太阳能光伏发电研究

示例内容

第一章 绪论

1.1 太阳能光伏发电的背景及意义

能源是人类经济及文化活动的动力来源。在20世纪的世界能源结构中,人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。这些化石能源本质上是数万年甚至更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源储存到古生物中,经过人类数千年,特别是近百年的消费,这些化石能源已被消耗了相当比例。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高,未来世界能源消费量将持续增长,世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限[1]。

此外,大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源,全世界每天产生约1亿吨温室效应气体,己经造成极为严重的大气污染。如果不加控制,温室效应将融化两极的冰山,这可能使海平面上升几米,四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾。它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战[2]。

针对以上情况,开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施。从能源供应的诸多因素考虑,太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。全球能源专家们认定,太阳能将成为21世纪最重要的能源之一[3, 4]。
而利用太阳能光伏发电具有:(1)无污染:绝对零排放——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,可直接输出高品位电能,具有理想的可持续发展属性;(3)资源的普遍性:基本上不受地域限制,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、可存储性:电能可以方便地通过输电线路传输、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;(7)资源、发电、用电同一地域:可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用;(8)光伏建筑集成(BIPV-Building Integrated Photovoltaics):节省发电基地使用的土地面积和费用等优点。太阳电池的主要原料—-硅的储量十分丰富,随着太阳电池研究的快速进程和转换效率的不断提高以及与其相关之系统技术的进展,发电成本己经呈现快速下降趋势。可以预料,太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。

因此,利用太阳能发电是集开发利用绿色可再生能源、改善生态环境、改善人民生活条件于一体而面向21世纪人类发展的重大课题;同时又是集光电子半导体、电力电子、现代电力系统、电机学、电化学和现代控制理论等高新技术于一体的交叉科研课题。它具有巨大的经济、政治和社会效益,同时又含有丰富的学术研究价值和基础理论问题[4]。

1.2 太阳能光伏发电的研究现状

太阳能的转换利用方式有光-电转换、光-热转换和光-化学转换等三种方式。利用光生伏打效应原理制成的光伏电池,可将太阳的光能直接转换成电能加以利用,称为光-电转换,即光伏发电[5]。

1.2.1 光伏发电历史

对光伏发电技术的研究始于100多年前。1839年,法国物理学家A.E.贝克勒尔意外地发现,用两片金属浸入溶液构成的伏打电池,光照时会产生额外的伏打电势,他把这种现象称为“光生伏打效应”(photovoltaic effect)。

1873年英国科学家Wilough B. Smith 就观察到了对光敏感的硒材料,并推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。1880年Charles Fritts开发出以硒为基础的光伏电池。以后人们既把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。半导体P-N结器件在阳光下的光电转换效率最高通常称这类器件为“光伏电池”(solar cell)。

从1961年到1971年,硅光伏电池技术没有取得重大进展。研究的重点放在提高抗辐射能力及降低成本方面。在1972年到1976年之间研制出了各种空间用的光伏电池并以不同的商标出现。在20世纪中期,研制出超薄单晶硅光伏电池。从20世纪中后期开始,光伏技术得到不断的完善,成本不断降低,形成了不断发展的光伏技术产业,成为21世纪世界能源舞台上的主要成员之一。

1.2.2 国外光伏发电技术的现状与前景

当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视,针对其制定规划,增加投入、并加以大力发展。20世纪80年代以来,即使是在世界经济处于衰退和低谷的时期,光伏发电技术产业也一直保持以10%~15%的递增发展速度。90年代后期,其发展更为迅速,并成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。1997年世界光伏电池组件的总产量达到200MW,比1996年增长了35%。各国一直在通过改进工艺、扩大生产规模、开拓新市场等手段来降低光伏电池的制造成本[6]。

近几年,全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近40%,2004 年全世界生产总量更达1000MW。本世纪以来,一些发达国家纷纷制定了发展包括太阳能电池在内的可再生能源计划。太阳能电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲大规模展开。美国和日本为争夺世界光伏市场的霸主地位,争相出台太阳能技术的研究开发计划,如到2010年,美国计划累积安装4600 MW (含百万屋顶计划);日本计划累计安装5000兆瓦(NEDO日本新阳光计划)。根据“光伏报导(Photovotaic NEWS)”杂志2003年3月出版的22卷上发表的世界太阳能电池组件产量汇总:

表1.1 世界太阳能组件产量汇总表

世界太阳能电池/组件产量(单位:MW) 国家 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 美国 34.75 38.85 51 53.7 60.8 74.97 100.32 100.6 日本 16.4 21.2 35 49 80 128.6 171.22 251.07 欧洲 20.1 18.8 30.4 33.5 40 60.66 66.38 112.75 其它国际 6.35 9.75 9.4 18.7 20.5 23.42 32.62 47.8 总计 77.6 88.6 125.8 154.9 201.3 287.65 390.54 512.22

从上述“世界太阳能电池组件产量汇总表”,可以清楚地看出:世界太阳能电池材料发展的趋势是非常迅猛的。世界太阳能电池组件(包括其基础性材料单晶硅)的发展,2002年是1995年的6.6倍(增长5.6倍);其中日本2002年是1995年的15.3倍(增长14.3倍)。2004~2006世界主要太阳电池生产商发展规划见图1.1。

图1.1 世界主要太阳电池生产商发展规划

1.2.3 我国太阳能光伏发电的现状与前景

我国于1958年开始研究光伏电池,1972年首次成功地将光伏电池用于地面,1979年开始生产单晶硅太阳能电池。中国的光伏产业的发展有2次跳跃,第一次是在上世纪80年代末,我国的改革开放正处于蓬勃发展时期,国内先后引进了多条太阳能电池生产线,使我国的太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百千瓦一下子上升到6个厂的4.5 MW,引进的太阳电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次光伏产业的大发展在2000年以后,主要是受到国际大环境的影响、国际项目/政府项目的启动和市场的拉动;例如:2002年由国家法改委负责实施的“光明工程”送电到乡和即将实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。由于我国西部人口密度小,居住分散,同时又拥有丰富的太阳能资源。太阳能光伏发电是即廉价又清洁的能源选择[7]。

近20年来,我国光伏产业的发展已初具规模,但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距,表现为:

(1)生产规模小。我国太阳电池制造厂的生产能力约为0.5~1兆瓦/年,比国外生产规模低一个多数量级。
(2)技术水平较低。电池效率、封装水平同国外存在一定差距。
(3)专用原材料国产化经过“八五”攻关取得一定成果,但性能有待进一步改进,部分材料仍采用进口品。
(4)成本高。目前我国电池组件成本约30元/瓦,平均售价42元/瓦,成本和售价都高于国外产品。
(5)市场培育和发展迟缓,缺乏市场培育和开拓的支持政策、措施。

我国目前尚有约30000个村庄,700万户,3000万农村人员还没有用上电,60%的有电县严重缺电,光伏市场潜力巨大。专家预测2006年我国太阳能电池生产能力将超过300 MW。在今后的十几年中,太阳电池的市场走向将发生很大的改变,到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统,从2011年到2020年,中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统,包括沙漠电站和城市屋顶发电系统[8]。

表1.2 按照应用领域市场划分的预测(%)

应用领域 2000 2005 2010 2020 2050 农村电气化 40 55 60 10 5 通信和工业 50 20 10 15 8 太阳能商品和其它 10 20 10 15 8 并网发电 - 5 20 60 80 合计 100 100 100 100 100

2005年2月28日, 第十届全国人代表大会常务委员会第十四次会议通过《中华人民共和国可再生能源法》,于2006年1月1日起正式实施。可再生能源法规定国家将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域,纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划,并安排资金支持可再生能源开发利用的科学技术研究、应用示范和产业化发展,促进可再生能源开发利用的技术进步,降低可再生能源产品的生产成本,提高产品质量。国家鼓励和支持可再生能源并网发电。

为促进我国可再生能源和新能源技术及相关产业的发展,根据国家可再生能源中长期发展规划,国家发展和改革委员会决定在2005~2007年期间,实施可再生能源和新能源高技术产业化专项。其中太阳能光伏发电、太阳能电池用硅锭/硅片以及高效低成本太阳能电池组件及系统控制部件的产业化成为可再生能源和新能源高技术产业化专项支持的重点领域之一。太阳能是洁净无污染的巨大能源,最大限度地开发利用太阳能将是人类新能源利用方面的科技发展方向。近年来,由于世界能源的日趋紧张和光伏技术的不断发展,廉价的非晶硅太阳电池的生产技术已经成熟。大规模的光伏发电,可解决广大中西部无电地区居民的能源问题。专家预测,若光伏电池与城市和农村的建筑相结合,实行光伏并网发电,不但达到绿色环保的目的,而且会逐步改变我国传统能源结构,对克服我国能源紧张、改善生态环境及人体健康具有重大意义。

1.3 太阳能光伏并网发电系统的发展

光伏发电有离网和并网两种工作方式。过去,由于太阳电池的生产成本居高不下,光伏发电多数被用于偏远的无电地区,而且以户用及村庄用的中小系统居多,都属于离网型用户。但是近年来,光伏产业及其市场发生了极大的变化,开始由边远农村地区逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进。太阳能已经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”。

并网光伏发电技术是当今世界光伏发电的趋势,是光伏技术步入大规模发电阶段,成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。与离网运行的太阳能光伏电站相比,并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处。首先,不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题;其次,光伏电池可以始终运行在最大功率点处,由于大电网来接纳太阳能所发的全部电能,提高了太阳能发电的效率;再其次,省略了蓄电池作为储能环节,降低了蓄电池充放电过程中的能量损失,免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用,同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。

并网光伏发电系统一般由光伏阵列模块、逆变器和控制器三部分组成。逆变器将光伏电池所产生的电能逆变成正弦电流并入电网中;控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网的功率和电流的波形,从而使向电网转送的功率与光伏阵列模块所发的最大电能功率相平衡。控制器一般基于单片机或数字信号处理芯片。

1.3.1 太阳能光伏并网逆变器的发展

太阳能光伏并网逆变器是连接光伏阵列模块和电网的关键部件,它完成控制光伏阵列模块运行于最大功率点和向电网注入正弦电流两大主要任务。

早期太阳能光伏并网系统的逆变器结构如图1.2(a)所示。它采用单级无变压器、电压型全桥逆变结构。其特点是结构简单、造价低、鲁棒性强;但受限于当时开关器件水平,系统的输出功率因数只有0.6~0.7,且输出电流谐波大[9]。随着电子开关器件的发展,高频器件(频率>16kHz)BJT、MOSFET或IGBT等逐渐取代了并网换相晶闸管。如图1.2(b)所示,由于采用PWM全桥逆变电路和高频开关电子器件,输出谐波得到了很好地控制;但16~20kHz开关频率使得开关损耗增大,系统效率降低。

(a) 并网换相晶闸管开关逆变器
(b) 自换相晶闸管开关逆变器

图1.2 单级无变压器结构的光伏逆变器

图1.2单级逆变系统直接将直流转化为交流,它的主要缺点是:

(1)需要较高的直流输入,使得成本提高,可靠性降低;
(2)对于最大功率点的跟踪没有独立的控制操作,使得系统整体输出功率降低;
(3)结构不够灵活,无法扩展,不能满足光伏阵列模块直流输入的多变性。

因此在直流输入较低时,考虑采用交流变压器升压,以得到标准交流电压与频率,同时可使得输入输出间电气隔离。
图1.3为带工频变压器结构的光伏逆变系统[9]。它最大优点是逆变器在低压侧,因此逆变桥可以采用高频低压器件MOSFET,从而节省了初期投资;而且由于在低压侧实现逆变器的控制,使得整个控制过程更容易实现。另外,此结构还适用于大电流光伏模块。

图1.3 带工频变压器结构的光伏逆变器

然而工频升压变压器体积大,效率低,价格也很昂贵,随着电力电子技术和微电子技术的进一步发展,这一问题采用高频升压变换得到了解决。高频升压变换能实现更高功率密度的逆变,如图1.4所示,升压变压器采用高频磁芯材料,工作频率均在20kHz以上。它体积小、重量轻,高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电,又经高频整流滤波电路得到高压直流电(通常在300V以上),再由工频逆变电路实现逆变[10, 11]。

图1.4 多级带高频变压器结构的光伏逆变器

多转换级的带高频变压器的逆变结构相比带工频变压器的逆变结构,功率密度大大提高,逆变器空载损耗也相应降低,从而效率得到提高,但这种类型的变换器也有其缺点,这就是逆变器的电路结构复杂,使得可靠性降低。

光伏逆变器由单级到多级的发展,使电能转换级数增加,能够方便满足最大功率点跟踪和直流电压输入范围的要求;但是单级逆变器结构紧凑,元器件少,损耗更低,逆变器转换效率更高,更易控制。因此在结合两者优点的前提下,尽可能提高直流输入电压,就能提高逆变器的转换效率。

通常光伏并网逆变器按照应用的方式和领域可以分为三类:一是面向大型电站级的集中式逆变器,二是面向组件级的支路式逆变器,三是和光伏组件集成的交流模块。集中式光伏并网逆变器,如图1.5(a)所示,一般用在大型光伏电站中,多组串联的光伏方阵并联在逆变器的直流输入端,再通过逆变器转换成交流电并入单相或者三相交流电网,它的功率等级一般在 ,这种逆变器最初使用的功率器件是晶闸管,随着半导体工业的发展,功率器件广泛采用IGBT,而且先进的数字信号处理器(DSP)也引入到控制系统中,用以改善逆变器并网波形,这种系统有望将来大规模应用到超大规模光伏沙漠电站中。支路式并网逆变器如图1.5(b),其概念是在1995年首先在欧洲市场建立起来的,将光伏组件串联起来,接到并网逆变器的输入端,通过逆变器逆变并入低压电网,这种逆变器通常为单相,功率等级大约在 之间;这种系统非常适合于城市分布发电和家庭户用并网发电,也是光伏市场上正在广泛应用的系统。多台支路式并网逆变器(如图1.5(c)所示)在交流侧并联,可以很容易的构成兆瓦级大型并网光伏电站,在德国和中国已经有这样的示范工程。交流模块(图1.5(d)所示)是将小型逆变器和光伏组件直接结合起来,交流侧并联到低压电网,这种模块的功率等级在 之间,这种系统被认为是未来并网逆变器的重要发展方向之一,这种模块面临的挑战是如何实现低价和高可靠性的统一。

(a) 集中型

(b) 支路型

(c) 多支路型

(d) 交流模块集成型

图1.5 光伏并网逆变器结构

1.3.2 太阳能光伏并网发电系统控制策略的发展

光伏发电系统实现并网运行必须满足:其输出电压与电网电压同频同相同幅值,输出电流与电网电压同频同相(功率因数为1),而且其输出还应满足电网的电能质量要求。这些都依赖于逆变器的有效控制策略。光伏并网发电系统的控制一般分为两个环节:第一个环节得到系统功率点,既光伏阵列模块工作点;第二个环节完成光伏逆变系统对电网的跟踪。同时,为保证光伏逆变器安全有效地直接工作于并网状态,系统必须具备一定的保护功能和防孤岛效应的检测与控制功能。

1.3.2.1 光伏阵列模块工作点跟踪控制

光伏阵列模块工作点的控制主要有恒电压控制(CVT)和最大功率点跟踪(MPPT) 两种方式。

CVT控制是通过将光伏阵列模块端电压稳定于某个值的方法,确定系统功率点。其优点是控制简单,系统稳定性好。但当温度变化较大时,CVT控制方式下的光伏阵列模块工作点将偏离最大功率点[5, 12]。

MPPT是当前较广泛采用的光伏阵列模块功率点控制策略。它通过实时改变系统的工作状态,跟踪阵列的最大工作点,从而实现系统的最大功率输出。它是一种自主寻优方式,动态性能较好,但稳定性不如CVT。其常用方法有“上山”法、干扰观察法、电导增量法等,具体实现参见文献[5]。

现在对MPPT的研究集中在简单、高稳定性的控制算法实现上,如最优梯度法[13]、模糊逻辑控制法[14]、神经元网络控制法[14]等,也都取得了较显著的跟踪控制效果。

1.3.2.2 光伏发电系统跟踪电网控制

对电网的跟踪控制是整个太阳能光伏发电系统控制的核心,直接关系到系统的输出电能质量和运行效率。由于光伏并网逆变器是基于PWM逆变实现的,所以其控制属于逆变器PWM电流控制方式。

较早出现的PWM非线性控制方法有:瞬时比较方式和三角波比较方式[5, 15]。

图1.6所示的瞬时比较方式,电流误差的补偿和PWM信号的产生同时在同一控制单元完成,并且构成了闭环反馈,使得控制器实现简单,具有良好的动态响应和内在的电流保护功能。但是它具有控制延时,开关频率不固定,无法产生零电压矢量等不足,因此输出电流波动、谐波畸变率都很大。为避免器件开关频率过高,可采用滞环宽度根据输出电流而自动调节的滞环比较器;或采用定时控制的瞬时值比较方式,但此方法的补偿电流误差不固定[15]。

图1.6 滞环电流瞬时比较控制框图

三角波比较方式的原理如图1.7,放大器A常采用比例或比例积分放大器。与瞬时值比较方式相比,该方法的优点是输出电压中所含谐波较少(含有与三角波相同频率的谐波);器件的开关频率固定(等于三角波的频率);但该方法硬件较为复杂,跟随误差较大;放大器的增益有限;电流响应比瞬时值比较方式的慢[15]。

图1.7 三角波比较方式的原理图

目前更好的闭环电流控制方法是基于载波周期的一些控制方法,例如无差拍PWM技术。它是将目标误差在下一个控制周期内消除,实现稳态无静差效果。此方法计算量较大,但其开关频率固定、动态响应快,适宜于光伏并网的数字控制实现[5]。

随着微处理器技术,尤其是数字信号处理器(DSP)的发展,现代控制理论中许多先进算法也被应用到光伏逆变系统的控制中,如人工神经网络[16, 17]、自适应[18]、滑模变结构[19]、模糊控制[20, 21]等,它们在各自领域解决了某些控制问题,但同样具有各种相应的局限性。比如人工神经网络控制的精度依赖于模型训练样本;自适应控制要求在线辩识对象模型,算法复杂、计算量大;滑模变结构控制存在系统抖振问题;模糊控制依赖于隶属函数的选取,控制精度有待提高等。

三相并网系统中,较多地采用将交流变量转化为直流变量,将三相变换为两相的控制策略。并提出在d-q同步参考坐标系下基于空间矢量PWM(SVPWM)的线性电流控制器[22]。SVPWM控制在解耦的d轴和q轴形成电流控制环,具有固定的开关频率,很好的输出谐波频谱,优化了开关控制方案和直流电压利用率。但它输出的电流质量一般,并且不具备内在的过电流保护能力。

近几年,光伏并网系统的综合控制成为其研究发展的新趋势。文献[33]研究了基于瞬时无功理论的无功与谐波电流补偿控制,使得光伏并网发电系统既可以向电网提供有功功率,又可实现电网无功和谐波电流补偿。这对逆变器跟踪电网控制的实时性、动态特性要求更高。研究适合于这类光伏发电系统的控制方法对电网电能质量的提高具有重大意义。

1.3.2.3 光伏发电系统孤岛效应的检测及控制

逆变器直接并网时,除了应具有基本的保护功能外,还应具备防孤岛效应的特殊功能。从用电安全与电能质量考虑,孤岛效应是不允许出现的;孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器[23],由此引出了对光伏发电系统孤岛效应进行检测控制的研究。
孤岛效应的检测一般分成被动式与主动式。被动式检测是利用电网监测状态(如电压、频率、相位等)作为判断电网是否故障的依据[24]。如果电网中负载正好与逆变器输出匹配,被动法将无法检测到孤岛的发生。主动检测法则是通过电力逆变器定时产生干扰讯号,以观察电网是否受到影响作为判断依据[24],如脉冲电流注入法[25]、输出功率变化检测法[26, 27]、主动频率偏移法和滑模频率偏移法[27, 28]等。它们在实际并网逆变器中都有所应用,但也存在着各自的不足。当电压幅值和频率变化范围小于某一值时,频率偏移法无法检测到孤岛效应,即存在“检测盲区”[29]。输出功率变化检测法虽不存在“检测盲区”,然而光伏并网系统受到光照强度等影响,其光伏输出功率随时在波动,对逆变器加入有功功率扰动,将会降低光伏阵列模块和逆变系统的效率。为了解决这个问题,光伏并网的有功和无功综合控制方法经常被提出来[30]。

随着光伏并网发电系统进一步的广泛应用,当多个逆变器同时并网时,不同逆变器输出的变化非常大,从而导致上述方法可能失效。因此,研究多逆变器的并网通信、协同控制已成为其孤岛效应检测与控制的研究趋势[31]。

1.4 论文的课题背景和主要研究内容

本论文研究的课题属于国家自然科学基金项目“混合型大功率有源电力滤波器难点问题的研究”(编号:60474041)、国家创新基金项目“电能质量检测控制与谐波治理设备”(编号:05C26224301154)及其拓展。课题研究的目的是:面对传统能源紧缺,且存在污染的问题,大力研究和发展可再生能源发电技术,研制出利用太阳能的光伏并网发电系统的优化结构和高性能控制策略,将电力电子技术和控制技术有机结合,使系统即能够最高效率的利用太阳能,又能注入理想的电流波形入电网,提供理想电能,为太阳能光伏并网发电系统产品化提供应用理论基础和技术支持,开辟工业应用途径。

本论文以该课题的研究为核心内容,根据现代可再生能源并网发电系统在满足实际广泛应用时必须低成本和高效率的特点和要求,针对目前光伏系统在结构及控制方法中的不足,提出了双全桥光伏逆变器结构和特次消谐控制策略,并着重研究了该系统的原理、设计和控制问题,同时对相关问题进行了分析和探讨。论文的主要研究内容包括:

(1) 提出一种结构灵活、高能量传输、低成本的太阳能光伏并网逆变器拓扑结构。针对太阳能光伏并网发电的特点和成本问题,研究各种光伏逆变结构,并对其外围保护电路、滤波电路等进行优化设计,保证太阳能光伏并网发电系统的高效运行。
(2) 研究新的控制算法实现快速稳定地最大功率点跟踪。根据太阳能光伏阵列功率输出特性,控制光伏阵列的输出电压,保证光伏阵列在最大功率点运行,最大限度地将光能转化为电能,提高系统效率。

(3) 研究太阳能光伏并网发电系统高效运行的控制策略。建立太阳能光伏并网发电系统的数学模型,并在此基础上研究其控制方法,使系统满足动态响应速度和稳态控制精度的要求下,尽可能的减少逆变开关次数,达到高效、高质量的电能输出。

(4) 研究快速安全的保护检测及控制方法。分析太阳能光伏发电系统直接并网时的安全保护问题,除了基本的保护功能外,还应具备防孤岛效应的特殊功能。从用电安全与电能质量考虑,研究快速安全的孤岛效应检测控制方法,保证整个系统的高效安全运行。
(5) 分析太阳能光伏发电系统并网运行时对电网电能质量的影响。综合考虑并网发电与对电网电能质量的治理,为可再生能源发电以及电力系统管理提供必要的技术和信息支持。

论文的章节安排如下:

第一章 绪论。本章首先阐述了太阳能光伏发电的背景及战略意义,介绍了光伏发电的现状,分析了并网发电系统高性能运行的客观要求,以及并网逆变器和并网发电系统控制策略的发展现状,重点综述了太阳能光伏并网逆变器、光伏阵列模块工作点跟踪控制、光伏发电系统跟踪电网控制和孤岛效应的检测与控制的研究现状,最后介绍了论文的课题背景和主要研究内容。

第二章 光伏并网逆变器结构的比较与优化设计。本章首先从电网、光伏阵列模块和用户对光伏并网逆变器的要求出发,提出了设计光伏并网逆变器的主要性能指标。在这些指标的基础上,深入分析了各种最具代表性的光伏并网逆变器的拓扑结构和工作原理,将它们进行归纳、总结和比较,为光伏并网逆变器的优化设计提供了理论参考。提出了双全桥光伏逆变器结构,深入研究了逆变器系统中各元器件的作用机理,分析了各部件的选型和优化设计,提出了基于虚拟电阻的LCL输出滤波器,采用各种最优方法使光伏并网逆变器达到低成本、高效率运行的要求。利用理论和仿真研究为光伏并网逆变器的实际应用提供了理论基础。

第三章 光伏阵列模块特性及最大功率点跟踪。本章首先研究了光伏电池的工作原理,通过分析其等效数学模型,在仿真软件中建立了光伏阵列模块等效模型,在此基础上分析了光伏阵列模块部分遮挡和电压电流波动时的特性,为最大限度光电转换,充分利用太阳能提供定性的分析。通过对现有的最大功率点跟踪控制方法的研究,分析了它们的优缺点,提出了基于零均值动态的固定开关频率准滑模MPPT控制方法,其实现简单,适用于外界温度和光照强度变化剧烈,或部分遮挡的场合。仿真结果证明了所提出方法的精确性和高效性。

第四章 光伏并网发电系统的控制器设计。本章在综合考虑光伏并网发电系统和控制器的作用及工作原理的基础上,根据第二章中提出的优化设计结构,深入研究了直流端电压控制器、DC-AC逆变器控制器、锁相环控制器、死区补偿控制和孤岛效应检测与控制,使整个系统能高效率、高精度、低成本运行。根据直流端电压最小原则,分析了直流端参考电压的计算办法,进一步提出了直流端电压单周期离散PI控制策略,通过理论及仿真研究分析,此算法简单易行,具有很好的动态性能和稳态性能。为了减小开关损耗并降低电网谐波电流,提出基于Walsh的特次消谐逆变器控制调制策略,通过在线计算开关角,能够精确控制注入电网的电流,并在相同畸变率下降低了逆变器的开关次数,有效地提高了系统效率。并通过仿真对各控制器的效率进行了定量分析。从用电安全与电能质量考虑,研究了快速安全的孤岛效应检测控制方法,分析了太阳能光伏发电系统直接并网时的安全保护问题,保证整个系统的高效安全运行。

第五章 太阳能光伏并网发电系统实验与分析。本章详细介绍了一套160W的光伏模块的实现。系统以DSP’F240为控制核心,根据光伏逆变器优化设计的结构和元器件选型,实现了光伏逆变器系统及其控制器。通过对系统的测试与实验,验证了整个光伏并网发电系统结构和控制器的合理性和高效性,得出了实验数据,分析了其应用效率,分析了太阳能光伏发电系统并网运行时对电网电能质量的影响。为光伏并网发电系统的产品化提供了基础。

第六章 总结与展望。对全文进行了总结,提出了有待进一步研究的工作重点和研究方向。

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