光伏逆变器的并网控制仿真.docx

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光伏逆变器的并网控制仿真

毕业论文（设计）

学生姓名：

学号：

所在学院：

自动化与电气工程学院

专业：

自动化

设计（论文）题目：

光伏逆变器的并网控制仿真

指导教师：

2011年6月10日

摘要

世界环境的日益恶化和传统能源的日益枯竭，促使了对新能源的开发和发展。

具有可持续发展的太阳能资源受到了各国的重视，各国相继出台的新能源法对太阳能发展起到了推波助澜的作用。

其中，光伏并网发电具有深远的理论价值和现实意义，仅在过去五年，光伏并网电站安装总量已达到数千兆瓦。

而连接光伏阵列和电网的光伏并网逆变器便是整个光伏并网发电系统的关键。

光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合公共电网要求的交流电并送入电网的设备。

首先介绍了光伏并网逆变器。

其次，本文采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制方法，既保证了逆变器输出的静态误差为零，又保证了逆变器良好的输出波形。

随后，本文详细讨论了并网过程中的软件锁相环技术，对锁相环电路的组成、工作原理进行了研究。

本文根据逆变器结构的特点，提出了基于DC-AC单级并网逆变器的结构。

在DC-AC转换器中，采用输出电流控制，根据正弦脉冲宽度调制的缺点，提出空间矢量脉宽度调制方法对逆变器进行控制，从而提高直流侧电压的利用率，减少谐波。

基于SVPWM的控制原理，在MATLAB_simulink上建立系统模型，并进行了仿真实验。

仿真结果表明输出电流与电网电压保持同相位，从而证明了原理的可行性。

关键词：

光伏发电并网逆变器SVPWM锁相环技术

ABSTRACT

Theworld'senvironmentisdeterioratingandtheincreasingdepletionoftraditionalenergysourcestopromotethedevelopmentofnewenergydevelopment.Solarenergyresourcesbythecountriesattachimportancetosustainabledevelopment,countrieshaveintroducedanewenergylawhasplayedaroleinfuelingthedevelopmentofsolarenergy.Amongthem,photovoltaicpowergenerationhasfar-reachingtheoreticalvalueandpracticalsignificance,inthepastfiveyearsalone,thetotalphotovoltaicpowerplantinstallationhasreachedthousandsofmegawatts.Connectedphotovoltaicarraysandgridphotovoltaicgrod-connectedinverteristhekeytotheentiregrid-connectedPVsystems.

PVgrid-connectedinvertersolarcelloutputDCintoACmeettherequirementsofthepublicgridandintothepowergridequipment.FirstintroducedthePVgrid-connectedinverter.Secondly,theDCvoltageloopandinnercurrentclosed-loopcontrolmethod,bothtoensurezerostaticerroroftheinverteroutput,butalsotoensurethattheinverteroutputwaveform.Subsequently,thedetaileddiscussionofthesoftwarephase-lockedlooptechnologyandnetworkprocess,thecompositionofthephase-lockedloopcircuit,theworkingprincipleofthestudy.

Accordingtothecharacteristicsoftheinverterstructure,basedonthestructureoftheDC-ACsingle-stagegrid-connectedinverter.DC-ACconverter,theoutputcurrentcontrol,accordingtotheshortcomingofthesinusoidalpulsewidthmodulation,spacevectorpulsewidthmodulationinvertercontrol,therebyimprovingtheutilizationoftheDCvoltageandreduceharmonics.BasedontheprincipleofSVPWMcontrolinMATLAB_simulinksystemmodelandsimulationexperiment.Thesimulationresultsshowthattheoutputcurrentandgridvoltagetomaintainthesamephase,thusprovingthefeasibilityoftheprinciple.

Keywords:

Photovoltaicpowergeneration;SVPWM;Grid-connectedinverter;PLL

第一章绪论

本章首先介绍了光伏发电的研究背景与意义，对光伏并网逆变器技术进行了分析。

随后介绍了国内外并网逆变器的研究概况，阐述了光伏并网逆变器的研究方向。

最后介绍了本文的研究内容与章节安排。

1.1光伏发电的研究背景与意义

能源是人类社会生存和发展的动力源泉。

从原始社会的钻石取火到近现代的化石能源以及核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等各种新能源的应用无不闪现着人类的智慧之光[1]。

太阳能发电有热发电和光伏发电两种。

将太阳光辐射能通过光伏效应-直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术，是一种可再生的无污染的发电方式。

光伏发电成为一种改善人们生活条件、不破坏环境、受到人们欢迎的可再生能源[7]。

太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展，现在世界太阳电池组件的年产量已达200MWp以上（1998年为157．4MWp），投入应用的太阳能光电系统的累计容量已超过ll00MWp，成为全球发展速度最快的能源。

与此同时，作为应用系统的太阳能并网发电逆变装置的研究无疑也就成为世界上太阳能光伏发电领域中最热门的题目之一，它是太阳能并网发电的关键装置，对它的研究和开发是太阳能应用推广的必然要求，并存在着巨大的市场前景[2]。

太阳能利用技术指太阳能的直接转化和利用技术。

把太阳辐射能转换成热能并加以利用属于太阳能热利用技术;利用半导体器件的光伏效应原理把太阳能能转换成电能称为太阳能光伏技术[3]。

从文献《太阳能光伏并网发电系统的研究》[4]了解到：

光伏并网发电是太阳能利用的发展趋势，除大型光伏并网电站外，光伏发电系统将愈来愈多地用于调峰电站和屋顶光伏并网电站。

因此，对光伏并网系统的研究必将成为光伏发电技术研究的重中之重。

近年来，随着能源消耗的大规模增加、环保意识的逐渐提高，以太阳能为代表的可再生能源发电受到了广泛重视，并网发电装置的应用逐渐增多[5]。

太阳能发电有离网和并网两种工作方式。

过去，由于太阳能电池成本居高不下，太阳能发电多数被用于偏远的无电地区，都属于离网型用户。

但近年来，光伏产业及市场发生了极大的变化，开始由边远地区逐渐向城市并网发电、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”的角色被认可为下一代“替代能源”[6]。

随着光伏发电的迅速发展，对光伏发电提出了新的要求，需要大规模的并网发电，与电网连接同步运行。

并网逆变器作为光伏发电的核心，对其要求也越来越高[12]。

然而逆变技术是光伏发电并网的关键技术，并网逆变器作为太阳能电池与电网的接口装置，在新能源的开发和利用中有着至关重要的作用，直接影响着光伏并网发电系统的经济性和可靠性[14]。

光伏逆变器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，即功率因数为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。

其控制的整体思路是前级Boost电路通过调节全控型器件S的占空比来调节光伏阵列的输出电压，以实现MPPT控制；后级控制并网电流跟踪指令电流，并使电容C2的电压稳定。

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[11,14]。

光伏并网发电系统包括以下三个部分：

光伏阵列模块、逆变器、控制器和电网[15]，为了保证并网太阳能光伏发电站及其接入电网的安全、可靠、稳定运行，目前实施的项目中主要在发电站内采用逆变器来实现发电站的自动运行的功能，并安装了无功补偿装置及电能质量监测分析装置等，以保证电网的安全稳定运行[9]。

太阳能光伏发电作为可再生的清洁能源正受到日益广泛的关注与应用。

近年，太阳能光伏发电的技术水平得到快速的发展与提高。

以上内容说明了光伏电站并网逆变器选型的趋势。

随着以后逆变器技术的成熟，将会提高光伏发电系统的总效率，降低建设光伏电站的总费用。

对于我国大规模的光伏并网电厂建设具有重要的意义[13]。

1.2国内外的研究现状

1.2.1国外的研究现状

国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆变器市场中就有SMA、Satcon、Siemens等众多的公司具有市场化的产品，其中SMA在欧洲市场中占有的50%的份额，出欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都已经产品化。

一SMA为例介绍目前光伏并网发电系统用逆变器的发展情况，SMA光伏并网逆变器目前具有三大系列产品：

组串逆变器、集中逆变器和多支路逆变器，其中以SB（SunnyBoy）系列逆变器是SMA公司推出的最成功的产品之一，应用最广泛。

该产品具有如下特点：

高效率、高功率因数、低THD；基于微处理器的自动功率点调节。

图1-2为SMA公司的SB700并网逆变器。

其输入直流电压的范围是150V-250V，最大输入电流为7A，额定输出功率为70W。

输出并网交流电THD小于4%，效率为93%，白天逆变器损耗小于4W，晚上损耗小于0.1W，同时具有反孤岛效应，电流保护等，符合UL1741，IEEE219，IEEE929等相关国际安全标准。

图1-2SunnyBoy700

多支路逆变器室SMA最新推出的产品，该产品采用最大功率跟踪和并网逆变两级能量变换结构，多个不同支路共同用一个逆变环节，中间设置有内部直流母线，可以是系统的灵活性大为提高；输出端无工频变压隔离器，采用最新的电网阻抗检测和交、直流剩余电流检测来实现有效保护。

与SMA相比较，西门子并网光伏逆变器则采用主从式构建系统，由主逆变器和若干个从逆变器来组建用户要求容量的并网光伏系统，灵活性和系统