【文章內(nèi)容簡介】 變換型 單級式光伏并網(wǎng)變換型只用到一級的能量傳遞變換模式就能夠完成 boostbuck 斬波電路和DC/AC 逆變電路的變換，然后通過 RC 濾波并入電網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 單級光伏并網(wǎng)變換型 這種類型的單級式光伏并網(wǎng)變換類型具有元器件使用少，可靠性高和效率高，并且功耗損耗少等優(yōu)點。但是這種類型的光伏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于太陽能電池板輸出的電壓等級有限，多用于小型的系統(tǒng)中。 二、多級式光伏并網(wǎng)變換型 多級式光伏并網(wǎng)變換型逆變器拓?fù)?結(jié)構(gòu)包括：濾波、 DC/DC直流斬波、 DC/AC 逆變電路、后級濾波電路等。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 多級式光伏并網(wǎng)變換型 這種電路首先通過太陽能電池板陣列把太陽能輻射的能量轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)濾波電路后通過前級直流斬波電路捕捉到最大功率點跟蹤（ MPPT），然后經(jīng)過工頻逆變電路，并入交流電網(wǎng)。其優(yōu)點是兩級傳遞能量的電路，簡化了控制電路的計算算法，使得每級都能夠精確控制，提高了控制質(zhì)量和效率。 按控制方式分類 按照控制方式可分為電流源式和電壓源式兩種拓?fù)漕愋?。如果考慮到后端的輸出控制方式，則畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 41 可將其劃分為電壓源 式電壓控制輸出（ VSCV）、電流源式電壓控制輸出（ CSCV）、電壓源式電流控制輸出（ VSCC）、電流源式電流控制輸出（ CSCC）四種。對于輸入源的選擇，要想得到一個穩(wěn)定的電流源輸入很不容易，要在輸入端串入一個大電感，但這會使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)較差，所以，一般采用電壓源輸入。對于輸出控制方式的選擇，如果輸出控制方式為電壓的話，如果要使并網(wǎng)輸出功率因數(shù)為 1 的話，則要協(xié)調(diào)控制輸出電壓的幅值、相位和頻率三個量；而如果輸出控制方式為電流的話，則只需要控制輸出電流的相位和頻率兩個量，相對簡單。所以，一般采用電壓源輸入電流控 制輸出的方式 [4]。 一、電壓型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電壓型逆變并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指的是直流側(cè)有一個直流電源或者并聯(lián)有大電容，使得直流側(cè)的電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗?fàn)顟B(tài)。其次由于直流側(cè)電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出的電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流測輸出電流的波形和相位因負(fù)載阻抗的不同而不同。最后當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)的電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量提供通道，逆變橋各橋必須并聯(lián)反饋二極管 [6]。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 電壓型逆變拓?fù)?結(jié)構(gòu) 二、電流型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電流型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是把太陽能電池板輸出的電能經(jīng)過濾波電路后送入到一個直流電流源中，或者在直流側(cè)串聯(lián)一個大電感相當(dāng)于電流源。這樣可以保證直流側(cè)的電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)。其次逆變電路中的開關(guān)器件起的作用僅改變直流電流流通的路徑，因此交流側(cè)得到的輸出電流為矩形波，并且和負(fù)載阻抗角無關(guān)。交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因為負(fù)載阻抗情況的不同而不一樣。交流側(cè)為阻感負(fù)載情況時，需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。與電壓型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，反饋的無功能量并不反向，因此 無須給電流型逆變電路各橋并聯(lián)二極管。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 41 圖 電流型逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 根據(jù)以上光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，綜合各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，本設(shè)計選用當(dāng)今熱點研究雙級式無變壓器的電壓型逆變器拓?fù)潆娐纷鳛橹麟娐?。?jīng)過方案的比較論證以及考慮本系統(tǒng)針對小型的單相并入電網(wǎng)的特點，本設(shè)計采用無變器的兩級結(jié)構(gòu)，前級 DC/DC直流升壓斬波變換器和后級DC/AC 逆變器之間通過 DCLink 相連。系統(tǒng)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路如圖 所示。 圖 光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在本設(shè)計的系統(tǒng)中，太陽能電池板輸出的額定 直流電壓為 60140V之間，前級 DC/DC 斬波電路變換器需將此輸入電壓升至 400V以上才能實現(xiàn)無隔離變壓器兩級式直接并網(wǎng)。 Boost 斬波電路為升壓直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，使得用于捕捉最大功率點跟蹤（ MPPT）控制方法簡單。因為輸入電流是連畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 41 續(xù)的，使得對電源電磁干擾影響相對較小，開關(guān)管發(fā)射級接地，驅(qū)動電路相對簡單，是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制的理想選擇。由于光伏最大功率點跟蹤（ MPPT）電壓低于交流側(cè)的峰值電壓，從而 Boost電路使光伏電池陣列配置比較靈活，可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)較寬范圍的電壓輸入，提高了光伏發(fā) 電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。同時 Boost升壓斬波電路具有相對較高的效率，電路結(jié)構(gòu)中的二極管具有防止電網(wǎng)側(cè)能量反送給光伏陣列的作用，從而提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體工作效率。后級的 DC/AC 逆變器，采用單相全橋逆變電路，將 DCLink 直流電轉(zhuǎn)換成 220V/50Hz 正弦交流電，實現(xiàn)并網(wǎng)輸送功率。 DCLink 的作用除了連接 DC/DC 升壓斬波變換器和 DC/AC 逆變器，還實現(xiàn)了能量的傳遞?？刂齐娐返暮诵男酒?TI 公司的 TMS320F2812 數(shù)字信號處理器，它的處理速度快，精度高，能夠在線實時監(jiān)測。整個系統(tǒng)保證了并網(wǎng)逆變器輸出 的正弦電流與電網(wǎng)側(cè)相電壓同頻同相。 光伏并網(wǎng)控制策略基本原理 光伏并網(wǎng)逆變器控制需要滿足輸出電壓與電網(wǎng)電壓同幅值、同相位、同頻率，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相（ cos 1?? ），而且其輸出還應(yīng)滿足電能質(zhì)量的要求，這些都需要光伏并網(wǎng)逆變器的有效并網(wǎng)控制。 光伏并網(wǎng)逆變器的控制方式 光伏并網(wǎng)逆變器控制方式可以分為電壓源電壓控制、電流源電壓控制、電壓源電流控制和電流源電流控制四種。本設(shè)計采用電壓源輸入為主的方式，所以逆變器的并網(wǎng)輸出控制可分為電壓控制和電流控制。在光伏逆變器和 電網(wǎng)連接并網(wǎng)運行時，電網(wǎng)可以被看做是一個容量無窮大的交流電壓源。如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則實際上就成為一個電壓源與另一個電壓源并聯(lián)運行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，就必須采用同步鎖相技術(shù)來實現(xiàn)與電網(wǎng)的同步?？梢酝ㄟ^調(diào)整光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓的大小以及相位來控制系統(tǒng)的有功率和無功功率輸出。但是鎖相環(huán)節(jié)響應(yīng)慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制、出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象。若不采取一些措施，同等級功率的電壓源并聯(lián)運行優(yōu)異性不容易獲得。 而對于采用電流控制方式的并網(wǎng)逆變器，只需控制逆變器的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓 ，同時設(shè)定輸出電流的大小，就可以實現(xiàn)它的穩(wěn)定并網(wǎng)運行，其控制方法簡單，效果也較好，因此得到了廣泛應(yīng)用 [7]。 光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo) 光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)為：光伏并網(wǎng)逆變器輸出穩(wěn)定的、高質(zhì)量的正弦波，且與電網(wǎng)電壓同頻同相，同時希望能夠通過調(diào)節(jié)光伏陣列的最大功率點，使太陽能光伏陣列按最大功率輸出。 選擇并網(wǎng)逆變器的輸出電流為被控變量，并網(wǎng)發(fā)電工作方式下的等效電路如圖 (a)所示，可以等效的認(rèn)為是逆變器給電網(wǎng)充電。逆變器輸出電流和電壓的矢量關(guān)系如圖 (b)所示。 畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 41 (a) (b) 圖 逆變器輸出電流和電壓的矢量關(guān)系 其中 outU 為光伏并網(wǎng)逆變器輸出交流側(cè)電壓， gridU 為電網(wǎng)側(cè)的電壓， I 為逆變器輸出電流也是電感的電流。由圖中的矢量三角形關(guān)系可知，由于并網(wǎng)逆變器的輸出濾波電感 L 的存在，當(dāng)使光伏逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓同相位時，電網(wǎng)側(cè)電壓 gridU 和光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓 outU 之間存在相位差。 輸出電流控制方式 采用電流型輸出的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，輸出電流的控制方式一般有 SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）電流跟蹤方式、 SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）、電流滯環(huán)瞬時比較方式、復(fù)合控制和重復(fù)控制等。較常用的電流控制方法有： SPWM 正弦波脈寬調(diào)制電流跟蹤方式、 SVPWM 空間矢量脈寬調(diào)制、電流滯環(huán)瞬時比較方式等。 一、 SPWM電流跟蹤方式 SPWM 電流跟蹤方式也可以稱為三角波比較方式的電流跟蹤方式，這種方式不是把指令信號和三角波直接進(jìn)行比較而產(chǎn)生 PWM 波形，而是通過閉環(huán)來進(jìn)行控制的。它將電 網(wǎng)電流 gridI 在線實時值和給定電流 gridI? 進(jìn)行比較，兩者的差值通過一個 PI調(diào)節(jié)，然后與三角波進(jìn)行比較，進(jìn)而輸出 PWM波。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 SPWM 電流跟蹤方式 這種方式的電流跟蹤控制特性與 PI參數(shù)的設(shè)置有關(guān)，對于 PI電路響應(yīng)要求快的系統(tǒng)，必須提高三角波載波頻率，以改善輸出波形 [8]。這種三角波比較控制方式中，功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率是一定的，即等于載波頻率，這給高頻濾波器的設(shè)計帶來方便。與滯環(huán)比 較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含有的諧波較少，因此它常用于對諧波和噪聲要求嚴(yán)格的場合。 二、電流滯環(huán)瞬時比較方式 畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 41 在跟蹤 PWM 變流電路中，電流跟蹤控制應(yīng)用最多。電流滯環(huán)瞬時比較方式的原理如圖 所示。 圖 電流滯環(huán)瞬時比較方式 以 ci? 作為滯環(huán)比較器的環(huán)寬，當(dāng)實際電網(wǎng)電流 ci 和給定電流 ci? 的差值超過環(huán)寬時，就會產(chǎn)生PWM 波信號。若 ci? 確定，則輸出電流的誤差范圍不變。滯環(huán)環(huán)寬對跟蹤性能的影響較大，如果環(huán)寬過寬時，開關(guān)的動作頻率低，但跟蹤的誤差增大；如果環(huán)寬過窄時，跟蹤的誤差減小，但開關(guān)的動作頻率會變得過高，甚至?xí)^開關(guān)器件的允許頻率范圍，開關(guān)損耗增大。這種控制方式有以下特點： ，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量。 。 ，相同開關(guān)頻率時輸出的電流中高次諧波含量較多。 ，電流響應(yīng)快。 ，這是各種電流跟蹤型 PWM型變流電路的共同特點。 三、 SVPWM 電流控制方式 空間矢量 PWM控制策略是依據(jù)逆變器空間電壓（電流）矢量切換來控制逆變器的一種新穎思路的控制策略。采用逆變器空間電壓矢量（ SVPWM）的切換來獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場，這樣能夠在開關(guān)頻率不高的條件下，使得逆變器輸出獲得較好的性能。 綜上幾種控制的優(yōu)缺點，本設(shè)計光伏并網(wǎng)逆變器采用電流滯環(huán)瞬時比較控制方式。 最大功率點跟蹤 在太陽能電池陣列光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池陣列的內(nèi)阻不僅要受到日照強(qiáng)度的影響，而且還要受環(huán)境溫度及負(fù)載的影響，并且一直處在不斷變化之中， 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)也由此變得不確定。這必然會降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。因此為了不斷能夠獲得最大功率的輸出，太陽能電池必須實現(xiàn)最大功率點跟蹤。太陽能輸出功率與輸出電壓的關(guān)系如圖 所示。 畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 41 圖 太陽能輸出功率和輸出電壓光照的關(guān)系 一、恒定電壓法 當(dāng)外界溫度不變時，太陽能電池在不同光照強(qiáng)度下的開路電壓和最大功率點電壓都在某一個恒定值附近；當(dāng)光照不變環(huán)境改變時，太陽能電池最大功率點隨開路電壓而變化，而且?guī)缀跸嗤淖兓壤?[9]。所以，我們可以近似認(rèn)為太陽能電池的開路電壓與最大功率點（ MPPT）電壓成線性比例關(guān) 系： m ocU nU? 。 保證使電壓工作點穩(wěn)定在 mU 附近，這就可以保證太陽能電池最終具有在當(dāng)前環(huán)境下的最大功率輸出。一定的條件下，采用恒壓控制跟蹤的方法不僅可以得到比直接匹配更高的功率輸出，還可以用來簡化和近似最大功率點跟蹤控制。 二、擾動觀察法 擾動觀察法的基本原理是先給出一個擾動值 U? ，在測量太陽能電池陣列輸出功率的變化，如果功率減小，表示擾動方向錯誤，可按 U?? 方向擾動。如果功率增加，表示擾動方向正確，可繼續(xù)朝同一個方向擾動。如此反復(fù)的擾動、觀察以及比較，使光伏電池達(dá)到最大功率點。 這種方法的特點是原理清晰，實現(xiàn)簡單，被測參數(shù)較少，而且不需要知道太陽能的特性曲線，能夠較普遍地被應(yīng)用在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的最大點功率跟蹤控制上。但是這種方法也有它的一些缺陷，因為始終有擾動電壓存在，在最大功率點跟蹤過程中將會導(dǎo)致一些功率損失；若跟蹤步長太小，當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生變化時，不能快速跟蹤、容易引起振蕩。當(dāng)光照和溫度有大幅度變化時，這種跟蹤 到另一最大功率點的速度變慢，不能快速跟蹤。 三、電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法避免了功率擾動觀察法的盲目性，可以判斷出最大功率點電壓與工作點電壓電壓之間的關(guān)系。由太陽能輸出功率與輸出電壓的關(guān)系可知： 0dPdU? ； 畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 41 0dPdU? ； 0dPdU? 。 最大功率點時的功率為 P U I??，兩邊同時對 U求導(dǎo)得： dP dIIUdU dU? ? ? （ ） 令上式（ ）等于 0 可得： dI IdU U?? （ ） 由上式（ ）可知當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時，陣 列獲得最大功率。電導(dǎo)增量法通過比較太陽能電池輸出的電導(dǎo)增量和瞬時電導(dǎo)來改變控制信號。其控制算法同樣需要對太陽能電池輸出的電壓和電流進(jìn)行采樣。優(yōu)點是當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，能夠快速跟蹤其變化，需要一些處理速度快的芯片進(jìn)行控制。 綜合以上三種方法的優(yōu)缺點，本設(shè)計的光伏并網(wǎng)逆變器采用電導(dǎo)增量法進(jìn)行捕捉最大功率點。 孤島效應(yīng) 在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，直接將太陽能逆變后的電能饋送給電網(wǎng)，從而需要設(shè)置各種完善的保護(hù)措施。對于通常電網(wǎng)系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)的器件過流、器件過熱、器件驅(qū)動信號欠壓、太陽電池輸出欠壓以及電網(wǎng)過壓、欠壓等故 障狀態(tài)，通過硬件電路檢測配合軟件進(jìn)行處理比較容易。對于光