1.1 论文研究背景和意义
依据地球能源权威部门的推测，以当前地球上储存的资源和开发速度，现有石油、煤炭等化石能源储备量将于 50 年内用尽。中国人均常见资源的可开采量本就远低于世界平均水平，按照目前我国的经济发展增速对化石能源的依赖性，将来对化石能源的需求仍会进一步增加，按照目前经济发展速度，可以估计我国的化石能源将在 40 年之内耗尽。伴随着我国经济发展对资源需求量的逐渐攀升，我们需要尽快开发一次性能源的替代品——可再生能源，从而解决能源危机问题。 长期以来，集中式、大规模发电厂在我国主要以燃煤火电厂为主，其次是水电和核电，其中火电厂发电量占比高达 70%。然而，火电厂在生产过程中不仅耗能严重，还产生硫化物等有害气体；电煤输送给交通运输带来巨大的压力，使得电煤供应的局面紧张；同时，电煤价格一直制约着火力发电厂的发展[1]。在低碳经济与清洁电网理念的带动下，以太阳能、风能等为主的清洁能源在发电技术上得到了广泛的应用。新能源的开发利用不仅能减少能耗、减少碳排放量，同时也是实现经济可持续发展的重要举措。太阳能资源覆盖面广且储备充足，同时太阳能发电易于实现，不包含旋转部件，没有化石能源消耗，不会产生环境污染，运行安静无噪音[2]。因此太阳能发电尽管目前发展规模比不上风力发电，发展速度却比风力发电快。 伴随硅片生产技术的逐步改良、光电转换效率的大幅提升及相关延伸技术的研究，另外世界各地鼓励政策的推动，光能绝对有希望从补充型能源转变为常规型能源。预测到二十一世纪中叶，太阳能发电将变为地球的常规能源，将会成为地球能源结构中的重要一员[3]。
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1.2 光伏发电发展现状
在十九世纪中叶，著名科学家贝克勒尔通过研究证明，光照可以让半导体的不相邻部分形成电位差。这就是著名的“光生伏特效应”。二十世纪中叶，在贝尔实验室，著名科学家恰宾第一次开发出可以使用的单晶硅光伏电池，从而正式将太阳能发电技术投入实用。 因为太阳能得天独厚的优势，在上世纪末，光伏电池的类型越来越多、使用面也逐渐拓宽、生产规模也逐年增长。在本世纪初，全世界范围内已经有十几座大规模光伏发电站，许多大规模联网光伏发电站[6]。本世纪初日本制造的光伏元件占到世界的百分之五十，日本有四家光伏元件生产公司占据世界前十位。德国的新可再生能源法为光电上网价格制定了标准，对太阳能产业的发展产生了极大推动作用，使得除了日本之外德国的光伏发电产业也十分迅猛。上世纪末，光伏元件的生产速度突飞猛进，产量高达 200MW。光伏电池的转换效率也迅速提升至 13%~15%，元件产量每年 1~5MW 增长为 5~25MW，并且还在迅速增长。 2006 年欧盟联合研究中心（JRC）研究指出，直至 2010 年，太阳能行业的年均发展速度都不会低于百分之三十，每年的售出总额也会由本世纪初的七十亿美元升高至三百亿美元，不少传统的光伏制造企业也将扭亏为盈[7]。根据 2011年美国光伏市场调查报告，美国光伏发电总装机容量在该年翻了一番。于 2011年所开展的 1.855GW 光伏发电项目，商业和公共项目是其中最主要的增长部分，高达 800MW、758MW。2005 年到 2016 年全世界光伏发电装机累计容量如图 1.1所示。
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2 光伏发电的理论分析
2.1 光伏电源的数学模型
光伏电源包含许多 P-N 结，用以光电转换。P-N 结的内部电场方向从 N 区到 P 区，当 N 区表面有光照辐射时，在能量充足的情况下，P-N 结表面将会形成电子-空穴对，在势垒电压的推动下电子到达 N 区，空穴留在 P 区，使 N 区具有负极性，P 区具有正极性。这就是所谓的“光生伏特效应”。假如电源的外部存在回路，则光生电流将在该回路中流动，光伏电源将向外界发出功率[41]。图2.1 所示为光伏电源的等效电路图。在图 2.1 中，ISC 为光生电流。在光强不变时，因为光生电流不会受到电源输出变化的影响，因而可以作为恒流源。将负载接入光伏电源的两端，负载两端的电压将反过来对 P-N 结造成影响，进而形成电流，IVD 和光生电流反向。Rs为串联电阻，代表电源中电流所承受的阻碍作用，P-N 结深度、半导体材料的纯度以及接触电阻的大小都会对其产生影响。光伏电源的输出效率会伴随串联电阻及线路损失的增大而变小；Rsh 为旁路电阻，它和泄露电流成反比关系[42]。
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2.2 光伏发电的分类
独立光伏发电一般包括光伏元件、控制装置、蓄电池元件等[44]。如果负载为交流负载，那么应该装设交流逆变装置[45]。独立光伏发电系统可以用于对偏远地区及通信信号进行供电。 独立光伏系统需要用电力电子控制装置在光伏电池元件与储能装置或用户负荷之间进行能量传递，通常要求该控制器具有充放电的功能。假如最终负载是交流电用户，还需要在系统中配备逆变装置，并且不少独立光伏系统另外配置了监控等附加装置。大规模独立光伏发电系统一般都含有母线、若干发电结构和负载，因为太阳能电源和一般的储能设备均为直流型，因此大规模独立光伏系统中使用直流母线较为合适。另外，由于独立光伏发电系统一般直接与用户端相连，在实际中必须考虑防雷接地的问题。当存在负载需求并且光照强度充足，光伏阵列所发出的电能无法到达负载需求。这时负载将彻底消耗光伏阵列发出的电能，不仅如此还需要储能设备向负载补充电能。这时电力系统中的电力电子控制装置将工作于光伏阵列的MPPT 模式，首先要控制的是光伏元件，使其能尽可能利用太阳能；然后要控制储能设备的放电电压及放电电流的大小，要确保储能设备安全。此时这种工作方式说明光伏电源的安装容量不够，满发的情况依然不能满足负载的需求，建议增加光伏发电组件或光伏阵列。
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3 光伏系统孤岛运行控制 ........ 18
3.1 孤岛效应 ..... 18
3.1.1 孤岛效应的发生机理 ..... 18
3.1.2 孤岛效应的充要条件 ..... 19
3.2 孤岛检测方案 ..... 20
4 光伏阵列的 MPPT 控制 ....... 27
4.1 PSCAD/EMTDC 的介绍 .... 27
4.2 MPPT 控制的原理 ...... 27
4.3 MPPT 控制的方法 ...... 30
4.4 开路电压与短路电流的测量 ..... 35
4.5 MPPT 控制的仿真 ...... 37
4.6 本章小结 ..... 42
5 光伏发电的并网控制 .... 44
5.1 光伏电池的仿真模型 ......... 44
5.2 最大功率追踪的设计 ......... 46
5.3 光伏并网的控制策略 ......... 46
5.4 主电路的仿真模型 ..... 52
5.5 本章小结 ..... 55
5 光伏发电的并网控制
目前太阳能光伏发电大都以并网方式运行，光伏电源的接入不论从结构上还是在运行上都会对电力系统产生巨大的影响，例如改变电力系统潮流的大小和方向，使配电网的电压分布发生巨大改变[61]。光伏并网会让配电网受到扰动，进而给系统的电能质量带来很大影响等，所以对光伏发电并网的控制研究很有必要[62]。本章将进行太阳能光伏系统的并网控制仿真，主要分为太阳能电池板系统的建模、基于恒定电压法的 MPPT 控制实现、逆变器控制策略研究和并网系统的建模仿真四部分内容。
5.1 光伏电池的仿真模型
在第二章已经详细介绍过各种光伏发电最大功率点的跟踪技术，并在第四章实现了基于电导增量法的 MPPT 控制仿真，在这里将使用较为简单的恒电压控制法 CVT 来实现最大功率追踪。本设计中使用恒电压控制法实现 MPPT 的原理图如图 5.2 所示。 SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation），即空间矢量脉宽调制，最初来自于三相电动机调速控制系统，该算法以三相正弦电压提供电能之时三相电机的定子理想圆形旋转磁场为基础，通过逆变装置不一样的状态进行合理的转变，以生成 PWM（Pulse Width Modulation）波形，通过得到的磁链矢量对精确磁链圆进行同步跟踪，用磁链圆对逆变装置的运行进行操纵，这该方法的基本原理，也称之为 SVPWM[65]。 三相全控桥通常包括三个半桥，每个半桥含两个开关元件，当三组开关元件工作时会出现 8 类结果，例如 000、111 这两个结果当电机工作时就会产生无效电流电流，因此称之为零矢量；其他六个结果是有效的，整个电压空间被上述六个开关状态平均分成 6 个扇区，电压空间内的所有矢量均可利用上述这八个矢量生成。过程也非常简单，首先将其分解至邻近的两个矢量，基于这 2 个矢量进行表示，且利用作用时间长短来表示每一个基本矢量的作用效果。根据电压矢量以相异的时间比例进行目的电压矢量的构成，就能够确保生成的电压为正弦电压。当变频电机开始工作，电压矢量会不停地发生改变，因此应该对矢量作用时间进行实时计算。为利于软件处理，为了
