三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究

分類號T M 6 1 5 U D C6 2 1 3 工程碩士學位論文 三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 馬獻花 工程領域 控劍王猩 指導教師 龔仨壹塾拯 論文答辯日期2 Q 至生2 旦窆旦學位授予日期 答辯委員會主席陵延明塾援 廣西大學學位論文原創(chuàng)性和使用授權聲朗 算 I 喱 7 I 1 本人聲明所呈交的論文 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得 的研究成果 除已特別加以標注和致謝的地方外 論文不包含任何其他個 人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果 也不包含本人或他人為獲得廣西大 學或其它單位的學位而使用過的材料 與我一同工作的同事對本論文的研 究工作所做的貢獻均已在論文中作了明確說明 本人在導師指導下所完成的學位論文及相關的職務作品 知識產(chǎn)權歸 屬廣西大學 本人授權廣西大學擁有學位論文的部分使用權 即 學校有 權保存并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和電子版 允許論 文被查閱和借閱 可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行 檢索和傳播 可以采用影印 縮印或其它復制手段保存 匯編學位論文 本學位論文屬于 口保密 在年解密后適用授權 囹不保密 請在以上相應方框內(nèi)打 論文作者簽名 虧島災元 指導教師簽名 芻鱖 作者聯(lián)系電話 1 5 1 7 7 8 0 6 5 9 9 日期 如 2 牟7q 沙日 日期 2 夕 2 車7au 日 電子郵箱 m x h s o o n 1 6 3 c o m 三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 摘要 人類不斷進步的動力來自于能源的供給 隨著常規(guī)能源的日益枯竭 新能源己成為世界各國市場相互競爭的焦點 太陽能作為最理想的清潔新 能源 具有最廣闊的發(fā)展前景 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電作為太陽能利用的重 要發(fā)展趨勢 其中并網(wǎng)逆變器是其關鍵組成部分 它決定著太陽能利用多 方面的性能 雖然人們己對光伏并網(wǎng)逆變器進行了大量研究 但迄今為止 仍有許多問題未能得到很好地解決 尤其是大容量三相并網(wǎng)逆變器的控制 策略 控制效率 實用化方面仍有待進一步研究 本文對三相光伏并網(wǎng)逆變器進行了深入的研究 研制了實驗樣機 論文詳細描述了系統(tǒng)主電路 控制電路等硬件的組成 采用的控制策略 控制程序流程圖 建模仿真及實驗結果等 主電路結構采用電壓型三相全 橋拓撲 控制電路采用了以D S P 為控制核心的控制方案 控制策略采用 了雙閉環(huán)P I 控制和S P W M 調(diào)制技術 首先 使用M A T L A B 仿真工具對 系統(tǒng)建立物理模型 主要含有主電路模塊 檢測模塊和控制模塊 仿真結 果驗證了系統(tǒng)數(shù)學模型和控制策略的正確性 確定系統(tǒng)電力參數(shù) 然后 對三相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件電路進行設計 包括主電路 驅動電路 檢 測電路 鎖相電路和保護電路等 確定電路構建及其參數(shù)整定 其次 對 三相光伏并網(wǎng)逆變器進行D S P 控制程序設計 主要包括主系統(tǒng) A D 轉換 S P W M 信號生成 鎖相控制 P I 調(diào)節(jié)及保護控制程序等 由A D 轉換主 要得到直流側母線電壓 三相并網(wǎng)電流和三相電網(wǎng)電壓 通過雙閉環(huán)P I 反饋調(diào)節(jié)得到基準正弦信號 基準正弦信號的參數(shù)再送給S P W M 生成子 程序 控制生成一定邏輯順序的開關S P W M 信號 控制開關的通斷 實 現(xiàn)S P W M 輸出 最后對系統(tǒng)樣機進行實驗測試 測試結果表明輸出并網(wǎng) 電流能同步跟蹤電網(wǎng)電壓 諧波含量小 滿足并網(wǎng)要求 關鍵詞 光伏并網(wǎng)逆變器電壓型三相全橋拓撲雙閉環(huán)P I 控制S P W M 調(diào)制軟件鎖相 R ES E A R C HO NT H R E E P H A S EP H O T O V O L T A I C G I U D C o N N E C T E D V E R T E R A B S T R A C T T h ep r o g r e s so fh u m a nc o m e sf r o mt h es u p p l yo fe n e r g y A l o n gw i t ht h e c o n v e n t i o n a le n e r g ye x h a u s t i n g n e we n e r g yh a sb e c o m et h ec o m p e t i t i o nf o c u s i nt h ew o r l d T h es o l a re n e r g y a st h ei d e a la n dc l e a ne n e r g y h a st h eb r o a d p r o s p e c t so fd e v e l o p m e n t S o l a rp h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e dp o w e rg e n e r a t i o n h a sb e e na ni m p o r t a n td e v e l o p m e n tt r e n di ns o l a re n e r g yu t i l i z a t i o n i nw h i c h t h e p h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r a sak e yp a r t d e t e r m i n e st h e p e r f o r m a n c e s P h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r sh a v eb e e ns t u d i e dag r e a t d e a l b u tu pt on o w m a n yp r o b l e m sh a v en o tb e e ns o l v e d e s p e c i a l l ys u c ha st h e c o n t r o l s t r a t e g y e f f i c i e n c y a n dp r a c t i c a l i t yo f b i g c a p a c i t yt h r e e p h a s e p h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r s w h i c hr e m a i nt ob ei n v e s t i g a t e df u r t h e r A d e e pr e s e a r c ho ft h et h r e e p h a s ep h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ra n d d e v e l o p m e n to fi t sp r o t o t y p ea r ep e r f o r m e d I nt h i st h e s i s ad e t a i ld e s c r i p t i o no f i t sh a r d w a r ea r c h i t e c t u r es u c ha si t sm a i nc i r c u i t c o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r ol s t r a t e g yu t i l i z e d t h ef l o wc h a r to ft h ec o n t r o lp r o g r a m m o d e l i n g s i m u l a t i o n e x p e r i m e n ta n dt h er e s u l t so b t a i n e di sm a d e I nt h es y s t e m t h em a i nc i r c u i ti s v o l t a g e t y p et h r e e p h a s ef u l lb r i d g et o p o l o g y D S Pi st h ec o r eo ft h ec o n t r o l s y s t e m a n dt h eS P W Mm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yw i t hd o u b l ec l o s e d l o o pP I I I I c o n t r o li sa d o p t e di nt h ec o n t r o ls t r a t e g y F i r s to fa l l M A T L A Bi su s e dt oe s t a b l i s ht h ep h y s i c a lm o d e lo ft h es y s t e m i nw h i c ht h em a i nc i r c u i tm o d u l e d e t e c t i o nm o d u l ea n dac o n t r o lm o d u l ea r e m a i n l yi n c l u d e d a n dt h es i m u l a t i o ni s m a d e T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e s y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o ls t r a t e g y a r ec o r r e c t a n dt h es y s t e m p o w e rp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db ys i m u l a t i o n T h e n t h ed e s i g no f t h eh a r d w a r e c i r c u i to ft h et h r e e p h a s ep h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ri sm a d e i nw h i c h t h ed r i v i n gc i r c u i t d e t e c t i n gc i r c u i t p h a s e l o c k e dc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i t e t c a r ei n c l u d e d a n dt h e i rc i r c u i tt o p o l o g ys t r u c t u r ea n dp a r a m e t e rs e t t i n ga r e d e t e r m i n e d A n dt h e n t h ed e s i g no ft h es o f t w a r es y s t e mo ft h et h r e e p h a s e p h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ri sm a d ea n dt h ee x e c u t i o no ft h ec o n t r o l s t r a t e g yp r o g r a mi sp e r f o r m e db yD S P i nw h i c ht h em a i ns u b r o u t i n e A D c o n v e r s i o n S P W Ms i g n a lg e n e r a t i o n p h a s e l o c k e dc o n t r o l P Ic o n t r o la n d p r o t e c t i o nc o n t r o ls u b p r o g r a ma n de t c a r ei n c l u d e d T h eb u sv o l t a g ei nD Cs i d e t h r e e p h a s eg r i d c o n n e c t e dc u r r e n ta n dv o l t a g e a r eo b t a i n e db yA Dc o n v e r s i o n a n dt h er e f e r e n c es i n u s o i d a ls i g n a li s g o tb y d o u b l ec l o s e d l o o pP If e e d b a c kc o n t r 0 1 T h es i g n a li ss e n tt ot h ep r o g r a mo f S P W Mg e n e r a t i o nt om a k eS P W M s i g n a li nt h eg i v e nl o g i c a lo r d e r F i n a l l y ap r a c t i c a le x p e r i m e n to f t h ep r o t o t y p ei sm a d e a n dt h er e s u l t ss h o w t h a tt h eg r i d c o n n e c t e dc u r r e n tc a nf o l l o wt h ev o l t a g es y n c h r o n i s t i c a l l y a n di t s h a r m o n i c si sv e r ys m a l l t h u ss a t i s l y i n gt h er e q u i r e m e n to f t h eg r i d c o n n e c t i o n K E YW O R D S p h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r v o l t a g e t y p et h r e e p h a s e f u l l b r i d g ec i r c u i t d o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o l S P W Mm o d u l a t i o n s o l r a r e p h a s e l o c k e d V 目錄 摘要 I A B S T R A C T I I I 第一章緒論 l 1 1 太陽能的應用背景 l 1 2 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的崛起 3 1 3 太陽能光伏發(fā)電的應用現(xiàn)狀及研究意義 5 1 3 1 國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 6 1 3 2 光伏發(fā)電的運行模式及光伏并網(wǎng)的研究意義 8 1 4 光伏并網(wǎng)逆變器的電路拓撲 1 0 1 5 光伏并網(wǎng)逆變器的幾種控制策略 1 3 1 6 本論文主要研究的內(nèi)容 1 6 第二章三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)及其控制策略 1 7 2 1 光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的組成 1 7 2 1 1 系統(tǒng)的電路模型 1 8 2 1 2 系統(tǒng)的數(shù)學模型 1 9 2 2 系統(tǒng)的S P W M 控制策略 2 9 2 2 1 光伏并網(wǎng)逆變器S P W M 調(diào)制技術 3 0 2 2 2 光伏并網(wǎng)逆變器鎖相控制技術 3 2 2 3 系統(tǒng)的M A T L A B 仿真 3 2 2 4 本章小結 3 7 第三章系統(tǒng)的硬件電路設計 3 8 3 1 系統(tǒng)D S P 控制系統(tǒng) 3 8 3 2 系統(tǒng)主電路電力參數(shù)的選取 3 9 3 2 1 電壓型三相全橋逆變主電路 3 9 3 2 2 開關管保護電路的設計 4 2 3 3 開關管的驅動電路設計 4 5 3 4 信號檢測電路的設計 4 6 3 4 1 直流電壓采樣和調(diào)理電路設計 4 7 3 4 2 交流側電網(wǎng)電壓采樣和調(diào)理電路設計 4 7 3 4 3 交流側電流采樣和調(diào)理電路設計 4 8 3 5 軟件鎖相設計 4 8 3 5 1 過零檢測電路和調(diào)理電路 4 8 3 6 系統(tǒng)保護電路設計 5 0 3 7 本章小結 5 0 第四章系統(tǒng)的軟件設計 5 l 4 1D S P 開發(fā)環(huán)境C C S 3 3 j 5l 4 2 系統(tǒng)的軟件編程流程 5 2 4 2 1D S P 系統(tǒng)主函數(shù) 5 2 4 2 2 模數(shù)轉換A D C 模塊 5 2 4 2 3 開關驅動信號S P W M 模塊 5 3 4 2 4 鎖相環(huán)模塊 5 4 4 2 5 數(shù)字P I 調(diào)節(jié)模塊 5 5 4 2 6 保護模塊 5 6 4 3 本章小結 5 7 第五章系統(tǒng)實驗結果與分析 5 8 5 1 互補的S P W M 驅動信號輸出 5 8 5 2 鎖相環(huán)處理相位和頻率 5 9 5 3 主功率電路逆變輸出三相電流波形 6 0 5 4 本章小結 6 l 第六章工作總結與展望 6 2 6 1 工作總結 6 2 6 2 工作的進一步展望 6 2 參考文獻 6 4 致j 射 6 8 攻讀學位期間發(fā)表論文情況 6 9 廣西大掌碩士掌位論文三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 1 1 太陽能的應用背景 第一章緒論 在常規(guī)能源I f l 人類主要利用的是不可再生的一 次能源 如石油 煤炭 天然氣等 這些常規(guī)的化石能源經(jīng)過人類數(shù)以千年地利用和損耗 已日益枯竭 據(jù)世界能源調(diào)查報 告顯示 常規(guī)能源的儲存已瀕臨危機如圖l l 所示 隨著全球出現(xiàn)電荒 煤荒 油價上 漲的危機 世界各國政府不得不高度重視新能源的研究開發(fā) 將開發(fā)可再生能源提升為 國家能源發(fā)展戰(zhàn)略 太陽能作為最理想的清潔能源 其發(fā)展前景非常廣劇1 1 2 6 u 年 2 2 0 0 年 2 1 5 0 年 2 l u u 年 2 0 5 0 年 譽口世界 中國 II 世界 中國 鮑2 3 0 年 世年1 酗百事 I 諧I 盞眸啊 廣西大掌碩士掌位論文三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 的比例將大于5 0 從可持續(xù)發(fā)展的角度來看 隨著國際社會主流技術的進步及其它能 源利用形式的逐漸飽和 太陽能將成為世界能源結構中最重要的能源 有著廣闊的發(fā)展 前景 4 5 對于太陽能光伏發(fā)電的未來發(fā)展 歐洲聯(lián)合研究中心 J R C 預測到2 0 2 0 年世界太陽 能光伏發(fā)電總量將占總能源需求的1 到2 0 5 0 年占到2 0 而到2 1 0 0 年將超過5 0 6 1 如圖1 2 所示 電 圖1 2 世界能源發(fā)展預測 F i g 1 2F o r e c a s to f t h eg l o b a le n e r g yd e v e l o p m e n t 相比于傳統(tǒng)能源如化石能源 核能 風能 生物質能發(fā)電技術 太陽能光伏發(fā)電具 有一系列優(yōu)點 發(fā)電原理先進 光能轉換為電能 中間沒有能量轉換 發(fā)電形式簡單 引 資源豐富 太陽能取之不盡 用之不竭 清潔環(huán)保 無需運輸 無處不在 最重要的 是沒有任何國家能實施壟斷和控制 制作太陽能光伏電池的主要硅材料儲量大 資源 j 吉 9 十田0 發(fā)電環(huán)保 在與自然的關系中 太陽能光伏發(fā)電沒有燃燒過程 沒有噪聲 對環(huán)境無 污染 可以做到真正的綠色發(fā)電 綠色科技 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建造和拆卸簡潔靈活 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)使用性能穩(wěn)定可靠 使用壽命長 可達3 0 年以上 維護與管理 成本低 可做到無人值守 廣西大掌碩士掌位論文三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 1 2 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的崛起 最早的太陽能光伏發(fā)電可追溯到1 9 5 4 年 為了給偏遠地區(qū)供電 貝爾實驗室發(fā)明了 太陽能電池 但當時的太陽能電池的利用效率只有6 當前 在嚴峻的能源和環(huán)境壓 力下 世界各國政府紛紛出臺鼓勵和支持光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策 不斷加大科研投入 2 0 世紀9 0 年代后期 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)進入了飛速發(fā)展階段 全球太陽能電池產(chǎn)量1 9 9 6 年 2 0 0 6 年十年內(nèi)增長了2 2 倍 年復合增長率超過3 6 2 0 0 8 年太陽能光伏電池年發(fā)電量已經(jīng)超過2 T W h 并網(wǎng)應用超過9 9 2 0 0 9 年全球太陽 能光伏電池產(chǎn)量為1 0 5 0 0 M W 商品化電池的效率從2 0 世紀9 0 年代的1 0 1 4 提高到 現(xiàn)在的1 4 q 9 圖1 3 為世界太陽能電池產(chǎn)量 1 3 l 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 32 0 0 42 0 0 52 0 惦2 0 0 72 B 茁計 圖1 3 世界太陽能電池產(chǎn)量 M W F i g 1 3P r e d i c t i o no f t h eg l o b a ls o l a rc e l lp r o d u c t i o n 在2 0 11 年 新建太陽能系統(tǒng)占世界新增光伏裝機容量的7 5 全年發(fā)電約為 2 6 T W h 2 6 0 億千瓦時 歐洲光伏行業(yè)協(xié)會 E u r o p e a nP h o t o v o l t a i cI n d u s t r yA s s o c i a t i o n E P I A 2 0 1 2 年5 月1 1 日發(fā)表報告稱歐洲2 0 11 年新增裝機容量中光伏發(fā)電排名榜首 比 上年增長6 3 累計達到2 1 9 G W 太陽能發(fā)電引領了全球可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè) 風力 發(fā)電和燃氣發(fā)電系統(tǒng)2 0 11 年各新增9 5 G W 而光伏系統(tǒng)的裝機容量甚至高于二者之和 3 4 1 1 6 1 1 廣西大掌碩士掌位說咒 三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 中田 3 9 1 0 0 襞o 鼉囊 日奉 億兆瓦 2 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 32 0 0 4 2 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1 0 數(shù)據(jù)來源 歐洲光伏聯(lián)合會fE P l A I 裊箍I 暴磊 圖l 4 世界光伏累計安裝容量 F i g 1 4A c c u m u l a t i v et o t a le q u i p e dc a p a c i t yo f t h eg l o b a lp h o t o v o l t a i cp o w e r 圖1 4 為2 0 11 年以前的世界光伏累計安裝容量 由圖可見世界光伏產(chǎn)業(yè)在逐年增 長 且迅速發(fā)展 據(jù)E P I A 報告 在2 0 11 年 世界光伏裝機容量已經(jīng)達到了2 9 7 G W 較之于2 0 1 0 年的1 6 8 G W 增加了約1 3 G W 4 4 其中6 0 是來自德國和意大利市場 這兩國分別新增光伏系統(tǒng)裝機容量為7 5 G W 和9 3 G W f 3 5 3 7 世界光伏行業(yè)在近十年來的發(fā)展遠遠超過了預期的速度 今年五月份E P I A 主席 W i I l 丘i e dH o f f m a n n 博士表示 光伏產(chǎn)業(yè)目前正經(jīng)歷一段波動期 但行業(yè)的遠期預估仍 會持續(xù)穩(wěn)定地增長 2 0 11 年以來的市場情況顯示 在合適的政策支持下 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè) 的競爭力正在增強 光伏發(fā)電正逐漸成長為一種主要發(fā)電方式 3 6 1 1 6 1 1 據(jù)相關專家預計 至l J 2 0 1 3 年 世界新增的光伏裝機容量將發(fā)展到2 0 6 G W 4 1 4 G W 至l J 2 0 1 6 年這一數(shù)字將變?yōu)? 8 8 G W 到7 7 3 G W 盡管當前光伏產(chǎn)業(yè)面臨產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整 但 從整體上看 并未影響到行業(yè)的前進步伐 未來的十幾年 光伏發(fā)電總量將變?yōu)槭澜绨l(fā)電 總量的主要增長走勢如圖1 5 所示 3 8 3 9 1 0 0 0 O 0 O O 0 0 0 舶 帖帕強暑 拍加侶竹目 廣西大掌碩士掌位說 三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 圖l 一5 世界光伏發(fā)電量占世界發(fā)電量的走勢預測 F i g 1 5F o r e c a s to f t h er a t i oo f t h ep h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o nt ot h et o t a le n e r g yi nt h eg l o b e 由圖1 5 可見 世界太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的年均復合增長率將會高達2 5 3 0 從短期來 看 歐洲光伏工業(yè)協(xié)會發(fā)布的報告指出2 0 1 5 年世界新增的光伏發(fā)電量將達至1 1 4 3 9 G W 在 往后的2 0 年里光伏產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持迅猛發(fā)展的勢頭 1 3 太陽能光伏發(fā)電的應用現(xiàn)狀及研究意義 目前太陽能的利用可分為三種基本形式 太陽能熱利用與熱發(fā)電 太陽能化學利用 和太陽能光伏發(fā)電1 7 J 1 太陽能熱利用 其基本原理是收集太陽的輻射能 通過與物質相互作用轉換成熱能 其主要利用方式有 太陽能熱水器 太陽能灶 太陽能干燥器 太陽能溫室等 太陽能熱發(fā)電 是將太陽的輻射能量按照某種發(fā)電方式轉換為熱能量 其發(fā)電形式 有兩類 一類是利用半導體材料或金屬材料的溫差發(fā)電 另一類是先將太陽能轉換成為 熱能 然后再轉換成機械能 然后再把機械能轉換成為電能 2 太陽能化學利用 主要有光合作用 化學儲存 光解水制氫 光電化學轉換等 3 太陽能光伏發(fā)電 原理是利用半導體的光生伏特效應 將太陽能輻射能直接轉換為 電能 光伏發(fā)電的最基本裝置是太陽能光伏電池 通過配置不同的輔助設備裝置 如控 制器 調(diào)節(jié)器 逆變器 儲能裝置等來構成不同的發(fā)電系統(tǒng) 廣西大學碩士學位論文 三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 近年來 太陽能光伏發(fā)電技術得到了快速發(fā)展 商品市場化越來越普及 太陽能光 伏發(fā)電正處于由補充能源變?yōu)樘娲茉催^渡階段 隨著新世紀的到來 太陽能光伏發(fā)電 必將成為未來能源結構的基礎 其開發(fā)和利用具有重大的戰(zhàn)略意義 1 3 1 國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 太陽能光伏發(fā)電具有無環(huán)境污染 不局限于地理位置 后期維護方便 使用壽命長等 優(yōu)點 被廣泛應用于航天 軍事 通訊 交通 建設城市 改善民用設施等領域 2 0 世紀8 0 年代以后 世界各國尤其是發(fā)達國家相繼投入大量的人力 物力來開展 光伏發(fā)電的研究 D I G I T I M E SR e s e a r c h 評測2 0 1 0 年全球太陽光電市場成長為4 0 8 達8 5 9 0 M W p J 圖1 6 為2 0 0 6 2 0 1 2 年太陽光電市場走勢 單位 G W p 德國 西班牙日本 美國中國意大利 其他 二16 1 24 2 l 85 9 1 06 5 一 一 2 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 2 0 1 02 0 112 0 1 2 圖1 62 0 0 6 2 0 1 2 年太陽能光電市場走勢 F i g 1 6T h et r e n do f t h es o l a rp o w e rm a r k e tf r o m2 0 0 6t o2 012 放眼國外 在德國 1 9 9 0 年就率先推出 千太陽能光伏屋頂計劃 1 9 9 8 年計劃更 改為 f 萬套 同時研發(fā)了能與建筑相結合的組件 4 0 1 在日本 早在1 9 7 4 年就提出 陽光計劃 1 9 9 3 年提出 新陽光計劃 頒布一系列 鼓勵可再生能源研發(fā)的法規(guī) 1 9 9 4 年 朝日七年計劃 里其總容量1 8 5 M W P 1 9 9 7 年實 施 七萬光伏屋頂計劃 總容量2 8 0 M W P 2 0 0 2 年光伏電池生產(chǎn)總量已經(jīng)達到 2 5 4 5 M W 6 4 2 0 8 6 4 2 0 1 三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 在意大利 1 9 9 9 年確定太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展目標 并計劃2 0 0 8 2 0 1 2 年光伏裝機 容量1 0 0 M W 2 0 0 7 年 意大利政府調(diào)整新的光伏發(fā)展目標 計劃到2 0 1 6 年裝機容量可 達2 3 G W 在美國 早在1 9 7 8 年就立法保護可再生能源 1 9 9 7 年宣布 百萬太陽能光伏屋頂計 劃 2 0 1 0 年 頒布 千萬太陽能的屋頂計劃 計劃在2 0 1 2 2 0 2 1 年內(nèi)總安裝容量達到 3 0 5 0 G W 另外 國際上其他國家如澳大利亞 韓國 印度等也都有太陽能光伏發(fā)展計劃 并 且推出一系列鼓勵政策來進行相關技術的研究和開發(fā) 2 0 1 0 年2 0 2 0 年2 0 3 0 年Z 0 4 0 年2 0 5 0 年 圖1 7 世界光伏發(fā)電量及占總發(fā)電量的比例預測 F i g 1 7T h et r e n dp r e d i c t i o no f t h er a t i oo f P Vp o w e rg e n e r a t i o nt ot h et o t a lg e n e r a t i n gc a p a c i t yi nt h eg l o b e 圖1 7 為世界光伏發(fā)電量以及占總發(fā)電量的比例預測 由圖可見光伏裝機總量在逐 年增長 光伏發(fā)電量占總發(fā)電量的比例越來越大 從世界范圍來看 太陽能光伏發(fā)電己經(jīng)完成了初級階段的發(fā)展計劃 其應用范圍推 廣到了幾乎所有的用電行業(yè) 加上世界各國紛紛制定太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展計劃 光伏 發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會得到更高更快的發(fā)展 在國內(nèi) 8 0 年代以前我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)還處于起步階段 太陽能光伏發(fā)電總量在 1 0 k W 以下 但近幾年來 我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展 在全球太陽能光伏產(chǎn)業(yè) 占據(jù)舉足輕重的地位 在2 0 0 2 2 0 0 3 年 我國的光伏電池年產(chǎn)量均為1 0 M W 占全球1 8 和1 3 2 0 0 7 年 產(chǎn)量為1 0 8 8 M W 占到了2 7 2 躍居世界第一 到2 0 0 9 年 占全球 比例已經(jīng)占到3 7 4 35 圖1 8 為我國光伏系統(tǒng)安裝容量的發(fā)展路線 由圖可見太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在國內(nèi) 得到迅速推廣和發(fā)展 在全球光伏總產(chǎn)量的領先優(yōu)勢將進一步擴大 一 刪 嗍 漲 嬲 吣 三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 3 0 0 0 3 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 量1 5 0 0 0 i 0 0 0 0 5 0 0 0 2 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 42 0 1 52 0 1 62 0 1 72 2 1 82 0 1 92 0 2 0 圖I 8 我國光伏系統(tǒng)安裝容量的發(fā)展路線 F i g 1 8T h ed e v e l o p m e n tt r e n do f t h ee q u i p e dc a p a c i t y o f t h eP Vg e n e r a t i o ni nC h i n a 1 3 2 光伏發(fā)電的運行模式及光伏并網(wǎng)的研究意義 光伏發(fā)電系統(tǒng)將其運行模式分為兩大類 獨立光伏發(fā)電與光伏并網(wǎng)發(fā)電 獨立光伏發(fā) 電不和電網(wǎng)相連 直接向負載供電 其需要蓄電池組存儲太陽能光伏電池產(chǎn)生的電能 通 過逆變器來產(chǎn)生交流電 從而滿足用戶用電需求 獨立光伏發(fā)電又叫離網(wǎng)光伏發(fā)電 主要 為無電網(wǎng)的邊遠地區(qū)和人口分散的偏僻地區(qū)的f 1 小功率用戶供電 系統(tǒng)造價高 獨立光伏發(fā)電的工作過程為利用太陽能光伏電池經(jīng)過D C D C 控制和逆變轉換向負載 供電 當輸出電能不能滿足負載要求時 由儲能蓄電池補充 當輸出功率超出負載所需時 多余的電能則被儲存到蓄電池上 圖1 9 為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖 太陽 一麗義挾秘 幾 圖I 9 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構框圖 F i g 1 9I n d e p e n d e n tp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e md i a g r a m 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是把光伏電池控制系統(tǒng)與公共電網(wǎng)并聯(lián) 省去蓄電池 當太陽能光 伏電池輸出功率不能滿足負載要求時 由電網(wǎng)補充 而超出負載需求時 系統(tǒng)將多余的電 能饋送到公共電網(wǎng)一 l o 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可大幅度降低造價 發(fā)電效率高 其系統(tǒng)結構框 圖如圖1 1 0 所示 廣西大掣明甄士掌位論文三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 太陽 圖l l O 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結構框圖 F i g 1 1 0B l o c kd i a g r a mo f p h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m 區(qū)分上述兩種系統(tǒng) 獨立光伏發(fā)電的主要特點是有儲能裝置 獨立自發(fā)自用 規(guī)模小 應用場合有限 光伏并網(wǎng)發(fā)電的主要特點是無儲能裝置 以并網(wǎng)饋電為主 規(guī)模大 應用 場合廣 光伏并網(wǎng)發(fā)電在人類可再生能源變革中具有重要的意義 它昭示著太陽能光伏發(fā) 電由偏遠地區(qū)的特殊應用到各地區(qū)城市普遍應用的過渡 由補充能源向替代能源的過渡以 及人類社會可持續(xù)發(fā)展的能源體系 在國內(nèi)外光伏市場 光伏并網(wǎng)發(fā)電最具有吸引力 其發(fā)展技術日趨成熟 在這幾年的 光伏發(fā)電市場中的增長比例迅速增長如圖1 1 l 所示 其上升趨勢顯著 占據(jù)了主導地位 光伏并網(wǎng)發(fā)電代表著光伏電源的發(fā)展方向 其技術研究開發(fā)具有重要的開拓性意義 最具 發(fā)展前景 一I f l1 J l 重 型 l 口蜉 t q 筏l 階M w l l 憋伏 乜 0t fI I 圖1 1 l 光伏并網(wǎng)發(fā)電占光伏總發(fā)電比例 F i g 1 l lR a t i oo f t h ep h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e dg e n e r a t i o nt ot h et o t a lp o w e r 從長遠發(fā)展目標來看 三相光伏并網(wǎng)發(fā)電較單相光伏并網(wǎng)發(fā)電來說 其利于推廣大功 率電源 工業(yè)化應用較廣泛 更便于節(jié)能降耗 昭筍 璺一一 p 9 岜一 控垂裂曷 一寄一 三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 1 4 光伏并網(wǎng)逆變器的電路拓撲 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能光伏電池輸出的直流電轉換為滿足電網(wǎng)要求的交流電 然后饋入電網(wǎng)的系統(tǒng) 光伏并網(wǎng)逆變器是該系統(tǒng)能量轉換和控制的核心 其性能不但直接 影響整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性 而且決定著系統(tǒng)的使用壽命 1 從直流側電源特性來看 光伏并網(wǎng)逆變器的電路拓撲可劃分為電壓型和電流型 電 壓型的的特點是直流側為電壓源或并聯(lián)大電容 起到鉗位作用 該類型使輸出電壓穩(wěn)定 回路呈低阻抗性 電流型的特點是直流側串聯(lián)大電感 相當于電流源 無脈動電流 回 路呈高阻抗性 10 1 從相數(shù)來分 光伏并網(wǎng)逆變器可分為單相 三相等 其最基本的拓撲結構形式有電壓 型單相半橋 電壓型單相全橋 電壓型三相全橋 電流型單相全橋 電流型三相全橋等 如圖1 1 2 所示 a 電壓型單相半橋逆變電路拓撲 b 電壓型單相全橋逆變電路拓撲 c 電壓型三相全橋逆變主要電路拓撲 d 電流型單相全橋逆變電路拓撲 廣西大學嘎瞳士掌位孛e 汶三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 V T l 廠r 3 廠r 5 1r 1r 1r J u 一 a O a 曲 U b I C V T 2 v T 4V T 6 1r 1r r 一 J e 電流型三相全橋逆變主要電路拓撲 圖l 1 2 光伏并網(wǎng)逆變器最基本的拓撲結構 F i g 1 1 2T h eb a s i ct o p o l o g i c a ls 缸 u c t u r eo f P h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t c di n v e r t e r 電壓型光伏并網(wǎng)逆變器可以很好地抵抗電網(wǎng)干擾 適應直流電壓波動較大情況 而電 流型光伏并網(wǎng)逆變器防御電網(wǎng)波動的能力較低 當電網(wǎng)電壓波動超過士1 0 時 系統(tǒng)可能 會停止工作 針對儲能效益 電感寄生電阻的損耗較大 故一般認為電容優(yōu)于電感 但綜 合考慮儲能元件和開關器件的效率 成本 體積 電壓型光伏并網(wǎng)逆變器較適合應用在中 小功率場合 而電流型光伏并網(wǎng)逆變器則是較適合應用在大功率場合 5 8 5 9 2 按照從光伏電池輸出到逆變裝置 其間有無直流控制 儲能等環(huán)節(jié) 光伏并網(wǎng)逆變 器可分為單級型 兩級型和多級型 1 單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng) 圖1 1 3 為單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng) 主要由太陽能光伏電池陣列 逆變模塊 輸出濾 波模塊 電網(wǎng)組成 光伏電池陣列可串聯(lián)或并聯(lián) 以滿足直流側電壓輸出的要求 根據(jù)系 統(tǒng)容量 電網(wǎng)電壓等級和相數(shù)要求等 逆變器的主電路拓撲結構有多種如圖1 1 2 所示 單 級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)結構簡潔 成本低 5 3 1 圖1 1 3 單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)圖 F i g 1 1 3B l o c kd i a g r a mo f s i n g l es t a g eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r 考1 鑼管 分 三相光伏并網(wǎng)逆競器的研究 2 兩級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng) 兩級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng) 是在單級式的光伏電池陣列和逆變模塊之間加入D C D C 變換等級 如B O O S T B U C K C U K 等 其將光伏電池陣列輸出的直流電壓抬升或斬波 變成更適合逆變的直流穩(wěn)定電壓 圖1 1 4 為一種典型升壓式兩級光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng) 圖1 1 4 兩級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)框圖 F i g 1 1 4B l o c kd i a g r a mo f t w os t a g eg d d c o n n e c t li n v e r t e r 兩級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)設計比較靈活 升壓部分可以分兩部分完成 由于受D C D C 變換等級容量和器件成本的條件約束 一般適用直流側母線電壓較低的獨立中小型光 伏發(fā)電系統(tǒng) 3 多級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng) 多級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)包含有三級或三級以上的電能變換器 其結構一般含有D C D C D C A C A C D C D C A C 等 通過一系列等級變換 最終得到最優(yōu)的并網(wǎng)電 壓電流 圖1 1 5 為一種典型的多級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng) G r i d P yD C fA C 一一一 Z Z 廠 刁 么L 匕 二I 2 Z I I n v e r t e r I D C A C A C D C 圖1 1 5 多級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)圖 F i g 1 1 5B l o c kd i a g r a mo f m u t i p l es t a g eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r 多級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的變換級數(shù)較多 設計成本高 但系統(tǒng)設計十分靈活 每個 環(huán)節(jié)的電路拓撲種類非常豐富 輸出的電能質量較高 一般用于直流側電壓較低的中小功 率發(fā)電系統(tǒng) 多級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)因其級數(shù)的增多 器件的損耗也隨之增加 容量受 至0 限制 4 1 4 2 1 1 2 廣西大掌碩士掌位論文三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 將上述的幾種基本分類通過不同串并聯(lián) 可得到許多不同特性的類型 如隔離型 非 隔離型 高頻鏈式 諧振型高頻鏈式 多電平式 1 卅等 本文設計的三相光伏并網(wǎng)變器采用單級式電壓型三相全橋并網(wǎng)逆變拓撲結構 濾波模 塊為一階電感濾波如圖1 1 6 所示 該系統(tǒng)能工作在直流電壓穩(wěn)定輸出且高于電網(wǎng)電壓峰值 的情況 電路結構簡單 功率損耗小 成本低 效益高 圖1 1 6 三相光伏并網(wǎng)逆變器電壓型拓撲電路 F i g 1 1 6V o l t a g e t y p et h r e ep h a s ep h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r 圖1 1 6 中 控制系統(tǒng)只要適當控制三相橋臂的六個開關 使每對橋臂互補輸出對稱的 S P W M 調(diào)制驅動信號 那么交流側經(jīng)過濾波后就可得到滿足電網(wǎng)要求的三相正弦電壓和電 流 1 5 光伏并網(wǎng)逆變器的幾種控制策略 近年來 研究光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略日益豐富 越來越多的新策略陸續(xù)被推出 常見的控制策略總體上分為線性控制和非線性控制 線性控制策略的基本思路就是將光 伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)數(shù)學模型線性化 再經(jīng)過降階 解耦 簡化成較為簡單的線性系統(tǒng) 非 線性控制策略 對系統(tǒng)數(shù)學模型線性化或不需要提取系統(tǒng)的數(shù)學模型 直接對系統(tǒng)進行 非線性控制口5 1 常見的線性控制策略有P I 控制 重復控制等 涉及相關的坐標變換 非坐標變換 解耦控制等 常見的非線性控制策略有 滯環(huán)控制 單周期控制 變結構控制 滑模控 制 無差拍控制等 1 線性控制策略 1 P I 控制 管f l 詹 三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 電流瞬時值P I 控制在工程上常用 具有簡單易實現(xiàn)的優(yōu)點 常見的P I 控制 有帶反 饋的電流瞬時值S P W M 正弦脈沖控制和S V M 空間矢量控制 P I 控制的參數(shù)調(diào)節(jié)直接影 響系統(tǒng)電流的跟蹤性能 5 4 5 6 1 圖1 1 8 為經(jīng)典的S P W M 和S V M 的控制原理框圖 出 出 a S P W M 控制原理圖 b S V M 控制原理圖 圖1 1 8 電流瞬時值P I 控制原理圖 F i g 2 9S c h e m a t i cd i a g r a mo fc u r r e n ti n s t a n t a n e o u sv a l u eP Ic o n t r o l 圖1 1 8 a 中電流瞬時值S P W M 控制 實際電流與參考電流相比較后得到差值電流 然后經(jīng)過P I 調(diào)節(jié)等一系列控制得到標準電壓參考信號 將這個標準電壓參考信號與高頻 三角載波信號一起通入比較器 得到P W M 輸出信號 可以控制開關管的通斷 圖1 1 8 b 的不同之處是把調(diào)節(jié)控制得到的電壓信號通過空間矢量控制 通過選擇對應的電壓矢量 區(qū)域控制開關通斷 來輸出P W M 信號 2 8 1 2 重復控制 重復控制運用內(nèi)模原理 即把外部信號的動力學模型加入穩(wěn)定系統(tǒng)的控制器中構成 高精度的反饋控制 從而對外部周期性的參考信號進行逼近跟蹤 使系統(tǒng)具有理想的跟 蹤性能 重復控制可以消除周期性擾動誤差 改善逆變器輸出波形的質量 但對逆變控 制系統(tǒng)會帶來多種多樣的諧波擾動的疊加 若采用重復控制 則每一次諧波都要設置一 重內(nèi)模 那么控制系統(tǒng)會過于復雜 動態(tài)性控制效果欠佳 必須采取一定的輔助措施才 能滿足要求 因此 重復控制常與其他控制方法結合 如基于重復控制的P I 前饋控制 基于極點配置P I 數(shù)字雙環(huán)P W M 控制等 組成復合控制來改善系統(tǒng) 從而獲得較好的的 動態(tài)響應和較高的靜態(tài)精度 2 非線性控制策略 1 滯環(huán)控制 滯環(huán)控制具有閉環(huán)調(diào)節(jié)和脈寬調(diào)節(jié) 是一種應用廣泛的電流跟蹤控制方法 其控制 原理如圖1 1 9 所示 圖中與電網(wǎng)電壓同步的實際輸出電流與參考電流的誤差 f c 作為滯 環(huán)比較器的輸入 通過滯環(huán)比較器輸出P W M 信號 從而控制并網(wǎng)電流 該方法具有實 時控制 電流響應快 不用載波 不含特定頻率諧波分量 跟蹤性能好等優(yōu)點 但是存 三相光伏井網(wǎng)逆變器的研究 在開關頻率不固定 輸出電流諧波含量較多的缺點 為解決這一問題 很多新的