【正文】 器并網(wǎng)控制 39 并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)及其簡化等值電路模型 39 帶前級升壓電路的并網(wǎng)逆變器工作原理 40 多逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制策略 40 單相光伏并網(wǎng)逆變器工程設(shè)計實例 46 光伏并網(wǎng)設(shè)計方案及其系統(tǒng)構(gòu)成 46 光伏并網(wǎng)逆變器控制策略及其仿真 47 光伏并網(wǎng)逆變器硬軟件設(shè)計 51 系統(tǒng)調(diào)試與實驗結(jié)果 56 本章小結(jié) 59結(jié)論和展望 60參考文獻(xiàn) 62致 謝 66附錄A 攻讀學(xué)位期間主要研究成果 67 第1章 緒 論本章概括介紹了“高滲透率下光伏電源并網(wǎng)電能質(zhì)量問題及其交互影響”課題研究的背景及意義，光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及本課題的主要工作內(nèi)容。隨著人類生活水平的提高和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求日益增長。本世紀(jì)初的世界能源調(diào)查報告中顯示：，天然氣還可采61年，煤炭還可采227年。此外，這些傳統(tǒng)能源的大量使用已經(jīng)給人類的生存環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染，如溫室效應(yīng)、臭氧層破壞等?？梢姡祟惿鐣枰沙掷m(xù)發(fā)展，能源緊缺和環(huán)境污染成了最重要的兩大制約因素。目前，全世界都在開發(fā)可再生能源如風(fēng)能、太陽能、海洋能、地?zé)崮艿龋@些能源不僅用之不盡，而且不排放有害物質(zhì)，可以用來替代傳統(tǒng)能源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。具有資源豐富，不受地域限制等優(yōu)點，受到世界能源專家們的青睞，成為21世紀(jì)最重要的能源之一。無論從能源還是環(huán)境的角度考慮，太陽能發(fā)電最終將以替代能源的角色進(jìn)入電力市場。但是由于傳統(tǒng)能源的枯竭加上人們對環(huán)境保護(hù)的日益重視。因此，電力系統(tǒng)將發(fā)生巨大的改革，分布式發(fā)電將成為未來電力系統(tǒng)的重要研究方向。歐美許多國家已經(jīng)對分布式發(fā)電方式開展科學(xué)研究，我國近年來也對分布式發(fā)電展開了一些基礎(chǔ)性的研究。并且在我國“十一五”期間 “分布式能源系統(tǒng)微電網(wǎng)技術(shù)研究”獲得了國家863高技術(shù)基金的資助，“分布式發(fā)電供能系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)研究”獲得了973國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目的資助，分布式發(fā)電理論和技術(shù)將成為我國能源領(lǐng)域的熱點研究課題。美國、德國、西班牙等各國政府相繼推出了如電價補(bǔ)貼、稅收抵扣等鼓勵政策和政府計劃，推動了光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。我國經(jīng)濟(jì)正處在飛速發(fā)展時期，能源需求量在未來幾十年將迅速增加，因此，發(fā)展新能源對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分重要。2008年中國光伏安裝總量是40MW，累計安裝總量只有140MW，而2009年全年安裝量就有160MW。分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)，有助于分布式發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。然而，當(dāng)分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后，電力系統(tǒng)呈多電源的弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4]。伴隨著大比例或大功率分布式光伏電源的引入，電能質(zhì)量問題不可避免。光伏發(fā)電能量的傳遞和轉(zhuǎn)換都是建立在電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，大規(guī)模的光伏電源并網(wǎng)使得大量的電力電子轉(zhuǎn)換器引入到電力系統(tǒng)中，隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，大量的非線性負(fù)載也加入到了供電系統(tǒng)中，因此，大規(guī)模光伏發(fā)電的引入會對電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的污染，產(chǎn)生更為嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題[5]。另外，大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電引起的微網(wǎng)環(huán)流和孤島效應(yīng)將在電網(wǎng)中引入新的電能質(zhì)量問題，嚴(yán)重危害著電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。但由于光伏發(fā)電并網(wǎng)產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題具有特殊性，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量治理技術(shù)都不再適用，傳統(tǒng)的檢測和分析方法也很難適應(yīng)于電能質(zhì)量問題的研究。改善電能質(zhì)量的技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)，計算機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上的，而分布式光伏發(fā)電也正是建立在這些技術(shù)上。因此，在分布式光伏發(fā)電大量引入配電網(wǎng)的條件下，揭示高滲透率下光伏電源并網(wǎng)系統(tǒng)的特殊電能質(zhì)量問題機(jī)理，建立相應(yīng)的評價指標(biāo)和評估方法，研究電能質(zhì)量的綜合控制方法及相應(yīng)的新設(shè)備，對實現(xiàn)含大比例光伏微網(wǎng)的配電網(wǎng)穩(wěn)定供能，保障其在復(fù)雜工況下安全高效運(yùn)行有十分重要的意義。豐富的太陽輻射能以其獨有的優(yōu)勢成為人們重視的焦點。20世紀(jì)90年代后，光伏發(fā)電發(fā)展迅速，1990～2005年世界光伏組件年平均增長率約為15%，2006年，世界上已經(jīng)建成了10多座MW級光伏發(fā)電站。美國是最早制定光伏發(fā)電發(fā)展規(guī)劃的國家。日本于1992年就啟動了新陽光計劃，2003年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的50%，世界前十大廠商有4家在日本[9]。新的可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價，大大推動了光伏發(fā)電市場和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為了繼日本之后光伏發(fā)電發(fā)展最快的國家。我國的太陽能資源非常豐富，與同緯度的其他國家相比，與美國相近，比歐洲、日本優(yōu)越很多，有巨大的開發(fā)潛能。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了兩次跳躍。國內(nèi)引進(jìn)了多條太陽能電池生產(chǎn)線和多臺太陽能電池生產(chǎn)設(shè)備。21世紀(jì)初，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迎來了快速發(fā)展的新階段。當(dāng)前影響太陽能光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是它的制造成本太高，在眾多發(fā)電技術(shù)中，太陽能光伏發(fā)電仍是成本最高的一種，因此，開發(fā)新穎的電池材料，設(shè)計新的電池結(jié)構(gòu)、改進(jìn)現(xiàn)有的制造工藝等降低制造成本的方式成為發(fā)展太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的主要目標(biāo)。 光伏發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量治理研究現(xiàn)狀 隨著光伏發(fā)電近年來的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電并網(wǎng)所產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題引起了國內(nèi)外專家的關(guān)注，揭示分布式光伏發(fā)電引起的單一的電能質(zhì)量問題機(jī)理的研究較多。國內(nèi)很多高校如天津大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等以及南方電網(wǎng)都開展了高滲透率下微網(wǎng)與配電網(wǎng)相互作用機(jī)理研究、分布式儲能對微網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的作用機(jī)理、含微網(wǎng)配電系統(tǒng)的規(guī)劃、微網(wǎng)及含微網(wǎng)配電系統(tǒng)的保護(hù)原理與技術(shù)、并網(wǎng)控制及多分布式電源協(xié)調(diào)控制、微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論與能量管理等的研究。（1）電能質(zhì)量問題機(jī)理和檢測研究光伏電源與傳統(tǒng)的電網(wǎng)電源不同。研究光伏發(fā)電模型，歸納出其有功功率變化特性、無功電壓特性、頻率響應(yīng)特性、功角穩(wěn)定特性、故障響應(yīng)特性，這有助于解決光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的根源。為了對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行有效控制，國內(nèi)外專家一直很重視電能質(zhì)量的檢測問題，并且進(jìn)行了較為深入的研究。文獻(xiàn)[11]在具有無功補(bǔ)償功能的單級三相光伏并網(wǎng)逆變器的基礎(chǔ)上，提出了一種將逆變器的有功和無功分開獨立控制，而將最大功率跟蹤與有功擾動綜合控制的孤島檢測方案。而且，光伏微源本身具有功率響應(yīng)積極，有功無功分別可調(diào)等優(yōu)點，可以擔(dān)當(dāng)一定的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)任務(wù)，與電能質(zhì)量治理裝置聯(lián)合使用，可以改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量。伴隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的滲透率提高，電能質(zhì)量的控制難度也增加，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量治理點如無功補(bǔ)償結(jié)點、有源濾波器的投入結(jié)點、電能質(zhì)量的檢測點等都需要重新確定。文獻(xiàn)[12]利用光伏并網(wǎng)逆變主電路的特點,將光伏并網(wǎng)的發(fā)電控制與無功補(bǔ)償、有源濾波相結(jié)合,在有效地進(jìn)行光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時,還可以對電網(wǎng)中的無功和諧波進(jìn)行補(bǔ)償或抑制,進(jìn)而提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。逆變器根據(jù)所采用的電力電力技術(shù)的不同而產(chǎn)生不同水平的諧波，在高滲透率的環(huán)境下，系統(tǒng)的諧波水平也會上升，可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)設(shè)備的損毀。由于并網(wǎng)逆變器和有源濾波器具有相同的主電路結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[13]提出在并網(wǎng)逆變器的控制算法中加入濾波環(huán)節(jié)，使其在供能的同時具備濾波的功能。該系統(tǒng)將光伏并網(wǎng)發(fā)電控制與無功補(bǔ)償、有源濾波控制相結(jié)合在進(jìn)行光伏發(fā)電的同時有效地提高了供電質(zhì)量。文獻(xiàn)[15]介紹了一種分布式發(fā)電逆變器控制技術(shù)，在非線性負(fù)荷或者網(wǎng)絡(luò)失真的情況下，可以使輸出電壓低諧波失真，從而改善諧波問題。文獻(xiàn)[17]設(shè)計了采用電流脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)方法的電壓型逆變控制器，其核心采用含有電流電壓波動前饋補(bǔ)償?shù)碾p環(huán)串級PI結(jié)構(gòu)，有功、無功可以分開獨立調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[18]提出了一種逆變電源無線并聯(lián)控制方案，有效的實現(xiàn)了逆變電源的并聯(lián)同步運(yùn)行，該控制技術(shù)通過檢測逆變電源本身的輸出功率來對輸出電壓幅值和頻率進(jìn)行下垂控制，均分負(fù)載電流的效果很好，逆變電源之間的環(huán)流很小。聯(lián)網(wǎng)模式下，光伏模塊服從配電網(wǎng)的調(diào)度，輸送電能。儲能裝置及必要的用戶電力裝置是維持微網(wǎng)無功和電壓平衡、實現(xiàn)模式平滑切換、降低并退沖擊的重要措施。揭示了高滲透率下光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特殊電能質(zhì)量問題，提出一種電能質(zhì)量評估方法，深入研究了光伏發(fā)電與電能質(zhì)量治理裝置的交互影響以及多逆變器并網(wǎng)控制方法，關(guān)注系統(tǒng)整體電能質(zhì)量，以保障高滲透率光伏分布式發(fā)電供能系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。伴隨著分布式光伏電源接入，各種擾動同時引入配電網(wǎng)，從而對系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，主要會造成供電電壓不穩(wěn)定、諧波污染、三相電壓不平衡以及無功功率不平衡等方面的問題。該指標(biāo)體系包含了電壓偏差指標(biāo)、頻率偏差指標(biāo)、三相不平衡指標(biāo)、諧波畸變指標(biāo)、電壓波動指標(biāo)和電壓閃變指標(biāo)六大穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。第3章，本章首先對電能質(zhì)量治理裝置與光伏發(fā)電裝置的交互影響進(jìn)行了研究。SVC和增加濾波功能的并網(wǎng)逆變器設(shè)計可同時抑制并網(wǎng)節(jié)點處的電壓波動和補(bǔ)償負(fù)載和TCR產(chǎn)生的諧波，提高了光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量，實現(xiàn)高品質(zhì)供能。第4章，本章研究了抑制微網(wǎng)環(huán)流的控制方法和多逆變器并聯(lián)運(yùn)行的控制策略，使光伏發(fā)電系統(tǒng)中各模塊輸出電壓的幅值、相位盡量一致。在不同光伏微源之間或光伏微源與電網(wǎng)之間實現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行控制和負(fù)載均分控制。本章詳細(xì)介紹了逆變器的軟硬件設(shè)計，系統(tǒng)調(diào)試和實驗結(jié)果。總結(jié)和展望，介紹了本論文研究的特點和創(chuàng)新之處，對本文進(jìn)行了總結(jié)和展望，指出進(jìn)一步研究工作的重點和方向。一般而言，在電網(wǎng)中引入少量的分布式光伏電源對整個電網(wǎng)不會構(gòu)成太大的影響。伴隨著大比例分布式光伏電源接入，各種擾動也同時引入配電網(wǎng)，從而對系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，主要會造成供電電壓不穩(wěn)定、諧波污染、三相電壓不平衡以及無功功率不平衡等方面的問題[20]。如果配電網(wǎng)系統(tǒng)中含有大比例的光伏發(fā)電時，會使得線路上的負(fù)荷潮流發(fā)生波動且變化較大。從而，電網(wǎng)電壓的調(diào)整難度加大，調(diào)節(jié)不好會導(dǎo)致電壓偏差、電壓波動和閃變等問題的發(fā)生[21]。分布式光伏電源的不穩(wěn)定性對并網(wǎng)接入點的影響是最大的，因此，以此點來評估電壓變化。當(dāng)發(fā)電量波動時，接入點的電壓變化值為。一般情況下，線路兩端的相位移不大，近似于其水平分量，其垂直分量可忽略，由此可得電壓的相對變化率為： （）從上式可以看出，電壓相對變化率取決于，即為對系統(tǒng)供電電壓造成沖擊的三個要素。 （）由式（）可得， （）考慮單個光伏電源的情況，當(dāng)分布式光伏電源未全容量運(yùn)行時，電壓變化率最大。但是隨著供電電網(wǎng)中分布式光伏電源的滲透率增加，提高了系統(tǒng)的整體短路容量。配電網(wǎng)內(nèi)部沖擊性負(fù)荷投切、外部故障等使得電壓閃變、跌落，對配電網(wǎng)電壓造成較大沖擊的情況，其程度與普通配電網(wǎng)相比，將會得到抑制削弱。選擇光伏電源并網(wǎng)接入點作為評估點，以表示負(fù)荷無功增量，電壓波動可表示為： （）同樣，當(dāng)光伏電源并網(wǎng)后，配電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時，以表示并網(wǎng)后接入點的短路容量，則并網(wǎng)后接入點的電壓波動可表示為 （）（2）對電網(wǎng)諧波的影響 光伏發(fā)電系統(tǒng)直流電逆變成交流電并網(wǎng)時，會產(chǎn)生諧波，造成諧波污染[22]。但是，隨著光伏發(fā)電在配電網(wǎng)系統(tǒng)的滲透率增加，多個諧波源疊加造成的諧波含量會嚴(yán)重影響電能質(zhì)量，不僅如此，多個諧振源還有可能在系統(tǒng)內(nèi)激發(fā)高次諧波的功率諧振。將光伏電源等效為一個內(nèi)阻無窮大的諧波電流源進(jìn)行分析，考慮電源出力變化的影響時，在接入位置不變的情況下，饋線上的電壓諧波總畸變率VTHD由分布式光伏電源的總出力決定，總出力占總負(fù)荷的比例越高，則同一饋線沿線各負(fù)荷節(jié)點VTHD越大。因此，從減小諧波畸變率的角度來看，分布式光伏電源并不適宜在饋線末端接入系統(tǒng)，可以選擇線路接近系統(tǒng)母線處或饋線中間位置。在輸出功率≥50%額定功率，電網(wǎng)波動5%情況下，如SG100K3型逆變器的交流輸出電流總諧波分量（THD）3%。但若疊加背景諧波后，并網(wǎng)點的諧波分量有可能接近或超過相關(guān)規(guī)定。如果經(jīng)檢測無法滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，需要采取加裝濾波裝置等相應(yīng)措施。分布式光伏電源并網(wǎng)所造成的電壓不平衡度主要由兩個方面的因素構(gòu)成：一方面是由于三相并網(wǎng)逆變器自身輸出的不平衡造成的，另一方面是由于大量單相分布式光伏電源并網(wǎng)造成的。不對稱的負(fù)荷經(jīng)分解成為正序、負(fù)序和零序三組分量，由于負(fù)序分量的存在，對系統(tǒng)電氣設(shè)備將產(chǎn)生不良影響，諸如電力變壓器效率降低，繼電器保護(hù)裝置誤動作等。發(fā)展三相逆變器技術(shù)，降低對電網(wǎng)三相不平衡度的影響。目前，對于三相不平衡的治理，更多的是使用靜止無功補(bǔ)償器（SVC）的補(bǔ)償方法，與以往使用變壓器、投切固定電容器及電抗器的方法相比，具有調(diào)節(jié)范圍寬、動態(tài)性能好、可靠性高、阻抗連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點，特別適合于可變的不平衡負(fù)載。為滿足無功補(bǔ)償按分層分區(qū)和就地平衡的原則，太陽能光伏電站應(yīng)配置適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償裝置，以滿足電網(wǎng)對無功的要求，提高電源質(zhì)量，降低網(wǎng)損。注入的直流電流分量會對電網(wǎng)中的變壓器等許多電氣設(shè)備造成致命的傷害。必須存在一個緩沖的儲能單元，在光伏輸出不足時候，補(bǔ)償其功率缺額；而光伏出力大于負(fù)荷需求時，又可以盡可能的儲存這部分超額的能量，提高光伏發(fā)電的效率。由于光照強(qiáng)度、溫度等因素具有極強(qiáng)的不穩(wěn)定性，光伏發(fā)電的輸出電流和電壓也具有間歇性與不穩(wěn)定性。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中添加儲能裝置，無論是以光伏發(fā)電組成的微網(wǎng)獨立運(yùn)行，或者是并網(wǎng)運(yùn)行，儲能環(huán)節(jié)是支持光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分，起到平抑系統(tǒng)擾動、維持發(fā)電及負(fù)荷動態(tài)平衡、保持電壓及頻率穩(wěn)定的重要作用，從而，提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。為了給敏感和重要的負(fù)載提供不間斷的交流電，需要在這兩者之間進(jìn)行切換。逆變器從并網(wǎng)模式向獨立模式切換。逆變器的控制模式從電壓型切換成電流型。由上述分析可知，并網(wǎng)時要使得輸出基準(zhǔn)不斷跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位，需要使用鎖相環(huán)。因此，在光伏并網(wǎng)離網(wǎng)模式切換的過程中，不同步或者能量缺額會造成較大的電壓波動，出現(xiàn)較大的電壓電流沖擊，這對逆變器和系統(tǒng)電能質(zhì)量都是不利的。孤島狀態(tài)下的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有很大的危害性，會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果[23]。從用電安全與電能質(zhì)量考慮，孤島效應(yīng)是不允許出現(xiàn)的。電網(wǎng)斷電的檢測是解決孤島問題的關(guān)鍵，其時間越短越好。主動式檢測和被動式檢測為目前檢測孤島效應(yīng)的兩種方法。并網(wǎng)逆變器一般都具備了負(fù)載過壓和欠壓保護(hù)功能。孤島效應(yīng)會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的后果，在大比例光伏電源接入配電網(wǎng)的情況下，快速檢測和防止孤島效應(yīng)對提高電力系統(tǒng)電能質(zhì)量有十分重要的意