1、 （类 别 : 全 日 制 硕 士 研 究 生题 目 ： 光 伏 并 网 逆 变 器 限 功 率 控 制 策 略 研究 英 文 题 目 ： Research on Photovoltaic grid-connected inverter constrained production control strategy研 究 生 ： 梁 延 科学 科 名 称 ： 电 气 工 程指 导 教 师 ： 田 立 欣 副 教 授二 一 三 年 十 月硕 士 学 位 论 文分类号: 学校代码: 10128UDC: 学 号: 20111800128原 创 性 声 明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下
2、进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 内蒙古工业大学及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古工业大学有权将学位论文的全部或部分内容保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。为保护学校和导师的知识产权
3、，作者毕业后涉及该学位论文的主要内容或研究成果用于发表学术论文须征得内蒙古工业大学就读期间导师的同意，并且版权单位必须署名为内蒙古工业大学方可投稿或公开发表。本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。不保密。 （请在以上方框内打“ ”）学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 内蒙古工业大学硕士学位论文I摘 要太阳能是一种无污染可再生的绿色能源。随着全球能源不断消耗以及环境污染日益严重，世界各国对太阳能的开发和利用越来越重视。太阳能光伏发电技术得到了快速的发展，已经由初期的离网型千瓦级发展到现在的并网型兆瓦级以及多机并联发电，分布式光伏发电已经开始大规模并网，新能源发电组成的
4、微电网得到了研究与示范应用。文章分析了分布式并网发电和微电网中分布式电源控制技术，采用的光伏并网发电系统具有 MPPT 和限功率两种控制方式；逆变侧采用 解耦控制，dq较好的满足了分布式光伏并网发电和微电网光伏分布式电源注入公共电网的限制要求。本文以电力电子仿真软件 MATLAB/SIMULINK 为平台，在光伏组件 P-V 输出特性基础上对光伏发电系统进行了仿真研究，主要分析了光伏 MPPT 和限功率两种发电方式及其切换原理，双级式光伏发电系统由 Boost 升压电路和电压源型变流器(VSC)组成，分析了前级 Boost 电路 MPPT 和限功率控制方案；对电压源型变流器矢量控制技术进行研究
5、，阐述了光伏发电系统功率传递平衡原理，分析了逆变侧的控制策略，建立了电压源型变流器在 同步旋转坐标系下的前馈电流解耦动态数学模dq型。利用 MATLAB/SIMULINK 软件搭建了光伏发电系统的仿真模型，通过对太阳能光伏并网发电系统的仿真，验证了对系统所设计 MPPT 和限功率控制方式的有效性，使变换器功率能够在额定功率范围内自由调节。同时用 ModSim32 测试了组态软件 MCGS 搭建的并网逆变器功率控制监控系统。最后对论文进行了总结，并对后续改进工作提出了建议以及对光伏发电的前景做出了展望。关键词：光伏发电；MPPT 和限功率；电压源型变换器（ VSC）；并网控制内蒙古工业大学硕士学
6、位论文IIAbstractThe solar energy is non-pollution, renewable and green energy. With global energy being consumed and environment being polluted seriously, Countries around the world pay more attention to the development and utilization of solar energy. Solar photovoltaic power generation technology has
7、 developed very well, already from the early off-grid KW level to the present grid-connected MW level and parallel multi-machine power generation. Large-scale distributed photovoltaic power generation has been connected to the utility grid. Micro grid constructed by new energy power generation is be
8、ing researched and demonstrated. The distributed power control technology is analyzed in distributed grid-connected power generation and Micro grid. There are two kinds of power control modes, MPPT and the constrained power production, for photovoltaic grid-connected power generation system; decoupl
9、ing control for the inverter side. All these satisfy the distributed photovoltaic grid-connected power generation and the photovoltaic distributed power in Micro grid with limited injection requirements to the utility grid.Based on power electronic simulation software MATLAB/SIMULINK platform, photo
10、voltaic power generation system based on the simulation is researched considering photovoltaic P-V output characteristic. Model mainly analyzes two kinds of power control modes MPPT and the constrained power production together with the switching principle of two control modes. Two-stage photovoltai
11、c power generation system includes the Boost booster circuit and voltage source converter (VSC). MPPT and the constrained power production control methods are illustrates and implemented in the Boost circuit. VSC works based on vector control technology, besides the power transfer balance principle
12、and the control strategy of VSC are learned. The current feed-forward decoupling dynamic mathematical model of VSC is established under the synchronization reference frame.dqUsing MATLAB/SIMULINK software to build the simulation model of photovoltaic power generation system, the simulation of solar
13、photovoltaic grid power generation system validated the effectiveness of the power controller of MPPT and the constrained power production designed which can adjust converter freely within the scope of power rating. At the same time configuration software MCGS of grid inverter power control system i
14、s tested with ModSim32. Finally, to do the summary, the subsequent improvement suggestions were advised and the prospect of photovoltaic power generation was put forward.内蒙古工业大学硕士学位论文IIIKey words: photovoltaic power generation; MPPT and constrained power production; Voltage source converter (VSC); G
15、rid control目 录第一章 绪论 .11.1 选题背景及意义 .11.2 国内外研究现状和发展动态 .21.2.1 国外光伏发电的现状和发展动态 .21.2.2 国内光伏发电的现状和发展动态 .21.3 分布式发电中的限功率应用 .31.4 微电网中的限功率应用 .41.5 两种限功率调节方式 .61.5.1 风力发电系统调节方式 .61.5.2 光伏发电系统调节方式 .61.6 课题主要研究内容 .7第二章 光伏并网限功率系统 DC/DC 侧设计 .92.1 光伏电池输出特性及限功率控制原理 .92.2 DC/DC 变换器分类与选取 .102.2.1 DC/DC 变换器分类 .102
16、.2.2 DC/DC 变换器选取 .122.3 BOOST 电路 MPPT 和限功率控制设计 .152.3.1 Boost 电路 MPPT 控制方法 .152.3.2 Boost 电路限功率控制方法 .152.4 本章小结 .16第三章 光伏并网限功率系统 DC/AC 侧设计 .173.1 DC/AC 变换器分类与选取 .173.1.1 PWM 电压源换流器拓扑分类 .173.1.2 PWM 电压源换流器的矢量控制原理 .183.1.3 三相桥 VSC 主电路滤波 L/C 选取 .193.2 DC/AC 控制系统 .203.2.1 SVPWM 调制方式 .21内蒙古工业大学硕士学位论文IV3.
17、2.2 坐标变换 .213.2.3 系统模型 .223.2.4 电流内环控制系统设计 .243.2.5 电压外环控制系统设计 .263.3 本章小结 .27第四章 仿真结果与分析 .294.1 滤波电路的类型及滤波特性 .294.2 功率控制仿真 .314.3 本章小结 .35第五章 监控系统 .365.1 MCGS 系统介绍 .365.2 MODBUS 协议以及 MODBUS 测试工具 .375.2.1 MODBUS 协议 .375.2.2 MODBUS 测试工具 .385.3 图形界面 .385.4 本章小结 .40第六章 总结与展望 .416.1 总结 .416.1 展望 .42参 考
18、文 献 .43致 谢 .46作 者 简 介 .47第一章 绪论1第一章 绪论1.1 选题背景及意义图 1-1 太阳能电力将成为 21 世纪的主要能源 1Fig. 1-1 Solar power will become the main energy in the 21st century当电力、煤炭、石油等化石能源迅速消耗枯竭，化石能源问题日益成为制约世界社会经济发展的瓶颈时，太阳能作为可再生能源的重要一员，得到了各个国家的青睐，越来越多的国家开始实行“阳光计划” ，以光伏建筑一体化和光伏屋顶等形式开发利用太阳能资源，形成了新的经济产业链。太阳能在可再生能源所占比例逐年增加，图 1-1 显示未
19、来太阳能在能源供应中所占比例。同时随着科学技术的发展，太阳能利用技术也趋于成熟和稳定。目前太阳能的应用较为广泛的主要是太阳能供热和太阳能发电两个领域。从长远前景来看，光伏发电是最具潜力的战略替代发电技术。其中利用光伏发电的形式有离网型光伏系统和并网型光伏系统。其中并网型又包括大型光伏电站和分布式发电系统及微电网系统。分布式发电所占比重与日俱增，并且未来分布式光伏发电将会占到很到的电力供应比例，微电网也将作为智能电网的重要组成部分而被广泛应用。未来不能仅仅局限于分布式发电单元的基本功能和并网标准（电压、电流、功率因数、孤岛、谐波、闪变、短路能力）等传统的规定，而是需要真正将分布式电源在大电网和微
20、电网中作为整体电网的潮流单元来分层管理 2。本文研究了限功率内蒙古工业大学硕士学位论文2控制，以期望在分布式光伏发电管理系统和微电网功率控制中得到较好的应用。1.2 国内外研究现状和发展动态1.2.1 国外光伏发电的现状和发展动态光伏并网逆变器功能已经很完善，如多机并联、独立后备与并网发电两用、多机组合群控、最大功率自动跟踪、孤岛效应防止、远程调度管理等 3。并网系统己经在国际市场中占据了主导地位。在国外，布式光伏发电主要应用在城市屋顶并网、光伏建筑一体化和光伏声屏障系统等方面。由于欧美日本等发达国家均实施了相应的措施鼓励居民投资屋顶光伏系统。因此，分布式并网系统的市场份额要远远大于集中式并网
21、系统，在 IEA-PVPS 项目成员国中就达到了 14:14。在微电网方面，欧盟重点研究多个微网连接到配电网的控制策略，协调管理方案，系统保护和经济调度措施，以及微网对大电网的影响等内容。美国在热电联产式微网的发展做出了重要贡献。日本目标主要集中在研究间歇的可再生能源发电对微网控制的影响。1.2.2 国内光伏发电的现状和发展动态国内的光伏并网逆变技术与国外先进技术有一定差距，由于分布式光伏并网发电功率的波动性，涉及气象预测，最大功率点跟踪，逆变器效率，功率控制管理系统，使太阳能光伏发电广泛接入大电网方面还不成熟。太阳能发电成本较高，我国新能源发电扶持力度不够，配电网结构不足已支持大规模并网 5
22、6，微电网没有广泛应用，上网电价制度不健全等。我国光伏发电整体落后。目前我国国内并网系统主要两种发展方式 7：1大型和超大型并网光伏电站系统。一般是由光照资源较好的偏远地区经过高压输电网络向大城市的负荷终端输送，可参与电力系统调度。但是存在以下缺点：（1）市场因素决定了负荷分配和光伏电站建设成本等的变化，但是从偏远地区到负荷终端的输电网络不能随意调整且投资成本大，容易造成输电设备的投资浪费。（2）对于输送到偏远地区的集中式光伏电站由于远离负荷终端，相比于分布式发电为本地负荷供电输电费用高。（3）对大电网系统中的光伏电站而言，由于光伏供电的不可靠行，容易造成大面积停电事故，对电力系统的经济运行造
23、成了严重影响。第一章 绪论32分布式发电和微电网。我国光伏组件产能过剩，国家加大了对光伏产业的扶持力度，扩大内需，未来几年我国分布式光伏电站将会继续增多。我国分布式光伏并网发电面临很大机遇。分布式光伏并网发电的利用形式 8：（1）自发自用，不向电网反送电力；（2）自用为主，余电上网；（3）接入公共配电网，电网收购，统购统销。我国的小型分布式电源组成的微网的研究还是刚刚起步，如浙江省电力试验研究院设计的浙江东福山岛风光柴海水淡化综合系统工程提出了交直流混合微网，综合考虑最大化利用可再生能源减少柴油发电，同时兼顾蓄电池使用特性最大化延长使用寿命的运行策略，中新天津生态城智能电网综合示范工程微网系统
24、等等。微电网技术和利用形式还处于探索阶段。1.3 分布式发电中的限功率应用逆功率保护控制系统本地负载通讯通讯D CA CD CA C功率采集模块通讯U T I L I T Y G R I DP C CP i n j e c t i o n 0图 1-2 分布式发电的逆功率保护Fig.1-2 Reverse power protection of distributed generation由于分布式光伏接入配电网将改变传统配电网的辐射式配电方式，配电网电压管理问题是大规模分布式光伏发电发展的最大挑战之一 9，因为分布式光伏发电系统的不可控，大电网要求分布式电源只供应本地负荷，限制其电能通过大电
25、网网络供应其他负荷。低压配电网中的光伏发电装置只准满足并网点以内的负荷消耗。通过添加逆功率保护装置，在负荷变化时，检测并网点的电压、电流、功率情况，通过限功率控制方式调节逆变器输出，始终保持并网点内部功率平衡。因为负载的投切时间短，逆变器的功率调节慢，并网点电压会受到负荷突变冲击，但在低压配电网中容量配置中冲击影响较小。这种逆变器动态调节方式相比于逆变器硬切除而使内蒙古工业大学硕士学位论文4并网点内光伏发电和负荷消耗功率匹配的方式，增加了灵活性，提高了供电质量。1.4 微电网中的限功率应用馈线 A馈线 B馈线 CA CD CD CA C微型燃气轮机P VP VD CA CD CA CP C C
26、GA CD CD CA CU N I T I Y G R I DD CA C飞轮储能光伏蓄电池齿轮箱风力机P i n j e c t i o n P i n j e c t i o n _ l i m i t e dD CD CD CA C光伏图 1-3 微电网基本结构Fig.1-3 micro grid power balance adjustment微电网通常包含分布式电源、储能装置和负荷。微电网中分布式电源具备的功能 10：基本功能 并网电流控制，直流电压控制，电网同步；辅助功能无功补偿、有源滤波、故障穿越、电网支撑（电压、频率） 。在微电网中除了分布式电源具备的基本功能外还要考虑分布式
27、电源在微电网中的信息管理系统 11121314。微电网负荷分为常规负荷和敏感负荷，必要时常规负荷可被切除。微电网有两种运行模式，孤岛运行和并网运行。在孤岛状态，微电网所发电能用来满足本地负荷需求，达到功率平衡。而在并网情况下，微电网吸收功率或向公共电网注入功率。微电网做为智能电网的一部分，用来平衡公共电网，同时降低成本，提高供电质量如图 1-3。微电网中分布式电源常见的控制方式：1下垂控制若需要通过电网或微电网向负载供电，且需要在不同电源之间实现功率均分，可通过使用“下垂控制”及其派生的控制方法来实现。其基本思路是复现传统的同步发电机特性，也被称为虚拟同步发电机控制方式 15。一般来说，此类发电机与调速器控制的蒸汽涡轮相连，其控制策略为，输出有功功率增大时频率降低，输出无功功率增大时电压幅值减小。下垂特性应由有功功率分配及额定功率的大小而定，无功功率也应有类似的下垂特性，以保证无功功率的分配和均衡。模拟同步发电机
