【文章內(nèi)容簡介】 大，而且在濾波器上會(huì)產(chǎn)生較大的壓降，加大了無功功率的消耗，同時(shí)還會(huì)向電網(wǎng)注入電壓紋波，污染電網(wǎng)。因此，這類濾波器的能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益不高，目前已較少使用。 光伏逆變器設(shè)計(jì)中常用的 LC 型濾波器的 原理圖 如圖 28 所示，屬于典型的低通濾波電路，而 LC 型濾波器中的高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器在光伏逆變器設(shè)計(jì)中一般使用不到，因此此處不作討論。低通主要由濾波電感 L 和穩(wěn)壓電容 C 構(gòu)成，當(dāng) 有信號(hào)從左 到 右 傳送的時(shí)候， L 對低頻率信號(hào)影響較小，對高頻率信號(hào)影響較大；C 則對低頻率信號(hào)衰退較低，對高頻率信號(hào)衰退較大。所以此濾波線路較易經(jīng)過低頻率信號(hào) ， 而對高頻信號(hào)進(jìn)行阻斷 。 LCRUi Uo 圖 28LC 型濾波 器原理圖 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 L 1CL 2R 1 R 2Ui Uo 圖 29LCL 濾波器原理圖 相對于傳統(tǒng)的 L 型濾波器和 LC 型濾波器， LCL 型濾波器由于較低的開關(guān)頻率、較小的電感總量、較好的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)異的特性，如何用其代替原有的 L/LC 型濾波器已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 LCL 型濾波器的原理圖如圖 29 所示，主要由網(wǎng)側(cè)電感、濾波器電容和直流側(cè)電感構(gòu)成。 L 型濾波器、 LC 型濾波器和 LCL 型濾波器的幅頻特性和相頻特性比較如圖 210 所示，由圖可以看出 L型濾波器的幅頻響應(yīng)特性衰減速度保持不變， LC 型濾波器在低頻處和高頻處衰減較慢，在截止頻率附近衰減較快， LCL型濾波器在高頻處衰減較快，所以各濾波器在低頻的幅頻響應(yīng)特性相差不多，而在 高頻 段， LCL 濾波器的 衰退比較快，擁有較好的高次諧波去除功效 。 但是 LCL 型濾波器屬于三階系統(tǒng)，在參數(shù)設(shè)計(jì)和控制方面存在一定困難，同時(shí)自身還存在有諧振尖峰問題，會(huì)對諧振尖峰附近的諧波起到放大作用，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此還要考慮采用相關(guān)方法消除 LCL 濾波器的諧振尖峰，目前常用的做法是在 LCL 濾波器的電容處加入阻 尼電阻或者通過控制方法添加一個(gè)等效的有源阻尼電阻。 LC 濾波器L C L 濾波器L 濾波器 1 5 0 1 0 0 500501 0 01 5 0Magnitude (dB)102101100101102 2 7 0 1 8 0 900Phase (deg)F r e q u e n c y ( r a d / s )第 2 章 基本硬件結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 19 圖 210L 型、 LC 型、 LCL 型濾波器幅頻 相頻 特性比較圖 有源濾波器 拓?fù)浞桨? 有源濾波器 根據(jù)接入方式不同可 以劃 分為 ： 串聯(lián)型 有源濾波器 、并聯(lián)型 有源濾波器 以及混合型 有源濾波器 [6164]。 非線性負(fù)載諧波檢測跟蹤控制電網(wǎng)變流器變壓器 圖 211 串聯(lián)型有源濾波器工作原理圖 串聯(lián)型有源濾波器的工作原理圖如圖 211 所示，其一般是串聯(lián)接入電力網(wǎng)中，等效為一個(gè) 控制 電壓源，不易 遭受負(fù)荷的變化而隨其形成電壓變動(dòng)，還能夠去除電壓類線路里諧波對負(fù)荷的阻礙，在其運(yùn)用在直流體系中的時(shí)候，容易產(chǎn)生直流磁飽和這一問題，所以，通常僅適合于諧波源是電壓源特征的交流體系，而且因?yàn)槠浯佑陔娏W(wǎng)電源和負(fù)荷之間，流動(dòng)的電流是電源產(chǎn)生的電流，所以，運(yùn)行當(dāng)中的耗損比較大 。 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 非線性負(fù)載電網(wǎng)諧波檢測跟蹤控制變流器 圖 212 并接 型有源濾波器 工作原理圖 并聯(lián)型有源濾波器的工作原理圖如圖 212 所示，一般并聯(lián)接入電力網(wǎng)中，等效為一個(gè)受控電流源，通過檢測非線性負(fù)載側(cè)的電流，通過一定算法提取出負(fù)載側(cè)電流中的諧波分量，通過跟蹤控制來讓有源濾波器產(chǎn)生相同的諧波分量來提供給負(fù)載側(cè)，從而將非線性負(fù)載對電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的諧波影響消除。并聯(lián)型有源濾波器 使用和電力網(wǎng)電源與負(fù)荷并接的形式，不易對體系的總體運(yùn)作造成影 響， 因此并聯(lián)型有源濾波器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種形 式。 由于有源濾波器的造價(jià)成本較高，為了降低補(bǔ)償裝置安裝的成本，需要想辦法降低所需的有源濾波器的額定補(bǔ)償容量，因此提出了將有源濾波器和無源濾波器混合使用，使用無源濾波器濾除主要的諧波分量，然后再使用 串聯(lián) 有源濾波器 或并聯(lián)有源濾波器 來對總體的 諧波 補(bǔ)償效果進(jìn)行優(yōu)化，這就是混合濾波器，常用于諧波含量較大且補(bǔ)償效果要求不高的場合。 總體方案選擇 及 主電路拓?fù)湓O(shè)計(jì) 基于選用較為先 進(jìn)的電路拓?fù)浜头奖?制作 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)等方面的考慮，本文設(shè)計(jì)選用了 Boost 變換器拓?fù)洹? 二極管箝位型 三電平逆變 器拓?fù)?、?LCL 濾波器拓?fù)洌缓笥捎诓⒙?lián)型有源濾波器與三電平逆變器在拓?fù)浜涂刂粕厦嬗邢嗨频牡胤?，因此文?設(shè)計(jì) 選用了并聯(lián)型有源濾波器的控制方法。 光伏 并網(wǎng)逆變器主電路 拓?fù)淙鐖D 213 所示，其主要由 Boost 升壓電路、三電平逆變電路和 LCL濾波電路相互連接組成。前端是 Boost 升壓電路，光伏陣列的模型相當(dāng)于直流源，將其輸出的直流直流功率直接接入 Boost 升壓電路，由于 Boost 升壓電路第 2 章 基本硬件結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 21 的高壓側(cè)（右側(cè)）會(huì)被電網(wǎng)箝位，因此通過改變開關(guān)管的占空比調(diào)節(jié) Boost 升壓電路兩端的電壓比可以控制光伏陣列的輸出電壓，從而可以實(shí)現(xiàn)光伏陣列輸出最 大功率；Boost 升壓電路處理過后，功率傳送到三電平逆變電路，三電平逆變電路在控制信號(hào)的作用 下，輸出規(guī)律變化的脈沖波，根據(jù)伏秒平衡的原理，所輸出的脈沖波在經(jīng)過一定的濾波環(huán)節(jié)后即可得到 符合要求的 交流波 ；后端為 LCL濾波電路，可以將逆變電路的輸出電流中的 特定次數(shù) 諧波分量濾除，使其接近于正弦波，然后將功率輸送給負(fù)載或電網(wǎng)。 Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q 9Q 10Q 11Q 12C 1C 2D 1D 2D 3D 4D 5D 6ONP A B C負(fù)載光伏陣列L CL 濾波器 電網(wǎng)三電平逆變電路B o o s t 升壓電路QCL D 圖 213 光伏并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)? 本章小結(jié) 本章對當(dāng)前常用的 Boost 變流電路拓?fù)浞桨?、三電平逆變電路拓?fù)浞桨?、濾波器電路拓?fù)浞桨负陀性礊V波器電路拓?fù)浞桨高M(jìn)行了分析和對比，并根據(jù)本文設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和需求選取了合適的電路拓?fù)浞桨福?Boost 升壓 電路拓?fù)浞桨?、二極管箝位型三電平逆變電路拓?fù)浞桨浮?LCL型濾波電路拓?fù)浞桨负筒⒙?lián)型有源濾波器電路拓?fù)浞桨?，最后根?jù)所選擇的各模塊拓?fù)浞桨高M(jìn)行 三電平逆變器 主電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，為后續(xù)的控制策略和仿真模型建立的研究設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 第 3章 控制策略 設(shè)計(jì) 光伏逆變器的控制策略是光伏逆 變器系統(tǒng)正常、高效和穩(wěn)定運(yùn)作的關(guān)鍵，因此，對光伏逆變器各模塊選取合適的控制策略尤為重要。 根據(jù)章節(jié) 中的主電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)， 本文設(shè)計(jì)的主要控制結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示。 B o o s t 升壓電路 三電平逆變電路 L C L 濾波電路負(fù)載電網(wǎng)M P P T 控制逆變控制諧波抑制控制信號(hào)檢測信號(hào)檢測+諧波分量提取信號(hào)檢測光伏陣列 圖 31 本文設(shè)計(jì)的主要控制結(jié)構(gòu)圖 MPPT 控制策略 太陽能光伏電池 表層具有類似金屬膜層的 半導(dǎo)體薄片， 在太陽光輻照的時(shí)候，薄片的另一面與金屬膜層間將會(huì)出現(xiàn)特定的電壓，這種情況被稱作 光生伏打效應(yīng) （也稱作 光伏效應(yīng)）。太陽能光伏電池 正是一類運(yùn)用光伏效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)變成電力的設(shè)備 ，光伏陣列就是許多太陽能光伏電池連接而成的光伏發(fā)電裝置 [6566]。 光伏陣列 的 IV 特征曲線包括其絕大部分技術(shù)特征，是對其做出解析最關(guān)鍵的基礎(chǔ)曲線。光伏陣列的 IV 特性表示在某個(gè)特定的日光強(qiáng)度與溫度條件下，光伏電池的傳輸電壓與電流間的關(guān)聯(lián)，如下圖 32 示。由 IV 特征曲線能夠得知，光伏電池的 輸出曲線近似于直流源，但 它 不會(huì)為負(fù)荷供應(yīng)比較大的功率，是一類非線性直流電源。輸出電流在大多數(shù)運(yùn)行電壓區(qū)間內(nèi)相對穩(wěn)定，最后在一個(gè)比較高的電壓后，電 流快速減到零。取曲線中每點(diǎn) 的電壓 V和電流 I 相乘，即可得到當(dāng)前點(diǎn)的光伏 陣列所輸出的功率，在這些點(diǎn)中，存在一點(diǎn)使得輸出功率最大，這就是所謂的光伏陣列最大輸出功率點(diǎn)。 第 3 章 控制策略設(shè)計(jì) 23 VI 圖 32 光伏陣列的 IV 特性 曲線 光伏陣列的輸出與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、輸出電壓等因素有極大的關(guān)系，其輸出特性一般呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性， 溫度不變和光照強(qiáng)度不變時(shí)光伏陣列的輸出特性如圖 33和圖 34 所示。由圖可知， 在 不同溫度和光照強(qiáng)度下 改變 光伏陣列的 傳輸 電壓的過程當(dāng) 中，光伏陣列的 傳出功率均是存有一個(gè)最高值 ， 因此，為了 在環(huán)境因素進(jìn)行變化是保持光伏陣列的輸出功率最大化，需要對光伏陣列的輸出進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。 光伏陣列輸出功率光伏陣列輸出電壓25 0 0 /Wm27 5 0 /Wm21 0 0 0 /WmPV 圖 33 光照強(qiáng)度不同時(shí)光伏陣列 PV 曲線 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 24 光伏陣列輸出功率光伏陣列輸出電壓PV25℃50℃75℃ 圖 34 溫度 不同時(shí)光伏陣列 PV 曲線 常用的 MPPT 控制策略有恒定電壓跟蹤法 （ CVT） 、 擾動(dòng)觀 測 法 （ Pamp。O）和 導(dǎo)納增量法 （ INC）等 [66]。 恒定電壓跟蹤法主要用于光照強(qiáng)度與 環(huán)境溫度 變動(dòng)比較小的狀況下，這時(shí)光伏陣列在 最高功率位置處的電壓 幾乎為一固定值 ，然后將光伏陣列的輸出電壓控制在最大功率點(diǎn)附近的某一固定電壓是，光伏陣列的輸出將近似等于最大功率。根據(jù)文獻(xiàn) [66]的研究可知，在最大功率點(diǎn)處，電壓 MPPTV 與光伏陣列的開路電壓 ocV 成近似的線性關(guān)系（如式 31 所示），式中， uk 為電壓線型比例系數(shù)，一般取 ~ 之間。該方法控制簡單快速，易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的工作電壓具有良好的穩(wěn)定性，但當(dāng)環(huán)境溫差變化較大 時(shí) ，該方法的最大功率點(diǎn) 定位 誤差也較大，導(dǎo)致光伏陣列發(fā)電效率變低。 MPPT u ocV kV? （ 31） 擾動(dòng)觀 測 法 主要包括定步長電壓擾動(dòng)觀測法和變步長電壓擾動(dòng)觀測法，該方法在光伏并網(wǎng)產(chǎn)品中控制穩(wěn)定、表現(xiàn)良好，因此在實(shí)際中受到廣泛應(yīng)用。定步長擾動(dòng)觀測法由于擾動(dòng)步長不變，在設(shè)計(jì)時(shí)難以 同時(shí) 考慮光伏 陣列輸出 的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能：擾動(dòng)步長設(shè)定 較高 ， 追蹤最高功率位點(diǎn)速率快，動(dòng)態(tài)反應(yīng)好，但是在最高功率位置附近 可能存在震蕩；擾動(dòng)步長設(shè)定較小，跟蹤最大功率點(diǎn)速度慢，但在最大功率點(diǎn)附近時(shí)穩(wěn)態(tài)性能好。而變步長電壓擾動(dòng)觀測法就克服了擾動(dòng)步長不變的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在最大功率點(diǎn)跟蹤初期快速達(dá)到最大功率點(diǎn)，而在到達(dá)最大功率點(diǎn)附近時(shí)在很小的幅度附近震蕩 ，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。 但此方式僅適合于那種光照強(qiáng)度變動(dòng)遲緩的條件下，第 3 章 控制策略設(shè)計(jì) 25 并且在穩(wěn)態(tài)狀況下，這一算法會(huì)造成光伏陣列的現(xiàn)實(shí)工作位置在最高功率處附近出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，所以會(huì)導(dǎo)致不少功率的損失；而光照出現(xiàn)迅速變動(dòng)時(shí)，追蹤算法將不在適用，判定獲得錯(cuò)誤的追蹤方向 。 導(dǎo)納增量法是 經(jīng)過對電導(dǎo)的改變量與電導(dǎo)瞬時(shí)量間的大小關(guān)聯(lián)做出對比來達(dá)到對MPPT 調(diào)控 的。 由光伏陣列的 PV 特性圖 34 可以看出， PV 特性 曲線為一條平滑連續(xù)的 上 凸曲線， 因此在曲線上存在極大值， 在極大值 MPPTU 處斜率為零，因 此有下式： () 0d P d V I d IIVd V d V d V?? ? ? ?（ 32） dI IdV V?? （ 33） 式（ 33） 即導(dǎo)納增量法的 最高功率位置判定條件：輸出電導(dǎo)變動(dòng)量等同于傳出電導(dǎo)的負(fù)值。當(dāng)光伏陣列運(yùn)行在非最高功率位置處 ： 1） MPPTVV? 時(shí)， dI IdV V?? ； 2）MPPTVV? 時(shí)， dI IdV V?? 。根據(jù) dIdV 和 IV? 的大小關(guān)系，對光伏陣列的輸出電壓進(jìn)行不斷調(diào)整，以達(dá)到跟蹤最大功率點(diǎn)的目的。該方法 在 日照強(qiáng)度或者溫度等外界環(huán)境變動(dòng)的時(shí)候，體系可以穩(wěn)定的追蹤其變動(dòng)，確保光伏陣列的運(yùn)行效率，在最高功率處 的 周圍不會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，系統(tǒng)有很好的穩(wěn)態(tài)性能。 本文設(shè)計(jì)所采用的方法是自適應(yīng)變步長導(dǎo)納增量法，傳統(tǒng)導(dǎo)納增量法由于在調(diào)整輸出電壓時(shí)使用的是固定的電壓步長，從而在設(shè)定電壓步長時(shí)存在于定步長 電壓擾動(dòng)觀測法一樣的矛盾，因此需要在使用中通過一定方法對其步長進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。從光伏陣列的 PV曲線可以看出， PV曲線的斜率是在不斷變化的，在距離最大功率點(diǎn)更遠(yuǎn)的地方，曲線斜率更大；在距離最大功率點(diǎn)更近的地方，曲線斜率更??；在最大功率點(diǎn)處，曲線斜率為 0。因此可以根據(jù)光伏陣列 PV 特性曲線的斜率大小來 動(dòng)態(tài)改變 電壓步長，本文中電壓步長設(shè)定為 dPVkdV? （ k為一個(gè)比例常數(shù)）， 所設(shè)計(jì) MPPT 控制策略的控制框圖如圖 35 所示。 除此之外，本文設(shè)計(jì)中還加入了積分環(huán)節(jié)，以改善 光伏陣列 輸出電壓在最大功率