双级式光伏并网逆变器研究

电力电子与电力传动专题课课程报告——双级式光伏并网逆变器研究

哈尔滨工业大学

2014年7月

双级式光伏并网逆变器研究

摘要:在当今世界能源危机与环境污染加剧的趋势下，太阳能因具有可再生和清洁无污染的优点受到人们的关注，更是被各国用来缓解环境污染的主要举措，而且与其它清洁能源相比太阳能的发展速度最快。随着太阳利用技术的发展，太阳能的利用形式已从传统的光-热利用发展到现在的光-电利用，光伏发电必将成为未来最主要利用形式并得到迅猛发展。而逆变器是实现光生电能向电网电能转换的重要器件。本文对光伏并网逆变系统的结构和逆变器的拓扑进行分析，比较各优缺点。并对两级式并网逆变器的前级和后级的控制方法进行分析研究，比较各控制方法的优缺点。

关键词：太阳能；光伏发电；MPPT；逆变器；单周期控制

0 引言

当今世界人口众多，能源是经济发展的一个非常重要的需求。无论是提高生活水平还是发展经济，都不能离开能源。而能源问题早就已经不是能源的本身问题，金融资本的市场与石油的市场高度的一体化，使能源更加变得受人关注。有关学者称，能源革命的革命意义是比十年前的信息技术的革命意义更加的重大和深远，是有史以来最伟大的一种革命。能源革命已经变成了全球共同关注的课题。在能源和环境这两个方面，我们国家面临的挑战是有史以规模最大并且最为严峻的。为了给正在进行的城镇化、工业化、机动车化，以及给全国不足14亿的人口提供充足的、可靠的并且廉价的、清洁的和便利的能源，从规模上说，这比世界上的任何一个国家的经历都要大很多。本土的资源和能源的短缺，能源进口的快速增长，国际油价的高数字以及能源在生产和使用过程中所造成的极为严重的污染，国内的能源领域的复杂的市场化改革，国际的能源的高地缘政治，以及全球的气候变化所产生的压力，以上所有的因素都使中国正面对着将会比以往任何一个国家所面临的更加严重的挑战。

目前人类生产和生活中大量使用的煤、石油和天然气等化石能源正在以惊人的速度减少。若按照能源的综合估算，世界石油的储备量大约为1200亿吨。如果按照世界上石油的以每年33亿吨的开采总额来进行计算，世界上石油的存储总量大约在21世纪50年代左右被全部开采完毕。全球的天然气的存储总量目前为15万兆立方米左右，如果以每年2300兆立方米的开采总额来进行估算，在60年内天然气将会被开采耗尽。这也就意味着，目前人类大量使用的化石能源将在21世纪上半叶迅速枯竭，而化石能源的枯竭势必会导致世界经济危机和冲突的加剧。20世纪90年代初期，我国的能源还可以自给自足，但是，目前就我国石油资源的对外依存度来说，我国仅次于美国，居世界第二位，约为50%，中华人民共和国国务院的发展研究中心所做出的调查报告指出，截止到21世纪20

年代，我国的石油需求量最少为4.5亿吨，最多将会达到6.1亿吨。而此阶段我国国内的石油产量为1.8亿吨到2亿吨。这些数字意味着，我国对海外石油资源的依存度将将会继续增加，至少达到55%，与美国基本一致。显而易见，我国对国外资源的持续增高的依存度已经严重地威胁了我国的可持续发展。

我国光伏发电的应用市场目前处于起步阶段，2010年我国新增的太阳能光伏发电装机容量约为500MW。到2030年光伏发电量可达1300亿千瓦。但总体而言，我国在光伏并网控制层面，与西方发迖国家相比还有较大差距，具体表现在PCC并网冲击过大，电流畸变率(大于8%)及电压畸变率(大于4%)过高、前级母线电压不稳定等，因此解决光伏并网逆变控制问题极为迫切。鉴于并网控制涉及到逆变器前级母线电压调理、后级滤波器、锁相设计及孤岛保护等一系列相关问题，因此应重点进行系统建模、拓扑与保护电路设计及控制策略分析等研究，确保光伏逆变无损并网，开发具有中国特色的光伏并网逆变技术，具有十分重要的意义。

1 光伏并网发电系统的分类及拓扑结构

太阳能光伏发电系统的工作原理比较简单，太阳能电池方阵受太阳福照，将太阳福射能直接转换为直流电能，这一过程相当于直流发电器。方阵的输出端，经过防反充二极管接至控制器。控制器的一对输出端接至蓄电池组，对其进行充、放电保护控制，蓄电池组处于经常性浮充状态；控制器的另一对输出端通过关向直流负载供电，同时接至逆变器，将直流电转换成交流电向交流负载供屯，若为并网系统，则与电网并联。这样就构成一个完整的发电、输电、供电系统，与常规发电装置的发电、输电、供电系统相似。

1.1 光伏并网系统的体系结构

光伏系统按与电力系统的关系，一般可分为离网光伏系统和光伏并网系统。离网光伏系统不与电力系统的电网桕连，作为一种移动式电源，主要用于给边远无电地区供电。光伏并网系统与电力系统的电M连接，作为电力系统中的一部分，可为电力系统提供有功和无功。现在，世界光伏发电系统的主流应用方式是并网发电方式，通过电网将光伏系统所发的电能进行再分配，如供当地负载或进行电力调峰等。光伏并网系统通常由三部分构成:光伏阵列、逆变器和电网，如图1.1所示。

图1.1 光伏并网系统结构框图

其中，光伏阵列主要由光伏组件组成，其应用可以分为单个组件、组件串联及组件并联等。众所周知，光伏系统追求最大的功率输出，系统结构对发电功率打着直接的影响:一方面，光伏阵列的分布方式会对发电功率产生重要影响；而另一方而，逆变器的结构也将随功率等级的不同而发生变化。因此，根据光伏阵列的不同分布以及功率等级，可以把光伏并网系统的体系结构分为以下几种:集中式、交流模块式、串型、多支路、主从和直流模块式。通过分类我们可以更加深入地对光伏系统的工作原理及结果进行研究和分析。下面对几种主要结构来分析。

1.1.1 集中式结构

集中式结构如图1.2所示，该结构方式是光伏发电系统在20世纪80年代中期普遍采用的结构方式，一般用于lOkW以上较大功率的光伏并网系统，其主要优点是:系统只采用一台并网逆变器，因而结构简单且逆变效率较高。但随着一大批光伏并网系统的实施与投运，也发现了该结构形式存在以下缺点。

(1)抗热斑和抗阴影能力差；

(2)该结构形式要求具有相对较高电压的直流母线将DC/AC变换器和太阳能电池相连接，因而降低了安全性，同时也增加了系统成本；

(3)太阳能电池组的输出特性曲线呈现杂乱的多波峰，单一的该结构难以很

好的完成MPPT控制。

虽然存在以上不足，但当光伏发电系统的功率等级不断增大时，该结构表现出其输出功率等级高的优点，而且成本相对低廉。所以，该结构特别适合发电功率相对大的电站，因此，这种结构仍然具有一定的运用价值。

图1.2 集中式结构框图

1.1.2 交流模块式结构

交流模块式结构(Module Integrated Converter，MIC)，最早由Kleinkauf教授于20世纪80年代提出，交流模块式结构包括DC/AC变换器和PV组件集成在一起作为一个光伏发电系统模块，如图1.3所示。交流模块式结构与集中式结构相比，具有以下优点：

(1)无阻塞和旁路二极管，光伏组件损耗低；无热斑和阴影问题；