发展方向 在今年全国人大会议上 为更好的发展和利用太阳能 缓解和解决当今及今 后我国的资源和能源紧张问题 全国人大代表提交了 关于修改 可再生能源法 以促进太阳能应用的议案 一个非常活跃的新能源产业以及与此相关的产业链 正在形成一个巨大的新能源经济 常规能源经济最终将让位于新能源经济 新能 源不仅能解决常规能源的污染 不可持续的问题 还能带动产生一种全新的经济 模式 成为新的经济增长点 1 4 分布式发电并网标准 随着分布式并网发电系统的增加 它们在一定程度上改变和影响了电网及其 调节能力 因此 国际上相关部门针对分布式并网发电系统制定出了一系列的技 术尺度和并网要求 2 0 0 3 年6 月 由标准制定委员会2 l s t 锄d 莉sc 0 0 r d i n a 血g c o 删 i l i t t 2 l s c c 2 1 发布的i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 是第一个规范燃料电池 光 伏系统 分布式发电装置 能量储存设备这类分布式电源系统并网的标准 该标 5 江苏大学硕士学位论文 准考虑的是容量不超过1 0 m v a 工作频率为6 0 h z 的分布式发电系统 1 所 以针对中国的5 0 h z 市电研究 将根据该标准按比例修改后作为参考 标准中以6 0 h z 分布式发电系统为对象 得到表中的频率异常范围和响应时 问 6 0 h z 下的系统正常范围是5 9 3 6 0 5 h z 根据功率情况又分为两类 如表 1 1 所示 表1 1 并网系统频率异常响应时间 分布式系统容量频率范同 h z 响应时间 s 6 0 5d r l 6 s 3 0 k w 6 0 5o 1 6 3 0 k w 5 9 8 5 7 o 0 1 6 到3 0 0 可变 5 7 oo 1 6 并网系统不允许对电网造成污染 所以对并网电流要求入表1 2 所示 表1 2 并网电流谐波指标 奇次谐h l l l l h 1 71 7 h 2 32 3 h 5 0 0 1 5 0 0o 2 51 5 1 5 0 0 l o o o oo 1 31 0 1 5 本课题的主要内容 目前对光伏并网系统的研究 大多是针对大中型光伏并网电站或是对小区成 套光伏屋顶 一般以单相光伏发电并网系统为研究对象 此光伏并网系统 也就 是本文所称的单相光伏并网系统 这种系统应该是小功率 小体积 低噪声 性 6 江苏大学硕士学位论文 能可靠 研发这种系统的目的 也就是为了推广光伏技术的产品进入千家万户 随着太阳能技术的发展 光伏电池的价格下降到适中位置 太阳能产品将以其节 能环保的优势 成为一种广为普及的太阳能利用方式 本文的主要任务正是基于 上述目的 1 研究了单相光伏电路拓扑型式 对单相能量变换进行分析研究 对特 定的研究对象 单相光伏发电并网系统 对其d c d c 级及d c a c 级主电路 结构进行了详细分析 2 对现有的最大功率点跟踪方法进行分析研究 采用既满足快速性又有 相当精度的电导增量算法实现太阳能电池的最大功率点跟踪 理论上证明光伏电 池阵列的后级d c d c 升压电路中 可以通过占空比的调节 改变光伏阵列输出 功率 从而跟踪光伏电池最大输出功率 3 建立了逆变输出级控制模型 采用电流型并网控制方案 并用m a t l a b 进行仿真 对单电流环控制方式存在的不足 采用了双环控制的改进方案 其仿 真结果验证了该方案的有效性和可行性 对电网电压作为并网系统的扰动量采用 了前馈补偿 4 对光伏并网系统的电网电压可靠快速地实现同步锁相 本文分析了软 件锁相环算法 给出基于d s p 的锁相方案及程序流程图 7 江苏大学硕士学位论文 第二章单相光伏发电并网系统的分析 2 1 单相光伏发电并网系统的主电路结构 光伏并网系统的主电路结构 1 刁主要有三种 如下图2 1 工频变压器绝缘方 式采用p w m 逆变器产生工频交流 再利用工频变压器进行绝缘和电压变换 因 为采用工频 故变压器比较笨重 高频变压器绝缘方式虽小而且重量轻 但是线 路及控制方式复杂 无变压器方式小巧 重量轻 成本低 可靠性高 但是与电 网没有绝缘 d c a c 一一协一h i 高频逆变器 高频变压器 高频逆 叟器 光伏电池阵列 b 高频变压器绝缘方式 d c d cd c a c 光伏电池阵列 c 无变压器绝缘方式 图2 1 光伏发电系统主电路结构 2 2 单相光伏发电并网系统的调度方式 根据是否带有储能装置来分 光伏并网系统分为可调度式和不可调度式两种 并网方式 如图2 2 图中电能转换的主电路结构采用的是无变压器方式 1 可调度式光伏并网系统 系统带有蓄电池作为储能环节 因为有蓄电池的存在 该类并网系统可通过 8 江苏大学硕士学位论文 开关切换于多种运行方式 整个系统可起到能量调节器 有源滤波器和不问断电 源的作用 正常情况下 d c d c 级不仅向逆变级电路提供直流电源 同时还向蓄电池 充电 逆变级将直流电能逆变成交流电能送入电网 在电网负荷增加时 可调度式光伏并网系统根据运行需要 增加电网电流 由光伏电池和蓄电池共同起调峰作用 当电网失电时 装置按优先级别跳闸断开不重要负载 光伏电池和蓄电池组 提供的直流电能仍通过逆变器为重要负载供电 起到了不间断电源 u p s 的作 用 作为电网终端的有源无功补偿器 稳定电网电压 同时亦可抵消有害高次谐 波分量以提高电网质量 1 3 上 圈鼍 d 啷d a a c 变频器 工 逆变器 茸厶二扛r b 珏h 蓄电池 a 可黻 d 锻d 嗍 l 电网 变频器逆变器 肉 k 伴南 i 电容 b 不可调度式 图2 2 可调度式与不可调度式光伏并网系统 2 不可调度式光伏并网系统 系统通过d c d c 变换器将太阳能电池产生的直流电能斩波成适于光伏逆变 的直流电压后 直接经d c a c 变换成与电网频率一致的交流电能送到电网 9 江苏大学硕士学位论文 当光伏并网系统产生的交流电能超过本地负载所需时 超过部分送给电网 而产生的电能不足以供本地负载时 由电网自动向负载提供补充电能 当光伏电池输出功率低子某值乃至停止时 通过运行方式的改变 逆变器可 继续对电网进行无功补偿 而不用解列 当电网故障或维修时 只要电网失去电压 逆变器立即停止工作 而且必须 通过跳闸装置使逆变器 电网和负载三者电气断开 光伏并网系统不再向电网和 负载提供电能 出于安全的考虑 这一点是必需的 一方面是出于对电网侧检修 人员的安全考虑 在电网失电后 光伏并网系统必须跳闸与电网隔断开 另一方 面 在设计不可调度式并网系统时 是基于该系统作为一种节能装置 作为电网 的有效补充 其功率一般不足以带全部的本地负载 如果电网失电后 该装置不 及时地与负载断开 则会出现严重过负荷的情况 对系统本身是极为不利的 有 可能引发电气火灾事故 所以电网失电后 不仅是与电网断开 还必需及时与负 载断开 2 3 单相能量变换的分析 目前国内并网型逆变器的研究主要集中于d c d c 和d c a c 两级能量交换 的结构 如图2 3 而且研究主要围绕集中型展开 其中 d c d c 变换环节调 整光伏阵列的工作点使其跟踪最大功率点 d c a c 逆变环节主要使输出电流与 电网电压同相位 同时获得单位功率因数 由于d c d c 变换环节和d c a c 逆变 环节具有独立的控制目标和手段 两部分可以分开设计 系统前后级之间耦合不 紧密 因此系统的控制环节比较容易设计和实现 由于单独具有一级最大功率跟 踪环节 系统中相当于设置了电压预调整单元 系统可以具有比较宽的输入范围 同时 最大功率跟踪环节的设置可以使逆变环节的输入相对稳定 而且输入的电 压较高 这样都有利于提高逆变环节的转换效率 l o 江苏大学硕士学位论文 图2 3 两级能量变换结构图 2 3 1 单相能量变换的理论分析 单相并网光伏能量变换环节的结构如图2 4 所示 假设滤波电感 滤波电容 以及逆变电路的损耗忽略不计 忽略滤波电感的等效串联电阻 光伏阵列向本地 负载和电网供叫1 5 1 p 弓 只 鼻 兰二掣 二 2 1 其中 p 为光伏阵列的输出功率 曰为负载消耗的功率 只为向电网输出的功率 为电网电压k 的幅值 为并网电流 的幅值 口为电网电压屹与并网电流i 之间的相位差 假设负载消耗的功率和电网电压的幅值保持不变 从式2 1 中可知 并网电流 t 可被调制成正弦波并且和电网电压同相 因此系统的功率因数近似为 1 o 同 时从公式2 1 中还可看出通过调制并网电流t 的幅值能够控制光伏阵列的输出功 率 因此单相能量变换能够实现最大功率跟踪功能 江苏大学硕士学位论文 图2 4 单相能量变换结构图 综上所述 单相能量变换结构的并网光伏逆变器的控制目标为 控制逆变电 路输出的交流电流为稳定的 高品质的正弦波 且与电网电压同频 同相 同时 希望通过调节输出电流的幅值使光伏阵列工作在最大功率点附近 我们这里选择 并网逆变器的输出电流作为被控制量 并网逆变工作方式下的等效电路和电压电 流矢量图如图2 5 示 图中t 为电网电压 t 为并网逆变器交流便 l 电压 为电 感电流 因为并网逆变器的输出滤波电感的存在使逆变电路的交流侧电压与电网 电压之间存在相位差 蚓 口莱 6 圪 一 一 io 图2 5 网逆变器等效电路图和电压 电流矢量图 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 逆变部分分析 脉冲整流器是应用脉宽调制技术 p w m 发展起来的一种新型电源变流器 1 7 1 脉冲整流器既可以将电网输入的交流整流为输出的直流 也可以方便地将 直流逆变为交流 回馈到电网中 从广义上讲 脉冲整流器的功能特点在于交流 侧的瞬时电流波形可以动态地跟踪控制给定信号的变化 控制给定信号可以为正 弦 也可以为非正弦 其相位可以在0 士1 8 0 0 之间变化 因此 通过对电压型 脉冲整流器进行合适的控制 可使交流侧电流波形接近正弦 功率因数为 1 0 而且电流幅值 相位在一定范围内连续可调 这些特点都满足单相并网型逆变器 的要求 对于单相并网型逆变器 电压型脉冲整流器应工作在有源逆变的状态 且其 功率因数应为 1 o 以保证不对电网造成污染 其矢量图如图2 5 所示 当电网电 压 一定时 若控制 j 沿a b 线调节 则从矢量图中可以看出电感电压矢量 善 砟 歹国三c9 0 滞后电网电压矢量t9 0 并网输出的电流矢量 滞后电感电压 归 7 9 0 0 即滞后电网电压矢量v 1 8 0 0 从而实现无污染的并网输出 同时 沿a b 线调节电网电压矢量v 即可以改变电感电压矢量 础 的幅值 进而改 变并网电流的幅值 从公式2 1 可知 改变并网电流的幅值 即可以达到调节光 伏阵列输出功率的目的 脉冲整流器的交流侧储能滤波电感的取值大小至关重要 取值较大有利于电 能转换及并网电流的滤波 但是成本 体积都相应的增加且电感上的压降也增加 电感的压降增加则直接影响脉冲整流器向电网逆变的效率 或同等功率下不得不 增大脉冲整流器主开关管的电流容量 从而使得整体成本增加 可靠性降低 取 值较小 电感上的压降减小价格降低 但并网电流的谐波增加 因此对于滤波电 感的取值应综合考虑电感上的压降 并网电流的谐波和制造成本等因素 2 3 3 逆变部分控制分析 单相并网逆变器中逆变部分控制的关键量是矢量图2 5 中的 根据矢量图可 知 可以通过对1 乙的控制以完成对艺的控制 或者直接对艺进行控制 完成对 1 3 江苏大学硕士学位论文 交流侧电流 功率因数的控制 因此就存在间接电流控制和直接电流控制两种电 流控制方式 1 间接电流控制 1 s 亦称幅相控制 是基于稳态的电流控制方法 根 据稳态电流向量的给定 p w m 基波电压向量的幅值和相位 分别进行闭环控制 进而通过s p w m 电压控制实现对并网电流的控制 虽然简单且不需检测并网电 流 但动态响应慢 存在瞬时直流电流偏移 尤其是瞬态过冲电流几乎是稳态值 的两倍 从稳态向量关系进行电流控制 其前提条件是电网电压不发生畸变 而 实际上由于电网内阻抗 负载的变化以及各种非线性负载扰动等情况的存在 尤 其是在瞬态过程中电网电压的波形会发生畸变 电网电压波形的畸变会直接影响 着系统控制的效果 因此间接电流控制方法控制电路复杂 信号运算过程中要用 到电路参数 对系统参数有一定的依赖性 系统的动态响应速度也比较慢 2 直接电流控制 通过运算求出交流电流指令 再引入交流电流反馈 通过对交流电流的直接控制 使其跟踪指令电流值 根据直接电流控制的概念 对于并网型逆变器来说为了获得与电网电压同步的给定正弦电流波形 通常用电 网电压信号乘以电流有功给定 产生正弦参考电流波形 然后使其输出电流跟踪 这一指令电流 具有控制电路相对简单 对系统参数的依赖性低 系统动态响应 速度快等优点 电流滞环控制的突出特点是控制简单 用模拟器件很容易实现 当功率器件的开关频率很高时 响应速度非常快 并且对负载及电路参数的变化 不敏感 电流滞环控制通过反馈电流与给定的参考电流相比较 当反馈电流低于 参考电流一定差值时 调节主电路功率开关的状态使系统的输入侧电流增大 反 之 当反馈电流高于参考电流一定差值时 调节主电路功率开关的状态使系统输 入侧电流减小 通过这样不断的进行滞环比较调节 保证输入侧电流始终跟踪给 定电流 且处于滞环带中 p i 电流控制方法将反馈电流与给定信号相比较 经p i 调节器输出与载频三角 波比较产生p w m 开关信号 此方法的电流控制精度有很大的局限性 尤其是会 产生电流相移 对功率因数不利 电流反馈需要加滤波环节以保证其谐波成分远 比三角波频率低 综合以上几种电流控制方法的分析 结合本课题的需要以及参考国外相关产 品的介绍 选用电流滞环控制作为逆变部分的控制方式 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 4 基于d s p 的单相光伏发电并网系统整体结构分析 单相光伏并网系统应具有结构简单 小体积 低噪声 性能可靠 使用安全 方便等特点 本文采用了如图2 6 所示的单相光伏并网系统整体结构 该系统具 有以下特点及功能 1 选用不可调度式光伏并网系统 主电路中不含有蓄电池环节 因为蓄 电池组的寿命较短 目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常估计为5 7 年 而光伏阵列稳定工作的寿命则在2 5 3 0 年左右 蓄电池组的价格在目前 仍相对昂贵 在整个系统中占到4 0 的投资 蓄电池组需占用较大空间 对于用 户是难以接受的 有潜在的污染 若有壳体破裂 则会泄漏出腐蚀性液体 且报 废的蓄电池必须进行后处理 否则将会造成铅污染 所以本逆变系统选用不可调度式光伏并网系统 2 为了便于研究分析 电能变换主电路不采用体积笨重的工频变压器方 式 也不采用线路复杂的高频变压器方式 而是采用无变压器方式 见图2 6 图2 6 单相光伏并网系统整体结构 1 5 江苏大学硕士学位论文 本系统d c d c 级采用简单实用的b o o s t 升压电路 该级电路有两个功能 一是将光伏阵列的直流电压升压后送至后级逆变环节 二是由于光伏电池功率输 出的非线性 为了最大程度上利用光能 要在该级变换中实现最大功率点跟踪 m p p t 的功能 通过调节占空比来实现 在这一级不进行d c d c 输出稳压 控制 3 逆变电路采用了通用的全桥逆变电路 可以在较大输入电压范围内工 作 在这一级将前级送来的直流电能通过s p w m 调制成与电网电压同频同相的 交流电流形式送入电网 在该逆变环节 输入侧采用电压方式 而输出控制上 由于电网电压可视为无穷大的定值交流电压源 如果光伏并网逆变器的输出采用 电压控制 实际上就是一个电压源与电压源并联 这样有可能出现环流等问题 而采用电流控制方式 则只要控制逆变器的输出电流跟踪电网电压 控制方式比 较容易操作 单相光伏并网系统是一种单相小功率的并网装置 考虑该系统的无 功补偿功能无实际意义 所以本文不讨论无功补偿及谐波抑制问题 控制方案的 选取时也不作考虑 4 以高性价比的数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的并网控制子系 统 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为d s p 控制器2 4 x 系列的新成员 在与现存2 4 x d s p 控制器芯片代码兼容的同时 该芯片具有处理速度更快 4 0 m 胞 外设集成度 更高 程序存储器更大 a 巾转换速度更快等特点 该芯片可以很好地满足对单 相全桥进行实时控制的要求 19 1 该子系统完成以下任务 采集直流 交流侧电压及电流等模拟量用于监测和控制 接受按键送来指令完成调整给定值等功能 向d c d c 级驱动电路提供用来跟踪最大功率点的占空比信号 向d a a c 级驱动电路提供用软件产生的s p w m 信号 根据指令和保护设定向继电器驱动板提供吸合和开启的控制信号 提供各电流电压信号的显示 各种保护状态显示 1 6 江苏大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章研究了单相光伏发电电路拓扑型式 分别对几种电路进行分析说明 针 对特定的研究对象 单相光伏发电并网系统 通过对单相能量变换分析 对其 d c d c 级及d c a c 级主电路结构进行了研究 并对基于d s p 的单相光伏发电 并网系统整体结构进行分析 1 7 江苏大学硕士学位论文 第三章最大功率点跟踪的实现 由于光伏阵列的最大功率点是一个变量 在日照强度 温度等条件变化时 其输出功率也在变化 因而要对太阳能电池进行最大功率点跟踪 m p p d 以提 高转换效率 3 1 光伏电池的基本特性 3 1 1 光伏电池的等效电路及输出特性 光伏电池的基本特性 2 0 2 1 和二极管类似 等效电路 2 2 f 2 3 如图3 1 i 图3 1 光伏电池的等效电路 在忽略光伏电池内部的小串联电阻和并联电阻后 电流电压特性可表示为下式 m 一乞 唧陆n 皿 h 一半 c 3 叫 舯l 阡冲 鲁睇 垫 业二剑允 暑 1 0 0 其中 和y 分别为光伏电池的输出电流和电压 乞为太阳能电池反向饱和电 l g t fl y lll 江苏大学硕士学位论文 流 g 为电子电荷 k 为波耳兹曼常数 r 为太阳能的绝对温度 k o 0 0 1 7 为 短路电流温度系数 力为太阳辐射度 l 为光生电流 为硅的能带 b a 1 9 2 为理想因数 霉 3 0 1 1 8 k 为参考温度 l 为参考温度下的饱和电流 如为并 联电阻 足为串联电阻 光伏电池阵列的几个重要技术参数 1 短路电流 l 在给定日照强度和温度下的最大输出电流 2 开路电压 吃 在给定日照强度和温度下的最大输出电压 3 最大功率点电流 i 在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的 电流 4 最大功率点电压 圪 在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的 电压 5 最大功率点功率 只 在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大 功率 且有己 圪 i 太阳能电池是一个既非电压源也非电流源的非线性直流电源 光伏电池的 卜 v 输出特性及p v 输出特性 矧如图3 2 从中可以看出 特性具有强烈的非 线性 图3 2 光伏电池的i v 及p v 特性示意图 1 9 江苏大学硕士学位论文 3 1 2 日照强度对光伏电池输出特性的影响 由等效电路图和式 3 1 可知日照强度和电池结温是影响光伏电池阵列功 率输出的最重要参数 日照强度在极大的程度上影响光伏电池阵列的输出电流 2 5 2 6 1 图3 3 给出了不同日照强度下典型的i v 和p v 特性 4 3 5 3 2 j 2 i 5 i o 5 o 7 0 6 0 5 0 4 0 山 3 0 2 0 i o o v v v v 图3 3 不同日照强度下光伏电池i v 争p v 特性 太阳能电池的效率是按太阳能电池的输出功率与投射到太阳能电池面积上 的功率g 之比定义的 其值输出功率取决于工作点 它在o p 之间变化 通常采 用效率最大值作为太阳能电池的效率 刀 p 争 学 c 3 刊 从图中可以看出 在不同的日照强度下 短路电流匕的变化幅度比较大 而开路电压名的变化幅度很小 g 与日照强度谚成正比 可简化为乞 i m 吃 匕 厶 g o 所以式3 4 可简化为 7 7 7 肘 半 三 3 3 7 7 7 柳 言l 2 厶一 3 3 即太阳能电池的效率仅是随日照强度的变化而轻微变化 它们的关系是近似 的对数关系 江苏大学硕士学位论文 3 1 3 太阳能电池温度的影响 太阳能电池的输出特性随环境温度的变化而变化 在同一日照强度下 太阳 能电池在环境温度不同时其i v 特性如图3 4 所示 太阳能电池具有负温度系数 即太阳能电池的效率和它的温度有关 随着温 度上升光伏电池开路电压 下降 短路电流略增大 总体效果会造成光伏电池 的输出功率下降 太阳能电池效率随之下降 近似为温度每升高1 0 时 其效 率降低约5 4 3 5 3 2 5 s 2 1 5 l o 5 o 51 01 5 2 0 2 5 v v 8 0 7 0 6 0 5 0 山4 0 3 0 2 0 1 0 o 图3 4 不同温度下光伏电池i v 和p v 特性 3 2 太阳能电池最大功率点跟踪方法 太阳能电池阵列的i v 特征曲线在很大程度上受日照强度和温度的影响 系 统工作点也会因此摇摆不定 这必然导致系统效率的降低 为此 太阳能电池阵 列必须实现最大功率点跟踪控制 以便阵列在任何辐照度和环境温度下获得最大 功率输出 随着光伏发电系统的日益普及 光伏系统较高的造价和仍处于较低的 转换效率是的m p p t 技术的研究愈发重要 m p p t 的实现有定电压跟踪法 功率 回授法 扰动观测法 间歇扫描法 增量电导法 最优梯度法和遗传算法等方法 2 7 2 8 2 9 3 0 1 下面介绍几种常用的最大功率点跟踪方法 1 定电压跟踪法 从图3 3 可以看出 在不同的日照强度下 各曲线的最大功率基本是分布在 条垂直线的两边 大致对应于某个恒定电压 加 这实际上简化了m p p t 的控 制设计 把m p p t 控制简化为稳压控制 2 l 江苏大学硕士学位论文 一般硅型光伏阵列的开路电压都会受到结温度的影响 在同样的光照强度下 最大功率点还会受到温度的影响 在光伏阵列的功率输出随着温度变化的情况 下 如果仍然采用恒定电压跟踪控制策略 阵列的输出功率将会偏离最大功率输 出点 产生比较大的功率损失 特别是在有些情况下 光伏阵列的结温升高比较 明显 导致阵列的伏安曲线与系统预先设定的工作电压可能不存在交点 那么系 统将会产生振荡 对于那些一年四季或者每天晨午温差比较大的地区 温度对整 个光伏阵列的输出将会产生比较大的影响 如果仍然采用控制策略就只能通过降 低系统的效率来保证其稳定性 因为该法简单可靠 易实现 系统具有很好的稳定性 可以方便的通过硬件 实现 早期多采用这种方法 随着电力电子技术的发展 此方法逐渐被新的方法 取代 2 功率回授法 功率回授法基本原理就是通过采集太阳能电池阵列的瞬时直流电压值和直 流电流值 计算出输出功率p 然后由当前计算出的输出功率册前一次计算所 得的输出功率p 相比较 最后通过比较的结果来调整太阳能电池阵列的输出电压 值 从图3 2 中太阳能电池p v 关系曲线可以看出 同一输出功率尸值下太阳能电 池阵列输出电压不唯一 图3 5 为功率回授法控制原理图 图3 5 功率回授法控制原理图 因此本方法宣设计成单值控制模式 即仅以p v 关系曲线顶点一侧为控制范 围 基于以上原因本方法可靠性和稳定性均不佳 但是系统简单 易实现 3 扰动观察法 扰动观察法也是常用的方法之一 扰动观察法的基本原理 先给出一个扰动 恸阢再测量太阳能电池阵列输出功率的变化 与扰动之前其输出功率值相比 江苏大学硕士学位论文 若功率增加 表示扰动方向正确 可继续朝同一方向扰动 若功率减少 表示扰 动方向错误 可按彳功向扰动 经过大量的实验得出最大功率点对应的输出电 压近似为太阳能电池阵列开路电压的7 6 因此系统的初始值根据阵列的开路电 压选择可以使系统的工作点快速接近最大功率点 扰动观察法的程序框图见图 3 6 图3 6 扰动法流程图 这种方法的最大优点就是结构简单 被测参数少 跟踪原理明了 易于实 现 是广泛使用方法之一 但此此方法也具有以下两个缺点 一是因为扰动值4 u 是一个确切的值 这种设定难以兼顾系统的动态性和 稳定性 当彳u 设置过小 m p p t 步长会使到达最大功率点的时间增加 且导致 系统的动态响应速度变慢 但如果4 u 设置过大 则使太阳能电池输出的能量波 动较大 影响系统的稳定性能 同时4 u 过大会使系统扰动幅度过多 导致平均 输出功率将远小于太阳能电池提供的最大功率而损失部分能量 江苏大学硕士学位论文 二是在外界环境快速变化的情况下 扰动观察法可能会引起误判 导致系 统工作点远离太阳能电池的最大功率点 即使到了最大功率点 扰动仍在 在最 大功率点附近振荡运行 导致部分功率损失 而且跟踪过程可能出现失序的情况 进而导致跟踪失败 因此这种方法不适用在环境快速变化的情况下运行 4 间歇扫描法 这种方法的思想是定时扫描一段阵列电压 同时记录下不同电压下对应的电 流值 经过比较不同点的太阳电池阵列的输出功率就可以方便地得出最大功率 点 而不需要一直处于搜寻状态 这种间歇扫描方法测定所需要的时间只是毫秒级 5 10 1 1 1 s 而定时扫描的时 间间隔可以放宽至秒级 通过扫描计算出在该日照及温度条件下的最大功率及其 相应的电压 并实时控制p w m 的输出以使系统工作在与该 相应的工作点 上 这种方法一般不会产生振荡 在太阳电池阵列容易产生遮挡的应用中 如光 伏建筑 太阳能汽车 太阳能游艇等 这种m p p t 方案具有较高的应用价值 这种方案的