【正文】 ............................................30 PI 控制 .........................................................31 ii 鎖相環(huán)技術(shù)......................................................33 并網(wǎng)逆變器的仿真與分析 .............................................35 本章小結(jié) ...........................................................39第五章 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島效應(yīng)檢測(cè) ........................................40 孤島效應(yīng) ...........................................................40 孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) .......................................................42 孤島檢測(cè)方法 .......................................................43 被動(dòng)檢測(cè)法......................................................43 主動(dòng)檢測(cè)法......................................................43 孤島檢測(cè)的仿真研究 .................................................45 AFD 算法的具體實(shí)現(xiàn) ..............................................45 AFD 的仿真研究 ..................................................46 本章小結(jié) ...........................................................50第六章 結(jié)論與展望 ........................................................51 工作總結(jié) ............................................................51 未來(lái)工作展望 ........................................................51參考文獻(xiàn) .................................................................52發(fā)表論文和科研情況說(shuō)明 ...................................................55致 謝 .................................................................56第一章 緒論 1 第一章 緒論 本課題研究背景與意義 現(xiàn)代社會(huì)，能源，作為一種必不可少的發(fā)展動(dòng)力來(lái)源，一直被大量消耗著。而在當(dāng)今社會(huì)科技飛速發(fā)展的前提下，現(xiàn)有能源已不能滿(mǎn)足社會(huì)的需求。為了推進(jìn)人類(lèi)世界的發(fā)展，改變能源結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)利用新型能源成為了解決未來(lái)世界對(duì)能源需求的必經(jīng)之路。開(kāi)發(fā)利用光伏能源的形式有很多，其中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為倍受人們關(guān)注的形式之一，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛 [2]。 當(dāng)今社會(huì)的能源現(xiàn)狀根據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，整個(gè)地球上的原油可供給人類(lèi)開(kāi)采時(shí)間不超過(guò)95 年，而且在 2050 年之前，全球的社會(huì)發(fā)展還是主要由煤炭支撐，以后的兩三個(gè)世紀(jì)里，這種資源也會(huì)面臨消失，礦物化石燃料供應(yīng)將面臨枯竭 [46]。因此，我們應(yīng)加快尋求新型替代能源的腳步，盡快改善并扭轉(zhuǎn)我國(guó)能源日益匱乏的狀況。由此可見(jiàn)，在全世界傳統(tǒng)能源日益減少的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境的破壞后果卻日益突出。 太陽(yáng)能資源及特性太陽(yáng)能源是由太陽(yáng)光的輻射傳送到地球的，其中大概只有二十二億分之一的能量可以到達(dá)地球范圍，大概有 106 億千瓦。其中，可以到達(dá)陸地表面的能第一章 緒論 2 量，僅剩百分之十，大約為 105 億千瓦。和煤炭、石油、天然氣等燃料相比，太陽(yáng)能源不僅總量豐富，而且在整個(gè)開(kāi)發(fā)利用的過(guò)程中也不會(huì)破壞現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境，它擁有以下幾項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì) [10]：（1） 存在廣泛。光伏能源利用前景相對(duì)較好的地區(qū)約占我國(guó)領(lǐng)土總面積的三分之二。太陽(yáng)是一顆年輕的恒星，相比于人類(lèi)存在的時(shí)間來(lái)講，它可以供給我們能量的時(shí)間基本上是無(wú)窮的，這樣，就從根本上解決了傳統(tǒng)能源的匱乏問(wèn)題。煤炭、石油等化石燃料的使用過(guò)程中，會(huì)放出很多有害物質(zhì)，污染環(huán)境。（4） 利用經(jīng)濟(jì)。一是太陽(yáng)能源就地可取，無(wú)需“繳稅” ，更可以接近負(fù)載，減少輸配電網(wǎng)絡(luò)的傳輸損耗。 太陽(yáng)能源的利用方式太陽(yáng)能源具有多種利用方式，主要類(lèi)型有以下幾種方式，見(jiàn)表 11 所示 [11]。如表 12 所示 [12，13] 。在未來(lái)，有國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家們預(yù)測(cè)，到二十一世紀(jì)的二十年代和三十年代，光伏發(fā)電的全世界裝機(jī)總?cè)萘繉?huì)成倍增長(zhǎng)，達(dá)到大約 125GW 和920GW。 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及前景在上個(gè)世紀(jì)后期，我國(guó)逐漸實(shí)施各個(gè)地區(qū)和各個(gè)工程的光伏系統(tǒng)建設(shè)。新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)，在當(dāng)前階段，隨著光伏電池的造價(jià)持續(xù)降低，并且全第一章 緒論 5 國(guó)政府頒布的許多支持其發(fā)展的條令，使我國(guó)的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)正在迅速的成長(zhǎng)，預(yù)計(jì)大約在 2020 年之前，太陽(yáng)能發(fā)電將由獨(dú)立型發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)型，并且到 2020 年左右我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)有望與世界先進(jìn)水平看齊 [15]。表 13 我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷史簡(jiǎn)表時(shí) 間 事 件1958年 開(kāi) 始 研 究 太 陽(yáng) 能 電 池7年 首 次 將 光 伏 發(fā) 電 成 功 應(yīng) 用 于 太 空 領(lǐng) 域193年 開(kāi) 始 將 光 伏 發(fā) 電 應(yīng) 用 于 地 面80年 代 之 后 國(guó) 家 加 大 光 伏 產(chǎn) 業(yè) 發(fā) 展 力 度 ， 建 立 多 項(xiàng) 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 光 伏 發(fā)電 示 范 工 程90年 代 末 期 建 立 示 范 工 程 和 偏 遠(yuǎn) 用 電 地 區(qū) 光 伏 發(fā) 電 系 統(tǒng) ；光 伏 組 件 年 產(chǎn) 量 達(dá) 10KW左 右20年 “西 部 省 區(qū) 無(wú) 電 鄉(xiāng) 通 電 計(jì) 劃 ”啟 動(dòng)光 伏 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 安 裝 量 達(dá) 深 圳 首 座 兆 瓦 級(jí) 太 陽(yáng) 能 發(fā) 電 系 統(tǒng) 驗(yàn) 收207年 光 伏 組 件 年 產(chǎn) 量 達(dá) 1GW8年 光 伏 組 件 年 產(chǎn) 量 超 過(guò) 2， 居 世 界 第 一201年 光 伏 組 件 年 產(chǎn) 量 突 破 5對(duì)于光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度起決定性作用就是光伏電池的發(fā)展，光伏電池自從在實(shí)驗(yàn)室被研究、發(fā)現(xiàn)到如今被大量應(yīng)用，無(wú)論是其光電轉(zhuǎn)換的效率，還是其在材料制備方面的類(lèi)型，均正處于不斷發(fā)展進(jìn)步中。而研制光伏電池的最首要目的，就是為了讓其盡快融入到我們的社會(huì)里來(lái)，早日形成應(yīng)用產(chǎn)品，所以，首先要想辦法解決的，就是它的制作成本。同樣的在我們國(guó)內(nèi)，也逐漸開(kāi)始出現(xiàn)很多制作光伏電池的廠家，這些廠家的生產(chǎn)規(guī)模正在迅速擴(kuò)大，其中有幾個(gè)廠家已經(jīng)在市場(chǎng)中占有了一席之地?？傊磥?lái)十幾年里，光伏發(fā)電技術(shù)及產(chǎn)品將在我國(guó)開(kāi)始步入高速發(fā)展的階段 [16]。本文以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)（單相）為例，對(duì)光伏組件、逆變器以及孤島效應(yīng)等進(jìn)行了仿真分析，各章主要內(nèi)容如下：（1）第一章緒論，主要對(duì)論文的背景及意義作了介紹，包括目前世界能源的現(xiàn)狀和太陽(yáng)能源的不同特性，并對(duì)其世界范圍內(nèi)的研究情況與發(fā)展進(jìn)行介紹。（3）第三章對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器主電路的進(jìn)行了構(gòu)建，介紹了其不同類(lèi)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)主電路中各個(gè)部分的器件參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，得出了相應(yīng)的理論值。（5）第五章介紹了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的另一個(gè)重要組成部分——孤島檢測(cè)。 （6）第六章為本文的總結(jié)與展望，對(duì)本文的研究?jī)?nèi)容與獲得成果進(jìn)行了總結(jié)，之后提出了待改進(jìn)的部分和未來(lái)的發(fā)展。 光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成在通常情況下，光伏電池、 。 蓄電池再加上附近的用電設(shè)施等等組成了一整套太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng) [17，18] ，它們的具體結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。所以，獲得太陽(yáng)輻射能量的入口便是光伏電池，它是光伏系統(tǒng)最重要的組成部分，它的成本高低和轉(zhuǎn)換能量的多少都對(duì)光伏發(fā)電的發(fā)展起著決定性的作用。在太陽(yáng)能電池處于陽(yáng)光照射下時(shí)，所能吸收的能量較多，進(jìn)而生成電能的效率也會(huì)處于一個(gè)較高的水平，一般在這時(shí)，除了附近的用電設(shè)施所能消耗掉的電能外，還可以產(chǎn)生一部分多余的能量進(jìn)行存儲(chǔ)，而這一部分多出的能量既可以在太陽(yáng)能電池?zé)o法接收到日光照射時(shí)，作為第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 8 輔助能源供給附近的用電設(shè)施，這就是其所擁有的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列的成本正在持續(xù)的降低，所以，在對(duì)光伏系統(tǒng)的蓄電池進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)著重考慮在成本上相對(duì)實(shí)惠的，在日常工作的維修護(hù)理方面相對(duì)簡(jiǎn)單的，并且盡量保證能夠正常使用的年限要長(zhǎng)，這樣才能夠使整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中保持穩(wěn)定、高效。所以，擁有一個(gè)優(yōu)秀的控制方案是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。在新世紀(jì)里，隨著智能化的不斷發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子以及智能控制都處于一個(gè)高速發(fā)展的狀態(tài)中，作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的控制裝置，也逐漸開(kāi)始使用具有多種性能特點(diǎn)并且具備智能技術(shù)的設(shè)備 [20]，其中出現(xiàn)了許多新的功能，比如有能夠采集和處理多路模擬信號(hào)，有對(duì)誤差實(shí)現(xiàn)主動(dòng)分析等等諸多從前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)的功能特點(diǎn)，通過(guò)這種方式來(lái)達(dá)到在線(xiàn)檢驗(yàn)及控制的目的等。直流電變換控制，主要是由于太陽(yáng)能電池的工作電壓與負(fù)載或者逆變器所需要的電壓不同，所以需要對(duì)其輸出的電壓進(jìn)行控制，以達(dá)到系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)。逆變器控制在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的作用是尤為關(guān)鍵的，其一，它可以使光伏陣列產(chǎn)生的直流電得到優(yōu)化，提高效率；其二，它可以聯(lián)系公共電網(wǎng)，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類(lèi)及應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為以下三大類(lèi) [21，22，23] ：（1） 獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的裝置，實(shí)際中又可以被稱(chēng)為離網(wǎng)型系統(tǒng)。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有光伏陣列、DC/DC 變換電路、蓄電池組件、控制器、逆變電路和交直流負(fù)載幾個(gè)部分構(gòu)成。逆變電路負(fù)責(zé)對(duì)光伏陣列生成的直流電能進(jìn)行 DC/AC 變換，生成交流電供給后面的交流負(fù)載使用。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建是當(dāng)今社會(huì)的主流趨勢(shì)。目前，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)依據(jù)它們所具有的不同功能特點(diǎn)一般歸納成兩種：第一種是不含蓄電池組件的“不可調(diào)度并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)” ，該系統(tǒng)在公共電網(wǎng)斷電時(shí)，將自動(dòng)停止向電網(wǎng)供電。但是相應(yīng)的，可調(diào)度并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于增加的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，也為其帶來(lái)的一些明顯的缺點(diǎn)，一個(gè)是造成了系統(tǒng)體積以及重量的增加，這會(huì)導(dǎo)致安裝和調(diào)試的不便，另外一個(gè)就是目前所生產(chǎn)的蓄電池組件壽命普遍較短，定期更換蓄電池則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行成本的增加，而且在正常運(yùn)行時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)需要進(jìn)行的維護(hù)工作也會(huì)變得復(fù)雜。 光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要研究問(wèn)題（1） 最大功率跟蹤控制方式在外部環(huán)境以及內(nèi)部器件的影響下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率曲線(xiàn)呈現(xiàn)出非線(xiàn)性函數(shù)的特點(diǎn)。最大功率跟蹤控制方式有許多種。上述各類(lèi)方法均存在著相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，如何使光伏系統(tǒng)更便捷、更穩(wěn)定的工作在最大功率點(diǎn)，在目前仍然是一個(gè)研究熱點(diǎn)。在 IEEE 提出的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)逆變技術(shù)有著嚴(yán)格的要求，所以，在不對(duì)公共電網(wǎng)造成污染的同時(shí)，提高并網(wǎng)電流質(zhì)量的控制策略研究也是目前全世界的研究重點(diǎn)之一 [24]。（3） 孤島效應(yīng)第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電池 10 孤島效應(yīng)（Islanding Effect）是指公共電網(wǎng)突然失壓時(shí)，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)仍保持著對(duì)電網(wǎng)中臨近的部分線(xiàn)路供電狀態(tài)的一種效應(yīng) [25]。因此，系統(tǒng)必須要迅速檢測(cè)到孤島效應(yīng)并及時(shí)斷開(kāi)。 光伏電池的工作原理述光伏陣列就是將太陽(yáng)能源進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到電能的器件，它的材料是由兩種物質(zhì)組成的半導(dǎo)體融合成為一體的 PN 結(jié) [26]，其基本原理為半導(dǎo)體器件的光伏原理。在各種不同狀態(tài)的物質(zhì)之中都能夠發(fā)生光伏原理，相比而言，在半導(dǎo)體器件中，這種現(xiàn)象的發(fā)生效率是最高的 [28]。圖中①代表的大氣中輻射到光伏陣列的表層而反射回去的太陽(yáng)射線(xiàn)；②表示剛來(lái)到物體表層便被吸收并生成電子空穴對(duì)的太陽(yáng)射線(xiàn)，它們的強(qiáng)度并不足以生成電能；③代表的是能夠接近 PN結(jié)而被接受并產(chǎn)生電子空穴對(duì)的太陽(yáng)射線(xiàn)，該類(lèi)射線(xiàn)是可以讓光伏陣列產(chǎn)生實(shí)際電能的；④代表深入到光伏電池片底部的太陽(yáng)射線(xiàn)，其中，只有極少可以形成電能；⑤代表被光伏陣列吸收的太陽(yáng)射線(xiàn)，它們并不足以形成電能，反而會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的升溫；⑥代表直接穿透光伏電池并且沒(méi)有被吸收的太陽(yáng)射線(xiàn)。并且在 PN 結(jié)周?chē)鷧^(qū)域的太陽(yáng)射線(xiàn)都是對(duì)電池的發(fā)電有效果的，所以，在上面分析的基礎(chǔ)上得出，努力提高有用的太陽(yáng)射線(xiàn)的數(shù)量，就可以使光伏陣列的實(shí)際工作效率得到明顯的改善。此時(shí)，那些處于 PN 結(jié)周?chē)奶?yáng)射線(xiàn)被光伏陣列接收并且進(jìn)行轉(zhuǎn)化之后，其會(huì)讓電子躍遷到一個(gè)能量更豐富狀態(tài)，這樣就會(huì)使電子擺脫束縛，出現(xiàn)電子空穴對(duì)。 光伏陣列中的電子將會(huì)涌向 N 型區(qū)，空穴將會(huì)涌向P 型區(qū)，這樣，便形成了所謂的光生電場(chǎng)。在光伏陣列的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)有電動(dòng)勢(shì)，我們稱(chēng)這種情況下產(chǎn)生的為光生伏打電動(dòng)勢(shì)。圖 23 光伏發(fā)電原理示意圖 光伏電池輸出特性 光伏電池等效電路由于光伏電池的輸出的非線(xiàn)性，在對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)需要將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的等效電路，圖 24 給出了光伏陣列的等效電路，這其中把各種電阻都加入從而進(jìn)行考慮，相