光伏并網(wǎng)逆變器的研究

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1、第1章緒論1.1課題的背景隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的逐步展開，世界各國對能源的需求急劇膨脹，而煤炭、石油和天然氣三大化石能源日漸枯竭，全球?qū)⒃僖淮蚊媾R能源危機(jī)，同時，大量使用化石能源對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。能源、環(huán)境與發(fā)展已成為當(dāng)今世界亟待解決的問題。因此全球都在積極開發(fā)利用可再生能源[1,2]。專家預(yù)測，在今后的20-30年里，全球的能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生根本性的變化。在本世紀(jì)中期2050年，可再生能源在整個能源構(gòu)成中會占到50%。自20世紀(jì)50年代，從太陽能電池的空間應(yīng)用到如今的太陽能光伏集成建筑、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，世界光伏產(chǎn)業(yè)己經(jīng)走過了半個世紀(jì)的歷史。由于太陽能

2、資源分布廣泛、蘊藏豐富，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有清潔、安全、壽命長以及維護(hù)量小等諸多優(yōu)點，光伏發(fā)電被認(rèn)為將是21世紀(jì)最重要、最具活力的新能源[3-5]。在世界各國尤其是美、日、德等發(fā)達(dá)國家先后發(fā)起的大規(guī)模國家光伏發(fā)展計劃和太陽能屋頂計劃的刺激和推動下，光伏產(chǎn)業(yè)近幾年保持著年均30%以上的高速增長。其中，以光伏集成建筑為核心的光伏并網(wǎng)發(fā)電市場己超過離網(wǎng)應(yīng)用，近幾年的增長速度都在40%以上，成為世界光伏產(chǎn)業(yè)的最主要發(fā)動機(jī)。并網(wǎng)光伏發(fā)電已經(jīng)成為光伏發(fā)電領(lǐng)域研究和發(fā)展的最新亮點。中國地處北半球，南北距離和東西距離都在5000公里以上。在中國廣闊的土地上，有著豐富的太陽

3、能資源。大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米4千瓦時以上，西藏日輻射量最高達(dá)每平米7千瓦時。年日照時數(shù)大于2000小時。與同緯度的其他國家相比，與美國相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多，因而有巨大的開發(fā)潛能。但相對于蓬勃發(fā)展的世界光伏產(chǎn)業(yè)，中國光伏產(chǎn)業(yè)還處于起步階段。光伏組件產(chǎn)量和安裝容量僅為世界1%左右，相關(guān)配套設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也嚴(yán)重滯后于其他國家[6]。國際上方興未艾的光伏并網(wǎng)集成建筑，并網(wǎng)電站在國內(nèi)還幾乎是空白。因此，對并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的研究必將成為光伏發(fā)電技術(shù)研究的重中之重。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以按照系統(tǒng)功能分為兩類：一種為系統(tǒng)中含有蓄電池組的可調(diào)度式光伏并網(wǎng)

4、發(fā)電系統(tǒng)；另一種為系統(tǒng)中不設(shè)置蓄電池組的不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[7]。二者相應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。從圖中可以得出光伏并網(wǎng)逆變器是連接光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的唯一通道。并網(wǎng)逆變器運行狀況將影響甚至決定整個系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定、安全、可靠、高效運行。它是整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心所在。1.2光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與獨立發(fā)電系統(tǒng)相比，省掉了體積大、價格高、不易維護(hù)的蓄電池，具有造價低，輸出電能穩(wěn)定的優(yōu)點，因而具有更為廣闊的市場前景。典型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括：光伏陣列，直-直變換器(DC-DC)，直-交變換器(DC-AC)和采樣保護(hù)裝置，其結(jié)構(gòu)如

5、圖1-2所示。并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中實現(xiàn)光伏陣列與電網(wǎng)間能量的傳遞與轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。并網(wǎng)逆變器的作用是當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出在較大范圍內(nèi)變化時，能始終以盡可能高的效率將光伏電池輸出的低壓直流電轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)匹配的交流電流送入電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器連接光伏陣列，電網(wǎng)，為用戶所服務(wù)，其技術(shù)可以從電網(wǎng)、光伏陣列、用戶這三個方面來進(jìn)行分析和總結(jié)：1)逆變器要與電網(wǎng)相連，必須滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量、防止孤島效應(yīng)和安全隔離接地三個要求。目前，國外的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定并網(wǎng)逆變器輸出波形的總諧波因數(shù)應(yīng)小于5%，各次諧波含量小于3%，并且具有較好的動態(tài)特性。根據(jù)IEEE2000-9

6、29和UL1741標(biāo)準(zhǔn)，所有并網(wǎng)逆變器必須具有防孤島效應(yīng)的功能[8-11]，孤島發(fā)生時必須快速、準(zhǔn)確地切除并網(wǎng)逆變器。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)多逆變器并網(wǎng)時，可能導(dǎo)致上述方法失效，因此研究多逆變器的并網(wǎng)通信、協(xié)同控制已成為孤島效應(yīng)檢測與控制的研究趨勢。2)由于日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度都會影響光伏陣列的輸出功率，因此必須通過逆變器的調(diào)節(jié)使得光伏陣列的輸出電壓趨近于最大功率點電壓，以保證光伏陣列在最大功率點附近運行而獲得最大能量，提高系統(tǒng)的效率。最常用的最大功率點跟蹤(MPPT:maximumpowerpointtracking)方法有[12,13]：

7、恒定電壓跟蹤法、擾動法。同時，光伏陣列的輸出特性也決定了逆變器應(yīng)具有較寬的直流電壓輸入范圍。3)用戶對逆變器的要求主要包括：成本低，功耗低；安全可靠性高；使用壽命長。1.3光伏并網(wǎng)逆變器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國外的研究現(xiàn)狀國外并網(wǎng)型逆變器已經(jīng)是一種比較成熟的市場產(chǎn)品，例如在歐洲光伏專用逆變器市場中就有SMA、Satcon、Siemens等眾多的公司具有市場化的產(chǎn)品，其中SMA在歐洲市場中占有的50%的份額。除歐洲外，美國、加拿大、澳大利亞、新西蘭以及亞洲的日本在并網(wǎng)型逆變器方面也都已經(jīng)產(chǎn)品化。以SMA為例介紹目前光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)用逆變器的發(fā)展情況。S

8、MA光伏并網(wǎng)逆變器目前具有三大系列產(chǎn)品：組串逆變器、集中逆變器和多支路逆變器，其中以SB(Su