光伏发电项目设计方案

1 光伏发电 项目设计方案 1 绪 论 究光伏发电的背景和意义 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础。近年来 ,世界化石能源的有限性和开发利用过程中引起的环境污染问题日益突出 ,已经成为制约世界经济可持续发展的主要瓶颈 ,清洁的可再生能源的开发利用受到世界各国高度重视。太阳能作为一种可再生能源 ,以其清洁，安全的特点 ,成为具有高度污染性化石能源的主要替代能源。太阳能的利用形式诸多 ,其中光伏并网发电作为主要利用形式之一 ,倍受人们关注。所以 ,在世界化石能源紧缺和环境污染严重的今天 ,深入开展太阳能光伏 并网发电技术的研究 ,对于缓解能源危机和加强环境维护、促进经济的可持续发展等都具有深远而重大的理论和现实意义。 今世界的能源形势 在当今的世界能源结构中 ,人类所利用的能源主要是不可再生的石油、天燃气和煤炭等化石能源 随着经济的发展、人口的增长以及社会生活水平的提高 ,未来世界能源消费量将持续快速增长 ,必将导致世界能源危机。图 主要常规一次能源的探明剩余储量图（以储 /采比表示） ,可见能源问题的严重性。 综上所述 ,化石能源的有限性和污染环境问题是制约社会经济 持续发展和人们生活水平提高的两大主要因素 ,开发利用清洁的新能源和可再生能源已迫在眉 2 捷 ,其中太阳能的开发和利用受到各国政府的广泛关注。 阳能资源 太阳能是经由太阳光辐射直接传送到地球表面的能源。太阳发出的能量大约只有二十二亿分之一能够到达地球的范围 ,约为 10亿千瓦。经过大气的吸收和反射 ,到达地球表面的约占 51 ,大约为 880 10亿千瓦。而能够到达陆地表面的只有到达地球范围辐射能量的既 10左右 ,约为 170 10亿千瓦。尽管如此 ,把这些能量利用起来 ,也是相当于目前全球消 耗能量的 一组简单数据说明太阳能是巨量的。我国的太阳能资源也相当丰富 ,绝大多数地区年平均日辐射量在 4h/( d)以上 ,西藏最高达 7 h/( d)与同 纬度的其他国家相比 ,和美国类似 ,比欧洲、日本优越得多。全国有三分之二以上的面积年太阳辐射量高于 1389h/ ,日照时数大于小时 ,具有利用太阳能的良好条件。 太阳能的利用方式很多 ,主要有发电、热利用、动力利用、光化利用、生物利用，光 光利用等，有效的利用太阳能资源，也缓解我们不可生能源的利用。 伏发电的发展现状 及前景 自 1893年发现“光生伏打效应”和 1954年第一块实用的光伏电池问世以来 ,因价格昂贵且光电转换效率低 ,光伏电池的早期应用主要局限于科学研究及军事、航空等特殊领域。受 20 世纪 70 年代的石油危机和 90 年代的环境污染问题的影响 ,人们对能源和环境问题的认识不断提高 ,光伏发电越来越受到各国政府的重视 ,科研投入不断加大 ,鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。 外光伏发电现状及前景 以 1997年美国的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志 ,日本及欧洲的德国、丹麦、英国和意大利等国也纷纷开始 制定本国的可再生能源法案 ,掀起了大力发展光伏产业的高潮。自年以来 ,全球光伏产业连续增长 ,世界光伏发电的高速发展主要表现在如下几个方面。 光伏电池产量持续增长。世界太阳能电池历年产量如图 示 ,多年来 ,光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一 ,1996到 2006年 ,光伏电池产量以年均增长率超 40%的速度高速发展 ,产量从 1996 年的 89加到 2006 3 年的 2521长了 28倍。 生产规模不断扩大 光伏产业的领军企业电池产量突飞猛进 ,且有越来越多的企事业已经提出了建设年产电池生 产目标。 光伏市场飞速发展。各国政府接连不断出台的政策激励了光伏产业发展 ,如2004 年德国补贴法修订后 ,德国市场 2005 年装机容量便达到了 837全球市场的 57%,政府政策对光伏产业的激励可想而知。 新技术不断出现 ,电池效率不断提高 随着自动化程度和生产技术水平的提高 ,电池效率由现在的水平（单晶硅 16%18%,多晶硅 15%17%）向更高水平 (单晶硅 18%20%,多晶硅 16%18%)发展。如 司采用最先进的生产工艺 ,制造的背接触电池已经率先到达了效率为 20%的目 标。 光伏电池、组件的成本不断降低。光伏电池自诞生以来 ,其价格就不断下降 ,从 1996 年到 2003 年 ,组件整体价格下跌了 25%,如图 示。然而近年来 ,随着产业飞速发展 ,多晶硅材料供不应求 ,价格飞涨 ,造成了组件价格反弹 ,但这只是暂时现象 ,一旦原材料供应得到缓解 ,光伏产品的价格必然再次进入下行轨道 ,预计到 2010 年 ,组件价格将降到 2$/p 为标准太阳光照条件下太阳能电池输出功率 ,即 :欧洲委员会定义的 101 标准 ,辐射强度 1000W/m,大气质量 池温度 25条件下 ,太阳能电池的输出功率 )以 下。 4 近几年 ,在德国和日本等极为优惠的经济政策激励下 ,国际光伏发电市场需求强劲 ,其前景已被越来越多的国家政府和金融机构所认识。与其他发电方式相比 ,目前的光伏发电成本还很高 ,政府的激励政策是其发展的主要动因 ,日本和德国是其主要的市场。许多国家和地区也都制定了光伏发电计划：如到 2010 年 ,美国计划累计装机容量达 “百万屋顶计划”）；欧盟计划累计装机容量达 可再生能源白皮书） ,其中 装在欧洲内部 ,3于出口日本 ;计划累计装机容量达 5预计 计约 10%） ,世界总累计安装 18 22世纪中叶 ,光伏发电成为人类的基础能源之一。 内光伏发电现状及前景 中国于年开始研究太阳电池， 20世纪 70 年代起步发展光伏发电产业 ,90年代中期进入稳步发展时期。近年来 ,中国太阳电池产量逐年稳步增加 ,到 2005年底 ,其总产量超过 250国光伏发电市场的发展历程为： 90年代初期 ,光伏发电主要应用在部队通信和工业领域 ,包括微波中继站、卫星通信地面站、程控电话交换机、水闸和石油管道的阴极保护系统等；从 1995年开始主要应用 在特殊领域和边远地区 ,逐步建立了示范型的光伏发电应用系统 ,建成各种规模的光伏电站 40多座 ,推广应用家用光伏电源系统约 15 万套；为了弥补国内的技术空白 ,中国科学技术部于 1996 年 11月下达了“ 1并网逆变 /控制一体化机” ,“九五 ” 国家重点科技攻关项目 ;2000年以后 ,中国的光伏技术已步入大规模并网发电阶段 ,开始建造 100的光伏并网示范系统 ,2008年北京“绿色奥运”部分用电也将会由太阳能发电提供。特别是 2006年实施的中华人民共和国可再生 5 能源法极大地促进了我国光伏市场和光伏产业的发展 ,2006年底我国的光伏系统装机容量已达到了 85计到 2020年将达到 图 由于在电网覆盖的地区 ,光伏发电应用成本太高 ,目前没有竞争力 ,只有少许示范性的并网光伏发电系统 ,科学家预测未来 8 10年太阳能发电的成本将比较传统的火力发电低 ,成为主要的发电方式。 伏并网发电系统概述 光伏并网发电系统一般由光伏阵列、变流器、控制器和负载电网等构成 ,如图 示。光伏阵列是由许多个光伏模块组成 ,它将采集到的太阳能转换成电能 ,该电能易受日照强度、环境温度、负载情况等因素影响 ,其质量和性能都不稳定 ,需要使用电力电子变流器将其进行适当的转换 ,变成适合直接并网的交流电供给工频电网；控制器是用于控制变流器 ,主要实现并网波形跟踪、最大功率点跟踪以及孤岛效应预防等控制功能。根据其是否有储能环节 ,光 伏并网发电系统可以分为不可调度式和可调度式两大类。 6 调度式和不可调度式光伏并网发电系统比较 可调度式并网发电系统具备储能环节 ,兼有不间断电源和有源滤波器的功能 ,有利于电网调峰，储能环节通常使用蓄电池组或者燃料电池组 ,其容量可根据实际需要进行配置。与不可调度式并网发电系统相比 ,它在功能上有一定的扩展和提高 ,主要包括： 在光照强度不够（阴天、夜晚等）或者电网断电时 ,可用作不间断电源向本地重要负载供电。 大容量的可调度式光伏并网发电系统 ,可根据电网运行情况控制光伏系统功率输出 ,实现一定的电网调峰功 能。 可作为有源功率调节器用于提高电网终端的电能质量。 储能环节可为光伏阵列提供能量补充 ,减少了光伏阵列因光照强度变化对系统运行的影响 ,提高系统的工作可靠性。 系统控制除了变流器控制外 ,还包括储能环节的充放电控制 ,根据系统功能要求进行储能环节的能量管理。 在功能上 ,可调度式光伏并网发电系统虽具有以上优点 ,但由于增加了储能环节 ,也为其带来了明显的缺陷 ,这些缺陷是阻碍并限制其在光伏系统中广泛应用的关键因素 ,主要包括： 作为储能环节的蓄电池或燃料电池 ,与系统其它部件相比其使用寿命较短 ,需要定期更换 ,这将增加系统成 本 ,同时加大了系统的维护工作。 系统增加了储能环节 ,造成了系统体积及重量的增加 ,从而导致系统的集成度低、安装及调试的不便、加大了系统的复杂程度。 总结上述分析 ,可调度式和不可调度式光伏并网发电系统综合指标比较如表1一 2所示 . 7 伏发电系统并网标准 当前影响光伏并网系统结构的国际标准主要是 际统一标准）、行的欧洲标准）和（ 它们对电压和频率异常范围、电流谐波、功率因数、接地要求、孤岛检测等各项指标都有详细明确的规定 ,这些指标直接影响光伏并 网系统结构的选择表 1出了上述标准的主要指标比较，从该表中可见 ,欧洲标准 如对电流谐波的不同要求就影响着电力电子开关器件（晶闸管、 的选择。电网中过大的直流分量会导致设备变压器饱和 ,因此 ,显然 ,具有工频变压器结构的并网系统可以隔离直流分量流入电网 ,而具有高频变压器或没有变压器的并网系统则很难处理直流分量问题。另外国国际电气协会标准）。对于光伏并网系统中光伏阵列的接地问题做了严格规定：如果光伏阵列输出电压高于 50则光伏阵列必须实接地。所以 ,对于光伏阵列要求接地的情况 ,大量无变压器结构（ 并网系统无法选用。根据对以上各种光伏并网标准的分析结果 ,论文选用带工频隔离变压器结构的光伏并网系统进行研究。 8 伏并网发电系统结构 由于光伏阵列的输出电压与系统功率有关 ,为了更好的发挥光伏阵列的效能 ,需要根据其输出电压、系统功率和并网标准选择适当的光伏发电系统结 构。目前 ,光伏并网发电系统常用的结构主要有集中式逆变器结构（ 串型逆变器结构（ 集成式逆变器结构（ 和多重串逆变器结构（ 种 ,其结构原理分别如图 中集中式结构主要 用于大型光伏电站 ,后三种逆变器结构则广泛应用于分布式光伏并网发电系统中。注意 ,本小节中的逆变器结构是指光伏阵列与逆变器的组合方 式 ,而不是指可实现 一下四种光伏并网发电系统在结构、应用范围和特性等方面进行比较 ,结果如表 1每种结构都有其优缺点。集中式逆变器结构适用于光伏电站等功率等级较大的场合 ,但由于其受光伏阵列构成方式的限制 ,该结构对光伏器件的利用率最差 ,并且不能容错。其余三种结构则可广泛用于分布式光伏发电系统 ,其中集成式逆变器结构把光伏模块串联输入 ,同时尽量采用模块化设计 ,减少了中间环节 ,对光伏器件的利用效率最高 ,但其不易扩充 ,单位功率生产成本也高；串型逆变器结构对光伏器件的利用率较集成式结构 低 ,输出功率介于集成式和多重串结构之间；多重串逆变器结构对光伏器件利用率和串型逆变器结构相当 ,逆变器单位功率成本较低 ,该系统输出功率大 ,能基本满足 9 用户的用电需要 ,此外 ,该结构易于扩充 ,具有一定的冗余能力。 2 光伏并网逆变器主电路的研究与设计 伏并网逆变器的拓扑结构 拓扑结构是逆变器的关键部分 ,它关系着逆变器的效率和成本。光伏并网逆 10 变器拓扑结构要求效率高、成本低 ,而且能够承受光伏阵列输出直流电的电压低且波动大的不良影响。另外 ,其输出也要求满足较高的电能质量 ,如较小的 位功 率因数、与电网电压同步等。 由第 1 章可知 ,光伏并网发电系统的结构主要有四类 ,可实现这些结构的具体电路拓扑则有很多 ,一般按其不同的特性可从变压器的有无及类型、功率变换的级数等角度进行分类。 变压器分类的拓扑结构 根据逆变器是否含有变压器及其变压器的类型 ,可以将光伏并网系统分为无变压器型（ 、 工 频 变 压 器 型 （ 高频变压器型（ 示 ,光伏并 网系统中有变压器的拓扑方案主要是三种： (a)工频变压器型 ,置于工频电网侧的 以阻止电流直流分量注入电网； (b)高频变压器在 (c)高频变压器在一变换器内。 与高频变压器 (比 ,工频变压器 (积大、重量重 ,价格上也无优势 ,所以在有变压器拓扑方案的选择中 ,更倾向于采用 实现升压和隔离的功能。为了尽可能地提高光伏并网系统的效率和降低成本 ,在直流母线电压足够高且不需要电气隔离的条件下 ,可以采用不隔离的无变压器型拓扑方案。 由于输入输出没有电气隔离 ,无变压器型拓扑产生 的对地漏电流成为一个需要解决的技术难题，因为光伏模块有一个随外部环境变化而变化范围很大的对地寄生电容 ,一般大小在 间 ,所以由许多光伏模块串并联构成的光伏阵列的对地寄生电容变得更大 ,并且随外部环境变化而变化的范围也更大 ,从而可能导致相当大的对地漏电流。如图 11 的原理图。显然 ,光伏阵列的对地寄生电容和电路中各种滤波器的组件电感、电容通过地回路构成了一个谐振电路 ,产生共模的对地漏电流。较大的对地漏电流一方面会严重影响变换器的工作模式；另一方面也会给人 身安全带来威胁。因此 ,一般只有在不强制要求光伏阵列接地的条件下 ,可以采用无变压器型拓扑。该拓扑方案适用于光伏阵列的输出电压在 50V 以下 ,功率较小的集成式光伏并网系统。 功率变换级数分类的拓扑结构 按照光伏并网系统中功率变换的级数分类 ,并网逆变器一般可分为单级式变换 (多级式变换 (种拓扑方案 ,如图 图 2.3(a)所示为单级式逆变器的结构框图 ,单级式逆变器只用一级能量变换就可以完成升降压和 换的逆变器 ,它具有电路简单、元器件少、可靠性高和高效低功耗等诸多优点 ,所以在满足系统性能要求的前提下 ,单级式拓扑结构将会是首选，这种拓扑也是集中式光伏并网系统常采用的典型拓扑。 图 2.3(b)给出了三种多级式变流器 (扑结构 :其前级为 级为 级 2 功能；后级 于实现光伏阵列的 出电流正弦化并网、孤岛效应检测和预防等功能。由于这种两级式拓扑简化了每一级的控制方法 ,使得每一级可以专注于各自控制方法的质量和效率。 伏并网逆变器的主电路 统结构框图 根据上节分析 ,论文采用如图 示的光伏并网发电系统结构为研究对象 ,它为一个单相可调度式光伏并网发电系统。该系统主要由光伏阵列、 C（ 变电路、滤波和切换电路、采样电路、 离变压器及储能环节等构成 ,是一个带隔离变压器的两级式逆变系统 ,它可根据实际需要实现独立和并网工作 两种模式。光伏阵列是由十块相同的光伏模块串联组成 ,单个光伏模块的技术参数如表 2压电路可将光伏阵列输出的直流电能变换为 400以便于实现后级全桥逆变电路的工作控制；滤波和切换电路既可将逆变输出的交流电能提供给本地负载 ,实现独立运行模式；也可经过工频隔离变压器将电能提供给电网 ,实现并网运行模式；工频隔离变压器（变比 :1）可隔离直流电流分量 ,并且减小并网逆变器对电网用电设备的影响和保证人身安全。 由于该光伏并网发电系统的研究与设计是与他人合作完成 ,论文主要研究系统的后级 部分逆变器部分（逆变器部分）。 路与储能环节等系统前级的设计工作由他人承担 ,论文不涉及其设计过程。 13 图 在逆变器并网工作时利用工频隔离变压器的漏感与前级的 成 构的输出滤波器 ,理论分析表明 ,对高频分量呈高阻态 ,能有效抑止电流谐波和冲击电流； 用来充当逆变器并网电感。 出滤波参数的设计 并 网逆变器的滤波参数设计需以其工作方式为依据来选择适当的设计方法由于逆变器不同的运行模式 ,所采用的滤波器结构也有所不同 ,独立运行模式采用 图 ,并网运行模式采用 以本小节在分析逆变电路所采用工作方式的基础上 ,主要介绍滤波参数的设计方法。 制方式的确定 正弦脉宽调制（ 术由于其控制简单、输出谐波可控、响应速度较快 ,是目前高频逆变器获得正弦输出的一种常用方法。为了让输出电感工作在高频以便减小体积、抑制谐波、降低开关损耗和提高系统效率 ,论文逆变器采用了单 极 14 性倍频的 制方式原理如图 示 ,正弦调制波分别与两个极性相反的三角波载波进行比较 ,产生两对相位互补的脉冲序列 ,分别驱动全桥逆变电路中四个功率开关管的导通与断开 ,使逆变桥输出电压的脉宽也按正弦分布（ 论文选择开关频率 s=20逆变器输出电压的实际载波频率 c=2s=40 网运行模式滤波器参数设计 当逆变器从独立运行模式切换到并网运行模式时，滤波器由原来 构变为 图 示，其中 数。基于已选的 过对其传递函数的幅频特性分析，设计并网电感 在并网运行时，并网逆变器为一电流源， 作用是抑止并网电流的高频 15 纹波和冲击电流，而这些调频纹波主要是由逆变器滤波输出前的电压信号 生的，所以分析 (s)。 将 s=低频段其传递函数 G(近似为 不同的文献对于并网电感 般取 L2=据前面所取的 别取 k=1、 k=2，可得到两个不同的 较其对应的传递函数分别为 G1(s)和 G2(s)，作出其幅频特性如图 示。图中虚线为 1时幅频特性，实线为 1时的幅频特性，由图 k 的取值不同只会影响高频段谐振频率的大小 ,较小的 k 值使其谐振频率变大 ,较大的 而其低频段的幅频特性基本相似。另一方面 ,由于 由隔离工频变压器的漏感来充当的 ,考虑到实际所采用隔离变压器的情况 ,最终 在 波器的参数选择过程中 ,要注意在电容与电感的选择上是需要折衷考虑的 ,电容愈大 ,流入电容的无功电流就 愈大 ,则电感上的电流和开关的电流也就越大 ,从而降低系统的效率。电容愈小 ,则电感需要增大 ,使得电感上的压降增大。图 1=同电容 图中虚线部分所示的是 线部分所示的是 电感一定的情况下 ,不同的电容参数值并不改变其低频特性 ,只是随着电容 C 的增大其谐振频率向减小方向移动。 16 所以可根据一定量的无功功率来计算电容的大小 ,一般取 15%的额定功率来设计 ,其计算公式如上。（ 代入数据 ,20V, g=50 可得 C=以在综合考虑系统效率和性能优化之后 ,并兼顾前面设计参数 电容的最终实际取值为 10F。 通过以上对 波的参数设计与分析结果 ,论文最终所选取的参数为：C=10 3 光伏并网逆变器控制策略及模型的研究 伏并网逆变器控制策略研究 根据直流侧滤波结构的形式 ,逆变器可分为电压源和电流源两类。电压源逆变器直流端并联大电容 ,它既抑 制直流电压纹波 ,减小直流电源内阻 ,使直流侧近似为恒压源 ,另方面又为来自交流侧无功电流的流传提供通路；而电流源逆变器在其直流输入侧需串联一个大电感 ,来抑制直流电流的纹波 ,使直流侧近似为恒流源 ,但是大电感的存在将导致系统的动态响应变差。目前光伏并网逆变器大部分采用电压源逆变器 ,因此 ,论文本节注重分析研究电压源逆变器的控制策略。 出控制方式 按其控制对象的不同 ,并网逆变器的输出控制方式有电压控制和电流控制两种 ,与之对应的逆变器名称分别为电压型逆变器和电流型逆变器。 在逆变器与电网进行并联运行时 ,电网可看作一个容量无穷大的交流电压 17 源。如果并网逆变器采用电压控制方式 ,则系统就相当于两个电压源并联运行。为了确保系统能够稳定并网运行 ,就必须利用锁相控制技术 ,使并网逆变器的输出电压与电网电压同步 ,并在此基础上通过调整其输出电压的幅值及相位来调节其输出电流的大小 ,从而实现其输出功率的调节。逆变器输出电压的频率、幅值和相位必须与电网电压的频率、幅值和相位一致 ,以减小并联环流的产生。 而对于采用电流控制方式的并网逆变器 ,只需要控制逆变器的输出电流跟踪电网电压 ,同时设定输出电流的大小 ,就可以实现的稳定并网运行 ,其 控制方法相对简单 ,效果也较好 ,因此得到了广泛应用。 出电压控制策略 电压源电压控制策略的控制对象虽然是输出电压 ,但是由于逆变器在并网运行时 ,其输出电压即为电网电压 ,所以必须通过调节输出电流以达到其输出功率调节的目标。这种并网控制策略下 ,主要是通过模拟或数字采样得到逆变器输出电流的大小 ,一般以其有效值或平均值作为反馈量来控制输出电压的大小。输出电压控制原理图。采样并网电流 与设定值比较后作为电压反馈控制的参考基准 时电流 电压的相位 ,使输出电流 即同相 ,以实现其向电网输出功率大小的调节。 出电流控制策略 电压源电流控制采用的是输出电流反馈的电流源工作模式 ,它直接控制并网逆变器输出电流的幅值和相位。该控制策略主要有电流瞬时值反馈与三角波比较控制、电流瞬时值反馈滞环控制、复合控制、重复控制和无差拍控制等。下面主要介绍一下电流瞬时值反馈与三角波比较控制和电流瞬时值反馈滞环控制。 （ 1）电流瞬时值反馈与三角波比较控制 该控制策略是将并网逆变器的输出电流反馈量与参考电流比较后 ,通过控制器调节 ,再与高频三角波进行比较 ,从而生成 号来控制逆变器的输出电流 , 18 其控制原理图如图 示。图中控制器多采用比例或比例积分调节 ,该方法实现简单、可靠 ,但是存在响应速度慢 ,输出电流相位漂移的问题。 （ 2）电流瞬时值反馈滞环控制 电流瞬时值反馈滞环控制的原理如图 示 ,该控制策略是将并网电流与参考电流进行比较 ,两者的偏差 为滞环比较控制器的输入 ,通过滞环比较器产生控制功率器件通、断的 实现对并网电流的控制。它具有控制简单、实时控制、电流响应速度快、输出电流电压波形不含有特定次 谐波等优点 ,但是功率管开关频率随负载电流变化而变化 ,同样逆变器输出电压的谐波频率也随之变化 ,增加输出滤波器的设计难度。 制策略的选择和参考电流的确定 在光伏发电系统中 ,并网逆变器工作过程存在两个扰动因素：光伏阵列的输出功率和电网电压。由于电网电压的幅值、频率和相位变化范围小 ,设计中主要考虑光伏阵列的输出功率变化对逆变器的干扰。由于并网逆变器输出电压控制方法存在锁相回路的响应较慢、输出电压不易精确控制、可能出现环流等问题 ,如不采取附加措施 ,一般不易获得优异的性能 ,因此并网逆变器一般均采用电流控制方式。论文采用电流瞬时值反馈与三角波比较控制策略 ,其控制器采用技术比较成熟、实现比较简单的比例积分 (制方法。 逆变器电流控制策略必须要确定出逆变器的输出参考电流。图 19 图中 统运行时 ,光伏阵列的输出功率 扣除电路中的损耗后便是逆变器理论上的输出功率 g,即可得到逆变器参考控制电流有效值 的相位关系即可得到逆变器输出电流参考信号 极倍频枷调制逆变器的模型 在逆变电路控制模型中 ,调制正弦波和三角波比较得到的脉冲序列去控制各功率开关器件。由于开关状态是不连续的 ,分析时采用状态空间平均法。状态空间平均法是基于输出频率（ 50小于输出电路的载波频率 c（ 40的情况下 ,将输出电压 如图 ,即 由于 ,因此在一个电路载波周期中 ,原来按输出频率随时间变化的正弦调制 信号 于是图 用简单的几何关系可得到 且上式中 综上可得： 20 而由图 综上等式有 上式中， ，在直流侧电压 变时为一变量，由（ 见，当调制信号 据式（ 得出逆变器在单极倍频 下面将利用这个平均值模型对并网逆变器的控制系统进行分析与设计。论文根据已经选定的光伏并网逆变器控制策略 和实现方法 ,采用 稳定判断法 ,讨论闭环控制电路中的参数设计和系统控制的模型分析。 网运行模式控制系统分析、设计与仿真 在并网运行模式下 ,逆变器的输出控制为电流控制模式 ,逆变器相当于一个电流源。本小节首先对其控制系统进行分析 ,其次进行闭环设计 ,最后利用设计选取的系统参数进行 真 ,验证系统分析与设计的可行性和准确性。 21 制系统分析与设计 在并网运行时 ,逆变器在采用图 电路拓扑基础之上 ,加入消峰环节 ,考虑到其中隔离变压器的变比为 1:1,最终可得逆变器并网运行控制系统的等 效电路框图如图 图 网运行模式瞬时电流控制等效电路框图 （ 1）正弦参考波和三角载波的确定 在逆变器并网运行模式下，如果输出电流的采样系数取值适合，正弦参考波和三角波的取值可与独立运行模式下相同。由于逆变器的最大输出功率为1网工作时市电电压有效值为 220V，则其额定输出电流峰值为 流采样系数 ，在市电电压正常范围： 220 10%（即 198V 242V），输出电流峰值范围为 可设定正弦波的范围： 0 0 （ 2）系统特性与分析 在并网运行模式时，逆变器电流瞬时反馈控制系统框图如图 图 变器瞬时电流反馈控制系统框图 主电路参数 在并网运行模式下，逆变器的主电路是再独立运行模式的基之上，增加了一个隔离变压器，其副边漏感 馈量的采样为输出电流信号，所以根据前面分析内容，其主电路参数的选取如表 3示。 表 3网运行模式设计要求与主电路参数一览表 22 滤波器传递函数 Gi(s) 根据滤 波结构（见图 b)所示）的参数 ,推导 ig(s)的传递函数 Gi(s)如下式所示： 系统的开环频率特性分析与补偿设计 系统未经过校正之前的开环传递函数为 将 3的参数分别代入上式 ,利用 分析系统开环频率特性 ,相位裕量仅约为 20o,系统的稳定度不够 ,需要采取适当的校正措施才能提高系统的稳定性能。论文同样采用简单易实现的 其传递函数如下式所示。 选取 z=20行补偿校正 ,得到校正后系统的开环 传递函数如下式所示 ,特性如图 示。 由图 系统进行 40DB/穿越频率约为 150位于系统 20300相位裕量约为 80o,增加了系统运行的稳定性 ,提高了动态响应的速度。在系统的高频率段又以 增强了系统抗高频干扰的能力。 23 图 校正之前的系统开环频率特性 图 网运行模式 网工作模式系统仿真 逆变器在并网之前必须实现输出电压与电网电压的跟踪锁相 ,在此过程中 ,其处于独立工作模式。由于两种工作模式的滤波结构和控制方策略不同 ,在独立工作模式时 ,滤波结构采用带消峰环节的 波器 ,控制策略为电压瞬时值控制；在并网工作模式时 ,滤波结构采用带消峰环节的 即在独立工作模式时的滤波结构的基础上 ,通过隔离变压器接入电网 ,控制策略为电流瞬时值控制。论文在并网仿真时 ,通过继电器控制隔离变压器的接入 ,利用转换开关实现控 24 制策略的选择 ,继电器和转换开关都具有相同的动作时序 ,根据已设计的系统参数 ,用 进行并网工作模式的系统仿真 ,仿真电路如图 减 图 网逆变器并网工作模式 小并网瞬间产生的冲击电流 ,在过零点投入并网。并网成功后 ,参考电流给定值是由零逐步增加到其额定值 ,以确保并网电流的平滑过渡。通过设定参考电流频率和相位 ,并网电流能够实现自动跟踪电网电压 ,且其幅值大小由电流的给定值决定。逆变器电压、并网电流和电网电压的仿真波形如图 图中的 并网后的并网电流由零递增至额定值阶段 ,。仿真结果表明在投并网的瞬间 ,会出现冲击电流 ,逆变器电压也会产生一定振荡 ,但系统在大约半个工频周期内消除这些现象 ,并在三个工频周期内实现并网电流与电网电压的跟踪锁相 ,从而验证了控制系统具有较快的动态响应 ,良好的稳态性能。 25 图 网工作模式下逆变器输出电流和电网电压仿真波形 4 光伏并网发电系统 制的研究 当日照强度和环境温度变化时 ,光伏阵列输出电压与电流呈非线性关系变化 ,其输出功率也随之改变。即使在外部环境稳定的情况下 ,光伏阵列的输出功率也会随着外部负载的变化而变化 ,只有当外部 负载与光伏阵列达到阻抗匹配时 ,光伏阵列才会输出最大功率 ,此时光伏阵列工作在最大功率点（ 为充分发挥光伏阵列的效能和提高系统的整体效率 ,需根据外部环境和负载情况 ,不断调节光伏阵列的工作点使其处于 近 ,这一过程就是最大功率点跟踪 (它是光伏并网逆变器的重要特性之一。本章在分析单体光伏电池特性的基础上 ,简要介绍了光伏阵列的固定电压法（ 扰动和观测法 (P&O)、电导增量法等 并给出了一种基于 计和实现方案。 伏阵列的输出特性 伏阵列 单体光伏电池的输出电压、电流和功率都很小 ,一般来说 ,输出功率只有 1 2W,不能满足作为电源应用的要求。为了提高输出功率 ,根据实际需要可将许多单体光伏电池通过串联、并联或者串并联混合连接的方式连接起来 ,并封装成组件。在需要更大功率的场合 ,则需要将一定数量的光伏组件经过串并联构成阵列 ,以提供数值更大的电流、电压输出。具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压（电流）及各个组件的参数有关 ,系统设计确定。 伏阵列的 性 如图 中 (a)所示为阵列温度不变 ,日照强度变化情况下的 性曲线 ,它表明：光伏阵列的短路电流随日照强度增强而变大 ,而开路电压变化不大；在虚线 光伏阵列的特性近似为电流源 ,右侧近似为电压源；虚线 A 对应最大功率点时光伏阵列的工作电流 , 约为 26 阵列短路电流的 90%。图中 (b)所示为日照强度不变 ,阵列温度变化情况下的 它表明：光伏阵列的短路电流受电池温度影响不大 ,随着温度的上升短路电流仅略有增加；光伏电池的开路电压随着温度的上升而下降 ,且变化范围较大。 伏电池的 性 如图 示光伏阵列的 性曲线。图中 (a)所示为阵列温度不变 ,日照强度变化情况下的 性曲线 ,它表明 :光伏阵列的最大输出功率随着日照强度增强而变大 ,且在日照条件不变的情况下具有唯一的 在 左侧 ,输出功率随光伏阵列的端电压上升呈近似线性上升趋势；在 输出功率随着端电压的上升而快速下降 ,且下降的速度远大于上升速度；在阵列温度一定的情况下 ,大约为开路电压的 78%。图中 (b)所示为日照强度不变 ,阵列温度变化情况 下的 性曲线 ,它表明：光伏阵列输出功率总的变化趋势与不同日照强度情况下的功率变化相似 ,但在同一日照强度下 ,其最大输出功率随阵列温度的上升而下降； 应的工作电压随着温度的上升而下降。 由此可知 ,光伏阵列的输出功率与它所受的日照强度、自身温度有着密切的关系。在不同外部环境条件下 ,光伏阵列的输出功率将会有较大的变化 ,因此光伏发电系统必须采用相关的电路和控制方法等措施使其输出最大功率。 27 控制策略 控制策略实时检测光伏阵列的输出功率 ,利用一定的控制算法预测当前光伏阵列 可能的最大输出功率 ,从而改变当前的负载阻抗来满足最大功率输出的要求。 基本原理 在假定阵列的结温不变的情况下 ,光伏阵列的 示。 图中曲线 I、 别对应于不同日照下光伏阵列的 B、 负载 1、负载 2为两条负载特性曲线。当光伏阵列工作在 日照突然加强 ,光伏阵列的输出特性由曲线 升到曲线 I。如果此时保持负载 1不变 ,光伏阵列的工作点将转移到 A点 ,这样就偏离了相应日照强度下的 了使光伏阵列在特性曲线 I 上 仍能输出最大功率 ,就需要其工作在特性曲线 点 ,即必须对它的外部电路进行控制 ,使其负载特性变为负载曲线2,以实现与光伏阵列的功率匹配 ,从而使其输出最大功率。同理 ,如果日照强度减弱 ,使得光伏阵列的输出特性由曲线 I 减到曲线 ,则相应的工作点由 B 点转到 B点 ,应当控制负载从特性曲线 1 变为曲线 2,以保证在日照强度减弱的情况下 ,光伏阵列仍工作在最大功率点 光伏阵列的短路电流和开路电压易受日照强度和温度的影响 ,系统的工作点因此而不固定 ,造成系统效率降低。为了充分利用太阳能 ,并网发电系统必须实现 便光伏阵列在任何环境下能够获得最大功率输出。 常用的控制方法有固定电压法、扰动观测法、增加电导法等方法。 定电压法 (由上节分析光伏阵列输出 性所得的结论可知 ,在阵列温度恒定、日照 28 强度变化时 ,定电压法就是利用 将光伏阵列的输出电压控制在 使光伏阵列始终近似工作在 固定电压法虽具有控制简单、实现和输出电压稳定性好的优点 ,但其 度差 ,对 化的适应性差。实际应用时 ,需要采取一定的补偿措施 ,如表 4通常应用于功率较小、日照情况稳定的场合。 动观测法 (P&O) 光伏阵列的 性可知 :在 ,dP/；在 侧时 ,dP/；在侧时 ,dP/ dP/ 时 ,光伏阵列工作在的 dI/I/光伏阵列工作在 。增加电导法就是通过比较光伏阵列输出的增量电导 (dI/瞬时电导 (I/V),判断其是否工作在 对系统进行相应的控制 ,从而实现对 是对扰动观测法的改进 ,基本解决了在 是 ,当光伏阵列的外部环境发生变化时 ,式 将不再成立 ,系统将开始新的 该方法具有控制精确、稳定度高 ,响应速度比较快 ,不受功率时间曲线的影响等优点 ,适用于大气条件变化较快的场合。但是对 计算过程比较复杂 ,实际应用常受硬件要求限制。 30 于梯度变步长的电导增量法 如果令 a |dP/为 中的步长数据 ,在光伏阵列的工作电压偏离 系统跟踪的步长较大；当工作电压偏离 系统跟踪步长较小。通过设置合适的 同时结合 跟踪精度高的优点 ,可以在 程中实现变步长跟踪 ,这就是基于梯度变步长的电导增量法的工作原理。 该方法控制效果好 ,且控制稳定度高；当外部环境参数变化时 ,系统能够快速追踪其变化 ,不受功率时间曲线的影响；在系统启动过程中可实现快速跟踪。但在外界环境条件发生 改变时 ,因其控制作用较强 ,造成光伏阵列的输出功率有所波动 ,控制算法也较为复杂。 制方案设计与实现 由图 示的光伏并网发电系统结构框图可知 ,逆变器直流母线上的电压00V)是由 路对光伏阵列的输出电压进行升压变换而来的。 压电路如图 其主电路参数在表 4开关管的驱动和关断电压波形如图 示 ,其开关频率为 100可将低且不稳定的光伏阵列输出电压变换为 400以便于实现后级全桥逆变电路的工作控制。 31 制的设计方案 论文采用结构简单、容易实现、应用广泛的扰动观测法 ,在逆变器中实现光伏阵列的 于并网逆变器采用的是电流控制方式 ,电网电压相对比较稳定 ,所以光伏并网逆变器输出电流的大小可反映系统向电网馈入功率的大小 ,即光伏阵列输出功率的大小。通过不断扰动系统并网输出电流的方法 ,可实现对光伏阵列 其原理框图如图 它的工作过程为：首先不断扰动系统的给 定输出电流 过采样光伏阵列的输出电压 算出其输出功率 它和前面的记忆功率 便可确定下一次 过这种相对简易扰动的方法 ,可使光伏系统的工作点在阵列最大功率点附近稳定运行 ,其控制流程图如图 验结果 采用上述 设计方案