【毕业学位论文】基于太阳能光伏发电并网系统的研究-电力电子与电力传动

西南交通大学硕士学位论文基于太阳能光伏发电并网系统的研究姓名：闫士职申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：郭世明20090501西南交通大学硕士研究生学位论文 第随着全球环境污染和能源短缺问题的日益严重，寻找新能源已经是各国不得不面临的现实。众所周知，太阳能是当前世界上最丰富、最清洁、最有大规模开发利用前景的可再生能源之一，其中光伏发电越来越受到人们的认可和关注。在近些年来，光伏发电并网技术成为了光伏发电应用的主流。为此，本文对光伏发电并网系统进行了详细介绍，并对并网控制方法进行了相关研究。本文研究的对象是完整的光伏并网发电系统，着重对三相光伏并网系统进行了全面的分析。对并网系统的主电路拓扑、控制策略、系统参数选择、最大功率点跟踪等几个方面做了详细的分析和仿真实验。首先，概述了太阳能利用的意义和广阔前景，给出本课题的主要研究内容。接着简要的介绍了太阳能光伏发电系统分类和组成。其次，阐述了三相光伏发电并网的控制目标，给出并网运行时必须满足的条件。通过分析比较当前流行的几种逆变电路的控制方法之后，本文采用基于过过仿真验证了此控制方法的可行型。并且分析了影响纹波电流大小的主要因素。最后对光伏电池的原理和工作特性进行了简要的分析。用方框图表达了几种常用的最大功率跟踪的控制方法。文本选择扰动观测法作为最大功率跟踪的控制方法。通过过仿真结果可以得出此方法可以较好的跟踪光伏电池最大功率工作点。并且本文还验证了通过改变不同的扰动步长对跟踪效果的影响。论文最后对所取得的成果进行了总结，并给出了作者的一些建议，同时也对光伏发电技术进行了展望。关键词： 三相光伏并网；逆变控制器；最大功率跟踪；仿真实验西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 a of a is a t is is of n of V V he of is a V on of he of is in of of of is V V of is is to he is of to an V at he on 1I by up V V 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。本人授权两南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行榆索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1保密口，在 年解密后适用本授权书；2不保密既使用本授权书。(请在以上方框内打“4)学位论文作者签名：川莎乒 扦卉师，丁掷守导期指日西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本论文的创新点： 在光伏发电广泛应用的今天，研究三相光伏发电并网系统，采用基于过仿真实验取得不错效果。并对影响并网电流纹波的因素进行了一定的分析。在跟踪最大功率方面，应用扰动观测法进行功率的控制，采用不同的扰动步长进行仿真实验，并取得了较好的跟踪效果。闭士职1；西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页第一章 绪论弟一早 珀下匕11太阳能光伏发电研究的意义在人类文明的历史长河中，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，能源的利用水平折射出人类文明的前进步伐。从原始社会开始，由地球在长达50万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40年左右，天然气约60年，煤大约200年。全球能源消耗的年增长率约为2，近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计：到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。常规能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。到20世纪末人们开始意识到：由于每年燃烧常规能源所产生的经使地球严重污染，而且目前02造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖15-45。C，最严重的后果是海平面将上升25-145厘米。沿海低洼地区将被淹没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。此外，大量燃烧矿物燃料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田。目前全球已有数以千计的湖泊酸性度不断提高，并己接近鱼类无法生存的地步。酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀金属结构，甚至进入了饮用水源，释放出潜在的毒性金属(如镉、铅、汞、锌、铜等)，威胁人类健康。人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的反差。这些都促使人们必须去开发新的能源。因此自然能发电技术的应用受到越来越普遍的重视，洁净广泛的太阳能正适合于作为可再生的替代能源。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比是最理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。因为它具有以下的特点：(1)储量丰富。太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳每秒钟辐射的能量大约是161023中到达地球的能量高达8牛1013 2页燃烧6水109吨标准煤。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合成标准煤约1892木106亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能储量是无限的，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏枯竭的最有效途径。(2)清洁性和经济性。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用几乎无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气，加之储量的无限性，是人类理想的替代能源。(3)分布范围广泛。纬度的不同和气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。太阳能的开发利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域。除此之外还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀茵技术等。这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广并且成效显著。以光伏电池技术为核心的光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用光伏发电，具有明显的优点：(1)结构简单，体积小且轻。(2)容易安装运输，建设周期短。(3)维护简单，使用方便。洁、安全、无噪声。(5)可靠性高，寿命长，并且应用范围广。12国内外研究的现状太阳能光伏发电产业是20世纪80年代以来世界上增长最快的高新技术产业之一。目前国际上对太阳能资源已经十分重视。20世纪70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。利用太阳能发电的光伏发电技术被用于许多需要电源的场合，上至航天器，下至儿童玩具，光伏电源无处不在。西方一些发达国家纷纷出台有关政策和法规来扶持光伏并网产业。1990年德国率先提出并实施“一千屋顶计划999在居民住宅屋顶上安装太阳能并网发电系统。由于采取了一些优惠政策，项目结束时共安装153页阳能并网发电系统2056套。1999年1月进一步提出了“十万屋顶计划，到2000年安装太阳能发电系统容量超过40在德国的太阳能发电市场已从探索阶段发展成为繁荣的专业市场。日本从20世纪70年代开始连续制订和实施了几个太阳能发电发展5年计划，到1996年底己安装2700套并网户用太阳能发电系统，每套容量平均为3时，日本政府又提出“30年计划999预计到2030年光伏发电总容量达100前日本的光伏组件产量己超过美国居世界第一位。意大利1998年实施“全国太阳能屋顶计划”，总容量为50这类系统中，规模最大的是1997年6月美国总统克林顿在联合国环境发展会议上宣布的“百万太阳能屋顶计划，到2010年将安装1014万套光电系统，总安装容量高达3025盟在1997年11月26日发表了名为能源的未来：再生能源的欧盟战略与行动白皮书提出，到2010年在欧盟范围内要安装100万套太阳能发电系统，其中50万套为屋顶太阳能并网发电系统，需要光伏组件1000外50万套是为乡村供电的独立太阳能发电系统。这就需要将目前30按国国家可再生能源实验室)的估计，到2015年太阳能发电电价将可与常见能源电价相当。多数人认为到下世纪中叶，太阳能发电量将占世界总发电量的1520，必将超过核电成为人类的基本能源之一。世界光伏产业发展迅速，最近10年太阳电池组件生产的年平均增长率达到33，最近5年的年平均增长率达到43。2004年比上年增长612，成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。2004年世界光伏电池组件产量达到1200中日本生产610508；欧洲320267；美国1351125；其它国家1351125。我国从1958年起就进行光伏器件研究，70年代初成功地制造出空间光伏电源。70年代中期后，中国自制的光伏航标灯、太阳灯塔、气象及通讯用光伏电源开始使用，光伏应用逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。80年代，先后引进了美国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备，是中国的光伏工业开始起步。目前我国大约有40多个研究机构和大学参与光伏技术研究与开发活动。研究领域涉及太阳电池、光伏材料、光伏系统和部件等。光伏系统的研究与开发取得了很大进展，主要包括100500变成套设备、l5伏照明系统、光伏电视系统、光伏通讯系统、气象站光伏电源，集中式光伏电站以及5光伏部件方面，主要有高效率105时还成功地研制出新型太阳电池及组件特性测试系统等等。据不完全统计，至西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页1997年我国安装各类光伏系统总量(包括进口系统)已达l 1年来，太阳能光伏发电技术在我国得到了推广应用，先后建成20中1998年在西藏安多县海拔4500米处，建成世界最高的光伏电站，功率总体上来讲，中国的光伏发电产业，与国外发达国家相比还有很大差距，存在的主要问题是：(1)生产规模小。目前的4个单晶硅光伏电池生产厂，基本上保持在19871990年引进时的生产规模和技术工艺水平。各厂在引进时都称年生产能力为1各厂都在不同的工艺环节上存在着“瓶颈”。因此实际年生产能力都在05以中国晶体硅光伏电池的全国总计年生产能力仅为2998年我国单晶硅光伏电池组件的年产量为18占世界光伏电池总产量的114。生产的规模化程度，比国外的5202)技术水平较低。目前我国商品单晶硅光伏电池组件的光电转换效率多在1112之间；组件的封装水平较低，有的组件经过35年的使用有发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等现象；组件的实际使用寿命，也不如国外产品。至今尚无多晶硅光伏电池的生产工厂。非晶硅光伏电池厂只能生产单结电池，稳定性较差，转换效率较低，尚不能生产双结和三结电池。(3)平衡设备薄弱落后。光伏发电用的控制器、逆变器等关键平衡设备，至今尚无具有一定规模的、拥有较先进生产和检测设备的专业工厂生产。仅在几个研究所等单位有小量的生产，技术性能不够高，可靠性较低，品种规格少，价格也高，更谈不上研究开发更先进的产品。(4)专用材料的国产化程度不高。银浆、低铁钢化玻璃、国曾把专用材料的国产化列入“八五”攻关计划，虽然取得了一定成果，但性能仍然不如国外产品，各生产厂为保证产品质量，目前许多专用材料仍然依靠从国外进口。(5)成本价格高。目前晶体硅光伏电池组件的生产成本约为26-30元W，平均售价约为405元W，成本和售价均高于国外产品，在国际市场上缺乏竞争力。13太阳能光伏发电的前景目前，国际上光伏发电已进入加速发展阶段，近两年太阳电池组件的年增长率高达30左右。另外发达国家先后宣布的太阳能屋顶计划强有力地支持了光伏产业的发展，预计今后10年内太阳电池将以平均20的年增长率增长。估计我国的光伏产业也将以此速度增长。单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池西南交通大学硕士研究生学位论文 第5页将在今后20年内各占相当市场，光伏电池会扩大到一定的产量。多晶硅薄膜及染料光敏化电池目前预测其产量还为时过早。以现有的基础来看，单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池仍是我国目前产业化发展的主要产品。我国目前尚有约2000万户、6000-7000万的农村人口还没有用上电，很多的有电县镇严重缺电，因此光伏市场的潜力是巨大的。我国光伏系统成本每年下降约3，在未来几年，我国户用光伏系统的用量将大幅度增长，预计总量将达到20计在5年内我国也将有几个102010年后将出现年产10讯及工业的光伏系统将从目前的40-50的市场份额到2010年下降到20-30，户用及民用光伏系统将从目前的30上升到40-50。在未来几年，我国也将开始发展并网式屋顶光伏系统，但预计其系统功率将远不如发达国家，市场份额将不超过5，但在2020年后并网系统将会得到防范发展。14本论文的主要工作太阳能光伏发电并网具有广阔的发展前景。本课题正是在这一思想的指导下进行对光伏发电并网系统的研究。主要内容如下：(1)首先简单介绍太阳能光伏发电的原理和其系统的组成部分。并介绍了光伏并网的基本知识和相关的要求。(2)分析了光伏并网的电路拓扑结构，选取合适的拓扑最为研究的对象。(3)研究太阳能光伏发电逆变并网的控制方法。选定采用基于用4)针对并网电流的纹波现象，用仿真的方法来进行分析影响电流纹波的主要因素。(5)通过分析比较几种最大功率点跟踪的方法后，本文采用扰动观察法来进行功率点的控制。对通过改变步长的取值来比较它对功率跟踪的影响。西南交通大学硕士研究生学位论文 第6页第二章太阳能光伏发电系统21太阳能光伏发电系统211光伏发电系统的分类太阳能光伏发电系统按供电方式大致可以分为独立发电系统、并网发电系统和混合发电系统三大类【型的独立发电系统如图21所示，利用蓄电池和太阳能电池构成独立的供电系统来向负载提供电能当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由蓄电池来进行补充。而当其输出的功率超出负载需求时，就会将电能储存在蓄电池中。图2所示，将太阳能电池控制系统和民用电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充。而当其输出的功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。图2所示，它区别于以上两个系统之处是增加西南交通大学硕士研究生学位论文 第7页了备用发电机组。当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。图2伏发电存在发电量不稳定的缺陷，所以独立发电系统往往需要采用较大容量的蓄电池作为储能元件来平衡供电。然而系统中增加蓄电池后会带来维护费用的增高，系统体积增大和环境污染等问题。而并网发电系统可以很好的解决这些问题，同时伴随着光伏发电产业由边远农村地区逐步向城市并网发电和光伏建筑方向的快速迈进，在未来光伏并网发电是光伏发电的主流趋势。常用的光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类：一种为不含蓄电池环节的“不可调度式光伏并网发电系统，另一种为含有蓄电池组的“可调度式光伏并网发电系统。不可调度式光伏并网发电系统如图2_4所示，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。白天，当光伏发电系统产生的交流电能超过本地负载所需时，超过部分馈送给电网；其它时间，特别是夜间，当本地负载大于光伏发电系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。图28页可调度式光伏并网发电系统如图25所示，它和前者相比最大的不同之处是系统中配有储能环节(目前通常采用蓄电池组)。蓄电池组的容量大小可以按具体需要配置。可调度式光伏并网发电系统与前者比较，它可以实现不间断供电(作为电网终端的有源功率调节器、抵消有害的高次谐波分量、提高电能质量、电网调峰、有助于改善电网的运行质量。I 重要的I 负载厂瞳要的负载配电开关光伏阵列 不重要的交流负载心变流器卜啦配电开关蓄电池组图2大的不同之处是系统中配有储能环节(目前通常采用蓄电池组)，蓄电池组的容量大小按具体需要配置。可调度式光伏并网发电系统与前者比较，它可以实现不问断供电(作为电网终端的有源功率调节器、抵消有害的高次谐波分量、提高电能质量、电网调峰、有助于改善电网的运行质量。然而，由于蓄电池组寿命短、成本高、体积大等缺点使得可调度式光伏并网发电系统的应用规模远小于不可调度式光伏并网发电系统。光伏并网发电系统按其发电方式又可分为：(1)集中式并网光伏系统，系统所发电力直接进入电网，节省了起着储能作用的蓄电池所占的成本，但这种方式显然不能发挥太阳能分布广泛，地域广阔等的特点。(2)分布式并网光伏系统，即户用型光伏并网系统，它可与建筑物结合形成屋顶光伏系统，通过设计可以降低建筑造价和光伏发电系统的造价。在分布式并网光伏系统中，白天不用的电量可以通过逆变器将这些电能出售给当地的公用电力网，夜晚需要用电时，再从电力网中购回。典型的户用型光伏并网系统如图26所示。西南交通大学硕士研究生学位论文 第9页网图2果分布式光伏并网发电系统能够普遍地应用到用户家中，不但分利用了太阳能资源分布广泛的特点，还可以达到改善电网质量、加强电网的调峰能力、抗灾害能力和延伸能力等目的。目前，对于分布式光伏并网发电系统的研究一方面是太阳能电池的研究，使电池每发出一瓦电的造价降低至可以实用的阶段；另一方面就是针对并网发电的逆变系统的研究，如提高系统的效率和稳定性，太阳能电池最大功率点的控制，系统对电网调峰作用等等。212光伏发电原理太阳能电池的工作原理如下：光伏电池发电是基于半导体的光生伏特效应将太阳能辐射直接转换为电能。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以将是被加热，外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生的电子一空穴对，但是在很短的时间内电子又被捕获，即电子和空穴“复合当在晶体中一个P时在界面层于正负电荷之间的吸引力，在界面层附近且将在原子作用力允许的范围内，与此相反，空穴扩散到样在界面层周围形成一个无电荷区域。在之前样通西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0页过界面层的电荷交换形成两个带电区：通过电子到今为止，大多数光伏电池厂家都是通过扩散工艺，在两区交界就形成一个伏电池的基本结构就是一个大面积的平面P于在结区附近的电子和空穴的相互扩散，从而在结区形成一个有伏电池在无光照时，在界面层附近的相反的空间电荷相互作用，使载流子的继续交换停止。在界面层附近的空间电荷区的厚度一般为05-1微米左右。对于光伏电池来说，界面层应当处于硅片表面的附近位置。如果光线照射在光伏电池上并且在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的过界面层的电荷分离，将在时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅电池来说，开路电压的典型值为05-06V。用一个电流表也可测量电流的强度。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在光伏电池中形成的电流也越大。对于光伏电池来说，光能到电流的转换仅是在界面层附近才是有效的。这取决于光线在界面层周围被吸收和尽可能地将能量传输给晶体。因此，光伏电池的光线入射的一面应该相应做的薄些，以便光线可几乎无衰减地到达界面层。总而言之，在光照条件下，只有具有足够能量的光子进入P穴对。对于晶体硅光伏电池来说，太阳光谱中的波长小于11微米的光线都可以产生光伏效应。对不同的材料的光伏电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，但是光电转换的原理是一致的。在P区的空穴向后造成在光伏电池受光面有大量负电荷的积累，而在电池的背面有大量正电荷积累。如果在光伏电池的上下表面做上金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流通过。只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过【l】。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4阳能电池单体的工作电压约为O5v工作电流约为2025mA般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1页能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵如图27所示，可以满足负载所要求的输出功率。褫 麟麟 麟麟 麟勰 溅图2件和方阵常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是面扩散层是这两个区的连接处就是所谓的阳能电池的项部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。213光伏发电系统组成光伏发电系统是由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流交流逆变器等部分组成，其系统组成如图28所示。充放电控制器充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器，按照开关器件在电路中的位置，可分为串联控制型和分流控制型：按照控制方式，可分为普通开关控制型(含单路和多路开关控制)和最大功率跟踪控制器)。开关器件，可以是继电器，也可以是能用南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2页太图2联组成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能的输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。直流交流逆变器逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形，又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器，电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。从长远看，电池蓄电池将太阳电池组件产生的电能存储起来，当光照不足或晚上，或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将存储的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的基本要求是：(1)自放电率低；(2)使用寿命长；(3)深放电能力强；(4)充电效率高；(5)少维护或免维护；(6)7)价格低廉。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸电池，对于较高要求的系统，通常是采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池等【8】。太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或在满足负载需求的情况西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页下直接给负载供电，如果日照不足或者是在夜间则是由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器，将直流电转换成交流电。光伏系统的应用具有多种样式，但是其基本的原理大同小异。对于其他类型的光伏系统只是在控制机理和系统的部件上根据实际的需要有所不同而略有不同。22太阳能光伏并网系统221太阳能光伏并网系统组成太阳能光伏发电系统目前主要用在无电或是缺点的边远地区，作为独立的电源给家用电器及照明设备供电。随着电力紧张、环境污染等问题的日趋严重，与公用电网联网运行的太阳能光伏发电系统已经显出越来越强的竞争力。太阳能光伏发电的并网运行，将省去独立光伏体统中的储能环节，从而大大减少了电站的维护。由于蓄电池的寿命较短，省去蓄电池以后，发电系统的寿命可与太阳能电池的寿命相当。对于家庭住宅而言，配备光伏发电系统，可缓和白天电力紧张的局面。展望未来，并网运行的太阳能光伏发电必将发展成为重要的发电方式之一。光伏并网发电系统由光伏阵列、变换器和控制器等组成。变换器将光伏电池的输出直流电逆变成正弦交流电并入电网，控制器控制光伏电池最大功率点跟踪和逆变器并网电流的波形、频率和功率，使光伏发电系统向电网输送的功率达是光伏电池工作的最大功率。典型的光伏并网系统包括：光伏阵列、变器和继电保护装置13J。三相光伏发电并网系统的主电路如图2阳能电池方阵通过正弦波脉宽调制逆变器向电网输送电能，逆变器馈送给电网的电力容量由光伏方阵功率和当时当地的日照条件决定。西南交通大学硕士研究生学位论文 第14页+伏电池发出的直流电经过逆变器之后转换成交流电，通过滤波电感成为符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。甏i凰0光伏发电并网系统实物图如图2网系统中光伏电池板方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。0西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5页222光伏并网系统逆变器要求并网光伏发电系统的核心是并网逆变器，而此系统中需要专用的逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压、频率等电性能指标的要求。因此并网时，对逆变器提出了较高的要求，主要有：(1)要求逆变器输出正弦波电流。光伏电站回馈给公用电网的电力，必须满足电网规定的指标，如逆变器的输出电流不能含有直流分量、逆变器输出电流的高次谐波必须尽量减少，不能对电网造成谐波污染等。(2)要求逆变器在负载和日照变化幅度较大的情况下均能高效运行。光伏电站的能量来自太阳能，而太阳辐照度随气候而变化，这就要求逆变器能在不同的日照条件下均能高效运行。(3)要求逆变器能使光伏方阵工作在最大功率点。太阳能电池的输出功率与日照、温度、负载的变化有关，即其输出特性具有非线性。这就要求逆变器具有最大功率跟踪功能，即不论日照、温度等如何变化，都能通过逆变器的自动调节实现方阵的最佳运行。(4)要求逆变器具有体积小、可靠性高的特点。对于家用的光伏系统，其逆变器通常安装在室内或墙上，因此对其体积、质量均有限制。另外，对整机的可靠性也提出较高的要求。由于太阳能电池的寿命在20年以上，因此其配套设备也必须与其相当。(5)可以在市电断电情况下逆变器在日照时能够单独供电口1。223光伏并网系统的拓扑结构一、单级式并网逆变器拓扑考虑光伏阵列输出电压较低的情况，单级式并网逆变器必须能在一个功率变换环节内实现众多功能，包括直流升压、最大功率点跟踪、此这种拓扑结构包括有变压器。这种拓扑结构的优点是成本低，体积小，效率高，损耗少。但是因为要在同一级实现众多功能，所以会有设计复杂的缺点。二、两级式并网逆变器拓扑现在的光伏并网发电系统大多采用两级式的并网逆变拓扑结构。它一般包括级实现升压和最大功率跟踪功能，后级实现西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6页将直流电转变成交流电并网的功能。本文的并网系统就是采用两级式并网拓扑机构。三、多级式并网逆变器拓扑多级拓扑设计会增加并网逆变器的复杂程度和成本，但这也给同时实现多种功能带来可能。包括：逆变桥低开关频率；此多级拓扑设计可以在降低损耗的同时达到很好的最大功率点跟踪特性。但系统采用多级拓扑的同时也会带来功率损耗过大的缺点，为此多级式拓扑结构在并网系统中并不常用。西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7页第三章三相光伏发电并网控制方法研究31三相逆变主电路原理与分析311三相逆变主电路原理与选择逆变器主电路功率器件的选择：逆变器的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有双极结型晶体管(功率场效应管(绝缘栅晶体管(可关断晶闸管(。既有入阻抗高，驱动功率小和驱动电路简单等特点，又具有大功率双极晶体管的容量大和阻断电压高的优势【l 3l。鉴于此本文采用于三相逆变电路，用三个单相逆变电路可以组合成。但是在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路。采用所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成。三相桥式逆变电路三相并网逆变器结构图如图32所示，并网逆变器的作用是将光伏电池阵列发出的直流电逆变成交流电并且传输到电网上去。西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8页+中，为直流侧支撑电容，也即前级11六个开关管进行适当的可以调节输出电流式(且与网压“(t)保持同相位，达到输出功率因数为1的目的。312光伏并网逆变器分类光伏并网系统逆变器按控制方式分类，可以分为电压源电流控制、电压源电压控制、电流源电流控制和电流源电压控制四种方式。电压源型逆变器是采用电容作为储能元件，在直流输入侧并联大电容用作无功功率缓冲环节，构成逆变器低阻抗的电源内阻特性，即电压源特性。以电流源为输入方式的逆变器，其直流侧需串联一个大电感作为无功元件储存无功功率，构成逆变器高阻抗的电流源特性，提供稳定的直流电流输入【1l】【12】。但是串入大电感往往会导致系统动态响应差，因此目前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。电压型逆变器一般需要在直流测接有平波电容，根据器件的开关动作，输出一连串的方波电压，方波的幅值箝位在直流电压上，逆变器是个电压源。目前，逆变器与电网并网运行的输出控制模式可分为电流型控制模式和电压型控制模式。电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标，系统输出与电网电压同频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻较大的0西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9页受控电流源。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量，系统输出与电网电压同频同相的电压信号，整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源。通常，市电电网可视为容量无穷大的交流电压源，并网逆变器的输出可以控制为电压源或者电流源。若控制并网系统的输出为一个交流电压源，那么太阳能并网系统和公用电网实际上就是两个交流电压源的并联。要保证整个光伏并网系统的稳定，就需要严格地同时控制并网系统输出电压的幅值和相位。由于输出电压幅值是不易精确控制的，并且锁相回路的响应速度较慢等原因，此外这种并网系统和电网之间还可能会出现环流。所以会导致整个系统不能稳定运行，甚至会发生故障。因此，光伏逆变器的输出经常被采用成输出电流型控制模式，这样并网系统和电网实际上就是一个交流电流源和电压源的并联。逆变器的输出电压幅值自动被钳位为电网电压，通过采用控制技术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l。实际系统中，还可以通过调整并网系统输出电流的大小及相位来控制系统的有功输出与无功输出。在逆变器并网运行系统中，本文采用电流型控制模式，将并网逆变器的输出电流作为被控制量，实时的控制输出电流以使逆变输出电流与电网电压同频同相，达到并网发电的目的。32光伏发电并网系统的控制目标光伏并网系统是将太阳能电池板发出的直流电转化为正弦交流电，从而向电网供电的一个装置。并网光伏逆变器的控制目标为：控制逆变电路的输出为稳定的、高品质的正弦波，且与电网电压同频、同相。同时希望通过调节光伏电池工作电压使光伏阵列工作在最大功率点。如果并网逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。由于控制方法简单，因此使用比较广泛。因此，本系统采用电压源输入、电流源输出的控制方式。选择三相中的其中一相输出进行分析。将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33所示，其中乩“为电网三相中的，为并网逆变器交流侧为并网逆变器的输出滤波电感的存在会使逆变电路的交流侧电压西南交通大学硕士研究生学位论文 第20页与电网电压之间存在相位差0，即：为了满足输出电流与电网电压同相位的关系，逆变输出电压要超前于电网电压一定的相位。L图33并网等效电路和电压电流矢量关系33光伏发电并网系统控制策略出电流的控制方式一般有滞环电流控制，固定开关频率控制，空间矢量控制，无差拍控制，重复控制，定时比较控制等方法。这些方法都各有各自的优缺点。目前运用较广的几种光伏并网系统电流控制的方法：间矢量控制、定时比较控制和滞环电流控制。空间矢量法空间矢量(制策略是依据逆变器空间电压(电流)矢量切换来控制逆变器的一种控制策略。它放弃了正弦波脉宽调制，而是采用逆变器空间电压矢量的切换来获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率条件下，使逆变器的输出获得较好的性能。采用要具有电压利用率高、动态响应快等优点。目前运用的种是具有固定开关频率的利用同步旋转坐标系(d，q)中电流调节器输出的空间电压矢量指令，再采用而达到电流控制的目的；另一种是利用基于滞环电流控制的利用电流偏差矢量或电流偏差变化率矢量空间分布给出最佳的电压矢量切换，使电流偏差控制在滞环宽度以内，这实际是一种变开关频率的时比较法为了解决滞环电流控制中关频率过高而带来西南交通大学硕士研究生学位论文 第21页的开关损耗，可以采取固定开关频率的方法，