1.1 引言
目前,煤、石油、天然气等传统能源过度开采利用,引发了一系列环境问题,如雾霾、沙尘暴、龙卷风、地震、水资源枯竭、水土流失等。人与自然之间的矛盾日益突出,各种疾病频发,如埃博拉病毒、甲流、禽流感等,让人防不胜防。这些问题证实,过去的开展模式是高能耗型、重污染型。如今,人类不得不走绿低碳环保道路[1]。 解决能源问题有两大途径。一种是节能减排,提高能源利用效率,从而减少现有能源开采量。这要求科技界、工业界、生产商等积极努力地改善相关领域开展模式,研究科技含量更高的自动化、智能化产品。另一个途径是积极探索和使用新能源,增大绿能源在现有能源构造所占的比例[2]。如太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能等新型可再生能源已经引起了普遍关注,积极研究这些新能源的利用形式、方法是大势所趋。 电能与人类的生产活动密切相关,是人们所熟知的二次能源,也是其它能源的最终转化归宿。如火电厂、水电站、核电站等都是将其它形式的能源转化为电能,再供给人们直接使用。新型可再生能源的利用也不例外,最终均转化为电能。其中,光伏发电是最具代表性、开展最快的新能源利用形式。除此之外,还有风力发电、地热发电、生物质能发 电等。与传统能源发电相比,新能源发电具有环保、可再生等优点;但是新能源自身具有随机性、间歇性、波动性等缺点,导致新能源发电系统不稳定、控制复杂。为此,相关学者提出微电网构造,将多种分布式电源联合在一起,形成一个容量大、稳定性好、输出电能质量高的可控单元,它既可以独立运行,也可以纳入大电网。光伏发电系统是交流微电网的一个根本单元,研究光伏发电系统显得尤为重要[3]。
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1.2 光伏发电系统实验简介
光伏发电系统实验的主要内容有单晶硅电池组件、多晶硅电池组件、薄膜电池组件的 IV 曲线、PV 曲线测量;离网逆变实验;并网逆变实验;不同材料光伏电池的电特性测试;光伏发电系统功率测量实验等。其中,光伏电池(包括单晶硅电池、多晶硅电池、薄膜电池)组件的 IV、PV 曲线测量原理图如图 1.1 所示。 光照由 12 只 500W 卤钨灯提供,通过控制卤钨灯的个数,可以改变光照强度。光伏电池组件输出端串联二极管 D 用于防止电流反向流动,起到保护光伏组件的作用。可变电阻箱能够提供一系列不同阻值电阻。在一定光照条件下,改变可变电阻箱阻值,并测试不同阻值下光伏组件端电压 Upv和输出电流 Ipv,从而得到一系列( Upv, Ipv)点,再拟合成 IV 曲线。PV 曲线根据 IV 曲线得到。可变电阻箱用于光伏组件 IV、PV 曲线测试,存在以下问题: (1)可变电阻箱只能提供个数有限的单点阻值,因而测得的(Upv,Ipv)点有限,拟合的 IV、PV 曲线准确度有限。 (2)测试过程中,光伏组件输出的大局部能量以热能的形式耗散,不仅造成了能源浪费,而且会使实验环境温度升高,温度升高进一步导致电阻值发生变化,光伏组件输出功率受到影响,从而造成测试结果不准确。特别地,当光伏组件额定输出功率较大时,可变电阻箱的实用性更差。
下变频器
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2 系统总体方案设计
由绪论局部可知,光伏发电系统实验中既要测试光伏组件伏安特性,又要测试单相离网逆变器输出特性、转化效率。其中,光伏组件为直流源;单相离网逆变器为交流源。如果用能馈型模拟负载代替目前使用的可变电阻箱、单相交流负载箱,那么该能馈型模拟负载必需具有通用性,即它可以测试直流源,也可以测试单相交流源。 能馈型模拟负载要实现通用性,一种方案是将前级负载模拟器通用化,即同一个负载模拟器通过不同控制方式或接入方式,实现交流源、直流源均可测,其根本思路可用图 2.1 所示框图表示。
2.1 主电路拓扑
离网逆变器最大输出有功功率为 270W。整个系统有功功率不超过 870W,留一定裕量,系统额定功率按 1kW 计算。单相并网逆变器直流侧母线电压控制在 400V,如果采用图 2.1 所示的构造,测试光伏组件时,Boost 变换器需要将 35.2V 电压升高到 400V,其功率开关占空比为 0.91,实际中很难实现。对于 Boost 变换器,功率开关占空比一般在 0.2~0.85,占空比过大,变换器将失去升压功能。因此,图 2.1 所示交直流通用能馈型模拟负载构造不可取,选择图 2.2 所示构造。 直流负载模拟通过 DC/DC 变换器实现。DC/DC 变换器包括隔离型和非隔离型,常用非隔离型 DC/DC 变换器有 Buck、Boost、单管级联 Boost、多电压 Boost、DoubleBoos、新型 Boost、BuckBoost、Cuk、Zeta、Sepic 等;隔离型 DC/DC 变换器有推挽式、全桥式等。选择 DC/DC 变换器时,首先考虑升压或降压比能否满足实际要求,典型 DC/DC变换器升/降压比方表 2.2 所示[13]。 多孔管
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2.2 控制方法
电力安全性评价
灯头量规
由能馈型模拟负载根本原理可知,其主要控制变量有被测试电源输出电流 ix、直流侧母线电压 Udc、并网电流 is,如图 2.12 所示。前级负载模拟控制器主要控制 ux输出电流 ix,使其准确跟踪参考电流 ixref,从而使被测试电源输出输出电流完全可控;后级能量回馈控制器控制并网电流 is,使其与电网电压同频同相,并稳定直流母线电压 Udc,使整个系统处于功率平衡状态。由绪论 1.3.4 可知,常用电流跟踪控制技术有电流单闭环 PI 控制、滞环比较控制等,具体构造见图 1.20 和图 1.21。参数整定是 PID 控制器实际应用中的主要问题,KP、TI、TD没有固定数学计算公式。实际应用时,根据经历现场调试,其主要原因是许多被控对象数学模型难以准确建立。单相全桥变换器采用正弦波脉冲宽度调制(SPWM),即利用正弦波作为调制波、三角波作为载波控制开关通断,如图 2.14(b)所示。具体调制方式有双极性调制、单极性调制、单极性倍频调制等[17]。双极性调制时,全桥变换器对角功率开关状态一致,两组对角功率开关轮流导通,有两条电流通路.
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