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实验结果在发展相应的技术方面都是成功的,但在经济性方面却并不十分令人鼓舞,主要是由于太阳能电池成本过高,虽然具有明显环境效益,但其发电成本却很难让电力公司接受。
通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施,大幅度的降低了太阳能电池成本。
90年代以来,国外发达国家重新掀起了发展光伏并网系统的研发高潮,这次的重点并未放在建造大型并网光伏电站方面,而是侧重发展“屋顶光伏并网系统”。
人们认为,屋顶光伏并网系统不单独占地,将太阳能电池安装在现成的屋顶上,非常适合太阳能能量密度较低的特点,其灵活性和经济性都大大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。
而且由于功率比较小,并网逆变器的体积也可以做的很小,因而可以直接安装在太阳能电池板的背面,使并网发电系统的安装和使用更加简易。
在各国的屋顶光伏并网系统发展中,德国的屋顶光伏并网系统发展速度始终是位于世界前列的。
1993年,德国首先开始实施由政府补贴支持的“1000个光伏屋顶计划"
,同时制定了“可再生能源电力供应法”,规定光伏发电的上网电价为每度0.99马克,极大的刺激了光伏发电市场。
由此为契机,德国在1995年安装了太阳能发电系统容量5MW,1996年增加了一倍,达到了10MW,1999年扩大为15.6MW。
1997年在慕尼黑贸易展览中心安装了世界上最大的屋顶太阳能并网发电系统,容量为1.016MW。
1999年1月德国开始实施“十万屋顶计划"
。
2000年安装太阳能发电系统容量超过40MW。
现在德国的太阳能发电市场已由探索阶段发展为繁荣的专业市场。
在技术方面,专用逆变设备和相关系统已经比较成熟,在欧洲光伏专用逆变器就有SMA,Fronius,Sputnik,SunPwer和西门子等众多的公司具有市场化的产品,其中SMA在欧洲市场中占有50%的份额。
除欧洲外,美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都已经产品化。
这些都表明光伏并网发电产业已经是世界范围内一个蓬勃发展的高新技术产,它和光伏器件(主要是太阳能电池)同时并列为光伏产业的两大支柱。
总之,从能源利用的国际发展趋势来看,光伏发电最终将以替代常规能源的角色进入电力市场,而并网发电将是光伏发电进入电力市场的必由之路。
1.2.2国内光伏发电产业的现状
我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期,但能源问题严峻,由于城市中大量使用化石能源,环境持续恶化。
2000年世界卫生组织公布的世界上污染最严重的十大城市中,中国占了8个。
另一方面,我国具有丰富的太阳能资源,尤其是西部地区有很大的潜力。
在这些地方发展并网发电计划,对于缓解当地的能源贫乏情况,提高当地人们生活水平有着极其重要的意义。
我国在20世纪50年代开始研究太阳能电池,于1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星。
我国光伏产业发展经历了2个重要时期,第一个是在20世纪80年代中期,引进4条总计5MW的光伏电池生产线,光伏产业初步形成。
第二个发展时期是在新世纪初,国家发改委在2002年启动了“送电到乡工程”,该工程光伏系统容量为20MW,极大的拉动了我国光伏市场的需求。
国内光伏系统主要采用单位功率因数并网,不具备电能质量控制功能。
因此,研究具有电能质量调节功能的光伏并网系统有重要意义,其研究主要放在并网逆变器的控制方法上,相同的拓扑电路,采用不同的控制方法能够产生不同的控制效果。
对逆变器建立模型并进行分析,采用先进的控制策略对于光伏并网系统的性能是必不可少的。
同时采用先进的控制算法是提高逆变器效率的方法之一。
第2章光伏并网发电系统简介
2.1光伏并网发电系统的组成
典型的光伏发电系统主要由光伏阵列、电力电子变换器、储能装置、负载等组成,其构成如2-1图所示。
图2-1太阳能光伏发电系统组成
Fig.2-1Solarphotovoltaicpowergenerationsystem
2.2光伏阵列
2.2.1光伏阵列的结构
光伏发电系统,是利用光生伏打效应原理制成的光伏电池将太阳能直接转化为电能。
光伏电池单体是用于光电转换的最小单元,一个单体产生的电压大约为0.45V,工作电流约为,将光伏电池进行串、并联封装后,就成为光伏电池组件。
实际光伏发电系统可根据需要,将若干光伏电池组进行串、并联,排列组成光伏阵列,满足光伏系统实际电压电流的需要。
光伏组件串联,要求所串联组件具有相同的电流容量,串联后的阵列输出电压为各光伏组件输出电压之和,相同电流容量光伏电池串联后输出电流不变;
光伏电池组件并联要求所有并联的光伏组件具有相同的输出电压等级,并联后的阵列输出电流为各个光伏电池输出电流之和,而电压保持不变。
2.2.2光伏阵列的保护
在一定条件下,一串联支路中被遮蔽的光伏组件,将被当做负载消耗其他有光照的光伏电池组件所产生的能量。
被遮蔽的光伏电池组件此时会发热,这就是热斑效应。
这种效应能严重破坏光伏电池,有光照的光伏电池所长生的部分或全部能量,都可能被遮蔽的电池所消耗。
为了防止光伏电池由于热斑效应而遭受破坏,需要在光伏电池组件的正负极两端并联一个旁路二极管,实现电流的旁路保护光伏阵列。
为了避免由于光伏电池在阴雨天和夜晚不发电时或者出现故障时,蓄电池通过光伏方阵放电,这就需要在方阵中加入防反充二极管,又称为阻塞二极管。
除了电方面的保护,还要考虑机械方面的保护,如如防风、防雨、防雹能力,另外,为了防止鸟粪玷污光伏电池表面引起热斑反应,还需要在方阵顶上特别安装驱鸟器。
2.3电力电子变换器
变换器是光伏发电系统的关键部件,变换器分直流变换器和交流变换器两种。
光伏发电系统中的变换器一般要具备几种功能:
最大功率点跟踪、蓄电池充电、直流电的升压或降压以及逆变。
最大功率点跟踪控制器。
通过调剂负载功率,改变光伏电池板的输出电压和电流,是光伏电池板输出功率最大化。
蓄电池充电控制器。
通过调剂控制器的输出电压和电流,实现对蓄电池策略的充电控制,有利于有效的利用太阳能以及对蓄电池的保护。
升降压变换器。
因为光伏阵列实际的工作电压跟负载或者后端逆变器所需电压不匹配,所以需要对光伏阵列的输出电压进行调节,或升获降,以满足负荷的使用要求。
逆变器。
因为光伏电池发出的电视直流电,如果光伏发电系统是并交流电网运行或者给交流负载供电,那么就需要逆变器进行直流交流的变换。
2.4储能装置
在独立运行的光伏发电系统中,储能装置是必不可少的。
因为光伏电池的输出功率随光照强度在变化,当夜间或阴雨天时,光伏电池的输出功率很小,不能满足负载的要求;
而白天阳光充足时,光伏电池发出的电相对负载可能有多余的。
因此,需要一个储能装置,既可以作为太阳能不足时候的补充,又可以作为多余太阳能的存储。
现在可选的储能方法有很多,如电容器储能,飞轮储能,超能储能等等,但从方便、可靠价格等综合因素考虑,多数大中型光伏发电系统都采用免维护铅蓄电池作为储能元件。
但选用铅蓄电池也有不足之处,铅蓄电池比较昂贵,初期投资能够占到整个发电系统的1/3左右,而铅蓄电池又是整个系统中较薄弱的环节,因此如果管理不当,会使蓄电池提前失效,增加整个系统的运营成本。
2.5光伏并网发电系统的优缺点
光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效的吸收太阳光辐射能,并使之转变成电能的直接发电方式。
光伏发电具有以下明显的优点:
1)无污染:
零排放,无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”;
2)可再生:
资源无限,可直接输出高品质电能,有理想的可持续发展属性;
3)资源的普遍性:
基本不受地域限制,只是地区之间有丰富与欠丰富之别;
4)机动灵活:
发电系统可按需要以模块方式集成,可大可小,扩容方便;
5)通用性、可存储型:
电能可以方便的通过输电线路传输、使用和存储;
6)分布式电力系统:
将提高整个能源系统的安全性和可靠性,特别是从抗御自然灾害和战备的角度看,它更具有明显的意义;
7)资源、发电、用电同一地域:
可大幅度节省远程输变电设备的投资费用;
8)太阳能发电系统建设周期短,由于是模块化安装,因此可用于小到几个毫瓦的太阳能计算器,大到数十兆瓦的光伏电站;
9)光伏建筑集成:
节省发电基地使用的土地面积和费用,是目前国际上研究及发展的前沿,也是相关领域科技界最热门的话题之一。
但目前光伏发电系统也存在以下几个问题:
1)光伏阵列发电效率低;
2)系统的造价成本高;
3)发电运行受气候环境因素影响大。
4)光伏并网发电系统作为一种分散式发电系统,对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响,如谐波污染、孤岛效应等。
第3章并网逆变器的设计及系统的工作原理
3.1光伏并网发电系统对逆变器的要求
作为光伏阵列和交流电网系统间进行能量交换的逆变器,其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对光伏并网发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的作用。
因此,光伏并网发电系统对并网逆变器有如下要求:
1)实现高质量的电能转换。
并网逆变器输出的电流频率和相位与电网的必须严格一致,以使输出功率因数尽可能的达到1。
2)实现系统的安全保护要求。
如输出过载保护、输出短路保护、输入反接保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护及装置自身保护等,从而确保系统的安全性和可靠性。
3)具有较高的可靠性。
目前光伏并网发电系统主要在一些自然条件恶劣的地区,所以逆变器应在长时间的工作条件下保证低故障率,并具有较强的自我诊断能力,因此所设计的逆变器应具有合理的电路结构、严格的元器件筛选。
4)最大功率的跟踪。
最大限度的利用光伏阵列,提高逆变器的效率。
3.2并网逆变器的选择
3.2.1并网逆变器结构的选择
光伏并网逆变器按控制方式分类,可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制四种方式。
以电流源为输入的逆变器,直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入,但由于此大电感往往会导致系统动态响应差,因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。
按照输入直流电源的性质,可以将逆变器分为电流型逆变器和电压型逆变器,结构如图3-1所示。
图3-1电流型、电压型并网逆变器结构图
Fig.3-1Currentmodel,thevoltagetypegridinverterstructure
市电电网可视为容量无穷大的定值交流电压源,光伏并网逆变器的输出可以控制为电压源或电流源。
如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制,则光伏并网系统和电网实际上就是两个交流电压源的并联运行,这种情况下要保证光伏并网发电系统稳定运行,则必须采用锁相控制技术实现与市电电网同步。
在稳定运行的基础上,可通过调整并网逆变器输出电压的幅值与相位来控制系统的有功输出与无功输出。
但由于锁相回路的响应较慢,并网逆变器输出电压值不易精确控制,系统可能出现环流等问题,同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。
因此光伏并网逆变器的输出常采用电流控制,此时光伏并网系统和电网实际上是交流电流源和电压源的并联,只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压,即可达到并联运行的目的。
这种控制方式相对简单,使用比较广泛。
综上所述,本文设计的光伏并网逆变器采用电压源输入、电流源输出的控制方式,即电压型逆变器。
采用电压型逆变主电路,可以同时实现有源滤波和无功补偿的控制,在实际中已经得到了广泛的研究和应用,可以有效的进行光伏发电、提高供电质量和减少功率损耗,而且可以节省相应设备的投资。
3.2.2并网逆变器回路方式的选择
逆变器的主电路结构按照输出的绝缘形式分为:
工频变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式、无变压器方式3种。
1)工频变压器绝缘方式采用一级DC/AC主电路,在输出端接工频变压器并网。
这种方式既可与电网隔离,同时又可以将逆变器输出波形中的直流分量滤去,从而减少对电网的污染,并且具有良好的抗雷击和消除尖波的性能,电路简单。
缺点是工频变压器体积大,重量重,效率较低。
这种方式的逆变器主要用于独立型光伏发电系统。
2)高频变压器绝缘方式是通过两级变换实现并网逆变。
前级将直流电压斩波为高频脉冲,通过高频变压器升压后整流,最后通过逆变器并网。
这种方式的优点是高频变压器体积小,重量轻,大大减小了逆变器的体积和重量。
缺点是经过了两级结构,效率比较低,且电路和控制方式复杂。
由于高频电磁干扰严重,需要采用滤波和屏蔽等抑制措施。
3)无变压器方式是只采用一级DC/AC变换直接并网。
这种方式对逆变器输出波形要求较高,直流电压范围比较小,但是逆变器整机的效率却比较高,并进一步降低了成本。
由以上的讨论得出,逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂一些,比高频变压器绝缘方式简单,效率高。
此外这种方式没有变压器,体积小、重量轻、成本较低,是到目前为止比较好的一种主电路方式。
并且对于小功率的光伏并网发电系统,光伏电池阵列的输出电压比较低,适合采用无变压器方式。
3.2.3并网逆变器控制策略的选择
要成功实现并网,使光伏并网逆变器在工作时的功率因数接近于1,即要求输出电流为正弦波且与电网电压同频同相,输出电流的控制方式一般有两种:
电流滞环瞬时控制方式和固定开关频率控制方式。
1)电流滞环瞬时控制方式
电流滞环瞬时控制方式示意图如图3-2所示的双闭环结构,其外环是电压反馈控制环,内环是电流控制环。
将电压PI调节器输出电流幅值指令乘以表示网压的单位正弦信号后,得到交流的电流指令,将它与实际检测到的电流信号进行比较,当电流误差大于指定的环宽时,滞环比较器产生相应的开关信号来控制逆变器增大或减小输出电流,使其重新回到滞环内。
这样,使实际电流围绕着指令电流曲线上下变化,并且始终保持在一个滞环带中。
这种方式中,滞环的宽度对电流的跟踪性能有较大的影响。
当滞环宽度较大时,开关频率较低,对开关器件的开关频率要求不高,但跟踪误差较大,输出电流中的高次谐波含量较大;
当滞环宽度较小时,跟踪误差较小,器件的开关频率提高,对器件的开关频率要求较高。
电流滞环瞬时控制方式有以下特点:
(1)控制方法简单,实时控制,电流响应快;
(2)没有斩波,输出电压中不含特定频率的谐波分量;
(3)若滞环的宽度固定,电流跟踪的误差范围就会固定,但电力开关器件的开关频率是变化的,这将导致电流频谱较宽,增加了滤波器设计的难度,可能会引起间接的谐波干扰。
图3-2电流滞环瞬时控制方式示意图
Fig.3-2Currenthysteresisinstantaneouscontrolmodeschemes
2)固定开关频率控制方式
固定开关频率控制方式在保留电流跟踪的动态性能好的基础上,克服了滞环控制的开关频率不固定的缺点,控制框图如图3-3所示。
这种控制方法与电流滞环控制的区别在于从电流误差信号得到最终控制逆变器的PWM信号的方式不同。
该控制技术的基本思想是:
对给定参考电压和逆变器输出电压反馈误差信号经电压调节器后得到逆变器输出电流参考控制信号,然后根据电流参考信号和逆变器反馈电流的误差经过比例放大和三角波进行交截可得到正弦脉宽调制(SPWM)信号,控制功率器件的导通或关断。
由此可知,该方法中逆变器开关器件的工作频率等于三角波载波频率,因此它的工作频率是固定的。
由于载波频率固定,因此逆变器输出谐波是固定的,滤波器设计相对于电流滞环瞬时控制方式控制简单,控制效果较好。
固定开关频率控制方式的特点:
(1)跟随误差较大;
(2)硬件实现相对复杂;
(3)输出电压中谐波量较少,含有与三角波相同频率的谐波;
(4)开关器件的开关频率固定的等于三角载波的频率;
图3-3固定开关频率电流控制示意图
Fig.3-3Fixedswitchingfrequencycurrentcontrolschemes
3)改进型固定开关频率控制方式
改进型固定开关频率电流控制方式的控制框图如图3-4所示。
此方法保留了原来控制策略的优点,同时电流的跟踪误差显著减小。
通过调整电源电压的比例系数来减小直至消除电源电压对电流跟踪偏差的影响,从而显著改善了逆变器中电流跟踪控制的性能。
图3-4改进型固定开关频率控制示意图
Fig.3-4Improvedfixedswitchingfrequencycontrolschemes
3.2.4系统的总体方案
经过方案的比较论证,本论文决定采用无变压器的两级结构,即前级的DC/DC变换器和后级的DC/AC逆变器,两部分通过DClink连接。
系统的控制部分由以FPGA为核心的控制单元完成,另外系统设计了辅助电源为控制电路提供电源。
光伏并网发电系统的结构图如图2-5所示。
图3-5光伏并网发电系统的结构图
Fig.3-5Photovoltaic(pv)gridpowersystemstructure
前级DC/DC变换器,可选择的形式有降压式变换电路(BuckConverter),升压式变换电路(BoostConverter),升降压式变换电路(Boost.BuckConverter),库克式变换电路(CukConverter)等。
由于Buck电路的输入工作在断续状态下,若不加入储能电容,光伏阵列的工作时断时续,不能工作在最佳工作状态,加入了储能电容后,Buck电路功率开关断开时光伏阵列对储能电容充电,使太阳能电池始终处于发电状态,此时调节Buck电路占空比才能有效跟踪最大功率点,因此储能电容对于利用Buck电路实现MPPT功能是必不可少的,然而在大负荷情况下,储能电容始终处于大电流充放电的状态,对其可靠工作不利,同时由于储能电容通常为电解电容,增大了MPPT装置的体积,使整个系统变得笨重。
此外,后级DC/AC电路为了能得到正常的输入工作电压,前级的输出电压不能太低,而光伏阵列的电压随着日照等因素变动较大,其输出电压低时若通过Buck电路降压,则逆变器无法工作,所以不采用Buck电路。
相比之下,Boost变换器可以始终工作在输入电流连续的状态下,只要输入电感足够大,电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流,因此只需加入通量较小的无感电容甚至不加电容,避免了加电容带来的弊端。
Boost电路简单,功率开关器件的驱动设计方便,因此,选用Boost升压电路。
光伏并网发电系统主电路的拓扑结构图如图3-6所示。
光伏阵列输出的额
定直流电压为之间,通过变换器转换为DClink的直流电。
后级的DC/AC逆变器,采用逆变全桥,作用是将DClink直流电转换为的正弦交流电,实现逆变向电网输送功率。
DClink的作用除了连接DC/DC变换器和DC/AC逆变器,还实现了功率的传递。
图3-6系统主电路的拓扑结构
Fig.3-6Systemofmaincircuittopologystructure
3.3光伏并网发电系统的工作原理
3.3.1前级电路的工作原理
1)电路原理图
Boost电路的原理图如图3-7所示。
Boost电路由开关管Q1,二极管D,电感,电容C组成。
Boost电路的作用是将电压升压到。
,其中,是光伏阵列的输出电压,是Boost电路的输出电压。
图3-7Boost电路原理图
Fig.3-7Boostcircuitprinciplediagram
2)工作过程
在每个斩波周期内,开关管Ql导通、关断各一次。
开关管Q1导通时,等效电路如图3-8(a)所示,流过电感L的电流为,在电感未饱和前,电流线性增加,电能以磁能的形式储存在电感L中。
此时,由于二极管阳极接在电源负极,二极管关断,电容C只能向电阻姓放电,提供电阻电流。
当二极管关断时,其等效电路如图2-8(b)所示,由于流过电感的电流不能突变,电感L两端的电压极性改变,此时,电源和电感串联,向电容和电阻供电。
简言之,开关管Q1导通时,二极管反偏,输出级隔离,由输入端向电感提供能量;
开关管Q1断开时,输出级吸收来自电感和输入端的能量。
图3-8Boos电路的工作过程
Fig.3-8TheworkingprocessoftheBooscircuit
根据上述分析,列出工作过程中的关系表达式如下:
(3-1)
式中,为开关管的开关周期;
为占空比;
为开关管的导通时间;
为开关管的截止时间。
整理后得
(3-2)
3)工作原理
根据电感电流在周期开始是否从零开始,是否连续,可分为连续的工作状
态或不连续的工作状态两种模式。
由于电路在断续工作时,电感电流的不连续
意味着光伏阵列输出的电能在每个周期内都有一部分被浪费了,而且纹波也会
大些。
因此一般把Boost电路设计为连续导通的工作状态。
3.3.2后级电路的工作原理
光伏并网发电系统的逆变器采用单相全桥逆变器结构,其拓扑结构图如图3-9所示。
图3-9单相全桥逆变器的拓扑结构
Fig.3-9Single-phasebridgeinvertertopologicalstructure
2)工作原鲤
如图3-9所示是单相全桥并网逆变器主电路结构图,其中是电网电压,是输入的恒定的直流电压,是逆变器的输出电压,是从逆变器输出到电网的电流。
为交流输出电感,为直流测支撑电容,即前级Boost电路的输出电容,是主开关管,是其反并联二极管。
对四个开关管进行适当的控制,就可以调节电流为正弦波,并且与电网电压保持同相位。
光伏并网发电系统要求在并网逆变器的输出侧实现功率因数为1,波形为正弦波,输出电流与网压同频同相,其控制策略与一般独立的电压型逆变器的控制策略有所不同,如图3-9中,每个开关器件上都反并联一个二极管,起着续流的作用。
交流侧电感的作用在于:
(1)有效抑制输出电流的过分波动;
(2)将开关
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