ll830108分布式光伏并网发电系统控制技术研究

华北电力大学成人教育毕业设计（论文）II目录TOC\o"1-3"\h\u109901绪论 1181521.1课题背景 1318111.2分布式光伏发电的优势 2179922光伏电池阵列最大功率跟踪技术 3225692.1光伏电池的输出特性 3244022.2光伏电池阵列的等效模型 5218472.3均匀光照下的最大功率跟踪算法 6158652.3.1恒压控制法 6109252.3.2扰动观测法 773462.3.3电导增量法 7231522.3.4模糊控制 8289953光伏发电并网逆变器控制技术 9231253.1光伏并网逆变器的分类 9321043.2三相锁相环技术PLL 1011563.2.1三相锁相环原理 10155223.2.2基于Clark变换和Park变换的三相锁相环工作原理 1142614三相并网逆变器自适应控制策略 12126644.1三相逆变器控制策略 126644.2脉冲宽度调制技术 125597总结 149170参考文献 1520368致谢 161绪论1.1课题背景在《BP世界能源统计年鉴（2018版）》这一报告中，全球2017年石油消8个百分点的增长，也就是每天170万桶，实现了在总能源消费中32.5%的占比；天然气消费达到了960亿m3的增加量，也就是3个百分点的增长，占总消耗能源的24.2%；煤炭消费达到了2500万吨油当量的增加，也就是一个百分点的增长。大量消耗的传统能源带来的高能源需求与其供给的不匹配，以及传统能源存在的枯竭问题对世界各国提出了较大挑战，具有紧迫性和严重性。基于这一社会背景，可再生清洁能源的探寻以及有效运用就为能源需求与供给矛盾问题的解决提供了新思路。力图借此实现当前人们对一次能源过度依赖所引发的风险问题(能源供给)的解决，促进绿色可持续发展。1.2分布式光伏发电的优势这一发电方式从发出电能、转换、并网直到正式使用的一系列环节都遵循献近原则，在规模相同的前提下，其能够促进电站发电量的明显增加，此外，由于升压中以及长距离运输中产生的电力损耗也会因此得到明显的缓解，相较于传纺的光伏电站，其优势更为显著。较小的装机容量。通常情况下，在规模方面，光伏发电站超过数十万KW，分布式光伏发电则有着更为灵活的安装，其发电容量的确定可以以安装的场地、负荷的需求以及投资金额为依据。较为灵活的建设场地。有充足光照的空地、房屋屋顶都可以是其建设地点的选择，甚至可以同房屋一起实现一体化建设，相较于其他发电方式诸如风能，它有着更为灵活的场地选择，公众参与率较易提升。更加容易并网。并网较难是发展光伏发电过程中的一大难题。国内有着充沛的光照并且合适进行大型光伏电站建设的地区通常较为偏远，在建设电站以及之后的并网过程中都面临许多挑战，尽管建设成功，投入运行，也将由于难以并网而导致其产生电能成为“废电”以及“弃电”。在建设地点的选择方面，分布式光伏发电以写字楼及住宅为主，在现有的电网管理基础上，并网的实现要进行的改造力度极小，此外，用户在用电方面存在的困扰也能迎刃而解。对硬件设备有较低的要求。由于各个系统具有独立性，通常为小型系统，在诸如供电方面，对安装设备并没有很高的要求，停电的大范围发生的概率也由于用户在控制供电方面具有自主性而趋近于0，能够促进电网可靠性以及安全性的有效提高。此外，在调峰方面的性能极佳，尤其是在用电高峰期，电网压力能被有效削弱，且操作简单，因为其有较少的运行设施，因而开启和暂停都极为迅速；当意外灾害来临时也能够持续供电，有效补充了集中供电方式。较低的投资成本。地理因素等导致传统集中式光伏电站有着明显较高的并网成本以及建设成本，因而在初期时，其产生的经济收益要远小于其投资成本，并且其建设所需资金庞大，难以吸引投资者。与前者相比，分布式光伏发电并不需要很高的投资成本，城市是其主要的建设场地选择，其中的企业大楼、居民住宅等都可作为“微型发电厂”，有效促进投资风险的降低。节能环保。其运作原理是利用光伏效应实现电能的产生，发电过程没有噪音以及污染产生，对清洁能源相关理论与实践措施的普及有正向作用。其推广和应用能够引起人们对环境保护的更多关注，自觉节能环保。

2光伏电池阵列最大功率跟踪技术2.1光伏电池的输出特性如果处于局部阴影环境下，则太阳能电池所受到的光照强度不均匀，在这种状态下，就会产生电势差，即我们常说的光伏效应。图2-1光伏电池输出特性图2-1给出了太阳能电池的输出特性，其中，为开路电压，即是在一定的光照强度和特定的温度条件下，光伏电池输出电压的最大值；表示短路电流；表示电池板能够达到的最大输出功率；表示电池板最大输出功率位置的输出电压；表示电池板最大输出功率位置的输出电流。通过分析图2-1可知，光伏电池实际能量输出的非线性特征极为显著，而负载则是影响能量输出大小的关键因素。电池板当中的电流为零的情况下，电压可以达到最高值；负载不断变化的情况下，相应电流表现为持续上升的趋势，电压则刚好相反，呈现出逐渐下降的趋势。当电流增加到时，此时对应的电压值为对应的输出功率为。如果电流继续上升，则功率会逐渐下降，即为太阳能电池板的最大输出功率。光伏电池的这种输出特性的存在，需要由MPPT技术来提高利用效率。同时，在光伏电池转换电能的过程中，其具体输出特性还会受到光照强度和电池本身温度两种因素的影响，具体变化情况如图2-2和2-3所示。图2-2光伏电池输出特性随光照的变化图2-3光伏电池输出特性随温度的变化上述内容实际指的是单体光伏电池对应的输出特征，在实际商用过程中，光伏电池通常以阵列方式进行排布。其主要是通过若干个单体光伏电池串联或者并联方式组合而成的，在组合之后，通过特定的工艺封装，来达到相应功率输出需求。倘若电池阵列无法接受到均匀的光照，则其中的部分光伏电池将无法针对负载进行能量提供，上述消耗一般会形成“热斑效应”，严重时甚至会导致光伏电池阵列失效和损坏，无法恢复。为了避免“热斑效应’，产生的影响，当前国际上主要采用并联旁路二极管到每个光伏电池的方式来解决。通过这种方式，可以在光照强度较低的情况下，使电池本身带负电压，在这种条件下，倘若生产的副电压高于旁路二极管对应的开通电压，则需要开通旁路的二极管，同时要让部分电池进行短路，如此才能够控制“热斑效应”的产生。在理想状态下，为每个单体光伏电池并联一个旁路二极管具有最佳的效果，但是采用这种方式还导致光伏电池阵列的成本大幅度增加。图2-4给出了具体的旁路二极管安装方案。图2-4并联了旁路二极管的光伏电池组件并联二极管在光伏电池阵列中的应用，对于有效防止“热斑效应”的发生发挥了重要的作用，同时，还能在一定程度上影响到光伏电池阵列的输出特性，产生若干个局部最大功率点情况。图2-5描述光伏电池阵列在均匀光照条件下以及非均匀光照条件下的输出特性曲线。从图2-5中所示的曲线来看，在均匀光照条件下，光伏电池阵列的输出特性类似于单体光伏电池的输出特性，P-V曲线表现出单峰值特征，I-V曲线表现出单膝型特征；而光伏电池阵列在非均匀光照条件下的输出特性则与单体光伏电池阵列存在极大的区别，P-V曲线和I-V曲线表现出明显的多峰值和多膝型特征。（a）均匀光照条件下光伏电池阵列输出特性（b）非均匀光照条件下光伏电池阵列输出特性图2-5光伏电池阵列分别受到均匀光照和非均匀光照情况下的输出特性曲线2.2光伏电池阵列的等效模型根据光伏电池工作原理和输出特性，研究人员常用图2-6所示的电路来模拟光伏电池。其由理想电流源、反向并联二极管D、串联电阻和并联电阻、构成，其中等于电池的短路电流，其大小反映了光伏电池所处环境的日照强度；日照越强，人越大；反之越小。图2-6光伏电池常用等效电路图由图2-6所示的光伏电池等效电路图可得如下公式：（2-1）在公式（2-1）中，光伏电池在太阳光照射下产生的电流：（2-2）为流过二极管的电流：（2-3）为流过等效并联电阻的电流:（2-4）将公式（2-3）、（2-4）带入公式(2-1)可得光伏电池的电流方程式:（2-5）因为实际应用中太阳能电池的等效并联电阻一般情况下远大于其串联电阻，所以流过并联电阻的电流一般可以忽略不计，则公式（2-5）可近似表示为下式：（2-6）2.3均匀光照下的最大功率跟踪算法最大功率跟踪算法是调节功率传送并保证系统获取最大功率的自动控制算法。它是评估光伏并网发电系统性能的重要指标。在近二十年里，研究人员对最大功率跟踪算法展开了大量的研究，研究出各种不同的MPPT技术。这些技术主要包括：线性近似法(恒压控制法)、启发式搜索法(包括爬坡法和扰动观察法)、极值搜索法(电导增量法)、智能控制(模糊控制和神经网络)、线性控制法(DP/DV或者DP/DI反馈控制法)、其它方法(如电池阵列重构、滑膜控制、线性电流控制)等。2.3.1恒压控制法恒定电压控制方法(CVT：ConstantVoltageTracing)的原理是:通过调节负载使光伏电池输出电压稳定在一个固定电压值(一般为开路电压的75-80%左右)，如图2-7(a)所示。（a）不同光照强度(b)不同温度图2-7恒压控制法示意图这方法控制简单，易于实现，但忽视了太阳能电池板开路电压会受到温度的影响，如图2-7(b)所示。在不同的温度下电池板的开路电压也不一样因而其最大功率点的电压差别较大。因此，恒压控制法跟踪精度较差。2.3.2扰动观测法图2-8干扰观测法扰动观测法（Perturb&Observealgorithms,P&O）是目前实现MPPT常用的方法之一。其原理是每隔一定时间增加或者减少电压，并观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号，如图2-8。干扰观测法一般也采用功率反馈，即使用两个传感器对直流电流及其两端的电压分别采样，然后决定功率扰动的方向。这种控制方法算法简单，且易于硬件实现。2.3.3电导增量法电导增量法（IncrementalConductance）是根据功率对电压的导数来进行MPPT。太阳能电池的功率电压特性曲线的斜率（即功率对电压的导数）在功率最大值点Pm处为零，所以有：（2-7）（2-8）令，则有：当时，电池板就工作在最大功率点。当时，电池板在最大功率点左边工作，要增大输出功率应当使电池板的工作电压增大；当时，电池板在最大功率点右边工作，同理此时应当减小电池板输出电压。于是就可以根据判断和C的大小关系来判断当前的工作点位置，从而决定电池板工作电压的变化方向来进行MPPT。电导增量法的优点是输出电压根据斜率的判断，能够准确地跟踪最大功率点，不过该算法对系统采样和控制的精度要求较高，实现起来比较复杂。2.3.4模糊控制由于光伏器件输出功率的非线性特性且其工作环境变化频繁，因此为了获得更好的最大功率点跟踪控制效果，应根据外部环境的变化不断调整MPPT算法中的扰动步长。在现有的控制方法中，模糊控制（fuzzylogiccontrol）无疑具有这方面的优势。固定电压法、干扰观察法和电导增量法均可采用模糊控制的方法，根据外部环境的变化调整扰动步长进一步提高控制效果。模糊逻辑控制方法的流程图如图2-9所示。图2-9光伏并网发电系统中采用的模糊逻辑控制方法流程图3光伏发电并网逆变器控制技术3.1光伏并网逆变器的分类如图3-1所示，功率变换器将光伏阵列得到的直流电转换成符合并入电网标准交流电的功率器件，在光伏系统的能量转换过程中起到关键性作用。功率变换器在光伏并网发电系统中主要是指光伏并网逆变器，它的工作原理是：逆变器把光伏阵列产生的直流电转换成为能供给电网使用的交流电。逆变器的性能一般表现在额定功率输出、过负荷能力、转换效率和谐波失真等方面。由于最大效率可以实现接近额定输出，重要的是选择逆变器时要考虑到效率与输出功率的关系。图3-1光伏发电并网系统结构图某些负载有显着的启动电流，所以重要的是要提供足够的过负荷电流容量的逆变器，以满足负载的要求。其他负载或过热或引入不必要的噪音，如果他们的电源谐波失真不低于一个特定的水平。在一般情况下，方波逆变器是最便宜的，并且相对有效的，但它的应用有局限性。它具有最佳的过负荷容量，但最高的谐波失真。修改后的正弦逆变器更复杂，但仍然相对有效。脉宽调制逆变器成本高、效率高、失真小。正弦波逆变器的失真最小，但其独立应用时效率也是最低的。它可按照逆变器的电路结构分为全桥、半桥、多电平；按照是否存在变压器进行电气隔离分为隔离型和非隔离型；按照电路的电压类型分为单相和三相。图3-2为光伏并网逆变器的分类示意图。图3-2光伏逆变器分类隔离型并网逆变器需要将直流电经变压器进行升压，再输入电网采用隔离式结构的逆变器优势有很多，例如：光伏系统中的共模电压易引起漏电问题，采用隔离式结构形式减少了该问题的影响，使系统更加稳定，更加安全；接入电网的电流频率为标准50Hz，此结构减少了输入到电网的直流量。当然，隔离式逆变器结构存在着一定的问题，比如该结构的体积和重量大；变压器中存在的铁损等损耗问题，会导致逆变效率的降低。为了改善系统的逆变效率问题，除了对逆变器采用结构的变换外，可从变压器入手，图3-4中的光伏系统逆变器结构具有转换效率高、系统稳定等优点。其中的核心——功率变换器根据功率变换单元数量可分为单级式和多级式结构。（a）隔离式单级型（b）隔离式两级型图3-3隔离式光伏系统逆变器结构（a）非隔离式单级型（b）非隔离式两级型图3-4非隔离式光伏系统逆变器结构图3-3(a)、3-4(a)为单级型结构，该系统包括电网、一个功率转换模块、工频式变压器PV阵列，此功率转换为直流变交流逆变器。采用单极型的结构的光伏系统中，PV阵列为多个光伏电池板串联而成，其可将直流母线电压升至满足逆变器要求的等级，再通过逆变器将直流电压转换成可接入电网的交流电。图3-3(b)、3-4(b)为两级型结构，该系统包括交流电网、PV阵列，最重要的两级功率变换器是由Boost升压电路和三相全桥逆变器构成。选择这种结构是因为PV阵列输出的电压低于电网电压，不能满足并网要求，采取这种结构先经过升压系统对电压升高，再将传送来的电压经过直交变换成为并入电网的交流电。两级式结构的逆变系统存在的问题也不容忽视，例如控制策略复杂、搭建费用高、效率低等问题，因而现在部分生产厂家也会根据自身特点选择单级型。然而对于不同的光伏系统，所采用的逆变器功率值是不尽相同的，小型光伏发电系统的逆变器很多情况下都会选择两级型的非隔离式。本文针对于小型的光伏系统，采用两级式非隔离型逆变结构，分别将前级直-直升压电路与后级直-交逆变电路部分分别介绍，对工作电路的结构、原理、模型以及公式等方面进行详细介绍。3.2三相锁相环技术PLL3.2.1三相锁相环原理锁相环（PhaseLockedLoop，PLL）可应用于三相光伏发电系统，其功能等同于闭环相位控制系统，能够将识别到的电网频率和相位作为自动跟踪的输入信号。如图3-5所示为目前广泛使用的典型锁相环的结构示意图，它主要包含鉴相器、环路滤波器（即低通滤波器）和压控振荡器等结构。图3-5锁相环基本结构鉴相器通过比较得出三相输入电压瞬时相位和输出相位之差作为相位误差信号输入到环路滤波器，环路滤波器降低了回路中的高频噪声与干扰，并输出。电压控制振荡器将频率控制字相加，并输出跟踪相位。当-=o，即三相的输入与输出相位误差等于0时，再次经过锁相环的电压与相位实现了锁定，将最终输出的相位作为三相输入电压的瞬时相位。3.2.2基于Clark变换和Park变换的三相锁相环工作原理同步坐标系软件锁相环是三相电网电压锁相的被使用最多方法，它保证了并网电压和电流与大电网中的电压电流相位保持一致，当三相正弦电压轴分量与参考信号差为零时实现锁相。图3-6是同步坐标系软件锁相环的结构示意，其中三相电压输入信号经过Clark变换为同步静止坐标系下的电压信号而、则是经过Park变换到同步旋转坐标系下的输出电压信号，为三相输入电压的额定频率，在我国一般取值为100rad/s。Clark变换的变换矩阵表示为:（3-1）Park变换矩阵表示为：（3-2）图3-6同步坐标系软件锁相环工作原理可得到三相电压信号相位关系：（3-3）（3-4）4三相并网逆变器自适应控制策略4.1三相逆变器控制策略光伏并网发电系统的控制策略为目前光伏逆变器研究的热点，对于两级型并网逆变电路，可将前级电路与后级电路的控制策略分别单独进行研究。由于存在容量足够大的直流滤波电容可以缓冲前后级能量变化和解藕的作用，因此可以对前后级的主要控制策略进行研究：前级DC/DC变换器采用了基于Boost电路的最大功率点跟踪(MPPT)控制算法；后级DC/AC部分则主要介绍光伏并网逆变器的自适应控制策略。当前光伏发电新增的装机容量和发电总量呈现快速增长的趋势，然而不可忽视的是，发电的效率函待提高，这其中主要原因之一就是光伏发电受到外部环境变化及干扰的影响。因此根据前级电路的结构特点，通过对系统采用控制算法来得到并运行于最大效率的工作点附近，可以提高光伏系统的输出效率，将最大功率点跟踪(MPPT)技术运用于前级DC/DC变换，利用MPPT控制技术改变占空比D实现对Boost电路的控制，保证前级直流侧电压输出功率保持最佳状态。后级DC/AC并网逆变器控制策略影响并网电能的关键，当前各类控制方式主要是通过对并网电流的控制针对不同问题进行解决。例如，重复控制总谐波失真THD降低，但其动态性能差，应对非周期性扰动的表现不足；PI控制结构简单、鲁棒性能好，应用十分广泛，然而常规PI控制无法实现无静差跟踪。两种控制方式各具优势，但都存在自身鲜明的缺陷，导致无法直接应用于生产中。目前，并网逆变器的控制策略多采用两种控制方式的结合，这样既保留了各自的优势，又弥补了单一控制方式的不足。例如，将重复控制与PI结合，实际中由于误差微分项易受系统噪声影响而降低效果，因此多应用重复PI控制，既提高了动态响应速度，保证了消除了周期中将出现的重复性畸变。自适应PI控制保留了自适应控制和PI控制的优点并将二者优势集中于一身，这种控制策略不仅需要调整的参数少，而且可以在很短的响应时间内根据被控制对象特性的改变而在线修改这些参数，从而增强系统主控制器适应环境、抵抗外部扰动的能力。是一种在实用工业过程控制中能够达到较为理想效果的控制策略。4.2脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术（PulseWidthModulation，PWM）是目前交流变频技术领域中应用最为成熟的技术之一，基于PWM的各类设备也被广泛使用。脉冲宽度调制技术PWM的调制波有多种形式，采用方波、正弦波、梯形波、三角波作为系统的调制波，当载波与调制波之间关系为后者大于前者时，便产生一次幅值近似，控制方式由数字量取代模拟量即通过开关的导通控制将直流电转变为交流电。该调制技术使该系统具有低谐波含量、低电磁干扰，较低的开关导通频率等优势。其原理是将多个功率器件按照相应规律的拓扑形式组合而成的逆变电路，经过恰当的控制过程得到理想的波形输出。在逆变器控制中采用了PWM波形调制技术后使该结构具备以下优点：电路结构变得简单，功率变换器件的使用相比该技术应用前复杂性大大降低，节省设备占用空间及设备所需费用；将逆变器输出值与系统功率因数控制因素分离；可以对系统输出的频率和电压进行控制，使其满足并网需求的同时提升了系统的运行效率；PWM技术的采用解决了系统易受到谐波干扰的问题，保证了系统运行的稳定性。逆变器工作过程中，直流电与交流电的转换过程中，系统输出波形的稳定性应该得到保证，但在逆变电路中，其输出功率仍存在脉动状况。根据脉动波形的体现方式进行分类，可将逆变器分为电压源或电流源型逆变器，当该逆变器波形的变化由直流电流来体现时，称之为电压源型逆变器。图4-1三相电压源型逆变器电路原理图电压源型逆变器的使用使系统具备以下特征：系统直流侧的滤波电容值一般较大；交流输出电压波形不随系统负载功率因数变化而变化；负载功率因数变化的同时，其逆变器输出电流相位在同桥开关间导通或关断的同时跟随改变；并网时的电压值是经过严格控制的，采用该逆变器，系统输出电压的大小也可实现控制，其通过逆变器输出电压的幅值进行改变的。总结综上所述，新能源的开发是解决全球能源问题的一个关键，太阳能在新能源中占有重要地位，合理高效的利用太阳能是迫切需要解决的问题。太阳能光伏并网发电是一个非常可行的解决方案，特别是分布式发电，既能最高效率的利用太阳能（任何太阳能充足的地方都可以建设小型太阳能并网发电站），又能解决太阳