【文章內(nèi)容簡介】 與公共電網(wǎng)的電氣隔離 。 圖 工頻隔離型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu) 工頻變壓器在圖 所示的結(jié)構(gòu)中是必需的，這就會增大逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量，并且變壓器不可避免地會為系統(tǒng)帶來損耗，這就降低了逆變系統(tǒng)的整體效率。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。所以此結(jié)構(gòu)常用于系統(tǒng)的整體功率比較大的場合 。 （ 2） 圖 為 高頻并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu) ，太陽能電池產(chǎn)生的直流電能 先通過DCAC 環(huán)節(jié)變?yōu)榻涣麟?，再進入變壓器經(jīng)過升壓或降壓處理，處理后的交流電能再經(jīng)整流器做整流處理變成符合并網(wǎng)規(guī)范的直流電壓，最終進入工頻逆變橋逆變后并入公用電網(wǎng)。 圖 高頻隔離型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu) 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 7 在圖 所示結(jié)構(gòu)中 ,直流電能一共要經(jīng)過三級變換并入電網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)對控制系統(tǒng)有著很高的要求。從可靠性方面來分析，復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。而且每一級變換都不可避免的損失一部分能量，因此電能在三次變換 處理之后，系統(tǒng)效率將會大打折扣。此外，這種結(jié)構(gòu)使所用到的器件數(shù)量增多，使得建設成本將會比較高。 （ 3）非隔離型并網(wǎng)逆變器是兩級變換拓撲結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示，光伏電池輸出的電能先進入 Boost 電路來提高電壓，升壓處理后的直流電能再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電 [23]。 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。因此在功率比較小光伏發(fā)電場合中，此類逆變器應用廣泛。 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的方案及其工 作原理 經(jīng)過對 節(jié)中三種并網(wǎng)逆變器的比較，本文的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)決定采用無變壓器的兩級結(jié)構(gòu)，如圖 所示，前級 DCDC 變流電路和后級的 DCAC 逆變電路通過直流母線相連。前級 DCDC 變流電路，這種電路主要有半橋式、全橋式、推挽式和 Boost 式 [24]，因為太陽能電池的輸入電壓較低，如果采用半橋式電路，開關(guān)管流經(jīng)的電流將變大，輸出電壓太低；全橋式電路對控制系統(tǒng)的要求比較復雜，開關(guān)管的功率損耗較大，因此前一級電路采用結(jié)構(gòu)簡單，控制簡便的Boost 升壓電路。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。電能 通過后級DCAC 逆變電路實現(xiàn)逆變后進入電網(wǎng)。直流母線的作用除了連接直流 直流變流電路和直流 交流逆變電路之外，還完成了電能的傳遞。 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 8 圖 系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu) 光伏電池的原理及數(shù)學模型 太陽能 電池是光伏逆變系統(tǒng)的關(guān)鍵 部分， 其模型搭建的成功與否關(guān)系到控制算法 的 可 操作性。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。 光伏電池 的發(fā)電原理基于 半導體材料的光伏效應，電池的 輸出特性 隨 光照 強度 S 和環(huán)境溫度 T 變化 而變化。 當接有純阻性負載時，可得到如 圖 所示 的 光伏電池等效電路。 R sR s hR LI 圖 太陽能光伏電池等效電路 以下是 本文 構(gòu)建 的光伏電池數(shù)學模型 [26] 。 標準狀況 下， 在已知 光伏電池電壓 V 時， 可通過式（ ）得到 對應的電流： 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。具體算法分析如下： 21( ( 1 ( 1 ) ) )SCV D VCVSCP I V I C e D I V?? ? ? ? ? （ ） 通過 電導增量法，由 取得 極值 處的 條件 dP/dV=0 可以 得 出 [27]： 22 112( 1 ( 1 ) ) 0S C O CV D V V D VC V C VSCSCOCV I CI C e D I eCV??? ? ? ? ? （ ） 通過 牛頓法 對式（ ） 迭代 ，從而得到與 Pmax相對應 的 光伏電池電壓 Vmax： 22121122()()() ( 2 ) ( )kOCkOCV D VCVSCkk O Ck k k V D Vk CVk SCO C O CICI V eP V C VV V VPV V I C eC V C V?? ????? ? ? ????? （ ） 當 | Vk+1Vk|ε1時， Vmax=Vk+1。 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 10 式 （ ） 中 ， Vk 和 Vk+1 代表 V 的第 k 次和第 k+1 次迭代值。 ε1為迭次精度。 P′(Vk)和 P″(Vk)代表 第 k 次迭代 下功率對電壓 的一 、 二階 導 數(shù)。將所得 Vmax代入式 (21)，得 Imax， 21( 1 ( 1 ) )OCVCVSCI I C e? ? ? （ ） 從而最大功率為 max max maxP V I?? （ ） 前級 Boost 升壓電路工作原理 Boost 電路中通過控制開關(guān)管 Q1 的閉合與關(guān)斷，光伏電池產(chǎn)生的直流電壓經(jīng)過升壓處理由 Vpv升高到 Vdc，其原理圖如圖 所示： 圖 Boost電路圖 升壓斬波電路的升壓過程主要有兩個部分，一個是充電過程，另一個是放電過程。在圖 所示的電路中，充電時，開關(guān)管 Q1 導通，電路相當于短路狀態(tài)，這時光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流電能流過電感。由于太陽能電池輸入升壓電路中的是直流電，所以電能最初經(jīng)過電感時，左邊電路相當于斷路狀態(tài)，然后 iL將保持一個相對穩(wěn)定的速率線性增大，電感數(shù)值同這 個速率有直接關(guān)系。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。電感會利用自身存儲的電能對電容進行充電，電容兩側(cè)的電壓增大至一個大于輸入側(cè)電壓的水平。 Boost 電路的升壓過程也會結(jié)束，如圖 給出了 Boost 電路的升壓過程示意圖，升壓階段從本質(zhì)上來說相當于電感所含電能的傳送。在電路充電階段，電感貯藏吸納的電能，在電路放電階段，電感放出包含的電能。 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 設電路中的電感 L 值和電容 C 值都很大。在開關(guān)管 T 處在通態(tài)的時候， 光伏電池釋放的電能流經(jīng)電感 L， L 進行充電過程，充電電流基本恒定為 iL， 因為電容 C 值很大，可以將輸出電壓 U0 基本保持為恒定值。 設開關(guān)管 T 處于導通狀態(tài)的時間為 ton，在這段過程中電感 L 上積蓄的能量為 UiiLton。 當 T 處于關(guān)斷狀態(tài)時，升壓電路的輸入電壓 Ui 和電感 L 共同向負載端電容 C2 充電并向負載提供能量，假設開關(guān)管 T 位于關(guān)斷狀態(tài)的時間是 toff，這段過程中電感 L 放出的電能為 (U0–Ui)iLton。 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。在電壓型逆變電路中，為了防止直流側(cè)短路導致開關(guān)管電流過大燒壞，同一個半橋上的上下兩橋臂不允許同時導通，即開關(guān)管 T1 和 T3， T2 和 T4 不能同時導通，這就要求其控制脈沖存在互補的關(guān)系。在一個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)管 T1 和 T T2 和 T3 互補交替導通。當開關(guān)管 T1和 T4 導通、 T2 和 T3 截止時，兩橋臂之間的電壓 U0﹦ Ud。在由開關(guān)管 T1 和 T4截止到 T2 和 T3 導通的過渡過程中，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。當電流下降為 0 時，開關(guān)管 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 12 T T3 導通，流經(jīng)電感的電流反向，逆變器輸出端輸出電壓 U0﹦ Ud。同理，在控制器發(fā)出柵極驅(qū)動信號使得開關(guān)管 T T3 截止和 T T4 導通時，二極管 DD4 續(xù)流，輸出電壓 U0﹦ Ud，一直持續(xù)到續(xù)流電流減小至 0 后，開關(guān)管 T T4才導通，輸出電壓 U0﹦ Ud。以后逆變器將不斷重復以上過程，從而完成對直流電能的逆變。 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。為解決此類問題， MPPT 逐漸得到推廣與發(fā)展。最大功率點跟蹤控制的基本思想就是 依靠不斷調(diào)節(jié)光伏陣列 末 端 的輸出 電壓，盡量使其數(shù)值逼近 此時 環(huán)境下輸出功率 最大時所對應 的電壓， 從而 提高系統(tǒng)發(fā)電能力。在當前電池發(fā)電效率低的現(xiàn)狀下，通過 MPPT 進行功率提升的成本要低于增加光伏模塊中電池個數(shù)提升功率的成本。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。 為了確定光伏陣列以最大功率狀態(tài)輸出的須滿足的條件，下面 以帶直流性負載的發(fā)電系統(tǒng)為例進行分析，交流負載也同樣適用。圖 為光伏電池 帶直流負載工作 時的 等效電路 。 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制