（电力电子与电力传动专业论文）光伏并网逆变器的研究(1).pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho np h o t o v 0 1 t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fn e we n e r g yi sp r o m o t e d ，w i t ht h ed e t e r i o r a t i o no f e n v i r o n m e n ta n dt h ed e p l e t i o no fc o n v e n t i o n a lr e s o u r c e s o l a re n e r g y , w i t ht h e c h a r a c t e r i s t i co fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，i sb e i n gd e v e l o p e df a s t e ra n df a s t e rb y p o l i c i e s a n dm e a s u r e si n t r o d u c e di nm o s tc o u n t r i e s a m o n g s to t h e rt h i n g s ， p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m h a s f a r - r e a c h i n g t h e o r e t i c a lv a l u ea n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h et o t a li n s t a l l e dc a p a c i t yo fp h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e d s y s t e mh a sr e a c h e dt h o u s a n d so fm e g a w a t t so n l y i nt h ep a s tf i v ey e a r s p h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r , w h i c hc o n n e c t st h ep h o t o v o l t a i ca r r a ya n d g r i d ，i st h ek e yt ot h ep h o t o v o l t a i cs y s t e m t h ed c - d ca n dd c a ct w os t e p s 鲥d c o n n e c t e di n v e r t e ri sp r o p o s e d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei n v e r ta n dt h eo u t p u to fp h o t o v o l t a i ca r r a y s d c - d ca n dd c a ca r ea n a l y z e de l a b o r a t e l ya n dr e s p e c t i v e l y , a sw e l la sn e w c o n t r o ls t r a t e g yb e i n gp r o p o s e d ，b a s e do nt h er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n c eo fd c d c a n dd c a c i nt h ec o n v e r t e ro fd c d c ，b o o s tc i r c u i ti su s e df o rm o d u l a t i n gt h e o u t p u t o fp h o t o v o l t a i e a r r a ya n dt r a c k i n g t h em a x i m u mp o w e rp o i n to f p h o t o v o l t a i cs y s t e m t h et h r e ed o t sl e a s ts q u a r em e t h o d ，a sal l e wm e t h o do f m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gi sp r o p o s e d ，a g a i n s tt h ed i s a d v a n t a g eo fc o n s t a n t v o l t a g em e t h o da n dp e r t u r b a t i o nm e t h o d ，w h i c hi sp r o v e dt ot r a c km a x i m u m p o w e rp o i n ta c c u r a t e l ya n dq u i c k l yb ys i m u l a t i o n ，a sw e l la si m p r o v i n gt h e u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fs y s t e ma n ds t a b i l i z i n gt h eo u t p u tv o l t a g e i nt h e c o n v e r t e ro fd c a c ，w i t ht h ec o n t r o lo fo u t p u tc u r r e n t ，b a s e do nt h e d i s a d v a n t a g eo fs p w m ( s i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ，t h es v p w m ( s p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) i su s e dt oc o n t r o lt h ei n v e r t ，i m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no f d cv o l t a g e ，r e d u c i n gh a r m o n i c r e s u l ts h o w st h a tt h eo u t p u tc u r r e n tc a nk e e p t h es a m ep h a s ew i t ht h eg r i dv o l t a g ea n dp r o v e st h ea l g o r i t h mi sf e a s i b l e ，b y e s t a b l i s h i n gt h es y s t e mm o d e lb a s e dt h ep r i n c i p l eo fs v p w m b a s eo nt h en e wc o n t r o ls t r a t e g y , t h eh a r d w a r eo ft h e2 k wt h r e e p h a s eg r i d i i 哈尔滨理工大学工学硕+ 学位论文 c o n n e c t e di n v e r t e ri sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i td c d ca n dd c a c ， d r i v e nc i r c u i t ，t h ed e t e c t i o nc i r c u i to fv o l t a g ea n dc u r r e n ta n dt h ed e t e c t i o n c i r c u i to fz e r oa n ds oo n t h ed e s i g np r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h es i m i l a rs t r u c t u r e o fp h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t k e y w o r d ss o l a re n e r g y , p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n g ，l e a s ts q u a r em e t h o d ，s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文光伏并网逆变器的研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：日期：年月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 光伏并网逆变器的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保幻 ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名： 导师签名： 纠是竞 ) 虱乏厶 日期山尹溯胴 日期：z 彳年午月 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 随着全球工业化进程的逐步展开，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤 炭、石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机，同 时，大量使用化石能源对生态环境造成严重的破坏。能源、环境与发展已成为 当今世界亟待解决的问题。因此全球都在积极开发利用可再生能源【l - 2 l 。专家预 测，在今后的2 0 3 0 年里，全球的能源结构将发生根本性的变化。在本世纪中 期2 0 5 0 年，可再生能源在整个能源构成中会占到5 0 。 自2 0 世纪5 0 年代，从太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建 筑、光伏并网系统，世界光伏产业己经走过了半个世纪的历史。由于太阳能资 源分布广泛、蕴藏丰富，光伏发电系统具有清洁、安全、寿命长以及维护量小 等诸多优点，光伏发电被认为将是2 1 世纪最重要、最具活力的新能源【3 5 】。在 世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和 太阳能屋顶计划的刺激和推动下，光伏产业近几年保持着年均3 0 以上的高速 增长。其中，以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场己超过离网应用，近 几年的增长速度都在4 0 以上，成为世界光伏产业的最主要发动机。并网光伏 发电已经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。 中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5 0 0 0 公里以上。在中国广阔 的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4 千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7 千瓦时。年日照时数大于2 0 0 0 小 时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有 巨大的开发潜能。但相对于蓬勃发展的世界光伏产业，中国光伏产业还处于起 步阶段。光伏组件产量和安装容量仅为世界1 左右，相关配套设备的产业化 进程也严重滞后于其他国家嗍。国际上方兴未艾的光伏并网集成建筑，并网电 站在国内还几乎是空白。因此，对并网光伏系统的研究必将成为光伏发电技术 研究的重中之重。 光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类：一种为系统中含有蓄电池 组的可调度式光伏并网发电系统；另一种为系统中不设置蓄电池组的不可调度 式光伏并网发电系统1 7 1 。二者相应系统结构图如图1 1 所示。 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 重要 负载 配电 开关 光伏 阵列 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ 一 皇 核心 变换器 r ! 蓄电 池组 不重要 负载 t 。 j 1 一 主配电 开关 交流 电网 a ) 可调度式光伏并网发电系统 b ) 不可调度式光伏并网发电系统 图1 - 1 光伏并网系统按功能分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no fp h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m sb yf u n c t i o n 从图中可以得出光伏并网逆变器是连接光伏发电系统和电网的唯一通道。 并网逆变器运行状况将影响甚至决定整个系统是否能够稳定、安全、可靠、高 效运行。它是整个光伏发电系统的核心所在。 1 2 光伏并网逆变器技术 光伏并网发电系统与独立发电系统相比，省掉了体积大、价格高、不易维 护的蓄电池，具有造价低，输出电能稳定的优点，因而具有更为广阔的市场前 景。典型的光伏并网系统的结构包括：光伏阵列，直- 直变换器( d c - d c ) ，直 交变换器( d c a c ) 和采样保护装置，其结构如图1 2 所示。 图1 - 2 光伏并网系统结构图 f i g 1 - 2s t r u c t u r eo fp h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m 2 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 并网逆变器是光伏并网系统中实现光伏阵列与电网间能量的传递与转换的 关键环节。并网逆变器的作用是当光伏发电系统的输出在较大范围内变化时， 能始终以尽可能高的效率将光伏电池输出的低压直流电转化成与电网匹配的交 流电流送入电网。 并网逆变器连接光伏阵列，电网，为用户所服务，其技术可以从电网、光 伏阵列、用户这三个方面来进行分析和总结t 1 ) 逆变器要与电网相连，必须满足电网电能质量、防止孤岛效应和安全 隔离接地三个要求。目前，国外的并网标准中明确规定并网逆变器输出波形的 总谐波因数应小于5 ，各次谐波含量小于3 ，并且具有较好的动态特性。根 据i e e e 2 0 0 0 9 2 9 和u l l 7 4 1 标准，所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的功 能【8 d ，孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器。随着光伏并网发电系 统进一步发展，当多逆变器并网时，可能导致上述方法失效，因此研究多逆变 器的并网通信、协同控制已成为孤岛效应检测与控制的研究趋势。 2 ) 由于日照强度和环境温度都会影响光伏阵列的输出功率，因此必须通 过逆变器的调节使得光伏阵列的输出电压趋近于最大功率点电压，以保证光伏 阵列在最大功率点附近运行而获得最大能量，提高系统的效率。最常用的最大 功率点跟踪( m p p t ：m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) 方法有0 2 , 1 3 l ：恒定电压跟踪 法、扰动法。同时，光伏阵列的输出特性也决定了逆变器应具有较宽的直流电 压输入范围。 3 ) 用户对逆变器的要求主要包括：成本低，功耗低；安全可靠性高；使 用寿命长。 1 3 光伏并网逆变器国内外研究现状 1 3 1 国外的研究现状 国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用 逆变器市场中就有s m a 、s a t c o n 、s i e m e n s 等众多的公司具有市场化的产品， 其中s m a 在欧洲市场中占有的5 0 的份额。除欧洲外，美国、加拿大、澳大 利亚、新西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都已经产品化。以s m a 为例介绍目前光伏并网发电系统用逆变器的发展情况。s m a 光伏并网逆变器 目前具有三大系列产品：组串逆变器、集中逆变器和多支路逆变器，其中以 s b ( s u n n yb o y ) 系列逆变器是s m a 公司推出的最成功的产品之一，应用最为广 3 暗尔演理工大学i 学硬士学位论文 泛。该产品具有如下特点：高效率、高功率因数、低t h d ：基于微处理器的 自动功率点调节。图1 - 3 为s m a 公司的s b 7 0 0 并网逆变器。其输入直流电压 的范围是1 5 0 v - 2 5 0 v ，最大输入电流为7 a ，额定输输出功率为7 0 0 w 。输出并 网交流电t h d 4 ，效率为9 3 ，白天逆变器损耗小于4 w ，晚上损耗小于 0i w ，同时具有反孤岛效应，电流保护等，符合u l l 7 4 1 ，i e e e 2 1 9 ，i e e e 9 2 9 等相关国际安全标准。 图1 - 3 s u n n y b o y 7 0 0 逆变器 f i g 1 - 3 i n v e r t e r o f s u n n y b o y7 0 0 多支路逆变器是s m a 最新推出的产品，该产品采用最大功率跟踪和并网 逆变两级能量变换结构，多个不同支路共用同一个逆变环节，中间设置有内部 直流母线，可以使系统的灵活性大为提高；输出端无工频变压器隔离，采用最 新的电网阻抗检测和交、直流剩余电流检测来实现有效保护。 与s m a 相比较，西门子并网光伏逆变器则采用主从式构建系统，由主逆 变器和若干个从逆变器来组建用户要求容量的并网光伏系统，灵活性和系统扩 展等均没有s m a 的强。 除s m a 和西门子外，美国s a t c o n 公司也根据光伏市场需要推出自己产 品，系列覆盖了中、大功率范围，也可将多台中功率的逆变器并联构成系统， 而且逆变器中也集成了最大功率跟踪环节。 1 3 2 国内的研究现状 由于我国光伏发电等可再生能源发电技术的研究仍然处于起步阶段，技术 水平相对国外还有一定差距。就并网型光伏发电系统的核心技术并网型逆变器 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 而言，合肥工业大学能源研究所、燕山大学、上海交通大学、中国科学院电工 研究所等科研单位在这一方面进行了相关的研究，并且在“九五”、“十五”期 间，国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作。合肥阳光的正弦波并网充 放电装置虽不是专门为并网光伏设计，但是也可应用在并网光伏系统中。国内 对并网光伏逆变器的研究比较多的采用最大功率跟踪和逆变部分相分离的两级 能量变换结构，而且市场产品的种类还相对单一。并网光伏发电系统在我国还 没有真正地投入商业化运行的应用，目前所建并网光伏系统如：深圳世博园 1 m w 并网光伏系统、首都博物馆3 0 0 k w 并网光伏系统都为示范工程。并网光 伏发电系统的核心并网型逆变器还主要依赖进口或者合作研究的方式获得，因 此掌握并网光伏发电系统的核心并网型逆变器技术对推广并网光伏系统有着至 关重要的作用。 1 4 光伏并网逆变器的发展趋势 从行业发展来看，把太阳能同建筑结合起来，将房屋发展成具有独立电 源，自我循环式的新型建筑，是人类进步和社会科学技术发展的必然【l4 1 。光伏 并网发电和建筑一体化【1 5 j ( b i p v ：b u i l d i n gi n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c ) 的发展，标志 着光伏发电由边远地区向城市过渡，由补充能源向替代能源过渡。联合国能源 机构调查报告显示，光伏建筑一体化将成为2 1 世纪城市建筑节能的市场热 点，太阳能建筑业将是2 l 世界重要的新兴产业之一。 从技术发展来看，随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术的应用 以及先进的控制方法的提出，电力电子能量变换发生了巨大的变化 1 6 - 1 8 】。首 先，元器件正向低导通损耗、快速化、智能化、封装合理化等方向发展。其 次，数字信号处理技术的应用有助于减少并网逆变器输出的直流成分；提高开 关频率，减小滤波器体积；改善输出波形，快速响应电网瞬态变化。最后，先 进的控制方法将有助于改善输出波形质量，从而减小滤波环节的体积，提高系 统的动态响应性能。因此，并网型逆变器的发展必将沿着数字化、高频化的方 向进行。 1 5 本文内容安排 本文深入分析和比较国内外的各种逆变器的拓扑结构，从原理上对光伏逆 变器的结构进行剖析，确定本论文设计的光伏并网逆变器由d c d c 和d c a c 5 哈尔滨理工大学工学硕：l 二学位论文 这两级能量变换环节构成。由于d c d c 环节和d c a c 环节相对独立性，本文 分别对这两个环节进行详细的研究和分析，并提出自己的研究方法。 对于d c d c 部分，首先深入分析太阳能电池工作特性，建立了基于物理 机制的光伏阵列模型。分析了国内外提出的m p p t 应用的状况，结合常用的 m p p t 的方法的特点，提出了一种新的m p p t 的方法一最小二乘m p p t 追踪， 建立了b o o s t 电路对其进行仿真实现，并取得理想的效果。 对于d c a c 部分，分析了逆变器电流控制常用方法，在比较s p w m 控制 方法与s v p w m 控制方法基础上，确定该三相逆变器采用s v p w m 来进行控 制且详细阐述s v p w m 控制的实现方法。建立实验模型并通过仿真验证了算法 的正确性。 在控制策略正确的基础上，明确2 k w 三相光伏并网逆变器的设计标准， 并对该逆变器进行硬件电路设计，包括主电路d c d c ，d c a c 设计和驱动电 路，以及相关电压电流检测电路，过零检测电路等。为类似结构的光伏并网逆 变器的设计提供参考。 6 哈尔滨理丁大学工学硕上学位论文 第2 章系统的总体设计及工作原理 2 1 系统的总体设计 光伏并网逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控 制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方法【1 9 1 。以电流源为输入的逆变 器，其直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感 往往会导致系统动态响应差，因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以 电压源输入为主的方式。 按输入直流电源的性质，可将逆变器分为：电流型逆变器和电压型逆变 器，结构如图2 1 所示。 马乏j e 马电 l l 白 ：= c 、 厂厂 1 r马j 【 马乏j l l + 厶 f 乏j i l l 【 马q u o 、 厂厂 溜k j i 瞄 j 【 i a ) 电流型逆变器b ) 电压型变压器 图2 1 按输入直流电源性质分类的并网逆变器原理图 f i g 2 - 1s c h e m a t i co fg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e rg r a d e db yt h en a t u r eo fi n p u ts o u r c e 市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输 出采用电压控制，则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统，这种情 况下要保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步，由于 锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问 题。如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市 电电压，即可达到并联运行的目的，控制方法相对简单，因此使用比较广泛。 综上所述，本文设计的光伏并网逆变器采用电压源输入、电流源输出的控 制方式，即电压型逆变器。采用电压型逆变主电路，同时可以实现有源滤波和 无功补偿的控制，在实际中已经得到了广泛的研究和应用，可以有效地进行光 伏发电、提高供电质量和减少功率损耗，而且可以节省相应设备的投资。 7 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 逆变器分类 2 2 1 逆变器的拓扑分类 按逆变器主电路的拓扑结构分类【2 0 l ，主要有：推挽逆变器、半桥逆变器和 全桥逆变器。推挽式逆变器拓扑结构如图2 2 所示。它结构简单，两个功率管 可共同驱动，但功率管承受开关电压为2 倍的直流电压，因此适合应用于直流 母线电压较低的场合。此外，变压器的利用率较低，驱动感性负载困难。 j - v 1 图2 - 2 推挽式逆变器电路拓扑图 f i g 2 - 2c i r c u i tt o p o l o g yo fp u s h - p u l li n v e r t e r 单相半桥电路结构简单，但主要缺点是直流侧电压利用率低，在同样的开 关频率下电网电流的谐波较大。电路原理图如图2 3 所示。 图2 3 单相半桥逆变器电路拓扑图 f i g 2 - 3c i r c u i tt o p o l o g yo fs i n g l e - p h a s eh a l f - b r i d g e 本文采用的是目前广为应用的单相全桥式逆变器，其拓扑结构如图2 4 所 8 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 示。该电路不足是要求较高的直流侧电压，但其结构简单且易于控制。 +， i 马2 【 马j 、 i 一 、1 l d 厂 厂 1r 马2 马k 2、 1 图2 _ 4 单相全桥逆变器电路拓扑图 f i g 2 _ 4c i r c u i tt o p o l o g yo fs i n g l e - p h a s ef u l l - b r i d g e 2 2 2 逆变器的回路方式 逆变器的主电路结构按照输出的绝缘形式分为：工频变压器绝缘方式，高 频变压器绝缘方式，无变压器方式3 种。 1 工频变压器绝缘方式采用工频变压器进行绝缘和变压，具有良好的抗雷 击和消除尖波的性能，电路简单，变换只有一级，效率较高。由于电路中的半 导体器件少，可适应比较恶劣的使用条件。开关频率低，产生的电磁干扰小。 一般工频逆变不采用s p w m 控制，输出是矩形波，要经过强有力的滤波措 施，才能使输出正弦波形畸变 5 。这种方式的逆变器主要用于独立型太阳能 发电系统。图2 5 为采用电压型工频变压器绝缘方式的逆变器的主电路。 j r i i 1 v 3 li d 匀。 、 叫卜。 光 i 三l i 一 译 伏 阵 _= c l 列 工频变 弋 马j s 马| z 、 l 广1 已9 压器 图2 5 采用工频变压器绝缘的逆变器主电路 f i g 2 5m a i nc i r c u i to fi n v e r t e rw i t ht h em a i n sf r e q u e n c yt r a n s f o r m e rf o ri n s u l a t i o n 9 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 高频变压器绝缘方式图2 - 6 为采用高频变压器绝缘方式的逆变器的主电 路。图2 - 6 中变换分为三级( d c h f a c d c l f a c ) 。高频变压器比工频变压器 体积小，重量轻，成本低。但是经多级变换，回路较为复杂，效率问题比较突 出，只要采用低损耗吸收电路和认真选择电磁元件，仍然可以使效率超过 9 0 。由于有s p w m 控制和周波数变换，输出波形畸变小，不需要强有力的 滤波，不过高频电磁干扰问题严重，要采用滤波和屏蔽等抑制措施。 - ，l i d 5 肖z 馏i 、 光l 三l ，r y y 1 伏 - -= c l 一 阵 列 r 一 r - t 马z v 舀 l 、一k 2 d 1 d 3 三ll 一 马i 一谰 、z、z 一一c 2_ 广一 厂 d 2 d 4 马l ji 鼍j - z、 2 l 高频逆变器 工频逆变器 图2 6 采用高频变压器绝缘的逆变器主电路 f i g 2 - 6m a i nc i r c u i to fi n v e r t e rw i t ht h eh i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e rf o ri n s u l a t i o n 3 无变压器方式为了进一步降低成本，提高效率，己开发的光伏并网逆变 器采用无变压器无绝缘方式逆变器主电路，如图2 7 所示。电路前面为升压电 路，后面为s p w m 工频逆变器。升压电路可以和不同输出电压的太阳能电池 匹配，把太阳能电池的输出电压升高到4 0 0 v 左右，有了升压部分后，可以保 证逆变部分输入电压比较稳定，同时提高了电压，减少了电流，可以降低逆变 部分损耗【2 l 】。升压电路还可以对输入的功率因数进行校正。 上 朋j 吾 i l 马乏j i 马i ：z 光 划ec = l 。、 i 一 伏 阵 列 广 r - 弋 马 z e 马i ：z l1 升压电路 工频逆变器 图2 7 采用无变压器无绝缘的逆变器土电路 f i g 2 7m a i nc i r c u i to f i n v e r t e rw i t h o u tt r a n s f o r m e r 逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂一些，比高 1 0 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 频变压器绝缘方式简单，仍然是两级变换( d c d c a c ) 、效率高。没有变压 器，体积小、重量轻、成本较低，是到目前为止比较好的一种主电路方式，本 文也采用这种方式。 2 2 3 系统总体方案 经过方案的比较论证以及光伏发电系统输出电压波动大的特点，本设计决 定采用无变压器的两级结构，前级d c d c 变换器和后级的d c a c 逆变器，两 部分通过d c l i n k 相连。考虑到输入电压较低，如采用半桥式则开关管电流变 大，输出电压太低；而采用全桥式则控制复杂，开关管功耗增大，因此这里采 用结构简单，控制方便的b o o s t 升压电路。它将一个光伏发电系统电压的波动 稳定在合适在电压值附近，同时实行最大功率点跟踪，以此增大光伏系统的经 济性能，降低系统发电成本【2 2 洲。 在本系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压为1 2 5 v - 4 0 0 v 之间，通过 b o o s t 变换器将电能转换为d c l i n k 的直流电。后级的d c a c 逆变器，采用单 相逆变全桥，作用是将d c l i n k 直流电转换成2 2 0 v 5 0 h z 正弦交流电，实现逆 变向电网输送功率。d c l i n k 的作用除了连接d c d c 变换器和d c a c 逆变器， 还实现了功率的传递。控制电路的核心芯片是t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。系统 保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频同相。系统主电路的拓扑 电路如图2 8 所示。 ， l 丁 l 马k ：。马： 、 三2 i 一1 一 耳c 2 占o 光 到三 c l = 伏 阵 列厂v - 弋 马i jt 巡l o ，系统当前工作点在左侧附近的 矾点。根据扰动法原理，系统将增大电压：沈- - u l + 阢调整后系统工作点位 1 9 哈尔滨理工大学r t 学硕上学位论文 于u m 右侧，若经检测，计算得到的n p 2 ( 假设环境暂时不发生改变) ，将导致电压继续减小到砜，使得p 4 b ，系统才改变调整方向。这样系统就在点p 4 一p 3 ( p l m 之间循环振荡，直 至外部条件发生变化。每个周期由于振荡造成的功率损失为： ( 乞一只) + ( 己一日) + ( 己一只) = 3 己一( 日+ 只+ 只) ( 3 - 6 ) 图3 5 扰动法在最大功率点附近来回振荡的情形 f i g 3 - 5p o w e r o s c i l l a t i o nn e a rt h em a x i m u m p o w e rp o i n tb yt h ep e r t u r b a t i o nm e t h o d 2 ) 当有云经过时，日照强度发生快速变化，参考电压调整方向发生错误 造成系统误判。如图3 6 所示。假设日照强度为1 0 0 0 w m 2 时，系统工作点矾 在砜左边，对应功率为p i p m ，系统判断电压应增加扰动量0 2 = u x + u ，就 在这时云层经过，光强急剧减少为2 0 0 w m 2 。而在该条件下，巩对应的输出 功率p l 啦。这就变成系统在向功率减少的方向调整，系统出现误判【3 5 1 。 图3 - 6 扰动法误判断的情形 f i g 3 - 6m i s j u d g e m e n tb yp e r t u r b a t i o nm e t h o d 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 3m p p t 的新算法一三点最小二乘 3 3 1 三点最i b - - 乘法m p p t 跟踪原理 根据固定电压法和扰动法的特点，论文提出了一种简单、准确的m p p t 新 方法三点最d x - - 乘m p p t 跟踪。该方法的核心的思想是利用半导体的光电特 性，在标准条件t ( 1 0 0 0 w m 2 ，2 5 0 c ，a i rm a s s ：1 5 ) 最大功率点对应的电压大 约在0 8 处，首先确定最大功率点电压范围，然后在最大功率点附近进行跟 踪运算，采用定步长与不定步长相结合的方法对太阳能最大功率点进行跟踪。 通过最小二乘对所取点进行拟合，得到最大功率点。流程图如图3 7 所示。 图3 7 三点最小二乘法m p p t 流程图 f i g 3 - 7f l o wc h a r to fm p p t b a s e d0 1 1l e a s ts q u a r e so ft h r e ed o t s 2 1 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 最小二乘的m p p t 跟踪同时具有跟踪的快速性和准确性。它首先明确了最 大功率点的范围，避免了多余的扫描比较时间，提高了系统跟踪的快速性。第 二采用定步长与变步长相结合，也缩短了追踪最大功率点的时间。当n 、n 、 心之间的差值小于0 1 w 而且n 最大时，此时三点对应的电压比较小，进行最 小二乘法的二次拟合，这样拟合曲线的对称轴便是光伏系统对应的最大功率点 的电压，从而保证了系统跟踪最大功率点的精确性。 当系统检n n p b i a 和n p c 时，相当于光伏系统功率突然降低，造成这种 现象的出现大都是由于光照强度突变造成的，如太阳被云彩遮挡等。当系统检 测到这一条件时，光伏发电系统的工作点保持不变，系统返回重新检测，从而 避免了扰动观察法误判断，也避免了输出电压的波动，从而提高了输出电压的 稳定性。 3 3 2 三点最小二乘法的m p p t 仿真实现 从实现m p p t 的d c d c 变换电路来看，常采用的基本电路有b u c k 型电 路和b o o s t 型电路，但b u c k 电路有一个最大的问题是：输入电流不连续。对 于光伏发电系统来说，如果光伏阵列的输出电流不连续，那么将会损失一部分 能量。同时，从方便扩容方面来说，多数光伏阵列的输出电压都比较低，而大 多数负载都需要工作在更高电压等级上，因此具有电压提升功能和输入电流能 连续工作的b o o s t 电路更多的用来作为光伏系统的最大功率点跟踪器。图3 8 为b o o s t 变换器的基本电路。 图3 - 8b o o s td c d c 原理图 f i g 3 8s c h e m a t i co fb o o s td c d c 假设电路中所有的元件均为理想元件，电路从输入到输出的过程无功率损 耗。由b o o s t 电路输入输出的电压关系可知： 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 u o = ( 1 一d )( 3 - 7 ) 式中d 为开关管占空比。在大多数情况下，b o o s t 电路的输出接蓄电池或者逆变 器的直流侧，在相对较小的系统采样时间内，b o o s t 电路的输出电压变化很 小，可视为恒定，故由式又可得： = u o ( 1 一d ) ( 3 8 ) 通过式( 3 8 ) 知改变开关管的占空比就能找到光伏阵列在最大功率点处的电压 巩，从而让光伏发电系统工作在最大功率点出。 通过分析，建立光伏发电系统m p p t 控制原理如图3 - 9 所示。光伏阵列的 输出电压和电流送入m p p t 控制器进行最大功率点跟踪控制，控制器输出 p w m 波来改变开关管开断时间，从而改变b o o s t 电路的阢，即光伏阵列的输 出电压，使其与光伏阵列最大功率点所对应的电压相匹配，从而使光伏阵列始 终输出最大功率【3 钔。 图3 9 m p p t 控制原理图 f i g 3 - 9c o n t r o ls c h e m a t i co fm p p t m a t l a b 3 9 , 4 0 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的 高级技术计算语言和交互式环境。s i m u l i n k 作为m a t l a b 的一个工具包，主要用 于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系 统，包括控制、信号处理和图像处理系统，s i m u l i n k 提供了交互式图形化环境 和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。本文利用m a t l a b 中 s i m u l i n k 建立仿真模型。编写s 函数作为m p p t 的控制模块，对光伏发电系统 的最大功率点进行追踪控制，当跟踪到电压满足o u c 时停止追踪，系统进行二阶最小二乘法拟合，计算拟合曲线 的对称轴，从而调节开关管的开断时间，使光伏系统的输入电压在拟合曲线的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 对称轴上，那么此时系统便工作在最大功率点处，有最大功率的输出。仿真的 结果如图3 - 1 0 所示，图3 - l o a ) 采用相同初始步长不同初始电压进行最大功率 点的追踪：图3 1 0 - b ) 图采用不同的初始步长相同初始电压进行最大功率点的追 踪。 a ) 相同初始步长不同初始电压b ) 不同初始步长相同初始电压 图3