光伏并网逆变器限功率控制策略研究硕士学位论文1.doc

（ 类类 别别 : 全全日日制制硕硕士士研研究究生生 题题 目目 ： 光光伏伏并并网网逆逆变变器器限限功功率率控控制制策策略略研研 究究 英英文文题题目目：research on photovoltaic grid-connected inverter constrained production control strategy 研研 究究生生 ： 学学科科名名称称：电电气气工工程程 指指导导教教师师： 硕硕士士学学位位论论文文 分类号分类号: :学校代码学校代码: : 1012810128 u d c :学学 号号: : 2011180012820111800128 内蒙古工业大学硕士学位论文 i 摘 要 太阳能是一种无污染可再生的绿色能源。随着全球能源不断消耗以及环境污染 日益严重，世界各国对太阳能的开发和利用越来越重视。太阳能光伏发电技术得到 了快速的发展，已经由初期的离网型千瓦级发展到现在的并网型兆瓦级以及多机并 联发电，分布式光伏发电已经开始大规模并网，新能源发电组成的微电网得到了研 究与示范应用。文章分析了分布式并网发电和微电网中分布式电源控制技术，采用 的光伏并网发电系统具有 mppt 和限功率两种控制方式；逆变侧采用解耦控制，dq 较好的满足了分布式光伏并网发电和微电网光伏分布式电源注入公共电网的限制要 求。 本文以电力电子仿真软件 matlab/simulink 为平台，在光伏组件 p-v 输出 特性基础上对光伏发电系统进行了仿真研究，主要分析了光伏 mppt 和限功率两种 发电方式及其切换原理，双级式光伏发电系统由 boost 升压电路和电压源型变流器 (vsc)组成，分析了前级 boost 电路 mppt 和限功率控制方案；对电压源型变流器矢 量控制技术进行研究，阐述了光伏发电系统功率传递平衡原理，分析了逆变侧的控 制策略，建立了电压源型变流器在同步旋转坐标系下的前馈电流解耦动态数学模dq 型。 利用 matlab/simulink 软件搭建了光伏发电系统的仿真模型，通过对太阳 能光伏并网发电系统的仿真，验证了对系统所设计 mppt 和限功率控制方式的有效 性，使变换器功率能够在额定功率范围内自由调节。同时用 modsim32 测试了组态 软件 mcgs 搭建的并网逆变器功率控制监控系统。最后对论文进行了总结，并对后 续改进工作提出了建议以及对光伏发电的前景做出了展望。 关键词：光伏发电；mppt 和限功率；电压源型变换器（vsc）；并网控制 内蒙古工业大学硕士学位论文 ii abstract the solar energy is non-pollution, renewable and green energy. with global energy being consumed and environment being polluted seriously, countries around the world pay more attention to the development and utilization of solar energy. solar photovoltaic power generation technology has developed very well, already from the early off-grid kw level to the present grid-connected mw level and parallel multi-machine power generation. large-scale distributed photovoltaic power generation has been connected to the utility grid. micro grid constructed by new energy power generation is being researched and demonstrated. the distributed power control technology is analyzed in distributed grid- connected power generation and micro grid. there are two kinds of power control modes, mppt and the constrained power production, for photovoltaic grid-connected power generation system; decoupling control for the inverter side. all these satisfy the distributed photovoltaic grid-connected power generation and the photovoltaic distributed power in micro grid with limited injection requirements to the utility grid. based on power electronic simulation software matlab/simulink platform, photovoltaic power generation system based on the simulation is researched considering photovoltaic p-v output characteristic. model mainly analyzes two kinds of power control modes mppt and the constrained power production together with the switching principle of two control modes. two-stage photovoltaic power generation system includes the boost booster circuit and voltage source converter (vsc). mppt and the constrained power production control methods are illustrates and implemented in the boost circuit. vsc works based on vector control technology, besides the power transfer balance principle and the control strategy of vsc are learned. the current feed-forward decoupling dynamic mathematical model of vsc is established under the synchronization reference frame.dq using matlab/simulink software to build the simulation model of photovoltaic power generation system, the simulation of solar photovoltaic grid power generation system validated the effectiveness of the power controller of mppt and the constrained power production designed which can adjust converter freely within the scope of power rating. at the same time configuration software mcgs of grid inverter power control system is tested with modsim32. finally, to do the summary, the subsequent improvement suggestions were advised and the prospect of photovoltaic power generation was put forward. 内蒙古工业大学硕士学位论文 iii keykey wordswords: : photovoltaic power generation; mppt and constrained power production; voltage source converter (vsc); grid control 目 录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 选题背景及意义.1 1.2 国内外研究现状和发展动态.2 1.2.1 国外光伏发电的现状和发展动态.2 1.2.2 国内光伏发电的现状和发展动态.2 1.3 分布式发电中的限功率应用.3 1.4 微电网中的限功率应用.4 1.5 两种限功率调节方式.6 1.5.1 风力发电系统调节方式.6 1.5.2 光伏发电系统调节方式.6 1.6 课题主要研究内容.7 第二章第二章 光伏并网限功率系统光伏并网限功率系统 dc/dc 侧设计侧设计.9 2.1 光伏电池输出特性及限功率控制原理.9 2.2 dc/dc 变换器分类与选取10 2.2.1 dc/dc 变换器分类10 2.2.2 dc/dc 变换器选取12 2.3 boost电路 mppt 和限功率控制设计.15 2.3.1 boost 电路 mppt 控制方法15 2.3.2 boost 电路限功率控制方法 15 2.4 本章小结16 第三章第三章 光伏并网限功率系统光伏并网限功率系统 dc/ac 侧设计侧设计.17 3.1 dc/ac 变换器分类与选取17 3.1.1 pwm 电压源换流器拓扑分类17 3.1.2 pwm 电压源换流器的矢量控制原理18 3.1.3 三相桥 vsc 主电路滤波 l/c 选取.19 3.2 dc/ac 控制系统20 3.2.1 svpwm 调制方式.21 内蒙古工业大学硕士学位论文 iv 3.2.2 坐标变换.21 3.2.3 系统模型.22 3.2.4 电流内环控制系统设计.24 3.2.5 电压外环控制系统设计.26 3.3 本章小结.27 第四章第四章 仿真结果与分析仿真结果与分析29 4.1 滤波电路的类型及滤波特性.29 4.2 功率控制仿真.31 4.3 本章小结.35 第五章第五章 监控系统监控系统36 5.1 mcgs 系统介绍.36 5.2 modbus 协议以及 modbus 测试工具37 5.2.1 modbus 协议.37 5.2.2 modbus 测试工具.38 5.3 图形界面38 5.4 本章小结40 第六章第六章 总结与展望总结与展望41 6.1 总结41 6.1 展望42 参参 考考 文文 献献43 致致 谢谢46 作作 者者 简简 介介47 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 选题背景及意义 图1-1太阳能电力将成为 21 世纪的主要能源1 fig. 1-1 solar power will become the main energy in the 21st century 当电力、煤炭、石油等化石能源迅速消耗枯竭，化石能源问题日益成为制约世 界社会经济发展的瓶颈时，太阳能作为可再生能源的重要一员，得到了各个国家的 青睐，越来越多的国家开始实行“阳光计划” ，以光伏建筑一体化和光伏屋顶等形式 开发利用太阳能资源，形成了新的经济产业链。太阳能在可再生能源所占比例逐年 增加，图 1-1 显示未来太阳能在能源供应中所占比例。同时随着科学技术的发展， 太阳能利用技术也趋于成熟和稳定。 目前太阳能的应用较为广泛的主要是太阳能供热和太阳能发电两个领域。从长 远前景来看，光伏发电是最具潜力的战略替代发电技术。其中利用光伏发电的形式 有离网型光伏系统和并网型光伏系统。其中并网型又包括大型光伏电站和分布式发 电系统及微电网系统。分布式发电所占比重与日俱增，并且未来分布式光伏发电将 会占到很到的电力供应比例，微电网也将作为智能电网的重要组成部分而被广泛应 用。未来不能仅仅局限于分布式发电单元的基本功能和并网标准（电压、电流、功 率因数、孤岛、谐波、闪变、短路能力）等传统的规定，而是需要真正将分布式电 源在大电网和微电网中作为整体电网的潮流单元来分层管理2。本文研究了限功率 内蒙古工业大学硕士学位论文 2 控制，以期望在分布式光伏发电管理系统和微电网功率控制中得到较好的应用。 1.2 国内外研究现状和发展动态 1.2.1 国外光伏发电的现状和发展动态 光伏并网逆变器功能已经很完善，如多机并联、独立后备与并网发电两用、多 机组合群控、最大功率自动跟踪、孤岛效应防止、远程调度管理等3。并网系统己 经在国际市场中占据了主导地位。 在国外，布式光伏发电主要应用在城市屋顶并网、光伏建筑一体化和光伏声屏障 系统等方面。由于欧美日本等发达国家均实施了相应的措施鼓励居民投资屋顶光伏 系统。因此，分布式并网系统的市场份额要远远大于集中式并网系统，在 iea- pvps 项目成员国中就达到了 14:14。在微电网方面，欧盟重点研究多个微网连接到 配电网的控制策略，协调管理方案，系统保护和经济调度措施，以及微网对大电网 的影响等内容。美国在热电联产式微网的发展做出了重要贡献。日本目标主要集中 在研究间歇的可再生能源发电对微网控制的影响。 1.2.2 国内光伏发电的现状和发展动态 国内的光伏并网逆变技术与国外先进技术有一定差距，由于分布式光伏并网发 电功率的波动性，涉及气象预测，最大功率点跟踪，逆变器效率，功率控制管理系 统，使太阳能光伏发电广泛接入大电网方面还不成熟。太阳能发电成本较高，我国 新能源发电扶持力度不够，配电网结构不足已支持大规模并网56，微电网没有广泛 应用，上网电价制度不健全等。我国光伏发电整体落后。目前我国国内并网系统主 要两种发展方式7： 1大型和超大型并网光伏电站系统。一般是由光照资源较好的偏远地区经过高 压输电网络向大城市的负荷终端输送，可参与电力系统调度。但是存在以下缺点： （1）市场因素决定了负荷分配和光伏电站建设成本等的变化，但是从偏远地区 到负荷终端的输电网络不能随意调整且投资成本大，容易造成输电设备的投资浪费。 （2）对于输送到偏远地区的集中式光伏电站由于远离负荷终端，相比于分布式 发电为本地负荷供电输电费用高。 （3）对大电网系统中的光伏电站而言，由于光伏供电的不可靠行，容易造成大 面积停电事故，对电力系统的经济运行造成了严重影响。 第一章 绪论 3 2分布式发电和微电网。我国光伏组件产能过剩，国家加大了对光伏产业的扶 持力度，扩大内需，未来几年我国分布式光伏电站将会继续增多。我国分布式光伏 并网发电面临很大机遇。分布式光伏并网发电的利用形式8： （1）自发自用，不向电网反送电力； （2）自用为主，余电上网； （3）接入公共配电网，电网收购，统购统销。 我国的小型分布式电源组成的微网的研究还是刚刚起步，如浙江省电力试验研 究院设计的浙江东福山岛风光柴海水淡化综合系统工程提出了交直流混合微网，综 合考虑最大化利用可再生能源减少柴油发电，同时兼顾蓄电池使用特性最大化延长 使用寿命的运行策略，中新天津生态城智能电网综合示范工程微网系统等等。微电 网技术和利用形式还处于探索阶段。 1.3 分布式发电中的限功率应用 逆功率保护 控制系统 本地 负载 通讯 通讯 dc ac dc ac 功率采集 模块 通讯 utility grid pcc pinjection 0 图 1-2 分布式发电的逆功率保护 fig.1-2 reverse power protection of distributed generation 由于分布式光伏接入配电网将改变传统配电网的辐射式配电方式，配电网电压 管理问题是大规模分布式光伏发电发展的最大挑战之一9，因为分布式光伏发电系 统的不可控，大电网要求分布式电源只供应本地负荷，限制其电能通过大电网网络 供应其他负荷。低压配电网中的光伏发电装置只准满足并网点以内的负荷消耗。通 过添加逆功率保护装置，在负荷变化时，检测并网点的电压、电流、功率情况，通 过限功率控制方式调节逆变器输出，始终保持并网点内部功率平衡。因为负载的投 切时间短，逆变器的功率调节慢，并网点电压会受到负荷突变冲击，但在低压配电 网中容量配置中冲击影响较小。这种逆变器动态调节方式相比于逆变器硬切除而使 内蒙古工业大学硕士学位论文 4 并网点内光伏发电和负荷消耗功率匹配的方式，增加了灵活性，提高了供电质量。 1.4 微电网中的限功率应用 馈线a 馈线b 馈线c ac dc dc ac 微型燃气轮机 pv pv dc ac dc ac pcc g ac dc dc ac unitiy grid dc ac 飞轮储能 光伏 蓄电池 齿轮箱 风力机 pinjection pinjection_limited dc dc dc ac 光伏 图 1-3 微电网基本结构 fig.1-3 micro grid power balance adjustment 微电网通常包含分布式电源、储能装置和负荷。微电网中分布式电源具备的功 能10：基本功能并网电流控制，直流电压控制，电网同步；辅助功能无功补偿、 有源滤波、故障穿越、电网支撑（电压、频率） 。在微电网中除了分布式电源具备的 基本功能外还要考虑分布式电源在微电网中的信息管理系统11121314。微电网负荷 分为常规负荷和敏感负荷，必要时常规负荷可被切除。微电网有两种运行模式，孤 岛运行和并网运行。在孤岛状态，微电网所发电能用来满足本地负荷需求，达到功 率平衡。而在并网情况下，微电网吸收功率或向公共电网注入功率。微电网做为智 能电网的一部分，用来平衡公共电网，同时降低成本，提高供电质量如图 1-3。微电 网中分布式电源常见的控制方式： 1下垂控制 若需要通过电网或微电网向负载供电，且需要在不同电源之间实现功率均分， 可通过使用“下垂控制”及其派生的控制方法来实现。其基本思路是复现传统的同 步发电机特性，也被称为虚拟同步发电机控制方式15。一般来说，此类发电机与调 速器控制的蒸汽涡轮相连，其控制策略为，输出有功功率增大时频率降低，输出无 功功率增大时电压幅值减小。下垂特性应由有功功率分配及额定功率的大小而定， 无功功率也应有类似的下垂特性，以保证无功功率的分配和均衡。模拟同步发电机 第一章 绪论 5 的外特性，被称虚拟同步发电机（vsg） ，具备调压调频功能。 2微电网的 pq 控制 中小型分布式电源可以采用恒功率可控负荷外特性方式进行并网，从而有效避 免分布式电源直接参与电网馈线的电压调节。该控制方法需要系统中有维持电压和 频率的分布式电源或电网。该系统包括三个控制环：内环电流控制环、外功率控制 环和锁相环11。锁相环有多种控制方式，例如基于正交信号的相角检测方法；基于 自适应滤波器的 pll；基于 2 阶广义积分器的同步方案等。这种控制方式不参与微 电网调频调压， pq 控制方式相比于下垂控制和恒压恒频控制较简单，适用于微电 网中小容量的分布式电源，可以达到微电网功率平衡的目的。 3恒压恒频 控制方法16以恒定的频率直接控制逆变器，以交流侧出口电压为调节对象，v/f 采用交流电压闭环控制，最终使输出电压和频率稳定在给定值附近。一般在微电网 孤岛状态下使用这种控制方式，这时分布式电源作为主单元，可视为具有恒定频率 的电压源，维持了整个系统的电压、频率稳定。这种控制方式适用于大容量的分布 式电源，并且应该具备长时间运行的能力。 在微电网中，光伏发电和风力发电受环境因素影响，功率波动大、单个系统容 量大。配备储能装置时可应用下垂控制、恒压恒频、pq控制，但储能成本较高；微 电网与公共电网并联时可以起到调峰作用，但并不是向电网注入功率越多越好，对 光伏并网发电系统来说，pv系统输出电能的波动能够影响微电网电压和微电网运行 质量。随着pv系统输出容量的增加，在光照强度变化时，pv并网发电系统追踪最大 功率点轨迹会产生波峰和波谷，而光伏并网发电系统采用的是电力电子器件，其运 行惯性小，大电网对微电网所需电能的调节时间比pv系统波动时间长的多，因此依 靠公共电网对含有高容量pv系统的微电网电能的波动调节将十分困难，所以微电网 向公共电网渗透的功率过大时会引起公共电网稳定性方面的问题。pv光伏并网发电 系统应该降低自身波动性，以减少微电网与公共电网并联时的最大电能交换。具有 限功率控制方式的光伏并网发电系统具有削峰作用17 18，可减少微电网与公共电网 的互相依赖程度，提高系统的可靠性。这比只用储能装置调峰降低了成本，限功率 控制的局限是只能向最大功率以下调节。 对于波动性较大的光伏发电和风力发电而言，为了限制波动，风机可按恒功率 和直流斩波限制功率；光伏可按调节pv组件输入阻抗限制功率。限功率控制方式不 参与调压、调频，只是满足功率平衡要求发电。 内蒙古工业大学硕士学位论文 6 1.5 两种限功率调节方式 1.5.1 风力发电系统调节方式 风力发电具有波动性，机侧即可以调节风机的最佳叶尖速比和调节桨矩角使风 机保持最大风能利用率，也可以使风力发电机保持在恒功率运行状态。风力发电系 统网侧采用背靠背变换器如图 1-4，网侧控制策略采用离网运行模式，也可采用并 网运行模式。变换器的输出电压是直接控制的，没用电流控制，需限流器防止电流 过高。恒功率运行状态，在风速波动时，由于风力发电机械转矩惯性大，调节功率 响应慢，变换器部分功率可能产生较大的波动，控制图 1-8 背靠背变换器中间直流 电压可以调节输出到电网的功率，当直流母线电压低于额定直流母线电压时，直流 电压控制器才作用。如果直流母线电压高于额定直流电压，直流斩波器将消耗过剩 的功率。消耗的功率由负载决定。调速可在一定程度平衡功率。最终多余的功率将 通过启动斩波器使其在阻尼电阻上迅速消耗19。 g 模式切换 svm 斩波器 控制 齿轮箱 风力机 _ _ 变压器 并网控制 离网控制 utility grid * , dcdc vv dc v * ,p q * dq v * d v pwm r 图 1-4 风力发电功率控制结构图 fig.1-4 wind power control structure 1.5.2 光伏发电系统调节方式 光伏并网发电系统的基本结构如图 1-5，前级电路可通过控制 boost 斩波电路， 调节 pv 系统的输入电阻，使 pv 组件输出不同的功率，pconstrained 为限功率给定 与 ppv 功率比较使 pv 组件以 mppt 或限功率运行。可调度式并网光伏发电系统20 通常配备铅酸蓄电池，铅酸电池的储能容量一般较小，在较大容量光伏并网逆变器 并网时，使其工作在限功率控制模式时，可降低蓄电池的选用容量。逆变系统并网 时可控制注入电网功率，孤岛时可有效控制蓄电池不被过冲损坏。这种功率控制需 要良好的能量管理系统。 第一章 绪论 7 pwm pv p mppt liao hua; wu chun-sheng; xu hong-hua.large-scale grid-connected photovoltaic power stations capacity limit analysis under chance-constraintsc. sustainable power generation and supply, 2009. supergen 09. international conference on, on page(s): 1 6，200 9 6 wang yi-bo, wu chun-sheng, liao hua and xu hong-hua. steady-state model and power flow analysis of grid-connected photovoltaic power systemc. industrial technology, 2008. icit 2008. ieee international conference on, on page(s): 1 6，2008 7 陈琳，分布式发电接入电力系统若干问题的研究d，杭州：浙江大学 2007 8 王斯成. 光伏电站建设及相关政策m.第六届中国新能源国际高峰论坛，2012. 9 许晓艳，黄越辉，刘纯，王伟胜.分布式光伏发电对配电网电压的影响及电压越限的解决方案j. 电网技术,2010,34（10）:140-146 10 郜登科，姜建国，张宇华. 使用电压相角下垂控制的微电网控制策略设计j.电力系统自动 化，2012,36（5）:29-34 11 吴志，顾伟. 孤岛方式下基于多代理系统的微电网有功-频率控制j. 电力自动化设备,2009,2 9(11):57-61 12j. d. kueck, r.h. staunton, s. d. labinov, and et al. microgrid energy management systemonline. available: /sci/btc/apps/restructuring/tm2002-242.pdf. 13a. l. dimeas and n. d. hatziargyriou. operation of a multi-agent system for microgrid control j. ieee trans on power systems, 2005, 20(3): 1447-1455. 14a. l. dimeas and n. d. hatziargyriou. multi-agent based automatic generation control of isolated stand alone power system j. power systems technology, 2005, 1(1): 139-143. 15杨向真. 微网逆变器及其协调控制策略研究d. 合肥：合肥工业大学，2011.10 16肖朝霞. 微网控制及运行特性分析d. 天津: 天津大学,2008,7 17manuela sechilariu, baochao wang, fabrice locment. building-integrated microgrid: advanced 内蒙古工业大学硕士学位论文 46 local energy management for forthcoming smart power grid communicationj. energy and buildings, 59 (2013) 236243. 18manuela sechilariu, baochao wang, fabrice locment. building integrated photovoltaic system with energy storage and smart grid communicationj. ieee transactions on industrial electronics, 2013,60(4): 1607-1618. 19(丹) remus teodorescu, (意) marco liserre, (西) pedro rodriguez 著 周克亮, 王政, 徐青山译， 光伏与风力发电系统并网变换器m. 北京:机械工业出版社，2012 20孙云莲. 新能源及其分布式发电技术m.北京：中国电力出版社，2009 21刘燕华，张楠，赵冬梅. 国内外光伏并网标准中电能质量相关规范对比与分析j. 现代电力，2 011,28（6）:77-81 22马乃兵，徐缓，刘宏，刘小宝. 大型光伏电站对电网电能质量的影响分析j. 第十一届中国光 伏大会暨展览会会议论文集，2010：1340-1346 23张琪祁，大型光伏电站接入电网的技术和特性研究d.杭州：浙江大学，2011.3 24蒋亚娟. 光伏电池建模及其在光伏发电预测中的应用d.武汉：华中科技大学，2011,1 25王立乔, 孙孝峰. 分布式发电系统中的光伏发电技术m. 北京:机械工业出版社,2010 26林渭勋. 现代电力电子技术m. 北京:机械工业出版社,2011 27王聪. 软开关功率变换器及其应用m. 北京:科学出版社,2000 28阮新波. 脉宽调制 dc/dc 全桥变换器的软开关技术m. 北京:科学出版社,2013 29robertl.steigerwald. power electronic converter technologyj.proceedings of the ieee 2001,6,89(6):890-897 30同向前, 伍文俊, 任碧莹. 电压源换流器在电力系统中的应用m.