【正文】 電壓 UAB幅值和相位進行控制，而 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 20 要控制電壓相位和幅值，只要控制 Φ和 m 就可以了 。電壓型控制模式的原理是將逆變器輸出電壓當做控制系統(tǒng)的受控量，以此來保證 逆變器輸出的交流電壓信號與電網(wǎng)電壓同頻同相，這時整個光伏逆變系統(tǒng)就可以看作一個受控電壓源，并且這個電壓源內(nèi)阻很小；電流型控制模式的原理則是將逆變器輸出端的電感電流當做控制系統(tǒng)的受控量，以此來保證逆變器輸出的交流電流信號與電網(wǎng)電壓同頻同相，這時整個光伏逆變系統(tǒng)就可以看 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 19 作受控電流源，并且這個電流源內(nèi)阻較大。雖然各種光伏并網(wǎng)的控制策略不盡相同，但其都有著一致的目標，即通過對逆變器中的可控器件進行控制使其輸出高質(zhì)量的正弦交流電流，同時輸出 的正弦電流還滿足與公用電網(wǎng)電壓保持同頻同相，所以一般控制系統(tǒng)都是將并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流 I 作為被控制量。 每次開關(guān)管開通或關(guān)斷時，單極性調(diào)制電 壓變化的幅度僅為雙極性調(diào)制的一半，這就使得開關(guān)管所受的開關(guān)應(yīng)力比較小。 單極性電路的正弦波 Ur和三角波 Uc同相，與其相比雙極性 SPWM 逆變器的不同之處在于電路的三角波 Uc在正弦波的半個周期內(nèi)有正有負，所得到的 PWM 波也有正有負。 在 Ur處于負半周時， VT1關(guān)斷， VT 2導(dǎo)通。 PWM 的工作方式遵照以下原則 :(1) VT1 和 VT2通斷互補， VT 3 和 VT 4通斷互補； (2)在 Ur和 Uc極性變換時刻實現(xiàn)功率開關(guān)管 VT1–VT4的通斷轉(zhuǎn)換。 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 17 單相單極性 SPWM 逆變器 我們以圖 所示的單相橋式 PWM 逆變器電路說明單極性 SPWM 逆變器的工作原理，圖中 VT 1–VT4四只功率開關(guān)管構(gòu)成橋式逆變電路，而 PWM 輸出的驅(qū)動脈沖的寬度由參考正弦波 Ur和三角波 Uc決定。每一個經(jīng)過等分的脈沖寬度都是π /N，這樣一個周期的正弦波便可看成 2N 個彼此相連的脈沖序列，這些脈沖的寬度相等但是幅值不相等。 在直流 交流逆變器 領(lǐng)域，這種技術(shù)應(yīng)用廣泛 。假設(shè) P(i)為 現(xiàn)時功率、 P(i1)為 記憶功率，則具體的判別方法總結(jié)如下 ： 1）當 )()( tPttP ??? 時，若 ( ) ( )U t t U t? ? ? ，工作點在 maxP 點 左邊 ，應(yīng)提高 電壓； 若 ( ) ( )U t t U t?? ? ，工作點在 maxP 點 右邊 ，應(yīng) 降低 電壓； 2）當 ( ) ( )P t t P t? ? ? 時 ， 若 ( ) ( )U t t U t? ? ? ，工作點在 maxP 點 右邊 ，應(yīng) 降低 電壓；若 ( ) ( )U t t U t? ? ? ，工作點在 maxP 點 左邊 ，應(yīng) 提高 電壓。 圖 為光伏電池伏安特性（ IU）圖，圖中 a、 b、 c、 d、 e 五個點為電池負載特性與伏安特性交點（即實際工作點）。從光伏陣列接收太陽能開始，其輸出電壓會周期性的發(fā)生弱變。 當光伏電池內(nèi)阻等于 直流 直流 轉(zhuǎn)換器等效電阻時，轉(zhuǎn)換器上分得的電壓 為Vi/2，也就是說通過調(diào)節(jié)負載兩端電壓到 Vi/2，光伏電池 發(fā)出的功率 就能夠 達 到最大。 通過 電路原理 計算出直流負載 Ro 消耗 的功率為 ： ooiioRo RRR VRIP )(2 ??? （ ） 因為負載變化導(dǎo)致其分配功率發(fā)生變化， Vi、 Ri 都是常數(shù)。因此，最大功率跟蹤裝置也成為現(xiàn)代光伏發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分，且未來經(jīng)濟潛力巨大，具有很大的市場空間。 圖 單相全橋逆變電路 最大功率點跟蹤模塊的原理及分析 最大功率點跟蹤 原理 早期的并網(wǎng)逆變發(fā)電中存在著能 量 轉(zhuǎn)換效率低、輸出不穩(wěn)定等問題。在由開關(guān)管 T1 和 T4截止到 T2 和 T3 導(dǎo)通的過渡過程中，二極管 D D3 延續(xù) 電流，從而使得流過電感 L 的電流連續(xù)，這時逆變器輸出的電壓 U0﹦ Ud。 則有： ? ?i L on o i L onU i t U U i t?? （ ） 化簡得 ， 11o i io ffTU U UtD?? ? （ ） 如果將電路中的損耗忽略不計，則負載消耗的電能只是由電源提供，即： i i o oUI U I? （ ） 后級單相全橋逆變器的工作原理 單相全橋逆變電路的原理圖如圖 示，它一共有 4 個橋臂，其中 1 個可控器件和 1 個反并聯(lián)二極管組成一個橋臂，每一個半橋電路又由上下兩個橋臂組成， 2 個半橋電路組合成一個全橋逆變電路。 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 11 圖 Boost電路的工作原理 電路在穩(wěn)定工作情況下運行時，假 設(shè)電路中的電感 L 值和電容 C 值都很大。當開關(guān)管斷開時，因為電感具備有電流保持的功能，流經(jīng)電感的電流并不會立刻減小為 0，而是會從充電完成時電流大小的值緩慢的減小到 0。 P′(Vk)和 P″(Vk)代表 第 k 次迭代 下功率對電壓 的一 、 二階 導(dǎo) 數(shù)。 標準狀況 下， 在已知 光伏電池電壓 V 時， 可通過式（ ）得到 對應(yīng)的電流： 21(1 ( 1))ocV DVCVscI I C e DI??? ? ? ? ? ? () 式中： 21 (1 / )mocVCVm scC I I e??? () 2 ( / 1)/ln(1 / )m oc m scVV II? ? ? () / ( / 1 )r e f r e f s cDI S S DT S S I?? ? ? ? ? ? () 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 9 sDV DTRDI???? ?? () c refT T T?? () 其中， scI—— 在 標準狀況 下 ， 光伏電池短路 時的 電流（ A）； ocV—— 在 標準狀況 下 ， 光伏電池 開路時的電壓 （ V）； mI—— 最大功率點的電流（ A）； mV—— 最大功率點的電壓（ V）； ?—— 電流變化溫度系數(shù)（ A/C? ）； ?—— 電壓變化溫度系數(shù)（ V/C? ）； refS 、refT—— 在 標準狀況下， 光照 強度和電池溫度的值， 通常 取為 21kW/m ，25C?； sR—— 光伏電池的串聯(lián)電阻（ Ohms） ； 在 任意 光照 強度 2(kW/m )S 和環(huán)境溫度 Ta（ ℃ ） 下 ， 光伏 電池溫度 Tc（ ℃ ）為 ： c a cT T t S? ? ? （ ） 式中， S——光伏電池 板 面上的 受到的光照 強度 (kW/m2)； tc——光伏電池 組件 的溫度系數(shù) ()，通常取為 ； Ta——環(huán)境溫度（ ℃ ） ； Tc——光伏電池結(jié)溫（ ℃ ） ； 從以上公式看出， 通過 光伏電池上的總 光照 輻射 量 和 光伏 電池 的工作 溫度可直接計算出 此等條件下 太陽能電池的最大輸出功率點。在此將 根據(jù)文獻 [25]中的分析來 構(gòu)建 光伏電池 仿真 模型。這種結(jié)構(gòu)可以大大提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性。 圖 非隔離型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu) 與帶有變壓器的光伏逆變器相比，非隔離型并網(wǎng)逆變器使用了較多的電子器件，這就使得系統(tǒng)的整體體積小，建造成本低，工作效率高。從可靠性方面來分析，復(fù)雜程度的增高會使系統(tǒng)可靠性會隨之降低，所以這種結(jié)構(gòu)可靠性并不高。但系統(tǒng)和電網(wǎng)中間的隔離非常重要，工頻變壓器則順利解決了這一問題，使得系統(tǒng)工作性能顯著提高。 并網(wǎng)逆變器的隔離方式 根據(jù)變壓器的有無可將并網(wǎng)逆變器分為隔離型并網(wǎng)逆變器和非隔離型并網(wǎng)逆變器兩大類 ，根據(jù)其工作頻率的高低 又可以將隔離型并網(wǎng)逆變器逆變器分為高頻隔離型和工頻隔離型 [22]。 圖 電流型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖 圖 電流型并網(wǎng)逆變器對直流電壓沒有太多要求，低于并網(wǎng)側(cè)電壓峰值也可以工作，這種拓撲結(jié)構(gòu)省去了中間采購 DC/DC 升壓環(huán)節(jié)設(shè)備的開銷，且采用電感使用壽命較長，工作性能穩(wěn)定，可靠性比較高。因此本文選用了全橋逆變電路作為系統(tǒng)的逆變部分。 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 5 第 2 章 光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)分析 逆變器拓撲結(jié)構(gòu) 根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)的不同，逆變器主要有半橋逆變電路，全橋逆變電路和帶中心抽頭變壓器的逆變電路三種類型 [20]。 2. 基于 SPWM 控制算法的 光伏逆變系統(tǒng)仿真模型建立 建立以 DC/AC 變換和 PWM 調(diào)制策略為特點的 正弦脈寬調(diào)制 （ SPWM）控制光伏逆變系統(tǒng)仿真模型； 3. 光伏逆變系統(tǒng)的仿真實驗與結(jié)果分析 通過具體應(yīng)用系統(tǒng)的分析設(shè)計和模擬調(diào)試實驗，驗證系統(tǒng)建模和控制方法的可行性與正確性。目前國內(nèi)光伏逆變器的領(lǐng)導(dǎo)品牌主要是陽光電源、艾思瑪、KACO 等，其中合肥陽光電源公司生產(chǎn)的光伏逆變器在中國市場占 據(jù)的份額≧70%，且通過代理渠道進入國內(nèi)市場的國外企業(yè)多數(shù)由于售后服務(wù)提供難度大整體上在中國市場的占有率不高。國內(nèi)對光伏并網(wǎng)逆變器的研究主要集中于最大功率點跟蹤和逆變部分兩級互相獨立的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) [19]。 與之相比，目前的國內(nèi)市場規(guī)模小，雖說國內(nèi)生產(chǎn)廠商眾多，但專門生產(chǎn)這類逆變器的卻不多。 Satcon 公司開發(fā)的光伏逆變器也具有最大功率點跟蹤功能主要應(yīng)用于中、大功率范圍。下面就以 SMA 公司產(chǎn)品的發(fā)展為例子來簡單介紹一下國外光伏逆變器的發(fā)展狀況。但隨著多逆變器廣泛應(yīng)用于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，使防孤島效應(yīng)的難度有所提升，這將是未來開發(fā)多逆變器亟待解決的難題。 首先，只有光伏陣列工作在最大功率點處或其附近，才能提高輸出特性是呈非線性，輸出功率隨著日照強度和環(huán)境溫度等外部環(huán)境變化而變化的光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池的轉(zhuǎn)換效率 [12]。 光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)簡介 盡可能的減小能量的損耗 且 降低系統(tǒng)的成本，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用了并網(wǎng)逆變器將太陽電池組件中產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)相匹配的同頻同相的交流電 ,并 直接將交流電輸入電網(wǎng)中 ,省去蓄電池儲能和釋放的過程 ,可充分利用光伏所發(fā)的電能。全世界并網(wǎng)式光伏系統(tǒng)年在世界范圍內(nèi)的年增長率可 2530%，可見并網(wǎng)式光伏發(fā) 電系統(tǒng)是現(xiàn)今開發(fā)太陽能發(fā)電的發(fā)展方向。 太陽輻射的能 量中被地球最終接收的可達到 1024焦耳，如果這些能量的十萬分之一能轉(zhuǎn)變?yōu)楸蝗藗兎奖憷玫碾娔?，就基本上能滿足了目前全世界的用電需求 [6]。 我國現(xiàn)今正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快的時期，且正進一步擴大經(jīng)濟規(guī)模，對能源需求持續(xù)呈現(xiàn)大幅度上升趨勢，但國內(nèi)可利用資源相對短缺，這對能源供給形成了巨大的挑戰(zhàn)，為緩解供求矛盾，石油天然氣的需長期大量依賴進口。但全球能源的消費依舊 是以不可再生的化石燃料為主，這導(dǎo)致化石能源枯竭來臨的那一天日益臨近，能源使用引發(fā)的生態(tài)污染也日益加重，這將是未來繼續(xù)困擾人們的一大問題 [3]。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，能源消耗急劇增長，能源危機也越來越引起人們的關(guān)注，能源危機是我國 乃至全世界一個長久存在的嚴峻問題，它嚴重影響著經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境的變化。最后在Matlab/Simulink 軟件環(huán)境下搭建了光伏逆變系統(tǒng)的整體模型，完成系統(tǒng)性的實驗驗證。并且 伴隨 ―智能電網(wǎng) ‖理論 的 興起 ，分布式電力系統(tǒng) 正日益 受到 關(guān)注 ， 光伏逆變系統(tǒng)作為分布式電力系統(tǒng)的一種重要形式，使得對該領(lǐng)域的研究具有重要的理論與現(xiàn)實意義。太陽能作為一種清潔無污染且可大規(guī)模開發(fā)利用的可再生能源，具有廣闊應(yīng)用前景。為了提高系統(tǒng)模型的準確性及穩(wěn)定性，論文設(shè)計了一種輸出電壓隨溫度光照改變的光伏電池模型，提出了一種基于 Boost 升壓變換器的最大功率點跟蹤（ MPPT）控制策略，并且將 正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（ SPWM） 應(yīng)用于逆變器控制。 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制