XII分布式電源并網(wǎng)控制裝置的整體方案設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì) -6-1.1分布式電源供電類型隨著人類社會(huì)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(yán)重，當(dāng)前的不可再生能源儲(chǔ)存量對(duì)人類的可持續(xù)發(fā)展十分不利。同時(shí)，大部分國(guó)家資源匱乏，能源依靠進(jìn)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(diǎn)，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(gè)地方使用。因此，研究人員提出，可以將一個(gè)個(gè)分布式的電源連接成一個(gè)主體，或者連接到主網(wǎng)進(jìn)行供電。現(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(fù)載供電，不與主電網(wǎng)連接，相當(dāng)于一個(gè)私人的發(fā)電站；而后者需要并接進(jìn)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(shí)現(xiàn)供用電的相對(duì)自由，但是分布式電源受各種情況的影響，并不能長(zhǎng)久的穩(wěn)定發(fā)電。因此，用戶需要設(shè)置儲(chǔ)能裝置以備不時(shí)之需，甚至仍然要連接主電網(wǎng)，那么線路鋪設(shè)將會(huì)變得復(fù)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(shí)，分布式發(fā)電廠的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)需要的技術(shù)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(fù)載的用電全都由主電網(wǎng)進(jìn)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(chǔ)能的裝置，又可以充分利用分布式電源所發(fā)的電力。此時(shí)，由電網(wǎng)公司統(tǒng)一調(diào)度，不需要迎合一個(gè)個(gè)小用戶的地域需求，新能源發(fā)電可以設(shè)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(shè)在建筑物上，讓新能源和我們的生活更加密切。與此同時(shí)，依照我國(guó)的社會(huì)主義社會(huì)性質(zhì)，以及我國(guó)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(guó)國(guó)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(shù)較為成熟。同時(shí)，光伏發(fā)電受限制較小，根據(jù)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，一年中有陽(yáng)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(xì)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(shè)計(jì)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(fù)載光伏陣列電網(wǎng)PWM信號(hào)SPWM信號(hào)DC/DC變換器圖2-1單相太陽(yáng)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(fù)載組成。其中，在DC/DC變換器處可以利用控制算法實(shí)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(hào)來實(shí)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(jìn)一步整流之后，可以安全的與電網(wǎng)連接或者給負(fù)載供電。按照與電網(wǎng)接入點(diǎn)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(diǎn)在400V以下，后者接入點(diǎn)在10KV以上。目前，國(guó)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(yáng)光資源非常豐富的地區(qū)(如我國(guó)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(guān)鍵的設(shè)備之一，近年已經(jīng)成為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。在光伏逆變器的并網(wǎng)中，同步控制技術(shù)最為關(guān)鍵，因此，對(duì)并網(wǎng)過程的同步控制技術(shù)的研究是重點(diǎn)研究課題，探索同步控制的新的理論方法和控制策略，對(duì)提高其各種性能指標(biāo)，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(shí)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(shè)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(duì)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(guān)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(duì)光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行深度的研究，充分掌握逆變技術(shù)，對(duì)我國(guó)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(guān)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(shí)，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(huì)輸出工頻的交流電壓，在經(jīng)由工頻的變壓器進(jìn)行變壓之后，達(dá)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(shí)，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(huì)飽和、輸入電壓匹配范圍大等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)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(diǎn)。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(diǎn)，為了解決這些缺點(diǎn)，做了一些改進(jìn)。采用高頻變壓器時(shí)，在相同的功率等級(jí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)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(huì)存在較大的能量損耗。因此，人們開始了對(duì)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(huì)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(shè)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(jí)和多級(jí)兩種。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，體積比較小的特點(diǎn)，但它沒有最大功率點(diǎn)跟蹤性能；后者具有最大功率點(diǎn)跟蹤性能，但它結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，制造相對(duì)困難。當(dāng)然，非隔離型逆變器中，最大的缺點(diǎn)，及時(shí)輸入電網(wǎng)有直流分量，安全性較差，需要做一定的保護(hù)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(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器，一種是兩級(jí)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(jiǎn)單，但單級(jí)式光伏逆變器不具備最大功率點(diǎn)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(jí)式的逆變器不能滿足市場(chǎng)的需求，無論是控制的精度和最大功率跟蹤點(diǎn)的設(shè)定，都需要逆變器具有更高級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。后者前一級(jí)通常是直流-直流升壓電路環(huán)節(jié)，后一級(jí)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(jí)的逆變器，前一級(jí)還具有穩(wěn)壓和升壓的作用，因此，采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器與采用單級(jí)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(diǎn)。兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器得到廣泛的應(yīng)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(dǎo)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(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器得到廣泛的應(yīng)用，故而光伏并網(wǎng)逆變器一般是一個(gè)直流的升壓回路連接了一個(gè)逆變橋式回路這樣的結(jié)構(gòu)。升壓回路會(huì)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(guān)器件的重復(fù)通斷，使得直流量變成交流量。而開關(guān)管的通斷，一般由正弦脈寬調(diào)制（sinusoidalpulsewidthmodulation,SPWM）來進(jìn)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(jí)電路組成。DC/DC電路一般會(huì)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(guān)管，利用SPWM控制開關(guān)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(shí)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(huì)導(dǎo)致從逆變器輸出來的交流量和電網(wǎng)的交流量不相同，導(dǎo)致連入主電網(wǎng)的電壓質(zhì)量極差，甚至?xí)?dǎo)致污染供電環(huán)境，導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰，造成不必要的損失。而同步控制的策略的關(guān)鍵是，通過對(duì)逆變器出口的輸出電流、輸出電壓進(jìn)行采樣，將公共電網(wǎng)的電壓、電流也進(jìn)行采樣，二者進(jìn)行對(duì)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(dá)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(huì)被公共電網(wǎng)電壓鉗制，若小于公共電網(wǎng)電壓，則需要對(duì)升壓電路進(jìn)行調(diào)整?，F(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(shè)計(jì)。其中，PI調(diào)節(jié)因?yàn)樗惴ê?jiǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的功能要求，結(jié)合自身的水平，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)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(jī)單片機(jī)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(hào)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(hào)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(guān)管的控制信號(hào)由一個(gè)DAC電路和單片機(jī)完成，單片機(jī)對(duì)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(hào)發(fā)給DAC模塊，使得DAC輸出一個(gè)脈沖序列，序列用來控制開關(guān)管的通斷，使得升壓電路正常工作達(dá)到所需要的升壓值。升壓電路輸出