1、北京交通大学硕士学位论文 正文硕 士 学 位 论 文光伏并网变流器关键技术研究Research on Key Technologies of Photovoltaic Grid-Connected Inverter北京交通大学硕士学位论文 正文中文摘要摘要：新能源的使用得到越来越多的推广，太阳能凭借其多方面的优点受到全球的高度关注。太阳能的应用方法有很多种，光伏并网发电代表太阳能光伏利用的发展方向，已经逐渐成为光伏利用最主要的途径。并网逆变器是光伏并网系统的核心，本文以光伏并网发电系统为研究对象，对光伏并网系统中关键技术进行了分析和研究。中小功率光伏并网逆变器通常采用两级结构，需要根据输入电压
2、采取相应的控制方式。并网逆变器研发中，充分利用了DSP同步采样的功能，可以准确的测量电流在一个开关周期内的平均值，这种控制方式在后续的实验中得到了验证。关键词：变流器；空间矢量脉宽调制； 最大功率点跟踪；反孤岛效应分类号：TM615北京交通大学硕士学位论文 序ABSTRACTABSTRACT: Nowadays, with the increasing of energy exhaustion and environment pollution, the utilization of photovoltaic technology has become a hotspot of the who
3、le world. The main utilization of solar energy will be the grid-connected photovoltaic system. The core technology of the grid-connected photovoltaic system is grid-connected inverter. The average current is accessed by using synchronizing the on-chip analog-to-digital function of DSPTMS320F2812. KE
4、YWORDS： inverter; SVPWM; MPPT; anti-islandingCLASSNO：TM615北京交通大学硕士学位论文 序序本人在研究生学习阶段，在实验室参与了 IGCT 驱动，小功率开关电源等方面的研究，实验室已完成了多项蓄电池充放电系统项目的研究，掌握了一些测量和控制方法，研究生毕业设计题目为太阳能并网逆变器研究。对于该系统的研究得到了导师和实验室的支持，在实验室老师和同学的关心帮助下，完成了从对系统方案的分析设计到整个系统的满负载试验。试验的结果验证了该方案的可行性。由于学识水平、实践经验以及时间等的限制，在很多方面做得还不够完善，需要做进一步的研究。北京交通大学硕
5、士学位论文 序目录中文摘要 .vABSTRACT .vi序 .vii第一章 引言 .91.1 光伏发电 .91.2 国内外发展现状 .101.3 关键技术 .111.3.1 光伏变换器 .111.3.2 最大功率跟踪控制 .111.3.3 孤 岛效应 .111.4 论文的主要研究工作 .12第二章 系统主电路拓扑 .- 12 -2.1 光伏发电系统 .- 12 -2.2 系统工作原理 .- 13 -2.2.1 升压式变换器（Boost） .- 14 -2.2.2 PWM 整流器 .- 15 -2.3 主电路参数设计 .- 17 -2.3.1 升压电感设计 .- 17 -2.3.2 中间直流电容
6、设计 .- 18 -2.3.3 交流侧滤波电感设计 .- 19 -第三章 系统控制策略 .- 23 -3.1 控制策略 .- 23 -3.1.1 PWM 整流器的双闭环控制 .- 23 -3.2 控制算法 .- 24 -3.2.1 空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM） .- 24 -3.2.2 最大功率跟踪（MPPT） .- 30 -3.2.3 孤岛检测 技术 .- 33 -第四章 系统软件设计 .355.1 主程序 .36北京交通大学硕士学位论文 序5.2 控制算法 .365.3 故障保护 .37第五章 试验调试 .375.1 变流器升压试验 .385.2 变流器负载试验 .395.3 变流器
7、温升试验 .40第六章 结论 .426.1 实验结论 .426.2 存在的问题 .42参考文献 .43作者简历 .45独创性声明 .46学位论文数据集 .47北京交通大学硕士学位论文 序第一章 引言1.1 光伏发电能源是人类经济及文化活动的动力来源。从原始社会开始，化石能源逐步成为人类所用能源的主要来源，这种状况一直延续至科技发达的现代社会。随着人类对能源需求日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。此外，大量使用化石燃料已经给人类生存环境带来了严重的后果。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化已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。在本世纪，人类将面临实现经
8、济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题，而能源问题将更为突出。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能作为“储量无限” 、存在普遍、开发利用清洁以及逐渐显露出的经济性等优势，它的开发利用将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，是人类理想的替代能源。太阳能开发利用必将在本世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为本世纪后期的主导能源。根据现阶段的历史条件和技术发展水平，以新能源替代传统能源、以优势资源替代稀缺资源、以可再生能源替代
9、化石能源已成为一种必然趋势。其中，利用太阳能发电的技术将得到很好的发展。利用太阳能发电，即光伏发电是指利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，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：绝对零排放，无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等的“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
10、电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抵御自然灾害和战略准备的角度看，它更具有明显的意义；(7) 资源、发电、用电同一地域：可望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，因此可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的太阳能发电站。北京交通大学硕士学位论文 序1.2 国内外发展现状随着第一块太阳能电池板的问世，光伏发电在各国得到了迅猛发展。2004 年世界太阳能电池生产企业总产能达到 1000MW 以上，同比增长 35%。2005 年，世界太阳能电池总产量 1656MW，其中日本仍居首位， 762MW，占世界总产量的 46，欧洲
11、为 464MW，占总产量的 28，美国 156MW，占总产量的 9，其他 274MW，占总产量的 17。国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，太阳能光电技术的应用系统正在迈向大规模的商业应用阶段。研究表明：太阳能光电产品的市场销量在今后十年内将以平均 30的速度增长，到2010 年年销售量将达 4600MW。到本世纪中叶，光伏发电电量会占世界总发电量的1020，成为世界基本能源之一。 与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，中国落后于发达国家 10-15 年，甚至明显落后于印度。但是，中国光伏产业正以每年 30%的速度
12、增长，2005 年中国太阳能电池生产总量达到139MW，较 2004 年猛增了 179%，2006 年达到 400MW。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，在 2010 年以前，中国太阳电池多数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将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。光伏并网变流器是光伏发电并网系统中的核心控制组件，要求其达到稳定，高效，安全以及真正实现绿色无污染的效果。国内市场上相关的产品很多，但主要还是进口设备。市场上主要一些产品包括德国 SMA，瑞士 Sputnik 公司以及日本的 OMRON 等。国内也很
13、早就开展了相关技术的研究，并在最大功率点跟踪控制，孤岛检测等方面取得了很大的成就。1.3 关键技术1.3.1 光伏变换器光伏变换器是光伏发电系统中的关键部件。变换器分为直流变换器（DC/DC）和交流变换器（DC/AC）两种，直流变换器将直流电压和直流电流变换为不同等级的直流电压和直流电流；而交流变换器是将直流电能变换为交流电能，通常是指光伏逆变器。对于设计的光伏变换器，尤其是并网型变换器，要求输出满足电网及用户的需求。北京交通大学硕士学位论文 序1.3.2 最大功率跟踪控制光伏阵列功率输出特性具有非线性特征，受太阳辐照度、环境温度和负载情况影响。在一定的太阳辐射度和环境温度下，光伏阵列可以工作
14、在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率一电压曲线（P-V 曲线）的最高点，称之为最大功率点(Maximum Power Point，MPP) 。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时检测光伏阵列的输出功率，通过一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况，调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT) ，相应的技术称之为最大功率点跟踪技术。关于此技术，国
15、内外文献提出了多种跟踪算法，根据实际情况，可适当选择可行的跟踪方案。1.3.3 孤岛效应根据美国 Sandia 国家实验室(Sandia National Laboratories)提供的报告中给出的定义：孤岛是指由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断供电时，各个用户端的太阳能光伏并网逆变器仍独立运行的现象。在这种情况下，局部电网负载完全依靠光伏发电系统电源支配运行，就形成了与主电网隔离的“孤岛”状态。当孤岛发生时，由于并网逆变器持续供电，相连的电网将处于带电状态，则可能危及电网线路维护人员的生命安全。同时会干扰电网的正常合闸过程，在合闸瞬间产生的浪涌电流可能会损坏负载或并网逆变器装
16、置。因此，光伏发电系统需添加适当的孤岛检测措施，防止发生危险。1.4 论文的主要研究工作北京交通大学新能源研究所一直从事新能源应用领域的研究和开发，并在风力发电、光伏发电等领域取得了重要成果，吸引了很多企业积极与新能源研究所开展合作。本论文所做的 25kW 光伏并网变流器就是与北京能高自动化技术有限公司合作而设计开发的产品。论文在第二章将对系统主电路作详细介绍，第三章将对系统采用的控制策略进行分析，第四章将根据前两章的内容，阐述系统软件结构，第五章将给出试验调试的结果，并根据实验中测量到的一些波形，做出分析。北京交通大学硕士学位论文 序第二章 系统主电路拓扑2.1 光伏发电系统光伏发电系统（P
17、hotovoltaic Power Generating System，简称 PV 系统）是指从将太阳能转换为电能的太阳能池板到最终提供给用户或并网使用的设备终端之间的整个设备体系。光伏发电系统按照与电力系统的关系可分为离网型发电系统和并网型发电系统。离网型发电系统属于孤立的发电系统，它不与电网相连，直接给负载供电。一般主要应用于偏远无电地区，其供电可靠性受到气象环境以及负载情况的影响，供电稳定性相对较差，许多时候需要加装储能装置和能量管理环节。并网型发电系统输出与电网相连。与离网型相比，并入大电网可以给太阳能发电带来诸多好处：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
18、终运行在最大功率点处，由大电网来接收太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率；再次，系统可以省略储能装置，消除储能装置在充放电过程中的能量损耗及运行维护的费用，同时可以消除废旧装置带来的间接污染。本文采用并网型发电系统，见图 2-1：太阳能池板驱动电路控制电路变压器T RD C / A CD CD CM P P T S V P W M三相相电流电网线电压图 2-1 双极式并网发电系统Figure 2-1 Photovoltaic Power Generating System光伏发电系统按照系统拓扑结构可以分为单级式发电系统和双级式发电系统。单级式发电系统将太阳能池板转换的直流电能通过逆变器转换为交流电能，供给负载使用或并入电网。单级式系统仅靠逆变器实现最大功率点跟踪、并网、有功调节、无功补偿等功能。在控制上
