光伏并网逆变器的分析与研究.docx

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光伏并网逆变器的分析与研究

摘要

针对全球范围内能源紧张的局面，开发利用太阳能越来越受到重视。

太阳能光伏并网发电是太阳能利用的主要形式，具有广阔的发展前景。

本文就是在此背景下，以光伏并网发电系统为研究对象，对并网逆变器的主电路拓扑、控制策略、最大功率点跟踪和孤岛效应做了详细的分析研究。

同时对逆变器主电路的拓扑结构做了MATLAB/Simulink的电路仿真分析，讨论了个别参数对电路的影响。

首先，本文介绍了国内外光伏并网发电产业的现状，并对光伏并网发电系统的组成结构、优缺点、发展趋势及光伏并网发电系统对逆变器的要求做了简单介绍，对光伏并网发电系统建立了总体认识。

其次，讨论研究了逆变器主电路的拓扑形式，选择了无变压器的两级结构，即前级DC/DC变换器和后级DC/AC逆变器。

前级DC/DC模块采用Boost升压斩波结构，后级的DC/AC逆变器采用全桥式逆变，并向电网输送功率。

再次，讨论确定了逆变器电流电压双闭环的控制方式，并最终确定了光伏并网发电系统的总体方案。

应用MATLAB/Simulink中的工具箱搭建了整个系统模型，进行了仿真实验研究，验证了实现并网逆变的可行性。

最后，我们知道孤岛效应问题关系到光伏并网发电系统的安全问题，本文阐述了孤岛效应产生的原因、对电网的危害和目前各种常用的被动和主动及外部孤岛效应的检测方法，提出了添加反孤岛效应保护的必要性。

关键词：

光伏逆变器，最大功率点跟踪，孤岛效应，Simulink仿真

ABSTRACT

Forthestrenuousenergysourcescurrentlyintheglobalscope,exploitingandutilizingthesolarenergyispaidmoreattentionbymanypeoplethanbefore.Photovoltaic（PV）generation,oneimportantmethodofusingsolarenergy,isverypromising.Underthisbackground,thispaperbasesongrid-connectedPVsystemasresearchobjectandthendoesdetailanalysisfromthemaincircuittopologyofgrid-connectedsystem,controlstrategies,systemparameters,anti-islandeffectaswellasanalysis.

Firstly,thestatusofPVsystemhomeandabroadisintroduced.ThebasicstructureandtypesofthePVsource,advantagesanddisadvantages,developmenttrend,requirementsoninverterarealsopresented.Anoverallunderstandingofthesystemissetupnaturally.Secondly,thispaperdiscussesthetopologyofthemaincircuitoftheinverterandchoosetwostagestransformstructure,DC/DCconverterwithBoosttopologystructureandDC/ACinverterwithfull-bridgeinverter.Thenthispaperdiscussescontrolmodeofcurrent-voltagedouble-loopandthendeterminestheoverallprogramofgrid-connectedPVsystem.Matlab/Simulinktoolboxesareusedtobuildthewholecircuitmodelandthesimulationstudy.Lastly,Thepaperanalyzesthecansesandeffectsaswellasdetectionmethodsusednow,suchaspassiveandactiveandexternalislandingdetectionmethodsandaddtheanti-islandprotectionisnecessary.

Keywords:

PV-inverter,MPPT,IslandingEffect,SimulinkSmulation

1绪论

1.1光伏发电产业现状及发展

在当今工业自动化社会中，电能起着十分重要的作用，人均消耗的电能量已成为衡量一个国家实力的重要指标。

电力电子技术对节能、减小环境污染，改善工作条件，节省原材料，降低成本和提高产量等方面均起着十分重要的作用。

因此，为了高质量，有效地使用电能，各种电能必须经过电力电子技术变换后，再用于工业和军事的需要。

在新能源利用方面，电力电子技术在其发电与电能质量的控制中也占有重要地位，光伏发电就是电力电子技术应用最为广泛的一个领域，近年来迅速发展的光伏产业，也带动了电力电子技术的不断进步，随着世界对新能源发电的渴求，光伏并网发电规模将会更加迅速的扩大，应用面将更宽。

光伏并网发电系统技术在多年地研究过程中己近成熟，但还是存在部分的技术难点，但这并不影响其在目前大电网中的推广应用，光伏并网发电技术的研究对完善并网技术和理论，进一步提高光伏发电效率，稳定电网电压和质量，都具有重要意义。

1.1.1世界光伏发电产业现况

太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，被认为是当今世界最有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。

当前国际上对光伏发电的研究主要有两个方向，一个是光伏电池的研究，力求找到一种价格低、转换效率高的太阳能电池板材料；另一个研究热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变器件和光伏建筑集成应用系统等方面的研究。

在世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起了大规模的国家光伏发电计划和太阳能屋顶计划，在它们的刺激和推动下，光伏产业近几年保持着年均30%以上的高速增长，许多企业和研究机构成功地推出了多种不同的高性能逆变器，并网光伏发电已经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。

进入21世纪后，世界光伏发电系统更是得到了前所未有的发展，2004年装机总量已达到1200MW，比2003年同比增长61%，是全球发展最快的新能源。

近几年国际上光伏发电加速发展，美国计划到2010年安装1000～3000MW太阳能电池，而日本计划到2010年安装7600MW太阳能电池。

1.1.2中国光伏发电产业现况

中国于1958年开始研制太阳能电池，并于1971年成功地首次应用于我国发射的东方红二号卫星上。

经过40多年的努力，中国的光伏发电技术已具有一定的水平和基础。

到2004年底，已建成10多个初具规模的光伏电池专用生产厂，晶体硅光伏电池的生产能力约为57MW，非晶体硅电池组件的年生产能力约为10MW，光伏电池组件的年生产能力在150MW以上。

在光伏发电设备方面，我国也取得了不小的进步。

“八五”、“九五”、“十五”期间开发出了独立光伏发电系统用的10～100kW的正弦波DC-AC逆变器，逆变效率大于90%；研制出了一系列光伏专用的控制器和太阳模拟器等检测仪器；研制出了并网逆变器、智能控制器和光伏电站微机监控装置等设备。

在光伏水泵系统、通信光伏电源系统、独立光伏电站、家用光伏电源系统、光-风混合发电系统、小型并网光伏发电系统等系统技术方面，也取得了不少的研究成果和工程经验。

虽然，我国的光伏产业已经取得了很多成就，但是，从总体上来讲，与国外发达国家相比还有很大差距。

例如，存在的主要问题有：

硅材料的紧缺；生产规模小，产业链不完整；技术水平低；控制器、逆变器等关键设备技术性能还不够高；成本价格高；标准规范不够健全等。

1.2光伏并网发电系统概述

光伏并网发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型的发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。

光伏并网系统分集中式和分散式两种，集中式并网电站一般容量较大，通常在几百千兆到兆瓦级，而分散并网系统一般容量较小，在几千瓦到几十千瓦，目前光伏并网系统大多为分散式的并网系统。

而且光伏并网发电系统不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。

在阳光充足时发出电能，通过逆变器向用户负载供电，同时与电网并联，多余的电能溃入电网。

在阳光不充足或光伏发电量达不到使用量时，由控制部分自动调节通过电网给予补充。

1.2.1光伏并网发电的前景

光伏并网逆变技术经过近几年的研究和发展，在技术上已近成熟，在电力电子技术先进的德国、日本、美国和加拿大等发达国家己有成熟的、技术先进的、性能优秀的产品问世，从小功率几十瓦到上百瓦、上千瓦的高频光伏并网模块，到高压大功率的光伏并网逆变电源，品种繁多，不仅如此，其功能也很完善，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。

我国在光伏并网逆变技术方面的研究经过“九五”和“十五”的国家科技攻关，在基本理论和实用技术方面已经取得可喜成绩，在并网逆变的关键技术方面已有所突破，并具有自主知识产权，国内己有部分企业能够生产并网逆变样机产品，但在并网逆变技术的细节方面，与国外先进技术相比还有较大差距。

例如，并网逆变系统的电磁噪声和电磁兼容性问题，国内相关研究并不多，但这一问题在并网逆变系统中却相当重要，要良好地予以解决在技术上也相当困难。

在并网逆变发电系统的最大功率跟踪方面，虽然国内研究报道较多，原理也相当简单，但真正能够实现性能指标优秀的光伏阵列最大功率跟踪还未能看见实际样机。

在适应电网安全方面，对孤岛效应的识别方式和并网功率控制方式还缺乏详细的实验研究和标准制定。

此外，光伏并网逆变器主电路的研究也较单一，适应面较窄。

光伏并网发电系统不仅仅涉及到太阳电池和并网逆变技术，还涉及到系统的控制和优化问题，太阳能发电系统的总体发电效率除与太阳电池效率、逆变器效率和功率控制方式有关外，同时也与当地的纬度、气候、日照、和太阳电池阵列的倾角、方位角有关，提高光伏系统的全年总体发电效率是一个复杂的系统工程，它涉及到现代工程数学、现代控制理论、仿真技术、建模技术等多学科领域，多学科相互交叉，国外在经过多年的大量的光伏应用研究和运行统计的基础上，己经建立了完善的全球各地区气象年均日照和月均日照统计数据库，为光伏系统的优化设计和配套提供充分的依据条件，并研制成功专门的光伏系统优化设计软件包，为方便光伏系统的推广应用、节省设备投资、降低成本、提高系统的运行可靠性及供电的保证度等提供理论依据和优良设计工具。

与孤立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，不用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，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了光伏发电的效率；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。

1.2.2光伏并网系统的组成

图1光伏并网系统结构图

光伏并网发电系统是指将光伏阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅值、同频、同相的交流电，并实