（电力电子与电力传动专业论文）有源电力滤波器与光伏发电的统一控制研究.pdf

r e s e a r c ho i lc o mb i n e dc o n t r o lo f a c t i v ep o w e rf i l t e ra n d p vg e n e r a t i o n a b s t r a c t n o w a d a y st h es o l a re n e r g yh a sb e c o m eo u eo ft h em o s tp r o m i s i n gn e we n e r g y t h a n k st oi t si n e x h a u s t i b l ea n de n v i r o n m e n t a la d v a n t a g e s t h ep h o t o v o l t a i c t e c h n o l o g yh a sb e e nd e e p l yr e s e a r c h e da n dp o p u l a r i z e da b r o a da n dh a se n t e r e dt h e a p p l i c a t i o ns t a g ei no u rc o u n t r yt o o p vg r i dc o n n e c t e dg e n e r a t i o ni so n eo ft h e m a j o rd e v e l o p m e n tt r e n d s o fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n m e a n w h i l e ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ec o u n t r y si n d u s t r i a l i z a t i o np r o c e s s ，al a r g en u m b e ro fn o n l i n e a r l o a d sh a v ea p p e a r e d h a r m o n i e sa n dr e a c t i v ec u r r e n tf r o mn o n l i n e a rl o a di n d u c e t h a tt h ep o w e rp r o b l e mb e c o m e sm o r es e r i o u s h o w e v e r , p a s s i v ef i l t e rc a nn o tm e e t p o w e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t s s oa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) h a sb e c o m eah o tt o p i c a th o m ea n da b r o a d a l t h o u g ht h ea p fa n dp vg r i dc o n n e c t e dg e n e r a t i o nh a v et h eb r i g h tp r o s p e c t s ， t h e ys t i l lh a v es h o r t a g e sa n df a c eo b s t a c l e sf o rd e v e l o p m e n t ，f o re x a m p l e ，p vg r i d c o n n e c t e dg e n e r a t i o no p e r a t e sd u r i n gt h ed a ya n dh a st os t o pa tn i g h t t h i sa f f e c t s t h es t a b i l i z a t i o no fp o w e rs y s t e ma n dt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fe q u i p m e n t b e s i d e s ， t h e yb o t hh a v et h es h o r t a g e so fh i g hc o s t s ，l o we f f i c i e n c ya n ds u p p o r tp o l i c y i n a d e q u a c i e sa n ds oo n f o rt h es h o r t a g e sa n do b s t a c l e sa b o v e ，t h i sp a p e rp r o p o s e sc o m b i n e dc o n t r o l o fa p fa n dp vg r i dc o n n e c t e dg e n e r a t i o nt op r o m o t et h ec o m m o nd e v e l o p m e n t ， a n df u n c t i o no ft h ec o m b i n e ds y s t e mi sf u r t h e re x p a n d e dm a k i n gu s eo ft o p o l o g yo f a p fa n dp vg r i dc o n n e c t e dg e n e r a t i o n u l t i m a t e l yt h ec o n t r o ls y s t e mo fa p fa n d p vg e n e r a t i o ni sp r o p o s e dc o m p l e t e l y , n e ws y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dc o n t r o l s t r a t e g yp r o p o s e dn o to n l yc a na c h i e v ef u n c t i o n so fa p fa n dp vg r i dc o n n e c t e d g e n e r a t i o na tt h es a m et i m e ，b u ta l s oc a nc o m p e n s a t et h ev o l t a g ei n t e r r u p t i o nt o e n s u r eu n i n t e r r u p t e dw o r kf o rl o a dw h e nt h ep o w e ri n t e r r u p t i o no c c u r s t h ec o m b i n e dc o n t r o lt h e o r yo fa p fa n dp vg r i dc o n n e c t e dg e n e r a t i o n ， e v o l u t i o no ft h en e ws y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，w o r kp r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g ya r e r e s e a r c h e di nd e t a i l t h i sp a p e rp r e s e n t st h es p e c i f i ct e c h n o l o g i e si n v o l v e di nt h e s y s t e mp r o p o s e d t h em a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w i n g ：u p sa n dg r i dc o n n e c t e dm o d e c o n t r o la n dc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , r e a c t i v ea n dh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n t e c h n o l o g y , s y n t h e s i sa l g o r i t h mo fh a r m o n i cc u r r e n to r d e ra n dp vg e n e r a t i o n c u r r e n to r d e r , 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 ) t e c h n o l o g yo fp va r r a y ， p o w e ri n t e r r u p t i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，b a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g em a n a g e m e n t i i a n ds oo n f i n a l l y , t h ec o m b i n e dc o n t r o ls y s t e mo fa p f a n dp vg e n e r a t i o np r o p o s e di s a n a l y z e da n dv e r i f i e db ys i m u l a t i o nw i t hm a t l a b s i m u l i n k ap r o t o t y p eb a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s pi sd e s i g n e da n df u n c t i o n so fc o m b i n e ds y s t e mc o m et r u ei n p r o t o t y p e t h er e s u l t so fe x p e d m e n ta n ds i m u l a t i o np r o v et h ev a l i d i t ya n d f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e ma n dc o n t r o ls t r a t e g ya b o v e k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；p h o t o v o l t a i cg r i dc o n n e c t e d ；c o m b i n e dc o n t r o l ； h a r m o n i c sd e t e c t i o n ；i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ；m a x i m u mp o w e r p o i n t t r a c k i n g ( m p p t ) ；u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m ；d a t as i g n a lp r o c e s s i n g ；m a t l a b m o d e l i n g i l l 插图清单 2 1 并联型a p f 原理图8 2 2 不可调度式光伏并网系统9 2 3a p f 和光伏并网发电系统结构对比图1 0 2 - 4a p f 与光伏并网发电系统合并示意图1 1 2 5a p f 与光伏并网统一控制系统( 左) 与后备式u p s 系统( 右) 结构 对比图1 2 2 6a p f 与光伏并网发电统一控制系统功能拓展示意图1 3 2 7 侧重谐波和无功治理的a p f 与光伏发电统一控制系统1 4 2 8 侧重光伏并网发电的a p f 与光伏发电统一控制系统1 4 3 1a b 坐标系中的瞬时功率定义1 7 3 2a p 坐标系中的i p 和i q 定义1 8 3 3p q 检测方法原理图1 9 3 - 4i p i q 检测方法原理图1 9 3 5 谐波，无功检测及其与并网指令合成算法示意图2 0 3 - 6 锁相环基本构成框图2 1 3 7 锁相环的d s p 实现原理图2 2 3 8 检测算法及指令合成仿真模型2 2 3 - 9 谐波检测仿真结果2 3 3 1 0 三相整流桥的标准负载电流2 3 3 11 i 。的d s p 实现波形2 3 3 1 2 一i o 的d s p 实现波形2 4 3 1 3 谐波电流检测d s p 实现结果2 4 3 1 4 样机输出的谐波检测结果2 4 3 1 5 谐波电流补偿指令与光伏并网发电指令合成仿真结果2 5 3 1 6 谐波电流补偿指令与光伏并网发电指令合成d s p 实现结果2 5 4 1 交流器的工作模式控制框图2 6 4 2 滞环比较控制原理图2 7 4 3 定时控制的滞环比较控制原理图一2 7 4 - 4 三角波比较电流跟踪控制方法的原理图2 8 4 5 并网模式下并网交流器等效电路示意图2 8 4 6 主回路的动态结构图2 9 4 7 基于反馈校正技术的电流环控制框图3 0 4 8 基于复合校正控制技术的电流跟踪控制系统框图3 l 4 9 电压外环电流内环双闭环控制框图3 1 4 1 0 电压平均值反馈控制方法原理图3 2 v i i i 图图图图图 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 4 1 1 电容电流反馈双闭环瞬时值控制原理框图3 3 5 1 光伏阵列i v 特性图3 6 5 2c v t 方式最大功率点跟踪控制原理图3 7 5 3 扰动观测法m p p t 原理图3 7 5 - 4 扰动观测法工作流程图3 8 5 5 基于c v t 方式的扰动观测法实现原理图3 8 5 6 光伏充电器原理和结构图3 9 5 7 恒压限流充电控制原理示意图4 0 6 - 1a p f 与光伏发电统一控制系统仿真模型示意图4 2 6 - 2 滤波器的基本类型一4 4 6 3 基于d s p 的控制系统结构图4 5 6 - 4 人机交流界面的组成示意图4 7 6 5 系统主程序流程图4 9 6 6t i m e r i 中断处理流程图4 9 6 7a d c 中断处理流程图5 0 6 8 基于滞环比较电流跟踪控制技术的光伏并网发电仿真结果5 1 6 - 9 基于滞环比较电流跟踪控制技术的光伏并网发电样机实验结果5 l 6 1 0 基于复合校正技术的三角波比较控制并网发电仿真和实验结果5 l 6 1 1 系统谐波电流补偿功能的仿真结果5 2 6 1 2 样机谐波电流补偿实验结果5 2 6 1 3 系统同时实现谐波治理和光伏并网发电时的仿真结果5 3 6 1 4 样机同时实现谐波治理和光伏并网发电时的实验结果5 3 6 - 1 5 系统实现电力中断补偿时的仿真结果5 4 6 - 1 6 样机实现电力中断补偿功能时的实验结果1 5 4 6 - 1 7 样机实现电力中断补偿功能时的实验结果2 5 5图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 表格5 - 1 蓄电池组的充电管理和功能分配表格4 0 表格6 - 1a p f 与光伏发电统一控制系统仿真模型的主要参数4 2 表格6 - 2 系统资源分配和程序模块化设计列表4 8 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果，据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒毽王些盔芏 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：- 燃签字日期：卿翻知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金魍王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权 金匿王些太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印和扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名；獬 签字日期：矿叼长多夥。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲棚飘营 签字日期7 呷年r 胂日 电话： 邮编： 致谢 在论文和学业即将完成之际，首先想到的是感谢三年来时刻给予我关心和 支持的老师、家人、同学和朋友。 首先感谢我的导师张国荣老师，三年来，张老师在生活、学习和科研方面 都了我很大的帮助和支持。张老师为人随和，谦虚谨慎，对于学生的事，事必 躬亲，令我十分敬佩。在科研上，张老师勤勤恳恳，埋头苦干，和张老师通宵 调试的经历，至今令我难忘，也时刻激励着我。在毕业课题研究中，从论文选 题、理论研究、样机设计到程序结构、算法实现，张老师都付出了很多心血。 在样机实验中，张老师给我提供了良好的实验条件，鼓励我战胜困难，树立自 信。在此向张老师表示崇高的谢意! 感谢苏建徽老师和茆美琴老师。苏老师忘我的工作态度、渊博的知识才华， 丰富的科研经验和敏锐的洞察力都令我高山仰止，课题研究中遇到的难题，多 次在苏老师的指导下迎刃而解，苏老师的批评和教诲我将铭记终生。茆老师精 深的理论水平、广泛的知识范围和出色的外语能力令我敬佩不已，感谢茆老师 在专业知识、仿真理论和英文摘要撰写等方面的帮助和指导。 感谢汪海宁老师和陈林老师分别在样机调试和液晶显示调试方面给予的帮 助。感谢能源所的杜艳老师、杜雪芳老师、张健老师、刘翔老师和刘宁老师等 多位老师三年来给予的帮助。 感谢杨向真博士、梁海涛和贺文涛等师兄，他们曾在仿真技术、d s p 技术 和开关电源调试方面给予我很大的帮助。 感谢与我同届的同学们，三年来我们朝夕相处，相互帮助，留下了美好的 记忆，结下了深厚的友情。他们是：申翔、阮景义、孙艳霞、周玉柱、张军军、 赖纪东、马炎、蒋永和、李冉以及我的室友方振和陈中。 感谢能源所的石云艾工程师、潘正国、张昭、洪波以及0 6 级多位同学在样 机组装时给予的帮助。 最后感谢我的家人多年来对我的养育和支持，家人的支持是我前进的动力， 我的点滴收获无不凝聚着家人的心血! 感谢教育部博士点基金项目( u p q c 及其控制策略研究) 和教育部科学技术 研究重大项目( 分布式能源系统理论与关键技术研究) 在课题研究和成果发表方 面给予的支持。 i v 作者：张铁良 2 0 0 7 年5 月8 日 第一章绪论 能源和环保问题已成为当今世界关注的热点问题。人口众多，经济结构不 合理，经济发展过快等因素导致我国的能源和环保问题更为严重。因此，加速 开发利用新能源和绿色能源迫在眉睫，太阳能以其不竭性和环保优势已成为最 具光明前景的新能源之一【1 1 。另一方面，随着我国工业化进程的加快，大量的 非线性和冲击性负载随之涌现，由这些负载所产生的谐波及无功电流对公共电 网的污染也日益严重，而传统的无源滤波越来越不能满足电能质量的要求，因 此有源电力滤波器( a c t i v e p o w e r f i l t e r o a p f ) 也成了近年来国内外研究的热点 【2 - 3 1 。 在我国，a p f 和光伏发电均处在推广应用阶段，虽然两者的应用前景非常 光明，但是两种技术的推广都面临着不同程度的发展障碍，另一方面，两种装 置也有诸多相同之处。深入分析两者的不足和相同之处，利用先进的电力电子 技术对两者实旌统一控制，并进行适当的功能拓展，以尽量解决两者推广应用 的障碍。这不仅对两种技术的推广具有重大意义，而且对环境保护、新能源开 发和绿色电力的和谐发展具有一定的意义。 1 1 有源电力滤波器的背景和发展状况 1 1 1 谐波与无功功率的产生和危害 国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波的整数倍”。 谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即 所加的电压与产生的电流不成线性关系而造成的波形畸变。 公用电网的谐波源主要是各种电力电子装置，包括各种整流装置、交流调 压装置、电弧炉、家用电器、照明设施等。电力机车中采用的大容量单相整流 器，除了产生谐波电流外，还会引起三相交流供电系统的三相电流不平衡。此 外，一些铁磁非线性设备，如发电机、变压器及铁磁谐振设备等也是不可忽视 的谐波源。所有这些都使电力系统的电压、电流波形发生畸变，从而产生高次 谐波。 无功功率的产生是由阻感负载本身的工作机理决定的。在工业和生活用电 负载中，阻感负载占有很大的比例，并且阻感负载必须吸收无功功率才能正常 工作【4 1 。 异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载，异步电动机和变压 器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系 统中的电抗器和架空线等网络元件也要消耗一些无功功率。一些电力电子装置， 特别是各种机控装置，如相控整流器、相控交流功率调整电路等，在工作时由 于基波电流滞后于电网电压，要吸收大量的无功功率。工业电弧炉在工作时电 极处于短路状态，不但要消耗大量的无功功率，而且因电弧不稳定，其所消耗 豹无功功率波动也很大，同时产生大量的谐波电流。 随着工业的发展，谐波和无功功率对用户和电网的危害越来越大。谐波危 害、功率因数降低和电磁干扰被称为威胁电力系统的三大电力公害。谐波和无 功的危害主要有以下几个方面1 5 j ： 谐波的危害： 1 ) 引起旋转电机和变压器的附加损耗和发热，产生机械震动、噪声和谐 波过电压，缩短设备使用寿命。 2 ) 谐波谐振过电压造成电气元件( 如电容器、电缆) 和设备的故障与损坏。 3 ) 谐波会导致继电保护和自动装置误动作或拒动作。 4 1 使原有的电能计量方法不适用，计量误差增大。 5 ) 对通信系统产生电磁干扰，降低通信质量，甚至导致通信系统无法正 常工作。 无功功率的危害； 1 ) 导致电流增大和供电设备视在功率增大，使发电机、变压器及其它电 气设备容量和导线容量增加。 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，从而使设备 及线路损耗增加。 3 ) 无功功率的变化会引起电网电压波动，使一些用电设备无法正常工作， 降低供电质量。 1 1 2a p f 的提出和研究现状 1 9 6 9 年，b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文中描述了通过向交流电网注 入三次谐波电流的方法来减少电流中的谐波成分，从而改善电流波形的新方法。 尽管它没有描述一个完整的有源电力滤波器，但文中所描述的用补偿的思想来 抑制谐波，这正是a p f 基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，s a s a k ih 和m a c h i d at 发表的论文首次完整地描述了a p f 的基本 原理。但由于当时采用线性放大的方法产生补偿电流，损耗大。成本高，因而 仅在实验室中研究，未能在工业中应用。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 发表的论文描述了用p w m 变流器产 生补偿电流的方法，确立了a p f 的概念并建立了a p f 主电路的基本拓扑结构 和控制方法。然而，由于当时电力电子技术的发展水平比较低，全控型器件功 率小、频率低，对a p f 除了实验研究外几乎没有任何进展【“。 2 进入2 0 世纪8 0 年代以后，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展， 对有源电力滤波器的研究快速发展起来。1 9 8 3 年，h a k a g i 等人提出的“三相 瞬时无功功率理论”【7 】，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在a p f 中 得到成功应用，极大地促进了a p f 的发展。此后不久，h a k a g i 等人研制出7 k v a 的a p f 实验装置，成功地补偿2 0 k v a 三相全控整流器产生的谐波和所需的无 功，其实验结果证实了a p f 的可行性和实用性。 此后，a p f 作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工 业发达国家得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，国外a p f 的研究以日本 为代表，由于其理论研究起步较早，目前己处在工业化应用阶段。据文献【8 】 介绍，自1 9 8 1 年以来，仅在日本己有5 0 0 多台a p f 投入运行，容量范围从5 0 k v a 到6 0 m v a ，目前世界上a p f 主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电 气公司、瑞士a b b 、德国西门子公司等。另一方面，a p f 的工业化应用对理论 研究起到了非常大的推动作用，新的研究理论成果不断出现。 我国在a p f 方面的研究起步较晚，直到1 9 8 9 年才有关于a p f 的文章发表 【9 】，上世纪9 0 年代以来，西安交通大学、华北电力大学、重庆大学、浙江大学 等高等院校开始对a p f 展开研究，但有关研究主要以理论研究和实验为主，虽 然在理论上取得了一些进展，但由于多方面的限制，到目前为止，a p f 在我国 尚未得到工业领域的广泛应用。这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适 应。但是，随着电力电子及相关技术的发展以及我国电能质量管理的深入开展， 利用a p f 进行谐波治理将会具有良好的发展前景和巨大的市场应用潜力。 1 1 3a p f 的发展前景和发展障碍分析 随着电力电子技术的发展和电能质量问题e t 益严重，a p f 作为改善电能质 量的一种有效装置，具有广阔的应用前景 1 0 - 1 1 】。但是从目前的状况来看a p f 的 发展面临多重障碍，主要表现在如下方面： 1 ) 应用成本较高。由于要用到大容量的电力开关器件和高速的数字控制 芯片，a p f 的成本比传统的l c 无源滤波器成本高出很多，严重阻碍a p f 的推 广应用。 2 ) 电力行业的法规和市场问题。目前我国对用电负荷的功率因素有一定 的限制，但对谐波电流并无强制的规定，造成用户对谐波治理的责任淡薄，无 相关的市场机制，阻碍了a p f 的推广。 3 ) 功能比较单一。由于电能质量问题日益多样化，对电能质量治理装置 的功能多样性要求也越来越高，a p f 对敏感负载最关心的电压闪变和电力瞬时 中断无能为力。 4 ) 装置容量较小。谐波和无功功率对电网而言危害很大，电网中的谐波 和无功总量也很大，但是由于功率开关器件的限制，目前的a p f 容量较小，安 装少量的a p f 对改善电能质量的效果并不明显。 5 ) 系统性能和可靠性问题。我国对a p f 的研究起步较晚，并且到目前为 止工业应用较少，实践和理论相互促进不足，系统的性能和可靠性都有待提高。 1 2 光伏发电技术概述 1 2 1 光伏发电技术的应用和现状 考虑到能源的持续发展和环境压力，上世纪9 0 年代后期世界上许多国家都 制定了大力发展新能源的计划。太阳能以其环保和不歇性得到了诸多国家的青 睐【1 2 1 舢。 德国的光伏并网发电走在了世界的前列。其l o 万屋顶光伏计划及最近通过 的新可再生能源法规定光伏电价为o 9 9 马克k w h ( 高于常规电价0 6 马克k w h 的电价) ，对德国的光伏发展起到巨大推动作用。 日本在光伏发电与建筑相结合方面已经做出了十几年的努力，1 9 9 4 年1 月 通产省宣布“朝日七年计划”，计划到2 0 0 0 年推广1 6 2 万套太阳能屋顶住房， 总功率达到1 8 5 m w p ；1 9 9 7 年又宣布“七万屋顶计划”。 美国在上世纪8 0 年代初就开始实施p v u s a ( p vu t i l i t ys c a l ea p p l i c a t i o n ) 计划，即作为规模公共电力应用的光伏发电计划，首批建造了1 0 0 k w 以上的 大型并网光伏电站4 座，其中容量最大的为6 m w ( 原计划为1 0 m w p ) 。1 9 9 7 年6 月，克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划”，计划到2 0 1 0 年安装1 0 0 万套太阳能屋顶，总装机容量为3 0 2 5 m w p ，所产生的电力相当于3 - 5 座大型燃 煤电站，每年可望减排二氧化碳3 5 亿吨，相当于减少8 5 万辆汽车的尾气排放。 同时，通过该计划的实施将使光伏发电的成本由1 9 9 7 年的2 2 美分，度下降到 7 7 美分度。 许多其它发达国家也都有类似的光伏屋顶并网发电项目或计划，如荷兰、 瑞士、芬兰、奥地利、英国、加拿大等。属于发展中国家的印度也在1 9 9 7 年 1 2 月宣布到2 0 2 0 年将建成1 5 0 万套太阳能屋顶并网发电系统。目前为止，世 界范围内的并网系统已经占光伏系统总量的5 0 以上，整个光伏并网市场在蓬 勃发展。 中国的光伏市场在近些年发展也很迅速，但主要集中在边远地区的独立逆 变系统，如在国家支持下1 9 9 9 年底分别在西藏的7 个无电县城安装了光伏系统， “中国光明工程”2 0 0 0 年起又开始了无电乡村的光伏电站建设。另外光伏水泵， 光伏照明等方面也有所发展【”d6 1 。光伏并网系统的发展受市场和技术的限制， 目前在整个光伏产业中所占比重有限，在2 0 0 3 年为4 。但随着世界光伏市场 的变化趋势，中国的光伏并网产业也越来越受到人们关注，预计到2 0 5 0 年，光 伏并网市场份额要占总光伏市场的8 0 d 7 1 。 4 在光伏并网发电技术方面，国内起步较晚，正处于示范工程阶段，与国际 大企业的先进技术( 如德国s m a ，日本三菱，西门子等) 还存在较大差距。发 展具有自主知识产权的相关技术，进而实现其产业化，已非常迫切。 1 2 2 光伏并网发电技术的发展前景和发展障碍分析 我国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要明确指出我国未来要积极 开发利用风能、太阳能、地热能和海洋能，加之我国能源问题日益严峻和光伏 发电技术的逐步成熟，太阳能光伏利用的前景必将十分光明。但是在另一方面 我国的光伏发电科研和应用水平与发达国家相差较大，光伏并网发电技术的发 展面临多重障碍【1 8 2 0 1 。 1 ) 应用成本较高。2 0 0 3 年单、双晶体光伏电池组件的价格约为3 6 4 0 元 w p ，光伏发电系统价格约为6 0 8 0 元w p ，相对与目前的火力和水利发电，光 伏发电的成本约为后者的6 2 0 倍。成本高是当前制约光伏发电市场快速发展的 主要原因。 2 ) 设备利用率较低。由于日夜交替的原因，夜里光伏发电装置要停机， 只有白天且天气较好的时候才能发电工作，这种间歇性的工作不仅降低了设备 的利用率，并且频繁的投切电网会对电力系统的正常运行造成影响。 3 ) 政府对光伏产业的相关支持政策不健全。实践证明发达国家对光伏发 电实施的电价补贴、环境补贴等激励措施和切实可行的发展规划对光伏发电的 发展起到了很大的推动作用。而我国虽然最近出台了有关法律，但还缺乏有力 的激励措施和发展规划。 4 ) 系统性能和可靠性问题。我国对光伏发电技术的研究起步较晚，并且 多以高校研究为主，目前虽然已经建成了一些示范工程，但国产的光伏发电装 备在系统性能和可靠性方面还有待提高。 5 ) 容量较小并且功能比较单一。由于电力电子器件容量和成本的限制， 目前并网装置的容量不大，并且目前的并网装置对电力系统日益关心的电能质 量问题改善作用不大，甚至，有时会对电力系统的正常运行和电能质量造成负 面影响。 1 3 课题研究的目的和意义 从上面两节的介绍可知，a p f 和光伏并网发电装置都具有广阔的发展前景， 但是当前的发展都面临着多重障碍。 本文的研究目的是针对a p f 和光伏并网发电装置的不足和各自面临的发 展障碍，通过对两种装置在工作原理、拓扑结构和控制策略方面的对比分析， 寻求对两者实施统一控制的理论基础。对两者的统一控制理论进行深入研究， 并充分利用两者的拓扑结构对系统功能实施进一步的拓展，最终完整地提出一 种a p f 和光伏发电统一控制的系统结构和控制策略。最后，利用m a t l a b 仿 真软件对所提出的系统进行仿真验证，在仿真研究的基础上设计一台基于d s p 的实验样机，对所提出的系统和控制策略进行实验研究。 本课题的研究意义在于针对a p f 和光伏并网发电装置的不足和发展障碍， 对两者实施统一控制并进行功能拓展，最终完整地提出一种a p f 和光伏发电统 一控制的系统结构和控制策略，使其不但具有光伏并网发电、谐波和无功电流 补偿功能，而且具有对重要负载实施电力中断补偿能力( u p s 功能) 。实现一 机多能，通过整合资源，降低应用成本，推动a p f 和光伏发电技术的共同发展。 这不仅对两种技术的推广具有重大意义，而且对环境保护、新能源开发和绿色 电力的和谐发展具有一定的意义。 1 4 本文的主要内容 本文的主要内容包括： 第一章主要对a p f 与光伏发电技术的背景和研究现状进行调研，对a p f 和光伏并网发电技术的发展前景和发展障碍进行深入分析，对课题研究的目的 和意义进行了探讨。 第二章主要是a p f 与光伏发电统一控制的理论研究。对a p f 和光伏并网 发电装置的工作原理、拓扑结构和控制策略进行比较研究，提出对两者实施统 一控制的思想。针对a p f 和光伏并网发电统一控制系统的不足，对提出的统一 控制系统进行功能拓展。最后较完整地提出一种a p f 和光伏发电统一控制的系 统结构和控制策略，使其不但具有光伏并网发电、谐波和无功电流补偿功能， 而且具有对重要负载实施电力中断补偿能力( u p s 功能) 。 第三章主要对谐波和无功功率的检测技术进行深入调研，对基于瞬时无功 功率理论的检测方法进行仿真和实验研究，并给出谐波、无功指令电流和并网 指令电流合成算法，并对其进行仿真和实验研究。 第四章主要对统一控制系统中变流器的控制策略进行研究。把所提出的系 统中的变流器控制分为并网和u p s 两种模式，并分别进行研究，重点研究了定 时控制的滞环比较电流跟踪控制、三角波比较电流跟踪控制、电压平均值反馈 控制和电容电流反馈双闭环控制技术，并进行了相应的仿真和实验研究。本章 还对系统的两种工作模式之间的转换策略进行研究，并运用孤岛效应检测技术 为系统制定主被动相结合的电力中断检测方案，实现在电力中断时系统及时从 并网模式转换到u p s 模式对重要负载实施电力中断补偿，电力恢复后系统回到 并网模式继续工作。 第五章主要对系统中的光伏充电和蓄电池组的充放电管理进行探讨。针对 光伏阵列的电气特性，对光伏阵列的最大功率点跟踪( m p p t ) 技术进行研究， 6 并设计具有最大功率点跟踪功能的光伏充电器。针对蓄电池的特性，设计出合 理的充放电策略。 第六章主要是对统一控制系统的仿真和实验研究。本章给出了系统仿真模 型，并详细分析了样机的主电路、d s p 控制系统、人机交流界面、程序结构和 程序流程等多个方面的设计思路。最后给出了仿真和样机实验结果并做了对比 分析，以验证所提出的系统结构和控制策略的可行性和正确性。 第七章主要是对课题工作进行一个全面的总结和展望。 7 第二章a p f 与光伏发电的统一控制理论研究 2 1a p f 与光伏并网发电装置的对比分析 2 1 1a p f 的工作原理 根据与补偿对象连接方式的不同，a p f 可分为并联型和串联型两种，实际 应用中多为并联型，下面以并联型a p f 为例介绍其工作原理【2 。图2 - 1 所示 为最基本的a p f 系统的原理图。图中，蚝、代表三相交流电源，负载为 谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。系统主要由两部分组成，即指令电流运 算和电流跟踪控制部分( 包括控制电路、驱动电路和主电路) 。其中，指令电流 运算部分的核心是检测出被补偿对象电流中的谐波和无功电流分量。电流跟踪 控制部分的作用是根据指令电流运算得出的补偿电流指令信号，产生实际的补 偿电流。 作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作， 但是在电网向a p f 直流侧充电时，它作为整流器工作。也就是说，它既可以工 作在逆变状态，又可以工作在整流状态。 图2 1 并联型a p f 原理图 a p f 的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算单 元计算出补偿电流的指令电流信号，电流跟踪控制部分按照指令电流信号控制 补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流相抵消，最终得到 期望的电网电流。 例如：当需要补偿负载所产生的谐波电流时，a p f 检测出补偿对象负载电 流j ，的谐波分量f ，。，将其反极性后作为补偿电流信号e ，由电流跟踪控制电路 产生的补偿电流t 即与负载电流中的谐波成分屯大小相等、方向相反，因而相 互抵消，从而使电源获得期望基波电流。上述原理的公式描述如下： = i l + t 5 一 i l = 吁+ u i l = i l + i c = i 吁 8 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 式中0 为负载电流的基波分量。 如果要求a p f 在补偿谐波的同时补偿无功功率，则只需要在补偿电流的指 令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性成分即可。这样，补偿电流与 负载电流中的谐波及无功成分相互抵消，电网电流等于负载电流的基波有功分 量。 2 1 2 光伏并网发电的工作原理 光伏并网发电系统按照系统功能通常分为两类，一种为含有蓄电池组的可 调度式光伏并网发电系统；另一种为不含蓄电池的不可调度式光伏并网发电系 统。通常，可调度式系统应用在规模较大的集中式并网光伏系统，不可调度式 应用在分散小型并网光伏系统。两种并网系统中，前者较后者功能要强，因为 前者具有储能能力，可以用于电网调峰和应急供电。 下面以不可调度式光伏并网系统为例来说明光伏并网发电的工作原理【1 7 】。 系统结构和原理如图2 2 所示。 图2 - 2 不可调度式光伏并网系统 不可调度式光伏并网发电系统的工作过程为：白天，光伏阵列有电能输出 时，并网逆变器通过最大功率点跟踪( m p p t ) 使光伏阵列输出最大电能并以 单位功率因数向电网供电；夜晚，光伏阵列无电能输出，并网逆变器停止工作， 保证夜间低损耗；当电网断电时，并网逆变器停止工作，避免孤岛效应发生。 2 1 3 有源电力滤波器与光伏并网发电装置的相同点分析 从上面两节对a p f 和光伏并网发电原理的介绍可知，两者有诸多相同之 处，下面从系统结构，功能和控制方法三方面分别进行比较分析： 1 1 结构方面。a p f 和光伏并网发电装置的结构对比如图2 3 所示a 9 有源电力滤波器光伏并网发电 图2 - 3 a p f 和光伏并网发电系统结构对比图 从上图可知：两者在变流器拓扑以及连接电网的方式上相同，只是直流侧 不同，a p f 的直流侧是电容器，而光伏并网发电的直流侧是光伏阵列。 2 1 功能方面：a p f 的功能是补偿谐波和无功电流，即向电网注入谐波和 无功电能；光伏并网发电装置的功能是并网发电，即向电网注入有功电能，两 者只是注入到电网的电能种类不同，本质上是相同的。 3 1 控制方法：两者都含有电流跟踪控制技术和锁相技术，并且控制方法 是一致的，不同的是a p f 还涉及谐波和无功检测技术，光伏并网系统还涉及最 大功率跟踪和孤岛效应检测技术，但两者的主要技术是相同的。 2 2a p f 与光伏并网发电的统一控制和功能拓展 2 2 1a p f 与光伏并网发电的统一控制原理 由上节的分析可知，a p f 和光伏并网发电系统在结构、功能和控制方法等 诸方面是相同的，所以理论上存在对两者实施统一控制的可能性，如果能够实 现对a p f 和光伏并网发电的统一控制，就可以在同一装置上实现多种功能，有 利于技术推广。 分析a p f 对直流侧的控制原理可知，a p f 的直流侧电容电压是靠系统自身 与电网的能量交换来维持的。当直流侧电压超过给定时，a p f 会通过向电网注 入有功电能来降低直流侧的电压，也就是说通过适当的控制可以利用a p f 把直 流侧的电能以有功电流的形式注入到电网。这也就是可对a p f 和光伏并网发电 实施统一控制的理论基础，这样就可以把光伏阵列直接或经过升压电路接到 a p f 的直流侧，通过对其实施最大功率点跟踪可以实现光伏阵列以最大功率向 电网注入电能，并且在实现并网发电的同时不会对a p f 的原有功能造成影响。 按照上述思想对两种装置进行合并实施统一控制，a p f 与光伏并网发电统 一控制系统示意图如下。 l o 有谭电力滤波嚣光伏井网发电装置 合并后统一控制系统 图2 - 4 a p f 与光伏并网发电系统合并不意图 a p f 与光伏并网发电统一控制系统