《太阳能建模.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能建模.doc（31页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流1234 太阳能建模.精品文档.5 太阳能5.1 太阳能以及光伏发电系统5.1.1 开发太阳能的必要性以及光伏发电的优点能源是发展国民经济，提高人民生活水平的重要物质基础。随着经济的发展，人口的增加，能源的需求越来越大，使得传统的化石能源的储量正在日益枯竭，从而带来了能源短缺。此外，大量使用化石燃料已经对人类生存环境造成的危害日益突出，并导致生态恶化，这些问题已成为当今世界各国面临的一个重大问题。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变目前的能源结构，实现人类社会的可持续发展。从能源供应等诸多因素考虑，太阳能无疑是符合
2、可持续发展的理想的绿色能源，同时太阳能也即将成为21 世纪最重要的能源之一。目前太阳能利用主要有光热利用，光伏利用和光化学利用等三种主要形式，而光伏发电具有以下明显的优点：1. 无污染：绝对零排放没有任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”；2. 可再生：资源无限，可直接输出高质量电能，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，只是地区之间是否丰富之分；4. 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；5. 分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，它更具有明显的意义；6. 资源、发电、用电同一地域：可
3、望大幅度节省远程输变电设备的投资费用；7. 灵活、简单化：发电系统可按需要以模块化集成，容量可大可小，扩容方便，保持系统运转仅需要很少的维护，系统为组件，安装快速化，没有磨损、损坏的活动部件；8. 光伏建筑集成（BIPV-Building Integrated Photovoltaic）：节省发电基地使用的土地面积和费用，是目前国际上研究及发展的前沿，也是相关领域科技界最热门的话题之一。5.1.2 全球光伏发电产业的迅猛发展常规能源紧缺，石油价格上涨，生态环境恶化，促使了可再生能源的开发利用。而太阳能光伏发电的诸多优点，使其研究开发、产业化制造技术以及市场开拓已经成为令世界各国，特别是发达国家
4、激烈竞争的主要热点。近年来世界太阳能发电一直保持着快速发展，九十年代后期世界光伏电池市场更是出现供不应求的局面，进一步促进了发展速度。综观进入新世纪后世界太阳能电池的总产量，年增长率达到3040，2000年为288兆瓦，2001年为400兆瓦，2002年为540兆瓦，2003年达到724兆瓦。2004年，全球太阳能电池总产量首次突破1200兆瓦，年增长率净增60。此外各国一直在通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。如美国政府1990年起动了PVMaT（光伏电池制造技术）的产业化计划，以求大幅度降低成本。这一计划的实施已经产生了非常明显的效果，生产规模从过去的520兆
5、瓦/年发展到20100兆瓦/年。欧洲和日本也有类似的计划，竞争促使各发达国家的产业化技术几乎以大致相同的水平和速度向前发展。表1.1 光伏发电的价格、组件效率、系统寿命和成本变化与预测年份光伏电价（美分/kWh）组件效率（%）光伏系统寿命（年）光伏系统成本（美元/Wp）1991407551451010201995255071710207152000122010202037201020303011.5随着光伏发电技术不断提高，商品化电池效率由上世纪九十年代的10至14提高到目前的13至17；生产自动化程度不断提高、生产规模不断扩大，2003年前10名光伏电池及组件生产商占据总市场份额的85.5%
6、。并网发电在光伏市场中的份额逐年增加并占据主导地位，2003年并网发电的市场份额达到55.5%。2004年世界光伏系统的总装机容量超过4000万千瓦。因此从表1.1的数据也可以看出光伏电池的转换效率在不断的提高，光伏发电系统的成本也在不断的下降。自太阳能发电应用于地面的二十多年来，应用范围也从航标灯、铁路信号等特殊用电场合，发展到通信中继站、石油及天然气管道阴极保护电源系统等较大规模的工业应用。在无电地区的乡村，太阳能家用电源、光电水泵等已经广泛使用，并且有了很好的社会效益和经济效益。中小型太阳能光伏电站正在迅速增加，在不少地方已经可以取代柴油发电机，以上这些类型属于独立光伏发电系统的应用。并
7、网的太阳能发电系统也已在很多地区推广应用。从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段，现在正在向大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电，其应用范围也已遍及几乎所有的用电领域。预计，2020年光伏发电在世界电力生产中所占的比例将达1，到2050年达到25左右。5.1.3 国内的能源消费与光伏发电的现状我国是世界上主要的能源生产和消费大国之一，也是少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，提高能源利用效率，调整能源结构，开发新能源和可再生能源是实现我国经济和社会可持续发展在能源方面的重要选择。随着我国能源需求的不断增长，以及化石能源消耗带来的环境污染的压
8、力不断加剧，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到国家的重视和社会的关注表1.2 2006 年中国一次能源消费结构与世界对比能源世界中国煤炭28.4%70.2%石油35.8%20.6%天然气23.7%2.9%核能2.8%0.7%水电6.3%5.6%图1.1 历年中国一次能源消费结构图来源于环球能源网的国家统计局整理统计的数据可以看出，全球煤在一次能源消费中的比例始终在28徘徊的情况下，而我国的消费比例始终在70以上，1996 年有所下降，但始终没有低于70，但是2003 年以来，与全球的能源消费趋势不同煤在我国一次能源中的消费比例有逐年增大的趋势直到2006 年才有所下降。我国煤主要用作火力发
9、电、钢铁炼焦以及化肥制造等行业。大量过渡使用煤也造成我国环境严重污染。另外水电在我国的一次能源消费中的比例非常小，不过发展很快，作为清洁和可再生能源，我国应该大力发展水电，但是过度开发就会面临水资源缺乏以及生态环境保护的压力。总之，我国一次能源消费结构极其不合理。但是我国的太阳能资源丰富，理论储量达每年17000 亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。我国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000 公里以上。在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4 千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平方米7 千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比
10、，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。我国光伏发电技术的研究开发工作经过近二十年的努力已经有一定的基础。先后开展了多晶硅、非晶硅薄膜电池等太阳能电池。同时开展了光伏发电系统及其关键电气设备研制工作，建成千瓦级独立和并网光伏示范电站，先后在西藏研建25kW100kW 容量级别的7 个光伏电站及多种光伏应用工程，为我国光伏电站的发展做出了开拓性工作。近两年国家实施的“送电到乡”工程安装了107 万千瓦光伏发电系统。目前，我国除了利用光伏发电为边远地区和诸如通讯、导航和交通等分散电源供电之外，也开始了屋顶并网光伏发电系统的试验和示范工作，以及大规模光伏并网系统的可行性研究工作以及
11、示范工程，并初步进入商业运行。5.2 光伏并网发电的广泛前景5.2.1 并网发电是太阳能光伏利用的发展趋势光伏发电有独立和并网两种工作方式。过去，由于太阳能电池的生产成本居高不下，光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居多，都属于独立型用户。但是近年来，由于光伏并网发电具有以下优点：1.省略了储能环节，节约投资成本2.系统拓扑结构简单，容易维护3.与建筑物相结合，节约占地面积4.控制策略简单，无需储能系统的充放电控制5.效率高，避免储能系统充放电过程的能量损失因此，光伏发电产业及其市场发生了极大的变化，开始由边远农村地区独立发电逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速
12、迈进。太阳能已经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”。(a)光伏并网和光伏应用装机容量对比图 (b)光伏并网装机容量所占比例图 1.2 世界光伏应用领域年安装容量统计对比图太阳能发电只有进入电力系统规模应用，才能真正对于缓解能源紧张和抑制环境污染起到积极的作用，因此基于此点光伏并网发电的迅猛发展是必然的，如图1.2的统计数据表明，光伏应用的发展速度越来越快，其中用于并网发电所占比例逐年升高，从1993年所占比例3.28到2004年的65.9，因此光伏并网发电已经成为太阳能发电的主要发展方向。5.2.2 国外光伏并网发电的现状与发展光伏并网发电开始于80年代初，美国、日本、德
13、国、意大利都为此作出了努力。按照当时认识，建造的都是较大型的光伏并网电站，规模从100kW到lMW不等，而且都是政府投资的试验性电站。试验结果在发展相应的技术方面是成功的，但在经济性方面却并不十分令人鼓舞，主要是由于太阳电池成本过高，虽然具有明显的减排等环境效益，但其发电成本却很难让电力公司接受。90年代以来，西方发达国家从环境和能源的可持续发展的角度出发，纷纷制定政策，鼓励和支持光伏并网发电。国外发达国家也掀起了发展光伏并网系统的研发高潮。这次的重点并未放在建造大型并网光伏电站方面，而是侧重发展“屋顶光伏并网系统”。人们认为，屋顶光伏并网系统不单独占地，将太阳电池安装在现成的屋顶上，非常适应
14、太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，有利于普及，有利于战备和能源安全，所以受到了各国的重视。德国在1993年首先开始实施由政府补贴支持的“1000个光伏屋顶计划”，继而扩展为“2000个光伏屋顶计划”，同时制定了“可再生能源电力供应法”，规定光伏发电的上网电价为每度电0.99马克(高于常规电价0.8马克/度的电价)，极大地刺激了光伏发电市场。目前德国光伏市场持续地处于迅速上升的态势，至2000年底实际安装的光伏屋顶总数已达27万户。日本在光伏发电与建筑相结合方面已经做出了十几年的努力，1994年1月通产省宣布“朝日七年计划”，计划到2000年推广16.2万
15、套太阳能屋顶住房，总功率达到185MWp；1997年又宣布“七万屋顶计划”，日本政府的目标是在2010年光伏屋顶系统总容量达到7600MW。日本光伏屋顶并网发电系统的特点是：太阳能电池组件和房屋建筑材料形成一体，如“太阳电池瓦”和“太阳电池玻璃幕墙”等，这样太阳电池就可以很容易地被安装在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受。美国也是最早进行光伏并网发电地国家之一，80 年代初就开始实施PVUSA(PV Utility Scale Application)计划，首批建立了集中型光伏并网电站4 座，其中容量最大的为6MWp（原计划为10MWp）；1996 年，美国能源部又开始了一项称为“光伏建筑计划
16、(PV-BONUS)”的实施步伐，共投资20 亿美元，专门用于开发新型光伏建筑集成材料、采光技术，光伏调峰电力装置及光伏组件用并网发电模块等。1997 年6 月26日前总统克林顿对国会所作的关于环境和发展的报告提出的“百万太阳能屋顶计划”，这是美国面向21 世纪的一项由政府倡导、发展的中长期计划，如图1.3 所示的美国加利福尼亚Lennar 光伏社区，每个光伏屋顶将有3-5kW 光伏并网发电系统，有太阳时，屋顶向电网供电，电表倒转；无太阳时，电网向家庭供电，电表正转，每月只需交“净电费”，计划到2010 年安装100 万套太阳能屋顶，进一步将光伏发电建筑一体化推向高潮。在兆瓦级的大型光伏并网发
17、电系统，美国也是雄心勃勃，目前如图1.4所示美国最大的太阳能光伏发电项目“太阳能之星”于2007 年12 月17 日在拉斯维加斯Nellis 空军基地竣工。该项目今年安装7 万个太阳能电池板，装机1.5 万千瓦，足以为拉斯维加斯1.1 万个家庭提供电力，内华达州已成为美国全国平均拥有太阳能装机容量最高的州。图1.3 美国加利福尼亚Lennar光伏社区 图1.4 美国“太阳能之星”发电系统此外，英国、意大利、瑞士、荷兰、西班牙都有类似的计划，就连发展中国家的印度也在1997年12月宣布到2020年将建成150万套太阳能屋顶并网发电系统图1.5 德国弗莱堡“太阳村” 图1.6 日本SANYO太阳能
18、方舟许多统计资料表明，近几年世界光伏并网发电市场发展迅速，如表1.3所示，19962005年世界光伏应用中，分布式并网发电已经占有70以上的市场份额。表1.3 并网光伏发电市场份额逐年增长情况年份1996199719981999200020012002200320042005份额（%）7.921.323.529.941.750.451.455.565.970与之相应，国际上高效聚光光伏电池效率已达32，各国政府正在投入巨资研究进一步提高效率，扩大生产，降低成本。目前世界最大的光伏电池工厂年产36MW，价格为34 美元/Wp，当光伏电池售价降至1 美元/Wp 时，光伏发电成本当达到6 美元/kW
19、h，可以与火电相竞争。随着各国屋顶计划的实施，需要的光伏组件数量激增，相应的价格也将进一步下降。在一般情况下，与多数燃煤或天然气的常规发电方法相比，光伏发电系统的安装成本达到3美元/Wp时，两者的发电价格相当，即可大量进人电网。现在普遍赞同光伏系统安装成本3美元/Wp是与常规发电市场竞争的临界点。相信未来几年光伏发电系统成本降到3美元/Wp是现实的。从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段，现在正在向大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在公共电力的并网发电，其应用范围也遍及几乎所有的用电领域。5.2.3 国内光伏并网发电的现状与发展我国的并网光伏发电起步较晚，在科
20、技部“九五”和“十五”期间把“屋顶并网光伏发电系统”列入“国家科技攻关计划”以后，在深圳和北京分别建成了100kWp、17kWp、7kWp 和5kWp 的光伏屋顶并网发电系统并成功地实现了并网发电。后来的“十一五”科技攻关计划关于兆瓦级大型光伏并网发电系统的技术开发和试点研究开展以后，取得了进展并发展很快。截至2007 年底，全国共有大中型太阳能光伏并网发电系统已经建成十余个。如图1.7 所示的无锡国家工业设计园300kW 光伏并网工程，作为城市分布式小电源的300kW 屋顶光伏并网电站，安装在9 个屋顶上，总面积为2500 平方米，实施400V 并网。该示范项目主要是在2006 年1 月国家
21、实施中华人民共和国可生能源法之后探索在政策上和规模化建设和运营光伏并网电站的运作可行性。2005 年申报立项，2006 年4 月开工，2007 年3 月竣工，验收后投入示范性的准商业化运营。另外兆瓦级的光伏并网发电站目前建成运行的已有2 个，一个是如图1.8 所示的发电总装机容量达到1 兆瓦的深圳国际园林花卉博览园光伏并网发电系统已投入使用；另一个是上海崇明兆瓦级太阳能光伏电站，该电站装机容量1.046 兆瓦，年平均上网电量约107.3 万千瓦时。目前正式进入商业试运行，这是目前我国迄今发电量最大、进入商业运营的太阳能光伏电站。其它处于申报和建设中还有甘肃敦煌市8MW 的大型光伏并网发电系统已
22、完成项目选址和科研报告；尚德光伏研发中心大楼1MW 光伏建筑一体化（BIPV）光伏并网电站。该项目现处于大楼建设阶段，这是目前为止全国最大的光伏玻璃幕墙工程。该项目正申报并网立项。图1.7 无锡国家工业园并网发电系统 图1.8 深圳园博园兆瓦级光伏并网发电系统图1.9 首都博物馆140kW并网发电系统 图1.10 西藏羊八井100kW高压并网光伏电站图1.11 2006 年中国光伏发电市场份额如图1.11 所示，2006 年中国光伏并网发电的两种形式：建筑并网发电和开阔地并网发电总共所占市场份额5.1%，还远落后于世界并网发电的发展速度以及市场规模，但是随着中国关于并网发电的政策法规相继颁布和
23、落实，中国并网发电的市场前景还是值得乐观的。总之，光伏并网发电是当今世界光伏发电的趋势，是光伏科技产业步入大规模发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。随着我国对光伏并网发电技术越来越重视，光伏发电的成本越来越低，太阳能光伏并网发电将会成为除了新能源之一的风能以外另外一个公共电能供应的组成部分。5.3 光伏并网发电系统的介绍5.3.1 光伏电池原理在半导体中掺入施主杂质，其将成为N型半导体；掺入受主杂质，其将成为P型半导体，当P型半导体和N型半导体共处一体时，它们的交界层就是PN结。光伏电池是以半导体PN结上接受光照产生光生伏打效应为基础，直接将光能转换成电能的能量转换器。当光照射到
24、半导体光伏器件上时，在期间内产生电子空穴对，在半导体内部PN结附近生成的载流子没有被复合，因而能够到达空间电荷区，受内建电场吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。它们在PN结附近形成与内建电场方向相反的光生电场，光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电、N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏打效应。一旦接通外电路，光伏电池即有电能输出；如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流通过；若将PN结两端开路，则在两端之间将产生电位差。图1.12 实际光伏电池的等效电路图1.13 光伏电池的电流特性曲线光伏电池
25、的数学模型： （1）式中：为光生电流；为反向饱和电流；n为二极管影响因子；为串联电阻；为并联电阻；q为电子电荷常数，为；T为温度，K；k为玻尔兹曼常数，。以下将在基本解析表达式（1）的基础上，通过两点近似，即：（1）忽略项，这是因为在通常情况下该项远小于光电流；（2）设定，这是因为在通常情况下远小于二极管正向导通电阻，并定义在：（1）开路状态下：（2）最大功率点：的条件下建立硅太阳电池的工程用模型。按此，太阳电池的I-V方程可简化为 （2）其中，考虑太阳辐射变化和温度影响时， （3）其中，：在参考日照下，电流变化温度系数（）；：在参考日照下，电压变化温度系数（）；：光伏电池模块的内阻根据上述光
26、伏电池的数学模型，只需要根据不同太阳能电池组件的参数、和就可在matlab/simulink搭建对应的光伏电池模型。5.3.2 光伏阵列的等值原理由于单个太阳电池或组件输出功率往往不足以提供实际需求的功率，因此它们通常以串联、并联的方式构成光伏阵列来满足设计要求。在选取太阳电池组件构成阵列的时候，为了获得最人输出功率，减少失配损失，我们这里选取具有相同模型参数的太阳电池或组件进行串、并联。太阳电池一般电流模型方程是一个关于V的隐函数超越方程，电流和电压耦合在一起不便进行运算，因此，需要有一个关于电流和电压的显式方程来描述这类问题。引入Lambert W函数可以对电流和电压进行解藕。利用Lamb
27、ert W函数可得电压的显式表达式， （4）其中，下面分析经过光伏组件串并联之后得到的光伏阵列的输出性能：（1）串联支路模型参数的确定理论上，构成阵列的电池或组件的模型参数应该一致，这样可以得到最大的输出功率。每个单体的电流方程和电压方程如下式所述，（5）（6）假设有M个模型参数一致的电池进行串联连接，在光照下它们的输出特性均相同，在串联电路中各个组件的电流等于总电流，总电压等于各个组件电压之和，即。因此串联后新的电压方程为（7）因此串联后的各参数分别为，（8）下面我们再求解出阵列常用的一些性能参数，短路电流（9）开路电压 （10）根据电流方程的显式解，可得输出功率为最大功率点处可得，（11）
28、因此最大功率点处电流为，（12）最大功率点处电压为（13）可得出串联阵列的电性能参数与组件的电性能参数之间的关系为，（14）（2）并联支路模型参数的确定假设有N个模型参数一致的电池或组件进行并联连接，在光照下它们的输出特性均相同，在并联电路中各个组件的电压等于总电压，总电流等于各个组件电流之和，即。因此并联后新的电流方程为，因此并联后的各模型参数分别为，（15）下面我们再求解出阵列常用的一些电性能参数：短路电流（16）开路电压（17）根据电流方程的显式解，可得输出功率为，最大功率点处可得，因此最大功率点处电流为（18）最大功率点处电压为， （19）可得出并联阵列的电性能参数与组件的电性能参数之
29、间的关系为，（20）综上所述，假设有M个模型参数一致的电池先进行串联连接，然后N个这样的串联之路再并联起来后，阵列的各参数分别为，（21）可得出阵列的一些性能参数为，（22）5.3.3 光伏阵列模型参数设定 根据1.3.2和1.3.3节所得到的光伏电池数学模型和光伏阵列等值特性，5.3.4 光伏并网发电系统的结构光伏并网发电系统作为分布式发电系统的一种，一般具有两种典型的系统结构：单级式并网光伏发电系统和两级式并网光伏发电系统。（1）单级式并网光伏发电系统介绍单级式并网光伏发电系统结构示意图如图 1.12 所示，其主要由光伏电池阵列、DC/AC 光伏逆变器、控制器、并网开关、本地负载等五大部分
30、组成。其工作原理：光伏电池组件所产生的直流电通过DC/AC 光伏逆变器变换为交流电馈送到电网。光伏电池阵列通过串联将直流电压提升到足够的电压等级以保证光伏逆变器正常工作所需的直流母线电压。与此同时，通过对光伏逆变器并网功率的控制实现对光伏电池最大功率点的跟踪。优点：系统拓扑结构比较简单、系统所需的元器件少；整个并网系统无需中间储能环节，节约投资成本；相对二级式和多级式拓扑，只有一个能量变换环节，因此效率高；缺点：光伏逆变器的控制系统同时实现最大功率跟踪(MPPT)和并网功能，对控制器性能要求高；由于需要实现最大功率跟踪功能，因此直流母线电压不可控，为了并网安全，必须设计直流母线电压保护。图1.
31、12 典型的单级式并网光伏发电系统结构图（2）两级式并网光伏发电系统介绍两级式并网光伏发电系统结构示意图如图 1.13 所示，其主要由光伏电池阵列、DC/DC 变换器、DC/AC 光伏并网逆变器、储能系统、控制器、并网/独立切换开关、本地负载等七大部分组成。其工作原理是光伏电池阵列所产生的直流电通过DC/DC变换器后变换成另外一个电压等级的直流电（一般情况下升压变换），然后再通过DC/AC 光伏并网逆变器变换为交流电输入电网。第一级变换将光伏电池阵列所产生的直流电通过DC/DC 变换后，将其变换成受控的直流电存储到储能单元中或者提供给后级的光伏并网逆变器，第一级变换同时要实现对光伏电池阵列的最
32、大功率跟踪功能。第二级的光伏并网逆变器将直流母线上的直流电逆变为交流电，提供给本地负载并将多余的能量馈送到电网，同时要实现中间直流母线电压的稳压功能。优点： 两级变换环节可以分开独立控制，控制器设计简单；增加系统的储能环节，可以实现并网/独立两种工作模式的切换运行；光伏电池阵列无需串联到很高的电压等级，这样光伏阵列的并联扩容更加容易；在DC/DC 环节很容易实现高频隔离；缺点： 由于系统结构相对单级式拓扑比较复杂，所需的元器件相对多一些，同时增加了储能环节，整个系统投资成本也会增加；整个系统需要通过两个变换环节实现并网，多了一级能量损耗环节，这样系统的整机效率没有单级式拓扑高。图1.13 两级
33、式并网光伏发电系统结构图当然从光伏电池阵列串并联的方式以及变换器的级联方式可以分为：集中式、串式、多串式、AC 模块式等等。另外从光伏并网逆变器的拓扑结构也可分为：单相并网发电系统和三相并网发电系统，但是所有这些并网光伏发电系统基本结构形式还是由图1.12 和图1.13 所示的两种典型的拓扑组成，所以要分析以上所提的光伏并网系统的工作原理，可以从如图1.12 和图1.13 的两种典型的电路拓扑入手。5.3.5 光伏发电系统并网模式研究 由于光伏阵列所发的电力为直流电，除特殊用电负荷外，均需使用逆变器将直流电变换为交流电。并网光伏发电系统主要以电流源形式并网，其输出电流的相位跟踪电网电压相位变化
34、，使光伏发电系统注入电网的功率最大。在这种模式下，并网光伏发电系统对输出电压不进行控制，通过对电流的控制使其和电网的无功功率交换为零或者很小。但由于升压站中变压器和线路的一些损耗，光伏发电系统仍需要进行无功补偿。5.4 光伏并网发电的技术现状从1998年到2007年IEEE（美国电气与电子工程师学会）/IEE（英国电气工程师学会）数据库以及中国学术期刊网的数据库所收录的光伏并网文章数量统计如图1.14所示，近10年来包括中国在内的世界各国光伏并网的研究论文从1998年的3篇发展到2007年的73篇，表明太阳能并网发电技术逐渐成为各国学者的新研究方向，尤其是中国近几年来光伏并网发电技术迅速成为太
35、阳能研究的焦点，同时也成为光伏发电领域研究的技术前沿。图1.14 1998年2007年光伏并网学术论文统计图对光伏并网发电的技术进行研究，应该从系统的工作性质入手，并网光伏发电系统由光伏阵列和并网变换器组成，而并网变换器可以是单级式或两级式，或者是多个变换器的串联和并联组合。不论并网发电系统的是何种拓扑结构，始终是接在光伏电池组件与电网之间，这样也就规定了并网变换器的工作性质。因此结合光伏电池的工作特性和并网技术要求，才推动相关的光伏发电技术逐步发展。下面对并网发电系统的相关技术进行简单地介绍。5.4.1 最大功率跟踪（MPPT）在不同的光照强度和电池温度下，太阳能电池的最大输出功率（MPP）
36、点是不相同的。为了得到最佳的能量利用效率，必须采取措施使电池的输出自动跟踪气候条件的变化，最大功率跟踪技术就是针对这一问题而提出来的。最大功率跟踪的常用方法有：开路电压法，通常使用76的开路电压作为最大功率点电压。短路电流法是近似的认为工作在最大功率点的太阳能电池的输出电流与太阳能电池板的短路电流成线性关系，这个值大约在0.85 左右，该方法动态响应快，而且现实起来并不复杂，其缺点是控制精度不高，总是低于实际的最大功率点。例如扰动观测法（Perturbation and observation method）通过有规律的增加和减少光伏电池的输出电压调整光伏系统工作点到最大功率点，当光照强度随时
37、间变化不大时，该方法跟踪简单、容易实现；对传感器精度要求不高。但是光伏阵列在最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失；而且在太阳光照强度和环境温度急剧变化时，扰动观测法可能会跟踪失败。此外还有电导增量法(ncremental conductance method)也在光伏发电系统中广泛使用,是通过比较光伏阵列的电导的增量和瞬时电导值来改变控制信号从而跟踪最大功率点。控制算法需要通过测量光伏阵列的输出电压、电流的变化量来确定。电导增量法控制精确，响应速度比较快。但是对硬件的要求特别是传感器的精度要求比较高，因而整个系统的硬件造价比较高。最后就是智能控制模糊逻辑控制，由于太阳光照强度的不确定性、光
38、伏阵列温度的变化、负载情况的变化以及光伏阵列输出特性的非线性特性，针对这样的非线性系统，使用模糊逻辑控制方法进行控制，可以获得比较理想的效果。5.4.2 并网控制技术独立光伏发电系统容量不容易确定，储能环节充放电损耗比较大，同时调节能力有限，投资成本较高。为了优化电力结构和方便统一调度，并网发电已是大势所趋。为了不影响电网的质量，必须保证使发电系统的输出电压与电网电压在频率、相位和幅值上保持高度一致，而且发电系统和电网间功率能够双向调节。这就牵涉到功率因数较正、大功率变换以及高稳定性系统设计等技术，这正是当前各个国家研究的热点，也是我国国内新能源发电技术中最薄弱的环节之一。目前，国外单向功率变
39、换技术已经基本成熟，三相大功率变换技术则还有很多值得研究的问题，如具有高效率的系统主电路拓扑结构设计、低损耗的软开关技术以及单位功率因数的实现技术等，在这些技术当中三相光伏逆变器的并网控制是关键。三相并网光伏逆变器目前采用两种并网方式：电压源型并网方式20和电流源型并网方式。逆变器控制为正弦电压源并网：基本控制原理图如图1.15所示，和分别表示PWM电压型逆变器输出电压的基波和由于死区效应等因素造成的谐波；和则分别表示电网电压的基波和在谐波分量中占主要部分的低次谐波；为逆变器需要主动注入的谐波分量。图1.15 电压源型并网逆变器基本等效工作原理图当并网电抗L 上流过的谐波电流为0 时，根据图1
40、.15 的电压关系有：（1-1）因此，逆变器需要主动补偿的谐波分量为： ，即并网电感上的谐波压差。如果能将调制到指令信号中并确保其准确输出，就能做到通过主动的注入谐波电压使并网电感两端的谐波压差为0，实现通过对输出电压的调节间接控制并网电流的目的。逆变器控制为正弦电流源并网：随着电压型PWM调控技术逐渐成熟，使用电压型光伏并网逆变器实现了正弦波电流跟踪控制的方案逐渐被人们采纳，电压型光伏并网逆变器控制为正弦电流源并网的关键是要求输出正弦电流与电网电压同频、同相，只要采用合适的逆变器控制策略就不难实现与电网并联。如图1.16所示，光伏逆变器被控为电流源，在实现锁相控制后通过滤波器直接与电网容量无
41、穷大的电压源并联。图1.16 电流源型并网逆变器基本等效工作原理图综上所述，虽然并网光伏逆变器有电压源型并网和电流源型并网两种并网方式，但是电压源型并网方式并网电流间接控制，控制策略比较复杂，其次并网电流的质量取决于电网电压谐波检测，对电网电压的参数变化比较敏感，再者动态响应慢，考虑到电网许多不稳定因素例如电压幅值波动、频率波动、波形畸变等等。如果采用逆变器控制为正弦电压源并网，这些因素很有可能导致逆变器并网失败或者并网电流波形质量不高很难满足国际或国内光伏并网的相关标准。而采用电流源型并网方式，其一控制策略比较简单；其二并网电流的质量主要取决于电流控制器的性能；其三动态响应快，对电网电压的参
42、数变化能够快速调节，因此逆变器控制为正弦电流源并网控制方式被广泛采用。PWM逆变器控制技术：电力电子技术的发展离不开对功率器件、电路拓朴结构的研究，更离不开各种控制理论的发展。从1932年奈奎斯特（H.Nyquist）发表反馈放大器的稳定性论文以来，控制理论学科的发展历经经典控制理论、现代控制理论和智能控制等阶段。其控制对象也由简单的单输入单输出的常系数线性系统，拓展为复杂的多输入多输出非线性系统、柔性系统及离散事件动态系统等。这些控制理论大量应用或初步尝试应用于DC/DC变换器、逆变器的研究中，多年来PWM逆变器控制技术作为一个研究热点，产生了多种控制方案，现综述如下：1） 单闭环PID控制
43、PID控制以结构简单、易于操作及优良的鲁棒性特点，使之成为迄今为止最通用的控制方法。早期的逆变器控制多为模拟PID控制，单纯采用输出电压的瞬时值反馈，采用模拟PID控制器进行调节，其动态性能特别是非线性负载的时候，不令人满意。对于要求较高的系统，还没有做到满足系统要求的动态特性和稳态精度。随着DSP的出现，逆变器的瞬时值反馈数字PID控制成为可能。但是，数字PID控制不可避免地存在一些局限性。PID控制的精度取决于比例项和积分项，这两项越大控制精度越高，一方面逆变器空载时振荡性很强，积分项产生相位滞后，另一方面离散化系统的量化误差也对稳定性产生影响，因此比例项和积分项不能取得太大。由于数字控制
44、的采样、计算延时的影响，引入了相位滞后，减小了最大可得到的脉宽，结果势必造成稳态误差大，输出电压波形畸变高。采用高速A/D和高速处理器以及提高开关频率可以一定程度上改善数字PID控制的效果，但实现起来有一定困难。由于PID控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，逆变器系统实际上往往增设外环均值反馈以保证系统的稳态精度。对于三相逆变器，可以通过坐标变换把对象放在d-q同步旋转坐标系中进行PID控制，在d-q坐标系中原正弦指令变成直流量，可以实现逆变器的无静差调节。2）双闭环控制一般文献认为单闭环控制在负载扰动抑制方面存在着不足，与直流电机类似，只有当负载扰动（电流/转矩）的影响最终在系统输出端（电压
45、/转速）表现出来以后，PID控制器才开始对误差信号控制。因此可以仿效直流电机的转速、电流双闭环控制，在逆变器的电压环基础上增加电流内环，利用电流内环快速、及时地抑制负载扰动的影响。同时由于电流内环对被控对象的改造，可以大大简化电压外环的设计。采用输出电压解耦可使电流环得到满意的响应特性，对电感电流内环采用负载扰动补偿来抑制负载变化的影响，并且将几种电感电流内环和电容电流内环控制方式作了对比，结果显示带负载扰动补偿的电感电流内环与电容电流内环均可以获得较好的动、静态性能。双闭环控制的不足主要是电流内环为抑制非线性负载扰动，必须具备足够高的带宽，才能获得满意的性能，这加大了数字控制器实现的难度。3
46、）滞环控制滞环控制的基本思想是将给定信号与检测的实际输出信号相比较，根据误差大小改变逆变器的开关状态，这样实际输出围绕给定波形作锯齿状变化，并将偏差限制在一定范围内。图1.3为滞环电压控制框图。这种控制方式的优点是对系统参数和负载变化不敏感，系统鲁棒性好，动态响应快。但它也有明显的缺陷：开关频率不固定，运行不规则，给滤波器的设计带来困难；当开关频率过高时功率开关器件发热严重。针对其缺点，出现了恒频滞环控制、自适应滞环控制等多种方案，其中有些需要精确的负载模型，有些为使输出电压THD低需要较高的开关频率，有些电路很复杂，因而实际中很少应用。滞环电压控制系统框图4）状态反馈控制一般认为，从状态空间
47、的角度看，单闭环控制系统性能不佳的原因是单纯的输出反馈没有充分利用系统的状态信息，如果将输出反馈改为状态反馈可以改善控制效果。状态反馈波形控制系统需要多个状态变量反馈，但并不构成分立的多环控制系统而是在状态空间上通过合理选择反馈增益矩阵来改变对象的动力学特性，以实现不同的控制效果。采用状态反馈可以任意配置闭环系统的极点，从而改善系统的动态特性和稳定性，这是状态反馈控制的最大优点。状态反馈系数的确定大致有两种方法：根据系统要求给出期望闭环极点，推算状态反馈增益矩阵。应用最优控制原理，使系统的阶跃响应接近理想输出，据此确定状态反馈增益。文献中往往将状态反馈作为内环、以其它的控制策略作为外环形成复合控制方案，利用状态反馈改善逆变器空载阻尼比小、动态特性差的不足，与外环共同实施对逆变器的波形校正。状态反馈控制如果对负载扰动不采取有针对性的措施，则会导致稳态偏差和动态特性的改变。5）无差拍控制无差拍控制是一种基于微机实现的PWM方案，是数字控制特有的一种控制方案。无差拍控制系统框图如图1.4所示，它根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器在下一个