单相光伏并网发电系统控制方法的研究

发布时间：2016-03-15 08:26

1  绪论 

1.1  课题研究的背景及意义 
自第一次工业革命以来世界的经济得到了快速发展，而经济的增长离不开能源的推动，然而，煤炭、石油以及天然气这些都是不可再生的，总有一天它们会枯竭。在 21世纪就有人预测全球化石能源的可开采时间为 328 年，这些数据告诉我们，非可再生能源的储量已经是寥寥无几了[1]。 化石燃料的燃烧会释放很多的二氧化碳、二氧化硫，这会造成严重的环境问题，如最近几年频繁发生的厄尔尼诺现象，酸雨的形成，沙漠化日益扩大以及近年来雾霾的日趋严重，严重危害了地球生态系统的平衡，使人类自己和其它生物都陷入了巨大的环境污染问题中。尤其是在最近的几十年里，伴随着全世界工业化的飞速发展，生态环境遭到了前所未有的破坏[2]。 传统能源的枯竭及其在使用中给生态系统带来的环境污染成为了全球所面临的重大难题，为了解决这些难题，全球都在寻找一种新的绿色可再生能源来补充或替代化石能源。目前常用的可再生能源有水力、太阳能、风力、潮汐能、生物质能等。太阳能发电与传统能源、地热以及风力发电相比，太阳能发电具有许多独特的好处[3]，大体可以概括为： （1）太阳能资源的无限性：太阳能辐射取之不尽、用之不竭； （2）发电原理比较先进：直接实现从光能到电能的转换，没有中间过程； （3）清洁环保：发电过程中不对环境造成污染； （4）维护管理：发电过程可以实现无人看守，易维护； （5）没有机械旋转部件：不存在机械磨损，无噪声； （6）建造和拆卸特性：系统使用模块化结构，便于安装、拆卸和扩大容量； （7）使用性能和时间问题：性能比较稳定，使用周期可以达到数十年。
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1.2  国内外光伏发电的发展现状 
1839 年，法国科学家贝克勒尔首次发现 “光伏效应”，使得光伏发电技术的发展有了坚实的理论依据，成为太阳能利用历史上的一大里程碑；1954 年，贝尔实验室首次制成单晶硅光伏电池，其转换效率为 6%。光伏发电技术在 20 世纪 70 年代的全球石油危机和 90 年代的环境污染问题的影响下有很大程度的发展。 为了尽快改变能源结构，促进光伏市场的发展，近年来，各国均出台一系列鼓励的政策，使得光伏产业发展飞速。全世界在 1994 年累计光伏安装量为 502MW，1999 年为 1150MW，2008 年飞速的增加到了 16GW，2009 年则达到了 23GW，在 2010 年几乎达到了 40GW，每年可产生 50TWh 电能，2000-2010 年全球光伏市场安装总量如表 1.1所示[5]。 上世纪 80 年代，美国首个完成了抛物面槽光伏发电站的建设，世界各国也相继筹建太阳能发电厂，如：德国、俄罗斯、瑞士等；1990 年，德国首个推出了中小功率的并网计划——“一千屋顶计划”，而在 1998 年推出的“10 万屋顶计划”使其光伏产业有了更为广阔的发展；1992 年，日本光伏发电系统和电力公司实行联网政策，94 年和 97 年又分别实施“朝日七年计划”和“七万屋顶计划”，截止到 2000 年，拥有个人太阳能发电设备的用户达到了 7 万户左右；1998 年，意大利实行“全国太阳能屋顶计划”，总容量 50MW；次年，菲律宾也开始实施太阳能计划[6]。截至到 2011 年，世界光伏市场累计安装总量已经达到 45GW，其中欧洲占到 76%的份额，仅德国就占 44%的份额。 西方发达国家对光伏发电技术上的研究起步较早，对并网逆变器市场研究也较为成熟，2012 年度按市场份额排名前五位为德国的 SMA、奥地利的 Fronius、德国的 Kaco、美国的 Power One、瑞士的 Sputnik。 
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2  双级式并网逆变系统主电路研究

2.1  系统主电路拓扑结构的研究  
光伏并网单相非隔离型的双级式逆变系统，综合了没有隔离变压器带来的能量损耗以及双级式并网系统的前后级控制方法相互独立实现、降低了系统控制过程的复杂度这两大优势，本课题以双级式逆变系统为研究对象，并对其控制算法进行研究。图 2.1 为典型的光伏并网双级式单相非隔离型逆变系统的拓扑结构，由光伏电池、直流转换电路、全桥型逆变电路以及滤波环节构成。其中，直流转换电路采用具有升压作用的 boost 电路，滤波环节采用 L 型滤波器。 在对光伏电池的研究过程中使用的是锦州新世纪石英玻璃有限公司生产的JNC300M6-72 型号光伏组件，光伏电池是用 12 块这种型号的光伏组件所组成的，其连接方式为六串两并。在标准的状态下（即温度 T 是 25℃，光照强度 S 是 1kw/s2），单个光伏组件的参数如表 2.1 所示。对于光伏电池的建模、输入输出特性的讨论以及 MPPT算法的研究在第三章进行详细的阐述，本章集中对其中直流升压电路、全桥逆变电路与滤波环节的部分进行分析与参数设计。 光伏电池内部的直流电，流经 boost 电路将其升压后，转变成较高等级的直流电压供给逆变电路，逆变电路把它转换为交流电，在经过滤波环节去除交流电中的高频谐波，进而产生符合并网要求的高品质正弦波。 
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2.2  Boost 电路分析 
由上节可知，boost 电路可将由光伏阵列产生的较低电压等级直流电转化为高电压等级的直流电，实现系统 MPPT 的控制。本节就对 boost 电路的工作原理，以及为何能实现光伏并网发电系统的 MPPT 控制进行简单的理论分析。 并网逆变器是光伏并网逆变系统的核心部分，并网逆变器的拓扑结构种类较多，所以，可以根据实际的需求及研究目的，选择合适的并网逆变电路主电路拓扑结构，可以提高整个并网系统的效率和性能。本小节将对并网逆变器的各种拓扑结构进行分析，进而选择本文采用的逆变器类型以及输出控制方式。 逆变电路可按照直流电源性质的差异划分成两种：以电压源作为直流侧的叫做电压型逆变电路，以电流源作为直流侧的叫做电流型逆变电路。电压型光伏并网逆变电路的直流侧需接一大电容，用以稳定直流侧电压。电流型光伏并网逆变电路直流侧需接一大电感，用以稳定直流侧电流。由于电流型逆变电路需要大电感，故该类型的电路体积较大、成本较高，并且由于大电感的存在会使系统的动态性能变差，因此，在实际中应用较少。 如图 2.4 所示，单相逆变电路主要包括三种类型：半桥逆变、全桥逆变以及带中心抽头变压器的逆变电路。 半桥逆变电路的结构比较简单，电路中所需的元件相对较少。其缺点是交流侧输出电压的幅值仅为直流侧输入电压幅值的一半，并且还要控制两个电容器的电压保持均衡。 
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3  光伏电池输出特性及 MPPT 算法的研究..... 20 
3.1  光伏电池的工作原理及建模 ........ 20 
3.2  光伏电池输出特性分析 .... 21 
3.3  最大功率点跟踪原理 ........ 23 
3.4  几种常用的最大功率点跟踪算法 ...... 23 
3.4.1  固定电压法....... 23 
3.4.2  扰动观察法....... 24 
3.4.3  电导增量法....... 25 
3.5  变步长扰动观察法的研究 ...... 26 
3.6  本章小结.... 31 
4  单相光伏并网逆变器控制方法的研究 ......... 32 
4.1  光伏并网逆变器的控制目标 ........ 32
4.2  逆变系统控制方案的设计 ...... 33 
4.3  单相光伏并网逆变电路的数学模型 ........ 34 
4.4  并网逆变器常用的控制方法 ........ 36 
4.5  并网电流控制器的研究 .... 37 
4.5.1 PR 控制器的分析 .... 38 
4.5.2  基于 PR 控制器的电流环控制 ...... 40 
4.6  本章小结.... 40 
5  系统仿真分析....... 42 
5.1  变步长扰动观察法的仿真分析 .... 42 
5.2  并网控制方法的仿真分析 ...... 45 
5.3  光伏并网发电系统的仿真分析 .... 46 

5  系统仿真分析 

根据第三四章对控制方法的研究，本章首先对前级直流升压电路、后级逆变电路建模，分别验证 MPPT 控制以及并网控制算法的控制效果。然后对将 MPPT 控制和并网控制算法同时应用于整个光伏并网系统，通过对并网电流、直流母线电压的仿真波形分析，验证系统的整体控制效果。 

5.1  变步长扰动观察法的仿真分析

标准状态下 MPPT 算法的仿真波形图如图 5.2 所示，其中，图（a）为两种跟踪算法的功率波形、图（b）为两种跟踪算法的电压波形、图（c）为稳定时刻的功率振荡波形。由图 5.2 可以看出，两种控制方法均能跟踪到系统的最大功率 3600W 处，并且在达到 MPP 后一直非常稳定工作的此工作点附近。变步长扰动观察法在 0.03 秒左右就能跟踪到 MPP，而传统的扰动观察法在 0.09 秒左右才能跟踪到 MPP。由于变步长扰动观察法与传统的扰动观察法在 MPP 附近的扰动步长相同，均为 0.0001，因此在 MPP 处的振荡相同，从图 7（c）可以看出功率振荡较小，最大和最小功率差小于 1W，跟踪效果较好。 仿真结果表明，传统的扰动观察法和变步长扰动观察法都能够跟踪到 MPP 处，且在 MPP 处功率振荡较小，跟踪效果较好，但是显然变步长扰动观察法能够更加快速的跟踪的 MPP。 

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结论 

随着传统能源的枯竭及其带来的环境问题和生态问题的日益严重，可再生的清洁能源受到全世界的关注，其中，太阳能以其能量的无限性、清洁等特点成为研究的热点。论文以非隔离型单相两级式光伏并网发电系统为研究对象，，对系统的主电路、参数的设计、控制策略等进行了研究，其中涉及到的控制有前级 MPPT 控制、后级并网控制以及直流母线电压的稳定。论文主要工作与总结如下： 
（1）概述了光伏发电系统的研究背景、意义以及不同分类方式下的光伏发电系统的拓扑结构，分析了各种拓扑结构下系统的组成、要实现的控制以及各种结构的优缺点，并介绍了 MPPT 控制和并网控制常用的控制方法及其优缺点。 
（2）对双级式并网逆变系统主电路进行了研究。介绍了系统主电路的拓扑结构，通过对 boost 电路、逆变电路的工作原理进行分析，给出了如何在 boost 电路实现 MPPT控制以及选择双极性调制方式下的全桥逆变电路的依据。最后并对系统主电路的主要参数进行了设计。 
（3）对 MPPT 跟踪算法进行了研究。对光伏电池的仿真曲线进行了分析，研究了光伏电池的强烈的非线性特征以及温度和光照强度对输出特性的影响。然后介绍了几种常用的 MPPT 算法，分析了其控制过程及优缺点。最后针对传统扰动观察法存在的优缺点，采用了一种变步长的扰动观察法，在 MPP 附近采用较小的扰动步长，在离 MPP 较远处采用较大的扰动步长，这样兼顾了跟踪速度和精度。 
（4）对光伏并网控制策略进行了研究。明确了逆变系统的控制目标以及控制方案，采用双环控制方案，电压环用来稳定直流母线电压，电流环实现并网电流控制，并介绍了几种常用的逆变器控制策略。最后，对电流环的控制器进行了设计，采用三角波控制方式，其中内环控制器使用 PR 控制器。
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参考文献(略)  

本文编号：34801