太阳能光伏并网逆变器的分析与研究

第1章绪论的辐射强度为1367km/m²。我们生活的这个地球的赤道周长为40000km,所以我们2040年将占到全球发电量的21%,2050年左右，太阳能将成为全球主力替代能源3)太阳能没有资源短缺跟耗尽问题：用到的主要的硅材料储存丰6)维护和管理问题：可实现无人化且维护成本低。(4)选取多转换级带高频变压器的逆变器结构和最大功率控制方法进行仿真验第2章光伏并网逆变器概述2.1光伏并网系统池阵列图2-1光伏并网系统结构图滤波系统采用两级式设计，二者相对独立，由直流母线电压产生联系：前级DC-DC变路，为输出电流受控的电压型有源逆变器，逆变器的输出侧呈现受控电流源特link中间电压稳定并将电能转换成220V,50Hz的正弦交流电。最终通过交流LC滤波电路滤除高频分量，把与电网电压同频和同相的并网逆变器输出的正弦电流并人电网。当系统检测到外部故障时，可立即将DC/DC变换器与DC/AC逆变器从电路中切除，实现逆变器的可靠隔离和保护。2.2光伏并网逆变器的原理逆变器由IGBT等功率开关器件构成，控制电路使开关元件有一定规律的连续开通或关断，使输出电压极性正负交替，将直流输入转换为交流输出。光伏发电系统中逆变器一般使用脉冲宽度调制PWM方式来实现，将矩形波的交流电转换为正弦波交流电。图1为并网逆变器的主电路拓扑结构，由于太阳能电池一般是电压源，因此逆变器的主电路采用电压型，在与外电网相联时，为电压型电流控制方式。系统通常是两级功率结构：直流变换环节、逆变环节构成。c图2-2并网逆变器主电路拓扑图2.3光伏并网逆变器的分类及拓扑结构为了能设计出符合上述要求的并网逆变器，多数人都集中于研究逆变器的拓扑结构及控制方法。逆变器的拓扑结构有很多种，常用的是全桥结构。根据采用隔离变压器的类型，并网逆变可分为低频环节、高频环节以及非隔离型并网逆变。(1)低频环节并网逆变器低频环节并网逆变器是早期光伏发电系统采用的逆变器。它由工频或高频逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成，其电路结构见图2-3。滤波器滤波器工频或高频逆变器太阳能电池电网图2-3低频环节并网逆变器电路结构图2-4低频环节并网逆变器拓扑结构(2)高频环节并网逆变技术工频逆变桥工频逆变桥整流器高頻逆变器太阳能电池C图2-5高频环节并网逆变器结构图桥式等，我们以全桥式为例(见图2-6)。图2-6高频环节并网逆变器拓扑结构线性电路原理如图2-7。图7中负载上的功率为：电源有最大功率输出。虽然太阳电池和DC-DC变换电路都是强非线性的，但在极短的时间内，可认为是线性电路。因此，只要调DC-DC转换电路的等效电阻使它始终等于太阳电池的内阻，就可实现太阳电池的最大功率输出，也就实现了太阳电池的最大功率点跟踪。从图2中可以看出，当R₀=R,时，两端的电压是这表明若R两端的电压等于Pp,同样也是最大值。因此在实际应用中，通过调节负载两端的电压实现太阳电池的最大功率点跟踪。2.5孤岛效应的检测及控制逆变器直接并网时，除了应具有基本的保护功能外，还应具备防孤岛效应的特殊功能。从用电安全与电能质量考虑，孤岛效应是不允许出现的孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器，由此引出了对于孤岛效应进行检测控制的研究。孤岛效应的检测一般分成被动式与主动式。被动式检测是利用电网监测状态(如电压、频率、相位等)作为判断电网是否故障的依据。如果电网中负载正好与逆变器输出匹配，被动法将无法检测到孤岛的发生。主动检测法则是通过电力逆变器定时产生干扰信号，以观察电网是否受到影响作为判断依据，如脉冲电流注入法、输出功率变化检测法、主动频率偏移法和滑模频率偏移法等。们在实际并网第3章系统的总体设计概述并网电路并网电路输出电流相位频率检测液晶键盘中间直流驱动阵列变换器不驱动电路逆变器故障检测图3-1系统结构图W直流电压检测电路4路SPWM电网电压检测电路检测电路C图3-2逆变器的工作原理图3.3控制装置系统的软件设计初始化扫描A/D转换引脚3.4安全性能设计光伏并网系统需要与配电网并联运行。所以，本逆变器在安全设计方面，不但要考虑操作者的人身安全和逆变器本身的故障保护，还要兼顾对电网系统的保护。另外，当由于太阳能供电的不稳定性或操作人员的误操作造成系统处于非正常状态时，系统应可靠保护并具有自恢复能力。这些在本逆变器的设计中都作了全面(1)对异常电网条件的响应通过对电网电压进行实时监测，实现对过压、欠压等电网电压异常情况的监测，并可以设定电压高限、电压低限和电压异常消除后再并网的延迟时间等参数。通过对电网频率进行实时监测，实现对过频率、欠频率等电网频率异常情况的监测，并可以设定频率高限、频率低限和频率异常消除后再并网延迟时间等参针对人身安全和设备安全的最大隐患“孤岛”现象，特别采用了被动式和主动式两种检出方式，完全满足有关标准中反“孤岛”的相关要求。(2)直流电流分量检出和抑制在SEE-104中采用了专门的直流分量检出回路。针对直流电流分量相对于逆变器输出的交流电流总量非常小的特点，通过硬件回路和软件控制算法相结合的方法检测直流分量的大小。通过直流分量抑制控制使直流分量小于一旦由于意外情况造成直流分量超过1%时，系统自动进入保护状态。(3)装置自身保护本装置设计了多种自我保护功能，对操作者人身安全和产品自身的可靠性提供了完善的保护措施：启动自检、直流输入极性接反、输出交流过电流、输入输出侧浪涌抑制、过热保护、直流接地和交流漏电流保护。第4章控制器控制策略与分析光伏并网发电系统中的逆变器需要对电流和功率进行控制，逆变器输出电流主要采用各种优化的PWM控制策略，对给定的电流波形进行跟踪；功率的控制则是通过对太阳能电池最大功率点的跟踪实现。4.1最大功率跟踪MPPT最大功率点跟踪是当前采用较为广泛的一种光伏阵列功率点控制方式。从对光伏电池的分析可以看出，光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受环境温度、光照强度的影响。在一定的外部条件下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但只有在某一电压值下，输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点称之为最大功率点。为了充分发挥光伏电池的效能，提高系统的整体效率，对光伏电池的输出进行最大功率点跟踪就十分必要。4.2并网控制逆变器并网运行的主要控制目标是逆变器输出正弦波电流与电网电压在频率、相位上同步，并且能实时跟踪电网参数的变化，且电流的总畸变失真要低，以减小对电网的谐波影响，使并网系统的有功功率输出达到最大，功率因数近似为1。目前，逆变器交流输出的控制方法可分为：电压控制方法和电流控制方法。由于电压控制不能使系统同时保证响应速度和稳定性的要求，所以其控制通常采取电流控制方式。电流控制方式又可分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制以电压矢量图为基础，基波电压向量可由图4表示，它表示出了逆变器的输出电压Us、输出电流IN以及电网电压UN之间的关系。利用控制手段使逆变器的输出电流IN始终和电网电压UN同向，使输出功率因数为1。对输出电流的控制包括幅值控制和相位控制，设逆变器输出功率为P,由图11的三角函数关系可知可见在电感数值和电网电压确定的条件下，依据给定的功率，可以确定超前角度B,即可以确定逆变器控制信号的相位。输出电压满足对于SPWM逆变器来说，输出电压基波满足从而调制比可得(2)直接电流控制目前有多种控制方式，它们都是PWM非线性控制方法，主要有瞬时值滞环比较方式、定时比较方式和三角波比较方式。图5所示的瞬时值滞环比较方式，把电流参考值与实际输出电流相比较，偏差经过滞环比较产生控制逆变桥各开关管通断的PWM信号，去触发或关断主电路功率开关器件，使输出电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形变化，从而控制电流的变化。这种方式硬件电路简单，具有电流跟踪精度高，响应速度快、鲁棒性强等优点。如果逆变器的开关器件有足够的开关频率，则逆变器的输出电流就能很快地调节其幅值和相位，使逆变器的输出电流得到高品质的动态控制。但是缺i电网超过时钟频率的一半。缺点是电流跟随误差·A(3)反孤岛控制孤岛现象是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并网第5章光伏并网逆变器的仿真与研究选取500组光伏电池组件串联