XII分布式電源并網(wǎng)控制裝置的整體方案設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u13754分布式電源并網(wǎng)控制裝置的整體方案設計案例 -1-173431.1分布式電源供電類型 -1-29501.2并網(wǎng)裝置的主要結(jié)構(gòu) -2-92801.3并網(wǎng)逆變器 -3-306071.3.1逆變器的分類 -3-118221.3.2光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu) -4-224881.3.3光伏并網(wǎng)逆變器的工作原理 -5-53041.3.4光伏并網(wǎng)逆變器的同步控制部分 -5-23491.4總體方案設計 -6-1.1分布式電源供電類型隨著人類社會文明的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電力能源，也就是不可再生能源，消耗巨大，不可再生能源消耗嚴重，當前的不可再生能源儲存量對人類的可持續(xù)發(fā)展十分不利。同時，大部分國家資源匱乏，能源依靠進口，成本高，受牽制。傳統(tǒng)的電力能源明顯已經(jīng)不能夠支持人類的可持續(xù)發(fā)展，人類開始研究新的電力能源。新興的電力能源，不僅具有可再生的特點，而且多數(shù)都清潔無污染。然而不足的是，新能源容易受到地域、季節(jié)、天氣等影響，不能集中的在一個地方使用。因此，研究人員提出，可以將一個個分布式的電源連接成一個主體，或者連接到主網(wǎng)進行供電?，F(xiàn)階段，分布式電源的供電方式主要分為兩種類型，一種是離網(wǎng)，一種是并網(wǎng)。前者直接向負載供電，不與主電網(wǎng)連接，相當于一個私人的發(fā)電站；而后者需要并接進入主電網(wǎng)，然后再由電力公司統(tǒng)一調(diào)度管理。在離網(wǎng)供電中，雖然可以實現(xiàn)供用電的相對自由，但是分布式電源受各種情況的影響，并不能長久的穩(wěn)定發(fā)電。因此，用戶需要設置儲能裝置以備不時之需，甚至仍然要連接主電網(wǎng)，那么線路鋪設將會變得復雜；也因此，不能大面積供電，只能供給一小部分的用戶使用。同時，分布式發(fā)電廠的維護和運營需要的技術和成本很高，不便于大規(guī)模的推廣使用。在并網(wǎng)供電中，負載的用電全都由主電網(wǎng)進行供電，分布式電源產(chǎn)生的電能先并入主網(wǎng)再統(tǒng)一調(diào)配。這樣既可以免除儲能的裝置，又可以充分利用分布式電源所發(fā)的電力。此時，由電網(wǎng)公司統(tǒng)一調(diào)度，不需要迎合一個個小用戶的地域需求，新能源發(fā)電可以設置在城市及其周邊適合的地方，光伏發(fā)電裝置甚至可以美觀的貼設在建筑物上，讓新能源和我們的生活更加密切。與此同時，依照我國的社會主義社會性質(zhì)，以及我國已經(jīng)具有數(shù)十年的成熟的電網(wǎng)調(diào)度能力、監(jiān)控能力以及管理能力。選擇分布式電源并網(wǎng)發(fā)電的方法，是最符合我國國情的。1.2并網(wǎng)裝置的主要結(jié)構(gòu)在眾多的新能源中，光伏發(fā)電的技術較為成熟。同時，光伏發(fā)電受限制較小，根據(jù)氣象局數(shù)據(jù)顯示，一年中有陽光的天氣占比二分之一左右，有些地區(qū)甚至一年中三分之二的天數(shù)都是晴天，氣候干燥。因此，光伏發(fā)電也是可以全球各地共同研究發(fā)展的發(fā)電方式，接下來以光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，詳細描述并網(wǎng)裝置的結(jié)構(gòu)，以此來明晰本課題的并網(wǎng)控制裝置的設計思路。MPPT控制算法MPPT控制算法Boost/Buck電路DC/AC逆變器同步控制濾波器負載光伏陣列電網(wǎng)PWM信號SPWM信號DC/DC變換器圖2-1單相太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由：光伏陣列，DC/DC升壓電路模塊，DC/AC逆變電路模塊，濾波器，負載組成。其中，在DC/DC變換器處可以利用控制算法實現(xiàn)最大功率跟蹤（MPPT）；在DC/AC變換器的輸出口可以利用SPWM信號來實現(xiàn)同步控制，使得DA/AC變換器出口的交流電的頻率和相位都和電網(wǎng)的一致；經(jīng)過濾波器的進一步整流之后，可以安全的與電網(wǎng)連接或者給負載供電。按照與電網(wǎng)接入點的不同，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，通常分為：由配電側(cè)和配電側(cè)，前者是接入點在400V以下，后者接入點在10KV以上。目前，國際上更多的采用配電網(wǎng)側(cè)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。其中，配電側(cè)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)又包括了：戶用型和非戶用型。輸出側(cè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通常安裝在陽光資源非常豐富的地區(qū)(如我國西部地區(qū))。光伏并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中比較關鍵的設備之一，近年已經(jīng)成為一個新興的研究領域。在光伏逆變器的并網(wǎng)中，同步控制技術最為關鍵，因此，對并網(wǎng)過程的同步控制技術的研究是重點研究課題，探索同步控制的新的理論方法和控制策略，對提高其各種性能指標，比如工作范圍、穩(wěn)定性、效率及電能輸出質(zhì)量等具有十分重要的現(xiàn)實意義。1.3并網(wǎng)逆變器1.3.1逆變器的分類光伏并網(wǎng)裝置的就是光伏逆變器，也是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心設備。光伏逆變器的主要功能，就是將光伏陣列所產(chǎn)生的直流電壓，通過一定的電路，轉(zhuǎn)換成并網(wǎng)需要的交流電壓，經(jīng)過濾波之后輸入電網(wǎng)。因此，并網(wǎng)對逆變器的性能質(zhì)量需求較高，光伏逆變器的好壞，直接決定了并網(wǎng)裝置是否可以正常的使用，是影響并網(wǎng)的可靠性、安全性的關鍵部件。它的使用壽命，決定了并網(wǎng)裝置的使用壽命。因此，對光伏并網(wǎng)逆變器進行深度的研究，充分掌握逆變技術，對我國未來開展大規(guī)模的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有重要的作用。依據(jù)公共電網(wǎng)和光伏電網(wǎng)逆變器之間的了解關系，可以分為兩大類：非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器和隔離型光伏并網(wǎng)逆變器。同時，光伏逆變器有如下幾種：圖2-2光伏并網(wǎng)逆變器的類型1.工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器 工頻隔離型逆變器，是由光伏陣列產(chǎn)生的直流電壓輸入逆變器之后，會輸出工頻的交流電壓，在經(jīng)由工頻的變壓器進行變壓之后，達到電網(wǎng)的電壓，從此可以輸入電網(wǎng)之中。在其中的變壓器，可以起到隔離的效果，避免電網(wǎng)電流通過橋臂形成回路在輸入端發(fā)生短路故障，引發(fā)意外事故；同時，可以保證注入電網(wǎng)的電壓沒有直流分量。因此，工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器具有安全性高、變壓器不會飽和、輸入電壓匹配范圍大等優(yōu)點。當然，工頻隔離型逆變器，由于中間含有變壓器作為隔離，具有體積大，重量大，損耗高等缺點。1.高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器工頻隔離型逆變器，具有體積大、重量大、損耗高等缺點，為了解決這些缺點，做了一些改進。采用高頻變壓器時，在相同的功率等級下，高頻的比工頻的變壓器效率更高，并且高頻變壓器的體積及重量，遠遠低于工頻變壓器。所以，在工業(yè)上，高頻隔離型逆變器結(jié)構(gòu)得到了廣泛應用。3.非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器隔離型的逆變器中，都存在變壓器，也就是增加了變壓器的電能轉(zhuǎn)換成磁能再轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換過程，就一定程度而言，會存在較大的能量損耗。因此，人們開始了對非隔離型的光伏逆變器的研究，除去了變壓器存在的能量損耗，電能的轉(zhuǎn)換效率會有一定程度上增加。非隔離型逆變器，除去了變壓器的環(huán)節(jié)，逆變器的工作效率更高，建設的成本更低，體積和重量減小。一般的情況下，非隔離型的逆變器分為單級和多級兩種。前者結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，體積比較小的特點，但它沒有最大功率點跟蹤性能；后者具有最大功率點跟蹤性能，但它結(jié)構(gòu)更加復雜，制造相對困難。當然，非隔離型逆變器中，最大的缺點，及時輸入電網(wǎng)有直流分量，安全性較差，需要做一定的保護措施。1.3.2光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在市面上的光伏并網(wǎng)逆變器，一般分為兩種類型：一種是單級式光伏并網(wǎng)逆變器，一種是兩級式的光伏逆變器。前者制作成本低，體積較小，電路控制比較簡單，但單級式光伏逆變器不具備最大功率點跟蹤性能?，F(xiàn)在，由于這些年光伏并網(wǎng)發(fā)電發(fā)展迅速，單級式的逆變器不能滿足市場的需求，無論是控制的精度和最大功率跟蹤點的設定，都需要逆變器具有更高級的標準。后者前一級通常是直流-直流升壓電路環(huán)節(jié)，后一級一般使用DC/AC逆變電路，將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并連入電網(wǎng)之中。兩級的逆變器，前一級還具有穩(wěn)壓和升壓的作用，因此，采用兩級結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器與采用單級結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器相比，具有輸入電壓范圍寬、控制精度和穩(wěn)定性高的特點。兩級式光伏并網(wǎng)逆變器得到廣泛的應用。1.3.3光伏并網(wǎng)逆變器的工作原理逆變器是一種由半導體器件組成的電力調(diào)整裝置，主要用于把直流量轉(zhuǎn)換成交流量。前面提到，兩級式光伏并網(wǎng)逆變器得到廣泛的應用，故而光伏并網(wǎng)逆變器一般是一個直流的升壓回路連接了一個逆變橋式回路這樣的結(jié)構(gòu)。升壓回路會把直流電壓升到并網(wǎng)裝置所要求的輸出電壓值；逆變橋式回路則要把經(jīng)過升壓電路升壓后的直流電壓轉(zhuǎn)換成和電網(wǎng)頻率和相位相同的交流電壓。逆變橋的工作，主要是通過控制晶體管等開關器件的重復通斷，使得直流量變成交流量。而開關管的通斷，一般由正弦脈寬調(diào)制（sinusoidalpulsewidthmodulation,SPWM）來進行控制。單相全橋的光伏并網(wǎng)逆變器，由DC/DC直流-直流電路以及DC/AC逆變電路，這兩級電路組成。DC/DC電路一般會使用具有電壓反饋控制功能的BOOST升壓電路，以此可以控制輸出電壓與電網(wǎng)電壓相同，DC/AC變換器使用雙極性開關管，利用SPWM控制開關管的通斷。1.3.4光伏并網(wǎng)逆變器的同步控制部分在光伏并網(wǎng)逆變器的工作之中，同步控制是極其重要的一部分。并網(wǎng)裝置的實際功能，就是將光伏陣列所產(chǎn)生的直流量，經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)電壓，經(jīng)過DC/AC轉(zhuǎn)換成頻率、相位都與電網(wǎng)同步的交流量，然后可以安全的連入主電網(wǎng)。如果光伏并網(wǎng)裝置的同步控制不到位，就會導致從逆變器輸出來的交流量和電網(wǎng)的交流量不相同，導致連入主電網(wǎng)的電壓質(zhì)量極差，甚至會導致污染供電環(huán)境，導致電網(wǎng)崩潰，造成不必要的損失。而同步控制的策略的關鍵是，通過對逆變器出口的輸出電流、輸出電壓進行采樣，將公共電網(wǎng)的電壓、電流也進行采樣，二者進行對比，并且產(chǎn)生反饋調(diào)整，使得逆變器輸出端的電壓/電流的相位和頻率等都與公共電網(wǎng)的相同，由此達到并網(wǎng)同步輸出的目的。光伏并網(wǎng)裝置的輸出口電壓，若大于公共電網(wǎng)電壓，則會被公共電網(wǎng)電壓鉗制，若小于公共電網(wǎng)電壓，則需要對升壓電路進行調(diào)整。現(xiàn)在比較常用的同步控制的方法有：電流滯環(huán)同步控制，PI控制器同步控制，濾波反步法設計。其中，PI調(diào)節(jié)因為算法簡單，操作方便，且控制方式多元，為人們所常用。1.4總體方案設計在了解了光伏并網(wǎng)裝置的結(jié)構(gòu)和逆變器在并網(wǎng)裝置之中的重要作用之后，本課題所設計的光伏并網(wǎng)控制裝置中光伏并網(wǎng)逆變器部分，主要由DC/DC變換器、DC/AC變換器、濾波電路，控制電路四部分組成。按照控制裝置設計的功能要求，結(jié)合自身的水平，初步確定設計系統(tǒng)由單片機主控模塊、DC/DC變換器模塊、DC/AC變換器模塊、電流反饋電路模塊，電壓反饋電路模塊，整形電路模塊，DAC電路模塊等組成。單片機單片機AT89C51DAC電路模塊整形電路DC/DC升壓模塊提供輸出端電壓/電流反饋信號輸出端電流采樣數(shù)據(jù)輸出端電壓采樣數(shù)據(jù)輸出端電壓采樣輸出端電壓相位比較DC/AC逆變模塊提供控制相位和頻率的SPWM電壓調(diào)整信號電壓反饋電路電流反饋電路直流量圖2-4光伏并網(wǎng)控制裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖光伏陣列產(chǎn)生的直流電壓，經(jīng)過升壓電路模塊，產(chǎn)生和公共電網(wǎng)一樣的直流電壓值，升壓電路的開關管的控制信號由一個DAC電路和單片機完成，單片機對比逆變器輸出口的交流電壓采樣值和公共電網(wǎng)交流電壓采樣值的大小之后，將信號發(fā)給DAC模塊，使得DAC輸出一個脈沖序列，序列用來控制開關管的通斷，使得升壓電路正常工作達到所需要的升壓值。升壓電路輸出