三相光伏并网发电逆变系统的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 3.45MB 67 页 15积分
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摘 要
随着人类经济社会的高速发展，同时能源枯竭以及环境污染问题日益突出，
开发和利用可再生能源越来越受到各国的关注。可再生能源发电已成为一种必然
趋势，并网逆变器是风力发电、光伏发电等可再生能源发电的关键设备。由于目
前光伏并网逆变器的效率低、成本高等缺点，发展高效低成本的光伏并网逆变器
已成为光伏领域研究的重点。
三相光伏并网发电逆变系统是有效利用太阳能的一种有效途径，具有很广阔
的应用前景。本文通过对三相光伏并网发电系统的研究，为利用太阳能和实现并
网的研究奠定了基础，且对减少电网的谐波污染和实现绿色电能变换的研究具有
重要的意义。
本文介绍了三相光伏并网发电系统的结构和工作原理，并对其工作原理进行
了详细分析，并在此基础上对主电路进行了设计；对三相光伏并网发电系统的控
制进行了研究，建立了三相并网逆变器的数学模型；确定了 dq 旋转坐标系下分量
与有功、无功之间的约束关系，提出了双闭环控制方法；最后采用
MatlabR2009a/Simulink 仿真软件对三相光伏并网发电逆变系统进行了相关仿真研
究，仿真结果表明系统的设计可以实现单位功率因数运行，网侧电流正弦化，具
有优良并网性能；同时也进一步验证了该系统控制策略的正确性。
关键词：光伏并网 MPPT 控制 空间矢量调制 MATLAB 仿真 有功/
无功
ABSTRACT
With the rapid development of human economic society as well as energy
depletion and increasingly prominent environmental pollution issues, exploitation and
utilization of renewable energy are on the move to catch the attention of various
countries. Renewable energy generation has become an inevitable trend. The inverter
plays a crucial role in the process of electricity generation from wind, solar, and so forth.
Due to shortcomings of photovoltaic grid-connected inverter, including inefficiency and
expensiveness, the development of high-efficiency, low-cost photovoltaic inverter has
become the focus research in the field.
Three-phase grid-connected PV inverter generation system is the effective use of
solar energy and has a very broad prospect. This thesis lays the foundation for the
research on the usage of solar energy and implementation of grid connection, and
produces the far-reaching impact on the research about reduction of harmonic
disturbance and application of green power conversion.
This thesis describes the structure, principle of working and detailed analysis of
three-phase grid-connected PV system, which the main circuit design is based on. The
study on the control of the system was conducted, and the mathematical model of
three-phase inverters was established; the relationship among active power, reactive
power and dp components under the rotatory coordinate system was certified, and the
double closed loop control method was raised; finally, relevant simulation of
three-phase grid-connected PV system was achieved with the simulation tool
MatlabR2009a/Simulink employed. The simulation results indicated that the system
designed could be on the operation by unit power factor with the grid-side
sinusoidal-waveform-like current and the excellent performance of grid-connection;
furthermore, it validated the correctness of control system strategy.
Key Word: photovoltaic; MPPT control;Space Vector Modulation;
MTLAB simulation;active power/ reactive power
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题背景和意义..............................................................................................................1
§1.2 光伏并网逆变发电系统的国内外发展现状..........................................................2
§1.2.1 国外的发展现状 .......................................................................................2
§1.2.2 国内的发展现状 .......................................................................................2
§1.3 光伏并网逆变发电系统的概述.................................................................................3
§1.4 光伏并网逆变发电系统的展望.................................................................................5
§1.5 本文的主要研究内容................................................................................................... 5
第二章 太阳能光伏电池的原理及特性 .........................................................................7
§2.1 太阳能光伏电池的概述................................................................................................7
§2.2 光伏电池的等效电路及其特性.................................................................................8
§2.2.1 光伏电池的等效电路模型..................................................................................8
§2.2.2 光伏电池的特性 ........................................................................................9
§2.4 小结................................................................................................................................. 10
第三章 三相光伏发电并网逆变系统的电路结构分析 ...............................................11
§3.1 三相光伏发电并网逆变系统的概述......................................................................11
§3.2 并网逆变器拓扑结构的分析................................................................................... 11
§3.2.1 DC/DC 斩波电路设计 ............................................................................. 12
§3.2.2 DC/AC 逆变电路设计[8] .......................................................................... 14
§3.2.3 数据采集电路设计 ..................................................................................17
§3.2.4 保护电路的设计 ......................................................................................18
§3.2.4 DSP 控制板电路设计 .............................................................................. 20
§3.3 小结................................................................................................................................. 23
第4章 三相光伏发电并网逆变系统的最大功率的跟踪 ...........................................24
§4.1 最大功率跟踪控制的概念.........................................................................................24
§4.2 MPPT 控制算法 .............................................................................................................25
§4.3 基于 RBF 神经网络的 MPPT 控制算法............................................................... 31
§4.3.1 概述 ..........................................................................................................31
§4.3.2 RBF 神经网络的结构 .............................................................................. 32
§4.3.3 径向基函数的学习过程 ..........................................................................33
§4.3.4 基于 RBF 神经网络的 MPPT .................................................................35
§4.4 小结.................................................................................................................................. 36
第五章 系统并网逆变的控制策略 ...............................................................................37
§5.1 三相并网逆变器的数学模型....................................................................................37
§5.1.2 三相逆变器三相-两相变换模型 ............................................................ 40
§5.1.3 三相逆变器两相旋转变换后的模型 ......................................................41
§5.2 双闭环控制系统的设计............................................................................................. 42
§5.2.1 内环电流控制策略 ..................................................................................43
§5.2.2 外环电压控制策略 ..................................................................................45
§5.3 逆变电路的调试控制策略.........................................................................................46
§5.3.1 正弦脉宽调制（SPWM）的工作原理 ..................................................47
§5.3.2 电压空间矢量 PWM（SVPWM）工作原理 ........................................ 49
§5.3.3 SPWM 控制技术与 SVPWM 控制技术比较 ......................................... 52
§5.4 软件实现锁相环（PLL—Phase Locked Loop）................................................ 53
§5.5 小结.................................................................................................................................. 54
第六章 三相光伏发电并网逆变系统的仿真与理论分析 ...........................................55
§6.1 系统仿真.........................................................................................................................55
§6.1.1 光伏阵列仿真模型 ..................................................................................55
§6.1.2 三相光伏并网逆变器的仿真模型 ..........................................................57
§6.1.3 控制系统仿真模块 ..................................................................................57
§6.2 仿真结果与分析........................................................................................................... 58
§6.3 小结.................................................................................................................................. 60
总结与展望 .....................................................................................................................61
参考文献 .........................................................................................................................62
在读研期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .........................................64
致 谢 ...............................................................................................................................65
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景和意义
能源是人类社会生存和发展的基石。随着人类社会经济的不断发展，对于煤
炭、石油、天然气等为代表的传统化石能源的消耗也相应的持续增长。由于长时
间对常规能源的大量开采与利用，致使资源枯竭，国家之间、地区之间因能源争
夺而发生的纠纷、冲突与战争。同时能源消耗留下的污染把人类带入与自然界的
斗争中。近些年，由经济高速发展后造成的污染带来的自然天灾不断，严重威胁
着人类的生存与发展。为了缓解石化能源供应紧张以及解决日益突出的环境问题，
各国都在加大力度开发可再生能源应用技术，也定为重要战略任务。
太阳能作为未来重点发展能源之一，以其资源丰富、无地域界线、清洁等独
特优点而备受人们关注的热点之一。太阳能属于分布性的自然资源，就地开发利
用，资源无限性、无污染与破坏生态平衡等特点。太阳能具有巨大的市场开发前
景，减少污染，刺激经济的发展，增加就业机会，有利于人类的子孙后代。光伏
发电是太阳能利用的发展方向，21 世纪人类最具有诱惑力的能源发展技术。太阳
能光伏发电是利用半导体的光伏效应原理制造的光伏电池将太阳能直接转换成电
能的一种发电形式。在太阳能电池制造技术及电力电子技术不断进步和逐步完善
的法规政策的强力拉动下，太阳能光伏产业和市场得到了快速发展。
中国能源结构主要以传统能源为主，单位GDP能耗落较高，而且可再生能源
开采和利用技术比较落后。中国又是当今世界上最大的发展中国家，经济发展高
速，同时能耗增长速度居世界首位，加剧了中国能源替代形势的严重性和紧迫性。
中国地域广阔，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，太阳向中国陆地辐射的能
量约50×1018千焦/年，也就约相当于1700亿吨煤，年平均光照小时数为2200h，平
均太阳能电力为1700TWh，约为目前装机容量的多倍。我国西藏、青海、新疆、
内蒙古南部、陕西北部等地区的太阳能辐射总量很大，尤其是青藏高原地区的绝
大多数地区太阳能资源相当丰富，具有得天独厚的太阳能开发和利用的优越资源
条件。为了实现我国经济的可持续性发展，缓解当前的能源危机，减少污染的排
放，保护好我们的生存环境，实现人与自然的和谐，有效地利用好取之不尽、用
之不竭的太阳能是重要发展途径。
三相光伏发电并网逆变系统的研究
2
§1.2 光伏发电并网逆变系统的国内外发展现状
§1.2.1 国外的发展现状[1-3]
国际上，德国、日本、美国、澳大利亚等发达国家在太阳能电池的研究与开
发方面已处于领先地位。单晶太阳能电池的研究，以澳大利亚的新南威尔士大学
的马丁格林教授为代表，已居世界领先地位，近年首次提出了第三代太阳能电池
的概念，为光伏电池的研究和发展做出了巨大的贡献。从太阳能电池产业发展和
利用方面来看，日本、德国、英国、美国和西班牙发展最快。
世界光伏市场发展比较突出特点是：在能源中的替代功能，光伏发电发挥作
用愈来愈大，主要表现在并网发电技术的发展和应用增加比例非常快，主导光伏
市场的发展（其他应用包括通讯和信号、特殊商业和工业电源应用，农村离网发
电站和大型独立电站等）。
从长远看，太阳能光伏发电在世界能源消费分布中占据着重要席位，不仅可
替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。根据欧洲JRC的预测，到2030
年可再生能源在总能源结构中占到30％以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供
应中达到10%以上；
2040年可再生能源占总能耗50％以上，太阳能光伏发电将占总
电力的20%以上；到21世纪末可再生能源在能源结构中占到80％以上，太阳能发电
占到60％以上，显示出重要战略地位。
技术进步是降低光伏发电成本、促进光伏产业和市场发展的重要因素。几十
年来围绕着降低成本的各种研究已取得了辉煌成就，电池效率不断提高，硅片厚
度持续降低，产业化技术不断改进。随着电力电子技术不断的发展，对降低光伏
并网发电成本起到了决定性的作用 。
§1.2.2 国内的发展现状[4]
目前，中国的绝大多数太阳能光伏并网系统都是为解决某些特殊生产用电及
边远地区的生活用电而建立的。国内有关光伏并网发电系统的研究还处于相对研
究示范阶段，已建成的并网光伏电站都是低压用户端的并网模式，但其发电量相
对较小，不参与电网的调度，对电网的正常运行基本上没有影响。而对于大型和
超大型的并网光伏电站系统而言，不仅电站建设规模能达到MW级别甚至是GW级
别，而且发出来的电能可以直接并入高压输电电网。光伏发电系统参与电力系统
的调度，是世界各国未来光伏发电的重点发展方向。
当前并网光伏发电应用模式有两种，一种是建设在城镇的建筑屋顶或其它空
地上，与低压配电网并网，光伏电站输出的电能直接供用户消耗，多余部分输入
电网；另一种是在荒漠上建光伏发电站，并入高压输电网，通过输电网输送电力，
第一章 绪论
3
配电站降压后再供给用电负载。
中国政府非常重视并网光伏发电技术的研究。早在“九五”期间，我国已经开始
并网光伏发电技术的研究和攻关，已在光伏发电的并网技术、大型光伏电站使用
的控制器和逆变器技术方面取得了阶段性成果。在此研究基础上，以及政府的大
力支持下，我国已先后研制并建成了5kW、10kW的太阳能光伏屋顶并网示范电站。
在“十一五”“ 863 ”项目中，我国科技部已通过许多光伏发电相关项目，支持
MW级并网光伏电站及其相关技术的研究。研究内容有：研究并掌握其系统集成技
术，开发研制配套的并网逆变器和控制技术、太阳光伏阵列跟踪设备及配电设备、
适用于荒漠的光伏组件等关键设备。为我国光伏并网发电系统将来全面应用推广
做好技术准备。
目前，中国的并网光伏电站的应用还处于试验性示范阶段。截至2006年底，
应用光伏发电的装机容量大约仅有4MWp。从能源和环境的现状分析来看，光伏发
电在不久的将来将作为替代能源来发展，进而建设大规模的并网光伏系统是必然
的选择。
§1.3 光伏发电并网逆变系统的概述
太阳能光伏发电系统按形式分可以分为：独立式和并网式系统。光伏并网逆变
发电系统是太阳能的主要利用形式，一般由光伏阵列、逆变器和控制器三部分组
成。它的主要特点是通过逆变器直接将太阳能光伏电池输出的直流电转换成符合
并网要求的交流电，输入电网。光伏并网逆变发电系统有集中式和分散式两种形
式：集中式是集中的大型联网光伏电站，控制和输电路复杂，发电成本价格昂贵，
故这类光伏电站的发展速度不快；分散式是分散的小型用户光伏联网系统，是近
年发展的主要形式，发展速度也比较快。
图1-1 光伏并网逆变系统的方框图
光伏并网逆变发电系统中的光伏阵列始终工作在最大功率点上，向电网输送光
伏阵列所发出的全部能量，提高了太阳能发电的利用效率；同时该系统可以取消
摘要：

摘要随着人类经济社会的高速发展，同时能源枯竭以及环境污染问题日益突出，开发和利用可再生能源越来越受到各国的关注。可再生能源发电已成为一种必然趋势，并网逆变器是风力发电、光伏发电等可再生能源发电的关键设备。由于目前光伏并网逆变器的效率低、成本高等缺点，发展高效低成本的光伏并网逆变器已成为光伏领域研究的重点。三相光伏并网发电逆变系统是有效利用太阳能的一种有效途径，具有很广阔的应用前景。本文通过对三相光伏并网发电系统的研究，为利用太阳能和实现并网的研究奠定了基础，且对减少电网的谐波污染和实现绿色电能变换的研究具有重要的意义。本文介绍了三相光伏并网发电系统的结构和工作原理，并对其工作原理进行了详细分析...

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