单相光伏发电的并网控制研究-毕业论文

单相光伏发电的并网控制研究PAGE3【摘要】能源是国家经济发展以及人类赖以生存和发展的重要物质基础，在当今能源紧缺的时代背景下，太阳能光伏发电的研究具有非常重要的战略意义。随着电力电子技术的不断发展，建立大规模的光伏并网发电系统将会是太阳能利用的主要方式。基于此背景，本课题研究了单相光伏并网发电系统，对该系统中的光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)、并网逆变作了分析与研究。首先对单相光伏并网发电系统的几种不同结构进行了比较，确定了单相光伏并网系统的拓扑结构。其次从光伏电池的等效模型出发，建立其数学模型。利用Matlab/Simulink建立光伏电池模型，仿真分析了光照强度的改变及温度的改变对其输出特性的影响。然后分析比较了几种常规的最大功率跟踪（MPPT）方法，并采用扰动观察法通过控制Boost电路占空比实现光伏电池的最大功率跟踪控制。仿真表明模型对外界环境变化具有较好的适应性和良好的动态性能。最后通过并网电流控制方式的分析和比较，研究实现了光伏发电并网运行控制策略的仿真模型，确定了控制器参数。建立了电网电压前馈补偿的SPWM电流跟踪控制模型，仿真验证了模型能够实现单位功率因数并网。关键词：光伏发电；最大功率点跟踪；Boost变换器；逆变

【Abstract】Energyisanimportantmaterialfoundationofthenationaleconomicdevelopmentandhumansurvivalanddevelopment.Intoday'senergyshortageunderthebackgroundofthetimes,thesolarphotovoltaicresearchhasveryimportantstrategysense.Theestablishmentoflarge-scalegird-connectedPVsystemswillbethemainwayofusingsolarenergywiththecontinuousdevelopmentofpowerelectronicstechnology.Thesinglephasephotovoltaicgrid-connectedgenerationsystemisresearchedinthepaper.Thesystemmakesaprofoundanalysisandresearchofphotovoltaicmaximumpowerpointtracking(MPPT)andgrid-connectedinverter.Firstly,thetopologyofthesysteminthepaperisdeterminedbyanalyzingseveraldifferentstructuresofthesingle-phasegrid-connectedPVsystems.Secondly,themathematicalmodelsofsolarcellareestablishedthroughtheequivalentmodelofsolarcell.MATLAB/Simulinkisusedtostudytheoutputcharacteristicsofphotovoltaicarrayundertheconditionsofthechangesoflightintensityandtemperatureandpartialshadow.Thirdly,severalconventionalmaximumpowerpointtracking(MPPT)methodsareanalyzedandcompared.PerturbationandObservationmethod(P&O)isusedtocontroltheboostconvertertorealizethePVMaximumPowerPointtracking(MPPT).Theresultsofsimulationshowthatthemethodhasgoodadaptabilityaccordingtoexternalenvironmentalchangingandgooddynamicperformance.Finally,thesimulationmodelofPVgrid-connectedoperationcontrolstrategywasstudied.TheSPWMcurrenttrackingmodelwasusedtotrackthesingle-phasePVgrid-connectedcontrolandthegridvoltagefeed-forwardcompensationisconsidered.Simulationshowsthatthecontrolmodelcanachieveunitypowerfactor.KeyWords:Photovoltaicgeneration;MaximumPowerPointTracking;BoostConverter;Invert

目录1引言 11.1研究背景和意义 11.1.1全球能源危机与环境问题 11.1.2太阳能光伏发电的优势 11.2光伏产业的现状和发展趋势 21.2.1国外光伏产业的发展 21.2.2国内光伏产业的发展 31.3光伏发电系统的分类及关键技术 41.3.1光伏发电系统的分类 41.3.2光伏并网发电系统涉及的关键技术 61.4本文研究内容 72光伏并网发电系统拓扑分析 82.1光伏并网发电系统结构分析 82.1.1隔离型光伏并网发电系统 82.1.2非隔离型光伏并网发电系统 92.2双级型非隔离光伏系统拓扑结构 102.2.1DC/DC变换器 102.2.2DC/AC逆变器 112.2.3滤波电路 122.3本章小结 133光伏电池模型及仿真 143.1光伏电池的建模 143.1.1光伏电池工作原理 143.1.2光伏电池数学模型 143.2光伏电池仿真 173.2.1电池模型搭建 173.2.2光伏模型仿真分析 183.3

本章小结 204光伏电池最大功率点跟踪模型及仿真 214.1最大功率点跟踪理论 214.1.1最大功率点跟踪的概念 214.1.2最大功率点跟踪的原理 214.2常用最大功率点跟踪算法 224.2.1恒定电压法 234.2.2扰动观察法 234.2.3电导增量法 244.3MPPT环节仿真建模 244.3.1DC-DC变换器建模 244.3.2MPPT模型 254.3.3PWM脉宽调制的建模 264.4最大功率点跟踪仿真分析 274.4.1标况下仿真分析 284.4.2环境变化时仿真分析 294.5本章小结 295单相光伏发电并网的建模与仿真 305.1光伏并网逆变器控制原理 305.1.1逆变器控制目标 305.1.2常用单相并网逆变电流控制方式 305.2单相光伏发电并网模型 315.2.1单相光伏发电并网结构 315.2.2单相光伏发电并网控制模型 335.3仿真分析 355.3.1仿真模型与参数设置 355.3.2标况下单相PV并网模型仿真分析 365.3.3外界环境变化情况下单相PV并网模型仿真分析 385.4本章小结 416总结 426.1结论 426.2展望 42致谢 44参考文献 4546-1引言1.1研究背景和意义1.1.1全球能源危机与环境问题能源是维持整个人类社会运营和发展的动力，对人类社会起着至关重要的作用。在上个世纪中，人类利用的能源为石油、煤炭和天然气等化石能源。这些能源在本质上都是亿万年以来，太阳能辐射到地球被动植物所储存，经过漫长时间的演化而成现在所看到的能源矿藏。但是经过人类数千年以来，特别是第一次工业革命以来，上述的化石能源已经被消耗了相当大的比例[1]。在本世纪初进行的关于世界化石能源储量的调查研究数据显示：以当前人类的能源消耗速度，石油还可以开采约40年，煤炭为227年，天然气为61年[2]。而我国化石能源的储量情况更加严峻，严重制约了经济的发展[3]。此外，由于化石能源的大量使用，对环境造成了严重的污染，对生态造成了巨大的破坏。如何在使用能源的同时，保护好整个地球的生态环境应经成为全球各个国家面临的重要问题。当今，人类社会的飞速发展必定会依赖于大量能源的消耗，为了应对能源危机和环境问题，必须改善现阶段的能源结构，大规模开发利用一些可再生的清洁能源[4]。迄今为止，人类使用的能源从本质上来看，都是由太阳能转化而来的。每四十秒太阳辐射到地球上的能源，就可以满足人类一天的消耗。太阳早在数十亿年前就已经出现，太阳能是一种取之不尽，并且用之不竭的能源。太阳能可以直接应用，而且基本上不会对环境造成任何污染，是一种可靠的清洁能源。对太阳能的开发利用，是解决当今人类社会能源短缺和环境污染等问题的一种比较有效地手段。从上个世纪七十年代开始，世界各国都投入了大量的社会资源对太阳能发电进行了研究，从九十年代开始，太阳能发电得到了较快速度的发展，太阳能将会成为二十一世纪中叶以后的主要能源[5][6]。1.1.2太阳能光伏发电的优势一般人类对太阳能转换利用的方式有三种，分别为：光热转换利用、光电转换利用和光化学转换利用。太阳能光伏发电是将太阳辐射的能量直接转换为电能的发电形式。人类对光伏发电的研究可以追溯到100多年前，在近半个世纪以来，光伏发电技术不断改进和完善，使其成为人类在21世纪重要的能源[7]。光伏发电较很多其他的发电方式有很多的优势，主要表现在：太阳能的储量及其丰富，从太阳形成的时间可以追溯到亿万年前，而存在至今，太阳仅仅只消耗了自身百分之二的能量。地球上从人口密集的城市地区到寸草不生的沙漠地区，太阳能均可以辐射照射到。这就使得太阳能可以就地采集、就地发电，这对解决偏远山区和交通不便地区的居民用电有着很好的实际应用价值。太阳能是一种非常绿色环保的能源，在对其开发和利用的过程中不会对环境产生任何的污染。光伏发电系统设备维护相对简单，并且不存在因物理运动而产生磨损的部件，这就使得整个系统的使用寿命较长。发电资源、发电设备和用电群体都可以设在同一个区域，这就避免了电能长距离的运送，节约了用电成本。硅作为制作光伏电池的制作材料，在地球上的储量十分丰富，便于生产光伏电池板用于发电。由上述光伏发电的种种优势，我们可以预测，光伏发电在人类社会的中将会起到越来越重要的作用。1.2光伏产业的现状和发展趋势1.2.1国外光伏产业的发展能源和环境问题近半个世纪以来，越来越受到世界各国的重视，为了实现其可持续发展，世界各国对清洁能源的开发列为发展的重点，尤其是光伏发电[8]。即使在整个世界的经济处于衰退或低谷时期，光伏发电产业仍然保持较快的速度发展着，光伏并网发电的应用也越来越宽广。世界整个光伏发电市场之所以有这么快的增长，是和德国、美国和日本政府的鼓励政策是分不开的。德国在光伏发电技术方面的研究一直处于世界前列。德国政府在1991年至1995年施行了“1000屋顶计划”[9]，安装了多达2250个的光伏并网系统。并且立法通过了《可再生能源法》，制定了光伏发电的电价，对整个德国光伏产业的发展起到了极大的刺激作用。在20世纪末继续施行了“10万屋顶计划”，使得德国的光伏发电市场由1999年的12MW发展到2003年的130MW。到了2004年，德国的光伏发电装机容量到达了世界领先水平。目前，德国在慕尼黑的光伏发电系统仍然是世界上最大的光伏发电系统之一。美国是世界上最早开始发展光伏产业的国家之一，早在上个世纪80年代初期就开始实施了PVUSA计划来刺激整个光伏产业的发展[10]。并于1997年提出了“百万屋顶计划”，用于促进独户PV系统的发展，同时政府通过一些减免税收等有关措施来作为光伏产业发展的动力。如果这一计划可以顺利实施，将会有将近101万套光伏设备安装完成并投入使用，整个容量将会达到3025MW。自上个世纪70年代爆发的石油危机以来，日本一直致力于本国的光伏产业的发展。近十多年来，日本在光伏发电和建筑结合的方面取得了比较好的成果。日本的光伏屋顶发电系统把光伏电池阵列和建筑材料结合在一起，使得推广光伏发电的道路更为平坦。世界上许多其它的发达国家，如西班牙、意大利、奥地利、英国、瑞士、加拿大、芬兰等都有与上述类似的光伏产业发展计划[11]，并且投入了庞大的财力和物力进行一些技术开发、制作工艺的提升。在发展中国家中，印度也于1997年12月份制定计划，预计在2020年之前建成150万套光伏发电系统。多项调查研究和资料表明，光伏发电将会是世界能源发展的趋势，并最终会在电力市场中扮演主要角色。1.2.2国内光伏产业的发展我国国土辽阔，是世界上太阳能资源最丰富的国家之一，每年全国接受的太阳能辐射量为5.6×1022焦耳，那相当于1.9×1012吨煤产生的能量[12]。有关研究数据显示，我国年日照数达到2000小时的地区，占全国总面积的三分之二，而且西藏地区接受的年最大太阳辐射量仅次于非洲的撒哈拉沙漠地区，位居世界第二。由表1-1可以看出，我国有对太阳能资源进行利用的优良条件。表1-1我国太阳能辐射量及地区分类地区类型年日照时数（h）年辐射总量（MJ/m2）等热量所需燃煤（t）包括的主要地区备注一类3200~33006680~8400225~285宁夏背部、甘肃北部，新疆南部、青海西部、西藏西部太阳能资源最丰富地区二类3000~32005852~6680200~225河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南部较丰富地区三类2200~30005016~5852170~200山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部中等地区四类1400~20004180~5016140~170湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、安徽南部较差地区五类1000~14003344~4180115~140四川大部分地区、贵州最差地区我国从1958年开始对光伏电池进行研究，并在1971年首次将光伏电池用于东方红二号卫星上，实现了历史性的突破。在上个世纪80年代以前，由于受到价格和产量的限制，我国的光伏产业一直没有太大的发展，年产量也只徘徊在10KW以下。经过近数十年的不懈努力，我国的光伏产业得到了迅速的发展，但是主要集中在山区或边远地区的独立光伏发电系统，如在1999年底分别成功在西藏的7个无电县城安装了光伏发电系统并顺利运营，从2000年起又开始在无电乡村建设光伏发电站。虽然我国对光伏发电技术已经有了一定的研究，但是技术中的核心部分仍来源于国外，其中，光伏并网技术才刚刚起步，与国际著名大企业(如德国西门子、日本三菱等)的先进技术还存着很大的差距。目前为止，在北京和深圳已经分别建成了容量为100KW、17KW和7KW的光伏发电屋顶系统，并且实现了并网发电。我国政府对光伏发电技术非常重视，并于2007年8月，发布了《可再生能源中长期发展规划》，在2008年3月，又提出了《可再生能源发展的“十一五”规划》。明确了我国光伏发电在2020年的具体规划目标[13]，见表1-2。表1-2我国光伏发电规划目标市场分类累计装机容量/MW市场份额(%)农村电气化20012.5通信和工业1006.25太阳光伏产品1006.25光伏并网建筑(BIPV)100062.5大型荒漠光伏并网发电20012.5合计1600100从表1-2可以看出，到2020年我国光伏并网发电在整个光伏产业市场份额的75%，与建筑相结合的分布式光伏发电系统的装机容量将会达到1000MW，占整个光伏发电市场62.5%，而荒漠光伏并网发电的装机容量将会达到200MW，占市场份额的12.5%。1.3光伏发电系统的分类及关键技术1.3.1光伏发电系统的分类光伏发电是通过利用光伏电池板来实现太阳辐射能转换为电能的一种发电方式。整个光伏发电系统都是由以下几个部分构成：光伏电池阵列、控制器、电能变换装置和电能储存装置。一般情况下，我们可以把光伏发电系统分为独立型系统、并网型系统和混合型系统。独立型光伏发电系统独立型光伏发电系统的结构框图如图1-1所示。其特点是不和电网相连接，主要用于偏远无电地区和特殊领域的供电，如偏远山村用电设备、卫星通信设备、航标灯、气象和地震观测站等远离电网的用电设备。在有太阳光照的情况下，光伏阵列产生电能，并向负载供电。当光伏阵列的发电量大于负载的消耗，那么多余的电能就会转换为化学能，存储在蓄电池中。当负载消耗大于当前光伏阵列产生的电能，那么光伏阵列和蓄电池同时对负载供电。如果当前没有太阳光照，则由蓄电池单独供电。同时，还可以根据负载的类型，选择是否加入逆变器。图1-1独立型光伏发电系统结构框图并网型光伏发电系统图1-2并网型光伏发电系统结构框图并网型光伏发电系统的结构框图如图1-2所示。其特点是输出端与公共电网相连接。按照电网接入点的不同可以分为输电侧和配电侧并网型光伏发电系统。城市中并网型光伏发电系统一般安装在建筑物表面，并且并网点一般在配电侧。而输电侧的并网型光伏发电系统一般安装在沙漠地区。其工作原理为：首先通过光伏阵列将太阳能转换为电能，再通过逆变器将光伏阵列产生的直流电转换为和电网相位、频率都相同的交流电，并将所产生的电能并入电网。并网型光伏发电系统是光伏发电的主要形式，目前占到整个光伏发电市场份额的80%以上。而并网型光伏系统根据电网的相数可分为单相并网和三相并网，对于小功率的并网型光伏发电系统一般采用单相并网，考虑到本文设计的是4000W的光伏并网系统，因此采用单相并网。混合型光伏发电系统图1-3混合型光伏发电系统的结构框图混合型光伏发电系统的结构框图如图1-3所示。其最大的特点就是，系统中除了光伏发电，还有其它形式的发电系统。当光伏阵列产生的电能不能满足负载需求的时候，可以通过其它形式的发电系统作为电能补充。目前应用比较多的就是风光互补发电系统，这样组合可以使得系统的稳定性、可靠性比单独的光伏发电系统或者风力发电系统有了很大的提高。通过合理的配置和设计，可以基本满足负载的需求。1.3.2光伏并网发电系统涉及的关键技术光伏发电系统中涉及到的关键技术主要包括以下几个方面：最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）技术光伏阵列的输出特性具有很强的非线性特征，并且受外部环境(光照强度、光伏电池表面温度和负载情况)的影响。但是，当外部环境处于稳定的状态下，光伏阵列存在一个且唯一的最大功率输出点（MaximumPowerPoint，MPP）。为了尽最大限度地使用光伏阵列产生的电能，必须在光伏阵列后面添加一个最大功率点跟踪环节，该环节可以根据光伏阵列的输出电压来选择降压或者升压的DC/DC电路。目前，用于光伏发电最大功率跟踪的方法有很多种，最常见方法有固定电压法（CVT）、扰动观察法（P&O）、电导增量法（INC）等。除此之外，近些年又引入了模糊控制、滑模控制等方法。上述的方法都可以对光伏发电系统进行最大功率跟踪，但是都含有一定的缺陷。所以，如何快速、稳定地实现最大功率跟踪仍然是光伏发电系统研究的一个热点。逆变技术光伏阵列输出的电压为直流电压，而在大多数情况下都会使用到交流电，所以逆变环节是光伏发电系统中的一个十分重要的环节。逆变技术的研究主要包括拓扑（半桥、全桥、多电平逆变等）和调制算法（滞环比较、SPWM调制等）。光伏并网控制策略为了能使光伏产生的电能可以并入电网，这就必须保证并网电流和电网电压实现同步（即相位、频率相同），这里面就涉及到：最大功率跟踪、逆变器控制、锁相环、孤岛检测等技术。系统的稳定性和可靠性光伏发电系统可以看成是一个开关电源系统，所以其系统的稳定性和可靠性显得尤为重要。由于在系统中会用到很多的高频率工作的电力电子开关器件，因此谐波是影响光伏发电系统稳定性和可靠性的因素。如何降低谐波对系统的影响，一直是热门的研究问题。1.4本文研究内容本文根据对光伏发电系统的研究情况，安排论文的章节如下：第一章首先阐述了当前环境和能源问题的严峻性引出研究光伏发电的意义，并对国内外光伏产业的发展现状和前景进行了详细分析，最后对光伏发电系统的结构和其中的一些关键技术进行了介绍。第二章介绍了光伏并网发电系统的几种结构，并进行分析比较，确定了本文采用的结构。并对一些常用的变换器拓扑结构进行了介绍，进而给出本文系统的拓扑图。第三章介绍了光伏电池的工作原理。通过光伏电池的等效模型建立了其数学模型，进而建立了光伏组件数学模型并对它们的输出特性进行了详细的分析。第四章介绍了几种常用的最大功率点跟踪算法。然后以两级式光伏发电结构为应用目标，结合光伏电池以及一级控制部分，并通过仿真的形式测试了算法模型的正确性。第五章首先分析了并网的条件，确定了并网采用的控制策略，建立了单相PV并网运行的控制仿真模型，然后仿真验证模型的可行性。第六章对本文做出的工作进行了总结和展望。

2光伏并网发电系统拓扑分析大规模的光伏并网发电是光伏发电应用的必然趋势，现如今光伏并网系统的结构种类繁多，而选择合适的结构，对整个系统的工作效率和控制策略都有很重要的影响。2.1光伏并网发电系统结构分析光伏发电系统是利用光伏阵列将太阳能直接转换为电能的装置[14]，并网发电能够更好地利用光伏阵列产生的电能。为了实现并网，一般利用控制器将电能通过电力电子变换装置，然后再连接到电网。根据系统中是否含有隔离变压器，光伏并网发电系统可分为隔离型与非隔离型两大类，下面对这两类进行详细的介绍。2.1.1隔离型光伏并网发电系统在隔离型光伏并网发电系统中，根据隔离变压器的工作频率，又可以将其分为两类：工频隔离型、高频隔离型。工频隔离型光伏并网发电系统工频隔离型结构是光伏并网系统中比较常用的一种，其结构图如图2-1所示。图2-1工频隔离型光伏并网发电系统结构图这种结构的工作原理如下：首先将光伏阵列产生的直流电能通过逆变器直接逆变成和电网电压同频率（一般为50Hz）的交流电，然后再通过工频变压器实现和电网电压值相匹配的过程，完成并网。由图2-1，我们可以看出，这种结构较为简单，易于控制，并且由于工频变压器的存在所起到的隔离作用，提高了整个系统的安全性与可靠性，并且保证了不会向电网注入直流分量。但是工频变压器的体积过于庞大，不易运输和安装，并且运行效率过低，所以在保持隔离型光伏发电系统优势的前提下，为了解决上述问题，人们又设计出了高频隔离型光伏发电系统。高频隔离型光伏发电系统高频隔离型光伏发电系统是对工频隔离型发电系统的改进，它解决了工频隔离型发电系统中的一些主要缺点。按照电路结构的不同，其又可以分为DC/DC变换型和周波变换型，它们的结构分别如图2-2（a）、（b）所示。DC/DC变换型周波变换型图2-2高频隔离型光伏发电系统结构图由图2-2（a）可知，DC/DC型高频隔离光伏发电系统的结构比较复杂，可以分为四个部分，下面分别从这四个部分来分析它的工作原理：第一部分为一个逆变器，主要用来将光伏阵列产生的直流电转化为占空比一定的电压方波；第二部分就是高频变压器，和前面所提的工频变压器作用类似，主要用于实现隔离和电压变换；第三个部分是一个整流电路，将调整好的交流电转换为直流电；第四部分是一个全桥逆变器，用于最终的并网操作。而对于图2-2（b）的周波变换型高频隔离光伏发电系统，可以分为三个部分，前两个部分结构与作用和DC/DC变换型相同，只是用一个周波变换器代替了DC/DC变换型的第三、第四部分，虽然电路结构相对较为简单，但是其控制过程却要复杂很多。虽然高频隔离型光伏发电系统具有很大的优势，但是它的结构过于复杂，导致影响其正常工作的因素较多，其中涉及到电磁干扰、控制方法等方面，这就使得其在实际工程应用中不易实现。2.1.2非隔离型光伏并网发电系统较隔离型光伏并网发电系统，非隔离型并网发电系统的结构相对简单，并且由于舍弃了隔离变压器（隔离变压器在工作的过程中会损耗大量的电能），使得系统的转换效率得以提高。非隔离型并网发电系统又可以分为单级型和双级型两大类，它们的结构图分别如图2-3（a）、（b）所示。由图2-3（a）可知，对于单级型非隔离光伏并网发电系统，系统直接把光伏阵列产生的直流电通过逆变电路直接并网，由于在此结构没有升压的功能，这就使得要实现成功并网，就要求光伏阵列产生的电压具有较高的数值[15][16]。双级型非隔离光伏并网发电系统的结构如图2-3（b）所示，可以看出它是由两个部分组成：DC/DC变换器部分和DC/AC逆变器部分。前一级的DC/DC变换器部分拓宽了光伏阵列可输出电压的范围，既可实现变压器的功能又减少了系统能量的损耗。（a）单级型（b）双级型图2-3非隔离型光伏并网发电系统结构图虽然在没有隔离变压器的条件下，会向电网带来直流分量，但是综合其成本、转换效率方面的优势，非隔离型光伏并网发电系统仍然是常用的光伏并网发电系统。综合比较了本小节中介绍的光伏并网发电系统的结构，本文选用如图2-3（b）所示的双级型非隔离光伏并网发电系统。2.2双级型非隔离光伏系统拓扑结构2.2.1DC/DC变换器光伏阵列是一种极其不稳定的直流电源，其输出电能易受到外部因素的干扰[17]（如光照、温度、负载等的变化），那么可知，其输出的电能不适于直接供给给负载使用或并入电网。为了解决这一问题，就需要使用由电力电子器件构成的变换器对该电能进行适当的变化与控制。如为了对直流电力进行电压变换，可以使用升/降压变换器；为了进行逆变变换，可使用直流/交流变换器。直流变换（DC/DC）电路的工作原理就是依靠半导体开关器件的打开和闭合，进而来实现直流电压数值上转变的一种电路。为了能够将输入的电压值转换为设定的电压值，就必须对电路中开关器件的打开和关闭的时间加以控制，同时也要结合电感的续流和电容的充放电作用。典型的直流变换电路有直流斩波器和开关DC/DC变换器。前者没有中间变压器的介入，直接进行直流电压的变换；后者则是先将直流电压变换为交流电压，然后经过变压器转换后再变换为直流电压。到目前为止，在光伏系统中广泛应用的直流变换（DC/DC）电路主要是直流斩波器中的Buck和Boost变换器[18]。两者的转换效率都比较高，而Buck变换器只能实现降压控制，这就使得要保证系统能实现并网工作，光伏阵列的输出电压一定要是一个较高的等级，这在一定程度上限制了系统的配置。因此，Buck变换器不太适用于光伏并网系统，但对于独立的光伏系统却是一个不错的选择。Boost变换器是一个升压变换器，因此光伏阵列输出电压的配置更加灵活，综合其转换效率高、电路简单等优势，Boost变换器是多级型非隔离光伏并网中DC/DC电路部分理想的选择，本文便采用此变换器。其拓扑图如图2-4所示。图2-4Boost变换器拓扑图Boost变换器以电感电流源的方式向负载R放电，以此实现负载电压升高的目的。其工作过程为开关S闭合使电源向电感注入能量并存储在电感之中。由于二极管反偏截止，负载电流完全由输出滤波电容放电提供。当开关S断开后，由于电感电流不能突变，将产生左负右正的感应电势并与电源叠加迫使二极管导通使得电感中的能量释放到输出端。其结构和控制也比较简单。2.2.2DC/AC逆变器DC/AC逆变器是实现光伏系统并网的重要环节，其作用就是将光伏阵列产生的直流电转换为可以并入电网的交流电。选用何种逆变电路，对于整个系统逆变效率和效果都有着至关重要的影响。对于本文要实现的单相光伏并网系统，DC/AC逆变器的拓扑结构主要有半桥和全桥逆变电路。半桥逆变器结构简单，并且它还有良好的抗电压输出不平衡能力。但是，从逆变器输出电能的质量上来看，由于全桥逆变器存在零电压续流，可以更好抑制谐波畸变，所以其要优于半桥逆变器。另外，要使得系统能成功完成并网功能，全桥逆变器母线电压的取值下限为半桥逆变器母线电压取值下限的一半。考虑到本文光伏电池的输出电压较低，所以选用全桥逆变器。而按照输入控制不同，光伏并网全桥逆变器可以分为电压型和电流型两类，如图2-5所示。采用电压型输入控制方式，须在直流侧并联一个大电容，来保证直流母线的电压稳定。同样，采用电流型输入控制方式的话，须在直流侧串联一个大电感，用以保证直流母线的电流稳定，但这将会导致系统动态响应较差，故本文采用电压型输入控制方式。（a）电压型（b）电流型图2-5不同输入控制方式的逆变器结构图2.2.3滤波电路由于DC/AC逆变器的各个开关管都工作在较高频率的情况下，这就使得逆变器的输出中含有较多的谐波分量，严重影响了并网电流的质量，为了滤掉逆变器输出电压的谐波分量，滤波电路的设计显得尤为重要。通常用于DC/AC逆变器后的滤波电路的结构有L、LC和LCL三种，本文使用的滤波电路为最简单的L型，下面简述其原理。图2-6L型滤波电路拓扑图 图2-6为L型滤波电路的拓扑图，图中为逆变器的输出电压，为电网电压，为并网电流。由图2-6可列出以下方程组：（2-1）不考虑的影响，可以得出并网电流与逆变器输出电压之间的传递函数为：（2-2）对于L型滤波电路虽然结构简单，但是其对高频谐波的衰减效果不明显，这就需要取较大的电感值，才能起到比较好的滤波效果。2.3本章小结本章节首先通过对各种光伏并网系统的结构进行了分析比较，来选定本文所用方案。然后分析比较了多种DC/DC变换器、DC/AC逆变器和滤波电路，进而确定整个系统的拓扑结构，为后面的理论研究和系统仿真打下了坚实的基础。

3光伏电池模型及仿真3.1光伏电池的建模3.1.1光伏电池工作原理光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。光伏电池发电的原理是光生伏打效应。光伏电池应用P-N结的光伏效应（Photovoltaic

Effect）将来自太阳的光能转变为电能。当太阳光照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光电子－空穴对。在电池内电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就变成了可以使用的电能。3.1.2光伏电池数学模型图3-1光伏电池等效电路图如图3-1所示为光伏电池等效数学模型图[19]，图中为由于光伏作用而在光伏电池内部产生的光生电流，它的值和收到太阳光的能量相关，因此是正比于太阳光的辐射度以及光伏电池本身接受太阳光的表面积；为等效二极管的端电压；体现的是光伏电池本身P-N结在既定环境条件下，能够产生的总扩散电流的变化情况，被称为内部暗电流；为光伏电池内部的等效串联电阻，它会限制光伏电池的短路电流和最大输出功率值，是光伏电池中较为关键的一个参数，一般数值较小，主要是由电极与桂表面接触电阻、光伏电池的体电阻、电极导体电阻、P-N结扩散层横向电阻以及线路导体电阻组成；为光伏电池内部等效旁路电阻，其值较高，主要是由于半导体本身的缺陷和电池表面存在污垢造成的；为光伏电池外接负荷中流过的电流；为光伏电池的开路电压，它只与环境温度以及太阳光入射强度相关。结合上述介绍以及参照图3-1所示等效模型图，有如下各式成立[20]：（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）（3-6）式中，是电子电荷量（），是光伏电池中的P-N结系数，是绝对温度值，是标准测试条件下光伏电池的短路电流，是二极管的反向饱和电流（数量级为）。联合式(3.1)(3.6)，可以得到光伏电池关于光照强度和环境温度而变化的特性方程为：（3-7）式(3-7)是根据光伏电池原理得到的最基本表达式，被广泛应用于光伏电池的理论分析中。但是表达式中参数量偏多，它们不仅与电池温度、光照强度有关，而且对它们的确定非常困难，和供应商提供的参数不相匹配，不利于工程上的应用。工程用模型强调的是实用性和精确性的统一，因此在工程精度要求范围之内，需要对式（3-7）模型进行简化，建立工程用数学模型。下面通过两点近似：1）忽略项，因为在通常情况下该项远小于光电流；2）设定，因为远小于二极管正向导通电阻。同时假定在开路状态下、，在最大功率点处、。令，，其中、为待定系数，式（3-7）简化为：（3-8）在最大功率点处有：（3-9）可以解得：（3-10）（3-11）由式(3-10)、(3-11)可知，在电池参数、、、已知时，、为常数，带入式(3-8)得到光伏电池的特性。当光照强度及电池温度不是参考值时，必须考虑其对太阳电池特性的影响。设为在任意日射强度及任意环境温度下的太阳电池温度，则有：（3-12）对于一般情况可取。通过对参考日射照强度和参考电池温度下特性曲线上任意点的移动，得到新日照强度和新电池温度下的特性曲线上任意点为：（3-13）（3-14）（3-15）式中：，；：参考日照强度下的电流温度系数，；：参考日照强度下的电压温度系数，；推荐值[21]为：，。3.2光伏电池仿真3.2.1电池模型搭建根据光伏电池的工程数学模型，在Simulink中建立仿真模型如下：图3-2光伏电池仿真模型Simulink提供的子系统封装功能可以大大增强系统模型框图的可读性。所以为方便以后最大功率跟踪整体模型的建立，对上图光伏电池模型进行封装。封装之后还需针对其内部可变参数进行提取和关联以便无需打开封装子系统就可以对光伏电池模型参数进行设置。模型进行封装后的结构和用户参数设计界面如图3-3。图3-3光伏电池封装模块和用户参数设计界面封装模块的输入为当前的S、T、Vpv，输出为Ipv。模块的参数为标况下Isc、Im、Voc、Vm，由电池厂家提供。可见该模型能模拟任意型号的光伏电池，具有较好的通用性。由于以上模型是基于光伏电池数学模型建立的，因此模型输出Ipv为光伏电池输出电流的大小，是一个数字量，可以通过受控电流源模块(ControlledCurrentSource)将其转化为具有物理意义的输出电流。3.2.2光伏模型仿真分析建立的光伏电池模块是一个受控电流源，其输出电流的大小由S、Tamb、Vpv决定。以下仿真不同温度和光照强度下，光伏电池的和特性，以验证模型的正确性。光伏电池特性仿真模型如图3-4所示：图3-4光伏电池特性仿真模型仿真中使用某厂家型号CN-200S的光伏电池，标况下参数为：Pm=200W、Isc=7.44A、Im=6.94A、Voc=35.4V、Vm=28.8V、Rs=0.5，系数、取典型值。不同光照强度下光伏电池和特性的仿真分析由图3-5、3-6可知：随着端电压由零逐渐增长，输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出；短路电流随光照强度的减小而显著减小，两者成正比关系；开路电压随光照强度的减小而缓慢减小；最大功率随光照强度减小而显著减小，且最大功率点处、均减小。图3-5不同光照强度下(电池温度)光伏电池特性曲线图3-6不同光照强度下(电池温度)光伏电池特性曲线不同温度下光伏电池和特性的仿真分析图3-7不同温度下(光照强度)光伏电池特性曲线图3-8不同温度下(光照强度)光伏电池特性曲线由图3-7、3-8可知：随温度的上升短路电流略微增加，开路电压减少；随温度的上升最大功率减小，同时减小、增加。由以上仿真结果可知，建立的光伏电池模型满足光伏电池方程。根据厂家提供的标况下基本参数、、、可获得任意温度和光照强度下的输出特性。模型物理意义明确，通用性强，满足工程用模型的精确性要求。3.3

本章小结

为了在光伏系统仿真过程中获得最佳的仿真效果，本章在介绍了光伏电池原理的基础上对光伏阵列的简化电路模型和工程用数学模型及推导进行了介绍。针对数学模型在Matlab/simulink环境下建立了光伏电池的仿真模型，通过在不同环境变量下的模拟仿真和与真实太阳能特性曲线的对比证明了仿真模型的精度和可用性。

4光伏电池最大功率点跟踪模型及仿真4.1最大功率点跟踪理论4.1.1最大功率点跟踪的概念光伏发电的随机性强是源于影响光伏电池输出特性的不可控因素较多，除了占据主导地位的变化无常的外界环境温度和无法掌控的太阳光照射强度以外，大气的压强、空气中的湿气、空气的流动变化等等都会对光伏电池的输出造成一定的影响，所以，光伏电池本身就属于及其复杂的非线性发电装置。不仅如此，光伏电池供能负荷的变化同样也是会对其输出带来影响。总而言之，光伏电池的输出时时刻刻都在不断变化。虽然光伏电池变化性大，输出可控性差，但是，针对于某个特定时刻而言，光伏电池的工作环境却是可以获知的，在这个时刻，所有影响光伏电池输出的因素固定不变，此时可以根据物理知识，通过调节光伏电池的内阻抗使之与外接负荷值相匹配，从而使光伏电池可以运行在唯一的最大功率输出点，这个过程就被称为MPPT(MaximumPowerPointTracking)，即最大功率点跟踪[22]。自从MPPT提出以来，出现了多种寻求最大功率点的方法，如最早提出的恒定电压法，而后随着电力电子技术发展应运而生的一系列如扰动观测法、电导增量法、功率反馈法，以及间歇性扫描法、短路电流检测法、直线近似法、实际测量法，还有为弥补单个方法不足的双模式法，更为先进的模糊控制算法、遗传算法等等。无论哪一种方法，本身都存在一定的优缺点，通常需要结合成本和供电质量要求酌情考虑选择合适的方法。4.1.2最大功率点跟踪的原理光伏电池的典型输出功率特性如下图4-1所示，可见曲线为单凸峰形曲线，当光伏电池的工作电压为时，光伏电池的输出功率为最大功率值，即为光伏电池最大功率点[23]。由上一章的仿真分析可知，光伏电池的开路电压和短路电流受光照强度和电池温度的影响很大，导致系统工作点不确定，从而使系统效率降低。此外，串联电阻对光伏电池的输出也有影响。为此，光伏电池必须实现MPPT，以便其在任何条件下不断获得最大功率输出。MPPT的实现实质上是一个自寻优过程，即通过控制端电压或其他物理量，使光伏电池能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。图4-1典型光伏特性曲线随着电子技术的发展，当前太阳能电池阵列的MPPT控制一般是通过DC/DC变换电路来完成的。其原理框图如下图4-2所示。光伏电池阵列与负载通过DC/DC电路连接，最大功率跟踪装置不断检测光伏阵列的电流电压变化，并根据其变化对DC/DC变换器的PWM驱动信号占空比进行调节。图4-2MPPT系统原理框图对于线性电路来说，当负载电阻等于电源的内阻时，电源即有最大功率输出。虽然光伏电池和DC/DC转换电路都是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。因此，只要调节DC-DC转换电路的等效电阻使它始终等于光伏电池的内阻，就可以实现光伏电池的最大输出，也就实现了光伏电池的MPPT。

4.2常用最大功率点跟踪算法目前，光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)技术，国内外已有了一定的研究，发展出各种控制方法常，常用的有以下几种：恒电压跟踪法(Constant

Voltage

Tracking

简称CVT)、扰动观察法(Perturbation

And

Observation

method简称P&O)、电导增量法(Incremental

Conductance

method简称INC)、基于梯度变步长的电导增量法等。4.2.1恒定电压法

恒定电压法的基本理论依据是不同日照条件下光伏电池的输出曲线上最大功率点电压位置基本都位于某个恒定电压附近。因此，CVT法的控制思路就是将光伏电池输出电压控制在该电压处，这样一来光伏电池在整个工作过程中将近似的工作在最大功率点处。恒定电压跟踪方法不但可以得到比直接匹配更高的功率输出，在一定的条件下，还可以用来简化最大功率点跟踪（MPPT）控制。

从严格的意义上来讲CVT法并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方法。虽然此法比一般光伏系统可以多获得20%左右的电能，相比不带CVT的直接耦合要有利得多。但是，这种跟踪方法忽略了温度对光伏电池阵列开路电压的影响，所以CVT法的精度甚低，适应性差，系统最大功率的跟踪精度完全取决于电压值的选择，一旦周围环境变化就无实现准确的最大功率追踪。但是CVT法以其控制简单、易实现、且系统不会出现振荡，具有良好的稳定性著称。4.2.2扰动观察法扰动观察法的原理是每隔一定的时间针对光伏电池输出电压进行扰动，使其增加或减少，同时对其输出功率进行观测，判断其产生变化的方向并以之为依据决定下一步的控制信号变化。这种控制算法一般采用功率反馈方式，通过两个传感器对太阳能电池阵列的输出电压和电流分别进行采样，并计算获得其输出功率。若，说明电压调整的方向正确，可以继续按原方向进行“干扰”；若，说明电压调整的方向错误，需要对“干扰”的方向进行改变。

这种方法虽然算法简单，而且易于硬件方面的实现，但响应速度较慢，故而只适用于那些日照强度变化比较缓慢的场合，例如光伏发电厂、光伏路灯等，而对于车用太阳能最大功率跟踪控制则不能满足环境多变的要求。而且这种算法在稳态情况下会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近的小幅振荡，因此会造成一定功率损失。本论文后文仿真便采用此法进行最大功率点跟踪。图4-3扰动观察法原理4.2.3电导增量法电导增量法是目前MPPT最常用算法之一，它是根据光伏电池阵列曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线，利用一阶导数求极值的方法，对求全导数，得（4-1）两边同时除以，得（4-2）令得（4-3）上式即为电导增量法光伏电池达到最大功率输出点所需满足的条件。这种算法的控制过程如下：如果当前的光伏电池阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此时参考电压应该向着增大的方向变化；同理，如果当前的光伏电池阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，参考电压应该向着减小的方向变化；如果当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处或附近，参考电压将保持不变，也就是光伏阵列工作在最大功率点上。在理论上电导增量法法比干扰观察法要好，因为它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时负电导值的大小关系，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而此法能够适应快速变化的日照强度，而且跟踪精度较高。4.3MPPT环节仿真建模4.3.1DC-DC变换器建模Boost电路拓扑结构在第二章已经介绍过如图2-4所示，其工作原理是：开关管S导通时，那条支路就等效于一条连通的导线，整个电路处于充电的过程，电感L存储电能，二极管D可以防止电容C对地放电；而当S断开时，那条支路就相当于被断，电源、电感、二极管以及电容串成回路，电容开始存储电源和电感共同输出的电能，使得电容两端的电压高于电源电压，达到升压的目的。若占空比为T，那么光伏电池的内阻，当外接负荷R为定值时，通过调节占空比的大小，就可以实现内阻外负荷的相互匹配，从而实现光伏电池的MPPT。建立Boost电路仿真模型如图4-4所示：图4-4Boost电路仿真模型4.3.2MPPT模型图4-5P&O算法流程P&O法通过成比例的增加或者减少Boost的输入电压，移动操作点向最大功率点靠近，同时计算出参考电压Vref用于产生PWM的控制信号。该算法流程如图4-5。其中V(k)、I(k)是当前时刻k的采样值，根据这两个值计算功率P(k)=V(k)*I(k)。比较k点与k-1点功率值的变化，功率值的变化决定下一步变化的方向。如果功率增加，搜索方向不变，如果功率减小，则搜索方向相反。Cp为占空比间隔，决定功率变化的步长。如果步长值较大，则系统响应快，但不准确；相反地，如果步长小，则系统反应慢，但相对精确。通过对Vref的不断调整，最终可以搜索到最大功率点[24]。由P&O算法流程建立MPPT仿真模型如图4-6所示。可知当与同号则Cp为正，否则Cp为负。可以用Sign函数模块判断正负，为正则输出l，为负则输出-1。模型中三个零阶保持器的采样周期与MPPT控制的采样周期相同，可在0.01-0.001取值，以保证仿真效果更为精确。模型输出为参考电压Vref。图4-6MPPT仿真模型4.3.3PWM脉宽调制的建模脉冲宽度调制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于∏/n，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交－直－交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。PWM脉宽调制模块如图4-7所示，参考电压与三角波比较产生的PWM脉冲信号，控制Boost电路开关器件的通断。其中，零阶保持器的采样周期与MPPT仿真模块周期相同，取值在0.01-0.001之间，三角载波频率决定PWM频率。图4-7PWM脉宽调制仿真模型4.4最大功率点跟踪仿真分析光伏电池MPPT仿真模型如图4-8所示：仿真的参数为：Cs=10^-4(F)、L=10^-2(H)、C=0.0003(F)、R=7(Ω)、采样时间0.0001s、占空比间隔0.001、PWM频率2kHZ。图4-8光伏电池MPPT仿真模型4.4.1标况下仿真分析从图4-9（a）可知，模型能够实现MPPT控制，系统在0.075达到最大功率点，功率输出稳定。图4-9（b）、（c）光伏电池输出电流和电压，在最大功率点较小范围波动，符合P&O算法。图4-9（d）为Boost电路输出电压，可见通过占空比控制，实现MPPT控制的同时光伏电池输出电压得到了放大，稳定后电压放大约2倍。（a）光伏电池输出功率（b）光伏电池输出电压（c）光伏电池输出电流（d）Boost电路输出电压图4-9标况下光伏电池MPPT仿真结果4.4.2环境变化时仿真分析设定初始环境状态为标准状况，即T=25°C，S=1000W/m2。保持光照强度不变，0.3s时，外界温度降低为T=12°C；0.6s时，外界温度升高至T=40°C；然后保持环境温度不变，0.9s时，光照强度增加为S=1200W/m2；1.2s时，光照强度减弱为S=900W/m2。仿真结果如下：（a）光伏电池输出功率（b）光伏电池输出电压（c）光伏电池输出电流（d）Boost电路输出电压图4-10环境变化时光伏电池MPPT仿真结果结合四张图同时分析，扰动观测法在环境条件变化时仍体现了较好的MPPT性能，能够随着环境变化较为快速而又稳定的实现MPPT；但是，通过仿真结果也显示了，扰动观测法对于其本身光照强度敏感度高的特性改观不是很大，对于光强不稳的地域，若采用光伏发电时，不宜采用扰动观测法作为最大功率点跟踪的主要方法。4.5本章小结本章从最大功率点跟踪的理论知识出发，介绍了几种常用的最大功率点跟踪算法。然后以两级式光伏发电结构为应用目标，结合光伏电池以及一级控制部分，选择扰动观察法建立模型，并通过仿真的形式测试了模型的正确性，该模型具有较好的输出特性，针对环境变化响应快，最大功率跟踪特性良好。

5单相光伏发电并网的建模与仿真5.1光伏并网逆变器控制原理5.1.1逆变器控制目标并网逆变器是整个光伏并网系统最为核心的部分，为了能够成功实现并网，控制策略的选择至关重要，因为它不仅决定着整个系统的工作效率，更决定着入网电流的质量。单相逆变器的控制目标：控制逆变器输出的单相正弦交流稳定电流与电网电压同频同相，并且保证输出电流的高品质，尽可能使谐波减少。所以控制系统需要控制的是逆变器输出的电流，如图5-1所示为一个简化的逆变器输出电流与电压之间的矢量关系，其中为控制目标，即逆变器输出电流，为电网电压，为逆变器输出电压。逆变器的输出需要进行滤波，一般釆的是电感，所以输出电流与输出电压之间有一个角，要使逆变器的输出电流符合并网要求，即同频同相，因此要使电网电压预先滞后于并网逆变器的输出电压[25]。图5-1并网逆变等效电路与电压电流矢量图5.1.2常用单相并网逆变电流控制方式通过上一节的分析可知，逆变器的输出采用的是电流控制，所以在太阳能光伏并网逆变系统中，需要对逆变器的输出电流进行控制，使输出电流稳定、高质量然后并入电网。常用的输出电流的控制方式主要有PI控制、重复控制和无差拍控制、SPWM控制方式等方法[26]。PI控制方式PI控制是早起应用比较广泛的一种电流控制方式，该方法简单易于实现，但是动态响应速度较慢。它是一种线性控制方式，对于负载存在非线性干扰的场合，其控制效果很不理想。所以，PI控制在系统要求不是很高的场合比较有使用价值。重复控制方式由于有时逆变器的输出信号波形会有一定的畸变，并且这些畸变的波形是周期性重复出现的，重复控制是基于这种畸变波形而提出的一种控制方法。它主用用来改善波形质量，防止畸变。重复控制的基本思想是：将作用于系统外部的扰动信号以数学模型的形式植入控制器，构成一个反馈控制的过程。重复控制可以有效抑制周期重复性的扰动，但是动态响应差，对突如其来的干扰控制效果不理想。无差拍控制方式无差拍控制是属于一种数字控制范畴的方法。其主要工作原理是：通过上一周期的系统内参考输出电压与电流以及实际输出信号值来推算出下一周期逆变器的开关信号的脉宽。无差拍控制能够保证对输出电流瞬时值的精确控制，稳态性能较好，响应速度快，也能大大提高系统的动态响应，但是该控制方法对主电路参数的变化比较敏感，所以鲁棒性较差。SPWM控制方式这种方式把参考电流与系统实际输出电流进行比较后，将其电流误差经过控制器后与三角波信号进行比较，以输出SPWM控制信号，控制器多用到比例或比例积分调节。SPWM控制方式控制结构简单易于实现，系统稳定性较好，应用十分广泛。上述介绍了几种常用的输出电流的控制方式，其中PI控制方式对于含有非线性扰动信号的控制效果不够理想；重复控制方式对于突如其来的干扰不能很好的控制；无差拍控制方式要求系统具有很高的实时性，所以在实际应用中比较少用；但是SPWM控制方式能有效的避免上述弊端，控制结构简单易于实现，系统具有较强的稳定性，所以本文采用SPWM控制方式，并在此基础上作相应的改进，下节内容将详细介绍此控制方法。5.2单相光伏发电并网模型5.2.1单相光伏发电并网结构单相两级式PV并网系统结构如图5-2所示。图5-2单相PV并网系统结构主电路单相两级式PV并网系统主电路中前端光伏电池采用电压源输入方式，第一级为Boost升压电路，第二级为DC-AC逆变器，采用单相全桥拓扑结构。逆变器出口与电网之间为滤波电感L。主电路仿真模型如图5-3所示：图5-3单相PV并网主电路模型主电路模型参数设计：按文献[27]设置交流侧滤波电感L，直流滤波电容Cs，升压电感L1，直流母线支撑电容C参数；r为输出回路的等效电阻，包含L上的寄生电阻，一般取很小或忽略；Boost电路开关器件采用MOSFET/Diode模块；逆变器开关器件采用UniversalBridge模块，2个桥臂，其它参数为默认值。控制部分控制部分包括Boost电路控制和逆变器控制两个部分。Boost电路控制的目的是实现MPPT。逆变器控制可分为电压控制和电流控制，由于电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，若输出采用电压控制，则相当于两个电压源的并联运行，这种情况下可能出现环流等问题，不易获得优异的性能。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跟踪电网电压，即可达到并网运行的目的。逆变器输出采用SPWM电流跟踪方式。将指令电流与并网电流的瞬时值进行比较，两者的差值经PI调节与三角波比较，输出PWM信号驱动开关管。SPWM电流跟踪特性和PI参数有关。这种方式输出电流的谐波含量比较小，有利于滤波器设计，因此常用于对于谐波和噪声要求较高的地方。单相PV并网控制的整体思路是：前级Boost电路通过调节占空比来调节光伏电池的输出电压，以实现MPPT。后级逆变器控制并网电流跟踪指令电流，实现与电网电压的同频同相，并网功率因数为1.0。其中指令电流幅值由前级MPPT控制给定，以提高能量利用效率，指令电流相位由锁相环(PLL)跟踪电网电压。如图5-4所示：图5-4单相PV并网总体控制框图5.2.2单相光伏发电并网控制模型根据控制系统总体结构，建立单相PV并网控制模型如图5-5所示：图5-5单相PV并网控制模型单相PV并网控制模型由三个关键环节，指令电流合成，PI控制器、电网电压前馈补偿，以下分别进行分析：指令电流合成指令电流包含两个要素，幅值和频率。的幅值由MPPT控制给定，即保持，为光伏电池最大功率点电流。为保证并网电流与电网电压同频同相，的频率应该和电网电压完全相同，可以通过PLL获得电网的频率，，取电网频率为50HZ，则。PI控制器参数设计根据SPWM原理，可得系统的控制框图：图5-6逆变器控制框图其中逆变环节近似为，滤波器传递函数为，PI控制器的传递函数为：，加入PI控制器的系统开环传递函数为：(5-1)根据Ziegler-Nichols整定公式设计PI