光伏逆变器的分析与研究.docx
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光伏逆变器的分析与研究
武汉工业学院
毕业设计
设计题目:
光伏逆变器的分析与研究
姓名
学号080408604
院(系)电气与电子工程学院
专业电气工程及其自动化
指导教师
年月日
摘要
世界环境的日益恶化和传统能源的日渐枯竭,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。
光伏阵列产生的是直流电能,需要通过逆变器把直流电转换成交流电才能并到电网。
并网逆变器作为光伏阵列与电网的接口装置,起着关键的作用。
随着光伏发电系统的发展,并网发电系统中使用的逆变器得到了越来越多的关注。
关键词:
太阳能;并网逆变器;最大功率点跟踪;孤岛效应;
Abstract
Thedevelopmentofnewenergyispromoted.withthedeteriorationofenvironmentandthedepletionofconventionalresource.Solarenergy,withthecharacteristicofsustainabledevelopment,isbeingdevelopedfasterandfasterbypoliciesandmeasuresintroducedinmostcountries.Amongstotherthings,photovoltaicgrid-connectedsystemhasfar-reachingtheoreticalvalueandpracticalsignificance.Thetotalinstalledcapacityofphotovoltaicgrid-connectedsystemhasreachedthousandsofmegawattsonlyinthepastfiveyears.Photovoltaicgrid-connectedinverter,whichconnectsthephotovoltaicarrayandgrid,isthekeytothephotovoltaicsystem.
Photovoltaicbatterygeneratesdirectcurrent,andinvertertransformsdirectcurrenttoalternatingcurrentbyphotovoltaicbatteryintoelectricitygrid.Grid-connectedinverterisakindofinterfacedevicebetweenphotovoltaicbatteryandelectricitygrid,whichplaysacrucialrole.Asthedevelopingofphotovoltaicsystem,thegridinverterhasgotmoreandmoreattention.
Keywords:
solarenergy;gird-connectedinverter;maximumpowerpointtracking(MPPT);islanding
1.绪论
1.1课题的背景
随着全球工业化进程的逐步展开,世界各国对能源的需求急剧膨胀,而煤炭、石油和天然气三大化石能源日渐枯竭,全球将再一次面临能源危机,同时,大量使用化石能源对生态环境造成严重的破坏。
能源、环境与发展已成为当今世界亟待解决的问题。
因此全球都在积极开发利用可再生能源。
专家预测,在今后的20.30年里,全球的能源结构将发生根本性的变化。
在本世纪中期2050年,可再生能源在整个能源构成中会占到50%。
自20世纪50年代,从太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑、光伏并网系统,世界光伏产业己经走过了半个世纪的历史。
由于太阳能资源分布广泛、蕴藏丰富,光伏发电系统具有清洁、安全、寿命长以及维护量小等诸多优点,光伏发电被认为将是21世纪最重要、最具活力的新能源。
在世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下,光伏产业近几年保持着年均30%以上的高速增长。
其中,以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场己超过离网应用,近几年的增长速度都在40%以上,成为世界光伏产业的最主要发动机。
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。
中国地处北半球,南北距离和东西距离都在5000公里以上。
在中国广阔的土地上,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,与美国相近,比欧洲、日本优越得多,因而有巨大的开发潜能。
但相对于蓬勃发展的世界光伏产业,中国光伏产业还处于起步阶段。
光伏组件产量和安装容量仅为世界1%左右,相关配套设备的产业化进程也严重滞后于其他国家嗍。
国际上方兴未艾的光伏并网集成建筑,并网电站在国内还几乎是空白。
因此,对并网光伏系统的研究必将成为光伏发电技术研究的重中之重
。
光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类:
一种为系统中含有蓄电池组的可调度式光伏并网发电系统;另一种为系统中不设置蓄电池组的不可调度式光伏并网发电系统。
二者相应系统结构图如图1-1所示。
a)可调度式光伏并网发电系统
b)不可调度式光伏并网发电系统
图1-1光伏并网系统按功能分类
从图中可以得出光伏并网逆变器是连接光伏发电系统和电网的唯一通道。
并网逆变器运行状况将影响甚至决定整个系统是否能够稳定、安全、可靠、高效运行。
它是整个光伏发电系统的核心所在。
1.2光伏并网逆变器技术
光伏并网发电系统与独立发电系统相比,省掉了体积大、价格高、不易维护的蓄电池,具有造价低,输出电能稳定的优点,因而具有更为广阔的市场前景。
典型的光伏并网系统的结构包括:
光伏阵列,直-直变换器(DC-DC),直-交变换器(DC-AC)和采样保护装置。
并网逆变器是光伏并网系统中实现光伏阵列与电网间能量的传递与转换的关键环节。
并网逆变器的作用是当光伏发电系统的输出在较大范围内变化时,能始终以尽可能高的效率将光伏电池输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电流送入电网。
并网逆变器连接光伏阵列,电网,为用户所服务,其技术可以从电网、光伏阵列、用户这三个方面来进行分析和总结:
1)逆变器要与电网相连,必须满足电网电能质量、防止孤岛效应和安全隔离接地三个要求。
目前,国外的并网标准中明确规定并网逆变器输出波形的总谐波因数应小于5%,各次谐波含量小于3%,并且具有较好的动态特性。
根据IEEE2000.929和ULl741标准,所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的功能,孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器。
随着光伏并网发电系统进一步发展,当多逆变器并网时,可能导致上述方法失效,因此研究多逆变器的并网通信、协同控制已成为孤岛效应检测与控制的研究趋势。
2)由于日照强度和环境温度都会影响光伏阵列的输出功率,因此必须通过逆变器的调节使得光伏阵列的输出电压趋近于最大功率点电压,以保证光伏阵列在最大功率点附近运行而获得最大能量,提高系统的效率。
最常用的最大功率点跟踪(MPPT:
maximumpowerpointtracking)方法有:
恒定电压跟踪法、扰动法。
同时,光伏阵列的输出特性也决定了逆变器应具有较宽的直流电压输入范围。
3)对逆变器的要求主要包括:
成本低,功耗低;安全可靠性高;使用寿命长
。
1.3光伏并网逆变器国内外研究现状
1.3.1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。
除欧洲外,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。
以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,应用最为广泛。
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1-3为SMA公司的最新款SB3800并网逆变器。
其输入直流电压的范围是200V-500V,最大输入电流为20A,额定输出功率为3800W。
输出并网交流电THD<3%,效率为95.6%,白天逆变器损耗小于4W,晚上损耗小于0.1W,同时内置SMA电网保护装置,具有防孤岛保护单元,符合ULl741,IEEE219,IEEE929等相关国际安全标准。
图1-2SunnyBoy3800逆变器
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,灵活性和系统扩展等均没有SMA的强。
除SMA和西门子外,美国Satcon公司也根据光伏市场需要推出自己产品,系列覆盖了中、大功率范围,也可将多台中功率的逆变器并联构成系统,而且逆变器中也集成了最大功率跟踪环节。
1.3.2国内的研究现状
目前国内光伏并网逆变器市场规模较小,国内生产逆变器的厂商众多,但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多,但是不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年,已经具备一定的规模和竞争力,但在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距,目前具有较大规模的厂商有合肥阳光、上海英伟力、南京冠亚、北京科诺伟业等企业。
目前这些企业用于光伏系统的产量呈逐年上升的趋势。
从技术方面来看,国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距,目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平,在大功率并网逆变器上,大功率并网逆变器仍需进一步发展。
1.4光伏并网逆变器的发展趋势
从行业发展来看,把太阳能同建筑结合起来,将房屋发展成具有独立电源,自我循环式的新型建筑,是人类进步和社会科学技术发展的必然。
光伏并网发电和建筑一体化(BIPV:
Buildingintegratedphotovoltaic)的发展,标志着光伏发电由边远地区向城市过渡,由补充能源向替代能源过渡。
联合国能源机构调查报告显示,光伏建筑一体化将成为21世纪城市建筑节能的市场热点,太阳能建筑业将是2l世界重要的新兴产业之一。
从技术发展来看,大功率并网逆变器和小功率并网逆变器是未来的两个主要发展方向,其中小功率光伏并网逆变器—微逆变器是最具发展潜力和市场应用前景的发展方向,高频化、高效率、高功率密度、高可靠性和高度智能化是未来的发展方向。
英伟力(Involar)新能源科技公司是国内最早从事微逆变器研究的公司,公司从2008年初开始微逆变器技术的开发,经过近两年的努力已完全自主掌握了微逆变器的核心技术,并于2010年5月份成功发布了其第一代产品MAC250,目前该款微逆变器产品已经推向市场
。
1.5本文内容安排
本文分析逆变器的拓扑结构,简要介绍光伏系统最大功率跟踪控制和孤岛效应的检测方法,最后通过利用MATLAB中的Simulink工具箱,搭建Boost升压斩波电路和三相电压型桥式逆变电路的仿真模型,分析验证DC-DC环节和DC-AC环节波形仿真输出,最后总结仿真模型的问题。
2.系统的总体设计及工作原理
2.1逆变器分类
2.1.1逆变器的控制方式分类
光伏并网逆变器按控制方式分类,可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方法。
以电流源为输入的逆变器,其直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入,但由于此大电感往往会导致系统动态响应差,因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。
按输入直流电源的性质,可将逆变器分为:
电流型逆变器和电压型逆变器,结构如图2-1所示。
a)电流型逆变器b)电压型变压器
图2-1按输入直流电源性质分类的并网逆变器原理图
其中电压型逆变器使用比较广泛。
采用电压型逆变主电路,同时可以实现有源滤波和无功补偿的控制,在实际中已经得到了广泛的研究和应用,可以有效地进行光伏发电、提高供电质量和减少功率损耗,而且可以节省相应设备的投资。
2.1.2逆变器的拓扑分类
按逆变器主电路的拓扑结构分类,主要有:
推挽逆变器、半桥逆变器和全桥逆变器。
推挽式逆变器拓扑结构如图2-2所示。
它结构简单,两个功率管可共同驱动,但功率管承受开关电压为2倍的直流电压,因此适合应用于直流母线电压较低的场合。
此外,变压器的利用率较低,驱动感性负载困难。
图2-2推挽式逆变器电路拓扑图
单相半桥电路结构简单,但主要缺点是直流侧电压利用率低,在同样的开关频率下电网电流的谐波较大。
电路原理图如图2-3所示。
图2-3单相半桥逆变器电路拓扑图
目前广为应用的单相全桥式逆变器,其拓扑结构如图2-4所示。
该电路不足是要求较高的直流侧电压,但其结构简单且易于控制
。
图2-4单相全桥逆变器电路拓扑图
2.2逆变器的回路方式
逆变器的主电路结构按照输出的绝缘形式分为:
工频变压器绝缘方式,高频变压器绝缘方式,无变压器方式3种。
工频变压器绝缘方式采用工频变压器进行绝缘和变压,具有良好的抗雷击和消除尖波的性能,电路简单,变换只有一级,效率较高。
由于电路中的半导体器件少,可适应比较恶劣的使用条件。
开关频率低,产生的电磁干扰小。
一般工频逆变不采用SPWM控制,输出是矩形波,要经过强有力的滤波措施,才能使输出正弦波形畸变<5%。
这种方式的逆变器主要用于独立型太阳能发电系统。
图2-5为采用电压型工频变压器绝缘方式的逆变器的主电路。
图2-5采用工频变压器绝缘的逆变器主电路
高频变压器绝缘方式图2-6为采用高频变压器绝缘方式的逆变器的主电路。
图2-6中变换分为三级(DC-HFAC-DC-LFAC)。
高频变压器比工频变压器体积小,重量轻,成本低。
但是经多级变换,回路较为复杂,效率问题比较突出,只要采用低损耗吸收电路和认真选择电磁元件,仍然可以使效率超过90%。
由于有SPWM控制和周波数变换,输出波形畸变小,不需要强有力的滤波,不过高频电磁干扰问题严重,要采用滤波和屏蔽等抑制措施。
图2-6采用高频变压器绝缘的逆变器主电路
无变压器方式为了进一步降低成本,提高效率,己开发的光伏并网逆变器采用无变压器无绝缘方式逆变器主电路,如图2-7所示。
电路前面为升压电路,后面为SPWM工频逆变器。
升压电路可以和不同输出电压的太阳能电池匹配,把太阳能电池的输出电压升高到400V左右,有了升压部分后,可以保证逆变部分输入电压比较稳定,同时提高了电压,减少了电流,可以降低逆变部分损耗。
升压电路还可以对输入的功率因数进行校正。
图2-7采用无变压器无绝缘的逆变器主电路
逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂一些,比高频变压器绝缘方式简单,仍然是两级变换(DC-DC-AC)、效率高。
没有变压器,体积小、重量轻、成本较低,是到目前为止比较好的一种主电路方式
。
2.3仿真模型系统总体方案
经过方案的比较论证以及光伏发电系统输出电压波动大的特点,本仿真模型系统决定采用无变压器的两级结构,前级Boost升压斩波电路和后级全桥逆变器,两部分通过Dclink相连。
在本仿真模型中,太阳能电池板输出的额定直流电压为100V,通过Boost变换器将电能转换为Dclink的直流电。
后级的DC-AC逆变器,采用全桥逆变,作用是将Dclink直流电转换成380V/50Hz正弦交流电,实现逆变向电网输送功率。
Dclink的作用除了连接DC-DC变换器和DC-AC逆变器,还实现了功率的传递。
系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频同相。
主电路的拓扑电路原理图如图2-8所示
。
图2-8系统的拓扑电路
2.4仿真模型系统的工作原理
2.4.1前级Boost升压斩波电路的工作原理
1.Boost升压斩波电路由开关管Q,二极管D,电感L,电容
,通过控制开关管Q的通断将太阳能发电系统输出的直流电压
升压到
,其原理图如图2-9所示。
图2-9Boost升压斩波电路原理图
2.工作过程当开关管Q导通时,二极管反偏,于是将输出级隔离,由输入端向电感器供应能量,当开关管Q断开时,输出级吸收来自电感器和输入端的能量。
如2-10所示。
图2-10Boost升压斩波电路工作过程
2.4.2后级全桥逆变器的工作原理
绝缘栅双极性晶体管(IGBT)为主开关器件的单相全桥逆变器主电路图,其中
为交流输出电感,
为直流侧支撑电容,也即前级Boost电路的输出电容,V1.V4是主开关管IGBT,对四个开关管进行适当的PWM控制,就可以调节逆变器输出电流与网压保持同相位,达到输出功率因数为1的目的。
单相全桥逆变器电路原理图如图2-11。
图2-11单相全桥逆变器的拓扑结构
它是由两个桥臂并联组成,因此这种桥式拓扑,仍属于升压式结构。
其启动的先决条件是交流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值,而欲使电感电流能按照给定的波形和相位得到控制,必须保证在运行过程中,直流侧电压不低于电网电压的峰值,否则,续流二极管将以传统的整流方式运行,电感电流不完全可控
。
3.太阳能电池特性及其最大功率跟踪控制
由于目前光伏阵列的价格比较高,而且光伏阵列的光电转换效率低,因此在整个太阳能并网系统的总投资中光伏阵列所占的比例比较大,提高光伏系统的效率以降低系统成本就显得异常重要。
如果能够实现让太阳能电池始终工作在其最大输出功率点附近从而输出最大功率,就能提高光伏发电系统的整体效率。
光伏阵列的输出功率与日照强度、温度、负载的变化密切相关,其输出特性具有非线性。
在一定的温度和日照强度下,太阳能电池具有唯一的最大功率点,当太阳能电池工作在该点时,能输出当前温度和日照条件下的最大功率。
本章首先介绍了进行最大功率跟踪控制的原因,其次介绍了目前最大功率跟踪控制的几种主要方法并比较其存在的优缺点,最后提出了最小二乘的最大功率点跟踪控制,从而实现最大功率跟踪控制的方法。
在光伏发电并网系统中,光伏阵列是其中的重要组成部分,它是系统获得太阳辐射能量的入口。
但是光伏阵列输出特性的非线性化,因此所有的光伏发电系统都希望光伏阵列在同样日照、温度的情况下输出尽可能多的电能,这就在理论和实际上都需要解决的太阳能阵列最大功率点跟踪(MPPT:
MaximumPowerPointTracking)的问题。
越来越普及的太阳能光电应用与太阳能电池的高度非线性和高贵的价格之间的矛盾,更加速了人们对这一问题的探索和研究。
3.1太阳能电池的基本原理
太阳能电池的光伏效应是由法国物理学家A.E.贝克勒尔在1839年发现的。
伏打电池在受到光照时,能够产生额外的伏打电动势,这种现象称为光生伏打效应,简称光伏效应。
通常用半导体制成的PN结的光伏器件的光伏转换效率最高,通常把这类器件称为太阳能电池。
太阳能电池的基本特性和二极管相似,电池单元是光电转换的最小单元,一般不能做电源使用,将太阳能电池单元进行串、并联并封装后就成为太阳能电池组件,众多太阳能电池组件按需求再进行串并联后形成太阳能电池阵列,以太阳能阵列为单元构成光伏发电系统,配称为太阳能发电机(SolarGenerator),图3-1为光伏发电系统太阳能阵列。
图3-1光伏发电系统
太阳能电池是一种非线性直流电源,最大功率点随着日照情况和温度的变化而变化。
每条曲线都存在一个最大功率点,这个功率点对应唯一的输出电压。
因此,要可能多的利用太阳能,就必须通过调节太阳能电池的输出电压使其趋近最大功率点
。
3.2光伏系统最大功率跟踪的方法
日照强度和温度对太阳能电池阵列的开路电压和短路电流有很大的影响,这必然会降低系统效率。
因此为了不断获得最大功率输出,太阳能电池阵列必须实现最大功率点跟踪控制。
根据前面的太阳能电池阵列的输出特性功率一电压曲线,可知当阵列工作电压小于最大功率点电压
时,阵列输出功率随太阳能电池端电压上升而增加:
当阵列工作电压大于最大功率点电压
时,阵列输出功率随输出电压上升而减少。
因此最大功率点跟踪的实现实质是一个自寻优过程,即通过控制阵列端电压,使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能的输出最大功率。
3.2.1恒定电压控制
在不同的光照强度下,硅太阳能电池阵列具有图3-2所示的伏安特性曲线,太阳电池既非恒压源,也非恒流源,而是一种非线性直流电源,太阳能电池阵列的伏安特性曲线与负载特性曲线L的交点A、B、C、D、E即为光伏系统的工作点,如果能使工作点移至光伏阵列伏安曲线的最大功率点A’、B’、C’、D’、E’上,就可以最大限度地提高光伏阵列的能量利用率。
图3-2太阳能电池阵列的伏安特性及工作
人们发现,当温度保持某一定值时,最大功率点基本在一根垂线的两侧,这样就可以把最大功率点的轨迹近似的看成输出电压恒定的一根垂线,这就是恒定电压控制的理论依据。
但是这种跟踪方式忽略了温度对阵列开路电压的影响,对结温影响最大的因素当推环境温度和太阳辐照度。
以常规单晶硅太阳能电池而言,当环境温度每升高1℃时,其开路电压下降率约为0.35%-0.45%。
以新疆的某一阵列为例,阵列在环境温度为25℃时开路电压为363.6V,当环境温度为60℃时下降至299V,其下降幅度为17.5%。
这是不容忽视的影响,而这一点采用恒定电压跟踪是无法克服的。
3.2.2最大功率控制(MPPT)
MPPT的实质是一个自寻优过程。
当负载特性与太阳电池阵列特性的交点在阵列最大功率点相应电压Um之左时,MPPT的作用是使交点处的电压升高;而当交点在阵列最大功率点相应电压Um之右时,MPPT的作用是使交点处的电压下降。
通过对定电压跟踪、功率回授、扰动观测及电导增量几种最大功率点跟踪方法的比较发现,电导增量法因其优良的跟踪性能而应用前景较好。
电导增量法是通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点跟踪功能的。
图3-3示出太阳能电池阵列的曲线。
图3-3太阳能电池阵列的曲线
由此可得最大功率值Pmax处的斜率为零,因此有:
P=UI(3-1)
dP/dI=I+UdI/dUB=0(3-2)
dI/dUB=-I/U(3-3)
式(3-3)是要达到最大功率点的条件,即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时,太阳能电池阵列工作于最大功率点。
电导增量法是多种最大功率跟踪方法中跟踪准确性最高的一种方法,可使系统在环境快速变化的情况下具有良好的跟踪性能。
在辐照度和温度变化时,太阳能电池阵列的输出电压能平稳追随环境的变化,且输出电压摆动小
。
4.太阳能并网发电系统的孤岛效应及其防止策略
光伏并网逆变系统直接将太阳能电池发出的直流电逆变后馈送给电网,所以需要有各种完善的保护措施。
对于通常系统工作中出现的过压、过流等状况通过软硬件比较容易得到解决,但是对于太阳能并网发电系
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