【正文】 ,24(1):2528. [12] 李文婷，劉宏，陳慧玲．國(guó)內(nèi)外太 陽(yáng) 能光伏發(fā)電發(fā)展綜述．青海電力 . 2021，(12)： 1721. [13] 宮白強(qiáng)，季福坤．我國(guó)太陽(yáng)能應(yīng)用的可行性分析． 華北 航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) . 2021， 10(1)： 3134. [14] 唐征岐，虞輝．太 陽(yáng) 能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)．上海電力 . 2021， (2)： 111114. [15] 楊忠．太陽(yáng)能光伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)．金陵科技學(xué)院學(xué)報(bào) . 2021, (2)：1114. 。他們一直是我精神上不竭的動(dòng)力。 此外，還要感謝 季凱健 等同學(xué)的幫助和支持，和你們分享的不僅僅是學(xué)習(xí)的進(jìn)步，同時(shí)還有生活中的快樂(lè)。在此，謹(jǐn)向?qū)?張立炎 副教授表示衷心的感謝和崇高的敬意 ! 在課題準(zhǔn)備和研究過(guò)程中，還得到了 郭磊 老師、 徐春燕 老師、 梅秋艷 老師 的熱心指點(diǎn)，為論文的撰寫打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在論文的選題、研究方向和研究方案的確立以及撰寫的過(guò)程中，始終凝聚著 張立炎 副教授的悉心指導(dǎo)和親切教誨。 26 致 謝 首先我要由衷地感謝我的導(dǎo)師 武漢理工大學(xué)張立炎 副教授，本文是 張 老師的精心指導(dǎo)和親切關(guān)懷下完成的。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)波形，證明了所設(shè)計(jì)的樣機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)思想、實(shí)際應(yīng)用上都是可行的。從仿真結(jié)果可知，此方法能夠達(dá)到反孤島 。 (3) 研究了太陽(yáng)能電池伏．安曲線與逆變器最大功率跟蹤技術(shù)之間耦合關(guān)系，選用電導(dǎo)增量法來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤。 現(xiàn)將本文的主要研究工作總結(jié)如下： (1) 分析了全橋逆變電路的工作原理，研究了直流側(cè)和交流側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)依據(jù)，推導(dǎo)并提供了主電路關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算公式。 圖 42 孤島仿真模型 24 圖 43 反孤島效應(yīng)仿真結(jié)果圖 從結(jié)果我們可以看出，系統(tǒng)在 0． 1s與電網(wǎng)斷開(kāi)后，輸出電壓由于沒(méi)有電網(wǎng)的穩(wěn)定頻率，導(dǎo)致頻率越來(lái)越大，經(jīng)過(guò) lOOms達(dá)到 50． 5Hz，此時(shí)系統(tǒng)的高頻保護(hù)將檢測(cè)出系統(tǒng)的頻率異常，而將并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)斷開(kāi)。在此，我們每個(gè)周期給輸出電 壓 0． IHz的擾動(dòng)。 23 圖 41 逆變器孤島效應(yīng)示意圖 孤島效應(yīng)檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn) 根據(jù)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，選用主動(dòng)頻率偏移法來(lái)檢測(cè)孤島效應(yīng)。當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，通常由于并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率和負(fù)載功率 之間的巨大差異會(huì)引起系統(tǒng)輸出電壓的幅值或頻率發(fā)生很大改變，這樣通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)輸出的電壓可以很方便地檢測(cè)出孤島效應(yīng)。所以，在研究孤島檢測(cè)技術(shù)時(shí)，逆變電源可以等效為一個(gè)幅值可調(diào)、頻率和相位都跟蹤電網(wǎng)的受控電流源。其中頻率和相位與電網(wǎng)電壓相同，實(shí)際系統(tǒng)中一般都是通過(guò)與公共耦合點(diǎn)電壓過(guò)零點(diǎn)同步來(lái)實(shí)現(xiàn)的，幅值都是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)來(lái)可調(diào)的。實(shí)際并網(wǎng)系統(tǒng)中，雖然發(fā)生孤島效應(yīng)的概率不高，但在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大的情況下，這種可 能性仍然存在。然而，當(dāng)負(fù)載消耗的功率與光伏系統(tǒng)相匹配的時(shí)候，通過(guò)這種被動(dòng)的檢測(cè)方法檢測(cè)孤島效應(yīng)就會(huì)變得困難。孤島效應(yīng)的檢測(cè)和防止一般是通過(guò)監(jiān)控并網(wǎng)系統(tǒng)輸出端電壓的幅值和頻率實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)加入通信接口也是為了以后多臺(tái)逆變系統(tǒng)并機(jī)運(yùn)行，共同并網(wǎng)發(fā)電時(shí)系統(tǒng)之間傳輸一個(gè)統(tǒng)一的輸出控制，保證各個(gè)并聯(lián)的逆變系統(tǒng)均流輸出。本文設(shè)計(jì)中采用 DSP中的CAN通信接口。與傳統(tǒng)的通信方法 (23 485串口通信 )相比 CAN具有如下特點(diǎn)： (1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有兩根線與外部相連，且內(nèi)部含有錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊； (2) 通信方式靈活，可以多主方式工作； (3) 直接通信距離最大可達(dá) 10km，最高通信速率可達(dá) 1Mb／ s； (4) CAN采用 CRC檢驗(yàn)并可提供錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。 CAN通信電路 CAN(ControllerAreaNetwork)臣 P控制器區(qū)域網(wǎng)， 是主要用于各種設(shè)備監(jiān)測(cè)及控制的一種網(wǎng)絡(luò)。本文選用了TLP250高速光耦作為放大隔離芯片。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路總的要求包括以下方面： (1) IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)，具有一個(gè) ～ 開(kāi) 啟電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此， IGBT對(duì)柵極電荷集聚敏感，故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與 IGBT的連線要盡量短； (2) 用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容放電，以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿，使 IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小， IGBT開(kāi)通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能夠提供足夠的功率； (3) GBT的柵極驅(qū) 動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，最好自身帶有對(duì) IGBT的保護(hù)功能，并有極強(qiáng)的抗干擾能力。 逆變器驅(qū)動(dòng)電路 本次設(shè)計(jì)使用的 IPM模塊是使用 IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件， IGBT的驅(qū)動(dòng)條件與其特性密切相關(guān)。這樣在相應(yīng)的輸出引腳就會(huì)產(chǎn)生一個(gè) PWM信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)值之間的第一個(gè)匹配產(chǎn)生或一個(gè)定時(shí)周期結(jié)束時(shí)，相映的輸出上會(huì)產(chǎn)生又一個(gè)轉(zhuǎn)換 (從低到高或從高到低 )。 要產(chǎn)生一個(gè) PWM信號(hào)，需要一個(gè)合適的定時(shí)器來(lái)重復(fù)產(chǎn)生一個(gè)與 PWM周期相同的計(jì)數(shù)周期，一個(gè)比較寄存器保持著調(diào)制值。 SPWM信號(hào)發(fā)生電路 TMS320LF2407A共有兩個(gè)事件管理模塊 (EVA,EVB)，共能控制輸出 16路 PWM信號(hào)。本文選用森社電子生產(chǎn)的 CHV25P霍爾電壓傳感器，其輸出范圍為 0～ 5V，我們采用分壓電阻 3VR2使其采集到的電壓信號(hào)控制在 0～ 3V之 間。再通過(guò)精密電壓放大器 INAll4，電壓偏執(zhí) ，并使其輸出電壓滿足 A／D轉(zhuǎn)換所允許的電壓范圍 O～ 3V。 (2) 并網(wǎng)電流側(cè)電流采樣電路 采樣并網(wǎng)輸出交流側(cè)的電流，電流信號(hào)首先要轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)才能對(duì)其進(jìn)行處理。 MAX6003精度為 1％，溫度系數(shù)為 100ppm／ C，適用溫度范圍 40℃ ～ 85℃，輸出電壓為 。 A／ D轉(zhuǎn)換電路 (1) DSP基準(zhǔn)電源 TMS320LF2407A的 A／ D轉(zhuǎn)換模塊電源電壓為 DSP的供電電壓，一般 — 如轉(zhuǎn)換參考基準(zhǔn)電壓也不大于 。而現(xiàn)在常規(guī)的電源系統(tǒng)都是 5V電源，所以需要一個(gè) DC／ DC轉(zhuǎn)換電路將 5V電源轉(zhuǎn)換為可以給 DSP使用的 3． 3V電源。 逆變器控制電路設(shè)計(jì) 逆變器的控制電路是采用 TMS320LF2407A DSP作為主控單元，其中還包括電流電壓采樣電路、 SPWM電路、 IPM驅(qū)動(dòng)電路和 CAN控制器通信電路。若 電壓差值為零，電流差值不為零，則表示光照強(qiáng)度有變化，電流差值大于零 UREF值增加；電流差值小于零 UREF值減少。該子程序在周期中斷罩面實(shí)現(xiàn)，其程序流程圖如圖 37所示。 18 最大功率點(diǎn)跟蹤方法的實(shí)現(xiàn) 本文采用電導(dǎo)增量法來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率跟隨，雖然此方法對(duì)硬件要求較高，其算法在跟蹤的過(guò)程中需花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間去執(zhí)行 A／ D轉(zhuǎn)換，但這對(duì)現(xiàn)在的快速 DSP芯片來(lái)說(shuō)已不成為問(wèn)題。 除了以上兩種方法，最大功率點(diǎn)跟蹤的方法還有很多：最優(yōu)梯度法、滯環(huán)比較法、間歇掃描法、實(shí)時(shí)監(jiān)控法、模糊控制法等等。 采用擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)是控制思路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較為 方便，可實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，提 高系統(tǒng)的利用效率。它通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池輸出電壓、電流的檢測(cè)，得到電池當(dāng)前的輸出功率，再將它與前一時(shí)刻的記憶功率相比較，從而確定給定電壓調(diào)整的方向。 (2) 擾動(dòng)觀察法 （ Pamp。 采用 CVT控制的優(yōu)點(diǎn)是可以很方便地通過(guò)硬件或者軟件實(shí)現(xiàn)，具有控制簡(jiǎn)單、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 圖 35 不同日照強(qiáng)度下太陽(yáng)能電池的 IU， PU曲線 17 圖 36 不同溫度下太陽(yáng)能電池的 IU， PU曲線 太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤方法的研究 (1) 恒定電壓跟蹤法 (CVT) 恒定電壓法是一種最直接的最大功率跟蹤方法，在太陽(yáng)能電池溫度一定時(shí)，光伏電池的輸出 PU曲線上最大功率點(diǎn)電壓 幾 乎分布在一個(gè)固定電壓值的兩側(cè)。表面溫度的升高，總體效果會(huì)造成太陽(yáng)能電池的輸出功率下降。 16 當(dāng)同照強(qiáng)度不變而溫度發(fā)生改變時(shí)太陽(yáng)能電池的 IU曲線如圖 36(a)， PU曲線如圖 36(b)。由此 兩 圖中可知當(dāng)表面溫度不變?nèi)照諒?qiáng)度增加時(shí)，其短路電流 ISC幾乎與日照強(qiáng)度成正比地增加，而太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓 UOC隨著日照強(qiáng)度的增大而略微增加，所以其輸出功率與最大功率點(diǎn)會(huì)隨之 改變。 圖 34 太陽(yáng)能電池的 IU特性曲線 圖中 Isc—— 在給定溫度照度下所能輸出的最大電流 Uoc—— 在給定溫度照度下所能輸出的最大電壓 Im—— 在給定溫度照度下最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流 Um—— 在給定溫度照度下最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓 Pm—— 在給定溫度照度下所能輸出的最大功率， Pm=Um Im影響太陽(yáng)能電池的輸出特性的主要因素為日照強(qiáng)度和表面溫度。 太陽(yáng)能電池輸出特性 如圖 34所示 ， IU特性是指在某一確定的同照強(qiáng)度和溫度下，太陽(yáng)能電池的輸出電壓和輸出電流之 間 的關(guān)系 IU特性曲線表明：太陽(yáng)能電池既非恒壓源，也非恒流源，它不可能為負(fù)載提供任意大 的功率，是一種非線性直流電源。在實(shí)際應(yīng)用中采用電流內(nèi)環(huán)之 外還設(shè)置電壓外環(huán)的目 的在于對(duì)不同負(fù)載實(shí)現(xiàn)給定電流 值的自動(dòng)控制，電壓瞬時(shí)值外環(huán)能及時(shí)、快速的校正輸出電壓波形，使系統(tǒng)在各種負(fù)載情況下均具有良好的電壓輸出波形。雙閉環(huán)控制方案中的電流內(nèi)環(huán)加大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減少，非線性負(fù)載適應(yīng)能力增強(qiáng)。 基于 DSP的 PWM電流電壓雙環(huán)控制 單獨(dú)的采用電壓控制和電流控制都有其各自的不足，而采用電壓電流多環(huán)瞬時(shí)值控制方案的逆變器，因?yàn)槠漭敵鲭妷翰ㄐ钨|(zhì)量好、控制簡(jiǎn)單及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)，受到了人們很大的關(guān)注。由于開(kāi)關(guān)頻率是變化的，電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜特性變差，所有這些對(duì)系統(tǒng)性能都是不利的。但卻會(huì)導(dǎo)致電容電荷的安秒值不平衡，在全橋電路結(jié)構(gòu)中，這種不平衡會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)分壓電容端壓不等，電源中點(diǎn)漂移，惡性循環(huán)的結(jié)果將使電路失控。 系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性：前述具有電 壓?jiǎn)苇h(huán)反饋控制系統(tǒng)是一個(gè)二階 系統(tǒng)，是一種有條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，需要對(duì)電路作精心的校正設(shè)計(jì)；相反 具有電流單環(huán)反饋控制系統(tǒng)則是一個(gè)一階系統(tǒng)，是一種無(wú)條件穩(wěn)定系統(tǒng)。圖中將指 令電流和實(shí)際并網(wǎng)電流，進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開(kāi)關(guān)通斷的 PWM信號(hào)，該 PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的通斷，從而控制并網(wǎng)電流的變化。滯環(huán)控制是一種應(yīng)用廣泛的閉環(huán)電流反饋控制方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)于電壓型的電流反饋系統(tǒng)，當(dāng)交流側(cè)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，若 PWM開(kāi)關(guān)頻率固定，則電流跟蹤偏差大小也發(fā)生波動(dòng)。電壓型反饋控制設(shè)計(jì)和分析較為簡(jiǎn)單，具有 較強(qiáng)的抗干擾能力，但當(dāng)輸入電源電壓、負(fù)載、功率電路元器件參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，只有等到輸出電壓變化后才能起到 調(diào)節(jié)作用，故其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢 。 圖 32 電壓瞬時(shí)值反饋原理框圖 如果反饋采用輸出電壓的平均值與一個(gè)電壓平均值基準(zhǔn)相比較進(jìn)行的控制叫做電壓 13 平均值反饋控制；而如果反饋電壓為輸出電壓的瞬時(shí)值，與一個(gè)電壓瞬時(shí)值基準(zhǔn)進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)的控制稱為電壓瞬時(shí)值反饋控制。 逆變電源控制方法 電壓反饋控制 電壓反饋控制技術(shù)是以輸出電壓作為控制對(duì)象，其控制原理如圖 32所示。由于電網(wǎng)可視為容量無(wú)窮大的交流電壓源，如果光伏并網(wǎng)逆變器輸出采用電壓控制，則實(shí)際上就是一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)的穩(wěn) 定運(yùn)行，就必須采用鎖相控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)與市電同步。 目前 逆變器的輸出控制模式主要有兩種：電壓型控制模式和電流型控制模式。