电气工程专业课作业

电气工程专业课作业（中高级职称）

11 独立供电系统与并网发电系统在结构和控制上有哪些不同？

答：光伏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，光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居多，都属于离网型用户。

但是近年来，光伏产业及其市场发生了极大的变化，开始由边远农村地区逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进。太阳能己经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”。

并网光伏发电技术是当今世界光伏发电的趋势，是光伏技术步入大规模发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。与离网运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处。首先，不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由于大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率；再次，省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。

并网光伏发电系统一般由光伏阵列模块、逆变器和控制器三部分组成。逆变器将光伏电池所产生的电能逆变成正弦电流并入电网中；控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网的功率和电流的波形，从而使向电网转送的功率与光伏阵列模块所发的最大电能功率相平衡。控制器一般基于单片机或数字信号处理芯片。

光伏发电系统实现并网运行必须满足：输出电压与电网电压同频同相同幅值，输出电流与电网电压同频同相(功率因数为1)，而且其输出还应满足电网的电能质量要求。这些都依赖于逆变器的有效控制策略。

光伏并网发电系统的控制一般分为两个环节：第一个环节得到系统功率点，既光伏阵列模块工作点；第二个环节完成光伏逆变系统对电网的跟踪。同时，为保证光伏逆变器安全有效地直接工作于并网状态，系统必须具备一定的保护功能和防孤岛效应的检测与控制功能。

12给出常用的并网逆变器的结构，并说明其开关控制策略。

答：有源逆变器是将直流电能转变为交流电能并将电能送给电网的装置，根据控制模式的不同，可将有源逆变器的单元电路分为三种：相位控制逆变器，相移控制逆变器以及pwm逆变器。

表4-1 有源逆变器三种控制方式比较。

通过理论分析及**结果对三种模式的单元电路在网侧功率因数、电流谐波等方面的特性进行了比较，得知相位控制下器件开关频率低，损耗低，但输出电流相位受最小逆变角限制而不能随意调节；电流型相移控制下器件开关频率低，损耗低，输出电流的相位可方便地控制，但输出电流谐波很大；电压型相移控制下器件开关频率低，损耗低，输出电流与负载有关，不易控制；电流型pwm控制下器件开关频率高，损耗高，输出电流相位虽然可控，但谐波非常大；电压型pwm控制下器件开关频率高，损耗高，但输出电流相位可控，谐波含量少，应该是最有使用价值的并网逆变器。

有源逆变器的相位控制是指通过控制晶闸管的触发角使电路处于有源逆变状态，并可跟踪直流侧电压，控制有源逆变器的输出电压。相位控制主要针对晶闸管变流电路，用于直流传动系统的晶闸管变流电路。它可以工作在整流状态，也可工作在有源逆变状态。

相移控制与相位控制原理基本相同，但它是针对全控器件的控制方式。通过控制开关器件的导通与关断，便可控制有源逆变器输出电压及输出电流，控制信号的相位移动直接控制着输出电压或输出电流的相位移动。相移控制可应用于电压型及电流型有源逆变器中，使输出电压或输出电流为方波。

pwm脉宽调制技术（pulse width modulation, pwm），是用一种参考波为调制波，而以n倍于调制波频率的三角波（或锯齿波）为载波进行波形比较，在调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，而宽度正比于调制波的矩形脉冲序列来等效调制波，用开关量对逆变器开关管进行通/断控制。当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制（spwm）技术。本文中的pwm控制即为spwm控制。

13简述并网发电系统包含的控制问题及其解决方案。

答：光伏发电系统实现并网运行必须满足：输出电压与电网电压同频同相同幅值，输出电流与电网电压同频同相(功率因数为1)，而且其输出还应满足电网的电能质量要求。

这些都依赖于逆变器的有效控制策略。光伏并网发电系统的控制一般分为两个环节：第一个环节得到系统功率点，既光伏阵列模块工作点；第二个环节完成光伏逆变系统对电网的跟踪。

同时，为保证光伏逆变器安全有效地直接工作于并网状态，系统必须具备一定的保护功能和防孤岛效应的检测与控制功能。

并网逆变器是将直流侧电能以正弦波电流的方式馈入电网的装置，它是逆变器应用的另一种形式。并网运行的逆变器应用广泛，如在交流电子负载、可再生能源大规模并网发电的场合都需要逆变器并网运行，将系统内的电能回馈至电网中。然而，为了避免质量不好的并网电流对电网造成污染，并网电流的波形质量有严格的要求：

电流为与电网电压同频反相的正弦波，且满足国际电工委员会标准。国际上对并网逆变器馈入电网的电流规定如下：波形为正弦，总谐波畸变率thd小于5%，各次谐波小于3%。

并网逆变器的控制方式分为电压控制和电流控制两种。电压控制相当于将逆变器等效为一个电压源，通过控制使其输出电压相位、频率完全等同于电网电压，幅值跟踪电网电压的幅值，本质相当于将两个电压源并联。但由于市电电压很可能在运行的过程中产生畸变或较大谐波，造成逆变器输出无法准确跟踪电网电压，使控制难度增加。

另外，这种通过控制逆变器输出电压来间接控制并网电流的控制方式也不能使并网电流达到较好的质量。并网逆变器电压控制与电流控制两种方式的结构图如图5-1所示。

图51 并网逆变器控制类型。

对于直接电流控制方式，主要分为滞环控制和三角波控制。滞环控制采用滞环比较器，滞环比较器由于其开关频率与精度之前的矛盾，及高次谐波较多，电磁干扰较大，在实际应用中作用有限。目前应用较广泛的控制方式是三角波控制方式。

并网逆变器使用滤波器的三种结构：l型、lc型与lcl型分别应用于不同场合。在独立运行逆变器及要满足独立、并网双模式运行的逆变器系统，普遍采用lc滤波器。

而在只需进行并网运行的逆变系统中，多采用l型单电感结构和lcl结构两种滤波器形式。

对于采用l型滤波器的并网逆变器，采用电流单环控制即可，但这种结构易受外部干扰影响，如电网电压畸变，因此常将电压前馈控制方式引入其中。另外，在滤波作用相同的情况下，滤波器所选电感值大于其他滤波器方式；采用lc型滤波器的并网逆变器适合采用电流双环的控制方式，系统比较稳定，适用于独立/并网双模式运行；采用lcl型滤波器的并网逆变器系统适合采用电容电流内环的双环控制结构以得到更好的性能。另外，lcl滤波器可以更好的滤除高次谐波，适用于大功率场合。

光伏阵列模块工作点的控制主要有恒电压控制cvt(constant voltage tracking)和最大功率点跟踪mppt(maximum power point tracking)两种方式。

cvt控制是通过将光伏阵列模块端电压稳定于某个值的方法，确定系统功率点。其优点是控制简单，系统稳定性好。但当温度变化较大时，cvt控制方式下的光伏阵列模块工作点将偏离最大功率点。

mppt是当前较广泛采用的光伏阵列模块功率点控制策略。它通过实时改变系统的工作状态，跟踪阵列的最大工作点，从而实现系统的最大功率输出。它是一种自主寻优方式，动态性能较好，但稳定性不如cvt。

其常用方法有”上山”法、干扰观察法、电导增量法等。

现在对mppt的研究集中在简单、高稳定性的控制算法实现上，如最优梯度法、模糊逻辑控制法、神经元网络控制法等，也都取得了较显著的跟踪控制效果。

14 为什么并网逆变器一般都采用滤波电路与电网进行耦合？

答：并网逆变器是将直流侧电能以正弦波电流的方式馈入电网的装置，它是逆变器应用的另一种形式。并网运行的逆变器应用广泛，如在交流电子负载、可再生能源大规模并网发电的场合都需要逆变器并网运行，将系统内的电能回馈至电网中。

然而，为了避免质量不好的并网电流对电网造成污染，并网电流的波形质量有严格的要求：电流为与电网电压同频反相的正弦波，且满足国际电工委员会标准。国际上对并网逆变器馈入电网的电流规定如下：

波形为正弦，总谐波畸变率thd小于5%，各次谐波小于3%。

15 学习了本课程之后，你认为一个理想的太阳能发电系统应该具有什么样的结构和功能？

答：并网光伏发电系统一般由光伏阵列模块、逆变器和控制器三部分组成。逆变器将光伏电池所产生的电能逆变成正弦电流并入电网中；控制器控制光伏电池最大功率点跟踪、控制逆变器并网的功率和电流的波形，从而使向电网转送的功率与光伏阵列模块所发的最大电能功率相平衡。

控制器一般基于单片机或数字信号处理芯片。

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