單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　題目單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　能源是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在當(dāng)今能源緊缺的時(shí)代背景下，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的研究具有非常重要的戰(zhàn)略意義。本文從單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，重點(diǎn)分析了

2、Boost升壓電路和單相全橋逆變電路。以及對(duì)可調(diào)度和不可調(diào)度方式的闡述。</p><p>　　本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)了Boost升壓電路的控制電路，即最大功率跟蹤（MPPT）的設(shè)計(jì)。介紹了光伏電池的特性，為后面的仿真做好基礎(chǔ)。對(duì)于MPPT分析了電導(dǎo)增量法和擾動(dòng)觀察法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用擾動(dòng)觀察法。</p><p>　　其次是后級(jí)并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)。分別對(duì)逆變部分進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對(duì)逆變器的控制方法，電流滯

3、環(huán)控制，SPWM電流控制，以及電壓外環(huán)控制，鎖相環(huán)技術(shù)，濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析。</p><p>　　最后是整個(gè)系統(tǒng)仿真。由前面的分析得到前級(jí)帶MPPT的Boost電路仿真模型及波形圖，建立了后級(jí)的DC/AC并網(wǎng)的Matlab模型及結(jié)果。最后運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)，得到較好的并網(wǎng)效果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗喙夥⒕W(wǎng)設(shè)計(jì)；最大功率跟蹤；擾動(dòng)觀察法；單相全橋逆變電路</p>

4、<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Energy is the national economic development and the important material basis for human survival and development. In today's energy shortage era background,

5、 the study of solar photovoltaic power generation has a very important strategic significance. In this paper, the main circuit structure of single-phase photovoltaic grid connected system is analyzed, and the Boost boost

6、 circuit and single-phase full bridge inverter circuit are analyzed in this paper. As well as the scheduling and non scheduli</p><p>　　In this paper, we focus on the design of the control circuit of Boost bo

7、ost circuit, which is the maximum power tracking (MPPT) design. This paper introduces the characteristics of photovoltaic cells, which is the basis of the simulation. The advantages and disadvantages of the conductance i

8、ncrement method and the disturbance observation method are analyzed, and the disturbance observation method is used in this paper.</p><p>　　Followed by the design of the rear stage grid connected inverter. R

9、espectively, the inverter part is analyzed, focusing on the control method of the inverter, current hysteresis control, SPWM current control, as well as the voltage outer loop control, phase locked loop technology, filte

10、r design are analyzed in detail.</p><p>　　Finally, the whole system simulation. The Boost circuit simulation model and waveform diagram of the pre stage band MPPT are obtained from the front analysis, and th

11、e Matlab model and the result of the DC/AC grid connected with the back stage are established. At last, the whole system is run, and the better result is obtained.</p><p>　　Key Words:Single phase photovoltai

12、c grid connected design;maximum power tracking; disturbance observer; single phase full bridge inverter circuit</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><

13、;p>　　1.1本課題研究的背景及意義1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展1</p><p>　　1.2.2單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度方式2</p><p>　　1.4并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島效應(yīng)

14、4</p><p>　　1.5本文的主要內(nèi)容4</p><p>　　2單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的原理分析5</p><p>　　2.1單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.1.1工頻變壓器隔離方式5</p><p>　　2.1.2高頻變壓器隔離方式5</p><p>

15、;　　2.1.3無(wú)變壓器方式6</p><p>　　2.2系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)6</p><p>　　2.2.1 Boost電路分析7</p><p>　　2.2.2單相全橋逆變電路分析9</p><p>　　3光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤方法研究12</p><p>　　3.1 光伏電池特性分析12</p>

16、;<p>　　3.2太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）策略13</p><p>　　3.2.1 電導(dǎo)增量法14</p><p>　　3.2.2 擾動(dòng)觀察法16</p><p>　　4單相光伏并網(wǎng)逆變器控制方法研究19</p><p>　　4.1并網(wǎng)前后的電流和電壓分析19</p><p>　　

17、4.2逆變器的控制方法19</p><p>　　4.2.1電流滯環(huán)控制方式20</p><p>　　4.2.2 SPWM電流控制法21</p><p>　　4.3電壓前饋環(huán)節(jié)23</p><p>　　4.4電壓外環(huán)控制23</p><p>　　4.5鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)24</p><p>

18、　　4.6濾波器的設(shè)計(jì)25</p><p>　　5仿真模型及結(jié)果27</p><p>　　5.1 DC/DC級(jí)的仿真27</p><p>　　5.2 DC/AC級(jí)的仿真31</p><p>　　5.3單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真31</p><p><b>　　總結(jié)與展望34</b></

19、p><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1本課題研究的背景及意義</p><p>　　在能源枯竭與環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重的今天，光伏

20、利用成為世界各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的熱點(diǎn)，光伏并網(wǎng)發(fā)電作為太陽(yáng)能光伏利用的發(fā)展趨勢(shì)，必將得到快速的發(fā)展。隨著化石能源持續(xù)大量的消耗以及地球生態(tài)環(huán)境的日漸惡化，世界各國(guó)都在積極的尋找一種可持續(xù)發(fā)展且對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)污染的新能源[1]。</p><p>　　因此光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)已成為太陽(yáng)能光電應(yīng)用的主流。所以大力開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電成為必然，而隨之而來(lái)的的是并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。所以以后的發(fā)展方向，在于光伏的發(fā)電和并網(wǎng)上面。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)研究目

21、前需要科研人員，大力開(kāi)發(fā)，降低開(kāi)發(fā)成本。隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源有了更高的追求，需找新能源成了人類的難題。太陽(yáng)能以清潔，環(huán)保，用之不盡等優(yōu)點(diǎn)收到人們的廣泛關(guān)注，全球能源專家一致認(rèn)為太陽(yáng)能將成為21世紀(jì)最重要的能源之一，據(jù)歐洲JRC預(yù)測(cè)，到未來(lái)2100年太陽(yáng)能在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)百分之六十七的份額[2]。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1

22、光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)開(kāi)始于1950年，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為并網(wǎng)系統(tǒng)，離網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)，其中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是家庭和商業(yè)最受歡迎的光伏系統(tǒng)。逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電與地方電網(wǎng)連接。到了晚上可以從電網(wǎng)夠電。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種可持續(xù)的能源代替方式，近年來(lái)得到很大發(fā)展。</p><p>　　1839年法國(guó)科學(xué)家Edmond ecque

23、rel第一次發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)某些特殊材料在陽(yáng)光的照射下能夠產(chǎn)生很小的電流；直到19世紀(jì)70年代，赫茲在固體硒材料上研究了光伏效應(yīng)，很快這種光伏電池便被用作照相器材的測(cè)光裝置；1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們第一次用晶體硅材料制成了光伏電池；始于50年代的空間發(fā)展計(jì)劃成為光伏發(fā)電技術(shù)的第一個(gè)主要應(yīng)用對(duì)象，而且光伏技術(shù)的發(fā)展也成為整個(gè)空間技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的一部分，對(duì)光伏技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用[3]。</p><

24、;p>　　近30年來(lái)，太陽(yáng)能利用在研究開(kāi)發(fā)，商業(yè)化生產(chǎn)方面有很快的發(fā)展，成為世界范圍內(nèi)新興產(chǎn)業(yè)之一。目前為止，國(guó)際上在太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換利用方面，存在著最為普遍的三種方式：光-電轉(zhuǎn)換，光-熱轉(zhuǎn)換和光-化學(xué)轉(zhuǎn)換。其中光-電轉(zhuǎn)換的主要方式，光伏發(fā)電可直接將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換成電能，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染不排放有害氣體、資源分布廣泛且開(kāi)發(fā)容量大。對(duì)電力系統(tǒng)可靠性支持性高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)己成為太陽(yáng)能利用的主要方式。</p><p>　　1

25、.2.2單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)前關(guān)于小容量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究主要集中在如下幾個(gè)方面：</p><p>　　(1)研究如何優(yōu)化光伏陣列布置、光伏模塊串并模擇優(yōu)、光伏主電路參數(shù)設(shè)計(jì)、功率模塊選型、系統(tǒng)成本控制等，在這個(gè)層面上，提出并設(shè)計(jì)了可以自動(dòng)跟蹤實(shí)時(shí)光照變化的光伏陣列，提出了混合光伏陣列，專門研究了光伏主電路降低電感量的方法，介紹了當(dāng)前光伏發(fā)電主流功率模塊

26、型號(hào)及特點(diǎn)，探討了光伏發(fā)電效率定義及相關(guān)提高光伏發(fā)電整體效率的方法等，這些都對(duì)整個(gè)光伏系統(tǒng)的使用壽命、運(yùn)行效率、可靠性等做出了貢獻(xiàn)[4]；</p><p>　　(2)研究光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路拓?fù)湫陆Y(jié)構(gòu)。</p><p>　　除了當(dāng)下通用的無(wú)變壓器直接并網(wǎng)模式外，還有工頻變壓器并網(wǎng)、高頻變壓器并網(wǎng)、Z源阻抗型并網(wǎng)等。針對(duì)當(dāng)前使用最為廣泛的無(wú)變壓器帶升壓電路，直接逆變型式的光伏逆變器，其直流升壓

27、電路通常采用的拓?fù)?，也出現(xiàn)了除經(jīng)典Boost升壓電路，還有諸如羅氏升壓電路，Buck-Boost變換電路、雙向斬波電路等。</p><p>　　(3)在控制策略方面進(jìn)行深入研究。光伏并網(wǎng)控制策略分為兩個(gè)部分。</p><p>　　第一是DC/AC級(jí)的逆變控制。光伏逆變器逆變環(huán)節(jié)的電流無(wú)差拍、電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)的雙PI、模糊積分等控制方法，也都已得到工程實(shí)踐的充分檢驗(yàn)。</p>

28、<p>　　第二是DC/DC級(jí)的光伏最大功率跟蹤(MPPT，Most Power Point Tracking)策略，功率匹配，曲線擬合技術(shù)，擾動(dòng)與觀察法等，電導(dǎo)增量法，功率預(yù)測(cè)法等也都各具優(yōu)點(diǎn)，可以擇優(yōu)選擇。</p><p>　　1.3單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度方式</p><p>　　根據(jù)是否帶有儲(chǔ)能裝置來(lái)分，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)分為可調(diào)度式和不可調(diào)度式兩種，并網(wǎng)方式如圖。圖中電能

29、轉(zhuǎn)換的主電路結(jié)構(gòu)采用的是無(wú)變壓器方式。</p><p>　　(a)不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)</p><p>　　系統(tǒng)通過(guò)DC／DC變換器將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電能斬波成適于光伏逆變的直流電壓后，直接經(jīng)DC／AC變換成與電網(wǎng)頻率一致的交流電能送到電網(wǎng)。當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能超過(guò)本地負(fù)載所需時(shí)，超過(guò)部分送給電網(wǎng)；而產(chǎn)生的電能不足以供本地負(fù)載時(shí)，由電網(wǎng)自動(dòng)向負(fù)載提供補(bǔ)充電能；當(dāng)光伏電池輸出功

30、率低子某值乃至停止時(shí)，通過(guò)運(yùn)行方式的改變，逆變器可繼續(xù)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，而不用解列[5]。</p><p>　　當(dāng)電網(wǎng)故障或維修時(shí)，只要電網(wǎng)失去電壓，逆變器立即停止工作，必須通過(guò)跳閘裝置使逆變器、電網(wǎng)和負(fù)載電氣斷開(kāi)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不再向電網(wǎng)和負(fù)載提供電能。一方面是出于對(duì)電網(wǎng)側(cè)檢修人員的安全考慮，在電網(wǎng)失電后，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)必跳閘與電網(wǎng)隔斷開(kāi)；另一方面，在設(shè)計(jì)不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，是基于該系統(tǒng)作為一種節(jié)能裝置，作為電

31、網(wǎng)的有效補(bǔ)充，其功率一般不足以帶全部的本地負(fù)載，如果電網(wǎng)失電后，該裝置不及時(shí)地與負(fù)載斷開(kāi)，則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)負(fù)荷的情況，對(duì)系統(tǒng)本身是極為不利的，有可能引發(fā)電氣火災(zāi)事故[6]。所以電網(wǎng)失電后，不僅是與電網(wǎng)斷開(kāi)，還必需及時(shí)與負(fù)載斷開(kāi)。</p><p><b>　　圖1.1不可調(diào)度式</b></p><p>　?。╞）可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)</p><p>

32、;　　系統(tǒng)帶有蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。因?yàn)樾铍姵氐拇嬖冢⒕W(wǎng)系統(tǒng)可通過(guò)開(kāi)關(guān)切換于多種運(yùn)行方式，整個(gè)系統(tǒng)可起到能量調(diào)節(jié)器，有源濾波器和不問(wèn)斷電源的作用。正常情況下，DC／DC級(jí)不僅向逆變級(jí)電路提供直流電源，同時(shí)還向蓄電池充電。逆變級(jí)將直流電逆變成交流電并入電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加時(shí)，可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行，增加電網(wǎng)電流，由光伏電池和蓄電池共同起調(diào)峰作用。</p><p>　　當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，裝置按優(yōu)先級(jí)別跳閘斷開(kāi)不重要

33、負(fù)載，光伏電池和蓄電池組提供的直流電通過(guò)逆變器為重要負(fù)載供電，起到了不間斷電源(UPS)的作用。作為電網(wǎng)終端的有源無(wú)功補(bǔ)償器，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，亦可抵消有害高次諧波分量以提高電網(wǎng)質(zhì)量[7]。</p><p><b>　　圖1.2可調(diào)度式</b></p><p>　　1.4并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島效應(yīng)</p><p>　　孤島效應(yīng)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中都會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題

34、。指當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)到電網(wǎng)停電狀態(tài)，從而不能及時(shí)切斷和電網(wǎng)的電氣連接，而與本地負(fù)載一起構(gòu)成電力公司無(wú)法控制的一個(gè)供電“孤島”[8]。此現(xiàn)象會(huì)對(duì)維修人員以及用電設(shè)備甚至電網(wǎng)產(chǎn)生很嚴(yán)重的影響。</p><p>　　當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，縱然大部情況通過(guò)被動(dòng)的方法檢測(cè)到，但是負(fù)載和系統(tǒng)完全匹配的時(shí)候時(shí)很容易發(fā)生孤島效應(yīng)。主動(dòng)的檢測(cè)方法一般是通過(guò)定時(shí)改變輸出信號(hào)，來(lái)達(dá)到對(duì)電網(wǎng)的干擾。若電網(wǎng)正常供電時(shí)，干擾不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生

35、明顯的變動(dòng)；若電網(wǎng)斷電時(shí)，定時(shí)干擾會(huì)對(duì)系統(tǒng)輸出端電壓產(chǎn)生影響，通過(guò)監(jiān)控輸出端電壓是否變化，就能判斷電網(wǎng)是否斷電。</p><p>　　1.5本文的主要內(nèi)容</p><p>　　論文研究工作將從光伏系統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)拓?fù)?，光伏并網(wǎng)控制電路的設(shè)計(jì)，仿真模型搭建以及仿真結(jié)果。具體內(nèi)容如下：</p><p>　　第二章研究了單相光伏并網(wǎng)的主電路，以及系

36、統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并詳細(xì)分析了Boost升壓電路和單相全橋電路。</p><p>　　第三章詳細(xì)研究了前級(jí)DC/DC控制電路的設(shè)計(jì)，包括光伏電池特性分析，以及兩種最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的方法對(duì)比。本文選擇擾動(dòng)觀察法。</p><p>　　第四章詳細(xì)研究了后級(jí)DC/AC控制電路的設(shè)計(jì)，逆變部分分析，并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度方式，逆變器的控制方法，電流滯環(huán)控制方式，電壓外環(huán)控制，SPWM電流控制，鎖相環(huán)技術(shù)，濾波器

37、設(shè)計(jì)。</p><p>　　第五章進(jìn)行了仿真模型的建立，對(duì)光伏電池進(jìn)行了Matlab仿真；采用的擾動(dòng)觀察法，實(shí)現(xiàn)MPPT功能，并搭建了Matlab模型；脈沖寬度調(diào)制(PWM)的仿真板塊；逆變環(huán)節(jié)的鎖相環(huán)板塊，PI環(huán)節(jié)板塊等都進(jìn)行了仿真，并達(dá)到預(yù)期的并網(wǎng)效果。</p><p>　　2單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的原理分析</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)升壓電路和逆變電路

38、，連接到電網(wǎng)上并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電日漸成為太陽(yáng)能利用的主要方式之一。但是由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受溫度、光照強(qiáng)度影響明顯,所以光伏陣列不能持續(xù)工作在最大輸出功率點(diǎn)，進(jìn)而降低了能量的轉(zhuǎn)換效率，系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性差，解決問(wèn)題的關(guān)鍵系統(tǒng)是電力電子變換。電力變換環(huán)節(jié)的兩個(gè)功能，第一是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤,第二個(gè)是實(shí)現(xiàn)逆變電路的正弦波輸出和相位控制。</p><p>　　單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要工作是，第

39、一是確定主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文選用使用廣泛的Boost升壓電路和單相全橋逆變電路組成。第二是控制策略的選擇。最大功率跟蹤技術(shù)（MPPT），采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)MPPT，并網(wǎng)控制策略。 </p><p>　　2.1單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)主要有三種，如下列主電路所示。</p><p>　　2.1.1工頻變壓器隔離方式&

40、lt;/p><p>　　工頻變壓器絕緣方式采用的是PWM逆變器產(chǎn)生工頻交流，再利用工頻變壓器進(jìn)行絕緣和進(jìn)行電壓變換。工頻變壓器絕緣方式的主電路將光伏陣列的直流輸出逆變?yōu)榻涣麟姾?，通過(guò)工頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)；其中采用工頻變壓器使輸入和輸出絕緣，主電路和控制電路簡(jiǎn)單；為了追求效率、減少空載損耗，工頻變壓器的工作磁通密度選的比較低，因此質(zhì)量和體積較大，約占逆變器的總質(zhì)量的50%左右，該結(jié)構(gòu)是最早的一種主電路形式，現(xiàn)在它的應(yīng)用

41、已經(jīng)越來(lái)越少[9]。</p><p>　　圖2.1工頻變壓器隔離方式</p><p>　　2.1.2高頻變壓器隔離方式</p><p>　　高頻變壓器絕緣方式的主電路，是由太陽(yáng)能光伏陣列直流輸入，經(jīng)過(guò)高頻逆變器轉(zhuǎn)換成高頻交流電壓，經(jīng)高頻變壓器變換電壓后，再經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)換成直流電，最終經(jīng)過(guò)逆變器輸出工頻交流電。其中采用了高頻的DC/DC變換電路，所以可使裝置小型化、可

42、集成化、重量輕。與工頻變壓器絕緣方式相比，電路的結(jié)構(gòu)，控制方式比較復(fù)雜，因?yàn)榻?jīng)過(guò)兩級(jí)的轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)的效率也有所下降。該結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)90年代比較主流的主電路結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖2.2高頻變壓器隔離方式</p><p>　　2.1.3無(wú)變壓器方式</p><p>　　無(wú)變壓器方式想對(duì)小巧，重量輕，成本低，可靠性高，但是和電網(wǎng)沒(méi)有絕緣。本文采用此種方式。在無(wú)

43、變壓器絕緣方式的主電路中，光伏陣列的直流輸出經(jīng)過(guò)升壓斬波器升壓到適當(dāng)?shù)碾妷褐岛?，再通過(guò)逆變，實(shí)現(xiàn)交流輸出。</p><p>　　其中升壓DC/DC級(jí)部分可以適應(yīng)較寬的直流電壓范圍，有利于光伏陣列實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，同時(shí)也保證了逆變部分輸出電流相對(duì)穩(wěn)定。與變壓器絕緣方式相比，由于無(wú)隔離變壓器的絕緣方式除了具有體積小、質(zhì)量較輕的特點(diǎn)外，還具有效率高、成本較低的特點(diǎn)；盡管沒(méi)有采用變壓器進(jìn)行輸入和輸出絕緣，但是只要采用合適

44、的措施，一樣可保證主電路和控制電路運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。目前無(wú)變壓器方式是主流的并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖2.3無(wú)變壓器方式</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</b></p><p>　　由于單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)一般是無(wú)變壓器方式，主電路結(jié)構(gòu)包括直流升壓電路和單相全橋逆變單元的結(jié)構(gòu)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，集中體現(xiàn)在前級(jí)

45、DC／DC斬波電路不同。</p><p>　　DC／DC斬波電路，又稱DC／DC變換器，可以分為直接變換(無(wú)變壓器)和間接變換(直流電壓變?yōu)榻涣麟妷汉?，?jīng)變壓器升壓再變?yōu)橹绷麟妷?兩種類型。近年來(lái)，隨著諸如IGBT模塊封裝、DSP系統(tǒng)集成、多電平技術(shù)等日趨成熟，從硬件或理論上解決了控制上的難點(diǎn)，而直接轉(zhuǎn)換型DC／DC斬波電路，具有體積小、重量輕、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而成為主流選擇[10]。</p>

46、<p>　　Boost電路升壓得到的電壓，常用于將光伏陣列低直流電壓等效為單相逆變橋直流側(cè)電壓，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，控制方便，可靠性高等優(yōu)勢(shì)。所以得到了廣泛的應(yīng)用。后級(jí)DC/AC的單相全橋逆變電路，對(duì)前級(jí)DC/DC的直流電壓進(jìn)行逆變，使其與電網(wǎng)同頻同相，最后并入電網(wǎng)。</p><p>　　下面對(duì)兩種主電路進(jìn)行分別說(shuō)明。</p><p>　　2.2.1 Boost電路分析&

47、lt;/p><p>　　DC/DC變換電路功能分為，降壓變換電路（Buck Converter），升壓變換電路（Boost Converter），升降變換電路（Boost-Buck Converter），庫(kù)克變換電路（Cuk Converter）。Buck電路工作在斷續(xù)模式下，加入儲(chǔ)能電容后，Buck電路功率開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，光伏電池對(duì)儲(chǔ)能電容充電，使光伏電池一直發(fā)電。但是在大的負(fù)荷情況下，儲(chǔ)能電感一直處于大電流充放電，不

48、能可靠工作，而且儲(chǔ)能電容為電解電容，增大了MPPT的體積。后級(jí)DC/AC級(jí)的輸入電壓不能太低，光伏電池受光照，溫度等影響，Buck電路在降低，逆變級(jí)無(wú)法正常工作。</p><p>　　本系統(tǒng)DC/DC級(jí)采用簡(jiǎn)單實(shí)用的Boost升壓電路。Boost電路始終工作在輸入電流連續(xù)狀態(tài)下，只要輸入電感足夠大，則電感上的紋波電流，小到接近直流電流。</p><p>　　此級(jí)有兩個(gè)功能：一是將光伏陣列的

49、直流電壓升壓后送至后級(jí)逆變環(huán)節(jié)，二是光伏電池功率輸出的非線性，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比達(dá)到最大功率跟蹤。</p><p>　　為了分析Boost斬波電路原理與特性，可將太陽(yáng)能光伏陣列輸出電壓等效為直流電壓源Upv，而將單相全橋逆變部分及其控制電路等效為負(fù)載Z，整個(gè)電路可等效為圖2.4，通過(guò)PWM產(chǎn)生的信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管So的開(kāi)關(guān)斷時(shí)間，進(jìn)而控制電感器件的充放電，由能量守恒定律可知，便可將Upv升壓為Udc。</p>

50、<p>　　圖2.4 Boost電路等效原理圖</p><p>　　假設(shè)Boost電路工作時(shí)電感L足夠大，在保障電流連續(xù)的條件下，電容C足夠大以此來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。So導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，等效電路如下列圖所示，其中電阻RD為二極管導(dǎo)通等效電阻。</p><p>　　圖2.5 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)等效電路圖</p><p>　　(a)當(dāng)So關(guān)斷時(shí)，VD正向?qū)?，Upv和

51、L共同向C充電，并給逆變器負(fù)載Z提供能量，忽略二極管等效電阻RD，則電感電流滿足：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　圖2.6 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)等效電路圖</p><p>　　(b)當(dāng)So導(dǎo)通時(shí)，二極管陽(yáng)極的電位為零，陰極的電位為直流側(cè)電壓，故VD反偏：電容C給負(fù)荷供電，電流Idc為負(fù)值；電壓源Upv對(duì)電感L充電，

52、其充電電流為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　結(jié)合式（2.1）,(2.2)令一個(gè)開(kāi)關(guān)管So開(kāi)關(guān)周期T=Ton+Toff，則電感上電流如下圖2.7所示(其中ILmax，ILmin分別為電感電流上下限值；D=Ton/T為開(kāi)關(guān)管So占空比，改變工作時(shí)D值，可調(diào)整Boost升壓電路的輸出電壓)：</p><p>　

53、　圖2.7 Boost升壓電路電感電流波形圖</p><p>　　根據(jù)電路電流連續(xù)原則，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton內(nèi)電感L電流增加量應(yīng)等于其關(guān)斷時(shí)間Toff內(nèi)L電流減少量，即有：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　解得Udc的表達(dá)式為，確定Boost升壓電路升壓特性滿足：</p><p>&l

54、t;b>　?。?.4）</b></p><p>　　2.2.2單相全橋逆變電路分析</p><p>　　后級(jí)的逆變電路采用單相全橋逆變電路，可以在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。在這一級(jí)將前級(jí)的直流電通過(guò)PWM調(diào)制成與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電并入電網(wǎng)。</p><p>　　單相全橋逆變電路有4個(gè)橋臂，可以看成是由兩個(gè)單相半橋電路組成。把橋臂1和4作為一對(duì)

55、，橋臂2和3作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替?zhèn)€導(dǎo)通。</p><p>　　圖2.8 單相全橋逆變電路</p><p>　　各IGBT柵極信號(hào)為180°正偏，180°反偏，且V1和V2柵極信號(hào)互補(bǔ)，V3和V4柵極信號(hào)互補(bǔ)；V3的基極信號(hào)不是比V1落后180°，而是只落后(0<<180°)也就是說(shuō)，V3和V4的柵極信號(hào)不是分別和V

56、2，V1的柵極信號(hào)同相位，而是前移了180°-[11]。輸出電壓UO就不是正負(fù)各為180°的脈沖，而是正負(fù)各為的脈沖，各IGBT的柵極信號(hào)UG1~UG4及輸出電壓UO，輸出電流io的波形如圖2.9。</p><p>　　圖2.9單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式</p><p>　　設(shè)在t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓UO為Ud，t1時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)反向，V4截止，

57、而因負(fù)載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流。因V1和VD3同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為零；t2時(shí)刻V1和V2柵極信號(hào)反向，V1截止，V2不能立即導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-Ud到負(fù)載電流過(guò)零開(kāi)始反向，VD2和VD3截止，V2和V3開(kāi)始導(dǎo)通，UO仍為-Ud；t3時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)再次反向，V3截止，V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，UO再次為零，輸出電壓UO的正負(fù)脈沖寬度各為θ，改變?chǔ)龋?/p>

58、可調(diào)節(jié)輸出電壓[12]。</p><p>　　通過(guò)對(duì)前級(jí)DC/DC主電路Boost電路分析，以及后級(jí)DC/AC級(jí)主電路單相全橋逆變電路分析確定，為后面的控制電路設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。</p><p>　　3光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤方法研究</p><p>　　通常在工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)開(kāi)始的時(shí)候，第一對(duì)其進(jìn)行仿真模型研究，因此在確定單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，需要進(jìn)一步選擇合適

59、的系統(tǒng)控制方式。其控制主要包括兩個(gè)方面內(nèi)容。</p><p>　　其一是將逆變器直流側(cè)的直流電壓變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻同相的交流電，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)并聯(lián)，后級(jí)DC/AC單相全橋逆變控制策略；其二是將光伏陣列輸出較低直流電壓，通過(guò)Boost電路，升壓來(lái)滿足逆變需求的直流電壓，主要是光伏最大功率跟蹤(MPPT)技術(shù)。</p><p>　　3.1 光伏電池特性分析</p><p>　

60、　由于光伏陣列的最大功率點(diǎn)是一個(gè)變量，在日照強(qiáng)度、溫度等條件變化時(shí)，其輸出功率也在變化。因而要對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，以提高轉(zhuǎn)換效率。光伏電池的基本特性和二極管類似，等效電路如下：</p><p>　　圖3.1 光伏電池的等效電路</p><p>　　在忽略光伏電池內(nèi)部的小串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻后，電流電壓特性可表示為下式：</p><p><

61、b>　　(3.1)</b></p><p><b>　　(3.2)</b></p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　其中，I和V分別為光伏電池的輸出電流和電壓，Ios為太陽(yáng)能電池反向飽和電流，q為電子電荷，K為波耳茲曼常數(shù)，T為太陽(yáng)能的絕對(duì)溫度，Ki=0.0017為短路電流溫度

62、系數(shù)，為太陽(yáng)輻射度，Ig為光生電流，EGO為硅的能帶，B=A=1.92為理想因數(shù)，Tr=。K為參考溫度，Ior為參考溫度下的飽和電流，Rsh為并聯(lián)電阻，Rs為串聯(lián)電阻。</p><p>　　光伏陣列的輸出特性受到光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的影響表現(xiàn)出非線性特性，可以用伏安特性（I-V）和功率電壓（P-V）特性曲線來(lái)體現(xiàn)。光伏電池的特性曲線如下圖所示</p><p>　　圖3.2光伏電池的I-V及P

63、-V特性示意圖</p><p>　　從太陽(yáng)能輸出的曲線可以看出，在溫度和光照條件確定的情況下，輸出曲線的電壓和電流成反比關(guān)系，輸出電壓的增大而輸出電流減小。因此曲線上存在最大功率點(diǎn)Pm點(diǎn)。太陽(yáng)能電池是一個(gè)既非電壓源，也非電流源的非線性直流電源，光伏電池的I-V輸出特性及P-V輸出特性如圖3.2，具有強(qiáng)烈的非線性。</p><p>　　光照強(qiáng)度的不同對(duì)電池的短路電流影響較大，對(duì)開(kāi)路電壓影響很

64、小。太陽(yáng)能電池的效率與溫度有關(guān)，隨溫度上升，光伏電池開(kāi)路電壓下降，短路電流略大。會(huì)造成光伏電池輸出功率下降，太陽(yáng)能電池效率下降。大約是溫度升高10度，效率降低百分之五。</p><p>　　3.2太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）策略</p><p>　　為了提高系統(tǒng)的整體效率，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要求太陽(yáng)電池一直工作最大功率點(diǎn)處，但是由于其最大功率點(diǎn)隨著電池表面溫度和日照強(qiáng)度的變化而不斷改

65、變，所以必須對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。太陽(yáng)電池可看成一個(gè)內(nèi)阻變化的直流電源，最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)本質(zhì)是一個(gè)尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率，利用一定的控制算法來(lái)改變當(dāng)前的系統(tǒng)阻抗，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池阻抗與負(fù)載阻抗的匹配，來(lái)滿足最大功率輸出的要求，目前提出的MPPT方法主要有擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、三點(diǎn)比較法、功率回授法、間歇掃描法、最優(yōu)梯度法、模糊邏輯

66、法等[13]。</p><p>　　目前MPPT控制方法多種多樣，本文詳細(xì)對(duì)電導(dǎo)增量法和擾動(dòng)觀察法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。</p><p>　　3.2.1 電導(dǎo)增量法</p><p>　　電導(dǎo)增量法是MPPT方法中常用的一種方法。電導(dǎo)增量法是通過(guò)比較光伏電池的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來(lái)改變系統(tǒng)的控制信號(hào)?？刂凭_，響應(yīng)速度快，適用于光照強(qiáng)度不斷變化的情況。但是對(duì)硬件，特別是傳感器的

67、精度要求很高，故整個(gè)系統(tǒng)的硬件造價(jià)也較高。</p><p>　　由光伏電池工作特性曲線可知，最大功率點(diǎn)處的光伏電池輸出功率Ppv與輸出電壓Upv滿足條件：</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p><b>　　由此可得</b></p><p><b>　　(3.5)&

68、lt;/b></p><p>　　式中G為輸出特性曲線的電導(dǎo)：dG為電導(dǎo)G的增量。由于增量dUpv和dIpv可以分別用Upv和Ipv來(lái)近似代替，可得</p><p><b>　　(3.6)</b></p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　由上述公式推導(dǎo)?？傻孟到y(tǒng)運(yùn)行

69、點(diǎn)與最大功率點(diǎn)的判據(jù)如下：</p><p>　?。?）G+dG>0，則Upv<UMPP，需要適當(dāng)增大參考電壓來(lái)達(dá)到最大功率點(diǎn)。</p><p>　?。?）G+dG<0，則Upv>UMPP，需要適當(dāng)減小參考電壓來(lái)達(dá)到最大功率點(diǎn)。</p><p>　?。?）G+dG=0，則Upv=UMPP，此時(shí)系統(tǒng)正工作在最大功率點(diǎn)。</p>&l

70、t;p>　　其算法原理圖3.3如下，是典型的光伏系統(tǒng)P-U曲線，在曲線中，通過(guò)判定dPph/dUph的符號(hào)，即可知當(dāng)前的系統(tǒng)工作點(diǎn)位置。</p><p>　　圖3.3 電導(dǎo)增量法算法原理圖</p><p>　　電導(dǎo)增量法的控制流程相對(duì)簡(jiǎn)單，其控制流程如圖：</p><p>　　圖3.4電導(dǎo)增量法控制流程圖</p><p>　　目前，電導(dǎo)

71、增量法主要有定步長(zhǎng)和變步長(zhǎng)兩種算法。兩種算法通過(guò)增加或減少太陽(yáng)電池的輸出電壓，來(lái)達(dá)到跟蹤太陽(yáng)電池最大工作點(diǎn)。</p><p>　　變步長(zhǎng)算法在增加或減少輸出電壓時(shí)采用了不同的步長(zhǎng)值。增加情況下的步長(zhǎng)小，減小情況下的步長(zhǎng)大。在離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)采用較大的步長(zhǎng)值，以滿足系統(tǒng)快速跟蹤的要求，在接近最大功率點(diǎn)時(shí)采用較小的步長(zhǎng)值慢慢逼近最大功率點(diǎn)，防止系統(tǒng)振蕩。</p><p>　　定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

72、控制流程圖如圖3.4所示，圖中Upv，Ipv為檢測(cè)到的當(dāng)前光伏陣列輸出電壓、電流值，Uo，Io為上一周期的采樣值，Uor為輸出電壓參考值，△u為修改的步長(zhǎng)值。系統(tǒng)進(jìn)入子程序后首先計(jì)算新采樣值與舊值之差，再判斷電壓差值是否為零，若為零則再判斷電流差值，若都為零則表示已達(dá)最大功率點(diǎn)，輸出電壓參考值不變；若電流差值不為零，則表示光照度有變化，電流差值大于零則增加輸出電壓，否則減小輸出電壓；在電壓差值不為零的情況下，則需比較電導(dǎo)變化率和負(fù)電導(dǎo)值

73、，當(dāng)電導(dǎo)變化率大于負(fù)電導(dǎo)值時(shí)，表明功率曲線斜率為正，需要增大輸出電壓值；當(dāng)電導(dǎo)變化率小于負(fù)電導(dǎo)值時(shí)，表明功率曲線為負(fù)，則需減小輸出電壓值；當(dāng)兩者相等時(shí)，表明已達(dá)到最大功率點(diǎn)，則保持輸出不變[14]。</p><p>　　3.2.2 擾動(dòng)觀察法</p><p>　　擾動(dòng)觀察法的基本原理：先給出一個(gè)擾動(dòng)u再測(cè)量太陽(yáng)能電池陣列輸出功率的變化，與擾動(dòng)之前其輸出功率值相比，若功率增加，表示擾動(dòng)方向正

74、確，可繼續(xù)朝同一方向擾動(dòng)；若功率減少，表示擾動(dòng)方向錯(cuò)誤，可按-u方向擾動(dòng)。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得出最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓近似為太陽(yáng)能電池陣列開(kāi)路電壓的76％，因此系統(tǒng)的初始值根據(jù)陣列的開(kāi)路電壓選擇可以使系統(tǒng)的工作點(diǎn)快速接近最大功率點(diǎn)[15]。</p><p>　　最大優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試的參數(shù)少，跟蹤原理清晰、易于實(shí)現(xiàn)，是廣泛使用方法之一。具有以下兩個(gè)缺點(diǎn)：</p><p>　　一是因?yàn)閿_動(dòng)

75、值U是一個(gè)確切的值，這種設(shè)定難以兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性。當(dāng)U設(shè)置過(guò)小，MPPT步長(zhǎng)會(huì)使到達(dá)最大功率點(diǎn)的時(shí)間增加，且導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢；但如果U設(shè)置過(guò)大，則使太陽(yáng)能電池輸出的能量波動(dòng)較大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，同時(shí)U過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)擾動(dòng)幅度過(guò)多，導(dǎo)致平均輸出功率將遠(yuǎn)小于太陽(yáng)能電池提供的最大功率而損失部分能量[16]。</p><p>　　二是在外界環(huán)境快速變化的情況下，擾動(dòng)觀察法可能會(huì)引起誤判，導(dǎo)致系統(tǒng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)

76、離太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)。即使到了最大功率點(diǎn)，擾動(dòng)仍在，在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致部分功率損失。而且跟蹤過(guò)程可能出現(xiàn)失序的情況，進(jìn)而導(dǎo)致跟蹤失敗，因此這種方法不適用在環(huán)境快速變化的情況下運(yùn)行[17]。擾動(dòng)觀察法的程序框圖見(jiàn)圖</p><p>　　圖3.5擾動(dòng)法流程圖</p><p>　　本文在后文建立了基于Boost的DC-DC電路的光伏電池最大功率點(diǎn)追蹤仿真模型，以擾動(dòng)觀測(cè)法為基礎(chǔ)，

77、提出了MPPT控制策略。下圖為帶MPPT的Boost電路。同時(shí)，所提出的最大功率點(diǎn)追蹤模型及控制策略，也能在不同光照強(qiáng)度下準(zhǔn)確快速地追蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)。</p><p>　　圖3.6 帶MPPT的Boost升壓電路</p><p>　　4單相光伏并網(wǎng)逆變器控制方法研究</p><p>　　此級(jí)的功能是將太陽(yáng)電池陣列產(chǎn)生的直流電能饋送給交流電網(wǎng)，而光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中

78、的核心環(huán)節(jié)就是光伏并網(wǎng)逆變器。</p><p>　　4.1并網(wǎng)前后的電流和電壓分析</p><p>　　并網(wǎng)逆變器的輸出電流作為被控制量，并網(wǎng)逆變工作方式下的等效電路和電壓電流矢量圖如圖4.1示，圖中Vs為電網(wǎng)電壓、Vn為并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電壓、Io為電感電流。因?yàn)椴⒕W(wǎng)逆變器的輸出濾波電感的存在，使逆變電路的交流側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓之間存在相位差。</p><p>　　圖

79、4.1并網(wǎng)逆變器等效電路圖和電壓、電流矢量圖</p><p>　　對(duì)于單相并網(wǎng)型逆變器，電壓型脈沖整流器應(yīng)工作在有源逆變的狀態(tài)，且其功率因數(shù)應(yīng)為-1.0，以保證不對(duì)電網(wǎng)造成污染，其矢量圖如圖4.1所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓一定時(shí)，若控制的沿ab線調(diào)節(jié)，則從矢量圖中可以看出電感電壓矢量滯后電網(wǎng)電壓矢量；并網(wǎng)輸出的電流矢量滯后電感電壓，即滯后電網(wǎng)電壓矢量，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)污染的并網(wǎng)輸出；同時(shí)，沿ab線調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓矢量，即可以改變電感

80、電壓的幅值，進(jìn)而改變并網(wǎng)電流的幅值。改變并網(wǎng)電流的幅值，即可以達(dá)到調(diào)節(jié)光伏陣列輸出功率的目的[18]。</p><p>　　4.2逆變器的控制方法</p><p>　　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器按控制方式可以分為：電壓源電壓控制，電壓源電流控制，電流源電壓控制和電流源電流控制。電流源為輸入的逆變器，直流側(cè)需要串聯(lián)一個(gè)大電感，來(lái)提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但是大電感會(huì)引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，故采用電壓源

81、輸入的方式。逆變器與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的輸出控制可分為電壓控制和電流控制，電網(wǎng)可以視為容量無(wú)限大的定值交流電壓源。</p><p>　　如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓控制，必須采用鎖相環(huán)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步，在穩(wěn)定的情況下，可以通過(guò)調(diào)整逆變器輸出電壓的大小以及相移來(lái)控制系統(tǒng)的有功輸出和無(wú)功輸出。但是由于鎖相回路響應(yīng)較慢，逆變器輸出電壓不易精確控制，可能出現(xiàn)環(huán)流。</p><p>　　如果逆變器

82、采用電流控制，則只需要控制逆變器的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，就可以達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行目的。故本文采用電流型并網(wǎng)控制方式。</p><p>　　電流控制分為間接控制和直接控制。為使太陽(yáng)能電池穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近，控制系統(tǒng)包括直流電壓調(diào)節(jié)器。此調(diào)節(jié)器輸出，若直接用來(lái)作為交流側(cè)給定輸出電流的幅值，叫做直接電流控制；若用調(diào)節(jié)器的輸出作為交流側(cè)給定輸出端的電壓幅值和相位時(shí)，稱為間接電流控制。</p><p>

83、　　間接電流控制的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡(jiǎn)單，不需電流反饋控制。缺點(diǎn)在于系統(tǒng)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)不快，甚至交流側(cè)電流中有直流分量，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)較為敏感。常用于對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的地方。</p><p>　　直接電流控制和間接電流控制比較，具有電流快速響應(yīng)的特點(diǎn)，穩(wěn)定性更好。直流電流控制有滯環(huán)電流控制，雙環(huán)電流控制，無(wú)差拍控制等方法，可以獲得高品質(zhì)電流響應(yīng)。</p><p>　　4.2.1電

84、流滯環(huán)控制方式</p><p>　　電流滯環(huán)控制的原理是將指令電流與實(shí)測(cè)電流比較，其偏差輸入滯環(huán)比較器，由滯環(huán)比較器直接產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)是硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、電流相應(yīng)快、無(wú)需載波、對(duì)負(fù)載參數(shù)不敏感而魯棒性強(qiáng)。缺點(diǎn)主要是滯環(huán)寬度對(duì)控制效果影響很大(較小時(shí)控制精度高，電力電子開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力大；較大時(shí)控制精度又有限)，同時(shí)由于開(kāi)關(guān)頻率不固定，輸出電流頻譜較寬，增加了輸出

85、濾波器的設(shè)計(jì)難度，易與電網(wǎng)其他部分發(fā)生諧振[19]。</p><p>　　在固定開(kāi)關(guān)頻率的PWM的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)和負(fù)載的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的控制精度差，對(duì)于電壓型的電流跟蹤系統(tǒng)，當(dāng)交流側(cè)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，若PWM開(kāi)關(guān)頻率一定，則電流跟蹤偏差大小也發(fā)生相應(yīng)的波動(dòng)時(shí)；然而當(dāng)交流側(cè)電壓發(fā)生波動(dòng)的同時(shí)，若PWM的開(kāi)關(guān)頻率也作相應(yīng)的波動(dòng)時(shí)，則電流跟蹤的偏差幾乎不變[20]。</p><p>　　滯環(huán)控制

86、是一種應(yīng)用廣泛的閉環(huán)電流跟蹤控制方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。滯環(huán)控制單元同時(shí)具有兩種功能，一是作為閉環(huán)電流調(diào)節(jié)器，二是起著脈寬調(diào)制器的作用，將電流參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的開(kāi)關(guān)指令信號(hào)。</p><p>　　采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方法原理圖。圖中將指令電流i*c和實(shí)際并網(wǎng)電流i*c，進(jìn)行比較，兩者的偏差I(lǐng)作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開(kāi)關(guān)通斷的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)IGBT的g

87、級(jí)控制通斷，從而控制并網(wǎng)電流i*c的變化。</p><p>　　圖4.2電流滯環(huán)比較法控制原理圖</p><p>　　滯環(huán)PWM電流控制過(guò)程中，其PWM開(kāi)關(guān)頻率是一個(gè)變量。該變量實(shí)際上是滯環(huán)寬度、電感值和直流側(cè)電壓的函數(shù)，在滯環(huán)寬度、電感值一定的情況下，開(kāi)關(guān)過(guò)程中直流側(cè)電壓越高，PWM開(kāi)完頻率就越高，反之，當(dāng)直流電壓越低，PWM開(kāi)關(guān)頻率越低；當(dāng)電感值、直流側(cè)電壓一定時(shí)，滯環(huán)寬度越小，開(kāi)關(guān)頻

88、率就越高，反之滯環(huán)寬度越大，開(kāi)關(guān)頻率就越低；當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率足夠高時(shí)，并網(wǎng)電流能否跟蹤電流指令，則完全取決于交流側(cè)電感值和直流側(cè)電壓[21]。適當(dāng)降低電感值或提高直流側(cè)電壓值，均有利于電流的快速跟蹤。</p><p>　　這種控制方案的特點(diǎn)：實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快，控制方法簡(jiǎn)單。若置換的寬度固定，電流跟蹤的誤差范圍是固定的，但是開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率是變化的，會(huì)導(dǎo)致電流頻譜較寬，增加了濾波器設(shè)計(jì)的難度，可能會(huì)引起間接的諧波干

89、擾。</p><p>　　4.2.2 SPWM電流控制法</p><p>　　與滯環(huán)電流控制系統(tǒng)相比，基于SPWM控制的電流跟蹤系統(tǒng)具有固定的開(kāi)關(guān)頻率，它是將PWM載波頻率固定不變，而以電流偏差調(diào)節(jié)信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)的PWM控制的方法了。</p><p>　　圖4.3 SPWM調(diào)制原理圖</p><p>　　固定開(kāi)關(guān)頻率PWM電流控制具有算法簡(jiǎn)

90、單、物理意義清晰、實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于開(kāi)關(guān)頻率固定，因而網(wǎng)側(cè)變壓器及濾波電感設(shè)計(jì)容易，并且有利于限制功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，由于采用了并網(wǎng)電流的閉環(huán)控制，使系統(tǒng)電流的動(dòng)、靜態(tài)性能都能得到提高，同時(shí)也使網(wǎng)側(cè)電流控制對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的魯棒性[22]。但是，在開(kāi)關(guān)頻率不夠高的情況下，電流響應(yīng)仍相對(duì)較慢，且電流動(dòng)態(tài)偏差隨著電流變化率的變化而變化。電流控制框圖如4.4所示。</p><p>　　圖4.4

91、SPWM控制電流控制框圖</p><p>　　由于電網(wǎng)可以視作功率為無(wú)窮大的電壓源，因此，宜采用電流源型的逆變裝置進(jìn)行并網(wǎng)。由于流經(jīng)電感L的電流不能突變，可以采用電流反饋閉環(huán)控制的方法來(lái)調(diào)節(jié)電流。并網(wǎng)電流的正弦波給定值與實(shí)際并網(wǎng)電流相比較，誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器處理后，產(chǎn)生相應(yīng)的SPWM信號(hào)，控制功率器件的開(kāi)通與關(guān)閉，使并網(wǎng)電流波形為與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波。圖中i0*是電流給定信號(hào)，i0是實(shí)際的并網(wǎng)電流，PI是電

92、流控制環(huán)節(jié)，G2是PWM逆變環(huán)節(jié)，G3是濾波環(huán)節(jié)。</p><p>　　逆變器簡(jiǎn)易電路圖如下</p><p>　　圖4.5 逆變器簡(jiǎn)易框圖</p><p><b>　　由此可知：</b></p><p><b>　　(4.1)</b></p><p>　　其中，Uo是未濾波的

93、逆變橋輸出電壓。</p><p><b>　　4.3電壓前饋環(huán)節(jié)</b></p><p>　　在整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓可以看成是系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入，要消除擾動(dòng)作用對(duì)系統(tǒng)的影響，需要加入一個(gè)前饋環(huán)節(jié)。將前饋電壓經(jīng)過(guò)一定算法后與PI調(diào)節(jié)器的輸出直接相加，在逆變器輸入端引入一個(gè)與電網(wǎng)電壓對(duì)消的電壓源，從而使有源系統(tǒng)補(bǔ)償成了無(wú)源系統(tǒng)。</p><p>　

94、　從補(bǔ)償?shù)脑砩蟻?lái)看，前饋補(bǔ)償實(shí)際上是采用開(kāi)環(huán)控制方式去補(bǔ)償可測(cè)的擾動(dòng)信號(hào)，因此前饋補(bǔ)償并不改變控制系統(tǒng)的特性。從抑制擾動(dòng)的角度來(lái)看，前饋補(bǔ)償可以減輕反饋控制的負(fù)擔(dān)，使反饋控制系統(tǒng)的增益可以取得小一些，利于減小系統(tǒng)的跟蹤誤差。前饋補(bǔ)償后的并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)如圖4.4所示。</p><p><b>　　4.4電壓外環(huán)控制</b></p><p>　　電壓環(huán)的控制主要是穩(wěn)定

95、DC-DC變換器的輸出電壓，本文對(duì)電壓環(huán)的控制都采用PI控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)電壓U*0，同時(shí)檢測(cè)DC-DC環(huán)節(jié)輸出電壓U0，將兩個(gè)電壓做差將差值輸入PI調(diào)節(jié)器，作為電流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅值控制信號(hào)，其電路控制結(jié)構(gòu)圖如圖4.6所示：</p><p>　　圖4.6電壓外環(huán)控制框圖</p><p>　　電壓控制外環(huán)能很好保證前級(jí)直流變換器輸入電壓穩(wěn)定，基準(zhǔn)電壓和實(shí)時(shí)電壓的差值能夠改變指令電流的幅值

96、的大小，從而保證了Uo的穩(wěn)定，輸入電流能夠跟蹤指令電流的變化，但是有諧波的存在[23]。</p><p><b>　　4.5鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，為了保證并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同頻、同相，鎖相環(huán)能滿足這一要求，所以要使用鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)。由于鎖相環(huán)具有鎖定信號(hào)并跟蹤其變化的特性，可以將它應(yīng)用于太陽(yáng)能并網(wǎng)的故障運(yùn)行中。對(duì)于太陽(yáng)能

97、并網(wǎng)故障運(yùn)行來(lái)說(shuō)，電網(wǎng)電壓的相角和頻率的準(zhǔn)確檢測(cè)是非常重要的，特別是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓不平衡、抖動(dòng)、諧波以及頻率改變、相角跳變時(shí)[24]。當(dāng)出現(xiàn)這些情況時(shí)，鎖相環(huán)可以盡可能快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地鎖定相角和頻率。鎖相環(huán)的性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的控制有很大的影響。</p><p>　　鎖相環(huán)是一個(gè)使輸出信號(hào)(振蕩器產(chǎn)生的)與參考信號(hào)或者輸入信號(hào)的頻率和相位上同步的電路。在同步情況下，振蕩器輸出信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差為零，或者保

98、持常數(shù)。</p><p>　　如果出現(xiàn)相位誤差，一種控制機(jī)理作用到振蕩器上，使得相位誤差再次減小到最小。典型的PLL基本結(jié)構(gòu)如圖4.7所示，它由鑒相器(PD)，環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)組成。 </p><p>　　圖4.7鎖相環(huán)原理框圖</p><p>　　壓控振蕩器的輸出Uo接至相位比較器的一個(gè)輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來(lái)的平均電

99、壓Ud大小決定。施加于相位比較器另一個(gè)輸入端的外部輸入信號(hào)與來(lái)自壓控振蕩器的輸出信號(hào)Uo相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓U正比于Ui和Uo兩個(gè)信號(hào)的相位差，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個(gè)平均值電壓Ud；這個(gè)平均值電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號(hào)頻率獲得一致。這時(shí)兩個(gè)信號(hào)的頻率相同，兩相位差保持恒定(即同步)稱作相位鎖定[25]。</p><p>　　當(dāng)

100、鎖相環(huán)入鎖時(shí)，它還具有“捕捉”信號(hào)的能力，VCO可在某一范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的變化，如果輸入信號(hào)頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸入信號(hào)頻率，并強(qiáng)迫VCO鎖定在這個(gè)頻率上。鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將檢測(cè)出的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓Uc(t)，對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率實(shí)施控制[26]。</p><

101、p>　　圖4.8 PLL結(jié)構(gòu)控制框圖</p><p><b>　　4.6濾波器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　凡是有具有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱為濾波器。用來(lái)分開(kāi)及組合不同頻 率，選取需要的信號(hào)頻率，抑制不需要的信號(hào)頻率的微波器件。主要功能是作為 各種電信號(hào)的提取、分隔、抑止干擾。</p>

102、<p>　　電氣工程上,常利用LC元件對(duì)不同頻率交流電量的電抗不同,對(duì)交流電量進(jìn)行分流,稱為濾波。濾波器一般由電感或電容以及電阻等元件組成電容濾波，簡(jiǎn)單的說(shuō)，濾波是利用電容對(duì)特定頻率的等效容抗小，近似短路來(lái)實(shí)現(xiàn)的（與諧振無(wú)關(guān)）。</p><p>　　濾波器是光伏并網(wǎng)逆變器的重要組成部分，同時(shí)也是逆變器提高工作性能的重要環(huán)節(jié)。對(duì)濾波器的要求主要有以下幾個(gè)方面：諧波、電流紋波、成本、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為電網(wǎng)注

103、入能量，保證注入電流Ig的電能質(zhì)量。</p><p>　　下圖是常見(jiàn)的LC濾波器</p><p>　　圖4.9 LC型濾波器</p><p>　　(a)電流紋波系數(shù)：輸出濾波電感值直接影響輸出紋波電流大小。由電感伏安特性： </p><p><b>　　(4.2)</b></p><p>　　UL

104、(t)為電感兩端電壓，當(dāng)輸出電壓處于峰值附近時(shí)，即Uo=Umax時(shí)，電感電流紋波最大。設(shè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)周期為T，占空比為D。</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　根據(jù)電感穩(wěn)定工作時(shí)伏秒平衡得：</p><p><b>　　(4.4)</b></p><p>　　(b)逆

105、變器輸出電壓矢量關(guān)系</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　幅值滿足：</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　由正弦調(diào)制理論可得：</p><p><b>　　(4.7

106、)</b></p><p>　　為調(diào)制比，小于等于1。</p><p>　　將（4.7）帶入（4.6）可得</p><p><b>　　（4.7）</b></p><p><b>　　由此可得</b></p><p><b>　?。?.8）</b&

107、gt;</p><p>　　可以算出濾波電感的取值范圍?？紤]成本，體積原因，只考慮電感下限值，稍微大于下限值即可。</p><p><b>　　5仿真模型及結(jié)果</b></p><p>　　5.1 DC/DC級(jí)的仿真</p><p>　　本級(jí)仿真由四個(gè)板塊構(gòu)成，第一是光伏電池的仿真，根據(jù)第二章的對(duì)光伏電池的分析。<

108、/p><p>　　其中短路電流Isc指當(dāng)太陽(yáng)能電池的正負(fù)極短路，使U=0時(shí)，此時(shí)的電池片短路電流，隨光照強(qiáng)度不斷變化。峰值電流Im指太陽(yáng)能電池片輸出最大功率時(shí)工作電流。開(kāi)路電壓Uoc指太陽(yáng)能電池正負(fù)極不接負(fù)載，使i=0時(shí)，此時(shí)正負(fù)極的電壓。峰值電壓Um指太陽(yáng)能輸出最大功率時(shí)的工作電壓。</p><p>　　經(jīng)過(guò)公式在Matlab仿真，短路電流為Isc為5A，開(kāi)路電壓為300V。峰值電壓Um為2

109、20V，峰值電流為Im為4.5A。所以峰值功率為990W。</p><p>　　圖5.1光伏電池的Matlab模型</p><p>　　本文分析了太陽(yáng)能光伏電池的輸出I-V 特性，給出了光伏電池的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)之上建立了簡(jiǎn)單易用的工程數(shù)學(xué)模型。在MATLAB／Simulink仿真環(huán)境下，基于光伏電池的I-V數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式，建立了光伏電池的仿真模型。</p><p&