（农业电气化与自动化专业论文）光伏并网发电系统的研究.pdf

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：葛丹 如r 1 年月他日 i i i i ii ii l l l l i 4 6 0 4 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密回。 学位论文作者签名：苏丹 勿1 年月，午日 指导教师签名：考主竹 山，f 年z 月，严日 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着全球能源、经济和环境三者之间矛盾的f 益加剧，开发利用清洁可再生 能源成为世界各国普遍关注的焦点。太阳能以其独特的优势吸引了世界各国的眼 球，而太阳能光伏并网发电作为太阳能利用的主要发展趋势，得到了迅速的发展。 此外，高性能数字信号处理器( d s p ) 的出现，使得光伏发电系统实现并网运行 成为可能。 论文重点研究了光伏并网发电系统的关键问题之一最大功率点跟踪 ( m p p t ) 。在分析了太阳能电池工作机理的基础上，依据太阳能电池的等效电 路和数学模型，在工程计算软件m a t h c a d 中进行计算，获得了不同外部条件下太 阳能电池的输出曲线，并分析了输出特性。对几种常用最大功率点跟踪( m p p t ) 算法进行研究，分析比较了各种算法的优缺点，并着重研究了在恒定电压法基础 上改进的带参数补偿的变电压m p p t 算法。在m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件中对 该算法进行了仿真，仿真结果表明改算法能有效地跟踪最大功率点，输出功率几 乎无扰动。 综合比较了各种d c d c 、d c a c 及滤波电路拓扑的优缺点后，针对单相低 功率两级式光伏并网发电系统的特点，设计了系统主电路拓扑结构，并对电路主 要元件进行了参数计算与选型，同时设计了系统的功率驱动电路、信号采样电路 和保护电路。以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心，设计了系统的各个软件模块，实现了 数字s p w m 调制、软件锁相环( s p l l ) 控制、最大功率点跟踪( m p p t ) 等核 心功能。采用s a b e r 对逆变器进行了仿真，并搭建了相应的实验平台，通过仿真 和实验，验证了系统设计具备较强的合理性和可行性。 关键词：光伏，并网发电，最大功率点跟踪，s p w m 调制，软件锁相环 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t a st h ec o n t r a d i c t i o no fg l o b a le n e r g y , e c o n o m ya n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n b e c o m i n gm o r ea n dm o r es e v e f i t y e x p l o i t i n ga n du t i l i z i n gt h ec l e a na n dr e n e w a b l e e n e r g yg o tt h ew o r l dc o u n t r i e s u n i v e r s a la t t e n t i o n t h es o l a re n e r g yw i t hi t su n i q u e a d v a n t a g e ss u c kal e a da r o u n dt h ew o r l d ，t h em a i nu t i l i z a t i o nt r e n do ft h e s o l a re n e r g y , t h ep vg r i d c o n n e c t e ds y s t e m ，w i l lg e tr a p i dd e v e l o p m e n t f u r t h e r m o r e ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fh i g h p e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c h i p ，i ti sp o s s i b l e t h a tt h es o l a re n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e mc a nb ec o n n e c t e dt og r i d t h ep a p e rf o c u s e so n ak e yp r o b l e mo fp h o t o v o l t m c ( p v ) g r i d - c o n n e c t e d g e n e r a t i o ns y s t e m t h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) b a s e do nt h e a n a l y s i so ft h es o l a rc e l l s w o r km e c h a n i s m ，a n da c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n tc i r c u i t a n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs o l a rc e l l s t h eo u t p u t sc u r v e so fs o l a rc e l l su n d e rd i f f e r e n t e x t e r n a lc o n d i t i o n sa r eo b t a i n e dt h o u g ha ne n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o ns o f t w a r ec a l l e d m a t h c a d a n da n a l y z e st h eo u t p u t s c h a r a c t e r i s t i c s s e v e r a lt r a d i t i o n a lm a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) c o n t r o la l g o r i t h m sa r es t u d i e d ，t h er e s p e c t i v e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e m h a v eb e e nf o u n d ，a n dp u tg r e a te m p h a s i so nt h e v a r i a b l e v o l t a g em p p ta l g o r i t h m w i t h p a r a m e t e rc o m p e n s a t i o n s ，w h i c h i sa n i m p r o v e m e n to f t h ec o n s t a n tv o l t a g ea l g o r i t h mm e t h o d t h es i m u l a t i o ni st a k e ni nt h e s i m u l a t i o ns o f t w a r ec a l l e dm a t l a b ，a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e d a l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yt r a c k i n g t h em a x i m u mp o w e rp o i n t ，a n da v o i dt h e f l u c t u a t i o no ft h em a x i m u mp o w e rp o i n t i no r d e rt od e s i g nal o wp o w e rs i n g l e p h a s et w o c a s c a d eo fp h o t o v o l t a i c ( p v ) 鲥d - c o n n e c t e dg e n e r a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rc o m p a r e s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so f v a r i o u sd c d c ，d c a ca n df i l t e rc i r c u i tt o p o l o g yc o m p r e h e n s i v e l y ， d e s i g nt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yo ft h es y s t e m ，c a l c u l a t ep a r a m e t e r so ft h em a i n c o m p o n e n t s ，c h o o s et h ep r o p e rc o m p o n e n t s ，a n dd e s i g nm a i np o w e rs w i t c hd r i v e r c i r c u i t ，s a m p l i n gc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i t s b a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，d e s i g n e a c hs o f t w a r em o d u l e so ft h es y s t e m ，r e a l i z e dt h ek e y f u n c t i o n sl i k ed i g i t a ls p w m m o d u l a t i o n ，s o f tp h a s e - l o c k - l o o p ( s p l l ) c o n t r o l ，t h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) a n ds o o n m a k eas i m u l a t i o no ft h ei n v e r t e r i ns a b e ra n db u i l da n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fi t ，t h ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo ft h ep r o p o s e dd e s i g ni s v e r i f i e dc o n v i n c i n g l yt h r o u g ht h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l ， k e y w o r d ：p h o t o v o l t a i c ，g r i d g e n e r a t i o n ，m p p t , s p w mm o d u l a t i o n ，s o f tp l l i l 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景与意义1 1 2 国内外光伏发电技术的发展及现状2 1 3 课题研究的主要内容5 第二章并网发电系统原理及组成7 2 1 光伏并网发电系统的原理7 2 2 光伏并网发电系统的分类9 2 3 单相并网发电系统结构1 1 2 4 本章小结1 2 第三章最大功率点跟踪( m p p t ) 的研究1 3 3 1 太阳能电池数学模型与输出特性1 3 3 1 1 光伏发电原理1 3 3 1 2 太阳能电池的数学模型1 4 3 1 3 太阳能电池的输出特性1 6 3 2 最大功率点跟踪算法的研究1 8 3 2 1 恒定电压法19 3 2 2 扰动观察法2 0 3 2 3 电导增量法2 1 3 3 带有补偿系数的变电压m p p t 算法2 1 3 4 本章小结2 4 第四章光伏并网发电系统电路设计2 5 4 1d c d c 主电路及参数计算2 5 4 2d c a c 主电路拓扑及参数计算2 8 4 2 1d c a c 逆变电路2 8 4 2 2 逆变输出滤波器3 0 4 2 3l c l 并网逆变器设计31 江苏大学硕士学位论文 4 3 驱动电路设计 4 3 1 驱动芯片选择 4 3 2 自举电路参数计算 4 4 采样保护电路设计3 5 4 4 1 采样电路设计3 5 4 4 2 过零检测电路没计3 6 4 4 3 保护电路设计3 6 4 5 本章小结3 7 第五章光伏并网发电系统控制实现3 8 5 1 控制系统资源分配3 8 5 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 功能介绍3 8 5 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 资源分配3 9 5 2 数字s p w m 调制4 0 5 2 1s p w m 调制原理4 0 5 2 2 数字s p w m 的实现4 2 5 3 并网同步控制4 4 5 3 1 软件锁相环原理一4 4 5 3 2 软件锁相环的实现4 5 5 4m p p t 实现一4 7 5 5a d 采样流程4 8 5 5 系统试验结果5 0 5 5 1m p p t 仿真结果与分析一：5 0 5 5 2 逆变器仿真结果与实验5 1 5 6 本章小结5 4 第六章总结和展望5 5 6 1 总结5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 7 致谢6 0 硕士期间发表论文6 l i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 人类的各项活动如生存和发展，都必须依赖于能源，而传统的能源结构中， 主要是以石油、天然气和煤炭等化石能源为主体，这些化石能源是上古时期遗 留下来的动植物遗骸在地层下经过上万年的演变形成的能源。化石燃料与工 业革命的结合创造了人类历史上辉煌的文明，科学技术飞速发展，物质财富空前 增加，但也带来了极其严峻的两大问题：能源危机和环境污染。人类长期以来， 尤其是上世纪化石能源的大量开发利用，这类传统能源的相当部分已经被消耗 了。今后人口数量的增加、社会生活水平的不断提高以及经济的持续发展，都将 使得全球能源需求量呈增长趋势，全球化石能源的消费总量终究会达到储存总量 的极限。世界大量专家普遍认为化石能源开采量的峰值将出现在2 0 2 0 年至2 0 3 0 年，而之后的2 0 , - - , 3 0 年内化石能源将全部耗尽【1 】【2 】。同时，大量化石能源的使用 对生态环境造成了极为严重的破坏，二氧化碳、二氧化硫等气体的大量排放带来 了温室效应、酸雨等环境问题。人类与环境的矛盾日益加剧，哥本哈根世界气候 大会上的僵持局面更反映了这一问题的严重性。为了解决环境、经济及能源三者 之间的矛盾，实现经济的可持续发展，人类积极探索开发可替代能源，力求环境、 经济和能源三者之间能平衡发展。 二战期间人类目睹了原子能的威力，于2 0 世纪6 0 年代初美国启动了和平利用 原子能计划【3 j ，开启了核能在能源邻域的新篇章。由于核能具有较高的性价比， 体积小而发电量大，且无污染，世界各国特别是美国、俄国等发达国家都将核能 视为今后大力发展的能源。目前，全世界有1 6 个国家的核发电量在全国总发电量 中的份额接近或超过2 5 ，各国还制定了宏伟的核电发展计划1 4 j 。但是，世界核 能发展的实际进展不大，主要原因可能是技术障碍和安全隐患两方面，后者尤为 突出。很多发展中国家虽然都制定了核电机组建设计划，但由于技术上的欠缺， 致使无法真正按计划开展核电建设。另外，美国三哩岛核电厂事故、前苏联切尔 诺贝利事故以及最近日本福岛核电站泄漏事件，都暴露了核能在安全隐患上存在 的重大问题，也是制约核能发展的根本因素。 江苏大学硕士学位论文 另一方面，各国大力开展利用生物质能、地热能、潮汐能、风能和太阳能等 可再生能源的研究。在今后的几十年早，全球能源结构将发生根本性转变，可再 生能源将在全球能源消费中的占据重要地位。据估算，1 秒内太阳发出的能量与 1 3 亿吨标准煤燃烧时所放出的热量相当，而地球表面接收到的太阳能大约相当 于当前全球发电能力总和的2 0 力倍，全球一年所消耗的总能量仅相当于地球一天 接收到的太阳两百分之一。相比于其它各种能源，太阳能的优越性是许多常规能 源无法比拟的，于是可再生能源太阳能已经成为当代新能源开发的重要对象之 一。各国能源专家们一致肯定：太阳能将成为本世纪最重要的能源之一1 5 j 。据欧 洲j r c 估测：至0 2 1 0 0 年，在整个能源结构中太阳能将占据6 8 的份利6 】【7 j 。 目前，太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房和光伏发电等是人类直接 利用太阳能主要形式。其中，利用半导体的光生伏打效应将太阳能直接转化为电 能的光伏发电技术，具有几乎无污染和噪音、运行过程成本低、不受地域限制、 使用寿命长等优点，被称为太阳能利用技术中最具开发前景的方式之一【8 j 。光伏 发电的主要应用场合有三个方面：一是为无电场合独立供电，包括为偏远无电网 地区提供居民生活和生产用电，还包括微波中继电源、通讯电源、移动电源和备 用电源等；二是太阳能日用电子产品，如太阳能手机充电器、太阳能路灯等；三 是并网发电【9 l 。我国对光伏发电的研究起步较晚，与国外先进技术还有一定的差 距，因此研究光伏并网发电系统对我国达到节能减排指标、实现各方面和谐发展 有重大的意义。 1 2 国内外光伏发电技术的发展及现状 法国科学家贝克雷尔于1 8 3 9 年发现了“光生伏打效应”：当太阳光照在半导 体材料的不同部位时，半导体不同部位会产生电位差，这种现象后来被简称为“光 伏效应。1 9 5 4 年，美国贝尔实验室的科学家恰宾等人首次成功研制了实用的单 晶硅太阳能电池，从此将太阳能直接转换为电能的实用光伏发电技术诞生了。 2 0 世纪9 0 年代后，世界各国高度重视太阳能光伏发电，发展光伏发电技术 在发达国家引起一股热潮。最近1 0 年，太阳能电池组件生产的年平均增长率达 到3 3 ，最近5 年的年平均增长率达到4 3 ，2 0 0 4 年比上年增长6 1 2 ，成为 当今发展最迅速的高新技术产业之一们。经过几十年的发展，单晶硅电池的实 2 江苏大学硕士学位论文 验室最高效率已经从最初的6 提高到目前的2 4 7 ，多晶硅电池最高实验室效 率也达到了2 0 3 ，市场化电池的效率从2 0 世纪9 0 年代的1 0 1 4 提高到如 今的1 3 1 7 。薄膜电池的研究工作也取得了许多进展，铜锢硒( c i s ) 电池、 碲化镐( c d t e ) 电池、非晶硅薄膜电池的实验室效率也分别达到了1 9 5 、1 6 4 和1 3 。其它新型电池，如有机电池、多晶硅薄膜电池、燃料敏化电池等不断获 得进步，具有更高效率的新概念电池受到了广泛重视。同时，研究人员正在尝试 用扩大平面晶体、切薄硅片或者使用聚光等方法，力求硅片成本能够最大限度地 降低，有利于光伏发电高成本问题的解决。 在光伏发电应用和安装方面，德、日、美仍然是世界上3 个最大最主要的光 伏应用市场。2 0 0 5 年全球安装太阳电池组件1 4 6 0 m w p ，比2 0 0 4 年增长了3 4 。 其中德国安装了8 3 8 m w p ，比2 0 0 4 年增长了5 3 ，占世界安装量的5 7 ，日本 安装了2 9 2 m w p ，比2 0 0 4 年增长了1 4 i 引。2 0 0 5 年世界太阳能电池组件安装量 分布如图1 1 。 德 国家 图1 12 0 0 5 年世界太阳能电池组件安装量分布 德国光伏发电的市场开发与技术水平都处于领先地位。德国于1 9 9 0 年率先 实施由政府支持的光伏屋顶计划，制定的可再生能源电力供应法中规定光伏 发电的上网电价约高于常规电网电价的6 5 ，极大地带动了光伏发电市场【6 】。 2 0 0 5 年，德国就安装的光伏系统数量就达2 0 万【1 1 】，同时面积约4 0 0 0 0 m 2 的德 国波茨坦太阳能屋顶电站是当今世界上规模最大的光伏屋顶电站，年发电量 4 2 0 0 m w h 1 2 j 。缺乏能源的日本很早便重视发展光伏发电，从1 9 9 7 - - - 2 0 0 1 年 的年平均增长安装量就达2 0 m w 。【i3 1 ，与建筑材料融为一体的“太阳电池瓦”和 “太阳电池玻璃幕墙”等，很容易就被建筑公司接纳【l o 】。美国分别于1 9 8 8 年和 1 9 9 5 年开展p v - u s a 计划和p v - b o n u s 计划，为减少温室气体排放量，政府又 开展“百万太阳能屋顶计划”，预计每年可减少排放量3 5 1 万吨c a ，增加就业 江苏大学硕士学位论文 人数7 万人【1 4 】。此外，英国、法国、意大利等欧洲各国也相继制定了光伏发展 计划，一些亚洲发展中国家如印度、马来西亚、泰国，也都制定光伏发展计划。 与同纬度的其它国家相比，我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年1 7 0 0 0 亿吨标准煤，具有巨大的开发潜能。但是我国在光伏发电上起步晚，于1 9 5 8 开始 太阳能电池的研究，1 9 5 9 年成功研制第一个有实用价值的太阳能电池，1 9 7 1 年成 功地将太阳能电池应用于人造卫星上，1 9 7 3 年开始在地面应用太阳能电池，1 9 7 9 年开始生产单晶硅太阳能电池。经过几十年的努力，我国太阳能电池转换效率明 显提高，单晶硅电池实验室效率达2 0 ，批量生产效率为1 4 ，多晶硅实验室效 率也达到了1 2 t b l 。2 0 世纪9 0 年代末，我国新建了无锡尚德、保定英利、浙江中 意、上海国飞、天津京瓷等技术先进的太阳能电池生产企业，生产规模达到兆瓦 级以上，并开始了多晶硅太阳电池的生产，结束了我国多晶硅片完全依靠进口的 状况。近些年来，国家在9 7 3 并h 8 6 3 等重大项目及“十五 科技公关计划中都将光 伏发电放在了重要位置，西藏阿里地区的专项光伏工程、g e f 项目等是我国在光 伏发电应用上取得的主要成果，国家今后也将大力扶植屋顶光伏发电。根据( n - - j 再生能源中长期发展规划，2 0 2 0 年，我国力争使太阳能发电装机容量达到 1 8 g w 口，2 0 5 0 年将达到6 0 0 g w p 。 但是，我国光伏产业和光伏市场存在几个突出的问题l l6 1 ：一是产业投资过 热，光伏市场远滞后于光伏产业，二者之间的发展极不平衡，2 0 0 7 年、2 0 0 8 年我 国光伏系统的安装总量分别为2 0 m w 。矛1 4 0 m w 。，分别占国内太阳能电池总产量 的1 8 4 和2 ，在世界光伏安装总量的比例都为0 7 1 ，我国光伏市场的发展落 后与世界市场；二是主要应用为离网光伏系统，2 0 0 6 - 2 0 0 8 年我国光伏并网应用 分别占我国光伏安装总量的0 3 、0 4 和0 6 ，而世界光伏并网安装总量就已 经达到了光伏安装总量的9 5 ；三是光伏并网关键技术与国际先进水平存在差 距，在光伏并网系统的稳定性、可靠性和对电力系统影响这几方面有待深入研究 和探索，大量光伏发电系统并网运行会对电网造成冲击，使得电网存在安全防范、 电力调度和运行管理的问题，而我国还未制定关于光伏并网接口的标准，没有建 立完善的质量标准体系；四是政策体系不完善，完善的法规政策能够强劲地推动 光伏产业和市场的发展，由于缺少可操作性细则，使可再生能源法难以发挥 重大推动作用。 早期的光伏发电系统并不接入电网，常用于路灯及远离市区海上灯塔、浮标、 4 江苏大学硕士学位论文 山顶的无线电台等。随着并网光伏系统优势的日益明显，光伏发电系统并网运行 成为今后的趋势，也是未来技术发展的方向。针对光伏并网发电系统研究主要两 大块：一方面是针对以逆变器及其相关协调配合为核心的系统自身，另一方面是 关于光伏发电系统与大电网的相互影响及协调配合的问题。目前，针对光伏系统 本身的研究比较多，而针对并网后电网面临的问题的研究成果较少。 光伏发电并网研究主要是围绕以下问题展开：最大功率点跟踪( m a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) ij 7 1 1 8 1 、逆变器的拓扑结构和控制方式1 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 、 滤波( 降低谐波含量) 、无功补偿( 功率因数控制) 、孤岛检测及其相互之间的协 调配合1 2 3 】【2 4 1 。而随着分散型可再生能源电力的大量应用和上网，为解决日益复 杂的电网管理问题，智能电网概念应运而生。智能电网是指在微网供配电技术基 础上借助通信网络( 移动通信、无线通信等) ，对安装有p v 系统的用电用户与发 电厂之问的供电情况进行远距离监测和控制，从而使分散发电系统实现自由接入 需求。 在国外市场中，低压并网逆变器已经是比较成熟的产品，s m a ，s p u t n i k 和 西门子等欧洲企业都有产品化的光伏专用逆变器，s m a 、西门子等甚至也有高 压并网逆变装置产品，s m a 于2 0 0 8 年就成功研制了兆瓦级并网逆变器。国内光 光伏并网逆变器整体水平较低，光伏逆变器多从西门子、s m a 等国外企业进口， 或者从国外进口智能功率模块i p m ，从而导致我国光伏并网系统的造价高、依赖 性强，制约了并网型光伏系统在国内市场的发展和推广1 2 引。 1 3 课题研究的主要内容 光伏并网发电系统将太阳能直接转换成电能，并使系统输出符合并网要求的 交流电，由于系统本身不带储能环节，系统成本降低，体积较小，也没有蓄电池 污染，是真正的绿色无污染能源，将是未来太阳能发电系统的主流。因此研究光 伏发电系统具有极大应用价值和现实意义，本文主要针对单相低功率光伏并网发 电系统进行研究，以下是本文研究的主要内容： ( 1 ) 介绍了太阳能电池的工作机理，根据太阳能电池的理想数学等效电路， 分析了太阳能电池的输出特性。同时，阐述了在d c d c 变换电路中实现最大功 率点跟踪的原理，对几种常用的最大功率点跟踪方法进行对比研究，并在此基础 江苏大学硕士学位论文 上，介绍了一种对恒定电压法进行改进的带参数补偿的变电压最大功率点跟踪方 法。 ( 2 ) 比较了各种d c d c 、d c a c 及滤波电路拓扑的优缺点，针对低功率单 相两级式光伏并网发电系统，设计以b o o s t 升压电路、电压型全桥逆变电路和 l c l 滤波电路作为该系统的主电路拓扑，对主电路的主要参数进行计算，选用 美国i r 公司生产的i r 2 11 0 驱动器作为主功率开关管的驱动芯片，对i r 2 11 0 驱 动器的自举电路进行参数计算，同时设计了系统的电压、电流信号采样电路和保 护电路。 ( 3 ) 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( d s p ) 为控制核心，介绍了数字s p w m 调制、软 件锁相环( s p l l ) 的原理，完成了数字s p w m 调制、并网同步控制、m p p t 及 a d 采样的软件编写，实现了并网系统可靠运行且系统输出符合并网标准的目 的。 ( 4 ) 根据最大功率点算法及光伏并网控制系统策略，在m a t l a b 中建立了 m p p t 仿真模型，在s a b e r 中建立了逆变器仿真模型，并搭建逆变器实验平台， 验证设计的可行性。 6 士学位论文 系统原理及组成 这种系统一般用于路灯及远离市区( 无 人操作) 的海上灯塔、浮标、山顶的无线电台等，作为供电电源，如果负荷是交 流的，则还须通过逆变器将直流电转变为交流电。但是独立光伏系统的能量密度 不大，整体的利用效率低，因此并网发电系统越来越受到人们的关注，成为太阳 能光伏发电利用的主要形式。 2 1 光伏并网发电系统的原理 光伏并网发电系统是利用太阳能电池组件和其它辅助设备将太阳能转换成 符合并网要求的电能的系统，典型的结构框图如图2 1 所示，主要由太阳能电池 阵列、直流变换器及控制器、储能系统与逆变器四个部分组成。图2 1 包含了一 个光伏发电系统可能具备的所有模块，各种常见的光伏系统一般由其中几个模块 的组成，或者具备框图中的各个模块。 图2 1 光伏并网发电系统典型结构框图 ( 1 ) 太阳能电池阵列 太阳能电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，也是太阳能光伏发电系 统中最重要的部分，它是收集太阳光的核心组件。单个太阳能电池的输出功率较 小，最大不会超过5 w ”】，为满足不同等级负载供电需要，人们将太阳能电池串、 并联后统一封装构成光伏模块( p h o t o v o l t a i cm o d u l e ，p v ) ，这是目前太阳能电池 的主要存在及应用方式，可以根据具体功率需求场合构建几瓦到几百瓦的太阳电 池模块，太阳能手机充电器中的太阳能电池的功率可能就只有几瓦，而用于屋顶 7 江苏大学硕士学位论文 或光伏电站的光伏模块功率可能就达到百瓦以上。由于功率大的太阳能电池模块 的安装和维护都比较方便，所以在光伏发电系统中百瓦以上的光伏模块应用较 多。如果系统中所需要的功率超过单块太阳能电池模块的最大输出功率，则可以 根据功率等级要求，串、并联同规格的太阳能电池模块起来构成太阳能电池阵列 ( p v a r r a y ) ，从而为系统提供更高等级的输出功率和输出电压。 ( 2 ) 直流变换器 太i i i i 电池阵列的输出直流电压一般不是很高，为了满足储能系统、直流负 载或者逆变器直流侧的电压等级要求，在系统中引入直流变换器是非常必要的。 ( 3 ) 控制器 由于太阳能电池阵列的输出功率受外界影响极大，特别是电池结温和光照强 度这个两个因素的影响最为明显，可以认为其输出功率为结温和光照非线性函 数，所以太阳能电池的输出功率曲线具有一定的特殊性。为较好地发挥光伏模块 转换效率，有必要让电池的输出功率保持在最大功率点处，于是提出了对最大输 出功率点进行跟踪。如果不加以控制将光伏电池的输出直接提供给负载，则很难 实现系统效率最高，所以控制器除了完成对d c d c 变换和d c a c 变换所需的基 本控制外，还需在d c d c 变换环节中增加最大功率点跟踪( m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c i n g ，m p p t ) 控制，以提高整个系统的效率。 ( 4 ) 逆变器 太阳能电池阵列和直流变换器输出的都是直流电，而包括电网在内的许多用 电场合需要交流电，因此需要d c - a c 逆变器将光伏阵列活着直流变换器输出的 直流电转换成交流电。逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节，在控制器的控 制下，逆变器将直流转变为与交流电网或本地交流负载相匹配的交流电，该环节 的主要指标要求是变换的高可靠性和高转换效率。 ( 5 ) 储能系统 光伏发电系统只有在白天有阳光时才能发电，而人们的一般用时间会在晚 上，所以储能单元( 主要是蓄电池) 可以在白天将太阳能储存起来以供人们夜间使 用，同时也可作为电网断电时的不间断电源( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y , u p s ) ， 为本地重要交流负载供电。 8 含有储能 储能坏节 统框图如 可调度系统中，当太阳能电池发出的电功率超过负荷需要时，可以向电网输 出交流电；反之，当阴雨天或夜间太阳能发电量不足时，可以由电网向负载供电。 因为系统有储能环节，所以首先对蓄电池进行充电，然后根据需要将系统并网或 者经逆变后独立使用，系统工作时间和并网功率大小可以人为设定，因此兼有不 间断电源和有源滤波器的功能，有利于电网调峰。 不可调度式光伏并网发电系统框图如图2 3 所示，变换环节将光伏阵列产生 的直流电转换成与电网电压同频同相的交流电。 f 司 匪固 不可调度式光伏并网发电系统中，当光伏系统产生的电能超过本地负载所需 时，多余的电能馈送给电网；当光伏系统产生的电能不足以供给本地负载所需时， 特别是夜间，电网自动向负载提供能量。 与不可调度式光伏发电系统比较，可调度式光伏发电系统优点表现在一下几 个方面： ( 1 ) 系统不仅可以为本地负载或电网提供能量，当光伏器件输出功率不能 满足负载需求时，还可以用作不间断电源； 9 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 当装机容量不断增大时，可调度式系统还能在电网允许的条件下，对 整个光伏系统的输出功率进行，从而实现电网调峰功能； ( 3 ) 可调度式发电系统还可以当作有源功率调节器，起到提高电网终端 电能质量的作用； ( 4 ) 蓄电池的输出电压基本没有波动，这样逆变器直流侧母线电压比较平 稳，避免太阳能电池阵列由于天变化造成整个系统的波动。 尽管可调度式系统有许多功能上的优点，如可用作u p s 、有源滤波，或者可 依照运行需求对并网输出功率控制，从而达到电网功率调峰的目的等，但储能环 节的增加，也附带了一些不足，这是由于： ( 1 ) 加入蓄电池作为系统储能设备后，对蓄电池的充、放电管理装置必不 可少，这将使系统成本增加，系统的可靠性也会受到影响。 ( 2 ) 一般蓄电池组的使用寿命较短，在理想条件下蓄电池的使用寿命通常 为5 年，而太阳能电池阵列的工作寿命则在2 5 - - - 3 0 年之间，于是在发电系统能正 常工作的时间内就需要定期更换蓄电池组，这样系统成本又增加一项。 ( 3 ) 容量越大的蓄电池体积也越大，占用的空间较大，另外蓄电池的腐蚀 性液体会造成二次污染，需要对报废的蓄电池进行特别处理。 依照变换级数发电系统主要可以划分为单级式系统和双级式系统 2 7 1 1 2 8 1 。单 级式变换结构图如图2 4 所示： 图2 4 单级并网发电系统基本结构 单级式太阳能并网发电系统中，太阳能电池通过储能电容与并网逆变器连 接，检测到的太阳能电池板输出电压、输出电流以及逆变器输出的并网电流，将 这些检测信号作为控制信号输入到控制器中，通过调节并网电流的幅值达到控 制太阳能电池输出功率的目的，从而实现最大功率跟踪和并网发电控制。由于单 级式并网发电系统的升压是靠升压程度有限的电感储能实现的，于是传输功率大 l o 一a c 两个 从图2 5 可以看到，在前级d c d c 环节中，将检测到的太阳能电池输出电压 和输出电流信号输送到控制器中，通过d c d c 变换器来调整太阳能电池阵列的 输出电压，实现最大功率点跟踪控制。d c a c 并网逆变器将太阳能电池输出的 直流电变换成交流电，且与电网电压同频同相，功率因数接近为l ，向电网输送 能量。在两级式太阳能并网发电系统中，前后两个两部分可以分开设计，具有各 自的控制目标和方法，因此系统控制相对容易设计和实现。 2 3 单相并网发电系统结构 本文的研究对象是低功率单相光伏并网发电系统。由于可调度式系统增加了 储能环节后，系统成本增加，体积增大，蓄电池的寿命短且必须回收处理，这些 缺点极大地制约了可调度光伏并网发电系统的广泛应用，所以目前这种形式应用 较少【2 9 l ，本文主要讨论并实现的对象是不可调度的光伏并网发电系统。另外， 单块太阳能电池的输出电压一般只有十几伏到几十伏，逆变电路直流侧的电压要 求在4 0 0 v 左右，而单级式并网系统升压程度有限，因此两级式并网发电系统更 适合。并且两级式光伏并网系统前后两级相互独立，控制环节较容易设计，因此 本文采用两级式不可调度系统结构，系统结构框图如图2 6 所示： 节进行升压，使逆变器直流母线电压达到4 0 0 v ，经过逆变环节后输出与电网电 压同频同相的交流电，经过滤波处理后直接馈入电网。控制器控制整个系统的工 作状态，最大功率点的跟踪、过压、欠压、过流保护、s p w m 控制等都在控制 器的工作范围之内。太阳能电池的输出电压、电流采样后，作为控制器的输入信 号用于进行最大功率点跟踪控制( m p p t ) ，滤波后输出的电压、电流采样后， 用于电压电流环控制和并网同步控制，使系统输出与电网电压严格同频同相。另 外，当系统出现过压、欠压和过流等情况时，控制器应该要及时禁止控制信号输 出，对系统进行保护。 2 4 本章小结 本章介绍了光伏并网发电系统典型结构组成及各个部分在系统中的作用，从 而说明了光伏发电系统的工作原理。从系统功i 目匕1 ，p , - r n 日p - 匕匕量变换级数介绍了光伏并网 发电系统的常见类别，并分析了各类并网系统的优缺点和适用场合，针对本文的 研究对象确定了单相两级式结构，阐述了各个模块的功能。 1 2 江苏大学硕士学位论文 第三章最大功率点跟踪( m p p t ) 的研究 太阳能电池的输出容易受到外部环境的影响，具有非线性，电池结温、光照 强度和负载情况的影响最为明显。当电池结温和光照强度一定时，太阳能电池模 块的工作输出电压可以是不同的，但只有当输出电压等于其中某个值时，太阳能 电池模块的输出功率才能达到最大值，这太阳能电池模块的工作点就达到了输出 功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点m p p ( m a x i m u mp o w e rp o i n t ) 。因此， 在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整太阳 能电池模块的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大 功率点跟踪m p p t ( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) 2 8 j 。 3 1 太阳能电池数学模型与输出特性 3 1 1 光伏发电原理 利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池，可以将太阳的光能直接转换成为 电能，其转换过程主要包括3 个步骤【3 0 】： ( 1 ) 太阳能电池吸收一定的光子后，半导体内会产生称为“光生载流子” 的电子一空穴对，它们具有相反的电极性，空穴带正电，电子带负电。 ( 2 ) 半导体p n 结所产生的静电场会使极性相反的电子和空穴分离开。 ( 3 ) 太阳能电池的正、负极分别收集电子和空穴，外电路接通时就会产生 电流，从而获得电能。 光伏发电原理如图3 1 所