【文章內(nèi)容簡介】 2 獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng) 并網(wǎng)型：并 網(wǎng)型系統(tǒng)分為逆潮流系統(tǒng)和非逆潮流系統(tǒng)兩種。我國現(xiàn)在多數(shù)是非逆潮流系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電多見于城市供電系統(tǒng)，區(qū)域內(nèi)的電力需求通常比 PV系統(tǒng)的輸出電力大，是城市電網(wǎng)的補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)用電時(shí)段的消峰填谷。與獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)比較，并網(wǎng)型沒用蓄電池，在沒有太陽能光照條件下不能獨(dú)立對用戶供電，但極大的節(jié)太陽能 電池 逆變器 交流負(fù)載 充電 控制器 直流 負(fù)載 蓄電池 4 約設(shè)備成本，簡化了控制結(jié)構(gòu)。如下圖 13： 圖 13 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng) 可調(diào)度型：可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)是帶有儲(chǔ)能部件且可以并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)電網(wǎng)斷電也 沒有太陽光照時(shí)，蓄電池等部件提供一定時(shí)間的能量供給，而在電網(wǎng)正?；蛴泄庹漳芰枯斎霑r(shí)，可對蓄電池補(bǔ)充能量。在蓄電池充滿電且又有光照的情況下，則應(yīng)由光伏電池直接給負(fù)載供電或是并入電網(wǎng)?？烧{(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)比并網(wǎng)型和獨(dú)立型有更大的靈活性，但成本更高，系統(tǒng)控制也較復(fù)雜。如下圖 14： 圖 14 可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng) 本論文所主要研究的是獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。 光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的架構(gòu)及類型（單相） 將直流電變換為交流電的過 程稱為逆變換或 DC－ AC 變換，實(shí)現(xiàn)逆變的主電路稱為DC－ AC 變換電路。通常將 DC－ AC 變換電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路組成的 DC－ AC 逆變電源稱為逆變器（ Inverter）。 根據(jù)輸入直流電源的性質(zhì)、逆變器的直流輸入波形和交流輸出波形，可以把逆變器分成電壓型逆變器（也可以稱為電壓源逆變器）和電流型逆變器（也可以稱為電流源逆變器）。 電壓型單相半橋逆變電路 [6] 直流母線電容濾波，直流電壓 dU 經(jīng) C C2 分壓， VT VT2 交替導(dǎo)通 /關(guān)斷；負(fù)載上 的電壓幅值為 dU 的一半，功率為全橋逆變器的四分之一；開關(guān)管 VT VT2 上承太陽 能 電池 充電控制器 直流負(fù)載 蓄電池 交流負(fù)載 逆變器 S 太陽能電池 逆變器 計(jì)量電表 交流負(fù)載 電網(wǎng) 5 受的最大電壓為 dU ；控制方式主要是 PWM 脈寬調(diào)制控制，移相控制等。 V D 1V D 2V 1V 1LRC 1C 2U oU d 圖 15 電壓型單相半橋逆變電路 半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單，使用器件少。其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值 mU 僅僅為 2dU ,且直流側(cè)需要兩個(gè)電容串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。因此，半橋電路常常用于幾千瓦以下的小功率逆變電源。 電壓型單相全橋逆變電路 [7] U+CVTVTVTVT負(fù)載12341234d dVDVDVD VD 圖 16 電壓型單相全橋逆變電路 直流母線電容 dC 濾波， VT VT4 和 VT VT3 交替導(dǎo)通 /關(guān)斷；加在負(fù)載上的電壓幅值為 dU ，輸出功率為半橋逆變器的四倍；開關(guān)管 VT1～ VT4 上承受的最大電壓為2dU ；控制方式有單極、雙極式 PWM 脈寬調(diào)制控制，移相控制，調(diào)頻控制等方式。 電流型單相全橋逆變電路 直流母線電感 dL 濾波， VT VT4 和 VT VT3 交替導(dǎo)通 /關(guān)斷；負(fù)載上的電流波形為方波，幅值為 dI ；開關(guān)管 VT1～ VT4 上承受的電壓為負(fù)載上的電壓。負(fù)載上的電壓幅值和相位取決于負(fù)載阻抗大小和性質(zhì)。 由于電流型不太常用，因此對其不作詳細(xì)的討論。 6 U+負(fù)載LVTVTVTVT1234dd 圖 17 電流型單相全橋逆變電路 主電路的拓?fù)?結(jié)構(gòu) 逆變器按主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類主要有：推挽逆變器、半橋逆變器和全橋逆變器 [8]。 單相半橋式電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 單相半橋式電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 18 所示。它包括兩個(gè)功率開關(guān)元件 VT VT2和兩個(gè)儲(chǔ)能元件電容 C C2。它的工作原理是當(dāng)兩個(gè)功率開關(guān)元件不導(dǎo) 通時(shí)，承受直流電源電壓 dU ；由于電容 C1 和 C2 兩端電壓均為 2dU （假設(shè) C1=C2） ,因此功率元件VT1 和 VT2 承受的電流為 2dI 。實(shí)質(zhì)上單相半橋電路和單相推挽電路在電路結(jié)構(gòu)上是對偶的，半橋型逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，由于兩只串聯(lián)電容的作用，不會(huì)產(chǎn)生磁偏或直流分量，非常適合后級帶動(dòng)變壓器負(fù)載，但其缺點(diǎn)也十分明顯如直流側(cè)電壓利用率低，在同樣的開關(guān)頻率下電網(wǎng)電流的諧波較大。 C 1C 2V D 1V D 2。U dV T 1V T 2。U o 圖 18 單相半橋逆變器電路拓?fù)鋱D 7 單相推挽式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 單相推挽式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 19 所示。它包括兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān) （ IGBT） VTVT2，一 個(gè)升壓變壓器組成。其工作原理是，當(dāng)兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān) VT VT2 一起運(yùn)行時(shí)，兩倍于半導(dǎo)體開關(guān)的極限電壓將施加于兩個(gè)開關(guān)管，所以單相推 挽式逆變器多用于直流母線電壓不太高的地方，而且這種結(jié)構(gòu)的逆變器效率低下、很難帶動(dòng)具有感性特征的負(fù)載。 V T 1V T 2V D 1V D 2U oU d+ 圖 19 單相推挽式逆變器電路拓?fù)鋱D 單相全橋逆變電路電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 單相全橋逆變電路電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 110 所示。它由兩個(gè)半橋電路組成， 其工作原理是功率開關(guān)元件 VT1 與 VT4 互補(bǔ)， VT2 與 VT3 互補(bǔ)；當(dāng) VT1 與 VT3 同時(shí)導(dǎo) 通時(shí)，負(fù)載電壓 OdUU?? ；當(dāng) VT2 與 VT4 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓 OdUU?? ； VT VT3 和VT VT4 輪流導(dǎo)通，負(fù)載兩端就得到交流電能。 U dV T 1V T 3V T 2V T 4U o 圖 110 單相全橋逆變器電路拓?fù)鋱D 8 綜上所述，根據(jù)本文的研究需要，本文將選用目前應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)相對也是最成熟的單相全橋式的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 110 所示），因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡 單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)。 本課題的目的、任務(wù)及意義 通過上述分析，在能源需求急劇增加而化石能源日益緊張的背景下，太陽能作為一種取之不盡的、無污染的可再生能源己成為當(dāng)今最熱門的能源開發(fā)應(yīng)用的課題之一，也必將是 21 世紀(jì)最重要的能源之一。因此對光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究 設(shè)計(jì)無疑具有極大應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文主要要求完成 光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)的研制，具體任務(wù)如下： ，選擇一種行之有效的最大功率點(diǎn) 跟蹤方法，建立光伏陣列的電路仿真模型 [9]，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真與控 制策略的驗(yàn)證成為可能 ； ，并用合適的控制 策略使之能夠?qū)崿F(xiàn)對本地負(fù)載的獨(dú)立發(fā)電運(yùn)行或并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行 ； 。 9 2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成 下面介紹戶用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。它主要包括光伏陣列、并網(wǎng)逆變器等。下面分別對光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)組成部分以及要解決的關(guān)鍵問題作一一介紹。 光伏陣列 本論文基于 TMS320F2812 的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (cell)，是光伏電池 (又稱 太陽能電池 )的最基本單元。當(dāng)太陽光 (或其他光 )照射到 光伏電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子一空穴對，在電池內(nèi)建電場作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的累積，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應(yīng)” [10]。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有 “光生電流 ”流過，從而獲得功率輸出。光伏電池片容量小，輸出電壓只有零點(diǎn)幾伏，輸出峰值功率也只有 1W 左右，一般不能滿足負(fù)載用電的需要，所以通常不直接使用。因此要將幾片、 幾十片或幾百片單體太陽能電池根據(jù)負(fù)載需要，經(jīng)過串、并聯(lián)連接起來，構(gòu)成太陽 能電池組件，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串、并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成光伏陣列。目前光伏系統(tǒng)中使用的太陽能電池多為硅太陽能電池，包括單晶硅、多晶硅以及多晶硅薄膜電池。 光伏并網(wǎng)逆變器 光伏陣列所發(fā)出的電能是直流電能，需要使用逆變器將直流電變換為交流電。并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心部件和技術(shù)關(guān)鍵。并網(wǎng)逆變器除了可將光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電外，還可對轉(zhuǎn)換的交流電的頻率、電壓、電流、相位、有功與無功、同步、電能品質(zhì) (電壓波動(dòng)、高次諧波 )等進(jìn)行控制。 并網(wǎng)逆變器實(shí)質(zhì)上是一 個(gè)有源逆變系統(tǒng)。就并網(wǎng)系統(tǒng)而言，可以分為電流型和電壓型兩大類。典型的電流型逆變器結(jié)構(gòu)如圖 17 所示，直流回路的電感是實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電 流源的主要器件，為了改善并網(wǎng)電流的波形，在交流側(cè)要加濾波電容器，光伏陣列要串聯(lián)電感才能接在相應(yīng)的直流母線上。典型的電壓型逆變器結(jié)構(gòu)如圖 16 所示，直流側(cè) 采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能，在交流側(cè)經(jīng)沖電感接入電網(wǎng)母線。 電網(wǎng)可視為容量無窮大的定值交流電壓源。電流型逆變器的輸出采用電壓控制，并網(wǎng)時(shí)實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行，逆變器輸出電壓值不易控制，并且可能出現(xiàn)環(huán)流，目前較少采用。電壓 型逆變器的輸出采用電流控制，只需控制逆變器的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，既可達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)行的目的，其控制方法相對簡單，是最常用的光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)。本文中采用的就是電壓型逆變器結(jié)構(gòu)。 10 控制策略的分析與實(shí)現(xiàn) 逆變器電流跟蹤控制方式 光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是控制并網(wǎng)逆變器輸出為穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波電流，同時(shí)要求并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，因此必須采用合適的控制策略以達(dá)到上述的控制目標(biāo)。 本文中的并網(wǎng)逆變器被設(shè)計(jì)成電壓型控制的電流源結(jié)構(gòu)，這樣并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)電壓實(shí)際上就是一個(gè)交流電流源和電壓源 的并聯(lián)。逆變器的輸出電壓幅值自動(dòng)被鉗位為電網(wǎng)電壓，只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網(wǎng)電壓，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。光伏發(fā)電正常工作時(shí)就是通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，當(dāng)僅考慮基波頻率時(shí)，它可以被等效地視為幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，它通過電抗器并電網(wǎng)。其等效電路如圖 21 所示。 RI+++XL??LUIU SU 圖 21 單相等效電路 SU 為電網(wǎng)電壓， IU 為逆變器輸出電壓。 X 為連接電抗，將逆變器本身的損耗 (自關(guān)斷器件的開關(guān)損耗 )以及線路電阻用等效電阻 R 表示，則 ( IU SU )即為 X 和 R 上的電 壓降，流過電抗器 X 和電阻 R 的電流可以由其兩端的電壓來控制，其電流應(yīng)與電網(wǎng)電壓同相，這個(gè)電流就是光伏發(fā)電裝置流向電網(wǎng)的電流 I。 要使光伏發(fā)電系統(tǒng)能輸出電流則 IU 必須大于 SU ，且逆變器本身提供了有功功率 二來補(bǔ)充電路中的損耗，而電網(wǎng)電壓 SU 與電流 I 同相，因?yàn)榫€路中電抗器 X 的存在，使得逆變器輸出電網(wǎng)電壓 IU 與電網(wǎng)電壓 SU 不再是同相，而存在一個(gè)相位差 ? ，改變這個(gè)相位差，并且改變 IU 的幅值，則產(chǎn)生的電流的相位和大小也就隨之改變，光伏發(fā)電裝置流入電網(wǎng)的有功功率也就因此得到調(diào)節(jié)。根據(jù)以上分析可得此系統(tǒng)向量圖如圖 22 所示。 11 ??I LUIUSU RU 圖 22 向量圖 分析圖 2 所示的工作向量圖，由圖中電網(wǎng)電壓 SU 、逆變器交流側(cè)基波電壓 IU ，和連 接電抗器壓降 LU 構(gòu)成的三角關(guān)系，可得如下等式 ： 22( ) ( )ISU U IR LI?? ? ? (21) SSI L Ltg UU IRRI??? ???? (22) 由 (21)， (22)兩式子可得輸出有功功率改變 (通過 I 的改變 )時(shí)，輸出電壓的 相角 ? 和值 IU ，同時(shí)變化，這樣得控制 ? 和 IU ，兩個(gè)參數(shù)，可見間接控制實(shí)現(xiàn)比較困難， 因此本設(shè)計(jì)采用電流直接控制的方式。 直接電流控制，就是采用跟蹤型 PWM 控制技術(shù)，根據(jù)指令信號和實(shí)際供給電流之間的相互關(guān)系，得出控制主電路各個(gè) IGBT 通斷的 PWM 信號，光伏發(fā)電系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)受控電流源。 目前，跟蹤型 PWM 控制方法主要有兩種，即滯環(huán)比較方式 和三 角波比較方式。 ，將補(bǔ)償電流參考值與逆變器實(shí)際電流輸出值之差輸入到具有滯 環(huán)特性的比較器，通過比較器的輸出來控制開關(guān)的開 合，從而使逆變器輸出電流值實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償電流參考值。該方式電路簡單，電流響應(yīng)快，不需要載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量，電流跟隨誤差范圍固定，但是開關(guān)器件的開關(guān)頻率是不固定的，有可能超出器件允許的最高工作頻率而導(dǎo)致器件損壞。針對采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式環(huán)寬固定這一缺點(diǎn)，解決的辦法是采用定時(shí)控制的瞬時(shí)值比較方式，用一個(gè)由時(shí)鐘定時(shí)控制的比較器來代替滯環(huán)比較器，這樣器件的開關(guān)頻率最高不會(huì)超過時(shí)鐘頻率的一半，從而可避免器件開關(guān)頻率過高