分布式光伏发电并网系统设计

第一章绪论1.1课题选取的背景和意义1.1.1课题的研究背景随着科学技术的大幅度发展，能源与环境问题也在人们的愿景中得到了强调。由于能源对人类发展和进步起着极其重要的作用，开发和利用可再生能源成为能源关系中一个日益重要的问题。当阳光射向由半导体二极管组成的光伏电池时，其光伏阵列吸收光能量，并通过一种简单的光生伏特效应过程转化发电。与传统的能源发电不同，光伏作为一种新能源，在生产过程中不需要消耗煤炭、天然气等资源，也不会排放污染环境的有害气体，而是采用新的发电方式，更加绿色、环保、减排。光伏作为清洁能源已经成为电能领域的重要研究内容，同时被认为具有广阔应用前景，广泛应用于航空航天、通讯、农业、基础设施、交通、办公大楼等领域。图1-1我国太阳能资源分布图如图1-1所示，作为开发和利用太阳能的重要基础，由于我国地处北半球，太阳能在我国具有独特的优势。该地区有三分之二的区域拥有丰富的太阳能，每年太阳辐射超过1389kWh/m2，日照小时数超过两千多个小时。特别是中部和西部地区，由于它们的光照条件好，预计年平均日辐射量可达5kW/m2，截至2018年底，全国的光伏发电装机容量已经达到了17446万KW，是2014年累计装机容量的15倍左右。到目前为止，我国的光伏发电装机容量位居世界首位，占全国总装机容量的比例从2004年的1.73%上升到2018年的20%。2019年，随着光伏在我国得到快速发展，相关政策也随之日趋完善，技术水平在逐步提升，发电成本得到了有效的控制，与此同时，西北地区严重的弃风弃电问题得到有效遏制，太阳能发电的重点也开始向中部、东部和南部地区转移。随着集中式光伏电站发展的放缓，分布式光伏电站开始支撑起光伏产业的继续健康发展。2019年新增并网容量超过30GW，形成了集中式新能源发电和分散孤岛运行相结合的新格局。分布式光伏发电装机容量占全部光伏新增装机的1/3以上。1.1.2课题的研究意义因此，实现可持续发展目标对人口众多的我国来说非常重要。大力发展绿色清洁能源，是人类可持续发展的必经之路。只有通过实施可持续发展能源战略，才能实现经济和社会的快速发展，在“最低能源消耗，最低环境污染”的基础上，实现生活水平的提高。我国经济发展存在区域不平衡，对于农村和边远地区，农业、畜牧业和山区来说，建设集中式配电网，将会遇到建设时间长、资金投入大等困难，这些地区的经济发展将会因此收到限制，加深经济发展的不均衡。这些地区拥有丰富的太阳能资源，而分布式光伏发电的发展可以弥补集中式发电的不足。光伏发电作为我国新兴产业具有重要的战略意义，光伏发电得到广泛应用，对于改善能源结构、确保能源安全、优化生态环境、以及转变城乡能源消费方式都具有重大的战略意义。总而言之，分布式光伏发电的研究对于经济发展和人类科技进步具有深远意义。该系统的研究将有助于提高分布式光伏发电系统的可靠性,解决分布式光伏发电中的技术问题,对推动分布式光伏发电的推广和整体效益具有深远意义。1.2国内外研究的现状及发展趋势光伏发电与国内外的市场份额相比较2010年全球光伏发电并网总装机容量为127亿KW，当时全球光伏发电才刚刚起步，到2020年，全球光伏发电装机总量有望达到42GW。但是，仅仅2016年，全球新增光伏发电装机容量就已约为66.7GW。由此可见，光伏发电发展迅速。在国外，澳大利亚20%的家庭拥有光伏系统，德国50%的家庭拥有光伏系统，但在中国，虽然它有2亿的农村宅基地和500万栋别墅，但是分布式光伏发电系统的市场率只有1%，在国内市场，光伏还有很大的增长空间。

全球各区域政府补贴方式对比：

2013年，德国的政策是，光伏发电系统在500KW以下，可以采用“自发自用，余电上网”的政策；而光伏发电系统在500KW以上时，则采取上网电价政策。项目超过2MW不予补贴。由于政府补贴，08~10年，德国的分布式发电系统出现爆发式增长，德国分布式的装机量在13年就占据光伏发电的75%。图1-2德国分布式增长趋势图日本：由于日本的上网电价补贴政策十分高昂，导致了日本光伏发电快速增长，这一切都是由于2011年的福岛核电危机，导致日本民众和政府都特别重视新能源，特别是太阳能发电，所以日本对新能源采取高额补贴政策，上网电价达到了42日元，约合2.57元。美国：作为发达国家，其政府扶持的光伏发电的政策主要体现在投资方面，包括直接投资补贴、投资税收减免、加速折旧等一系列优惠政策。中国台湾：2009年，台湾地区发布了《关于可再生能源发展条例》，条例中对可再生清洁能源实行上网电价统一标准，并明确规定了可再生能源并网和全额上网进行强制性义务。实施期限为20年，进行统一电价。台湾的标准电价采取的方法是竞标机制相结合和项目竣工时整购费率基准和，30KW的分布式光伏电站以下免于竞价。这种做法加速了光伏电站的快速发展。图1图1-3台湾分布式增长趋势图中国：中国政府在2013年的《促进光伏产业健康发展的通知》，做出了关于光伏发电度电补贴0.42元/度的规定，原则上20年不变。并划分了三类光伏发电资源区的售电价格。图1-4中国分布式光伏发电累计装机趋势图1.3课题的主要研究内容无论是在能源结构与智能电网发展的基础上，还是在《光伏发电发展“十三五”规划》的政策，研究分布式并网光伏注定成为一项热门。但由于我国光伏发电的应用技术起步相较于欧美国家比较晚，对分布式光伏发电研究仍处于发展阶段初期，本文以现有的光伏政策引导下，参考阅读大量的参考文献，以求真务实、科学严谨的态度，针对分布式光伏发电的硬件配置，作为专项研究，设计一整套分布式光伏发电系统，并对比需要考虑的参数和数据，为分布式光伏发电系统项目提供参考价值。本文主要研究内容分别由：光伏发电系统原理、光伏发电系统并网技术、.分布式光伏发电系统的建模与仿真。针对分布式光伏发电系统原理的分析重点概述了光伏电池原理、分布式光伏发电系统设计、分布式光伏发电结构，并且从光伏发展条件分析入手，分析分布式光伏发电的未来的发展趋势。第二章分布式光伏发电系统分析2.1分布式光伏发电系统常见的分布式光伏发电系统，一般有户用家庭光伏、光伏车棚、工商业光伏系统等，指的是靠近用电现场配置较小或者在用户现场的光伏发电供电系统，既要支持现有电网的经济运行，又要满足用户特定的需求，或者同时满足这两个要求。图2-1分布式光伏发电系统设计原理2.1.1分布式光伏发电系统的组成分布式光伏发电系统的基础设备包括组件、支架、光伏逆变器、交流配电柜、直流汇流箱、直流配电柜等设备，以及环境监测装置设备和供电系统监控装置。分布式光伏发电系统的工作方式，是通过太阳辐射照射到光伏发电系统的太阳能电池组件阵列上，由太阳辐射能转化为输出电能，电能再通过直流汇流箱接入到光伏逆变器逆转换为交流电源，最后再接入到并网配电箱，以此接入电网，可以直接卖电，也可供给建筑自身负载，“自发自用，余电上网”。2.1.2光伏电池光伏电池是分布式光伏系统的基本组成部分，由串联组成了光伏组件。假设分布式光伏发电系统是个体，那么可以把光伏电池看作是人的细胞组成，把光伏组件当做是人的各种器官。只有当细胞正常健康时，器官才够能正常运转。因此，太阳能电池性能的优劣决定了光伏发电系统的工作效率。所以当我们在设计分布式光伏发电系统的时候，最先考虑的问题就是使用哪种类型的太阳能电池。太阳能电池种类繁，最开始是单晶硅、多晶硅电池主导市场，现在非晶硅、铜铟镓硒等薄膜电池后来居上开始引领着光伏产业。本章针对太阳能电池的种类，以及发电原理；逐个分析不同类别的太阳能电池的特点、优缺点进行说明。便于读者在对分布式光伏发电系统进行设计时，可以灵活地选择。太阳能电池的工作原理：当太阳光辐射到PN结上时，半导体通过了光的辐射能，获取了能量。当束缚电子的能量被产生的能量超过时，PN结的电子因此转换成自由电子，并产生电子-空穴对。由于势垒电场的“推力”，将电子带入N型区，空穴带入Р型区，因此N区有多余电子，P区有多余空穴。N区带负电；由于上述原因，N区在PN结周围产生了一个与势垒电场方向相反的光生电场，它与势垒电场方向相反。光伏电场的作用主要分为两个部分：一部分用来抵消势垒电场的作用，另一部分使Р区带正电、并在P区之间产生光伏电动势。当PN结与导体连在一起形成一个回路时，电能就会流动。图2-2PN结的原理示意图这就是光伏电池的发电方式。单个电池的功率太小，无法承载常规负载或连接到电网。通常，它们需要串联和并联，才得以形成一个太阳能电池组件。这样，就能够得到具有输出功率的电能。此外，各种应用中的光伏模块必须由光伏阵列组成。在以后的系统设计中使用这种方式，完成光伏阵列设计。2.1.3光伏逆变器太阳能电池板输出直流电，电网侧是50Hz交流电，采用光伏逆变器作为电能转换装置，将光伏阵列输出的直流输出转换为交流电送入电网。光伏逆变器是整个光伏发电系统的核心，其控制系统直接影响整个系统的性能。一.光伏逆变器的分类(1）逆变器按输出交流电压的相位数分为单相逆变器和三相逆变器；(2）根据有无电气隔离，可将逆变器分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器；根据不同的工作频率，并网隔离逆变器分为工频隔离逆变器、高频隔离逆变器两种，工频隔离逆变器将太阳能电池所产生的直流电流通过DC/AC逆变电路转化为交流电，然后再通过工频变压器传递到电网；高频隔离逆变器将太阳能电池阵列输出的直流输出通过输入侧的DC/AC电路转换成为高频交流电，高频变压器对电压进行调节和隔离，得到AC/DC高频整流电路在适当电压水平下产生直流电流，最后，通过输出的DC/AC接口将直流转换成工频交流电流并连接到电网。非隔离式并网逆变器按其拓扑结构可分为单相和多相；(3）按控制方式可分为电流源电压型、电压源电压型、电流源电流型和电压源电流型。从输入的角度上看，我们可以把逆变器分为电压型和电流型，电压型逆变器采用电压供电输入，在直流侧并联一个大电容，让作为无功功率的电容得到缓冲，使逆变器具有低阻抗电压源特性。电流型逆变器是指为了使得逆变器具有高阻抗的电源特性，通常在直流侧串联一个大电感作为储能元件。目前大部分并网逆变器主要采用电压源输入方式，这是因为系统的动态响应比当前模式下要强。从输出的角度来看，光伏逆变器有两种类型：电压型逆变器和电流型逆变器。电压型控制采用输出电压作为受控量，系统给出的电压信号与市电电压频率、相位相同，此时，逆变器可视为内阻小的可控电压源；电流源逆变器的控制原理是将电感电流的输出电流作为控制量。此时，系统发出的电流信号频率和相位与电网电压的相同。整个系统可以看作是一个具有大内阻的受控电流源。根据这两种不同的控制方式，我们可以看出电流控制的输出量是电流，其电流质量受到市电电压的影响较小，此时，逆变器具有高阻抗的特点，可以减少电网扰动对输出电流的影响并使电流控制方法比电压控制方法更加稳定。二.光伏逆变器的功能光伏逆变器是将太阳能电池板连接到电网的重要设备，通常具有以下功能：(1）自动开关：能够根据实际光照情况，最大限度地提高光伏阵列输出功率，检测组件电压，从而实现自动启停。(2）最大功率跟踪(MPPT）控制：太阳能电池板地输出功率主要是根据室外温度和光照强度而发生变化，光伏逆变器的作用就是保持光伏阵列以最大功率进行输出。(3）谐波抑制：接通电网后，可以有效地抑制高谐波传输到电网，降低对电网的冲击。(4）防孤岛运行：孤岛效应是指，当系统电网发生意外断开后，而光伏逆变器仍然继续工作未检测到故障，此时，并网系统与负载就形成了一个自给自足的供电孤岛，分布式光伏系统依旧对失压的部分线路供电，对设备以及维修人员造成危险。为此光伏逆变器需要具备防孤岛效应的功能来保护设备以及维修人员免受伤害。(5）故障情况排除与停止运行：当系统发生故障时，能够及时的发现异常并控制住逆变器使其停止运行。2.2分布式光伏发电系统的优势随着各个国家不断发展，从1970年开始，一些发达国家和地区逐渐面临着能源危机和环境问题等，为摆脱困境，使以太阳能为代表的清洁能源得到高效利用，分布式光伏发电系统被发掘出来，基于科学、实用等一系列优点，该系统逐渐受到重视，成为光伏发电开发以及应用的研究重点。分布式光伏发电系统一般建在负载附件，直接向负载发电，方便快捷。分布式光伏发电系统的控制技术随着现代化的发展，它的发电方式科学、合理，具有随发随用的特点。地球上的地理环境非常复杂，不同地区的光照量和光照强度必然不同，因此各个地区的发电量也不会相同，由于分布式光伏发电系统建设在靠近负载的地方，那么我们可以根据不同地区太阳能资源情况进行合理设计系统结构，为了最大限度的提高发电效率。与传统的集中式太阳能光伏发电方式相比，分布式光伏发电优势明显：(1)分布式光伏发电系统的输电距离较短：由于分布式光伏发电系统建在靠近当地负载中心的地方，所产生的电力能够以接近零的传输距离直接传输到负载。因此无需建设其它辅助设施，有助于降低系统建设的成本，由于无需高压输电，系统的安全性也大大提高了;(2)分布式光伏发电系统的供需关系是密切相关的。分布式光伏发电系统一般是直接向本地负载供电的小型电源，因此可以根据实际情况进行专门设计每一个系统，为满足不同负载的需求，用户可以自行控制，工作效率更高，使分布式光伏发电系统相对独立。(3)分布式光伏发电系统对区域供电短缺的问题有效地缓解了。系统根据区域环境以及用户负载实际情况进行设计，采取独立运行的方式，能更好的满足用户需求，对于很多公共电网无法覆盖的偏远地区，可以科学合理的解决用电问题:(4)分布式光伏发电系统可以很好地满足可持续发展的要求。它与其他以太阳能为主要能源的发电方式一样，系统建设过程中不产生污染物质，对环境的危害为零，符合可持续发展的要求。分布式发光伏电系统具有许多传统集中式发电系统无法做到的优点：面对不同的地理位置，独特的环境因素，它们与负载和电源要求的设计紧密结合，使每一个分布式光伏发电系统都具有独特性。但由于地域差异和日照在时间上分布不均，分布式光伏发电系统不可避免的存在传统集中式发电系统供电稳定性不高，供电质量差的缺点。因此，一般在设计系统环节时，会增加一个储能设备，用来以弥补分布式光伏发电系统发电不稳定的缺陷，从而提高分布式光伏发电系统在运行中的可靠性，对其充分发挥特点，使系统更加地科学合理。第三章分布式光伏发电并网系统设计3.1光伏组件选型太阳能电池是太阳能光伏发电系统核心的器件，随着太阳能电池的商业化，其类型也变得越来越多样化，现阶段主要有以下几种：技术成熟的多晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池，具有良好弱光能力的碲化镉(半导体材料)电池、非晶硅太阳能电池以及低成本的铜铟硒电池。目前，单晶硅、多晶硅太阳电池广泛应用于大型并网光伏电站项目，这是因为单晶硅、多晶硅太阳电池与其他种类的电池相比，具有可靠的性能、光电转化效率高、制造工艺成熟、使用寿命长等独特的特点。与单晶硅、多晶硅相比，非晶硅薄膜太阳电池的优势在于其拥有良好的弱光发电能力和温度特性，能够在一定程度上减少因光照和温度等条件较差时对电网带来的影响，但是它的使用寿命相对较短且光电转换效率低，近年来，占据光伏产业主要市场的光伏组件主要包括单晶硅组件、多晶硅组件、非晶硅太阳能组件。在2007年前，单晶硅组件一直是市场主导产品，2007年之后，主流市场被单晶硅组件和多晶硅组件平分，各占市场的百分之四十多。(1)晶硅电池与薄膜电池的区别表3-1太阳能电池分类汇总表由上表可以看出，单晶硅、多晶硅太阳电池，因其可靠的性能稳定、较高的光电转化效率、成熟的制造技术和长时间的使用寿命等特点，被广泛应用于大型并网光伏电站项目。v因此，晶体硅太阳能电池组件是光伏电池的最佳选择。(2)单晶硅和多晶硅的区别首先，单晶硅和多晶硅在原子排列上存在差异，熔化为液态的单质硅冷却凝固后，根据晶粒中晶核长成的晶面取向，如果晶面取向相同，就会形成单晶硅，不同的晶面取向则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅在物理性能存在较明显差异，多晶硅在电学性能、力学性能等方面均不如单晶硅，但是可以通过多种加工制作工艺把多晶硅转化为单晶硅。无论太阳能电池板是单晶硅还是多晶硅，实际运行效果相差不大，虽然单晶硅在使用过程中更耐用，转换效率要高，但必须考虑其使用寿命、电性能、光电转换效率等重要指标，而且实施的项目和在建的工程执行相同的标准，所以可以选用单晶硅或者多晶硅组件。但考虑到成本因素，多晶硅组件的价格约是单晶硅组件的价格的90%左右。因此，推荐选用多晶硅电池片。图3-1多晶硅组件和单晶硅光伏组件(4)高效电池片组件和低效电池片组件区别在同类型的光伏组件生产过程中，高效电池片组件与低效电池片组件所消耗的人工成本和其它辅料成本是相同的；在生产同一类型的光伏组件中，由于硅片的价格是固定的，所以用同一种硅片制成的组件，无论是高效组件还是低效组件，硅的成本是一致的。因此，对高效组件进行使用不仅可以降低国家硅材料的消耗和能源浪费,还可以使组件厂家利益最大化，有利于整个组件市场的健康发展。规格相同的光伏组件在系统运行过程中，高效电池组件的单位面积输出功率高于低效电池组件；在系统发电过程中,相同规格的高效电池组件与低效电池组件在单位面积上所消耗的支架和其他辅材大致相同；因此,在确定的电站总容量时，高效组件的使用不仅能减少能源浪费和有害物质的排放，而且还节省电站建设的投资成本，提高整个光伏电站的成本效益。3.2光伏阵列设计3.2.1光伏组件的输出功率特性光伏电池是基于光伏效应的半导体材料制造而成的，光伏板上的半导体材料通过吸收电能，分离由光子调谐而成的电子空穴对，并产生电动势。由于光伏电池受光照强度及环境影响较大，因此电池的输出特性具有非线性特征，那么研究光伏电池的输出特性，可以得到光伏电池的最大输出功率，对光能的研究和综合利用具有重要意义。光伏电池的输出功率特性包括特性曲线（电流电压）和特性曲线（功率电压），是光伏发电系统电路设计的理论依据，也是系统优化的重要前提。通过一定条件下的特性曲线，我们可以分析出特定条件下负载与电池之间的相互作用，而在不同条件下的特性曲线则能够反映出环境条件对太阳能电池性能的影响。光伏电池实际上就是一个大面积的平面二极管，当恒定光照下时，光生电流Iph不会随着光伏电池的工作状态变化而变化，可以把光伏电池视为恒流源。因此，光伏电池对应的等效电路如图3-2所示：图3-2光伏电池的等效电路可得光伏电池的输出I-U特性为：I=Iph−Id{exp[qAKTU+IRS]−1}−式中：I—太阳能电池输出电流，A；Iph—光生电流，A；U—太阳能电池的输出电压，V;I—二极管饱和电流，A；Q—电子电荷量(q=1.6x10-19C)；Rs、Rsh—太阳能电池的串联、并联电阻，Ω；A—二极管特性因子；K—波尔兹曼常数(k=1.38x10−23J/K)；T—太阳能电池温度，°C。考虑到光照和温度的变化，通常会用MATLAB建模的简化光伏电池数学模型：I=Isc[1−C1(e−umC2C1=(1−ImIscC2=(UmUom−1)/ln(1-光伏电池的输出随着不同的环境条件而变化，从而产生新的特性参数，包括：开路电压：Uoc’=Uoc(1-c∆T)(1+Rs∆S)式（3-3）短路电流：Isc’=IscSSref(1+α∆T)式（3-3最大功率点对应电压：Um’=Um(1-c∆T)(1+Rs∆S)式（3-4）最大功率点对应m电流：Im’=ImSSref(1+α∆T)∆T=T−Tref∆S=S式中:C1，C2—修正系数;S—当前光照强度，W/m2;Sref—光照强度参考值，取S=1000W/m2T—光伏电池境温度,°C;Tref—光伏电池温度参考值，取Tref=25C;α—参考光照下的电流变化温度系数;c—参考光照下的电压变化温度系数;Isc—短路电流，A;Ugc—开路电压，V;Im—最大功率点电流，A;Um—最大功率点电压，V。根据电池的特性公式以及电池板的数据，建立的模型参数设置如下:Uoc=38.4V；Isc=8.79V；Um=30.4V；Im=6.56A；α=0.0012A/℃；c=-0.005V/℃Rs=0.1Ω。在MATLAB/SIMULINK中搭建的参考状态下（即S=1000W/m2；T=25℃）的单个光伏组件的模型如图3-3所示：图3-3单个组件的仿真图仿真结果如图3-4所示：图3-4I-U、P-U特性曲线电压轴与伏安曲线的交点为开路电压Uoc。，与电流轴的交点为短路电流Is当太阳能电池板的电压从О开始增加时，在恒定光照条件下，太阳能电池的输出电流变化不大，但输出功率不断增加。当电池电压上升到一定值时，输出电流便开始减小，当输出功率增加到最大值，就是最大功率点。在最大功率点后，随着电压的增加，输出电流和功率减小，直到输出电流为0为止。此时，输出电压达到其最大值，即开路电压。温度和光照作是影响光伏组件输出功率两个最为重要的环境因素。光伏电池的输出特性会随着这两个参数的变化而发生变化，基于上述仿真方案，我们对光照强度和温度及时进行相应的调整，以此分析光伏组件的输出特性。将光伏电池在MATLAB中进行封装，将Tref、Rref、Voc、Isc、Rs等参数设定为模块的内部参数，其余参数设为外部输入参数，如图3-5所示:图3-5光伏组件的仿真模块随着光照的变化，光生电动势以及光生电流也会随之发生变化，我们把这种特性称为光照特性。首先温度固定为25℃，改变光照强度，将光照调至为梯度变化，分别为200W/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2、1000W/m2，仿真的光伏阵列的输出电流电压、电压功率特性曲线如图3-6所示:图3-6不同光照情况下I-U、P-U特性曲线从I-U曲线能够看出，当温度达到一定时，随着光照强度的不断增加，太阳能电池板的开路电压基本在一定值附近变动，但是浮动不大，且短路电流和最大功率点会随着光照的增加而增加。由P-U曲线可以看出，在温度达到一定水平时，光照强度虽然同有所变化，但都对应着唯一的最大功率点，每条曲线的最大值大致都在同一垂直线的两侧，这意味着无论光照强度如何变化，最大功率点的输出电压基本保持不变，最大功率值用Pm表示，端电压值用Um表示。从图中还可以看出，光照强度的大小与一定范围内的短路电流呈线性关系，而与开路电压呈非线性关系（即负载电阻RL无穷大时）。当光伏电池的温度发生变化时，其伏安特性也会随之变化，这种特性称为光伏电池的温度特性，用来描述短路电流和开路电压随温度变化的情况。在SIMULINK搭建的太阳能电池的模块中，光照强度固定，取不同的温度值，图3-7中是给出了当太阳辐照度为1000W/m2，当温度分别达到15℃、20℃、25℃、30℃、35℃时光伏阵列的输出电压-电流特性和电压功率特性曲线。图3-7不同温度下的I-U、P-U输出特性曲线从I-U曲线可以看出，当光照强度一定时，开路电压随温度的上升而降低，而短路电流随温度的升高基本保持不变。从P-U曲线可以看出，在当光照强度达到一定时，开路电压和输出最大功率会随着温度的增加而降低，这时太阳能电池在能够在不同温度下对应着唯一的最大功率点。由上面的I-U曲线我们可以看出，太阳能电池的输出特性呈现出非常明显的非线性特征：当电压小于一定值的时侯，电流近似恒定；当输出电压接近开路电压的时侯，电流就迅速下降。此外，阵列的短路电流主要受到光照变化影响，而开路电压环境主要受温度的变化影响。由P-U曲线可知，光伏阵列的输出特性随着环境的条件而变化，其输出功率和最大功率点也随着改变，并且对于一定的太阳辐射强度和环境温度，太阳能电池的输出功率成为唯一的最大功率点。为了最大程度地利用光伏电池并产生组件最大功率，必须实施相应的控制算法来实现光伏电池最大功率的监测，这对于分太阳能电池的输出特性曲线具有重要意义。3.2.2光伏组件的串并联设计光伏组件的串并联设计N≤VdcmaxVocVmpptminV式中:Kv—光伏电池的开路电压温度系数;Kv'—光伏电池的工作电压温度系数;N—光伏组件的串联数;t—工作条件下光伏组件的极限低温，℃;t'—工作条件下的极限高温，℃;Vdcmax—逆变器的允许的最大输入直流电压，V;Vmpptmax—逆变器最大功率跟踪电压最大值，V;Vmppt—逆变器MPPT电压最小值，V;Voc—光伏组件的开路电压，V;Vpm—光伏组件的工作电压，V。根据所选的逆变器以及光伏组件的参数，上述参数分别为:Kv=-0.0033;Ky'=-0.0045;t=-40℃;t'=60℃;Vdcmax=1000V;Vmpptmax=550V;Vmpptmnin=195V;Voc=38.4V;Vpm=30.4V。3.2.3光伏组件的安装倾角由于系统功率小，光伏板数量少，操作比较简单，为了增加发电量，本文设计的分布式光伏发电项目采用可调倾角的支架，增设一个拉杆在固定支架上，使光伏板可以改变坡度角，本文选取了当地夏至和冬至两个节气的高度角，支架的可调角度通常采用这两个季节的日高度角所对应的余角。我们假设分布式光伏发电系统的地理位置约是以北纬36°，东经117°为例。参考相关资料，借鉴北半球某点冬至午时时分的太阳高度角:An=90°−(B1+Bo)式(3-7)夏至日午时时分的太阳高度角:An=90°−(B1−Bo)式(3-8)式中:Bo—回归线的纬度;B1—待测点的纬度。经计算，当地的夏至的太阳高度角为77.5°，冬至的太阳高度角为30.5°。当阳光直接照射到光伏组件上时，光能利用率最高，输出功率最高。根据上述计算，光伏阵列支架的两个可调角度：夏至为15°，冬至为60°。但综合考虑房屋地形等因素，夏至时将支架的倾角调整为夏至20°，冬至调整为50°。图3-8倾斜角和太阳高度角的关系光伏组件的倾斜角和太阳高度角的关系如图3-8所示。3.3MPPT的控制方法在光伏系统中，实时调整光伏系统输出电压或者电流工作点，使其始终运行在最大功率点，是提高系统发电的整体效率的重要途径。这个过程被称为最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)。MPPT控制方法(1)常用的几种MPPT控制方法原理与优缺点对比当区域的光照强度和环境温度上升到一定数值时，系统唯一电压值使其输出功率最大化，光伏电池应尽可能在最大功率点或最大功率点附近运行，以此保证系统的输出功率能够被能源最大限度地利用。但一般在实际使用中，由于外部环境条件的连续发生变化以及具有间歇性的特点，MPPT实际上是一个自动寻找最佳运行点（最大功率点）的过程，MPPT技术是光伏发电系统中最基本、最关键的技术之一。

MPPT算法包括：电压电流双闭环控制法；基于瞬时无功功率理论的检测与校正算法；采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）实现对电网谐波进行补偿。

最大功率跟踪主要有三种方法：恒压监测、电导率增量和扰动观测。

其工作原理与优缺点比较如表3-2所示。表3-2几种常见的MPPT控制方法原理与优缺点对比(2）指数变步长扰动观察法扰动观察法在实际的工程之中得到广泛应用，本文采用变步长法，实现最大功率跟踪，一开始呢，我们选择较大的扰动步长，随着步长对最大功率点逐渐接近时，直流侧电压变化的波动也会较大，这时，如果要确保输出功率稳定在一个定值，可以将扰动步长值大幅度缩小，以此减小直流侧的波动。在定步长扰动观察法中，，通常将电压增量△U作为常数，即Uref=Uref+AU，在定步长扰动观察法的基础上，引入步长变化因子a，a主要被最大功率点距离影响，从而形成反比例关系α取值在（0,1）之间，这样步长△U就不再是一个常数值。当离MPP越远时α的取值越大，AUk=α∆U，反之则α的取值越小。α取值在（0,1）之间，这样步长△U就成为了一个变量，用此变量能够保证最大功率跟踪的跟踪精度和跟踪速度。MPPT变步长示意图如图3-9所示，当距离MPPT比较远的时侯，我们取步长较大的值，这样相对应△P的增量此时也会比较大；具体控制流程采用指数变步长扰动观察法，如图3-10所示，通过电压、电流工作点U、I，以及前一个工作点确定计算出的△P、∆U，计算出时间变化因子α的值，当步长接近MPPT时，我们通过引入步长变化因子α，将步长切变化面积变小，且△P的增量较小。以此得到下一步工作点的步长；在比较中确定下一个工作点的给定电压参考的扰动方向，以此得出下一工作点的电压值。图3-9MPPT步长变化示意图图3-10变步长MPPT控制流程图3.3.1光伏电池MPPT仿真分析在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如图3-11所示：图3-11MPPT仿真模型图仿真结果如图3-12所示﹐在仿真过程中，调节设定的光照强度和环境温度，如图3-12所示(a）和（b）所示，图（c）和（d），光伏系统输出有功功率和电压波形，仿真波形表明，在光照发生变化时，所用的MPPT控制方法均有较好的跟踪速度，且电压脉动较小。（a.）光照强度（b.）环境温度（c.）光伏系统输出功率（d.）光伏系统输出电压图3-12MPPT仿真波形图3.4逆变器选型逆变器作为光伏系统中最重要的组成部分之一，我们常见的光伏发电系统逆变器的形式分别有：集中式逆变器、集成式逆变器、组串式逆变器、带逆变器组件（微逆变器）四种。由于本文主要介绍的是分布式光伏发电系统，因此采用于组串式逆变器。组串式逆变器是指让光伏组件用串联的方式，组成光伏阵列，将电能输送至光伏电站的拓扑结构，如图3-13所示。a.组串式逆变方案b.组串式逆变器外观图图3-13组串式逆变器逆变器采用模块化方式。通常4-6个太阳能电池模块串联在逆变器上。每个模块串联具有MPPT监控功能。交流侧并网后开始并网。单台组串式逆变器的输入功率一般较小，如果太阳能电池组件方阵之间有遮挡现象，则每个方阵的输出功率和特性不同，所连接的组串式逆变器也是不同的，如此即可各自实现最大输出功率追踪的功能，以此提高整个电站的发电效率。此外，单个组串式逆变器的输入功率不断减小，对于整个光伏电站来说就越分散，监控其最大输出功率的作用就越明显。即便某个逆变器出现故障时，它也不会干扰到其它组串工作。以33KW组串逆变器为例，主要技术参数见下表3-3表3-333KW组串逆变器技术参数第四章分布式光伏发电系统硬件设计4.1交直流断路器为保证系统正常运行，减少因过电流及故障造成电路的损坏，保障人身安全，逆变器直流侧和交流侧的均安装断路器，我们选择的微型断路器是DZ47-60型号，主要用于交流50Hz/60Hz，额定电压为400V和额定电流为60A，主要作用于过载和短路保护，同时确保在正常情况下以较少地频率通断电器。逆变器的直流侧和交流侧采用同一类型的断路器，本文设计的分布式光伏发电系统最大输出功率是3kW，最大电流能够达到15A，断路器为2PD40，通断电流为40A，交流侧的断路器为2PD32。4.2双向计量表图4-1双向计量表内部示意图本文主要针对“自发自用，余电上网”的并网方式进行研究，如图4-1所示，一个家庭所消耗的电力由屋顶光伏发电系统和电网提供使用。当雨天或者夜间时，光伏发电系统无发电小时数，或者白天发电量无法满足家庭的日常用电需求时，电网会向居民提供电力，此时由居民向电网购电；当天气晴朗时，光伏发电系统的发出的电量除了为家庭的电器设备供电外，其余的电力卖给电网，在那里，光伏发电系统是一个小型电站。因此本文在设计时，采用了两块电能表，分别是：智能电能表和双向计量表，一个用来计量发电量，图4-2智能电能表与双向计量表另一个用以计量系统的上网电量和购电量。4.3交流防雷配电柜为避免雷击，我们通常在的交流配电柜中安装一个与逆变器连接的避雷装置，以此保证系统的安全运行；光伏发电系统中逆变器的交流输出，在电网的传输线路装上设交流开关，为了方便系统的运行方式进行切换；从配电柜的用户观测界面中，可以随时读取电网一侧的电流、电压波动情况。4.4社会效益分析建设分布式光伏发电系统符合国家产业政策，它不仅可以有效利用太阳能，还可以减少环境污染，有效改善生态环境，促进经济发展与环境保护的协调发展，确保经济的可持续增长。在现行国家政策，可再生能源和常规能源必须相互协调、互补，并保持一定的增长份额，水电、风电、光电等各种可再生能源正在迅速发展，大力发展光伏发电将有效改善能源结构。第五章结论与展望5.1结论随着环境污染问题日益严重、能源形势日益严峻，开发利用绿色可再生能源是实现可持续发展最为有效的途径，其中，丰富的太阳能资源无疑是理想的绿色环保能源。而分布式光伏电站以其独特的优势，不仅能缓解我国东部地区因快速增长的电力需求，而且还能解决偏远地区供电集中困难的难题，因此，无论从哪个角度来看，推广分布式光伏电站都是势在必行。该系统具有可靠性高、能源利用率高、安装位置灵活、污染小等优点，是在政府大力的支持下发展起来的。本论文围绕着分布式光伏发电系统为中心，主要工作如下：（１）理解分布式光伏发电系统的工作原理，对分布式光伏发电系统结构进行分析；（２）通过对MATLAB仿真输出特性曲线的分析，可以根据所选择的光伏组件获得MPPT。

针对所选逆变器的主电路，进行了参数选择和仿真验证；（３）收集试验运行的数据，以理论依据为基础，对分布式光伏发电项目的施工与建设具有参考意义。5.2展望随着“十四五”规划的推进，推进能源革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力已经成为当下的主旋律。在政策的引导下，加快非化石能源，推进集中式和分布式并举，加速发展光伏发电以成为主流趋势。分布式光伏发电已应用在家庭配电、道路照明、景观照明、交通监控、大型广告牌、发电厂等领域，市场规模逐渐扩展，市场前景广阔。分布式光伏发电系统作为光伏行业标杆在未来的具有宽广发展方向将会成为新能源发展中最重要的发展应用形式。由于我国目前的生产力分布模式和分布式能源自身的特点，分布式光伏发电系统在短期内是不能代替传统的发电方式，但可以有效地补充集中能源供应系统，使其变得安全、可靠、清洁的关键环节，方便高效的智能生活已经成为光伏利用的重要形式。参考文献[1]江华.国内外光伏产业发展现状与趋势[J]．太阳能，2016

(12)

:

15-17.[2]国家能源局.国家能源局关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知[2014]406号[3]辛培裕.太阳能发电技术的综合评价及应用前景研究[D].华北电力大学，2015.[4]刘迎．国内外分布式光伏发电的发展现状分析[J]．现代国企研究，2015

(16)

.[5]苏赞加．浅谈国内外分布式光伏发电的发展现状[J]．科技致富向导，2014(20）:

150-150.[6]王斯成.分布式光伏发电政策现状及发展趋势.太阳能,2013，(08).

[7]韩学栋,王海华,李剑锋.小型分布式光伏发电系统设计.电力建设.2014,36(1):104-108.[8]孙康杰，王经.分布式光伏发电与能源可持续利用[J.电力与能源，2014,35(2):

208-210.

[9]蒋庆华，贺广零，兰云鹏.光伏电站设计技术.中国电力出版社.2014,(3).[10]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社,2009.[11]M.R.Islam，A.M.Mahfuz-Ur-Rahman，M.M.Islam,etal.ModularMedium-VoltageGrid-ConnectedConverterwithImprovedSwitchingTechniquesforSolarPhotovoltaicsystems[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2017,64(11):8887-8896.[12]雒