【文章內(nèi)容簡介】 并網(wǎng)控制策略的提出 18 電流型并網(wǎng)模型分析 18 幾種控制方法分析 20 使用雙電流閉環(huán)控制策略 23 本章小結(jié) 25第3章 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析 26 單相逆變器開環(huán)仿真 26 單相逆變器并網(wǎng)單閉環(huán)仿真分析 27 基于雙電流環(huán)的單相逆變器并網(wǎng)仿真分析 28 突加擾動時系統(tǒng)動態(tài)分析 29 本章小結(jié) 31第4章 數(shù)字化并網(wǎng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 32 基于DSP的并網(wǎng)控制系統(tǒng)整體設(shè)計 32 系統(tǒng)電路設(shè)計 33 DSP外圍電路設(shè)計 33 模擬信號采樣電路 34 隔離、驅(qū)動電路 36 多功能控制電源設(shè)計 37 保護電路設(shè)計 38 本章小結(jié) 38結(jié)論 39參考文獻 40致謝 42附錄1 43附錄2 52附錄3 59III第1章緒論第1章 緒論 國內(nèi)外可再生能源開發(fā)的現(xiàn)狀及前景 可再生能源開發(fā)的現(xiàn)狀及前景自20世紀50年代以來，隨著經(jīng)濟活動的增加，世界能源消耗急劇上升，世界能源消耗增長了20倍。然而，通過增加能源消耗促進經(jīng)濟發(fā)展的粗放增長方式已造成全球大氣、土壤、水源等諸多方面環(huán)境質(zhì)量的嚴重下降，暴露出以煤炭等常規(guī)能源為主的能源結(jié)構(gòu)的弊端。上個世紀70年代西方發(fā)生石油危機以來，人們逐漸認識到，礦物能源終會有耗盡之時，人類要維持自身的生產(chǎn)生活，就必須開發(fā)新的能源，特別是可再生能源。由此，世界上掀起了一股開發(fā)利用可再生能源的熱潮，特別是1992年聯(lián)合國世界環(huán)境與發(fā)展大會后，世界各國都將積極推動可再生能源的發(fā)展當作21世紀能源發(fā)展的基本選擇，并在全世界范圍內(nèi)達成了廣泛的共識【1】?？稍偕茉词侵冈谧匀唤缰锌梢圆粩嘣偕?、永續(xù)利用、取之不盡、用之不竭的資源，它對環(huán)境無害或危害極小，而且資源分布廣泛，適宜就地開發(fā)利用?？稍偕茉粗饕ㄌ柲?、風能、水能、生物質(zhì)能、地熱能和海洋能等。世界各國發(fā)展可再生能源的動因和方向有較大差別。發(fā)達國家發(fā)展可再生能源的主要目的是：應對氣候變化，減排溫室氣體；保護環(huán)境，減少大氣污染；能源來源多樣化，保障能源安全；保持技術(shù)優(yōu)勢，擴大出口等。而發(fā)展中國家發(fā)展可再生能源的目的主要是在于：解決農(nóng)村能源問題，擴大能源供應和緩解能源短缺。因此，世界各國發(fā)展可再生能源所采取的戰(zhàn)略也有一定的差別。在可再生能源技術(shù)方面，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家都是世界上的領(lǐng)先者，許多成功的經(jīng)驗和技術(shù)值得學習和借鑒。這些國家以科技為先導，采取多種激勵措施，將先進技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)，并擁有了最大份額的市場。美國政府一直都將促進可再生能源的開發(fā)利用作為其能源政策的核心內(nèi)容之一，并以法律的形式規(guī)定了一系列減稅和生產(chǎn)補貼政策，促進和支持可再生能源的開發(fā)和利用。2005年8月的(2005年國家能源政策法)明確要求為太陽能、地熱能、生物能等可再生能源的開發(fā)提供資助，還對核電以及天然氣給予了相關(guān)政策支持。歐盟自20世紀90年代初開始就高度重視能源戰(zhàn)略。1997年，歐盟在‘可再生能源發(fā)展白皮書》中提出，可再生能源在一次能源中的比例要由1997年的6％提高到2010年的12％，2020年提高到20％，2050年提高到50％。1999年歐盟發(fā)布的《歐洲共同體戰(zhàn)略起飛白皮書》提出了實現(xiàn)可再生能源份額提高的行動計劃，行動計劃包括；進一步鼓勵可再生能源利用的政策、加強成員國之間的合作、鼓勵各國在可再生能源領(lǐng)域內(nèi)的投資，并加強可再生能源的信息傳播與服務。德國政府自20世紀70年代起，就開始花大力氣促進可再生能源技術(shù)的開發(fā)，并在諸多方面取得顯著成效。如德國的風能發(fā)電量占全球的三分之一，并占德國電力生產(chǎn)總量的4％，％的平均水平。日本是一個常規(guī)能源極度短缺的國家，這一狀況促使日本形成了積極開發(fā)和利用可再生能源的觀念。自1973年石油危機后，日本開始大力提高能源效率，實施能源多樣化方針，并積極引進天然氣和核能，擺脫對石油的依賴。同時，太陽能發(fā)電和風能發(fā)電在日本也得到了迅速發(fā)展和普及。到2001年，％提高到13．8％，％。日本政府制定的《新日光計劃(1994～2030)》提出：到2010年可再生能源供應量和常規(guī)能源的節(jié)能量要占能源供應總量的10％，2030年達到34％【2】。中國作為一個迅速崛起的發(fā)展中國家，面臨著經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。2004年6月，我國在《能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要》中提出要大力開發(fā)水電、積極推進核電、鼓勵發(fā)展風電、生物質(zhì)能等可再生能源，到2020年中國可再生能源發(fā)電裝機容量將占總裝機容量的30％以上。2005年2月28日，我國頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，將可再生能源列為能源發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，明確規(guī)范了政府和社會在可再生能源開發(fā)利用方面的責任與義務，并制定了一系列制度和措旌，為可再生能源的發(fā)展提供了法律保障。2006年3月公布的“十一五”規(guī)劃也明確提出；要構(gòu)筑穩(wěn)定、經(jīng)濟、清潔的能源供應體系，大力發(fā)展可再生能源。規(guī)劃提出，到2020年把可再生能源占一次能源供應的比重，從目前的7％提高到15％。為實現(xiàn)這一目標。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國可再生能源的開發(fā)利用己取得了很大進展，其中小水電、太陽能利用和沼氣能開發(fā)的規(guī)模和技術(shù)發(fā)展水平均處于國際領(lǐng)先地位，風電裝機容量也位居世界第10位，至2003年底，全國己建成36個風電廠，單機容量750KW以下大型風力發(fā)電設(shè)備已形成了自主生產(chǎn)能力，兆瓦級的大型風力發(fā)電設(shè)備正在研發(fā)。第二屆國際可再生能源大會于2005年11月7日至8日在北京人民大會堂召開，共有78個國家和地區(qū)的政府代表參加，聯(lián)合國秘書長安南和國家主席胡錦濤向大會發(fā)來書面致辭。大會通過了《北京宣言》，呼吁各國加快可再生能源的發(fā)展，以應對能源壓力。胡錦濤主席在給大會的致辭中強調(diào)：“加強可再生能源開發(fā)利用，是應對日益嚴重的能源和環(huán)境問題的必由之路，也是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。國際社會應該在研究開發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、資金援助等方面加強合作，使可再生能源在人類經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮更大作用，造福各國人民。”他還指出“加強全球合作，妥善應對能源和環(huán)境挑戰(zhàn)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是世界各國的共同愿望，也是世界各國的共同責任。大力發(fā)展可再生能源已成為國際社會的共識。”【3】 可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般能源從其原始狀態(tài)到輸入電網(wǎng)的過程大體可分為：能源轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)移或二次轉(zhuǎn)化、能量存儲及功率控制等步驟[4]。各種能源由于其轉(zhuǎn)化為電能的方式不同，將其送入電網(wǎng)時必須使用交流技術(shù)按用戶的要求對其進行調(diào)整和控制；另外，大部分可再生能源直接產(chǎn)生的能量通常是不穩(wěn)定的，它們在并網(wǎng)時如果不加控制和調(diào)節(jié)，就會對電網(wǎng)造成沖擊，同時為了保證將盡可能多的有功能量送入電網(wǎng)，在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中還要加上儲能環(huán)節(jié)，這些過程都需要利用變流技術(shù)對其進行控制，因此可再生能源在從其原始狀態(tài)轉(zhuǎn)化到可供人們實際應用的電能過程中與變流技術(shù)是密不可分的。一般的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由直流側(cè)處理電路、儲能裝置，直流負載，逆變器、濾波電路等組成，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖見圖11：圖11 可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖直流側(cè)處理電路主要是DC／DC電路或AC／DC電路，由于可再生能源有多種形態(tài)，且轉(zhuǎn)化為電能的方式不同，決定了可再生能源在轉(zhuǎn)化為直流電能時有不同的直流側(cè)處理電路，如光伏發(fā)電需使用DC／DC電路，而風力發(fā)電則需使用AC／DC電路(整流器)?？刂破骷皟δ苎b置的主要作用是當可再生能源受外界因素的影響很大時，經(jīng)轉(zhuǎn)化后的電能很不穩(wěn)定，此時需要采用儲能裝置將電能儲存起來，這樣不僅有利于能量回饋的控制，而且可以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運行。逆變器是可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分。并網(wǎng)用逆變器除了能將可再生能源產(chǎn)生的電能輸送給公用電網(wǎng)外，還應該具有很高的可靠性、完善的保護功能以及較高的效率。目前，可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要研究熱點也集中在逆變器這部分。濾波電路包括濾波器和隔離變壓器。隔離變壓器的主要作用是保證逆變電壓和電網(wǎng)電壓匹配，同時使電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)相互電氣隔離；濾波器的主要作用是用來濾除并網(wǎng)電流的諧波。 并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀及趨勢伴隨著世界范圍內(nèi)開發(fā)利用可再生能源的熱潮，很多國家都紛紛研發(fā)了光伏發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。人們對可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的技術(shù)進行了大量的研究，并使得該技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和應用[5]。目前廣泛應用于可再生能源回饋電網(wǎng)系統(tǒng)中的方案是；首先將可再生能源轉(zhuǎn)化成電能的形式，然后將電能調(diào)節(jié)成滿足正弦波脈寬調(diào)制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)全橋逆變器需要的直流電壓，最后經(jīng)SPWM全橋逆變器將可再生能源回饋給交流電網(wǎng)。在整個系統(tǒng)中最主要的環(huán)節(jié)就是逆變器，它采用的是SPWM逆變技術(shù)。在理論和實踐上，這種方案能夠滿足可再生能源回饋電網(wǎng)的要求，但由于該方案使用了同步、鎖相(PLL)、SPWM脈沖發(fā)生器、低通濾波等諸多模擬環(huán)節(jié)，而且控制方法比較落后，因此使得并網(wǎng)逆變裝置的控制繁瑣，電路復雜，可靠性低，硬件成本高，并網(wǎng)效果不是十分理想，產(chǎn)品價格昂貴，應用得到限制。但是，隨著世界各國對可再生能源開發(fā)重視程度的不斷提高，針對并網(wǎng)逆變器的技術(shù)研究也越來越多，人們針對以往控制技術(shù)的不足，紛紛提出了很多的研究方向，其大體可以分為以下幾個方向[6]：1 并網(wǎng)逆變器的拓撲分類及控制方法的研究目前研究人員提出針對不同的系統(tǒng)要求，逆變器應該有著各種不同的拓撲結(jié)構(gòu)，對于功率較小的并網(wǎng)逆變器可以采用高效、低成本的單極變換器；而多級逆變器變換結(jié)構(gòu)可以使用在大功率、寬電壓范圍的輸入的應用場合。除此以外，逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)中還包括單相、三相：隔離、非隔離；功率單向流動、雙向等各種形式。如：并網(wǎng)逆變器采用雙向功率流動的拓撲，在并網(wǎng)工作時，既可以向電網(wǎng)提供電能，同時也可以當電網(wǎng)電能富足時，從公用電網(wǎng)吸收電能，并將其存儲起來。因此各種拓撲可以分別使用在不同的場合，并且這些拓撲結(jié)構(gòu)可以相互組合成各種不同的形式，以滿足各種要求。在控制方法上，隨著各種高速的數(shù)字信號處理器DSP(Digital Singnal Processor)的出現(xiàn)，將先進的數(shù)字控制應用到并網(wǎng)逆變器的控制中的研究將越來越多。并且針對各種控制方法的缺點，將模擬控制和數(shù)字控制相結(jié)合以到達理想的控制效果，這也是目前研究高性能并網(wǎng)逆變器的一個熱點。2 逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)的研究研究人員認為作為一個功能完整的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，其工作模式應比通常的獨立逆變器更為復雜，它不僅可在無市電接入時獨立作為電壓源逆變，也能在并網(wǎng)時作為電流源工作。針對這些要求，在逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)上提出了以下幾個方面的研究方向：(1)逆變器兩種工作模式的無縫切換技術(shù)；(2)逆變器工作過程中的同步鎖相和電壓跟蹤技術(shù)；(3)并網(wǎng)工作下的防孤島技術(shù)；(4)達到并網(wǎng)電壓、電流諧波標準的閉環(huán)控制技術(shù)。3 多臺并網(wǎng)逆變器并聯(lián)技術(shù)的研究多臺逆變器并聯(lián)可實現(xiàn)大容量供電和冗余供電，因而被公認為當今逆變技術(shù)發(fā)展的重要方向之一[7]。多臺逆變器并聯(lián)實現(xiàn)擴容可大大提高系統(tǒng)的靈活性，使系統(tǒng)的體積重量大為降低，同時其主開關(guān)器件的電流應力也可減少，從根本上降低成本和提高功率密度及系統(tǒng)可靠性。研究者認為目前主從式結(jié)構(gòu)是可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)比較理想的電路結(jié)構(gòu)，而主從式結(jié)構(gòu)就是采用多組逆變器模塊并聯(lián)運行的模式，即在并聯(lián)的若干個逆變模塊中，任意選取一個作為主逆變模塊，而其余作為從模塊跟隨主模塊工作，因而該結(jié)構(gòu)能極大的提高可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)功率合成，增強故障冗余能力。國外一些發(fā)達國家都采用了主從式的逆變并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)目前此技術(shù)還不夠成熟。4 逆變器并網(wǎng)濾波器設(shè)計的研究并網(wǎng)逆變器在工作時有電壓控制和電流控制兩種工作模式。在電壓控制模式下，逆變輸出濾波器通常由電感L和電容C構(gòu)成，它們影響到輸出的動態(tài)響應。在電流控制模式下，會選用L或LCL的結(jié)構(gòu)，主要由電感元件決定輸出的動態(tài)響應。研究人員認為逆變器作為電壓源獨立運行時，濾波器應通常采用LC結(jié)構(gòu)i逆變器作為電流源并網(wǎng)時，則可以直接通過L、LC或者LCL和電網(wǎng)相聯(lián)。現(xiàn)在更多的研究和產(chǎn)品選擇LCL結(jié)構(gòu)，采用LCL的結(jié)構(gòu)比LC結(jié)構(gòu)有更好的衰減特性，對高頻分量呈高阻態(tài)，抑止電流諧波，并且同電網(wǎng)串聯(lián)的電感L還可以起到抑止沖擊電流的作用[8]。 本文的結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容本文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容大致安排如下：第l章，緒論。主要論述了當前可再生能源開發(fā)的現(xiàn)狀和前景，總結(jié)了當前并網(wǎng)逆變技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，介紹了本課題的選題意義及主要內(nèi)容。第2章，單相逆變器總體設(shè)計。主要描述了并網(wǎng)逆變器的工作原理和設(shè)計了主電路的拓撲結(jié)構(gòu)圖，并且對主電路中主要參數(shù)進行計算選擇。對逆變器的調(diào)制方式進行分析，設(shè)計了LCL濾波器并進行了參數(shù)計算。同時也對控制方式進行分析，最終選取雙電流閉環(huán)的控制策略。第3章，系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析。本章節(jié)對并網(wǎng)逆變器的工作進行了仿真，根據(jù)研究過程的進展做了以下工作。先對逆變器進行開環(huán)仿真，對主電路的工作過程有所了解并驗證了上章中設(shè)計的LCL濾波器的效果，然后對逆變器并網(wǎng)采取了單環(huán)控制，通過波形得出系統(tǒng)不太穩(wěn)定，不能滿足并網(wǎng)要求。最后對使用雙閉環(huán)控制策略的模型進行仿真，得到較為理想的并網(wǎng)電流波形，并對波形進行了傅里葉分析，符合并網(wǎng)要求。對系統(tǒng)突加擾動情況下，進行了波形分析。第4章，數(shù)字化并網(wǎng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。利用DSP 實現(xiàn)數(shù)字化并網(wǎng)，對逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。介紹了控制系統(tǒng)和主電路接口電路的實現(xiàn)方案；分析了模擬信號采樣及調(diào)理電路的原理及實現(xiàn)方法；設(shè)計了隔離驅(qū)動電路、保護電路和輔助電源。7 第2章單相逆變器總體設(shè)計 第2章 單相并網(wǎng)逆變器總體設(shè)計 并網(wǎng)逆變器組成原理及主體電路硬件設(shè)計 系統(tǒng)逆變主體電路拓撲結(jié)構(gòu)及原理本文單相并網(wǎng)逆變器的逆變電路采用的是單相全橋式逆變電路。其拓撲結(jié)構(gòu)圖見圖21所示。圖21 系統(tǒng)逆變主體電路拓撲結(jié)構(gòu)圖全橋式逆變器工作原理：圖21中所示的為逆變器通常使用的單相輸出全橋式逆變電路，圖中，功率開關(guān)元件采用四只IGBT管QQQ3