光伏并网逆变器的设计----最终论文

1、本科生毕业设计（论文）摘 要针对全球范围内能源紧张的局面，开发利用太阳能越来越受到重视。太阳能并网发电是太阳能利用的主要形式，具有广阔的发展前景。本文就是在此背景下，对太阳能并网发电系统的核心器件并网逆变器进行研究。本文对逆变器的电路拓扑结构、最大功率点跟踪、并网控制方案以及在并网过程的反孤岛技术进行了分析研究。 首先，简述了国内外光伏发电的现状和发展趋势，根据单相光伏并网发电系的特点，本文选择了合适的主电路拓扑结构，该结构没有变压器，具有体积小、本低、控制方案易实现等优点。 其次，通过比较分析目前太阳能电池进行最大功率跟踪的各种传统方法，理论上证明了通过调节DCDC升压电路的占空比可以改变太

2、阳能电池的输出功率，以使太阳能电工作于最大输出功率点上。 最后，本文对光伏并网逆变器的控制方案进行了分析，以TL494为核心控制芯片对输出电流和最大功率点电压进行控制，采用了基于SPWM的电流输出控制算法，该方法具有开关频率固定、物理意义清晰、实现方便等优点。 关键词：光伏逆变器；最大功率点跟踪(MPPT)；并网运行；孤岛效应；AbstractFor the strenuous energy sources currently in the global scope,exploiting and utilizing the solar energy is paid more arrention

3、 by many people than before.Photovoltaic generation, one important method of using solar energy, is very promising. Under this background, the dissertation deeply researches the pv grid-connected inverter, maximum power point tracing, the control method of the inverter and the technology of grid-con

4、nected such as anti-island.In this paper, the inverter circuit topology, the maximum power point tracking, and network control programs and in the process of anti-islanding grid technology is analyzed.Firstly,it briefly introduces the present situation and the development prospects of Photovoltaic g

5、enerating at home and abroadBased on the character of singlephase PV gridconnected system，the paper expatiated a suitable topological construction，which doesnt use the transformer with features which the small size，low cost and easy control strategy and so onSecondly,by comparing many different trad

6、itional methods，In this thesis，it is demonstrated theoretically that the maximum power-output can be matched by adjusting the duty ratio of the DCDC circuitThis paper presents the needed of anti-islandingeffect，analyses the active and passive detecting methods separately,then verifies the validity o

7、f the active frequency drift with periodical disturbance and positive feedback methodFinally，In this paper, photovoltaic inverter control scheme is analyzed，To the core control chip TL494 output current and maximum power point voltage control，Method based on the current output control algorithm SPWM

8、，This method has a fixed switching frequency、clear physical meaning、and easy to achieve.Key Words:：Photovoltaic inverter；Maximum power point tracking(MPPT)；，Grid-connected operation；Islanding;IV目 录第1章 绪 论11.1 能源利用概况11.2 光伏技术的发展概况21.3 光伏发电系统概述4第2章 逆变器电路的结构分析72.1 并网逆变器的拓扑72.1.1 低频环节并网逆变72.1.2 高频环节并网逆变

9、82.1.3 非隔离型并网逆变102.2 并网逆变器的选择102.2.1 并网逆变器结构的选择102.2.2 并网逆变器回路方式的选择112.2.3 光伏发电系统对逆变器的要求112.3 并网逆变系统的方案及其工作原理122.3.1 系统的总体方案122.3.2 系统的工作原理132.4 主电路参数的选取15第3章 太阳能电池特性及最大功率跟踪控制163.1 太阳能电池的基本原理及工作特性163.1.1 太阳能电池的工作原理163.1.2 太阳能电池的基本电学特性173.1.3 太阳能电池的主要影响因素183.2 最大功率跟踪的理论基础20第4章 逆变器的控制及孤岛效应的检测234.1 光伏并

10、网逆变器的输出控制234.1.1 并网逆变器的控制目标234.1.2 并网逆变器的输出模式234.2 并网逆变器的SPWM技术244.3 DC/AC的控制方案264.3.1 电压瞬时值单环反馈264.3.2 电流瞬时值单环反馈274.3.3 电压电流双环反馈294.4 孤岛效应的危害及检测304.4.1 孤岛效应的危害304.4.2 孤岛效应的检测314.5 控制芯片TL494334.5.1 TL494管脚配置及功能334.5.2 TL494控制器工作原理334.5.3 TL494的工作过程34第五章 结论35参考文献36致谢38附录39附录46附录48附录50第1章 绪 论1.1 能源利用概

11、况自然界中能源以多种形式存在，如生物质能、矿物能源、太阳能、风能、地热水能、海洋能等。世界文明史上，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，人们利用能源经历了柴薪、煤炭、石油三个历史时期，这类常规能源不仅枯竭有期，而且它将引起一系列局部的或全球的环保问题。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染，如果不加控制，温室效应将对人类生活空问产生极大的威胁。因而目前世界上许多国家都在采取措施，积极提高能源效率，改善能源结构，去探索新能源和可再生能源的利用，并逐步使其取代常规能源，以减少环境污染并合理利用资源。世界上新能源和可再生能源现状

12、和发展趋势如下：(1) 水力发电稳步增长水力发电虽然破坏土地和水生物栖息地，引起土壤侵蚀和河流淤积，但不排放二氧化碳。在许多情况下，水力发电可与石油、煤炭发电竞争。然而由于水力发电受电站地址选择，初期投资大，以及环境方面和社会方面等因素的影响，因此水力资源不可能被全部开发。(2) 风力发电机装机容量扩大风力发电装机容量的增长主要在欧洲。近年来，丹麦、印度、中国、新西兰、瑞士、加拿大等国家，都在实施风力发电项目。风力发电主要受土地利用的矛盾、风力对鸟类的伤害、大型风力发电与重要地区人口和工业中心相隔较远等因素的限制。(3) 地热、生物质能、海洋能的发电有所增长，潜力巨大(4) 太阳能发电兴起太阳

13、能有以下特点：a) 太阳能是一种用之不竭的可再生能源，初始能源成本极低；b) 太阳能是一种既不产生环境有害气体，又不释放放射性物质的清洁能源；c) 太阳能电池及其组件可串并联组合，电源或电站的功率可根据需要从几毫瓦至几十兆瓦配置；d)晶体硅太阳能电池可使用20年以上，而且整个系统没有转动装置，系统寿命长，可靠性高，使用方便。 人类之所以没有大规模利用太阳能资源，是因为开发利用的成本比较高。目前太阳能发电装置一般都采用非品硅作为光电转换材料，这种材料比较昂贵，另外它的光电转换效率只有25左右，再者日光能量密度低，要放置太阳热能收集器需要巨大的空间。 在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势

14、被定位为最具前景的未来能源，有无尽的潜力。当前，世界上大多数国家都把太阳能的利用作为重点研究、开发的项目。 全球能源专家一直认定太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。据欧洲JRC预测，到未来的2100年时，太阳能在整个能源结构中将占68的份额。世界观察研究所的一项报告指出：太阳能发电作为新兴的产业J下在迅速崛起，“太阳能经济”将成为未来全球能源的主流，实现以“太阳经济”为主的能源转移将创造新的产业，新的就业机会，就像石油帮助人类形成今天的社会一样，这种新的能源经济也将创造人类的未来。 太阳能的利用主要有光热利用、光化学利用和光伏利用三种形式。热利用的主要形式是太阳能热水器、太阳能建筑以及太阳能

15、热发电。太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术产品。太阳能热发电随着技术的发展，成本逐渐降低，变得越来越可行。光化学利用主要指：太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。光伏利用的主要形式是光伏发电，有独立供电和并网两种工作方式。 其中光伏发电技术近期在世界范围内得到了高速的发展。光伏发电实质上是利用太阳能级半导体电子器件即光电池有效地吸收太阳光的辐射能，将之直接转换成电能的发电方式。光伏电池单元是光电转换的最小单元，一般是边长为10l 5cm的硅板上

16、形成的半导体的一种，本身产生的电压约低于O5V。将电池单元进行串并联后并封装就成为光伏电池组件，功率一般在几瓦、几十瓦甚至数百瓦。再将这样的光伏组件按需要进行串并联，就形成了光伏阵列，这样才能具有实用的功率等级。在此基础上，再加上电能变换装置就构成了具有实用功能的光伏发电系统。1.2 光伏技术的发展概况(1)国外太阳能光伏发电的发展所以自从1954年第一块实用光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步。1973年的石油危机和90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。特别是80年代以后国际上光伏并网发电技术取得很大进展，日本、欧、美等发达国家己安装了许多太阳能并网发电系统。随着

17、光伏发电系统的性价比提高，其应用范围越来越广，并开始从特殊场合应用向商业化应用发展。目前，世界上己建成了数十座级太阳能光伏发电系统。进入20世纪90年代，太阳能光伏发电技术和其它可再生能源技术一样，成为全球减少温室效应的重要技术手段，不少发达国家开始实施基于并网的太阳能光伏发电屋顶计划，这是一种全新的将太阳能技术与建筑设计相结合的光伏并网发电系统。1997年12月日本京都会议以后，美国总统宣布了百万光伏屋顶计划，预期在10年内装机总容量约为3GW。随后，德国提出了10万户光伏屋顶计划，F1本提出了7年光伏屋顶计划和新能源推广的基本原则，而德国西门子太阳能公司在慕尼黑贸易展览中心，建成了1MW的

18、太阳能光伏屋顶系统，则成为大功率太阳能光伏并网发电系统的代表。 (2)国内太阳能光伏发电的发展状况及前景我国在光伏并网发电技术方面的研发起步较晚，至今尚处于研究试验阶段。近几年来，光伏并网发电技术得到了业内人士的广泛关注。目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同(如18V、24V、48V等)，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另

19、外，光伏发电最终将实现并网运行，交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。可再生能源由边远无电地区的独立供电模式向有电地区的常规并网发电方向发展，这将大大提高可再生能源的利用率，改善社会、经济持续发展的环境。我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期，但能源问题严峻，城市中由于大量使用化石能源，环境持续恶化。2000年世界卫生组织(WHO)公布的世界上污染最严重的十个大城市中，中国占了八个，其中北京居于第七位。大力发展光伏并网发电将有助于尽早解决这一问题。国家有关领导部门已经开始给予足够重视，首先是国家科技部已规划有步骤地推进相关的科技创新研究、示范及其产业化进程。“八五和“九五"期间把“光伏屋

20、顶并网发电系统”列入了“国家科技攻关计划"，在深圳和北京分别建成了一些光伏屋顶并网发电系统的示范工程m1。到目前为止，我国光伏并网发电的关键技术及设备仍主要来自进口，但面对如此巨大的国内需要，脚踏实地地发展具有自我知识产权的相关高技术，进而实现其产业化，已是刻不容缓的事。1.3 光伏发电系统概述太阳能光伏发电系统的典型结构框图见图1.1，其主要由一下四部分组成。52光伏阵列负载逆变器控制系统储能系统图1.1光伏发电系统典型结构框图 (1)光伏电池阵列光伏电池是组成太阳能光伏发电系统最基本的单位。但是单体光伏电池发出的电能很小，而且是直流电，在大多数情况下很难满足实际应用的需要。为了获

21、得足够大的发电量，需要将单体光伏电池连接成电池组件，再由电池组件组合连接成为太阳能光伏阵列。(2)储能系统太阳能发电系统只是在日间有阳光的时候才能发电，但是一般来说，人们主要在夜间大量用电，这样系统中就需要有储能单元将白天所发出的电能储存起来供夜间使用。(3)逆变器光伏电池阵列所发出的电能是直流电，但是大多数用电设备以交流供电为主，所以系统中需要逆变单元将直流电转换为交流电供负载使用，逆变器的效率将直接影响到整个系统的效率，因此光伏系统逆变器的控制技术就具有重要的研究意义。(4)直流控制系统 在电能从光伏阵列到储能单元，再到逆变单元间的传输和交换过程，为了保证系统的高效与安全运行，还需要直流控

22、制系统对整个过程进行调整、保护和控制，如最大功率点跟踪控制技术。 实际应用中的光伏发电系统因应用对象的不同而不同，但大体上都是从这个典型结构中演变的。从结构特征上看，太阳能光伏发电系统可以分为三种基本类型：独立型、并网型和混合型光伏发电系统。a)独立运行光伏发电系统独立运行光伏发电系统的结构如图1.2所示，在独立运行系统中，蓄电池作为储能单元一般是不可以少的，它将由日照时发出的剩余电能储存起来供日照不足或没有R照时使用。为了延长蓄电池的寿命，直流控制中应具有一个调节和保护环节来控制蓄电池的充放电过程的速率和深度。交流负载逆变器直流负载光伏阵列充电控制蓄电池图1.2独立运行光伏发电系统b)并网型

23、光伏发电系统在有公共电网的地区，光伏发电系统可以同电网连接，这就要求逆变器具有与电网连接的功能，其结构见图1.3，并网型光伏系统的优点是系统可以省去蓄电池而将电网作为自己的储能原件，当日照很强时，系统将所发的电回馈入电网，而当需要用电时再利用电网中的电力。省去蓄电池后光伏发电系统的造价可以大幅度降低。光伏阵列交流负载电网逆变器图1.3并网型光伏发电系统c)混合型光伏发电系统混合型光伏发电系统是在系统中增加一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或者是蓄电池容量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流后给蓄电池补充电能，如图1.4所示。在混合系统中还可以由两种可再生能源

24、发电技术构成混合系统，最常见的是风光互补系统。光伏阵列直流负载控制蓄电池交流负载逆变器发电机整流图1.4 混合型光伏发电系统第2章 逆变器电路的结构分析2.1 并网逆变器的拓扑针对并网逆变技术的现状和发展趋势，具体比较逆变器结构拓扑如下，根据输入输出隔离变压器的类型可以分为低频环节并网逆变、高频环节并网逆变以及非隔离型并网逆变。2.1.1 低频环节并网逆变(1) 电路结构低频环节并网逆变器结构如图21所示，该电路结构由工频或者高频逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成。 图2.1低频环节并网逆变器电路结构(2) 拓扑族低频环节并网逆变器可以由方波、阶梯波合成、脉冲调制等逆变器来实现。其中拓

25、扑族包括半桥式、全桥式等电路，如图22所示。图2.2a半桥式逆变电路图2.2b全桥式逆变电路这类低频环节并网逆变器具有电路结构简洁、双向功率流、单级功率变换、高效率、变压器体积和重量大、音频噪音大等特点。2.1.2 高频环节并网逆变 (1) 电路结构如图2.3高频环节并网逆变器电路结构如图23所示，该电路结构由高频逆变器、高频变压器、整流器、极性反转逆变桥以及输入、输出滤波器构成。图2.3高频环节并网逆变器电路结构(2) 拓扑族 高频并网逆变器拓扑族包括单管正激式、双管正激式等电路，见图24图2.4a单管正激式图2.4b双管正激式这类电路具有高频电气隔离、结构简洁、单相功率流、三级功率变换、直

26、流变换级工作在SPWM、工频逆变桥功率开关电压应力低且为ZVZCS等特点。2.1.3 非隔离型并网逆变对于非隔离型并网逆变通常是需要通过无变压器隔离的DCDC变换器将很低的输入电压变换为高压输出供逆变桥使用，电路如图25所示。 图2.5非隔离型并网逆变结构2.2 并网逆变器的选择2.2.1 并网逆变器结构的选择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、电流源电流控制四种方式。以电流源为输入的逆变器，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，因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。按照输入直流电源的

27、性质，可以将逆变器分为电流型逆变器和电压型逆变器。市电电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，光伏并网逆变器的输出可以控制为电压源或电流源。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则光伏并网系统和电网实际上就是两个交流电压源的并联运行，这种情况下要保证光伏并网发电系统稳定运行，则必须采用锁相控制技术实现与市电电网同步。在稳定运行的基础上，可通过调整并网逆变器输出电压的幅值与相位来控制系统的有功输出与无功输出。但由于锁相回路的响应较慢，并网逆变器输出电压值不易精确控制，系统可能出现环流等问题，同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。因此光伏并网逆变器的输出常采用电流控制，此时光伏并网系统和

28、电网实际上是交流电流源和电压源的并联，只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。这种控制方式相对简单，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，可以同时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，可以有效的进行光伏发电、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。2.2.2 并网逆变器回路方式的选择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一级DCAC主电路，在输出端接工频变

29、压器并网。这种方式既可与电网隔离，同时又可以将逆变器输出波形中的直流分量滤去，从而减少对电网的污染，并且具有良好的抗雷击和消除尖波的性能，电路简单。缺点是工频变压器体积大，重量重，效率较低。这种方式的逆变器主要用于独立型光伏发电系统。2)高频变压器绝缘方式是通过两级变换实现并网逆变。前级将直流电压斩波为高频脉冲，通过高频变压器升压后整流，最后通过逆变器并网。这种方式的优点是高频变压器体积小，重量轻，大大减小了逆变器的体积和重量。缺点是经过了两级结构，效率比较低，且电路和控制方式复杂。由于高频电磁干扰严重，需要采用滤波和屏蔽等抑制措施。3)无变压器方式是只采用一级DCAC变换直接并网。这种方式对

30、逆变器输出波形要求较高，直流电压范围比较小，但是逆变器整机的效率却比较高，并进一步降低了成本。由以上的讨论得出，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，比高频变压器绝缘方式简单，效率高。此外这种方式没有变压器，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。并且对于小功率的光伏并网发电系统，光伏电池阵列的输出电压比较低，适合采用无变压器方式。2.2.3 光伏发电系统对逆变器的要求采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器四部分组成(并网发电系统一般可省去蓄电池)，而逆变器是关键部件。光伏发电系统对逆变器要求较高：1.要求具有较高的

31、效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。2.要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。3.要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V16V之间变化，这

32、就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。4.在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V，在中、

33、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如12V、24V，就必须设计升压电路。推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在20KHz以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电(一般均在300V以上)再通过工频逆变电路实现逆变。2.3 并网逆变系统的方案及其工作原理2.3.1 系统的总体方案经过方案的比较论证，本设计决定采用无变压器的

34、两级结构，前级DCDC换器和后级的DCAC逆变器，两部分通过DClink相连。前级DCDC变换器，选择的型式有半桥式、全桥式、推挽式和Boost式，考虑到输入电压较低，如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，开关功耗增大，因此这里采用结构简单，控制方便的Boost升压电路，它根据电网压的大小使在不同天气条件下的输入电压达到一个合适的水平，同时在低压情下实行最大功率点的跟踪，增大光伏系统的经济性能。后级的DCAC逆变器，用单相逆变全桥，作用是将DClink直流电转换成220V50Hz正弦交流电，实逆变向电网输送功率。DClink的作用除了连接DCDC变换器和DCAC逆变

35、器，还实现了功率的传递。系统主电路的电路框图如图2.6所示：图2.6系统主电路的拓扑结构2.3.2 系统的工作原理(1) 前级Boost电路的工作原理Boost电路由开关管Q1，二极管D，电感L，电容C组成，完成将太阳能电池输出的直流电压场v升压到Vdc，其原理图如图27所示：图2.7 Boost电路图工作过程当开关管Q1导通时，二极管反偏，于是将输出级隔离，由输入端向电感器供应能量，当开关管Q1断开时，输出级吸收来自电感器和输入端的能量。如图28所示：图2.8boost电路的工作过程(2)后级单相全桥逆变器的工作原理电路原理图图2.9单相全桥逆变器的拓扑结构工作原理如图29所示为以绝缘栅双极

36、性晶体管(IGBT)为主开关器件的单相全桥逆变器主电路图，其中Ln交流输出电感，Cd为直流侧支撑电容，也即前级Boost电路的输出电容，T1T4是主开关管IGBT，D1D4是其反并联二极管，对四个开关管进行适当的PWM控制，就可以调节输出电流iN(t)为正弦波，并且与网压Un保持同相位，达到输出功率因数为l的目的。它是由两个桥臂并联组成的，因此这种桥式拓扑，仍属于升压式结构。其启动的先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，而欲使电感电流能按照给定的波形和相位得到控制，必须保证在运行过程中，直流侧电压不低于电网电压的峰值，否则，续流二极管将以传统的整流方式运行，电感电流不完全可控。

37、2.4 主电路参数的选取(1) 滤波电感的选取在全桥逆变器中，输出滤波电感是一个关键性的元件，并网系统要求在逆变器的输出侧实现功率因数为1，波形为正弦波，输出电流与电网电压同频同相。而，电感值选取的合适与否直接影响电路的工作性能。(2) 开关管的选取逆变电源的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管(BJT)，功率场效应管(MOSFET)，绝缘栅极晶体管(IGBT)和可关断晶闸管(GTO)等，在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其

38、通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量(100kVA以上)系统中，一般均采用GTO作为功率元件。随着针对于光伏系统的功率模块的发展，主电路元器件选择功率模块也是一个比较有前景的。因此针对本电路的特点，在此选用IGBT作为开关元件。第3章 太阳能电池特性及最大功率跟踪控制3.1 太阳能电池的基本原理及工作特性3.1.1 太阳能电池的工作原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是太阳能电池。太阳能电池是如何把光能转换成电能的?下面以单晶硅太阳能电池为例做一简单介绍。 太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结

39、的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，筒言之，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。这种现象，就是著名的光生伏打效应。使PN结短路，就会产生电流。 单晶硅的原子是按照一定的规律排列的，硅原子的最外电子壳层中有4个电子，每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原子核的约束。它们在外来能量的激发下，如受到太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，同时在它原来的地方留出一个空位，即半导体物理学中所谓的“空穴”。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能

40、够俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成了空穴型半导体，简称P型半导体。如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，那么就构成了电子型的半导体，简称N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。当太阳光照射PN结时，在半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，同时相应地便产生了电子一空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N型区有过剩的电子，P型区有过剩的空穴。于是，就在PN结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的部分抵消势垒电场，其余部分使P型区带正

41、电，N型区带负电；于是，就使得在N型区与P型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接通外电路时便有电能输出。这就是PN结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百16个太阳能电池单体串联、并联起来，组成太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得输出功率相当可观的电能。3.1.2 太阳能电池的基本电学特性(1) 太阳能电池的极性太阳能电池一般制成P+N型结构或N+P型结构，其中，第一个符号即P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；第二个符号，即N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。 太阳能电池的电性能与制造电池所用的半导体材料的特性有关。在太阳

42、光照射时，太阳能电池输出电压的极性，P型一侧电极为正，N型一侧电极为负。(2) 太阳能电池的电流一电压特性太阳能电池的电路及等效电路如图(31a)、(31b)所示。其中，RL为电池的外负载电阻。当RL=0时，所测的电流为电池的短路电流Isc。Isc太阳能电池的面积大小有关，面积越大，Isc值越大。同一块太阳能电池，其Isc值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时，Isc值略有上升，一般温度每升高1，Isc值约上升78uA。当Rl测得的电压为电池的开路电压Voc。太阳能电池的开路电压，与光谱辐照度有关，与电池面积的大小无关。当入射光谱辐照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成i

43、E比；环境温度升高时，太阳能的开路电压将下降，一般温度上升1摄氏度，Voc值约下降23mV。Id为通过PN结的总扩散电流，其方向与Isc相反。Rs为串联电阻，它主要有电池的体电阻、表面电阻电极导体电阻和电极与硅表面间接电阻所组成。Rsh为旁漏电阻，它是由硅片边缘不清洁或体内的缺陷所造成的。一个理想的太阳能电池，Rs很小而Rsh很大。由于船和Rsh是分别串联与并联在电路中的，所以在进行理想电路计算时，它们都可以忽略不计。 此时，流过负载的电流IL=Isc-IDRs IL IscRs CELLRshRLP hv RshN 图3.1a电路图 图3.1b等效电路图(3) 太阳能电池的光电转换效率太阳能

44、电池的光电转换效率用示，它的含义是太阳能电池的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率之比。太阳能电池的光电转换效率，主要与它的结构、PN结特性、材料性质、电池的工作温度、放射性粒子辐射损坏和环境变化等因素有关。计算表明，在大气质量为一定值的条件下测试，单晶硅太阳能电池的理论转换效率可达2512；目前实际制出的常规单晶硅太阳能电池的转换效率一般为1217；高效单晶硅太阳能电池的转换效率为1820。3.1.3 太阳能电池的主要影响因素(1)辐照强度的影响通常情况下太阳电池工作在辐照强度低于1000Wm2情况下，因此不同辐照强度对太阳电池的影响必须加以考虑。通常情况下太阳电池工作在辐照强度低于10

45、00Wm2情况下，因此不同辐照强度对太阳电池的影响必须加以考虑。短路电流Isc与辐照强度呈线型关系，而开路电压Voc可表述为：上式中，Is为二极管饱和电流。因为开路电压Voc与短路电流Isc，为指数关系，故开路电压Voc随辐照强度增加而轻微地增加。甚至可近似地看作常数如图3.2所示。图3.2开路电压和短路电流与辐照强度的关系太阳能电池的输出几乎与辐照强度呈线性关系，不同辐照强度下的IV曲线如图3.3所示：图3.3不同辐照强度下的太阳能电池I-V特性曲线（2）温度影响在绝大多数情况下，太阳电池的实际工作温度都不是标准条件下的25"C，温度的影响对太阳电池是非常大的。图3.4太阳能电池温

46、度特性图3.4示出了太阳电池温度特性，开路电压随温度升高而下降，短路电流随温度升高而升高，电池的输出功率(直接影响到效率)随温度升高而下降。通常认为太阳电池具有负温度系数。如图3.5所示为太阳电池IV曲线随温度变化的情况。图3.5不同温度下的太阳能I-V特性曲线3.2 最大功率跟踪的理论基础分析图3.6所示的线性电路： 图3.6太阳能电池简单的线性电路 图中，所为电压源电压，尺f为电压源的内阻，R0是负载电阻。负载消耗的功率为： =对RO求导，可得 令即R=R0时，PRO取得最大值。由此，可以看出，对于一个线性电路，当负载电阻和电源内阻相等时，电源输出功率最大。虽然太阳能电池和DCDC转换电路

47、都是非线性的，但是在其工作点附近很小的范围内，可以将它们看作是线性电路。因此，只要调节DC-DC换电路的等效电阻，使它始终等于太阳能电池的内阻，就可以实现太阳能电池阵列的最大功率输出，也就是实现了太阳能电池的最大功率跟踪。以上仅仅从理论上进行了分析，但在实际中存在一些问题。因为在电路中测量电阻要比测量电压复杂很多。由图3.6可以看出，当Ri=R0时，负载R0电阻两端电压V0=Vi/2。因此，可以调节R0两端的电压使之等于Vi/2，即V0= Vi/2，电源同样有最大输出功率。图3.7 调节负载电压实现太阳能电池的最大功率跟踪图3.7中，实直线为负载电阻线，虚曲线为等功率曲线，Isc为太阳能电池的

48、短路电流，Voc为太阳能电池的开路电压，Pm为太阳能电池的最大功率点。Vm、Im分别为太阳能电池在最大功率点工作的电流和电压。为调节负载电压实现太阳能电池的最大功率跟踪示意图，由图可以看到，当只考虑太阳能电池时，其最大功率。若将太阳能电池通过变换器与负载连接，太阳能电池的工作点则由负载限定。当负载不可以调节时，结合负载特性和太阳能电池特性，使太阳能电池运行在A点。当负载可以调节时由图可知，太阳能电池在A点的输出功率小于在最大功率点的输出功率。通过调节输出电压，将负载电压调节到圪。处，使负载上的功率从A点移到B点。而B点与太阳能电池的最大功率点在同一条等功率线上，因此太阳能电池此时有最大率输出。

49、第4章 逆变器的控制及孤岛效应的检测4.1 光伏并网逆变器的输出控制4.1.1 并网逆变器的控制目标光伏并网系统是将太阳能电池板发出的直流电转化为正弦交流电，从而向电网供电的一个装置，它实际上是一个有源逆变系统H01。并网光伏逆变器的控制目标为：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的、高品质的正弦波，且与电网电压同频、同相。因此选择并网逆变器的输出电流Iout作为被控制量，并网逆变工作方式下的等效电路和电压电流矢量图，其中Unet为电网电压，Uout为并网逆变器交流侧电压。因为并网逆变器的输出滤波电感的存在会使逆变电路的交流侧电压与电网电压之间存在相位差，即为了满足输出电流与电网电压同相位的关系，

50、逆变输出电压要超前于电网电压。4.1.2 并网逆变器的输出模式目前，逆变器的输出控制模式主要有两种：电压型控制模式和电流型控制模式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量，系统输出与电网电压同频同相的电压信号，整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源；电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标，系统输出与电网电压同频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。本文所采用的是电流型控制模式，将并网逆变器的输出电流作为被控制量。 上小节己经讲述了逆变器并网工作时的等效电路和电压电流矢量图，并网逆变器中逆变部分控制的关键量是矢量图中的Iout，根据矢量图可知，可以通过对输出电压

51、的控制完成对Iout的控制，完成对交流侧电流、功率因数的控制。因此，根据电流控制方法的不同，可以将电流控制方式分为以下两种控制模式： a)间接电流控制(幅相控制)：是基于稳态的电流控制方法，根据稳态电流向量的给定、PWM基波电压向量的幅值和相位，分别进行闭环控制，进而通过SPWM电压控制实现对并网电流的控制。该控制策略虽然简单且不需检测并网电流，但动态响应慢，存在瞬时直流电流偏移，尤其是瞬态过冲电流几乎是稳态值的两倍；从稳态向量关系进行电流控制，其前提条件是电网电压不发生畸变，而实际上由于电网内阻抗、负载的变化以及各种非线性负载扰动等情况的存在，尤其是在瞬态过程中电网电压的波形会发生畸变。电网

52、电压波形的畸变会直接影响着系统控制的效果，因此间接电流控制方法控制电路复杂、信号运算过程中要用到电路参数、对系统参数有一定的依赖性、系统的动态响应速度也比较慢。b)直接电流控制：通过运算求出交流电流，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制，使其跟踪指令电流值。根据直接电流控制的概念，对于并网型逆变器来说为了获得与电网电压同步的给定正弦电流波形，通常用电网电压信号乘以电流有功给定，产生正弦参考电流波形，然后使其输出电流跟踪这一指令电流。该控制方式具有控制电路相对简单、对系统参数的依赖性低、系统动态响应速度快等优点。4.2 并网逆变器的SPWM技术正弦脉宽调制技术(SPWM技术)，即用所期望

53、得到的正弦波作为调制信号，三角波作为载波，当三角波与正弦波相交时，用交点来控制开关管的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于正弦曲线函数值的矩形波。根据调制电压极性的不同，正弦脉宽调制方式可分为两种：双电压极性调制和单电压极性调制。 双极性调制是指两桥臂交叉对应的开关管T1和T4，T2和T3分别组成一组，时开通或关断，两组开关互补导通。这样在逆变器的输出端就可以得到极性交变的电压脉冲，这种控制方案就称为双极性调制，如图4.1所示。 由于双极性调制的输出电流变化率比较大，外界的干扰较强，所以本文采用了单极性调制方式。 单极性调制是指四个开关管用四个不同的信号控制，其中T1和T2的控制信号由一正

54、弦参考波与三角波相比较产生，T3和T4的控制信号由与前一参考波相位相差180的正弦参考波与三角波相比较产生，如图4.2所示。采用单极性调制方式时，系统逆变电压的极性在正弦波的半个周期内保持不便，在开关切换时，逆变输出电压先变为零，电流通过主电路回路续流，当下一个定时周期到来时，开关状态发生改变，重新输出电压。这样，调制脉冲电压在一个正弦波半周内始终为一个极性，输出逆变电压有零电压的过渡，所以系统输出电流的变化率较小。此外，与双极性调制方案相比，单极性调制的优点是谐波分量小，易于消除，对外部设备的谐波干扰减小；每次开关管开通或关断时，电压变化的幅度是双极性调制的一半，因此开关管所受的开关应力小。

55、图4.1双极性SPWM调制方案图4.2单极性SPWM调制方案如图4.2所示，由参考波Ur(t)与三角波载波Uc(t)两者的交点决定主开关T3,T4的导通时刻。当Ur(t)> Uc(t)时，T4管导通，主电路图，此时图中B点电压为零；当Ur(t)<Uc(t)时，T3管导通，B点电压为Ud，所以B点的电压被形如图4.3所示。同理，由- Ur(t)与Uc(t) )两者交点决定主管T1和T2的导通时刻，当-Ur(t)> Uc(t)时，T1导通，A点电压为Ud，由此得到A点电压波形如图4.3(b)所示，则逆变器交流侧的输入电压波形U0(t)=Ua(t)-Ub(t),图4.3(d)所示即为由SPWM得到的单极性脉冲电压的波形。系统由于采用的是单极性调制方式，并网逆变器同一桥臂的上、下两个功率器件交替通断，处于