1 绪论
1.1 课题背景及意义
当前，全世界范围内的供电方式都是典型的集中式供电模式，它以大电网和大机组的互联运行为主要特征，像这种集中发电、远距离输电且以大电网互联运行的系统正在为世界绝大多数电力用户供电[1,2]。而我国常规使用的电力系统也恰是采用的这种供电模式，此种方式已逐渐显示出诸多的弊端和缺陷：
第一，技术的复杂以及安全性不足。众所周知，电网中任何一点的故障都难免会引发连锁故障，继而可能会造成整个电网故障[2]，如 2008 年由于汶川地震而引发的大面积停电事故[3]，2014 年的深圳大停电事故，2005 年的莫斯科大停电事故[4]。这些事故已充分暴露出在突发故障后，传统电力系统应对故障的脆弱性。其中，更为典型的就是 2003年发生在意大利的大面积断电事故，此事故就是因为一根线路的超负荷跳闸，既而引起的多条线路也超负荷跳闸。2006 年欧洲的北部的大断电事故也是由于数条高电压的线路跳闸而引起的[5]。
第二，我国地势的影响。由于我国幅员辽阔，山区众多，某些偏远地区因地质条件和经济条件的限制而无法对输电线路施工既而无法完成供电。
第三，集中形式的供电所凸显出的弊端。集中式供电因不能有效灵活地跟随负荷的变化，因而在出现负荷峰谷时输变电设备的利用率较低，这样会影响经济运行。
第四，我国传统的燃煤发电形式，其释放的污染物也造成了一定程度的环境污染。为了施行国家环保政策，加大对环境保护的力度以及推进节能减排的进程，增加可再生新型能源的发电量在电力系统中的比例成为一个日趋紧迫的任务[6]。
随着现代不断增大的电网规模，超级规模形式的电力系统因其运维的难度高，投入的资金量大，其运行模式的弊病也逐渐显现。与此同时，全球范围内的资源危机和环保危机使可再生新型能源的有效利用成为一种迫切的要求。于是，分布式电源逐步兴盛起来，成为本世纪一个引人注目的动向。自上世纪 80 年代开始，日本及欧洲的一些发达国家都加快了分布式电源的投建及其在大电网中供电量的比重。目前，世界范围内已经安装完成 MW 量级的分布式电源已不低于 300 万个，并且每年以高于八万 MW 的速度增长[7]。一件来自英国电力研科院的报告还指出，到 2010 年，分布式电源发电可以供给世界 1/4 的新增加发电量，并且电力市场中分布式电源所占数额已达到 20%[8]。欧盟也在制定相关措施普及分布式电源的发展，特别注重其与电力系统之间的连接问题，并于 2001 年十二月制定出一个称作 Integration 的纲要，此纲要力求促进发展分布式电源的“资源网络通道”，同时它也是保证欧洲及欧盟各成员国家电力供应的可靠性及安全性的研究纲要[9]。
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1.2 分布式发电技术的研究现状
通常认为的 DG 是指环境友好的，发电功率几千瓦以上几十兆瓦以下、分散式的环保友好的清洁发电装置，为满足特殊用户需求而配置的，它能可靠并高效地发电[13]。国际热电联产机构早在很多年前就曾做出预言，本世纪电力行业的前进方向就是分布式发电技术的发展与革新。英国著名的安德咨询公司曾经也得出过类似带有预测性质的结论：电力工业在近两年发生了本质性变革，基础型离负荷中心距离较远的小型发电厂会逐步被接近负荷中心的清洁、小型的发电形式所取代，这种模式缓和了对架设超远距离输电线路的需求[14]。在近几年，以太阳能、风能、燃料电池以及地热能等为代表的新型、可再生能源正在迅速兴起，并在 DG 中占据越来越多的市场份额[15,16]。
1.2.1 国内研究发展状况
我国的电力系统采用单一的集中互联的方式，电网建设在资源优化配制以及抵御自然灾害等层面的能力相对落后，并且在研发力度和科研水平上较世界某些发达地区还存在一些差距。虽然我国的 DG 技术尚处在起步阶段，但是其发展速度快、势头大，近几年有了长足的发展，上海、天津和四川等地区已率先开展了 DG 系统的相关示例工程建设。在零六年一月颁发了《可再生能源法》后，我国更是加大了对 DG 技术的研究，同时也结合实际状况在偏远山区合理使用分散式发电，高效利用当地资源的同时也节省了投资，体现出巨大的经济价值，DG 技术逐渐蓬勃发展了起来。2007 年，国家发展改革委员会制定了《可再生能源中长期发展纲要》，规划提到逐步加大新型清洁可再生分布式能源所占比重，力求截止至 2030 年可再生的新型分布式电源所发电量占总能耗量比重的 15%[17]。
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2 分布式电源建模及并网设计
当前，随着化石能源的日益枯竭，光伏、风电等可再生能源发电的蓬勃兴起以及国家节能减排进程的推进，分布式发电应运而生并得到快速发展，随着其技术的成熟，成本的降低，它作为电力系统的重要补充，所占比重越来越大，这种发电形式不仅提升了电力系统的安全性和可靠性，而且对能源结构调整和并网管理具有现实意义。然而，它的并网运行也会造成诸多问题，研究其并网势在必行。
2.1 分布式电源数学模型
2.1.1 光伏电池数学模型
光伏电源发电技术具有巨大的经济效益、诸多的社会价值以及丰富的学术研究价值。光伏电源就是内部含有 PN 结，并且在阳光条件下可以实现光电转换的器件。当光照射在半导体上，电池吸收固定波长的光，然后在半导体两端产生电动势，此过程就是光伏效应原理。光伏电池正是利用光伏效应制成，由光激发少数载流子流动产生电子空穴对，通过 PN 结发电。光伏电池在光电转换发出电量的过程中，不发生任何化学反应，在使用的过程中无噪声、无污染的特点，拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。太阳能光伏电池的基本结构是能够进行光电转换的 PN 结，将其做理想化处理，即光强一定时它的输出电流恒定，它的等效电路模型图如图 2.1 所示。
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2.2 并网控制分析
2.2.1 并网控制目的和方式
根据直流侧电源性质不同，传统上把逆变器划分成电流型逆变器以及电压型逆变器两种，电流型逆变器需要在直流端串联大的电感，这样可以对电流起稳定作用，但串联电感后会又影响系统动态响应速度。电压型逆变器中有大电容并联在直流端，可对无功电流提供通路并对直流电压波纹起到抑制作用，是当前使用较多的逆变器。其中，电压型、电流型逆变器示意图如图 2.3 所示。
逆变器输出控制方式中，输出与网压频率和相位相同电压信号的是电压型输出，如果使用这种输出形式，系统等同于两个电压源并联运行，如果电网发生频率扰动，便会对输出电压产生影响，此时可使用锁相控制环节，但加入锁相环节后相应的速度会大大降低。电流型输出的是与网压同频率、同相位的电流信号，网压的微小波动不会影响逆变输出电流的质量，故只需设定输出电流大小并控制其跟踪网压相位即可实现并网运行，这种方式能输出高质量电流，控制效果好并且方法简单，其应用越发广泛。
2.2.2 并网控制目标
光伏电源的并网实际上包含功率点控制以及对输出电流质量的控制，对功率点的控制就是实现光伏电源最大效能输出，对输出电能质量的控制就是控制并网逆变的输出电流波形是标准正弦波，向电网馈送高质量电能。低、高压并网是按电压等级划分的两种并网发电形式。其中，低压并网是在局域网上连接并网逆变器和电力保护装置，配合电网向负载供电，其发电可就地使用，因其系统结构简单、效率高，在住宅区、办公楼等光伏发电系统使用广泛。高压并网经过直交流逆变，经升压后把电能馈送到高压电网，而后电网再把电能统一配送至各用电单位。在实际运用中，依照电流形式划分，存在直流、交流并网两类。交直流变换是直流并网运行方式，其并网简单、技术成熟、可供多样化负载使用。交流并网包含光伏组件和并网逆变器两部分，这种方式是把光伏阵列发出的电能经由并网逆变器将电能直接输送到交流电网或直接为交流负载供电。
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3 最大功率实时跟踪的研究.................................. 16
3.1 太阳能电池的 I-V 特性 .............................. 16
3.2 Boost 电路原理分析.................................. 18
4 并网控制策略的研究.................................. 31
4.1 并网逆变电路分析................................... 31
4.2 并网电流控制算法分析............................. 32
5 仿真分析........................................... 49
5.1 基于改进型增量电导法的仿真验证..................... 49
5.2 基于准 PR 控制器的控制策略仿真验证 ............... 52
5 仿真分析
为验证三四章理论分析的正确性，本章使用 MATLAB/SIMULINK 建模工具，分别对基于优化改进型电导增量法的 MPPT 控制以及基于高效能准 PR 控制器的双闭环控制策略展开仿真验证，验证前文所提控制策略的可行性和正确性。
5.1 基于改进型增量电导法的仿真验证
用建模软件 MATLAB/SIMULINK 搭建两级式分布式电源并网控制仿真模型，其中前级最大功率追踪控制模块分别采用传统变步长增量电导法和本文所提到的优化改进型变步长增量电导法实现控制，仿真模型图如图 5.1 所示。在光伏电池模块中，取 Um=220.8V，Uoc=273.6V，Im=16.3A，Isc=17.6A，优化改进型变步长增量电导法控制算法由 s 函数编写完成，以验证第三章提到的优化改进型增量电导法在外界环节突变时可以快速精确实现最大功率的实时追踪控制，有效兼顾动态性能和稳态精度，设置光照强度 S 在 0.05s 由 1000 kW/m2变化到 500 kW/m2，0.15s 时又变回 1000 kW/m2，以此为基础观察两种控制方法在 MPPT 控制进程中的反应速度和控制精度。
图 5.2 为本文所提的优化改进型变步长增量电导法的功率输出仿真波形图，在图中清晰看出，系统启动速度快，在 3.7ms 就可以达到最大功率，几乎无震荡，控制效果优良。图 5.3 为传统变步长增量电导法输出功率图，系统在启动之初出现明显震荡，启动速度慢，在 25.7ms 时输出功率达到平稳状态。综合比较图 5.2 和图 5.3，明显得出本文所提优化改进型变步长增量电导法响应速度快，提高了系统的效率，验证了本文所提方法的优越性和正确性。
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6 结论
对并网控制环节的控制技术展开深入探讨，建立两级式并网系统仿真模型，并重点对最大功率实时追踪技术及逆变电流输出并网控制技术进行深入研究，通过研究工作得出以下结论：
有效避免了传统变步长增量电导法存在功率震荡、动态响应慢以及控制精度低的弊端，并验证本文所用方法可以有效应对外界光强突变情况以快速精确实现最大功率的实时跟踪控制。
本文所选用的带通式准 PR 控制器控制效果优异，通过控制器博德图看出其在基波频率处增益趋于无穷大，能对正弦信号无静差追踪，具有优异的抗网压干扰能力，稳定性能好，可应用于并网逆变系统中实现逆变输出端的输出控制。
本文所选取的基于双闭环的并网控制方式正确可行，控制效果良好，逆变输出电流可与电网电压保持同频率同相位，响应速度快、稳态精度高，并仿真验证双闭环控制方法的正确性，证明利用此方法可实现向电网馈送高质量电能的目的。
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参考文献（略）
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参考文献（略）