（电工理论与新技术专业论文）单相光伏并网系统的研究.pdf

a b s t r a c t f o rt h es t r e n u o u se n e r g ys o u r c e sc u r r e n t l y ，t h ea p p l i c a t i o no fs o l a re n e r g y i sp a i dm o r ea t t e n t i o nb ym a n yc o u n t r i e sa l lt h ew o r d t h a nb e f o r e p h o t o v o l t a l c ( p v ) g e n e r a t i o n ，o n em e t h o d o fu s i n gs o l a re n e r g y ，i sv e r yp r o m l s l n g lh e i n e v i t a b l et r e n d o ft h eu s eo fs o l a re n e r g y w i l lb et h eg r l d - c o 仰e c t e d d h o t o v o i t a i cs y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e dt h et o p o l o g yo fg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m ， c o n v e r s a t i o no fe n e r g y , 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 ) ，c o n t r o ls t r a t e g y ， i s l a n d i n ge f f e c to fg r i d - c o n n e c t e ds y s t e n l ， f o rt h es i n g l e p h a s ep vg r i d c o n n e c t e ds y s t e m ，t h ep a p e re x p a t l a t e d a s u i t a b l et o p o i o g i c a lc o n s t r u c t i o n ，w h i c hd o e s n t u s et h ei n d u s t r i a lt - r e q u e n c y t r a n s f o r m e ro rh i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e rw i t hf e a t u r e s w h i c ht h es m a 儿s i z e , 1 0 wc o s ta n de a s yc o n t r o ls t r a t e g y t h ep a p e rd i s c u s s e dt h e c o n v e r s a t l o no f s i n g l e - p h a s ee n e r g y ，a l s ot h ei n t e g e rs t r u c t u r eb a s e d o ns i n g l ec h i pa n dd s p t h e s i n g l e - p h a s ep vg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m t h ea u t h o ra n a l y z e ds e v e r a lm e t h o d so fm p p t o fg r i d 。c o n n e c t e ds y s t e m 。 a n dt h ea r i t h m e t i co ft h ea v e r a g ec u r r e n tm e t h o dh a s b e e ng i v e nt ot h em p p to f p vs v s t e m i nt h i st h e s i si ti s d e m o n s t r a t e dt h e o r e t i c a l l yt h a tt h em a x l m u m p o w e r o u t p u tc a nb em a t c h e db ya d j u s t i n gt h ed u t yr a t i oo f t h ed c d cc i r c u i t t h em a n i p u l a t i r em o d e lo ft h es i n g l e p h a s ep vg r i d c o n n e c t e ds y s t e m 7 s i n v e r t e do u t p u t i su p b u i l ta n dak i n do fp vg r i d c o n n e c t e df e e d b a c k c l r c u l t c o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e d ，w h i c hi s e m u l a t e d t oe l i m i n a t et h es h o r t a g e t h e a u t h o rp r e s e n t sa ni m p r o v e db a s e do nz e r o - c u r r e n tc o n t r o l t h er e s u l t a n t so ft h e u s i n gm a t l a bp r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n d v a l i d i t y f i n a l l y ，a c c o r d i n gt h et h e o r y ，t h e s i sg i v e st h er e s u l t o ft h ep a r t so ft h e m a i nt o p o i o g y ，a n dm a d et h ec i r c u i tb o a r d t ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yi nt h ea c t u a l c o n d i t io n s k e yw 。r d s ：p h 。t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e d ；m a x i m u m p o w e rp 。i n t t r a c i n g ； d c d cc o n v e r t o r ；a v e r a g ec u r r e n tm e t h o d ；d c - a cc o n v e r t o r 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密周，使用本授权书。 v 学位论文作者签名：身矽赝 日期：刀，歹7 臌轹事牟 日期：刀_ 2 7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 分析各种光伏并网系统主电路结构，对单相能量变换进行分析研究。针对单相光 伏并网系统的特点，采用了适于该系统的主电路拓扑结构。电路中光伏阵列通过 升压电路( d c d c ) 再经逆变电路( d c a c ) 直接并网，而不是工频变压器或高频变 压器。该种结结构体积小，噪声低，成本低，便于研究，有利于并网技术的深入 研究。 2 根据光伏电池的u i 和p u 特性曲线，进行最大功率点跟踪，使光伏电池工作在 最佳状态。采用电路平均值控制算法，该法能同时满足快速性和精度的要求。 从理论上证明了调节b o o s t 电路的占空比来可以改变其与光伏阵列的匹配电阻， 为实现最大功率点跟踪功能提供了理论依据。 3 对单相光伏发电并网系统的逆变输出级建立控制模型，采用电流型并网控制方 案，并用m a t l a b 进行了仿真。分析了单电流环控制方式存在的不足，采用了 零误差的控制方法实现对并网电流控制，其仿真结果验证了该方案的可行性及 有效性。对电网电压作为并网系统的扰动量采用前馈补偿，提高该系统的性能。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 粒历 a 鹄：砌l s i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 i 1 课题研究的背景和意义 随着人类社会的不断发展，人们的经济及文化活动需要大量的能源。目 前，人类利用的电能主要有三种，即火电、水电和核电。但是，由于化石燃 料的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不 能满足其经济、社会发展的需要，并且由于蕴藏量有限，矿物能源正面临着 枯竭的危险。另外，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有 害物质排向天空，使大气环境遭到严重污染，同时由于大量排放二氧化碳等 温室气体而使地球产生明显的温室效应，引起全球气候变化；水力发电受到 水力资源的限制和季节的影响，并且有时会破坏当地的生态平衡；核电在正 常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样十分严重，并且核废 料的处理直至今日仍然是一个全球性待解决的问题。因此，随着社会的进步， 经济的发展，人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源己经是当前人 类面临的迫切课题。太阳能以其清洁、无污染，并且取之不尽、用之不竭等 优点越来越得到人们的关注。全球能源专家们一致认定太阳能将成为2 1 世 纪最重要的能源之一。据欧洲j r c 预测，到未来的2 1o o 年太阳能在整个能 源结构中将占6 8 的份额。 2 0 世纪5 0 年代，太阳能利用领域出现了两项重大突破一是在光伏利用 方面，1 9 5 4 年美国贝尔实验室研制出效率为6 的实用型单晶硅电池；二是 在光热利用方面，l9 5 5 年以色列的t a b o r 提出选择性吸收表面概念和理论， 并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项突破既是人类利用太阳能进入高技 术阶段的标志，也是人类又一代新能源变革的划时代标志。 太阳能的利用主要有以下三种形式： 1 ) 太阳能的热利用 目前太阳能热利用的主要形式包括太阳能热水器、太阳能建筑以及太阳 能热发电等。其中，太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用 最普遍的技术产品。此外，随着光热利用技术的不断进步，太阳能热发电在 经济上将可能变得愈来愈可行，因此它也是颇具潜力的太阳能热利用主要形 式之一。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 ) 太阳能的光化学利用 太阳能的光化学利用主要是指：太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳 能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，其中令人看好的 太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。 3 ) 太阳能的光伏利用 太阳能的光伏利用是太阳能利用的主要形式，主要分为五类：a ) 独立系 统，b ) 并网发电，e ) 光电光热结合系统，d ) 风光互补，e ) 专用系统。 最近几十年，太阳能的光伏利用通过以上几种形式得到了迅猛的发展。 9 0 年代以来，发达国家重新掀起了发展光伏并网系统的高潮，特别是发展“屋 顶光伏并网系统”。屋顶光伏并网系统不单独占地，将太阳电池安装在现成 的屋顶上，非常适应太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都 优于大型并网光伏电站，有利于普及，有利于战备和能源安全，受到了各国 的普遍重视。并网发电是光伏利用的发展趋势，是太阳能发电规模化发展的 必然方向。专家估计：太阳电池及相应的系统将通过大规模并网发电迅速发 展为全球重要产业。太阳能以其独具的优势，必将成为解决常规能源匮乏、 枯竭和引起环境污染等一系列问题的有效途径。 1 2 光伏并网系统国内外发展现状 1 2 1 国外光伏并网系统的发展和趋势 太阳能光伏发电技术的开发始于2 0 世纪5 0 年代。光伏发电系统可以分 为并网系统、离网系统和混合系统，其中光伏并网发电系统是家庭和商业最 受欢迎的光伏系统。逆变器将光伏阵列发出的直流电转换为交流电并与地方 电网连接，使得发出的富余电量都可出售给电网，夜晚则可从电网买电。随 着全球能源形势趋紧，太阳能光伏发电作为一种可持续的能源替代方式，于 近年得到迅速发展，并首先在太阳能资源丰富的国家，如德国和日本，得到 了大面积的推广和应用。 当前，世界上大多数国家都把太阳能的利用作为重点研究、开发的项目 目前国际上对太阳能资源已经十分重视。2 0 世纪7 0 年代以来，鉴于常规能 源供给的有限性和环保压力，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再 生能源的热潮。利用太阳能发电的光伏发电技术被用于许多需要电源的场 合，上至航天器，下至儿童玩具，光伏电源无处不在。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，光伏发电大多作为专用的独 立运行系统应用在如航天，边防海岛，或是边远地区的示范工程等。但是近 年来，新型光伏材料的出现，产品价格的不断下降，转换效率的提高，电力 电子器件的高频化，高性价比微处理器的推出，先进控制策略的应用，使得 光伏并网技术的研究和推广日益受到重视。光伏产业发生了巨大变化，己经 开始向并网发电转变。并网发电己经成为光伏发电的发展趋势。 并网发电开始于8 0 年代初，但由于当时成本过高，且环境效益还不是 很明显，使得电力公司难以接受。为缓解能源危机，大力利用太阳能，推动 光伏发电的迅速发展，西方一些发达国家纷纷出台有关政策、法规来扶持光 伏并网产业。19 9 9 年以来在世界各国，尤其是美国、日本、德国等发达国家 先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下，世 界光伏产业以每年3 0 以上的增长率保持着高速发展，是一个比i t 发展还 快的产业。作为一种可再生的清洁能源，光伏发电将在2 l 世纪前半期超过 核电成为最重要的基础能源之一。如德国“可再生能源电力供应法 中规定 2 0 0 0 年开始执行光伏发电上网电价0 9 9 马克k w h 的优惠政策。日本早在 19 9 4 年就开始实施“新阳光计划”，目前已安装近7 万个太阳能屋顶，预计到 2 0 1 0 年要安装1o o 万个太阳能屋顶；美国于1 9 9 7 年提出“百万太阳能屋顶 计划”，规划到2 0 10 年为1o o 万个家庭安装太阳能屋顶，每个光伏屋顶将有 3 5 千瓦光伏并网发电系统。英国“可再生能源法”于2 0 0 2 年初生效，该法 强制所有电力供应商要在三年内用可再生能源提供3 以上的电力，2 0 10 年 可再生能源电力要达到10 4 。意大利2 0 0 1 年开始实施光伏屋项计划，政府 配套2 8 0 0 万美元资金，补贴达7 5 等等【2 】【4 1 。 近3 0 年来，太阳能利用在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获 得了长足发展，成为世界范围内快速、稳定发展的新兴产业之一。在2 0 0 4 年，全球安装的太阳能光伏系统容量己逾10 0 0 m w p 。包括太阳能在内的可 再生能源在2 1 世纪将会以前所未有的速度发展，并将逐步成为人类的基础 能源之一。据预测：到2 1 世纪中叶，可再生能源将占到一次能源总额的5 0 以上，而太阳能在一次能源中的比例将为13 15 。 1 2 2 我国光伏并网发电的发展 我国常规能源，特别是石油资源严重不足，已经成为制约我国经济快速 发展的一个重要因素。可是，从世界范围来说，我国属太阳能资源十分丰富 的国家。有关数据表明：全国2 3 以上地区年日照数都大于2 0 0 0 小时，太阳 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 能理论上储量高达17 0 0 0 亿吨标准煤年。尤其是西藏西部地区，年太阳最高 辐射量居世界第二，仅仅低于撒哈拉大沙漠，具有利用太阳能资源的良好条 件。 我国于19 5 8 年开始研究太阳电池，并于19 7 1 年成功地首次应用于我国 发射的东方红二号卫星上。8 0 年代以后，国家开始对光伏工业和光伏市场的 发展给以支持，使得我国十分弱小的太阳电池工业得到巩固和发展并在许多 有用领域建立了示范。我国光伏发电的研究开发工作，经过几十年的努力， 取得了不小的成就，在光伏水泵系统、通信光伏电源系统、微波中继站，阴 极保护光伏电源系统，家用光伏电源系统，风光互补发电系统等的系统技术 方面，也取得了不少的研究成果和工程经验。在国家实施西部大开发发展战 略和国内绿色环保工业开始升温的背景下，2 0 0 2 年国家计委启动了西部地区 送电到乡的项目，耗资近2 0 亿人民币，有力地推进了我国光伏产业的发展。 通过国家“七五”、“八五”、“九五 以及“十五”计划，我国已经在户用系 统、通信电源、光伏水泵、光伏并网方面取得了一些技术成果。近期国家科 技部又把“光伏屋顶并网发电系统 列入了“国家十五科技攻关计划 ，并 北京建成了2 0 k w p 、5 0 k w p t 4 】等容量等级的光伏屋顶并网系统，成功地实现 了并网发电。在大型光伏电站方面，中科院电工研究所于2 0 0 4 年在深圳世 博园成功地实施了1m w p 容量的大型光伏并网电站，该电站成为国内首座大 型的兆瓦级并网光伏电站。 国家科技部己做出相应规划，有步骤地推进相关的科技创新研究、示范 及其产业化进程。中国拟在建项目网2 0 0 5 年1o 月31 日消息：上海“可再 生能源发展行动计划”即将推出，根据这一计划，可再生能源如风能和太阳 能成了十一五规划重点支持产业，风能和太阳能将成为该市“十一五 期间的新能源新方向。上海市政府联合众多太阳能知名企业启动了“十万屋 顶光伏发电计划”，拉开了国内太阳能发电大规模应用的序幕。随即，由尚 德太阳能电力有限公司承建的无锡市政府4 0 k w 屋顶光伏并网发电系统也 吹响了江苏“一千个屋顶光伏发电工程”的号角。这些工程的启动实施，将 在一定程度上代表国际上最先进的用能方式，并将直接影响到我国未来能源 利用的发展方向。上海、江苏等地区推行“太阳能屋顶工程 ；近日，国内 首度引进总投资6 0 亿的第二代太阳能光伏技术落户山东；2 0 0 5 年8 月31 日，中国第一座直接与高压并网的10 0 k w p 光伏发站在西藏羊八井建成并一 次并网成功，顺利投入运行；2 0 0 8 年北京绿色奥运部分用电也将由太阳能发 电提供，中国普及光伏并网发电系统已拉开序幕【5 】- 【6 1 。 我国的光伏产业虽然在近年取得了一定的发展，但相比于蓬勃发展的世 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 界光伏工业，中国光伏工业还处于起步阶段，光伏产量和安装容量仅为世界 1 左右。由于政策、资金等因素的制约，总体上我国的太阳能光伏技术仍处 于初级阶段，规模小、技术落后、应用面窄、产品单一，一些关键的技术和 材料仍不能实现国产化。 面对如此巨大的国内市场需求和广阔的发展前景，要实现光伏产业的快 速发展和光伏并网系统的产业化，必须发展具有自主知识产权的光伏并网技 术，增加技术积累和鼓励技术创新。基于此，本文依托国家“十五 科技攻 关项目，在光伏并网发电技术方面开展了若干研究工作。 1 3 并网系统的孤岛效应 孤岛效应是并网发电系统中普遍存在的一个问题。它是指当电网停电 时，系统没有检测到电网停电状态，从而不能及时切断和电网的电气连接， 而与本地负载一起构成了电力公司无法控制的一个供电“孤岛 。这种孤岛 现象会对维修人员和用电设备甚至电网产生严重的后果。因此系统要能及时 地检测到电网断电并使系统停止运行。通常对孤岛效应的检测和防止都是通 过同时使用几种“主动”和“被动”的方法来实行对电网的监控【_ 7 1 。目前常 用的被动检测方法有：监控电网电压的幅值和频率【8 】、监控电网电压和并网 电流之间的相位差【9 1 、对并网电流实行监控以及谐波检测法等；常用的主动 检测方法有：s a n d i a 频率漂移法、s a n d i a 电压漂移法以及一些主动发出对电 网的干扰信号等方法【1 0 】【1 1 】 上述孤岛效应的检测方法“各有千秋”，但到目前为止，还没有一个“完 美”的检测孤岛效应的方法。当电网停电时，虽然大部分情况可以通过被动 的方法检测到，但当负载和系统完全匹配时，则容易发生孤岛效应。主动的 检测方法一般是通过定时改变输出信号，来达到对电网的扰动效果，若电网 正常供电时，这种扰动不能对电网产生明显的改变；若电网断电时，定时扰 动会对系统输出端电压产生影响，通过监控输出端电压的是否变化就能判断 电网是否