并网设计范文
并网设计范文（精选12篇）
并网设计 第1篇
1 光伏并网系统的结构组成
光伏并网逆变器的结构如图1所示。系统可工作于独立运行和并网运行两种方式。MPPT电路和交流逆变电路采用DC/DC/AC架构, 其中DC/DC采用Boost电路拓扑, DC/AC采用四开关管桥式逆变结构。系统主要包括八块100W串联的太阳能电池板、基于ARM7架构的单片机核心控制器、DC/DC电路、DC/AC逆变电路。太阳能电池板输出的100V-150V直流电压送到DC/DC电路, 在DC/DC电路里完成系统的最大功率点跟踪, DC/DC电路输出的约400V母线电压送到逆变电路由逆变电路逆变成230V, 50HZ的交流电压, 最后送到电网负载。控制器设计有RS 232接口, 可以把系统相关的数据 (如:太阳能电池输出电压、电流、MPPT输出电压、电流;负载数据等) 传到上位机, 并可以通过上位机控制控制器工作或修改相关的参数。
2 核心硬件电路设计
2.1 DC/DC电路
电路如图2, 在DC/DC电路中有两个电流闭环控制器件, 型号为MAX4080。其中一个用于太阳能电池板输出电流监测, 控制器输出的电流值与电阻R2、R20的分压电路输出的电压分别送到LM3S618的ADC0和ADC1完成太阳能电池板实时输出电压和电流的监测, 为MPPT跟踪提供实时数据。另一个电流闭环控制器件主要完成升压后直流母线的电流监测, 与R21、R3的分压电路输出的电压分别送到LM3S618的ADC5和ADC4以完成逆变器直流侧的电流电压稳定, L1、Q1、Q12、Q13、Q2、D21、D1、R28、R42、C46组成Boost拓扑的DC/DC电路。MPPT (Maximum power point tracking) 的PWM脉冲从LM3S618的36脚输出, 单片机根据两路闭环电流电压的大小进行算法运算最终调节脉冲占空比完成最大功率点的跟踪。
2.2 核心控制电路
电路如图3, 本电路主控C P U采用LM3S618的ARM Cortex-M3内核控制器, 支持最大主频为50 MHz, 32 KByte FLASH, 8 KByte SRAM, 集成正交编码器、ADC、带死区PWM、温度传感器、模拟比较器、UART、SSI、通用定时器, I2C、CCP等外设。
系统人机交换界面有两部分, LCD显示界面显示太阳能电池板的输出电流电压和逆变器输出的电流电压及逆变器的效率, 上位机通过串口与单片机进行通信, 实现远程监控系统电池板的输出功率, 逆变器输出功率, 保护状态, 调节系统工作状态等。LM3S618通过调节PWM信号的占空比从而调节Boost电路的开关状态, 使电池板输出功率达到最大值, 实现最大功率点跟踪 (MPPT) 。系统采用逐次逼近法, 不断地改变PWM信号的占空比, 实时监测太阳能电池板的输出功率把前次输出与下次输出的功率进行比较, 当电池板的输出功率增大时减少PWM信号的占空比, 否则向反方向调节, 采样频率为500HZ。系统通过JTAG口下载控制算法软件, 便于系统进行二次开发。系统具备有声光告警功能, 如出现过压或过流、超限时相应的发光二极管闪烁以及蜂鸣器告警。
2.3 DC/AC电路
系统的DC/AC电路主要包括馒头波产生电路, 50HZ方波产生电路, SPWM发生器, 延迟电路, 电流电压检测电路, 全桥功率电路等组成, 电路的设计结构直接影响系统的输出波形和效率。电路原理框图如图4所示。
如图5, 在馒头波产生电路中输入信号可以通过开关SW1选择, 当系统处于独立发电时开关接到50HZ的文氏电桥电路, 当要并网发电时开关接到电网输入端, 电网输入端外接一个3W的小变压器把220V交流电压变成5V的交流电压作为外接参考电平。信号通过C55耦合到运放U9A完成阻抗变换, 再送到由U12A、U12B、U10A组成的零电平整流电路把50HZ的交流信号整流成馒头波, 最后把信号送到加法器U10B把馒头波信号电平抬高2.5V, 同时全桥功率电路输出的并网电流相位通过检测电路取样后送到单片机进运算后得到一直流电平与馒头波相加, 最后送到SPWM产生芯片SG3525的第二脚用以产生SPWM调制信号,
如图6, 从SG352513脚输出的SPWM信号通过与非门选通然后送到延迟电路对信号进行延迟, 信号最后送到全桥逆变电路逆变成235V, 50HZ交流信号再接到电网负载。
2.4 系统软件设计
系统上电先检测太阳能电池板输出的电压电流看是否符合DC/DC电路输入设定值的范围, 如果不符合, 通过单片机关闭DC/DC电路的输出, 启动报警和显示电路, 如果在设定范围之内系统启动交流输出。同时把监测到的电池板的输出电压电流值进行功率运算启动最大功率点的控制。系统有完善的软硬件保护功能, 使系统运行于安全状态。程序流程图如图7。
3 结语
本文提出了一种基于LM3S618控制的单相光伏并网逆变系统的设计方法, 分析了系统的结构和控制原理, 设计了最大功率跟踪MPPT算法和锁相环的软件, 构建了实验室样机, 以ARM为核心的光伏并网逆变系统具有响应快、超调小、无静差等优点, 提高系统的抗干扰能力, 是光伏并网发电领域的一个较佳的方案。
摘要：设计开发一套500W小功率光伏并网发电系统。控制器电路采用DC-DC-AC架构, 该并网逆变器能实现最大功率跟踪和反孤岛效应控制功能, 控制芯片采用LM3S618, 外电压跟踪采用双闭环方式实现与网压同步的正弦电压输出, 构建了实验室样机, 通过实验测试逆变器输出的电流基本与电网电压同频同相, 并网的功率因数近似为1。
关键词：光伏并网发电,DC-DC-AC架构,最大功率点跟踪
参考文献
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分布式光伏的开发设计、并网与运维 第2篇
分布式光伏的开发设计、并网与运维
中国现有4亿户居民，4000万自建房屋，其中2000万屋顶可以用于分布式光伏的开发，预计可以装机100GW，1万亿的市场潜力。未来光伏市场，集中式地面电站比例会逐步降低，分布式光伏成为蓝海市场。
首先来看户用光伏市场的四大模式：
一是大型光伏制造商，拥有良好的品牌，采购产品比较低的优势；
二是区域化分布式集成商，资源优势在结合各地市的政策，采用符合本地的推广模式，灵活度非常高；
三是专业光伏集成商，渠道资源多，整合联合本地的服务;四是房地产，金融，建筑，电气。
其次是选型：
逆变器作为家用光伏电站重要的设备之一，其选型至为关键。逆变器的选择一定要从电
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站的应用场景出发，匹配逆变器要做到因地制宜，合适的才是最好的选择。从户用角度出发，好的逆变器除了能够高效发电外，还必须安全可靠，对电网比较友好，能够是实现智能运维。必须关注的几个因素一是转换效率；二是MPPT效率；三是防PID模块；四是组串监控。
接下来是设计：
设计前期需要对屋顶电站做好详细的踏勘。
总结起来主要包括以下几个要素：1)厂房建设年限；2)屋面状况；3)屋面板类型；4)彩钢板锈蚀情况；5)电网接入距离；6)原厂房设计资料、用电负荷等。
最后是分布式光伏的运维：
从管理人员层次，如何能随时随地地监管，因为管理层不能随时进行，如果没有集中监管平台告之，有些项目屋顶很长时间没发电，损失会非常大。
第二个，运维人员要第一时间组织检修，非常快地知道故障点在哪里，确保自身价值的体现。
总结来说，光伏企业要将做系统、做项目转为做产品，打破私人订制的局限性，降成本、控制量、提升服务，推进中国”光伏入户“的进程，真正让分布式光伏发展进万家。
并网设计 第3篇
关键词：新能源；三相并网；模型建立；PWM变换器；解耦控制
中图分类号：TP464 文献标识码：A
1 引 言
随着现代社会对能源需求的不断增加而传统能源的供应不断枯竭，以风力发电为代表的可再生能源发电收到了广泛重视。作为一种新的发电方式，风力发电赢得了非常重要的发展机遇[1]。风力并网型发电系统凭借成本低、应用广泛、输出波形稳定等特点，其应用比例快速增长，已成为新能源技术的主流应用。由于要求风力并网型发电系统输出的交流电与电网电压严格同步，因此，如何综合考虑功率变换器的动态性能、系统干扰、输出波形失真、并网电流和电网电压同步等问题成为了风力并网发电系统控制的关键和难点[2]。基于此，本文采用电压、电流双闭环矢量控制策略，设计出矢量解耦的逆变器控制电路，在两相同步旋转坐标系下对三相逆变器的电流实现静态解耦，改善有源逆变的动态响应及抗干扰能力，实现稳定可靠的控制。
2 控制原理及数学模型
2.1 原理
矢量控制策略：给定信号分解成两个互相垂直而且独立的直流信号iM、iT，然后通过“直-交变换”将iM、iT交换成两相交流信号iα、iβ，又经“2/3变换”，得到三相交流的控制信号iA、iB、iC去控制变流电路[4-6]。对PWM逆变器控制也可以采用矢量控制策略，如图1。
图1 矢量控制框图
三相交流电流iA、iB、iC 经过“3/2变换”、“交-直变换”成为互相垂直且独立的直流量id、iq，再经过“直-交变换”、“2/3变换”，得到三相交流的控制信号iA、iB、iC，控制PWM逆变器[7]。该控制策略有动态响应快、稳态性能好、限流保护等优点。
2.2 三相PWM逆变器dq数学模型
对电压型逆变器，在三相静止坐标系ABC中假设：
1.电网电动势为三相平衡的纯正弦波电动势（Ea、Eb、Ec）；
2.网侧滤波电感L（a，b，c）是线性的；
3.主电路的开关视为理想元件，通断可以用开关函数描述。
在静止的三相ABC参考坐标系中，经滤波电感L并网的风力并网逆变器的状态方程如式（1）。
分别是并网电流、逆变器输出电压与电网电压的dq分量；ω为电网电压基波角频率。理想状态下，电网电压是无任何谐波的纯正弦波，在同步旋转的dq坐标系下，电网电压矢量可以表示为式（3）。
vgd=0vgq=v（3）
其中，v是电网相电压的峰值。
实际上，电网电压总是有谐波污染，不可能是纯正弦波，故电网电压vgd和vgq总有一定的脉动，其幅值和频率与电网电压的谐波量有关。但在稳态下，νgd的平均值仍为0。因此在稳态下，逆变器输出的有功、无功功率如式（4）。
P=vdid+vqiqQ=vqid-udiq（4）
在三相电网电压平衡的条件下，使并网电流d轴分量与电网电压交流矢量同步旋转，则Vq=0。那么逆变器输出的有功与无功功率分别与dq轴电流成比例，可以实现逆变器输出有功与无功功率的解耦控制[8]。
3 电路设计
3.1 逆变主电路
三相PWM逆变器的电路结构如图2示。
电路由三个桥式电路组成，开关管VT1～VT6采用全控型电力电子器件，二极管VD1-VD6为续流二极管，两者组成IGBT关断电路。在输入三相交流电下，当IGBT承受最大正向阳极电压，而控制极又获得触发脉冲时转入导通状态[9]。
3.2 三相并网控制结构
三相风力并网逆变系统采用双环控制。外环由锁相环和最大功率跟踪环组成，为内环提供参考线电流；内环由定频算法、滞环电流控制和三相解耦等模块组成，用于电流的实际跟踪，实现并网[10]，三相并网控制结构框图如图3示。
检测三相逆变器交流逆变电压与电流，经3/2变换，交-直变换，转换成相互独立的直流分量，与给定值比较，经PI调节，调节输出再经过2/3变换成三相交流，控制PWM逆变器产生脉冲。
4 仿真测试及分析
4.1 仿真电路搭建
用MATLAB搭建的三相并网逆变系统的仿真模型，主要由风力电源模块、逆变主电路模块、电网模块和PWM生成模块组成，如图4所示。
仿真输出三相并网电压波形如图5示[11-12]。三相并网电压的周期0.01s，频率50Hz。与电网的频率一致，不会对电网造成干扰，完全满足并网要求。
图5 三相并网电压输出波形
仿真输出A相的电压与电流波形如图6示。
A相电压与电流周期，频率相同，相位差90°；电流瞬态响应时间0.005s左右，响应的时间短，逆变器输出电流完全能够跟随给定电流变化。
图6 A相电压和电流波形
5 结 论
本文提出了一种采用电压、电流双闭环矢量控制策略，设计出三相四桥臂逆变器的矢量解耦控制方案，实现了对三相四桥臂逆变器的矢量解耦控制。建立了三相四桥臂逆变器的空间电路模型，分析了其空间电压矢量的分布；同时，改善了有源逆变器的动态响应及抗干扰能力，实现稳定可靠的控制。设计电路经仿真测试，系统稳定性可靠、瞬态响应时间短、抗干扰能力强，电压、电流波形完全满足并网要求。
参考文献
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光伏并网发电模拟装置的设计 第4篇
世界各国对能源的需求急剧膨胀,而据世界能源委员会(WEC)预测,按照资源己探明储量和目前的发展速度,石油将在42年后枯竭,天然气将在56年后殆尽,资源量最大的煤炭也只够再开采220年。在今后的20-30年里,全球的能源结构[1]将发生根本性的变化,开发和利用可再生能源是世界各国十分重视的问题。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源,与其它新能源相比利用最大,是最理想的可再生能源,而光伏并网发电是国际上关注的焦点,光伏并网发电系统就是光伏发电系统与常规电网相联,共同承担供电任务。
2 设计方案
2.1 单片机方案
单片机STC12C5A32AD是宏晶科技新推出的一款处理器,具有高速,低功耗,超强抗干扰等特点,速度是传统80C51的8～12倍。芯片内部集成了MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速A/D转换;内置掉电检测电路,省去了外部扩充掉电检测芯片;对于时钟和串行通信速度不太敏感的系统,可以使用内部的R/C振荡电路。内部集成32K的E2PROM大大方便用户存储掉电不丢失的数据,并节省了相应的成本和10端口。由于内部已经集成了独立的波特率发生器,此系列单片机串行通信的速率可以不由内部定时器T1的溢出率来决定,这样可以让T1实现定时或者计数的功能。故选用此单片机作为该系统的控制核心器。
2.2 DC-AC逆变方案
正弦脉宽调制(SPWM)逆变器,即每半个周期内有多个脉宽组成,并且脉冲宽度符合正弦波脉冲宽度调制规律变化,则输出为正弦波,其拓扑结构主要有半桥式和全桥式。光伏发电系统并网运行时,为避免对公共电网的电力污染,也要求逆变电源输出正弦波电流,故该系统中选择全桥式正弦脉宽调制逆变器。
3. 系统总体框图
光伏并网逆变器总体框图如图1所示。
本系统采用的是一种两级式的结构,前级DC-DC变换器作为MPPT控制器实现最大功率跟踪功能,后级为全桥逆变电路,产生与电网电压同频同相的电流,使整个装置的并网功率因数为1。二者通过直流母线DClink相连,控制上相互独立。在全桥逆变器[2]与电网间加入工频变压器隔离,这样整个系统就不会向电网输出直流分量,工频变压器还起到升压的作用,这样使直流侧的输入电压具有更宽的范围。
4. 主要电路设计与参数计算
4.1 DC-AC全桥逆变器
DC-AC逆变是本设计的核心,STC12C5A32AD单片机输出的SPWM波形,由于其IO驱动能力不足,不能直接驱动由四个IGBT管G30N60组成的H桥,所以电路加入IR2110驱动芯片,该芯片驱动电路简单,成本低,最重要的就是其输出驱动波形好,有利于提高电源效率。
4.2 Buck降压斩波电路
Buck降压电路输入端电压US=60V,通过调节占空比使电压Ud=30V,Buck降压电路的输入输出关系由公式(1)确定:
式(1)其中导通占空比参考范围为0～1。
4.3单片机系统软件
单片机系统主核心模块采用了STC125A32AD单片机。这款单片机作为控制电路的核心部件,实现了数据采集、控制算法、欠压保护、显示等功能。主程序流程图如图4所示。
软件目标为控制输出电压稳定在30V,根据式(1),当输出电压低于30V,调节占空比来控制,当占空比大于95%时仍无法使输出电压达到30V,表明输入电压已无法满足要求,这时将输入输出直接连通;而低于5%时则相反,此时输入电压太高,系统已无法控制,所以直接断开电路。
4.4 滤波器设计
逆变器输出滤波器采用LC低通滤波器。由于H桥以高频的SPWM波形工作,输出滤波器的作用是滤出高次谐波[3]分量,使输出波形接近于正弦波。滤波器的设计应使输出电压谐波少,阻频特性好,滤波功率小,计算出的电感值一般不易购买,因此我们采用图5的滤波电路原理图,并且SPWM波形中所含的谐波主要是载波角频率ω及其奇次谐波。本系统采用载波频率为30kHz,远大于调制信号角频率,滤波较易实现。系统中逆变器输出频率为45-55Hz,LC滤波器截止频率,元件参数取L=10mH,C=2.2?F,计算截止频率为1.74kHz,满足设计要求。
5. 系统的同频同相[4]测试结果
仿真结果如图3所示。
从图3可以看出,当逆变器独立运行时,逆变器输出电压可以实现与电网电压的同频同相,以此来减少逆变器接入电网时的冲击;在软件中加入了中间直流侧电压闭环可以保证逆变电路的直流侧电压稳定。经过分析可以看出,逆变器采用有效外环、瞬时值内环的控制策略可以实现单位功率因数并网,满足光伏并网发电的要求,实现并网发电的目的。两电压波形比较理想,但电压在波峰和波谷处,出现波形畸变,原因如下:(1)当并网电流很小时,并网电流峰值的采样值变得很小,这样系统的采样精降低,特别在峰值附近,系统难以精确区分电流值大小,这会引起电网电压的弦度变差,引起畸变。(2)硬件采样电路的设计和参数选取上的原因,导致采样精度不够,也会出现波形的失真现象。
6 结论
单相光伏并网发电系统的功能是将太阳能电池阵列输出的直流电变换为交流电,经滤波后送入电网。本设计在进行了充分的方案对比及论证后,确定光伏并网逆变器主要由DC-DC变换器和DC-AC逆变器两部分组成,之间通过DClink连接,控制电路的核心采用STC125A32AD单片机。其中DC-DC变换器完成最大功率跟踪控制(MPPT)功能,DC-AC逆变器维持DClink中问电压稳定并将电能转换成50Hz的正弦交流电,且与电网的相电压同频和同相。由模拟仿真波形图显示,两电压波形基本一致,比较理想,光伏并网发电模拟装置频率及相位跟踪功能、欠压保护及过流保护功能等,已达到设计的基本要求。
参考文献
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申请并网流程 第5篇
一，流程
1，向当地国家电网索要《业主接入申请表》，以备案 2，安装光伏发电太阳能电池板及系统组件，调试并网。
3，在周一至周五上午9点，送材料至国家电网柜台。预约验收。
4，国家电网并网验收。电网安装双向计量电表，签订售电合同及调度协议。5，国家电网根据电表计量，按周期打卡发放并网补贴。
二，并网资料提供国家电网95598
个人：1，身份证原件及复印件，户口本首页复印件，申请人当页复印件。
2，房产证或村、社区所有权证明。
3，安装时，厂家提供的产品材料标签，说明书，认证证书等。
4，近期电费清单，打卡账户及户名开户行等。
法人：1，经办人身份证及复印件、法人受托书原件（或法人身份证原件及复印件）。
2，企业营业执照复印件（税务登记、组织机构代码），土地证或所有权证明文件。3，政府投资主管部门同意开展前期工作的批复（需核准项目）。4，企业消防，电力施工，建筑施工等相关文件。5，年电费清单。变压器负荷。6，开户行户名及账号信息。
三，项目单位（兆瓦级别）向地市级或县级能源主管部门提交固定资产投资备案表和分布式发电项目备案申请表材料：
1，符合建筑等级实施安装光伏发电系统相关规定的项目方案。2，项目用地或屋顶场所使用权证明。
3，地市级或县级电网公司出具的项目并网接入意见。
4，如果项目采用合同能源管理方式，则需要提供与电力用户签订的能源服务管理合同等材料。
5，地方政府根据有关规定要求提供的其他材料。
四，出租屋顶，湖面，地面，大棚等收益性项目提供材料
1，自然人、企业法人身份证原件及复印件，营业执照（税务登记、组织机构代码）。2，土地所有权或使用权证明，消防、建筑、电力施工文件，长期租赁合同（25年以上）。
分布式并网研究浅析 第6篇
[摘要]在能源枯竭和环境问题日益严重的今天，光伏利用成为世界各国争相发展的热点，光伏并网发电作为太阳能光伏利用的发展趋势，必将得到快速的发展。而逆变器并网技术是光伏并网发电系统的关键技术。
[关键词]光伏并网；逆变器；控制策略
[中图分类号]P754.1 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0407-01
1 引言
本文系统地概述了光伏并网发电系统的背景及意义，着重分析了几种具有代表性的逆变器并网控制方案的优缺点，并对几种入网电流控制方案进行了分析。
2 并网研究的背景及意义
电力工业长期以来一直采用集中纵向供电的电力生产模式。然而近年许多因素促使其需要不断解决传统模式所产生的问题，这些因素包括：（1）环境保护的压力；为了对付酸雨、全球变暧、土地资源紧缺、新建大容量的电厂和输电线路越来越困难；（2）数字化革命对其提出了新的可靠性和电能质量要求；（3）全球竞争加剧要求高质量和低成本的电力产品和服务；（4）经济高速发展使供电和输电容量相对短缺，供电型式相对单一。到20世纪80年代末开始出现了一个由传统供电模式向集中、分散相结合供电模式过渡的趋势，新型高效绿色的小型独立电源发电所占比例越来越大。随着电力技术的不断发展，公共环境政策的督促和电力市场的扩大等因素的共同作用使分布式电源成为未来重要的能源选择。
分布式发电的一个重要形式就是可再生能源，包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢能所产生的能量。从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是最符合可持续发展战略的理想的绿色能源，太阳能在近些年来引起了世界各国政府和能源专家的日益重视。全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一，太阳能的大规模应用将是21世纪人类进步的重要标志。而并网发电是太阳能光伏利用的发展趋势。
3 调度式和不可调度式光伏发电系统
目前常用的光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类：一种是“不可调度式光伏并网发电系统”，这种系统不含有储能环节，比如蓄电池，另一种是“可调度式光伏并网发电系统”，这种系统含有储能环节。
在不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能直接转化为和电网电压同频、同相的交流电能，完全由日照和环境温度等因素来决定并网的时间和并网的功率大小；当主电网断电时系统自动停止向电网供电。该类并网系统一般用于工厂发电，由于没有蓄电池这一中间环节，系统成本比有蓄电池的降低40%左右。
可调度式光伏并网系统增加了储能环节（目前主要为蓄电池，将来也可能逐步为燃料电池等其它分布式电站的新技术所替代），系统首先对蓄电池进行充电，然后根据需要将系统用作并网或者经逆变后独立使用，系统工作时间和并网功率大小可以人为设定。当电网断电或者故障时，逆变器自动切断和电网的电气连接，同时可以根据需要选择是否进行独立逆变，用以对本地负载继续供电。
4 并网发电系统的分类
逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。电压型逆变电路也可并联大电容，相当电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电流起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
电流型逆变电路直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻态。电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通途径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。
5 系统的控制策略
并网系统的主要控制策略在光伏并网系统的控制策略方面，现有的控制方法有滞环电流控制、双环控制、空间矢量PWM控制（SVPWM控制）、定时比较控制、无差拍控制和重复控制等等。
（1）滞环控制方式：图1-3所示为采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图
并网电流滞环控制是将与电网电压同步的指令电流iref和实际送入电网的电流i相比较，把差送人滞环比较器。滞环比较器的环宽为2Ai，其中△i为设定的最大电流偏移。当i超过iref且偏移达到△i时，滞环比较器将控制上下桥臂开通和关断，使变压器原边电压正负交替变化。从而迫使逆变器输出电流不断跟踪给定电流的波形，仅在允许偏差范围内稍有波动。
采用滞环电流控制的优点是实时控制，电流响应快，不用载波，输出电压、电流波形中不含特定次谐波，动态性能好，电流跟踪误差范围固定。但其缺点是电力半导体器件的开关频率不固定，同时增加了滤波器设计的难度，可能会引起间接的谐波干扰。当环宽过大时，开关动作频率降低，跟踪误差增大；环宽过窄时，跟踪误差减小，但开关的动作频率过高，开关损耗增大，甚至会超过可关断器件的允许工作频率范围，导致电路无法正常工作。
（2）三角波比较法SPWM电流控制原理是将指令电流与并网电流的实时值进行比较，两者的差值经PI调节与三角波比较，输出PWM信号。
该控制方案的主要特点是固定的开关频率具有算法简便，物理意义清晰实现方便等优点，因而网侧变压器及滤波电感设计容易，并且有利于限制功率器件的开关损耗。但其缺点是跟随误差较大，软硬相对复杂，在开关频率不够高的情况下，电流响应仍相对较慢，且电流动态偏差随着电流变化率的变化而变化。
（3）定时比较控制定时比较控制是利用一个定时控制的比较器，每个时钟周期对电流误差判断一次，发出相应的PWM信号，需要至少一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半，采用定时比较控制的优点，开关频率固定，减少功率开关器件的损耗，增加使用寿命。但其缺点是，电流跟随误差是不固定的，在参考电流变化较快的地方，跟踪效果不好，载波较低时，电流误差较大。
（4）无差拍控制60年代初美国著名的控制理论专家卡尔曼提出了无差拍控制思想，它是一种基于微处理器实现的PWM控制方案，在80年代中期被应用于逆变器控制无差拍控制是根据逆变系统（包括滤波器）的状态方程和下一个采样时刻的参考正弦波推算出下一采样周期的开关时间，因此在理论上从第二个采样周期起，输出电压波形就应该很好地跟踪参考正弦波。目前经常使用的无差拍控制方法有以下几种：阻性负载型无差拍控制；采用干扰预测型观测器的无差拍控制；以参数辨识为基础的无差拍控制。
（5）双环控制是采用电压、电流环控制来实现直流电压的稳定和调节并网电流的幅值。双环控制具有固定的开关频率，易于系统的设计，但在开关频率不够高的情况下，电流动态响应相对较慢，并且电流动态偏差随着电流变化率的变化作相应的变化。
6 结束语
逆变器并网技术是光伏并网发电系统的关键技术，研究逆变器的并网控制具有重大意义和重要的应用前景。
参考文献
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小功率单相光伏并网逆变器设计 第7篇
自20世纪90年代以来,太阳能发电技术得到了持续高速发展,光伏并网发电已经成为当今太阳能主要利用形式之一。并网逆变器作为并网发电系统的核心环节,已经成为该领域的研究热点。本文基于光伏并网逆变器的基本原理和控制策略,提出了一种单相光伏并网逆变器的电路设计方案,从功率回路、采样、驱动以及保护等模块介绍逆变器的硬件设计到结合逆变器实际控制结构的软件设计,通过实验证明,本设计能够很好地达到并网的要求。
1 光伏并网系统的组成
结合以上控制策略与光伏并网发电系统结构及逆变器的实际需求,设计了一种单相可调度式光伏并网发电系统。如图1所示,此系统主要有光伏阵列、Buck/Boost变换电路、全桥逆变器、滤波电路、工频隔离变压器、切换电路、储能环节、信号采集调理电路、驱动电路、DSP及输入输出设备等组成。
1.1 硬件电路设计
1.1.1 功率回路设计
功率回路又叫一次回路,如图2所示,电路采用前级直流升压后级全桥逆变的拓扑结构。直流电压经过滤波升压之后进入逆变环节,通过控制全桥逆变开关管的开通关断,使逆变器输出占空比变化的一系列SPWM波,后经过LC滤波后得到低压交流电,然后通过升压变压器将输出电压升到符合并网要求的电压,同时防止直流量注入电网。
图2并网逆变器主电路设计 (参见下页)
1.1.2 驱动电路设计
Boost驱动电路选用TI公司的专用驱动芯片UCC27324。该芯片可同时输出两路信号,用来驱动低端MOSFET/IGBT,功耗低、驱动能力强、响应速度快、电路简单性能优越,电路设计如图3所示。
与升压电路不同,全桥逆变电路的驱动需要考虑高端管子和低端管子的问题,因此可以采用独立电源供电或附加自举电路两种驱动方式,本系统选择的驱动芯片为美国国际整流公司生产的IR2110芯片,该芯片内部使用自举技术,实现一块芯片同时输出两个驱动逆变桥中高端与低端的通道信号,它内部的自举操作提供了悬浮电源,悬浮电压保证了IR2110可直接用于母线电压为-4~500V的系统中驱动MOSFET/IGBT,如图4所示。
1.1.3检测电路设计
为了降低研发成本,同时解决隔离问题,220V交流电检测电路采用简单的降压检测方法,即首先使用限流电阻将电压信号转换为电流信号,然后通过1000:1000的电流互感器进行隔离,输出的电流信号经过跟随得到电压小信号,最后通过一系列整流滤波将电压转换为DSP可以允许的0~3.3V之间的电压信号。
通过硬件电路将正弦电压信号转化为方波信号,这样便于DSP控制器的CAP单元准确地捕获该信号,从而计算该电压信号的频率和相位。实际硬件电路是通过比较器LM311实现这一功能的,该交流电压的检测电路与相位检测电路仿真图如图5所示,频率相位检测结果如图6所示。
1.2 软件设计
系统软件设计的好坏严重影响着系统的可靠性和高效性。本系统设计时,考虑到许多控制参量的实时性要求高,并且系统中包含多个控制状态,因此在设计时借鉴了TI公司的软件编写结构以及采用了状态机的控制模式,从而实现系统工作的实时性和多种工作模式的有效切换。如图7所示。
图7状态机 (参见下页)
根据状态机控制图,结合逆变器实际控制结构,设计软件编写结构,该结构采用三种不同的计时时间解决紧急事件,另外三个中断事件处理优先级更高的事件,它们是闭环控制、捕获事件、SCI数据接收。系统的软件结构如图8所示。
在该系统中,使用了3个主要任务,即Task_A0、Task_B0、Task_C0。Task_A0:1ms任务,它包括四个子任务,在本系统中只用到了A1、A3两个子任务。A1的任务为处理状态机的转换,状态机的状态每20ms检查一次,因此新的运行模式将在20ms以后开始运行;A3用于逆变器上的按钮检测及相关LED指示灯及相关显示控制。
Task_B0:4ms任务,同样具有四个子任务。B1用于故障检测,包括短路检测、过流检测、电网电压、频率检测以及直流母线电压检测;B2处理测量数据的计算,如计算电网电压有效值和输出电流有效值、有功功率、直流母线电压以及过零检测等;B3处理开机检测;B4没有使用,可用于控制板之间通讯的扩展。
Task_C0:0.5ms任务,C0用于SCI通讯。
2 光伏并网逆变器控制策略
对于并网逆变器,要想实现并网运行需要具备以下几个要求:1)输出的电压和电网电压同频同相且幅值相同;2)要求逆变器输出的电流与电网电压同频同相即功率因数为1;3)逆变器输出满足电网电能质量要求。满足以上要求除合理的拓扑结构、设计合理的信号采集调理电路外,有效的控制策略也是不可或缺的。
逆变器有两种工作模式:独立运行模式和并网运行模式。当逆变器工作于独立运行模式时,控制器通过检测逆变器的输出电压实现对逆变器的控制,多采用电压闭环控制系统。但是,在并网模式下,需要保证逆变器输出的电压电流与电网同频同相,减小并联环流,同时需检测逆变器输出电流的大小,以控制逆变器输出功率,因此,当逆变器工作于并网模式下,一般采用电流控制方式。
3 实验结果及结论
依照以上硬件电路与软件设计方案,基于TMS320F28035编写软件程序,在允许输入波动范围内保证逆变器输出电压恒定且满足实验要求,在实验时采用逐步增加功率的方法,搭建了600W光伏并网逆变器系统的实验平台。如图9所示,实验的输入由直流开关电源提供,实验中的负载为100W白炽灯,测试仪器为质量分析仪、数字万用表、示波器等。最终的实验结果如图10所示,图(a)、(b)为逆变器在满功率运行时的电压电流输出波形,输出电压为225.2V,输出电流为9.3A,电压电流波形THD为3.3%、4.2%。需要说明的是,为了便于实验中电流的测试,在检测电流时,由于选用的电流钳的量程很大,因此为了提高测量精度,将电流放大了不等倍数,现满载运行时的测量电流为实际电流的四倍。从实验波形可以看出,实验输出波形满足设计要求。
靠性。双主机冗余设计在一定程度上增加了系统的复杂度、功耗、重量以及成本,但是能够换来相对较高的可靠性,系统工作的连续性,能够满足航空电子设备的高可靠性要求。
4 总结
并网光伏发电孤岛效应检测电路设计 第8篇
关键词：孤岛效应,扰动电路,算法
并网光伏发电系统中,当分散的光伏电源系统如光伏发电系统从原有的电网中断开后,虽然输电线路已经断开,但是光伏发电系统中的逆变器仍然在运行,此时逆变器失去了并网赖以参考的公共电网电压,此时将产生孤岛效应[1]。对于并网型光伏发电系统,系统运行时,为确保人身和设备安全稳定,要求在公网电网出现意外故障停电时,光伏发电设备应该能够及时检测此故障情况,并迅速与公网电网解列,停止向电网送电。
1 孤岛检测算法及电路设计
光伏发电系统中一旦发生孤岛效应,最致命的后果一是将导致光伏发电系统与公网电网的重新连接变得复杂,二是将对电网中的电力元件产生严重危害。根据孤岛效应发生概率不同,目前一般分为两种情况[2]:第一种,孤岛效应明显的场合;第二种,孤岛效应不明显的场合。
对于第一种,针对明显程度一般设计有专门的孤岛效应保护电路。而对于第二种,孤岛效应不是很明显,由于孤岛效应出现概率小,从概率论与信息的关系可知,事件出现概率越小,其所含信息越大,但是事件的捕获难度越大,事件出现对系统影响越大,这就会对光伏发电站与负载之间功率的适配造成威胁,所以研究孤岛效应检测算法、设计克服孤岛效应电路是并网光伏发电系统亟需解决的问题。
1.1 孤岛效应检测
被动检测方法和主动检测方法是目前技术比较成熟,研究成果较多的应对孤岛效应检测的两种方法。
当公网电网因故障造成失电时,电网电压信号的幅度、频率、相位等要素和谐波分量等参数将产生畸变,光伏发电设备孤岛效应检测系统可以通过检测这些畸变信号判断公网电网失电事件,进而采取反孤岛运行控制技术,这种检测孤岛效应的方法是通过被动检测的方式进行的,故而成为被动检测方法。
而主动检测方法也即注入参量法指的是,在光伏发电系统中通过在光伏并网点处由孤岛效应检测系统主动向公网电网注入很小的干扰信号,再通过检测反馈信号来判断电网失电事件发生与否。根据注入信号种类不同,这种主动检测方法又分为两种,其中的一种就是通过在公网并网电流信号中注入一个很小的失真电流,这个失真电流是检测系统产生的,并且电流的参量尤其是失真度是可控的,孤岛效应检测系统通过检测光伏发电侧逆变器输出的电流的参量,如相位和频率,根据失真电流信号的失真度,采用正反馈电路,使得这个失真信号被放大后注入到电网中,在电网失电时,这个被放大的失真信号会产生与设定不同的异常值,孤岛检测系统通过检测出这个参量异常值,即可迅速检测到孤岛效应事件。
1.2 孤岛效应事件检测算法
完成光伏并网保护功能的电路是功率调节器。在光伏逆变系统发生异常时,功率调节器可实现自动功率控制,减少对公网电网产生的影响,不至于对光伏发电系统造成不良影响[3]。
为了确保电网稳定,并网光伏发电系统功率调节器一般设计完成两种自动调节功能:无功功率控制和输出功率控制。
孤岛事件检测算法流程:首先采样输入每个支路的输入电压和电流信号值之后,计算采样信号频率的改变值;其次把计算所得信号频率值与设定频率值进行比较,当频率变化小于设定值时,才进行进一步的判断。算法核心是:将频率变化量符号的变化次数与频率变化次数与整定值进行比较,当符号的变化次数大于整定值时,则得出发生孤岛效应的结论,并使控制器发出指令使光伏阵列逆变系统与公共电网分离。
1.3 孤岛效应主动检测电路设计
主动检测孤岛效应事件检测可采取主动信号探测法:在光伏发电逆变控制器中主动植入探测电路。这个探测电路能够产生微小失真度可控的扰动信号。根据公网信号特点,这个扰动电路产生的探测信号一般是不平衡的正弦波形。因为公网信号是对称的,如果控制器的参考正弦波中存在不对称,在逆变器的电流输出中将产生同样大小的不对称畸变。
系统正常运行时,这个扰动信号产生的畸变微弱,对电网影响较小,可以忽略;一旦孤岛效应发生,这种畸变效应将凸显,通过检测这个畸变信号即可检测出孤岛事件发生。这种主动探测法亦即采用合适的畸变作为有效辨识孤岛效应的检测器,以便对其进行反孤岛运行控制,确保电网系统稳定运行。
图1为三节阻抗依次降低的RC移相网络构成的扰动电路,振荡频率为1KHz,出幅度可由CTL_PWR调节。调节电阻串接在T1发射级的电位器RP1,RP1还具有调节扰动波形失真度的功能。振荡信号由T2组成的射级跟随器组成,同时具有负载阻抗匹配功能。
2 结论
本文提出的针对并网型光伏逆变器控制器,采取主动信号探测法,植入能够产生微小不平衡的畸变正弦波形扰动电路,检测出孤岛事件,可有效防止伪孤岛并减小对电网的干扰,避免孤岛保护误动作。
参考文献
[1]沈辉.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.
[2]惠晶.新能源发电与控制技术[M].北京:机械工业出版社,2014.
并网设计 第9篇
随着社会经济的不断发展,能源危机越来越严峻,无污染、可再生的太阳能光伏发电方式作为能源结构中重要的替代能源形式,越来越多地受到人们的关注。太阳能光伏发电方式分为离网发电和并网发电两种,离网发电技术主要应用于偏远地区的供电,而并网发电技术则主要应用于城市供电。并网发电是光伏发电投入商业化运行的重要途径,已经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。
光伏并网发电系统是通过光伏电池将太阳能转化为电能,并通过并网逆变器将直流电变为与市电同频同相的交流电馈入电网。目前,光伏并网发电系统设计大多采用IGBT或MOSFET作为开关元件,构成DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路[1],文章提出了基于智能功率模块的单相两级式光伏并网发电系统设计方案。
2 系统总体设计
设计采用两级式光伏并网结构,前级DC/DC采用Boost升压电路完成光伏电池最大功率跟踪,后级采用全桥逆变电路控制并网。两级式光伏并网发电系统由于前级直流变换电路的加入,使得系统有较宽的输入电压范围,同时可将光伏阵列的最大功率跟踪控制和并网控制相互独立,互补干扰,使系统更加灵活,比较适合小功率光伏并网发电系统[2]。光伏并网发电系统的控制主要包括光伏电池最大功率跟踪和并网控制。因此系统要测试的量主要有:光伏阵列的输入电压和电流、中间直流母线电压、逆变输出电流和电网电压[3]。系统选用以TMS320LF2812 DSP为核心的控制器对整个系统进行控制。2812是TI公司推出的32位定点DSP芯片,不但运行速度高、处理功能强大,并且具有丰富的片内外围设备和强大的事件管理能力,完全符合设计要求。系统的总体设计方案如图1所示。
3 IPM的基本特性
智能功率模块(intelligent power module)是先进的混合集成功率器件,由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的栅极驱动电路及多种保护电路集成在同一模块内,此外还内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路,检测信号可通过故障信号端子送到CPU或DSP 作中断处理。IPM根据故障产生的原因采用了3种保护电路,分别是短路过电流保护(SC)、过温保护(OT)和控制电源欠压保护(UV)。IPM在接收到上述保护电路的触发信号后,立刻启动内部保护电路和输出故障信号,同时关断IGBT硅片停止驱动电路使得输入控制信号无效。
IPM的应用十分简单,它与控制电路之间仅需光耦等隔离电路,使用户产品的体积减小,缩短开发时间,简化开发步骤,目前已被广泛用于无噪声逆变,低噪声UPS系统和伺服控制器等设备。本设计选用日本三菱公司的L系列光伏专用智能功率模块IPM50B5LA060,最大输入电压为600V,输出电流为50A,最大绝缘电压为2500V,适合制作交流输出电压为220V的逆变器[4]。
4 基于IPM的系统主电路设计
基于IPM50B5LA060的系统主电路连接示意图如图2所示,虚线框中为模块的封装形式。该光伏并网发电系统的输入电压范围为150~450V,最大输入电流为12A,额定功率为1.5kW,前级Boost电路的开关频率为20kHz,后级全桥逆变电路的开关频率为15kHz。以下通过计算对输入滤波电容C1,直流母线支撑电容C2,升压电感L1以及网侧LC滤波器进行设计。
4.1 输入滤波电容C1的设计
输入电容的主要作用在于存储能量、减少输入侧的电流波动,使光伏阵列的电压和电流保持相对稳定。Boost变换器有电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)2种工作状态,文章假设Boost电路工作在CCM下,且电路中的所有元件均为理想元件。由Boost变换器CCM下的工作过程可知,电容的充电时间为T/2,电容上平均充电电流ΔiC1=ΔiL1/4,则输入电容的纹波电压为[5]
式中:T为Boost电路的开关周期;ΔiL1为电感L1的纹波电流;ΔuC1为电容C1的纹波电压。
计算得C=750μF,实际电路中选用2个560μF/450V的电解电容并联使用,同时并联0.1μF的陶瓷电容用以吸收高频杂波。
4.2 升压电感L1的设计
Boost变换器工作在CCM下,电感电流需保持连续状态。
当开关管关闭时:
当开关管打开时:
式中:Upv为太阳能的输出电压;Udc为直流侧电压,即Boost电路的输出电压。
将式(3)代入式(2)得:
计算得L1=1.875mH,考虑到电感的体积和价格,实际电路选用2mH电感。
4.3 直流母线支撑电容C2的设计
由Boost电路的工作特性有:
则
由于Dmax=(450-150)/450=0.667,则C2≥24.7μF,中间电容一般取5~10倍的裕量,因此实际电路采用3个560μF/450V的电解电容并联使用。
4.4 LC滤波器的设计
输出滤波器的电流纹波决定了电感L的最小值,电感电流纹波一般取15%~20%的额定电流。逆变器效率为90%,α表示纹波电流系数,则纹波电流大小为
式中:Uc(t)为交流输出瞬时电压;Ts为逆变电路开关周期。
由式(8)可知,当
电路基波频率f=50Hz,设计一般取谐振频率为10~20倍的基波频率,则
计算得到L=5.17mH,C=8.20μF,实际电路选用5.5mH电感,10μF电容滤波。
5 系统抗干扰及保护电路设计
虽然IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路,但其内部不含有信号隔离电路、浪涌吸收电路和自保护电路,因此,必须外加辅助电路才能保证系统安全、可靠的运行。
5.1 系统电源电路设计
IPM对驱动电源的要求严格,驱动电源电压必须严格控制在13.5~16.5V之间,低于13.5V则集电极功耗增加,结温上升,发生欠压保护,高于16.5V将导致短路时电流峰值变大,可能超过硅片的耐量而导致硅片损坏,此外上下桥臂各单元驱动电源必须相互隔离,因此IPM50B5LA060需要3路13.5~16.5V的隔离电源进行驱动。除此以外,系统信号采集电路及DSP控制板等也需要一定的电源驱动。本设计选用IPM专用电源模块JS158,将其直流输入端与光伏电池输出端相连,来获得系统所需的各路驱动电源。同时在各路电源输入端并联10μF电解电容以滤波共模噪声信号,此外还并联了0.1μF退耦电容。
5.2 信号隔离电路设计
为了防止干扰,IPM模块与DSP控制信号之间必须采用电气隔离装置加以隔离。设计采用美国安捷伦HCPL4504高速光耦对驱动信号进行隔离,该光耦的瞬时隔离达15kV/μs,符合设计要求。错误输出信号Fo~F3经低速光耦PC817隔离后,输入74LS21与门,经与门的输出后与DSP外部中断口相连。IPM的任何一单元出现故障都将触发中断,从而停止工作[6]。
此外由于IGBT开通和关断时电流变化迅速,产生很高的浪涌电压,在P端和N端接入0.1μF,600V的吸收电容,用以控制关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。
6 实验结果
根据上述设计方案,建立了实验室样机,对整个系统进行实验调试和测试。DC/DC部分采用一路频率为20kHz的PWM波来实现MPPT控制,DC/AC部分采用4路频率为15kHz相位差为60°的SPWM波对逆变器进行控制,同时对电网电压进行过零检测以实现并网。图3为DC/DC驱动信号,将DSP输出信号与光耦隔离输出信号对比可以看出,光耦有一定的延迟,但这并不会对系统造成影响。图4为系统输出电压波形。图4a为滤波前的电压波形;图4b为输出电压经过LC滤波以后得到的波形。由波形可知,设计选用的LC滤波器效果非常明显。图5为并网电流与电网电压波形。由图5可知并网电流与电网电压同频同相,满足了并网运行的标准,验证了该系统设计的合理性。
7 结论
文章对1.5kW光伏并网发电系统硬件电路进行了设计,并制作了实验样机。实验结果证明,运用智能功率模块对光伏并网发电系统进行设计,不但节约了研究时间,而且提高了系统的可靠性和稳定性。
参考文献
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并网设计 第10篇
太阳能、风能等新能源发电的应用越来越广泛,其中大部分新能源发电系统直接并入电网,因此,并网逆变控制系统成为了新能源发电系统的核心技术之一。目前,新能源发电系统普遍采用集中控制方式,将直流电并入电网[1-3]。该方法具有成本低、控制简单等优点,但同时存在系统无法接入不同能源,不易扩容,一旦出现故障,整个系统停止发电等问题,特别针对光伏系统中的局部阴影、组件失配等现象,集中控制方式将导致大量电能损失。
国内外学者对上述问题进行了相关研究,提出了一些解决方法,其主要思想是通过并联技术,增强系统功能等级,提高系统可靠性,实现冗余设计,提高系统设计灵活性。文献[4-6]提出了分布式模块化方法,给每块光伏组件配备直流模块进行MPPT及升压控制,然后并入集中逆变器进行并网,该方法解决了局部阴影和组件失配问题,但是模块过多、成本高,不适合大中型电站; 文献[7]利用并联技术,将大电流分流给各个并联模块,减小功率器件应力,但是该方法本质上是几个独立系统的直接并联,导致系统成本和复杂性增加; 文献[8-11]研究了多输入源共直流母线发电系统,但相关文献仅仅对系统控制方法进行了仿真验证; 文献[12,13]研究了共直流母线并联光伏发电系统,实现了离网发电控制,并没有进行并网控制方面的研究。目前,共直流母线并联系统在传动、UPS、变频电源等领域得到了应用推广[14-16],在新能源发电领域利用共直流母线并联技术,可以有效解决目前存在的一些问题,因此,越来越多研究人员开始关注在新能源发电系统中使用共直流母线并联技术[17-19]。
本文研究并设计了一种直流模块式光伏并网控制系统,在综合考虑系统成本、可靠性、复杂度的基础上,采用前级直流模块并联直流母线,后级集中并网逆变的系统结构,方便系统接入不同能源及灵活配置,在部分模块故障时不影响其他正常模块工作。最后,本文设计了一台针对光伏系统的实验样机,实验结果验证了方案的可行性。
2 系统工作原理
图1 为系统结构示意图,图中DC /DC直流模块的输入分别接光伏阵列,输出并联直流母线,集中并网逆变器将直流母线电能馈入电网。其中集中并网逆变器作为主控制器,DC /DC直流模块作为从控制器,两者通过RS485( 或直流电力线载波) 进行信息传递,DC /DC直流模块根据接受命令分别实现升压、稳压、最大功率点跟踪控制,集中并网逆变器接受各个DC /DC直流模块信息,进行系统协调控制。
本文设计的直流模块式光伏并网系统具有如下特点: 直流模块式结构减小模块电流应力,增强系统冗余性,增加系统灵活性; 可采用交错并联技术,降低直流母线电流纹波,减小电容容量; 各个直流模块分别进行最大功率点跟踪,降低局部阴影、系统失配等因素对系统发电效率的影响。
3 控制器设计
3. 1 并网逆变器电流环控制器设计
三相集中并网逆变器主电路如图2 所示,图中ea,eb,ec为三相电网电压,O为三相电网电压的中点,ia,ib,ic为并网电流,其箭头方向表示电流正方向,L为三相滤波电感,R为滤波电感等效电阻,C为直流母线电容,E为输入直流电源,RE为输入直流电源等效内阻,iE为直流电源输出电流。
根据图2,经过坐标变换,得到并网逆变器在两相同步旋转dq坐标系下的状态方程:
由式( 1) 可以得到对应的数学模型如图3 所示。图2 中定义Sa、Sb、Sc为开关函,当Sa= 1 时,T1导通、T2关断,Sa= 0 时,T1关断、T2导通; Sb= 1时,T3导通、T4关断,Sb= 0 时,T3关断、T4导通; Sc= 1 时,T5导通、T6关断,Sc= 0 时,T5关断、T6导通。式( 1) 中sd、sq为Sa、Sb、Sc经过坐标变换后在dq坐标系下的相应的开关函数。
从图3 中可知,并网逆变器模型中存在d轴电流与q轴电流互相耦合,同时电网电压作为扰动量,将影响并网电流质量,设计控制器时需特别注意。
图4 为并网电流环控制器数学模型,其中图4( a) 为电流解耦控制器,采用电流前馈环对dq电流耦合项进行解耦,图4 ( b) 为电压前馈( 以d轴为例) 控制传递函数,引入电压前馈环节抑制电网电压波动对电流环的影响,图中G1( s) 为电流PI调节器,G2( s) 为采样延迟与PWM等效传递函数,Ts为采样周期( 即为PWM开关周期) ,K为PWM增益,G3( s) 为滤波电感模型,Gn( s) 为电网电压前馈控制,一般取1 /K。
为了保证电流内环具有较快的电流跟随性能,可按照典型I型系统设计电流调节器,使得PI调节器的零点与控制对象的极点对消,可得电流环的开环传递函数:
取闭环系统阻尼比为0. 707,可得电流PI调节器的控制参数:
3. 2 锁相环控制器设计
并网逆变器实现可靠并网,需要获得电网电压的频率和相位,数字锁相环目前被广泛采用,图5 为数字锁相环控制器结构图。
图5 中,电网电压矢量Ug幅值Um,频率 ω1,相角 θ,锁相环跟踪角度 θ',由图5 可得三相电网电压在锁相环旋转坐标系下对应电压分量为:
当锁相环跟踪上电网电压矢量时,θ = θ',即ud= Um,uq= 0; 因此,只要通过调节锁相环旋转速度,使得uq= 0,即可实现对电网电压相位跟踪锁定。
由图5( c) 可得锁相环闭环传递函数为:
式中,ωn为自然频率; ξ 为阻尼比。
为保证系统的鲁棒性,取阻尼比 ξ 为0. 707,并取二阶系统上升时间tr( tr≈1. 8 /ωn) 10ms,即 ωn=100rad / s,电网电压幅值Um为310V。则可求得:
3. 3 功率协调控制策略
基于电网电压定向矢量控制的电流环可以近似为一阶惯性环节:
式中,Ts为三相并网逆变器的开关周期; Tic为电流环等效时间常数。
直流母线电压环控制结构图如图6 所示。
图6 中,GV 1( s) 为直流母线电压环调节延时,Tv为延时时间常数; GV 2( s) 为直流母线电压PI控制器,GV 3( s) 为直流母线电容等效模型。
将电压调节延时时间常数Tv与电流内环等效小时间常数3Ts合并,即Tev= Tv+ 3Ts,可得电压环开环传递函数:
在电压环调节器设计时,主要考虑其抗扰性能,故可按照典型II型系统设计电压调节器,工程上一般取中频宽hv= Tv/ Tev= 5,代入式( 8) 计算得电压环PI调节器参数为:
图7 为直流模块式光伏系统功率协调控制结构框图,图中各个光伏阵列输出功率Ppv1、Ppv2、Ppv3随光照和温度等外界环境条件的改变而变化,即整个系统的输入功率是波动的,如果集中并网逆变器不能及时通过调整并网电流的大小来消除输入功率波动对系统的影响,整个系统将有可能崩溃。因此,良好的协调控制是保持系统稳定运行的必要前提。
增加功率前馈协调控制,将光伏输入功率的变化信息通过功率前馈环节与直流母线电压外环共同作用调节并网电流,这样就建立了系统光伏输入功率与集中并网逆变器输出功率的直接联系,提高了系统对不确定性光伏功率的响应速度,增强了系统稳定性。
依据瞬时功率理论,可以得到三相并网逆变器的瞬时有功功率p和无功功率q在两相旋转dq坐标系中为:
式中,ed、eq分别为电网电压矢量在d、q轴的电压分量; id、iq分别为并网电流矢量的d、q轴的电流分量。
当并网电流内环采用电压矢量定向的控制策略时,则eq= 0,将其代入式( 10) 得:
一般光伏并网发电系统均要求单位功率因数运行,要求q轴电流分量iq为零。因此,功率前馈控制环节的输出控制量if可以按式( 12) 计算获得。令:
3. 4 直流模块参数设计
直流模块输入电压180 ~ 480V,输出电压680V,功率5k W,根据系统要求,选择Boost变换器作为直流模块主电路拓扑,设计开关频率20k Hz。
Boost主电路中电感、输入电容、输出电容可根据式( 13) 计算获得:
式中,Umpp为光伏阵列最大功率点电压; D为最大功率点时占空比; ΔIL为允许电流纹波; fs为开关频率;ΔUin为允许输入电压纹波; ΔUout为允许输出电压纹波; Pmpp为最大功率点功率; Vout为输出电压。
4 实验结果
本文根据上述理论分析,设计了一台15k W直流模块式并网控制系统,实验样机如图8 所示,其中直流模块由3 套5k W Boost变换器构成。具体参数为: 直流模块中电感LBoost= 3. 5m H,输入电容Cin=110μF,输出电容Cout= 340μF,开关频率fs1=20k Hz,集中逆变器并网电感Ls= 5m H,开关频率fs2= 6. 4k Hz。
图9( a) 为锁相环控制器波形,图中锁相环输出相位完全跟踪上电网相位; 图9( b) 为电流环控制器给定电流从3A突变至5A时,实际并网电流能够立刻跟踪上给定电流的变化; 图9( c) 、图9( d) 为输入功能变化时直流母线电压和并网电流,在外界环境改变而引起系统输入功率变化时,系统通过功率协调控制方法能够快速调节输出功率的大小,维持直流母线电压的恒定。
5 结论
本文研究并设计的直流模块式光伏并网控制系统,增强了系统灵活性及冗余性,减小了功率器件应力,实验结果证明了所建立的并网逆变控制器数学模型及相应参数设计方法的正确性,该方案为新能源发电系统的建设提供了一定参考价值。
摘要：在分析共直流母线并网系统的基础上,研究并设计一种直流模块式光伏并网控制系统,采用前级共直流母线的直流并联模块,后级集中并网逆变的结构,提高系统可靠性及灵活性,减小功率器件应力,增强系统冗余性,重点介绍了并网逆变控制器的数学模型及相应控制器设计方法。最后,设计一台实验样机进行实验研究,实验结果验证了方案的可行性及控制器设计方法的正确性。
光伏发电并网运行应用的研究 第11篇
太阳能发电是传统发电形式的补充形式，但是，太阳能发电其优势要远远超出传统发电，太阳能属于可再生能源，清洁无污染，在保护自然环境、维护生态平衡中发挥着至关重要的作用。我国目前正在加大对光伏发电并网运行的支持力度。众所周知，光伏发电，可以灵活选择功率，维护工作也非常简单，拆卸也更加方便，光伏发电系统的应用领域不断得到拓展。我们当前需要的是正视光伏发电并网运行应用中存在的问题，并且及时改善和优化控制策略，全面提升光伏发电并网运行的稳定性。以下是我结合自己的工作实践，提出自己的几点拙见。
关于光伏发电并网运行的分析
光伏发电得以并网运行，是需要必要条件的，那就是必须要保证逆变器所输出的电流相位、频率和整个电网电压的相位、频率是有着高度的一致性的。在现阶段的光伏发电系统中，并网形式主要有两种：一是分散式的光伏发电并网运行形式，二是集中式的光伏发电并网运行形式。我将就集中式的光伏发电并网运行形式进行深入的分析：
之所以单独提出集中式的光伏发电并网运行形式，其原因就在于这种并网形式有着一个非常重要的优势，它能够直接将电能传送到大电网当中，而且还可以根据大电网的调度来传输和使用电能。大电网和集中式光伏发电，二者之间是单向的电能传输，其原理是将逆变器380v交流电连接到升压之前的母线之上，在此基础上升压入电网，这样整个系统的升压比为0.4/10.5kv，集中式光伏发电并网运行系统的应用范围是比较大或者大型的电站并网上面。
光伏发电并网运行系统的发电量
电池的安装方向。通常情况下，电池的朝向不同，发电量也会存在着不同，我建议，将光伏电池安装在向南倾斜纬度角的位置上面，其他位置的发电量都会存在着不同程度的减少。
电池升温。经过科学的研究表明，光伏电池一般由晶体硅构成，以27度为基础，每上升1度，功率就会损失5%左右，所以，我们必须要将光伏电池的通风问题考虑到位，切忌因为温度的问题而降低了光伏电池的发电功率。
辐射量。众所周知，太阳光子的分布是存在着非常大的不确定型的，这就会产生一个非常严重的现象，那就是在不同的时间段，光伏发电系统当中的光伏电池组所接受的太阳辐射是不同的，这对于我们的工作来说是一个非常大的阻碍因素，我们必须要严格根据光伏电池组的倾斜角度，再配合气象台提供的水平面上的辐射量来进行科学的估算，但是，其精准性还是难以得到有效的把控。
光伏发电并网运行在实际的应用过程中出现的问题分析
谐波。光伏发电的并网逆变器在电能的转化过程中会产生非常大量的谐波，这就要求我们在其技术的实际应用过程中必须要进行科学合理的监测，这样做的目的在于此系统在运行过程中能够控制好畸变率，在光伏发电并网运行的过程中，一旦将直流电并入到电网，可能其产生的畸变率还处于国家电网标准中所规定的允许范围，但是，我们需要注意的是电压在变入电流时会因为接入点的原因而产生非常多的谐波，渐渐地，畸变率越来越高，最终超出电网标准规定中的上限，因此，我们在使用该项技术时必须要做好监测工作。
电压波動。我们都知道，光照强度是影响光伏发电系统的输出功率的重要因素，不同季节、不同天气下光照强度是完全不同的，因此，必然会产生光伏发电输出功率不稳定的现象。在我国电网的相关技术原则中，有着非常明确的规定，一定要充分考虑清楚从电网中瞬间脱离会对系统电压产生什么样的影响，这必然会直接影响到光伏发电并网运行系统的使用周期、安全性能以及稳定性能。
影响到电网的控制。光伏电网有着非常显著的不稳定性，在配电网中接入光伏发电系统之后，电网中的电源点数必然会增加很多，但是这些电源点并不是均匀分布其中的，相反，它们会非常分散地分布其中，这就会大大增加协调和控制电源的难度，一些常规的电压和无功补偿方式很难再适用其中，所以，当光伏发电系统大规模地进入到配电网之后，对于配电网的整体控制能力来说会是一个非常大威胁因素。
如何全面提升光伏发电并网运行的发电效率
首先，纵观我国目前的发展情况，在我国太阳比较充足的城市和地区，太阳能光伏发电已经得到了非常广泛的引用，但是，对于我国而言，太阳能光伏发电项目还属于一个新兴产业，这也就意味着我们必须要为此投入更多的时间、精力、财力和人力，专门去研究关于太阳能电池板的新材料，借助太阳能电池板来推动光伏发电效率的提升。
然后，在投入资源的基础上，我们还需要继续加大太阳能电池板本身阵列的优化研究力度，从太阳能电池板本身着手来提高太阳能光伏发电系统的发电效率。
最后，我们必须要高度重视起此项目的重要价值和意义，加大推广力度，更加积极地投入到光伏发电并网运行技术的研究工作当中，为我国光伏发电事业贡献自己的一份力量。
并网设计 第12篇
能源是我们生活的物资基础, 在满足能源需要, 又不影响环境的前提下, 人类在采取各种措施提高能源的利用率, 对能源结构进行改善, 充分利用清洁能源。在我们国家清洁能源发电发展非常慢, 相关技术有待改进, 建设规模不大, 但我国具有丰富的天然资源优势和巨大的市场需求空间, 为我国清洁能源的发展打下了基础。在国家相关政策扶持下, 清洁能源的利用已经成为了关注的焦点, 有待解决的问题越来越多, 发展空间巨大。风能, 太阳能和潮汐能都是清洁能源, 但它们又是一种随机性和间歇性能源, 因此由太阳能发电系统, 风能发电系统和潮汐能发电系统等组成的微型电网, 在并网时会因它的随机性和间歇性的特点给电网带来冲击, , 成为了微网并网发展的瓶颈, 要解决这个问题, 可以利用储能方式来解决。把储能系统运用到微电网中, 利用它在动态情况下储存能量, 在适当时候释放所储存的能量, 改善风电场输出功率的可控性, 这是我们至今在用的一种方法, 能够有效的弥补风电的间歇性和随机性特点。但是储能少, 储能不可移植问题一直没有解决。
本文利用弹簧特性材料和弹簧机构的特点, 即当其弹性材料产生形变后, 能够把机械能变成回形变或者把回形变变成机械能, 正是基于弹簧这一特性来进行研究, 在原有的机构上改进弹性储能机构, 改变原来的弹性储能机构储能少, 所储能量不可移植性问题。
1 储能装置的结构及其工作原理
1.1 储能装置的结构
储能结构由电机、联轴器、转筒、棘轮结构和带有斜面的底座 (如图1所示) 组成, 这些已在储能装置的结构图2中画出, 在装置中还包含有自动控制系统, 自动分离系统装在储能装置的电机处, 用来分离已储满能量的弹簧结构, 分离状态如图3所示。
1.2 储能装置工作原理
该储能装置的转筒中含有四个涡卷弹簧结构 (如图4所示) , 在本文中把单个涡卷弹簧结构叫做能量子弹, 它的每个能量子弹的储能机理和传统的单发条是一样的, 都是利用钢条的弹性进行储能, 通过电动机带动轴的转动, 使缠绕在轴上的发条发生形变从而进行旋转储能。
转筒里含有的每个涡卷弹簧结构及其相关控制装置组成一个子系统, 每个子系统都是一个能量子弹储能装置, 当把它们装进去时, 它们处于非工作状态 (如图2所示) , 棘轮限制了它们的旋转, 此时既不能进行储能也不能进行释放能量。通过进步电机带动外筒转动, 随着底座斜面高度的变化 (斜面底座如上图1) , 使得处在底座最低处的子系统脱离棘轮的束缚, 该子系统的轴突出, 与电动机通过联轴器联合, 然后在电动机的转动下进行储能。当这个储能完成时, 相应的的力感应装置测到力达到最大值时会把信号传回控制器控制相应的进步电机带动下一个子系统进入相应的储能位置, 这里只进行相应的技术阐述, 不做具体的结构设计。在下一个未储满能量的子系统进入时, 上一个储满能量的子系统在端部的弹簧的作用下回缩。端部弹簧的伸缩状态如图5所示。
如果有无限多的能量子弹的话, 我们可以在无限储能模式下储能, 不断的从B处 (图2所示) 拿出储满的能量子弹, 取出的能量子弹将在控制系统的控制下拿到相应的储存室进行存储, 然后放入未储满的子弹就可以无限储存能量。储能装置中储能弹簧的选择时最重要的, 他决定储能的多少。
2 储能装置中弹簧的选择及其弹簧结构力学仿真分析
2.1 弹簧的选择
弹簧的类型很多, 按外形可以区别为三种:螺旋型弹簧、板型弹簧和特种型弹簧等, 但对于螺旋型弹簧分成三种, 他们分别是压缩型螺旋弹簧、拉伸型螺旋弹簧和扭转型螺旋。弹性储能机构以平面涡卷弹簧来进行储能, 平面涡卷弹簧是常用弹性工具, 它受到不同的力时形变就不一样, 可以将不同的能量转化为形变能储存在弹簧里面, 力放开后弹簧回到原来状态, 又能将变形能转化为机械能或其它形式的能量。
我们选择弹簧时, 我们第一要注意弹簧的特性, 即受力大小和产生弹性变化量的大小间的联系, 受力大小E除以角度变化量G就是弹簧的储能强度D, 弹簧的特性曲线分为直线型、渐增型和渐减型。就平面涡卷弹簧来说, 在受到外力时弹簧有段不能储能, 这种情形的曲线就称为直线曲线, 当外力不断的加大, 弹簧内部相互摩擦, 它的曲线就叫做渐增曲线, 就能量的加载大小区别, 我们需要储存大的能量, 因此我们对弹簧承受力的程度大小有要求, 所以我们要用渐增曲线型的弹簧, 也就是当受力大小的增加, 它刚度也不断的增大, 考虑到本储能装置本身的特点和平面涡轮它的的弹簧特点, 本储能机构选择平面涡卷弹簧作为弹性储能装置的储能元件。具体涡卷弹簧结构如下图6所示。
2.2 弹簧结构力学仿真分析
由于ADAMS软件的分析数量有限, 而且储能装置的形状复杂, 不能直接进行仿真, 所以很难模拟仿真。只能对弹簧结构进行力学仿真, 最通过弹簧形变与能量间模型进行推算, 从而初步评价该系统的设计的效果。首先对3圈、5圈的弹簧进行了动力学分析, 然后由此得出28圈弹簧的刚度曲线。
首先使用Pro/E wildfire 4.0对弹簧进行实体建模, 分别建立了3圈弹簧和5圈弹簧的实体模型, 该模型包括弹簧芯轴、弹簧盒:和弹簧三部分。用ADAMS进行仿真测试, 通过后面的图形曲线可以观察到弹簧受力后变形情况, 弹簧受的力大小情况不同, 变化的曲线就不一样, 应力的分布情况也随着被旋紧圈数的不同而变化, 如图7和图8分别表示的是3圈弹簧和5圈弹簧在仿真过程中, 弹簧的部分变形图。图9和图10分别为通过仿真得到的3圈弹簧和5圈弹簧的刚度曲线图。
由图9中曲线和图10中曲线可以看出, 当弹簧得到力矩的作用, 开始卷紧时候, 随着卷紧圈数矩也越来越大, 但由于弹簧存在空转, 弹簧空转的圈数也在增加, 弹簧刚度曲线的直线段斜率在逐渐变小, 再由弹簧的储能计算公式为U=T￠, 通过U=T￠可以把扭力的两个曲线相加, 就可以画出能量曲线, 如图11和图12所示, 图11和图12分别为3圈弹簧和5圈弹簧的储能曲线图, 曲线1代表的弹簧变化角度趋势, 曲线2代表的是弹簧扭力的变化趋势, 根据弹簧的储能公式U=T￠合成得到, 即曲线1和曲线2的相乘叠加, 其中, 横坐标表示弹簧的旋转角度, 纵坐标表示弹簧所储存的能量, 单位为N·mm.r。
从上面的图可以看出, 弹簧刚刚开始就承载大的力, 而且就有能量储存, 当弹簧受力不断加大。能量也储存的越来越大, 所以可以推断弹簧的储能曲线的变化趋势类似与图11和图12所示弹簧的储能曲线。
由上面得到了其在施加一个恒定角速度情况下的弹簧刚度曲线及其储能曲线, 下面我们对弹性储能装置的弹簧储能进行计算, 计算如下:
式中K为涡簧的刚度。
当弹簧末端固定不动, 固定在A上, A点到弹簧末端长度为r, 在轴上力的大小为T1时, A点将会有T大小的力, 相交点的力为P, 外部向力大小为P。沿弹簧长度s取无限小的ds弹簧单元体, 则此单元内的弹簧变形能d U为:
在下式中, E表示弹性材料的模量;I表示为惯性矩, T表示为轴上的牛力大小。弹簧的最大长度为1时, 可以得到下式U为:
当轴上用T大小的力时, 弹簧内部受力均匀, 跟轴受的力一样大, 根据力学中的卡式定理:变形能对任一外力P的偏导数, 等于P作用点沿弹簧P方向上的位移δ, 用公式表示:
因此可得弹簧的变形角为:
由公式 (3-1) 、 (3-4) 可得弹簧的扭转刚度为:
此外, 由 (3-3) 、 (3-4) 可得到弹簧储能公式的另一种表达方式:
若用变形圈数n表示变形角的大小, 则φ=2πn, 由此得弹簧的工作圈数为:
根据中华人民共和国机械行业标准[39]JB/T 7366-1994, 选择弹簧截面的宽度b=80mm和厚度h=4mm。在进行弹簧设计时, 一般选择弹黃长度l和弹簧厚度h的比值, 最大不超过15000, 所以该弹簧的极限工作长度为=1653MPa。
己知该弹簧的基本参数和材料特性, 可以确定其所承受的极限转矩Tj为:
所以, 可得到该弹簧的最大输出转矩T2为:
其中, K3是根据固定方式不同选择的系数, 本文选择销式固定。该弹簧所缠绕的芯轴的直径d3可由公式:
确定, 本文选择
放置该弹簧所需的弹簧盒的内径D2为:
当弹簧受载卷紧时, 弹簧圈的外径d2为:
由卷紧时涡簧的外径d2和芯轴直径d1可以确定弹簧在卷紧时候的圈数n2为:
当弹簧卸载松卷时, 弹簧的内径D1为:
由该弹簧的基本参数和其所能承受的最大输出转矩T2可以确定该弹簧的理论工作圈数n为:
由弹簧卷紧时的圈数减去其理论工作圈数可以得到弹簧在自由状态下的圈数n0为:
当弹簧置于弹簧盒内后, 由弹簧盒内径D2和弹簧卸载松卷时弹簧圈的内径D1可以确定该弹簧在未加转矩状态下的圈数n1为:
由此可以得到该弹簧的有效工作转数n有效为:
根据公式 (3-6) 可得弹簧的最大储能U为
功率P为
所以, 弹簧的储能密度p为:
从上面看储能密度比较大, 再假设每个储能弹簧重为30, 又因为储能弹簧的个数在弹簧数量能够提供足够多的情况下, 可以实现储能巨大 (n为弹簧个数) W的值为:
在n为无限的条件下可以实现无限储能。
3 结束语
新型的弹簧储能系统最大的优点就是能实现多级储能, 并且每级储好能后可以以能量子弹的形式分级移出来, 在能量子弹足够多的情况下可以实现无限储能, 所储能量大大增加, 所储能量大, 为解决微电网并网问题打下了基础。移出的能量子弹也可以为电动汽车充电, 只要把能量子弹移到电动汽车上可以让电动汽车边走边充电, 解决电动汽车充电等待时间长的问题。
摘要：设计了一种新型的弹性储能系统, 联合相关的自动控制系统实现自动控制储能与能量的释放。采用了多级发条重复储能, 实现了储能大, 重复利用率高, 避免了传统化学电池的弊端。首次引进了能量子弹的新型储能概念, 并能通过相关的制动控制系统实现了能量子弹与母体间的分离。利用能量子弹解决目前弹性储能系统间不能进行大能量存储以及运输的瓶颈, 为微电网并网稳定性问题的解决打下基础。
关键词：微电网,弹性储能,稳定性
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