【文章內(nèi)容簡介】 電設(shè)備以交流供電為主，所以系統(tǒng)中需要逆變單元將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供負載使用，逆變器的效率將直接影響到整個系統(tǒng)的效率，因此光伏系統(tǒng)逆變器的控制技術(shù)就具有重要的研究意義。 4. 直流控制系統(tǒng) 在電能從光伏陣列到儲能單元，再到逆變單元間的傳輸和交換過程，為了保證系統(tǒng)的高效與安全運行，還需要直流控制系統(tǒng)對整個過程進行調(diào)整、保護和控制，如最大功率點跟蹤控制技術(shù)。 淮北師范大學信息學院 2020 屆學士學位論文 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器的研究 5 2. 并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)的分析 并網(wǎng)逆變器的拓撲 針對并網(wǎng)逆變技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，具體比較逆變器結(jié)構(gòu)拓撲如下，根據(jù)輸入輸出隔離變壓器的類型可以分為低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變、高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變以及非隔離型并網(wǎng)逆變。 [4] 低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變 1. 電路結(jié)構(gòu) 低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，該電路結(jié)構(gòu)由工頻或者高頻逆變器、工頻變壓器以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成。 LC濾 波 器LC太 陽 能 電 池或 者 蓄 電 池工 頻或高 頻逆 變器工 頻 變 壓 器濾 波 器電 網(wǎng) 圖 2 低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu) 2. 拓撲族 低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器可以由方波、階梯波合成、脈沖調(diào)制等逆變器來實現(xiàn)。其中拓撲族包括半橋式、全橋 式等電路，如圖 3 所示。 a ) 半 橋 式a ) 全 橋 式圖 3 低頻并網(wǎng)逆變器拓撲族 這類低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、雙向功率流、單級功率變換、高效率、變壓器體積和重量大、音頻噪音大等特點。 高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變 1. 電路結(jié)構(gòu) 淮北師范大學信息學院 2020 屆學士學位論文 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器的研究 6 高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，該電路結(jié)構(gòu)由高頻逆變器、高頻變壓器、整流器、極性反轉(zhuǎn)逆變橋以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成。 LC濾 波 器高 頻逆 變器高 頻 變 壓 器濾 波 器整流器電 網(wǎng)工 頻逆 變橋 圖 4 高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu) 2. 拓撲族 高 頻并網(wǎng)逆變器拓撲族包括單管正激式、雙管正激式等電路，見圖 5 圖 5 高頻并網(wǎng)逆變器拓撲族 這類電路具有高頻電氣隔離、結(jié)構(gòu)簡潔、單相功率流、三級功率變換、直流變換級工作在 SPWM、工頻逆變橋功率開關(guān)電壓應(yīng)力低且為 ZVZCS 等特點。 非隔離型并網(wǎng)逆變 對于非隔離型并網(wǎng)逆變通常是需要通過無變壓器隔離的 DC/DC 變換器將很低的輸入電壓變換為高壓輸出供逆變橋使用，電路如圖 6 所示。 D C / D C逆變器直 流 升 壓 變 壓 器濾 波 器 圖 6 非隔離型并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu) 并網(wǎng)逆變系統(tǒng) /獨立供電系統(tǒng)的 工 作原理 淮北師范大學信息學院 2020 屆學士學位論文 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器的研究 7 主電路拓撲結(jié)構(gòu)分析 并網(wǎng)發(fā)電 /獨立供電系統(tǒng)是一種將有源逆變與無源逆變結(jié)合于一體的逆變裝置，除了需要兩種不同的控制策略外，還需要兩套不同主電路拓撲結(jié)構(gòu)，但是發(fā)現(xiàn)這兩種逆變主電路的不同之處在于濾波環(huán)節(jié)不同，實際上可以通過對濾波參數(shù)進行整合折中，選用相同的濾波參數(shù)以滿足需要，這樣就能省去一套濾波裝置，從而可以一機兩用。本文采用了單相拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)兩用功能。三相與單相實現(xiàn)原理一樣，只是控制上要復(fù)雜些。 系統(tǒng)主電路的拓撲電路如圖 7 所示 。 圖 7 系統(tǒng)主電路的拓撲結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的 工作原理 1. 前級 Boost 電路的工作原理 1) 電路原理圖 Boost 電路由開關(guān)管 Q1，二極管 D，電感 L，電容 C 組成，完成將太陽能電池輸出的直流電壓場 V 升壓到 dcV ，其原理圖如圖 8 所示： 圖 8 Boost 電路圖 2) 工作過程 淮北師范大學信息學院 2020 屆學士學位論文 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器的研究 8 當開關(guān)管 Q1 導(dǎo)通時，二極管反偏，于是將輸出級隔離，由輸入端向電感器供應(yīng)能量，當開關(guān)管 Q1 斷開時，輸出級吸收來自電感器和輸入端的能量。如圖 9所示： 圖 9 Boost 電路的工作過程 3) 工 作原理 根據(jù)電感電流在周期開始是否從零開始，是否連續(xù)，可分為連續(xù)的工作狀態(tài)或不連續(xù)的工作狀態(tài)兩種模式。由于電路在斷續(xù)工作時電路，電感電流的不連續(xù)，就意味著太陽能輸出的電能在每個周期內(nèi)都有一部分被浪費掉了，而且紋波也會大些。因此電路的參數(shù)的選擇應(yīng)讓電路工作在連續(xù)導(dǎo)電的模式下，如圖 所示 ： 圖 10 Boost 電路連續(xù)導(dǎo)電時的穩(wěn)態(tài)波形 2. 后級單相全橋逆變器的工作原理 1) 電路原理圖 如圖 11 所示為以絕緣柵雙極性晶體管 (IGBT)為主開關(guān)器件的單相全橋逆變器主電路圖，其中 NL 為交流輸出電感， dC 為直流側(cè)支撐電容，也即 前級 Boost 淮北師范大學信息學院 2020 屆學士學位論文 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器的研究 9 圖 11 單相全橋逆變器的拓撲結(jié)構(gòu) 電路的輸出電容， T T4 是主開關(guān)管 IGBT， D D4 是其反并聯(lián)二極管，對四個開關(guān)管進行適當?shù)?PWM 控制，就可以調(diào)節(jié)輸出電流 )(tiN 為正弦波，并且與網(wǎng)壓 )(fiV 保持同相位，達到輸出功率因數(shù)為 l的目的。它是由兩個橋臂并聯(lián)組成的，因此這種橋式拓撲，仍屬于升壓式結(jié)構(gòu)。其啟動的先決條 件是直流側(cè)濾波電容預(yù)先充電到接近電網(wǎng)電壓的峰值，而欲使電感電流能按照給定的波形和相位得到控制，必須保證在運行過程中，直流側(cè)電壓不低于電網(wǎng)電壓的峰值，否則，續(xù)流二極管將以傳統(tǒng)的整流方式運行，電感電流不完全可控。 淮北師范大學信息學院 2020 屆學士學位論文 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器的研究 10 3. 太陽能電池特性及其最大功率跟蹤控制 太陽能電池工作特性 1. 太陽能電池的極性 [5] 太陽能電池一般制成 P ? /N 型結(jié)構(gòu)或 N? /P 型結(jié)構(gòu)，其中，第一個符號，即P? 和 N? ，表示太陽能電池正面光照層半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型；第二個符號，即N 和 P，表示太陽能電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。 太陽能電池的電性能與制造電池所用的半導(dǎo)體材料的特性有關(guān)。在太陽光照射時，太陽能電池輸出電壓的極性， P 型一側(cè)電極為正， N 型一側(cè)電極為負。 2. 太陽能電池的電流 —— 電壓特性 [6] 太陽能電池的電路及等效電路如圖 12（ a） 、 （ b） 所示。其中， LR 為電池的外負載電阻。當 0?LR 時，所測的電流為電池的短路電流 SCI ， SCI 值與太陽能電池的面積大小有關(guān)，面積越大， SCI 值越大。同一塊太陽能電池，其 SCI 值與入射光的輻照度成正比；當環(huán)境溫度升高時， SCI 值略有上升，一般溫度每升高 1℃， SCI值約上升 78uA。當 ??LR 時，所測得的電壓為電池的開路電壓 ocV 。太陽能電池的開路電壓，與光譜輻照度有關(guān)，與電池面積的大小無關(guān)。當入射光譜輻照度變化時，太陽能電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對數(shù)成正比；環(huán)境溫度升高時，太陽能電池的開路電壓值將下降，一般溫度每上升 l℃， ocV 值約下降 2～ 3mV。 DI (二極管電流 )為通過 PN 結(jié)的總擴散電流，其方向與 SCI 相 反。 SR 為串聯(lián)電阻，它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面間接觸電阻所組成。 ShR 為旁漏電阻，它是由硅片邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的。一個理想的太陽能電池， SR 很小，而 ShR 很大。由于 SR 和 ShR 是分別串聯(lián)與并聯(lián)在電路中的，所以在進行理想電路計算 時，它們都可以忽略不計。 圖 12 太陽能電池的電路及等效電路圖 此時流過負載的電流與輸出電壓關(guān)系： 淮北師范大學信息學院 2020 屆學士學位論文