太阳能并网发电系统的孤岛效应与防止策略

2025-07-01

摘要

太阳能作为当前人类最理想环保的新能源之一,已经得到人类越来越广泛地应用。而光伏并网逆变器是太阳能并网发电系统中必不可少的设备之一。

光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合公共电网要求的交流电并送入电网的设备。按照不同的标准光伏并网逆变器的拓扑结构分为很多种,本文介绍了一种工频隔离型光伏并网逆变器。

本文详细介绍了该系统的主功率模块、主控制板、辅助电源板等硬件电路的设计原理,元器件的选用及参数的选定,阐述了并网逆变器的各种控制方式,并进行比较。以Tl公司的TMS32OLF2407A芯片为主控芯片,详细介绍了该芯片的功能特点及产生sP侧波的过程,并给出了主要程序的流程图。最后介绍了孤岛效应的危害及几种常见的孤岛检测方法。

关键字:光伏并网逆变器、太阳能电池、电网、SPMW、孤岛效应

第一章绪论

1.1太阳能利用及光伏发电

1.1.1太阳能是人类最理想的新能源

新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。由于常规能源的有限性和环境压力的增加,世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。随着经济的发展、社会的进步,传统能源却面临着急缺枯竭的危险,人们对能源提出的要求也越来越高,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源,生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。广义地说,太阳能包括以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种,则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术,再利用热能进行发电的称为太阳能热发电,也属于这一技术领域;通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术,光电转换

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装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的,因此又称太阳能光伏技术.

太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源,是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦,如果把地球

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表面0.1%的太阳能转为电能,转变率5%,每年发电量可达5.6x1O12千瓦小时,相当于目前世界上能耗的40倍。

当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。截至2002年底,太阳能光伏发电制造能力已达56万KW,实际装机容量近40万KW,组件成本下降到3.5美元/wP。预计,2020年光伏组件

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的价格将下降到1美元/WP以下。目前世界最大的光伏工厂年产36MW,价格为3一4美元/WP。

我国太阳能资源非常丰富,理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。我国地处北半球,南北距离和东西距离都在5000公里以上。在我国广阔的土地上,有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上,西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比,与美国相近,比欧洲、日本优越得多。

在国际光伏市场巨大潜力的推动下,各国的光伏制造业争相投入巨资,扩大生产,以争一席之地。中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比,我国落后于发达国家10一15年,甚至明显落后于印度。我国光伏产业正以每年30%的速度增长,国内光伏电池生产能力已达1OOMW。在国家各部委立项支持下,目前我国实验室光伏电池的效率已达21%,可商业化光伏组件效率达14一巧%,一般商业化电池效率10一13%。目前我国太阳能光伏电池生产成本己大幅下降,太阳能电池的价格逐渐从200年的40

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元/瓦降到2003年的33元/瓦,2004年已经降到27元/瓦。这对国内太阳能市场走向壮大与成熟起到了决定作用,对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。

与此同时,我国其他方面的太阳能开发利用也在蓬勃发展。我国太阳能热水器销售量在2004年己经达到120万平方米,在世界各国排名首位,整个太阳能热水器行业产值超过130亿元人民币,行业正以每年20一30%的高增长率迅猛发展。作为一种有效的节能绿色产品,太阳能光热产品将在建筑供热系统中发挥越来越重要的作用.在众多的供热装置中,太阳能集热板与空气源热泵相结合的装置,具有很强的竞争力。太阳能空调作为近几年新发展起来的太阳能利用方式也已经有了较为成熟的产品,而太阳能照明系统和太阳能灶的应用在部分地区已小有普及。

作为12世纪最有潜力的能源,太阳能产业的发展潜力巨大。太阳能产业是新兴的朝阳行业,再加上良好的政策环境、行业本身的特性,使得太阳能产业具有较高的投资价值和发展潜力。

中华全国工商联合会新能源商会在北京举行的“首届中国能源国际国锋论坛”上发布了《中国新能源产业年度报告》,报告指出,中国将大幅度提高风能、太阳能、生物质能等新能源在整个能源消费中的比例,2050年中国百分之三十以上的能源需求将依靠新能源来满足。2020年中国能源需求总量超过三十亿吨标准煤之后,新能源的战略地位将日益突出。中国新能源发展的战略目标将是:最大限度提高能源供给能力,改善能源结构,实现能源多样化,保障能源供应的安全。

报告还指出:

第一步,在2002年达到新能源发展装机一点二亿千瓦,占全国发电装机总容量的百分之十二。新增商品化新能源三亿吨标准煤。大力推进风力发电、生物质发电、太阳能发电。

第二步,大幅度提高新能源在整个能源消费中的比例,在2005年实现新能源满足能源需求的百分之三十到四十的战略目标。要实现这样的目标需要:风力发电在三十年后发电装机可能超过核电,成为第三大发电电源,2050年后可能超过水电,成为第二大主力发电电源,形成三到五亿千瓦的装机能力。

太阳能作为一种新能源,它与常规能源相比有三大特点:第一:它是人类可以利用的最丰富的能源。据估计,在过去漫长的11亿年中,太阳消耗了它本身能量的2%。今后足以供给地球人类,使用几十亿年,真是取之不尽,用之不竭。

第二:地球上,无论何处都有太阳能,可以就地开发利用,不存在运输问题,尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三:太阳能是一种洁净的能源。在开发利用时,不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音,更不会影响生态平衡。绝对不会造成污染和公害。

太阳能是真正取之不尽、用之不竭的一种新能源。而且太阳能绝对安全、千净,不产生公害也不会威胁人类和破坏环境。所以太阳能被誉为当前人类最理想的新能源。各国政府也都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。

1.1.2太阳能利用的主要形式

太阳能作为可再生能源的一种,则是指太阳能的直接转化和利用。太阳能利用主要有太阳能热利用、太阳能热发电、太阳能光发电等。太阳能热利用又有太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥、太阳能海水淡化、太阳能空调等;通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技郑州大学硕士学位论文第一章绪论术,再利用热能进行发电的称为太阳能热发电;通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术,光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的,因此又称太阳能光伏技术阎。由于太阳能电池无转动部件,简单易用,并可小型化,因此具有巨大的潜在应用前景。多个太阳能电池构成一个组件,而多个组件可串联成一排电池阵列,再将电池阵列并联,就可输出可观的电流同。

1.1.3光伏发电的优势及广阔前景

光伏发电同以往其他电源发电原理完全不同,具有以下特点:①无枯竭危险:②绝对干净(无公害);③不受资源分布地域的限制:④可在用电处就近发电;⑤能源质量高;⑥使用者从感情上容易接受;⑦获取能源花费的时间短。但光伏发电的不足之处是:①照射的能量分布密度小,即要占用巨大面积:②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。所以要使太阳能发电真正达到实用水平,一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本,二是要实现太阳能发电同现在的电网联网即光伏并网发电。

近几年,国际光伏发电迅猛发展。1937年,美国制定了政府级阳光发电计划;1980年正式将光伏发电列入公共电力规划,累计投资8亿多美元;1994年度的财政预算中,光伏发电的预算达780多万美元,比1993年增加了23.4%;1997年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”,美国计划到2010年安装100~300MW太阳电池。日本不甘落后,1997年补贴“屋顶光伏计划”的经费高达920万美元,安装目标是了60MW。印度计划1998一002

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年太阳电池总产量为150MW,其中2002年为50MW。

国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展,光伏发电己由补充能源向替代能源过渡。到目前为止,世界太阳电池年销售量己超过60兆瓦,电池转换效率提高到15%以上,系统造价和发电成本己分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电;在太阳热利用方面,由于技术日趋成熟,应用规模越来越大,仅美国太阳能热水器年销售额就逾10亿美元。

目前,太阳能发电已是世界各国新能源研发的重点。美国、日本、德国等发达国家都已制定了相关的法规,保证进行太阳能发电的利益,鼓励家庭进行太阳能发电。2004年德国太阳能发电的总功率己超过500兆瓦。

煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源,开发利用前景广阔。

太阳能光伏发电应用始于70年代,真正快速发展是在80年代。在1983年一1987年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线,使我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产20千瓦跃到198

年的4.5兆瓦。目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边远偏辟无电地区,年销售约1.1兆瓦,成效显著。

光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点,在我国西部广袭严寒、地形多样和居住分散的现实条件下,有着非常独特的作用。

1.2光伏并网发电的广阔前景

1.2.1并网发电是太阳能光伏利用的未来主流

光伏电池发电有离网和并网两种工作方式。过去,由于太阳电池的生产成本居高不下,所以光伏电池多用于偏远无电地区的中小功率离网用户。但是,太阳能光伏市场近年来发生了很大变化,开始由边远农村地区逐步向并网发电以及和建筑结合的常规发电方向发展,开始由补充能源向替代能源过渡。

1.2.2并网发电系统在国际上的应用

目前,已经有不少发达国家开始实施太阳能光伏发电屋顶计划:日本、德国先后实施了千座和万座光伏屋顶计划。已经完成了数千座太阳能光伏发电的屋顶计划,系统总装机超过了100MW。其中德国的西门子太阳能公司在慕尼黑建成了1MW的世界上最大的太阳能光伏发电屋顶系统。

1997年12月日本京都会议之后,美国副总统格尔和能源部部长分别宣布了“克林顿总统百万屋顶光伏计划”,预计2010年完成。该计划的目的之一是保持和加强美国光伏产业在世界的领先地位和世界市场的支配地位。欧洲也不甘落后,于大致相同的时间宣布百万屋顶计划,以保持和发展欧洲光伏工业在世界上的地位。目前,国外己开发出并网发电专用逆变器及相应的配套组、部件,并网发电技术日趋成熟。

1.2.3我国目前迫切需要发展光伏并网发电系统

尽管我国研制太阳能电池始于一九五八年,中国的光伏技术经过四十年的努力,已具有一定的水平和基础,但是,与世界先进国家相比仍有不小的差距.90年代以前,我国边远地区的光伏发电市场主要由国家扶贫项目和双边或多边援助项目支撑。90年代以来,随着边远地区经济发展和农牧民收入水平的提高,边远地区的光伏发电市场也开始向商业化发展。根据世界银行/全球环境基金可再生能源商业化项目准备研究过程中的资料显示,我国西部地区经营太阳能光伏发电系统的各种公司和团体由80年代的不足10家,发展到1997年底的50多家,其中大多数公司以商业化赢利为目的。这从侧面表明,我国的光伏发电技术已经具有了一定的市场潜力和市场吸引力,但是主要的技术仍来源于国外,其中,太阳能并网发电技术更是刚刚起步。“九五”期间,国家科委开始将太阳能屋顶并网发电系统列入国家科技攻关计划,企业界已经在深圳和北京分别建成了100Kwp、17KWP和7Kwp的光伏发电屋顶系统并成功的实现了并网发电.

我国地域广大,人口众多,正处在经济转轨和发展时期,能源问题突出而紧张;另一方面,有近700万人口生活在无电地区,光伏发电的潜在市场是非常巨大的。同时我国具有丰富的太阳能资源,太阳能并网发电的前景广阔。本课题就是在这样的背景下提出的,目的是开发出安全可靠、经济性好的光伏并网发电系统,为我国的光伏发电事业提供有力的技术支持。

1.3光伏并网逆变器的简介

光伏并网逆变器是将太阳能电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网的设备。按照交流用电负载与直流输入电源的电气隔离元件的工作频率,逆变技术可以分为低频逆变、工频逆变和高频逆变同,而应用于光伏并网的逆变器拓扑结构又有很多种,其中最常用的有:直接耦合并网、高频隔离并网、高频不隔离并网、工频隔离并网等几种,本文介绍的属于工频隔离并网结构。

其基本构成如图1一1所示:

图1一1光伏并网逆变器的基本构成

主要有太阳能电池阵列、直流噪音滤波(Rc滤波)、解耦电容、主功率模块、工频隔离变压器、辅助电源板、DSP控制板等几部分构成。各主要部分的具体功能如下:

太阳能电池阵列

太阳能电池阵列输出18企30伏的直流电,其电流电压输出特性曲线符合一般太阳能电池的输出1/v特性曲线。它作为主功率模块的直流端电源也给辅助电源板提供电源。

直流噪音滤波

直流噪音滤波主要功能为滤除逆变器主回路开关器件在工作时产生的高频噪音和共模干扰,以保证并网逆变器工作时不对电网中其他设备产生不良影响。

解耦电容

为了能够将光伏阵列输出的平稳的直流功率转化为并网所需的交流功率,直流功率和交流功率的变换需要一个耦合环节。这就要求在逆变器中设计一个较大的储能装置,以实现二者之间的解耦。

主功率模块

卞功率模块内部有4个GIBT开关管,组成一个全桥逆变电路。通过DSP微控制器发出SPWM开关信号来控制4个开关管的导通和关断,从而实现将直流逆变成符合电网要求的交流电。

工频隔离变压器

工频隔离变压器的匝数比为1:1.25,频率为50Hz。 辅助电源板

辅助电源板通过一个反激变换器将电池电压转化为+5v,一5V,+l5v,一15v等系统工作所需电源。 DSP控制板

DsP控制芯片处理所采集的信号,发出相应的SPwM控制信号同时还进行孤岛检测等。 1.4本课题所做的主要工作

本课题主要完成了光伏并网逆变器整个系统的硬件电路设计和系统的软件控制算法。其中硬件电路主要包括:主功率逆变电路、辅助电源电路、DSP主控制电路及通讯和接口几大部分。软件部分主要包括:采用电压源输入电流源输出的控制方式,结合使用软件锁相环实现与电网同频同相的交流输出、孤岛保护等。


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