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光伏并网技术综述

光伏并网技术文献综述

电子科技大学机械电子工程学院　200960801001　　张正武

SchoolofMechatronicsEngineeringofUESTC200960801001ZhangZhengWu

摘要：

随着社会的日益发展，能源已经成为了的最重要的话题。

太阳能得天独厚的优势，使得太阳能发电的优势日趋明显。

光伏并网技术是一种充分利用太阳能很有用的技术，太阳能是绿色、清洁的能源。

光伏并网技术也因此而成为研究的热点。

本文先对国内外太阳能发展现状进行了简要的介绍，随后介绍了光伏发电系统的分类及组成，并对光伏并网发电的关键技术—MPPT技术、SVPWM技术及孤岛检测技术做了简单的介绍及研究。

关键字：

光伏并网发电、SVPWM技术、孤岛检测技术

Reviewofgrid-connectedphotovoltaicpowergeneration

Abstract:

Withthedevelopmentofthesociety,energyhasbecomethemostimportanttopic.Solarenergyhastheadvantagethatotherenergycannotcomparewith,whichmakestheadvantageofphotovoltaicpowergenerationmoreandmoreobvious.Grid-Connectedphotovoltaictechnologyisagoodwaytomakefulluseofsolarenergy,whichisgreenandclearenergy.thegrid-connectedphotovoltaicsystemhasbeenahotspot.Thisarticlefirstlygivesabriefintroductionaboutthesituationofthedevelopmentofbothdomesticandabroad.Thenitintroducesthesortsandconfigurationofphotovoltaicpowergenerationsystem.Andthen,itshowsyouabriefintroductionandresearchofsomekeytechnologyingrid-connectedphotovoltaicpowergeneration,suchasSVPWMtechnology,MPPTtechnologyandislandingdetection.

Keywords:

Grid-connectedphotovoltaicpowergeneration,MPPT（MaximumPowerPointTracking），SVPWM,Islandingdetection

1引言

随着世界不可再生能源的日益枯竭，人们正在积极寻找一种新型可再生的绿色能源，以保证社会的可持续发展。

2011年3月日本大地震造成的核电危机,迫使世界各有核电国家不得不重新审视其核电发展战略;水力发电由于受到资源和季节性限制,一定程度上制约了进一步发展;而风力发电存在并网接入稳定性差等问题,短期内也很难形成一定的规模。

在这种情况下,太阳能发电越来越受到重视。

2光伏发电的现状概述

2.1国外光伏发电现状

美国1954年开始研究运用，1997年又提出百万屋顶计划，美国奥巴马政府的拔18.5亿支持太阳能企业,拔34亿支持太阳能研发等。

同年日本提出“新阳光计划”到2010年将生产43亿Ｗ光伏电池。

同年欧盟提出“百万光伏屋顶计划”。

1999年德国实施“十万光伏屋顶计划”，并实行低息贷款并且以0.5～0.6欧元／ｋＷｈ的高价收购输入电网的光伏电量。

光伏并网的速度还在飞速发展，光伏并网发电始于上个世纪80年代初,美国、日本、德国等为此做了大量努力，90年代国外掀起了研究并网发电的高潮，以后侧重大型发电并网和屋顶光伏并网研究的实施。

2.2国内光伏发电现状

中国光伏发电产业起步较早，在七十年代初应用于人造卫星上。

80代年开始生产单晶硅太阳能电池。

2002年由国家发改委实施的“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程以及2006年实施的送点到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。

在这些措施的引导下，中国光伏发电产业快速发展。

2010年末，国内光伏电力装机容量达到893MW，同比增139.4%，占世界光伏电力装机容量的2.2%。

根据“十二五”规划，2015年光伏发电装机容量将达1×104MW，2020年将达5×104MW。

我国无锡尚德，江西赛维等企业在光伏技术上取得成效，中科院，浙江大学，南开大学等在科研上取得了较大突破。

另外我国目前尚有约许多个村庄，农户还没有用上电，许多县严重缺电，比如四川甘孜的有些地方。

目前我国制约光伏产业的因素是成本投入高，技术比较落后（市场和原材料在国外），污染问题严重等。

2.3光伏发电的展望

太阳能发电有着广阔的前景，一方面它会在人们的生活中普及，小到充电器，大到屋顶发电；另一方面它将替代部分过去的能源。

在世界能源使用结构调整中占领新的地位。

在我国一方面会加大户用光伏发电的普及，另一方面会在大型光伏交网发电，沙漠光伏电站等方面跨出更大的步伐。

可以预言：

新能源将改变未来能源结构，新能源发电并网是以后新能源利用的一种必然渠道，以后各国将会投入更多资金支持，以后将会有更多人员投入新能源开发、研究、使用。

谁掌握了这些技术，谁就会有更强劲的发展动力。

3光伏并网发电系统及技术

3.1太阳能光伏发电系统概述

光伏发电系统通常分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合光伏发电系统，系统基本由光伏电池，光伏蓄电池、控制器、逆变器等组成，

3.2光伏发电系统的分类

根据不同场合的需求，光伏发电系统可分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合型光伏发电系统三种。

独立光伏发电系统是指光伏发电系统不与电网连接，其输出功率提供给本地交流负载的发电系统。

并网光伏发电系统与电网连接，当日照较强时，光伏发电系统首先满足交流负载用电，然后将多余的电能回送电网；当日照不足时，根据负载需要也可从电网索取电能。

混合型光伏发电系统则是在独立型基础上增加一台备用发电机组，它既可直接给交流负载供电，又可经整流后给蓄电池充电。

3.3光伏并网发电系统的基本组成

光伏发电系统一般由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电设备等组成。

图1是并网光伏发电系统的基本结构图，其中主要包括了两部分：

光伏电池方阵（PVarray）和功率控制单元（PowerConditioningUnit）。

功率控制单元PCU包括：

1、最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking）电路，允许光伏电池方阵输出最大功率。

2、功率因数（PowerFactor）控制电路，能够跟踪负载电压相位，并提供给逆变器与负载电压同步的参考电流。

3、转换器（Converter），可以由DC—DC升压电路、能够保证直流不被吸收进电网的独立式DC—AC逆变器以及能限制有害的高频成分电流进入电网的滤波器构成。

图1PV并网系统

3.4光伏并网发电系统设计综述

3.4.1PV阵列

光伏电池阵列，是指将太阳能电池组件以一定的排列方式组合起来（如方阵列，圆形阵列等）以便于更好的采集光能用于发电，提高光能利用率。

影响光伏电池组件输出的因素包括：

负载阻抗、日照强度、光伏电池温度、阴影等。

3.4.2　光伏并网逆变器控制策略

首先，根据并网控制给定的有功、无功功率指令，以及电网电压或电流矢量，计算出所需要的输出电流或电压矢量，再计算出并网逆变器交流侧输出的电压或电流矢量，最后通过控制逆变器主电路开关管PWM波形，使并网逆变器交流侧按指令输出所需要的电压或电流矢量。

并网逆变器控制策略分电压定向控制和虚拟磁链定向控制，其中电压定向控制分电压定向的矢量控制（VOC）和电压定向的直接功率控制（V-DFC）；其中虚拟磁链定向控制分为虚拟磁链定向的矢量控制（VFOC）和虚拟磁链定向的直接功率控制（VF-DPC）.

另外，为了加强滤波效果，减小THD，并网逆变器的输出滤波器设计尤为关键，有的控制策略还要针对滤波器设计。

并网逆变器按控制方式分为模拟控制和数字控制，实际使用中多采用脉宽调制集成电路，单片机控制，DSP控制和智能控制方式等。

1963年F.G..Tumbult提出了消除特定滤波法，1964年产生了正弦脉宽调制技术简称SPWM，1983年J.Holtz等人又提出了空间相量PWM技术即SVPWM，该技术从用于异步电动机的角度出发，直接采用电动机磁链圆形轨迹为目的控制方法，为现代逆变技术开启了新篇章：

着眼于使输出电压波形正弦化，调节和稳定逆变器的输出电压或电流，提高直流电压利用率，减少开关损耗，提高逆变效率，减少电磁干扰等。

逆变器的性能主要取决于主电路结构方式和功率开关器件的开关方式。

SPWM的直流电压利用率仅为0.866，而SVPWM直流电压利用率可提高到0.907。

3.5MPPT控制技术

根据光伏电池的特性知道，光伏电池的输出功率与照度、温度、和负载等因素有关。

为寻求光伏电池的最佳工作状态，通过控制方法，使光伏电池工作在最大功率输出状态的技术叫最大功率点跟踪技术（MaximumPowerPointTrackingMPPT）。

MPPT常见的方法有：

基于输出特性曲线的开环MPPT方法；扰动观测法；电导增量法；智能MPPT法等。

1、基于输出特性曲线的开环MPPT方法

根据输出特性曲线，我们可以看出照度变化时主要影响光伏电池输出电流，温度变化时主要影响光伏电池的输出电压。

（1）定电压跟踪法

在照度大于一定值，并且温度变化不大时，由P-U曲线知，光伏电池的输出最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧附近。

因此将光伏电池输出电压控制在最大功率点附近的某一定电压处，光伏电池将获得近似的最大功率输出，这种MPPT控制称为定电压跟踪法。

它的特点是控制简单快速，误差大，一般用于低价且控制要求不高的简易系统中。

（2）短路电流比例系数法

在照度大于一定值并且温度变化不大时，由U-I曲线知，最大功率点电流与光伏电池短路电流Isc也存在近似的线性关系。

通过周期性测试光伏电池的短路电流Isc来跟踪最大输出功率的方法，叫短路电流比例系数法。

它的特点是简单易实现，快速，但是存在功率损耗。

实际中较少用。

（3）插值计算法

插值计算法的基本思路就是依据有限工作点提供的信息，并利用拉格朗日插值运算拟合出一条以占控比为自变量的光伏电池输出功率曲线。

当拟合曲线上最大输出功率与该占控比对对应的实际输出功率差满足一定条件时，即将该点作为最大功率点输出。

2、扰动观测法

扰动观测法（P＆O）是通过扰动光伏电池的输出电压或电流，然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化的趋势，连续改变扰动电压或电流方向，使光伏电池最终工作于最大功率点。

扰动观测法按观测对象分为两种，一是基于并网逆变器输入参数的扰动观测法，另外一种是基于并网逆变器输出参数的扰动观测法。

扰动观测法按每次扰动的电压变化量是否固定，可以分为定步长扰动和变步长扰动观测法两类。

它具有控制概念清晰，简单，被测参数少等优点；但存在振荡和误差等问题。

常采用变步长功率预测滞环比较等扰动办法改善性能。

3、电导增量法（INC）

电导增量法（INC）是通过根据最大功率点处

＝0，在实际中用

P/

U近似代替dp/du，通过定步长确定产

U，通过求功率差或全微分求出dp（

P），判断

大于0，等于0，或小于0来跟踪最大功率点。

4、智能MPPT法

将智能控制理论用于MPPT技术上，常见的有基于模糊理论的MPPT控制、基于人工神经网络的MPPT控制、还有通过专家系统、遗传算法等的MPPT控制。

3.6孤岛效应保护技术

所谓孤岛效应是指：

在分布或并网发电系统中，当电网供电因故障事故或停电维修而跳闸时，各个用户端的分布式并网发电系统未能及时检测出停电状态从而将自身切离市电网络，最终形成由分布电站交网发电系统和其相连负载组成的一个自给供电的孤岛发电系统。

孤岛效应发生有如下危害：

危害电力维修人员的生命安全；影响配电系统上的保护开关动作程序；孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定性质会对用电设备带来破坏；当供电恢复时造成的电压相位不同步将会产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏；光伏并网发电系统因单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。

由此可见，作为一个安全可靠的并网逆变装置，必须能及时检测出孤岛效应并避免所带来的危害。

因此，光伏并网发电系统必须具备反孤岛保护的动能，即具有检测孤岛效应交及时与电网切离的功能。

现对产生原因分析，逆变电源等效为一个幅值一定，频率和相位都跟踪电网的受控电流源。

负载取检测比较困难的RLC并联形式。

①、当Ｓ闭合，电网正常运行时，公共连接点PCC点Pload=P+ΔP，Qload=Q+ΔQ

②、当Ｓ断开时，如果ΔP、ΔQ原来较大，则PCC点电压和频率较大变化，很容易通过电压和频率检测到电网断电。

如果ΔP＝0、ΔQ＝0，则PLoad＝Ｐ、QLoad＝Ｑ，此时PCC点电压和频率变化很小，很难检测，称为不可检测区域（Non-DetectionZoneNDE）。

可见，光伏并网发电系统孤岛效应发生的必要条件是：

①、光伏发电装置提供的有功功率与负载的有功功率相当；

②、光伏发电装置提供的无功功率与负载的无功功率相匹配。

常规的孤岛检测技术分为主动式和被动式两类。

仅依靠被动式检测方法检测逆变器与电网间的公共点处电压的异常现象（如过/欠压、过/欠频），则容易漏检。

故多采用被动与主动相结合的方法以减小检测盲区。

然而主动检测法需对逆变器的输出施加扰动，影响并网电能质量。

因此，对主动检测法提出较高的标准，要求检测效果好且对电网产生的不良影响小。

移频法和移相法通过施加主动扰动使得系统频率偏离正常工作范围以实现孤岛检测，是一种较为有效地途径。

一种新的三相光伏并网系统孤岛检测技术即是通过正反馈频率偏移法与正反馈电压偏移法相结合以达到孤岛检测的目的。

实验结果表明，该方法在100ms内可有效地检测出系统的孤岛状态。

4结语

本文对于光伏发电的国内外现状进行了简单的介绍，集中阐述了光伏并网发电系统的组成，并对光伏电池阵列、逆变器的控制策略等进了介绍，随后分别介绍了光伏并网系统的三个关键技术：

SVPWM技术、最大功率点跟踪MPPT技术及孤岛检测技术。

本文是在撰写光伏并网逆变器的SVPWM优化控制和反孤岛控制策略仿真研究论文开题前写的。

参考文献：

[1]HSUPF，EVANSWD，HOWEIJJR．Experimentalandnu—mericalstudyofpremixedcombustionwithinnonhomogeneousporousmedia．CombustSciandTehnol，1993，90：

149—172．

[2]SatheSB，KulkaniMR，PeckRE，eta1．Anexperimen—talanalysisofcombustionandheatI／anfferinporousradiantburner

[3]．1989FallmeetingoftheWesterSmtesSectionoftheCombus—tionInstitute．

[4]StefaniaCONTI,SalvatoreRAITI,GiuseppeTINA。

SIMULINKMODELLINGOFLVPHOTOVOLTAICGRID-CONNECTEDDISTRIBUTEDGENERATION.Turin6-9June2005

[5]ZHDANOKS，LAWRENCEA，KOESFERG．Superadiabaticcombustionofmethane—airmixturesunderfiltrationinapackedboaEJ]．CombustandFl&ine，1995，110：

221—231．

[6]BillyHoMT，HenryChungSH．HuiSYR．AnIntegratedIn-verterwithMaximumPowerTrackingforGrid—ConnectedPVSystems[Z]．IEEETrans．PowerElectron，2004：

1559—1565．

[7]SmedleyK，CukS．One—cycleControlofSwitchingCon—verter[J]．IEEETrans．PowerElectron，1995，10（6）：

625—633．

[8]Kawamura，HaradaK，IshiharaY，eta1．AnalysisofMPPTcharacteristicsinPhotovoltaicPowerSystem[J]．SolarEn—ergyMaterialsandSolarCells，1997，47：

155—165．

[9]H.Mao,FredC.Lee.ReviewofPowerFactorCorrectionTechniques,proceedingsofIPEMC”97,Hangzhou,1997

[10]MichaelT.DiRenzo,SwitchedReluctanceMotorControl–BasicOperationandExampleUsingtheTMS320F2407.TIApplicationReport,2000

[11]赵争鸣.太阳能光伏发电应用现状与发展.北京：

清华大学，2009,25-33.

[12]中国可再生能源发展项目办公室.太阳能光伏产业发展研究报告（2011-2012）.2011,5-10.

[13]孟懿.太阳能光伏发电的发展.东北电力技术,2010年,14-22.

[14]魏建明.德国光伏产业发展概况.太阳能，2005（4）:

55-56.

[15]戴靖,何中一,刑岩编著.光伏并网发电技术综述.南京航空航天技术大学,2010,2-6.

[16]沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术.北京:

化学工业出版社，2005,20-26.

[17]杨金焕,邹乾林,谈蓓月,等.陈中华.各国光伏路线图与光伏发电的进展.光伏与工程，51-54.

[18]赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究.〔博士学位论文」合肥:

合肥工业大学，2003,14-20.

[19]崔容强’赵春江’吴达成.并网型太阳能光伏发电系统.北京:

化学工业出版社，2007,45-50.

[20]周光明,朱正菲,谢估隽.基于DSP的光伏并网逆变系统的设计.能源工程,2004（05）:

19-23.

[21]王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术.北京:

化学工业出版社,2005,55-65.

[22]杨金焕,葛亮,谈蓓月,等.太阳能光伏发电的应用.上海电力,2006（4）:

355-361.

[23]李文婷,刘宏,陈慧玲.国内外太阳能光伏发电发展综述.青海电力,2004（4）:

3-6.

[24]李红波,俞善庆.太阳能光伏技术及产业发展.上海电力,2006（4）:

331-337.

[25]魏应冬,吴燮华.开关电源EMI滤波器原理与设计研究.电源技术应用.2005

（2）:

36-40.

[26]汪安民,程星,徐保根.DSP嵌入式系统开发典型案例.北京:

人民邮电出版社，2007,152-163.

[27]陈桂兰,孙晓,李然.光伏发电系统最大功率点跟踪控制.电子技术应用.2001（08）:

33-35.

[28]杨海柱,金新民.最大功率跟踪的光伏并网逆变器研究.北京交通大学学报,2004

（2）:

65-68.

[29]郑诗程,夏伟.三相光伏并网发电系统的控制策略研究.电气技术,2007（3）:

43-46.

[30]陈维,沈辉.光伏发电系统中逆变器技术应用及展望.电力电子技术，2006（8）:

130-13.

[31]陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京:

机械工业出版社,2004,220-232.