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分布式光伏并网对配电网电能质量的研究.docx
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I
分布式光伏并网对配电网电能质量的研究
摘 要:随着世界经济的快速发展和人口的不断增长,能源危机已成为世界各国共同面
临的课题。太阳能是我国使用规模较大、开发技术更成熟的可再生能源,光伏发电系统主
要由光伏模块和光伏逆变器组成,选用光电直接转换方法,利用半导体的光生伏特效应将
太阳能转化为电能。但是由于采用了电力电装置,在光伏并网时对于配电网的电能质量会
产生较大的影响,尤其是谐波问题。
本文的工作围绕分布式光伏电站并网对配电网电能质量的影响进行分析与研究,详细
研究了分布式光伏系统的组成以及各部分工作的基本原理,重点分析了谐波的产生机理,
并提出了无源网络抑制谐波的措施。在 MATLAB/SIMULINK 仿真平台中对光伏发电的原理进
行了仿真,重点对谐波问题进行仿真测试,在 LLCL 的谐波抑制网络下,配电网的谐波问题
能够得到明显改善。
关键词:分布式;光伏发电;谐波抑制;光伏并网
II
目录
摘 要 ........................................................................................................I
Abstract .....................................................................................................I
1 绪论.......................................................................................................1
1.1 研究背景及意义 .............................................................................1
1.2 国内外研究现状 .............................................................................1
1.2.1 国外分布式光伏电站的发展现状..............................................1
1.2.2 国内分布式光伏电站的发展现状..............................................2
1.3 论文主要研究内容..........................................................................2
2 分布式光伏发电系统................................................................................2
2.1 分布式光伏发电系统组成 ................................................................2
2.2 太阳能光伏阵列分析.......................................................................3
2.3 并网逆变器....................................................................................5
3 分布式光伏电站配电网仿真建模及谐波分析 ..............................................7
3.1 MATLAB/SIMULINK 仿真平台 ..........................................................7
3.2 屋顶光伏电站并网建模仿真 .............................................................8
3.2.1 太阳能光伏阵列仿真建模 .......................................................8
3.2.2 Boost 升压单元仿真建模 ........................................................9
3.2.3 光伏系统 MPPT 算法仿真建模 ...............................................10
3.1.4 三相逆变器仿真建模 ............................................................12
3.2 配电网谐波特性分析 .....................................................................14
III
4 分布式光伏电站配电网谐波抑制 .............................................................19
4.1 无源滤波器概述 ...........................................................................19
4.2 LCL 谐波抑制仿真........................................................................20
4.3LLCL 谐振型滤波器介绍 .................................................................22
4.3.1 LLCL 谐振型滤波器介绍........................................................22
4.3.2 LLCL 滤波器的引入 ..............................................................23
4.2.3 LLCL 滤波器的设计 ..............................................................23
5 总 结....................................................................................................28
致 谢.......................................................................................................28
参考文献 .................................................................................................29
1
1 绪论
1.1 研究背景及意义
自上世纪 80 年代以来,全球变暖逐渐引起政府的高度关注。随着全世界范
围内的工业化飞速发展,对于化石能源的使用已经成为了影响气候的主要问题,
受到各国的重视。全球变暖、臭氧层恶化、过渡开采等问题逐渐显露出来,已经
到了不得不认真对待的程度。在经济发展层面上将,化石能源的消耗已经造成了
能源危机,也反过来制约着社会的发展,解决能源危机和生态危机的诉求使人们
积极投身于对于可替代能源的发展。
自然界中存在着许多能够替代化石能源的可再生资源,人们也开始重视这些
绿色能源的开发。可再生能源的优势是不会有枯竭的危险,同时对自然环境是绿
色友好的,不会造成生态破坏。自然界中的太阳能、风能、水能以及地热、潮汐
等能源都属于可再生的资源,对于这些可再生资源的利用便成为影响国家发展的
战略问题。其中太阳能便是最为重要的一种绿色能源,与其他的可再生能源相比,
太阳能的分布更广、不受地域限制,而且很早就有利用太阳能发热的历史。除了
太阳能加热,对于太阳能的更重要的利用就是进行光伏太阳能发电,也就是常说
的光伏发电。光伏发电系统主要由光伏模块和光伏逆变器组成,选用光电直接转
换方法,利用半导体的光生伏特效应将太阳能转化为电能,然后通过逆变器将转
换来的直流电逆变成符合电网要求的交流电再并网,以完成整个发电过程[1]。
分布式光伏的形式灵活多变、因地制宜,目前常见的已经投入使用中的分布
式光伏有光伏路灯照明、农业棚顶光伏、光伏充电桩等等。但在形形色色的分布
式光伏系统中,基于家庭的屋顶、或工业厂房屋顶的光伏电站有着得天独厚的优
势。屋顶光伏电站的实质是分布式的光伏发电系统,基本原理与传统光伏发电系
统并无差别。只是将光伏组件设置在建筑屋顶,占用屋顶面积不需要与建筑材料
相结合,相对于建筑一体化改动成本较低,而且城市建筑屋顶闲置空间较多,可
供开发利用设置光伏系统。
电力系统中对于电能质量要求较高,电能质量的高低也直接影响着用电设备
的安全运行与否。因此电能质量的监测与治理一直是电力系统中的重要工作之一。
而光伏发电因为有并网逆变器等电力电子装置的存在,各种半导体的开关给电网
带来了严重的谐波问题。光伏发电技术,特别是并网型太阳能发电系统必须要消
除谐波污染,采取有力的抑制谐波的措施,使太阳能发电的质量能够满足电力系
统的电能质量要求。对于提高太阳能发电在发电中的比重有着十分积极的作用,
对解决全人类的能源危机问题起到重要作用。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外分布式光伏电站的发展现状
世界光伏产业发展迅速,在国外一些发达国家例如美国、德国、日本等在光
伏发电以及包含屋顶光伏电站建设在内的光伏建筑方面都朝着很好的方向发展,
2
这些国家很早就对将建筑与光伏相结合进行技术研究,并取得了不错的成果。
德国本土的光照资源丰富,但并不是最适合光伏产业发展的国家,总体来看
其光照条件不及我国,但目前德国的光伏技术水平领先于其他国家,在光伏建筑
方面,早在 1991 年德国就率先于建筑业展览中,展示了首个具有光伏电池的建
筑材料光伏幕墙,开启了建筑产能的先河[4]。美国对于光伏发电的研究和工程化
应用同样起步较早、发展成熟度较高。早在 2010 年前后,美国的光伏发电站的
装机总量就超过了 500MW,但大多属于集中式光伏发电站。由于美国大部分地
区属于地广人稀,因此其集中式光伏电站的推广较为容易,所获效益也较高。分
布式的屋顶光伏发电站大规模接入公共电网中,为公共电网提供了重要支持,减
少了传统能源的消耗,增强公共电网稳定性多元化的同时也对环境保护起到了重
要的促进作用。
1.2.2 国内分布式光伏电站的发展现状
近年来,随着国内光伏产业的逐步发展以及对光伏技术水平的深入研究,我
国光伏产业面临着众多机遇与挑战。目前我国光伏产业体制基本健全,并在发展
中不断完善;国家在政策上给予支持,从补贴、市场价格和税收等多个方面协助
光伏产业的发展壮大,并逐渐发展形成相关标准的检测体系。我国的光伏设备制
造行业具有专业性、智能化的生产流程,生产水平在现阶段已处于世界领先地位;
我国的光伏发电规模在不断扩大,仅 2015 年全国总装机容量就增长了 1500 多万
千瓦,累计装机容量位居世界首位,并逐步呈现多元化的发展方向,应用市场开
始复杂化,开始了与多个产业相融合、不断发展创新的新时代;加强了光伏发展
宣传模式,促进民营企业融资力度,进而提高光伏发电在我国的普及度;光伏产
业模式也逐渐从集中式开始向分布式过度,在追求产量的同时尽量提高光伏应用
的灵活性和高效性。
1.3 论文主要研究内容
本文的工作围绕分布式光伏电站对配电网的电能质量进行分析与研究,详细
研究了分布式光伏系统的组成以及各部分工作的基本原理,重点分析了谐波的产
生机理,并提出了无源网络抑制谐波的措施。在 MATLAB/SIMULINK 仿真平台
中对光伏发电的原理进行了仿真,重点对谐波问题进行仿真测试,在 LLCL 的谐
波抑制网络下,配电网的谐波问题能够得到明显改善。
2 分布式光伏发电系统
2.1 分布式光伏发电系统组成
与集中式光伏电站相比,分布式光伏电站布置灵活,形式多样,能够布置在
厂房顶、居家房顶、任何空地等。一般的分布式光伏系统的组成与集中式的光伏
电站组成类似,包括太阳能电池板、光伏汇流箱、并网逆变器等关键组件,完成
太阳能转化为直流电能并逆变接入电网的过程。典型屋顶分布式光伏发电系统的
组成示意图如图 2-1 所示:
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