【文章內(nèi)容簡介】 是這種調(diào)節(jié)器的原理圖。圖2－3 降壓式DC－DC變換器原理圖當(dāng)控制信號為正半波時(shí)，晶體管T導(dǎo)通，續(xù)流二極管D因此反偏截止。輸入電源通過電感L向負(fù)載供電，并同時(shí)向?yàn)V波電容C充電，此時(shí)電感L處于儲(chǔ)能狀態(tài)。當(dāng)控制信號為負(fù)半波時(shí)，晶體管T截止。由于通過儲(chǔ)能電感L的電流不能突變，所以在它兩端感應(yīng)出一個(gè)左負(fù)右正的自感電勢，使續(xù)流二極管導(dǎo)通。此時(shí)儲(chǔ)能電感L便把原先儲(chǔ)存的磁能轉(zhuǎn)換成電能。降壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓為： （2－1）其中為母線電壓；Q為控制脈沖的占空比；Vin為輸入電壓。 升壓型調(diào)節(jié)器又稱并聯(lián)型開關(guān)調(diào)節(jié)器，它的原理圖如下圖2－4 升壓式DCDC變換器原理圖在圖2－4中，當(dāng)晶體管T導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓全部加到電感L上并以電磁能的形式儲(chǔ)存在電感中，在此期間，負(fù)載由電容器C供電；當(dāng)晶體管T截止時(shí)，在電感L中的感應(yīng)電勢與蓄電池電壓疊加起來向電容C充電并給負(fù)載供電，從而在輸出端形成高于輸入的電壓。T導(dǎo)通期間，電感L上的電壓跳變的幅值與控制脈沖的占空比Q有關(guān)，Q愈大，導(dǎo)通時(shí)間愈長，Lr 峰值電流愈大，儲(chǔ)存的能量也愈多，在晶體管截止期間的感應(yīng)電壓也愈高 （2－2）完成DC到AC的轉(zhuǎn)換需要用到逆變器，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是核心部分。其主要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送入電網(wǎng)。當(dāng)然也要有完善的并網(wǎng)保護(hù)功能，保證系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行。根據(jù)太陽能發(fā)電用逆變器分為以下幾種形式[15]:(l)工頻變壓器絕緣方式用于獨(dú)立型太陽能發(fā)電設(shè)備，可靠性高，維護(hù)量少，開關(guān)頻率低，電磁干擾小。(2)高頻變壓器絕緣方式用于并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備，體積小，重量輕，成本低。要經(jīng)兩級變換，效率問題比較突出，采取措施后，仍可達(dá)到90%以上，高頻電磁干擾嚴(yán)重，要采用濾波和屏蔽措施。(3)無變壓器非絕緣方式本來希望進(jìn)一步降低成本，從兩級變換變?yōu)閱渭壸儞Q，提高效率，使它成為并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備中更理想的逆變器，但是使用中出現(xiàn)一系列問題。無變壓器非絕緣方式逆變器不能使輸入的太陽電池與輸出電網(wǎng)絕緣隔離，輸入的太陽電池矩陣正、負(fù)極都不能直接接地。太陽電池矩陣面積大，對地有很大的等效電容存在，將在工作中產(chǎn)生等效電容充放電電流。其中低頻部分，有可能使供電電路的漏電保護(hù)開關(guān)誤動(dòng)作。其中高頻部分，將通過配電線對其他用電設(shè)備造成電磁干擾，而影響其他用電設(shè)備工作。這樣，必須加濾波和保護(hù)，達(dá)不到降低成本的預(yù)期效果。(4)正激變壓器絕緣方式是在無變壓器非絕緣方式使用效果不佳之后開發(fā)出來的，既保留了無變壓器非絕緣方式單級變換的主要優(yōu)點(diǎn)，又消除無絕緣隔離的主要缺點(diǎn)，是到目前為止并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備比較理想的逆變器中、小容量逆變器主電路一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種，推挽電路，將升壓變壓器的中性插頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅(qū)動(dòng)及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點(diǎn)是變壓器利用率低，帶動(dòng)感性負(fù)載的能力較差。全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點(diǎn)，功率晶體管調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有續(xù)流回路，即使對感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會(huì)畸變。該電路的缺點(diǎn)是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅(qū)動(dòng)電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共同導(dǎo)通，必須設(shè)計(jì)先關(guān)斷后導(dǎo)通電路，即必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間，其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜下圖單相全橋逆變電路的原理圖，也稱為“H”電路，由兩個(gè)半橋電路組成。功率開關(guān)元件Q3與Q6互補(bǔ)，Q4與QS互補(bǔ)，當(dāng)Q。與Q。同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓Uo＝+Udc:當(dāng)Q。與Q。同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓Uo＝－Udc。QQ5和QQ6認(rèn)輪流導(dǎo)通，負(fù)載兩端就得到交流電能。控制功率功率元件的導(dǎo)通與截止的方法有方波調(diào)制和正弦波調(diào)制兩種方式，方波逆變器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但輸出的電能質(zhì)量較差，諧波分量大。隨著功率器件的發(fā)展，正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。采用SPWM控制使脈沖序列的寬度隨正弦波幅值變化而變化，經(jīng)過輸出端LC濾波器濾除高次諧波，得到正弦波交流電能圖2－5 單相全橋逆變器原理圖 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成光伏并網(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2－6所示。圖26 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等效電路其中Us為電網(wǎng)電壓，Ui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(UiUs)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Ui必須大于Us，且逆變器本身提供了有功功充電路中的損耗，而電網(wǎng)電壓Us與電流I同相，因?yàn)榫€路中電抗器X的存在，使變器輸出電網(wǎng)電壓Ui與電網(wǎng)電壓Us不再是同相，而存在一個(gè)相位差σ，改變這個(gè)差，并且改變Ui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)電裝入電網(wǎng)的有功功率也就因此得到調(diào)節(jié)。由(23)，(24)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σ和Ui的變化規(guī)律為： （2－3） （2－4）這樣得控制σ和Ui，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。跟蹤型PWM控制方法采用三角波比較方式圖2－7 PWM生成原理圖圖2－7所示為三角波比較方式的原理圖。這種方式與其他用三角波作為載波的PWM控制方式不同，它不直接將指令信號i*與三角波比較，而是將廠與反饋電流i的偏差△i經(jīng)過放大器A之后再與三角波比較。 光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型下面建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。并網(wǎng)逆變器輸出電流i，電網(wǎng)電壓us，逆變器輸出電壓UI，三者之間的相位關(guān)系，滿足矢量關(guān)系式: (23)只要滿足這種關(guān)系，輸出電流就要以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的同頻同相對逆變器輸出端電路，以逆變器輸出電流為狀態(tài)變量，可以得到 (24)寫成復(fù)數(shù)域形式為 (25)逆變器可以等效為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫作 (26)其中Tp為小時(shí)間常數(shù)，Kp為逆變器增益，與PI調(diào)節(jié)器的最大限幅有關(guān)。PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為： (27)其中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，KI=KPTI。TI為積分時(shí)間。綜上完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖28所示：圖2－8 光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 PI控制算法數(shù)學(xué)PI控制是用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的PI控制，對于連續(xù)PI控制： (28)其中U1(t)為PI調(diào)節(jié)器的輸出量，e(t)是給定值與反饋值的誤差，Kp為比例系數(shù)，TI 為積分時(shí)間。對上式進(jìn)行離散化處理，得到遞推PI算式： (29)其中： (210)整定過程即調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)，選擇采樣周期T，使得控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到要求。整定方法有兩類:理論計(jì)算和工程整定方法。理論計(jì)算要求已知各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，計(jì)算比較繁瑣。工程整定法是在實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來的方法，簡單、方便，工程實(shí)際中廣泛采用。試湊法是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行(如果允許的話)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，反復(fù)試湊參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PI參數(shù)。增大比例系數(shù)，一般將加大系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變差。增大界將減慢消除靜差的過程，但有利于減小超調(diào)，減小振蕩。在試湊時(shí)，可參考以上規(guī)律，對參數(shù)實(shí)行先比例、后積分的整定步驟。1)將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到許可范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，比例系數(shù)可由此確定。2)如果系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則須在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)首先置積分時(shí)間界為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小(如縮小為原值的80%)，然后減小積分時(shí)間，使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時(shí)間，以得到較好的控制效果。調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以有各種不同的搭配，用不同的整定參數(shù)有可能得到同樣的控制效果，只要被控過程主要指標(biāo)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求即可 最大功率點(diǎn)跟蹤算法 最大功率點(diǎn)跟蹤方法峰值功率跟蹤方式是在太陽電池陣和負(fù)載間引入一個(gè)串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器，它通過調(diào)節(jié)太陽電池陣的工作點(diǎn)來滿足負(fù)載的需要，并在負(fù)載需要情況下，自動(dòng)跟蹤太陽電池陣的峰值功率點(diǎn)，以獲得最大的輸出功率，由于在太陽電池陣和負(fù)載之間多了一個(gè)調(diào)節(jié)的環(huán)節(jié)，降低了功率傳輸效率，控制電較復(fù)雜，但功率調(diào)節(jié)方式是一個(gè)非耗散型電源系統(tǒng)，它嚴(yán)格按照負(fù)載的需求控制太陽電池陣的輸出功率，不產(chǎn)生過剩功率，采用峰值功率跟蹤器，可以最大程度利用太陽電池陣的輸出功率。峰值功率跟隨器可使太陽電池陣工作在最大功率點(diǎn)附近，充分利用太陽電池陣的輸出功率能力，在較短的時(shí)間內(nèi)，就使電池組處于滿荷電狀態(tài)，不僅如此，峰值功率跟隨器可使電源系統(tǒng)有較強(qiáng)的適應(yīng)瞬時(shí)脈沖負(fù)載的能力，減輕電源系統(tǒng)體積和重量。峰值功率跟蹤實(shí)際上是一種功率調(diào)節(jié)，而不是電壓調(diào)節(jié)，采用峰值功率跟蹤的目的是為了最大限度的利用太陽電池陣的能量，峰值功率跟蹤單元的輸出電壓是變化的。在最大功率點(diǎn)，dP/dI為零；在A區(qū)dP/dI為正，在C區(qū)dP/dI為負(fù)。峰值功率跟蹤器利用了dP/dI這一特點(diǎn)，控制太陽電池陣的工作電流從而使太陽電池始終工作在最佳工作點(diǎn)，保持太陽電池陣的最大輸出功率。最大功率點(diǎn)跟蹤方法（MPPT）的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)自尋優(yōu)的過程，通過對陣列當(dāng)前輸出的電壓與電流檢測，得到當(dāng)前陣列輸出功率，再與已存儲(chǔ)的前一時(shí)刻陣列功率比較，舍小存大，然后重復(fù)檢測和比較的過程，可使陣列動(dòng)態(tài)的工作在最大功率點(diǎn)上。1 電壓跟蹤法最簡單的方法是電壓跟蹤法。研究太陽電池特性可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度一定時(shí)，太陽電池的最大功率點(diǎn)幾乎落在同一根垂直線的兩側(cè)附近，最大功率點(diǎn)對應(yīng)的工作電壓相差不大，亦即只要保持太陽電池輸入出端電壓為常數(shù)且等于某一日照強(qiáng)度下相應(yīng)的最大功率點(diǎn)的電壓，就可以保證輸出在該溫度下的最大功率。把最大功率點(diǎn)跟蹤簡化為恒電壓跟蹤。為克服環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)影響：事先將特定光伏陣列在不同溫度下測得的最大功率點(diǎn)電壓存在控制器中，實(shí)際運(yùn)行是，控制器根據(jù)檢測光伏陣列的溫度，通過查表選取合適的Umax 電壓跟蹤法的具體的實(shí)現(xiàn)方式有線性分流和開關(guān)分流兩種。線性分流又有全太陽電流池陣線性分流和局部線性分流兩種。a 全太陽電池陣線性分流，它由控制電路和分流調(diào)整電路組成?？刂齐娐房販y母線電壓，將其與參考電壓進(jìn)行比較，放大母線電壓誤差，并用其輸出控制分流調(diào)整電路工作分流調(diào)整電路跨接在太陽電池陣輸出端，它根據(jù)誤差電壓的高低旁路掉一定的太陽電池陣的輸出，從而將母線電壓維持在希望的數(shù)值上，因些分流調(diào)整電路可以看作是負(fù)載的一部分，不過這個(gè)負(fù)載不是固定不變的，而是時(shí)刻根據(jù)母線上負(fù)載的變化而變化，以維持太陽電池陣的總負(fù)載不變。b 步進(jìn)式局部線性分流太陽電池分為N個(gè)分陣，其中第一個(gè)分陣稍大些，用于精調(diào)。第一級分流電路工作在局部線性分流狀態(tài)，當(dāng)母線電壓升高，首先是第一級電路工作在局部線性分流狀態(tài)。當(dāng)母線電壓繼升高，第一級分流電路分流繼續(xù)分流直到飽和。第二級到第N級是開關(guān)分流的，當(dāng)?shù)谝患壱呀?jīng)飽和，且母線電壓又超過一定數(shù)值時(shí)第二級分流調(diào)整管導(dǎo)通，同時(shí)第一級分流管退回線性區(qū)。c 模擬－數(shù)字分流調(diào)節(jié)器這種分流器與步進(jìn)式分流調(diào)節(jié)器相類似，也有一個(gè)專門的用于精調(diào)線性分流級和若干開關(guān)分流級，所不同的是開關(guān)分流級不是步進(jìn)的，而是由一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器控制。當(dāng)母線電壓升高時(shí)，線性分流級開始分流，T1射極電位隨之提高，T1輸出同兩個(gè)比較器Ch和Cl相連，當(dāng)T1射極電位升高到一定程度，比較器Ch的輸出變?yōu)檎娢唬c門打開，時(shí)鐘脈沖使可逆計(jì)數(shù)器增加一個(gè)計(jì)數(shù)。當(dāng)母線電壓降低時(shí)，T1分流減少，T1射極電位降低，當(dāng)T1的射極電位降到一定程度時(shí)，比較器Cl輸出變?yōu)檎娢唬c門2打開，使可逆計(jì)數(shù)器減少一個(gè)數(shù)。d 脈寬調(diào)制分流調(diào)節(jié)順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器在任何時(shí)刻也只有一級工作在調(diào)整狀態(tài)，其余各級不是飽和就是截止，工作在飽和狀態(tài)的分流級數(shù)數(shù)目和工作在開關(guān)狀態(tài)的精調(diào)級的占空系數(shù)由母線誤差電壓Ver決定，母線誤差電壓同每一級的鋸齒波電壓進(jìn)行比較，每一級鋸齒波電壓有一個(gè)不同的直流電平，鋸齒波電壓在母線誤差電壓以下分流級處于導(dǎo)通狀態(tài)，工作在開關(guān)狀態(tài)的精調(diào)級的占空系數(shù)由母線誤差電壓Ver和鋸齒波電壓的相交點(diǎn)確定，精調(diào)級實(shí)際上是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器。隨著母線電壓的變化，母線誤差電壓也發(fā)生變化，處在飽和狀態(tài)分流數(shù)目和以脈寬調(diào)制開關(guān)方式工作的精調(diào)級的占空比也發(fā)生變化，以維持母線電壓在一定范圍。2 干擾觀測法