1、沈阳工程学院 2015 /2016 学年第二学期研究生课程考核学号： Y2015201223 姓名： 钟晓宇 专业领域： 电气工程 共 7 页 ，第 1 页-装 -订 -线 -太阳能发电并网问题现状及技术研究钟晓宇（沈阳工程学院 沈阳）摘要:随着全球环境污染和能源短缺问题的日益严重，寻找新能源已经是各国不得不面临的现实。众所周知，太阳能是当前世界上最丰富、最清洁、最有大规模开发利用前景的可再生能源之一，其中光伏发电越来越受到人们的认可和关注。在近些年来，光伏发电并网技术成为了光伏发电应用的主流。为此，本文对光伏发电并网系统进行了详细介绍，并对并网控制方法进行了相关研究。 本文研究的对象是光伏并
2、网发电系统，对光伏并网系统进行了全面的分析。本文概述了太阳能利用的意义和广阔前景，给出本课题的主要研究内容。阐述了光伏发电并网的控制目标，给出并网运行时针对所面临的问题所应用的技术。通过分析比较当前流行的几种逆变电路的控制方法之后，本文采用基于SPWM 的电流输出并网控制方法，通过仿真验证了此控制方法的可行型。论文最后对所取得的成果进行了总结，并给出了作者的一些建议，同时也对光伏发电技术进行了展望。关键词：光伏发电；发电并网ZHONG Xiao-yu(Shenyang Institute of Engineering Shenyang)Abstract: with the global env
3、ironmental pollution and energy shortage problem is increasingly serious, looking for new energy is already facing the reality of the country. As is known to all, solar energy is one of the most abundant and most clean, most large-scale development and utilization prospects of renewable energy in th
4、e world, among which the photovoltaic power generation is more and more recognized and concerned by people. In recent years, the grid connected photovoltaic technology has become the mainstream of photovoltaic power generation applications. To this end, this paper introduces the grid connected photo
5、voltaic system, and the related research of grid connected control method.The object of this paper is the photovoltaic grid connected power generation system, the PV grid connected system is analyzed. This paper outlines the significance and broad prospects of solar energy utilization, and gives the
6、 main research content of this topic. The control objectives of grid connected photovoltaic power generation are described, and the application of the grid connected operation hour hand to the problem is presented. By comparing and analyzing the current popular control methods of several inverter ci
7、rcuits, this paper uses the method of grid connected current output based on SPWM, and the feasibility of this control method is verified by simulation. At the end of this paper, the results obtained are summarized, and some suggestions are given, and the photovoltaic power generation technology is
8、prospected.课程名称： 工程计算方法与软件 开课系（部）： 电力学院 学时： 32 学分： 2 沈阳工程学院 2015 /2016 学年第二学期研究生课程考核学号： Y2015201223 姓名： 钟晓宇 专业领域： 电气工程 共 7 页 ，第 2 页-装 -订 -线 -Key words: photovoltaic power generation; grid connected1 引言能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。根据美国能源情报署的预测，2001 年至 2025 年间，全球能源消费总量将从 102.4 亿吨油当量增加到 1
9、62亿吨油当量。但是，化石能源是不可再生的，且储量有限，其产量的萎缩不可避免。太阳能作为新型清洁能源的一种，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点。因此，太阳能在长期能源策略中的重要性得到国际的普遍认可，其开发利用是最终解决常规能源特别是化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径。2 太阳能发电并网的现状及研究意义 在国外，近年来太阳能光伏电源已开始由补充能源向替代能源过渡，并从偏远无电地区中小功率的独立发电系统向并网发电系统的方向发展。1979 年，美国太阳联合设计公司在能源部的支持下，研制出了面积为 0.9*1
10、.8M 的大型光伏组件，建造了户用屋顶光伏试验系统。1980 年在 MIT建造了有名的Carlisle House，屋顶安装了 75KW 光伏方阵，并结合被动式太阳房和太阳集热器，给建筑供电、提供热水和制冷。20 多年前，日本三洋电器公司研制出了瓦片形状的非晶硅太阳电池组件每块能输出 2.7w 的电能，到 1997 年就已经安装了数兆瓦。1997 年 6 月，美国和欧盟先后实施了“百万屋顶计划” 。美国计划到 2010 年将在 100 万个屋顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统。德国联合政府也提出了在 6 年内安装 10 万套太阳能屋顶系统的计划，总容量在 300-500MV，每个屋顶约 3
11、-5KW。日本计划到 2010 年光伏系统的装机容量要达到 5GW。世界上规模最大的屋顶光伏系统建在德国慕尼黑展览中心，第一期安装的光伏系统容量为 1MW，现在已达到了 2MW。法国、印度也陆续推出了 “1.5KW 级百万屋顶光伏计划” 。近 5 年来，世界上太阳能电池总产量以每年超过 30的速度在增长，2002 年世界光伏系统总装机容量达到 220MW，年发电量约为 30 亿 kwh。2003 年世界太阳能电池总产量为 742MW。在美德日这三个世界最大的光伏应用市场，以光伏集成建筑为核心的光伏屋顶并网发电市场占据了绝对的市场份额，其中德国和日本近年来的光伏安装容量全部是并网应用。而中国等发
12、展中国家，主要的光伏市场仍然是边远地区的离网应用。随着光伏技术的成熟、应用市场的发展和政府补贴，保证了世界光伏市场的增长动力，预计 2010 年世界太阳能电池 的产量将达到 1400MW，到 2020 年世界太阳能电池的产量将达到7000MW，光伏发电并网技术的应用前景值得期待。我国在光伏并网发电技术方面的研发起步较晚，在 20 世纪 80 年代以前尚处于起步阶段，太阳能电池的年产量一直在 10kW 以下，主要应用于小功率电源系统，例如：航标灯、高山气象站、铁路信号系统等。在 20 世纪 80 年代末，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使我国太阳能电池生产能力提升到 45MW，这一水平持续到
13、 2002 年。随着世界性能源危机的到来，欧美各国对太阳能技术投入极大热情，尤其是德国、日本“10 万屋顶光伏计划”的实施及欧美可再生能源法的相继生效，给太阳能产业的发展提供了前所未有的发展机遇。太阳能的利用大致可分为光热转换和光电转换两种方式，其中光电转换技术是利用半导体材料的光电效应原理直接将太阳辐射能转换为电能的技术，近年来发展迅速，也是最具潜力的能源开发领域。它有以下优点：（1）它是人类可以利用的最丰富的能源，并且不受地域限制，沈阳工程学院 2015 /2016 学年第二学期研究生课程考核学号： Y2015201223 姓名： 钟晓宇 专业领域： 电气工程 共 7 页 ，第 3 页-装
14、 -订 -线 -任何地方都可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。 （2）太阳能是一种洁净的能源：在开发利用时，不消耗燃料，不会产生废渣、废水、废气、也不会产生噪音和振动，不会影响生态平衡，使理想的清洁能源。 （3）在恶劣的工作环境下，光伏发电系统很少产生故障，经常用于对可靠性要求很高的场所。 （4）运行维护简单，光伏系统只需要周期性检查和少量维护工作。 （5）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。 （6）太阳能发电系统易运输、安装，建设周期短。由于是模块化安装，结构简单，系
15、统大小灵活，可根据用户的需求选择安装容量。3 太阳能发电并网问题及应对技术3.1 太阳能发电并网所面临的问题并网发电面临的首要难题由于太阳能发电间歇性和不可预测性的特点，使得光伏电站并网存在一定的困难，同时对电网的电能质量、安全、稳定、可靠运行也提出了新的挑战。目前，我国以中国节能投资公司为代表的光伏发电企业，正尝试将风电、光伏发电、柴油发电合理搭配发电的“风、光、柴互补”方式来解决这一难题。在通常情况下，风电白天发电量较小，晚上发电量较大，而太阳能发电与之恰好相反。将二者搭配起来发电，可产生较为均衡的发电量；此外，再用柴油发电机对电站的发电量进行微调，即可实现较为平稳的电流输出。当太阳能电站
16、的发电规模很大的时候，一方面，电站本身要加装“无功补偿”设备，以减小电站对公共电网的影响；另一方面，公共电网也要改造成智能电网，以便对并网电流进行智能化调控。 3.2 电流控制技术光伏并网系统的主要功能是将太阳能光伏阵列所产生的直流电直接转换成与电力公司供给的相同电压和频率的交流电，其控制方式有如一个与市电电压同步的电流控制型 pwm 逆变器。并网光伏逆变器的控制目标为：控制逆变电路的输出为稳定的、高品质的正弦波，且与电网电压同频、同相。同时希望通过调节光伏电池工作电压使光伏阵列工作在最大功率点。整个控制效果如同一个输出功率因数为 1的交流电源供应器。采用电流型输出的并网系统，输出电流的控制方
17、式一般有滞环电流控制，固定开关频率控制，空间矢量控制，无差拍控制，重复控制，定时比较控制等方法。这些方法都各有各自的优缺点。目前运用较广的几种光伏并网系统电流控制的方法：SPWM 控制、空间矢量控制、定时比较控制和滞环电流控制。空间矢量法空间矢量(SVPWM)控制策略是依据逆变器空间电压(电流)矢量切换来控制逆变器的一种控制策略。它放弃了正弦波脉宽调制，而是采用逆变器空间电压矢量的切换来获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率条件下，使逆变器的输出获得较好的性能。 采用 SVPWM 控制的并网系统，主要具有电压利用率高、动态响应快等优点。目前运用的 SVPWM 控制技术主要分两类：一种是具有固
18、定开关频率的 SVPWM 电流控制，即利用同步旋转坐标系(d，q)中电流调节器输出的空间电压矢量指令，再采用SVPWM 使逆变器的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而达到电流控制的目的；另一种是利用基于滞环电流控制的 SVPWM，即利用电流偏差矢量或电流偏差变化率矢量空间分布给出最佳的电压矢量切换，使电流偏差控制在滞环宽度以内，这实际是一种变开关频率的 SVPWM。定时比较法为了解决滞环电流沈阳工程学院 2015 /2016 学年第二学期研究生课程考核学号： Y2015201223 姓名： 钟晓宇 专业领域： 电气工程 共 7 页 ，第 4 页-装 -订 -线 -控制中 PWM 开关频率不固定，
19、开关频率过高而带来的开关损耗，可以采取固定开关频率的方法，如图34 所示，利用一个定时控制的比较器，每个时钟周期对电流误差判断一次，PWM 信号需要至少一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半；缺点是电流跟随误差是不固定的。使用定时比较，可以看出定时比较控制策略 在参考电流变化较快的地方，跟踪效果不好。如果载波较低的时候，电流毛刺较大。基于 SPWM 三角波并网控制技术研究过程如下：建立控制系统模型：用参考电流 ic 与并网电流 ic*的实时值进行比较，两者的差值经 PI 调节与三角波比较，最后输出 PWM 信号去驱动功率开关器件。此方法的电流跟踪特性和 PI 参数有
20、关，对于 PI电路响应快的系统，必须提高三角波载波频率，以改善输出波形。这种方式输出电流的谐波比滞环比较方式少，因此常用于对于谐波和噪声要求较高的地方； 控制系统中 PI 参数的设计：PI 控制器在与被控制对象串联时，相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于 S 左半平面的开环零点。位于原点的极点可以消除或者减小系统的稳态误差，改善系统的性能。在实际工程中，PI 控制器通常用来改善系统的稳态性能；三相逆变并网控制系统的仿真：采用 MATLAB 软件进行控制系统的仿真。3.3 孤岛效应检测与保护技术由于光伏并网发电系统直接与市电相并联，因此必须具备完善的保护措施。所谓孤岛
21、效应，是指电网中断供电时，光伏发电系统未能及时检测出电网停电状态并脱离电网，使太阳能并网发电系统和周围的负载组成一个不受电力公司掌控的自给供电孤岛。孤岛运行状态会带来安全隐患，从用电安全和用电质量方面考虑，是不允许出现的。目当前孤岛效应检测技术主要朝两个方向发展：一是检测指标的研究，也就是定义更为有效的量测参数作为判断市电断电的依据，这其中包括：电压、频率、相位、波形失真、负载阻抗变化等等；二是判断方法的改善，当可依据的断电检测指标增加时，可以发展成以经验法则为基础的智能型控制、有功功率正反馈、无功功率正反馈等方法，以便快速检测出孤岛效应。常用的孤岛检测方法主要分为被动式和主动式两种。被动式孤
22、岛检测包括利用基本的电压和频率检测功能、电压谐波检测法和相位跳变检测法；主动式孤岛检测包括有功干扰法、无功相位干扰法和主动移频法。检测孤岛效应具体方法：主动电流干扰法。主动电流干扰法工作原理：主动电流扰动法检测孤岛系统图沈阳工程学院 2015 /2016 学年第二学期研究生课程考核学号： Y2015201223 姓名： 钟晓宇 专业领域： 电气工程 共 7 页 ，第 5 页-装 -订 -线 -主动电流扰动法检测孤岛系统如图 8 所示。并网逆变器工作在电流控制模式，在不添加电流扰动情况下，控制逆变器输出电流跟随给定信号（一般为电网信号或者与电网同频同相的正弦），此时 iL=vg，在添加干扰信号时
23、，电流的参考信号为正弦信号 vg和干扰信号 vgi 的差，则 iL=vgd=vgi。并网情况下，公共点 PCC 的电压为电网电压，如果逆变器输出和负载消耗的功率相匹配，那么在不添加扰动情况下电网断电时，PCC 点的电压不发生变化，会导致孤岛发生。而在添加电流扰动的情况下，电网断电时，PCC 点的电压取决于逆变器输出电流和本地负载。v PPC=iLZ=(vg-vgi)Z,vPPC 在原来的基础上添加了 vgiZ 的电压降，超出欠电压保护的阙值范围，即使在功率相匹配的情况下孤岛也可以检测出来。主动电流干扰法软件实现：主动电流扰动法检测孤岛的流程图 主动电流扰动法检测孤岛流程如图所示。在这个方法中，
24、要主动给电流幅值施加偏移量，那这个偏移量只能是负的，即减小电流的幅值，因为如果增大电流幅值，就有可能使逆变器过载。另外，施加的偏移量不能过小，如果过小就有可能电压幅值变化也不够大，没有超出电压的限制，导致检测孤岛失败，所以施加的偏移为给定值的 50%是合理的。主动施加的偏移量比较大，导致逆变器的输出效率会有明显降低，因此不能每个周期都施加电流偏移量，要根据反孤岛检测时间和逆变器的输出效率综合考虑，来确定主动扰动的频率。结论 本论文对太阳能光伏发电并网问题现状及技术研究做了较全面的论述，主要进行了以下几方面的工作：首先分析了研究太阳能光伏发电的意义和必要性，其次在分析光伏并网过程中所面临的主要问
25、题，并对解决这些问题所采用的电流控制技术进行了概述，可利用 MATLAB 软件进行控制系统仿真实验。同时分析了并网过程中对孤岛效应现象的检测技术，通过主动电流干扰法进行检测。在对三相光伏并网系统研究的过程中，由于时间关系和个人能力的不足，尚存在一些不足之处。沈阳工程学院 2015 /2016 学年第二学期研究生课程考核学号： Y2015201223 姓名： 钟晓宇 专业领域： 电气工程 共 7 页 ，第 6 页-装 -订 -线 -鉴于目前光伏电池发电与电网联网时，其发电量相对电网容量来说还是很小的，因此它对整个电网稳定性的干扰和影响是很小的。但是当光伏发电并网的容量增加到一定程度时，由于光伏发
26、电系统的并网功率变化具有随机性，因此，它的扰动将有可能影响电网的稳定，也就是说光伏并网发电系统 在提供有功能量的同时，也会对电网带来安全性的危害。随着可再生能源发电系统的迅速发展，这一问题将会越来越严重。对于这一问题的研究，也是今后大规模光伏并网所要努力解决的问题。为了适应高容量，大规模的光伏发电系统并入公共电网，同时保证电网的安全稳定性，调节光伏并网的输出功率将成为必须解决的问题。输出功率的调节或许可以从储能技术，新型并网逆变器等方面进行解决。参考资料（文献）：1 王兆安，黄俊.电力电子技术M. 机械工业出版社，20002 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，袁立强.太阳能光伏发电及其应用 M.科学出版
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