【正文】 （ 320） 式（ 320 ）為完全解耦控制模型，其控制框圖如圖 312 。 d/q 坐標(biāo)系下的控制方程 以三相 PWM 整流器為例 ： 圖 311 三相 PWM 整流器 主電路 如圖 311 所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可得三相靜止坐標(biāo)系 a， b， c 下的方程為： asa a a dc N Obsb b b dc N Ocsc c c dc N Odca a b b c c Ldiu L Ri s u Udtdiu L Ri s u Udtdiu L Ri s u Udtduc s i s i s i idt?? ? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ?? （ 312） 其中 as ， bs ， cs 分別表示三相橋臂的開關(guān)函數(shù)， s=1 代表上管通，下管關(guān)；s=0代表下管通，上管關(guān)。 圖 310 三相系統(tǒng)控制框圖 采樣兩相電網(wǎng)電壓 gau 、 gbu 進(jìn)行鎖相，獲得電壓相 位和頻率信號(hào)作為電感電流的相位和頻率給定。 揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 整理后可以得到三相并網(wǎng)逆變器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為： 0110gdd d dq q qgqui u id i u iudt L L ????? ? ? ? ? ????? ? ???? ? ? ? ? ??????? ? ? ? ? ??? （ 311） 由式（ 311） 可見，只要分別控制 d 、 q 軸電流 ，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)有功和無功分量的控制。 圖 39 d /q 坐標(biāo)系矢量圖 定義 d 軸與電網(wǎng)電動(dòng)勢矢量 gU 同相，則 d 軸方 向的電流分量 di 為有功電流，d 軸落后 q 軸 90 ，故 q 軸方向的電流分量式 qi 為無功電流，初始條件下，令 d 軸與 a 軸重合。為此，可以通過坐標(biāo)變換將三相對(duì)稱 a 、 b 、 c 靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 成以 電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的 d /q 坐標(biāo)系 。 圖 38 三相并網(wǎng)逆變器拓?fù)? 逆變器 正 常工作在單位功率因數(shù)并網(wǎng)模式，并 網(wǎng)輸出電流是 與電網(wǎng)電壓同頻同相的 正 弦波。給出了 d/q 坐標(biāo)系下跟蹤電網(wǎng)電壓空間矢量的方法和輸出 電流環(huán)的設(shè)計(jì)。 三 相全橋逆變器是由 三 個(gè)橋臂并聯(lián)組成，其啟動(dòng)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(yùn)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(yùn)行，電感電流不完全可控。計(jì)算得到的 15uF 薄膜電容為大電容，可通過測量實(shí)際逆變器的高頻開關(guān)噪聲，優(yōu)化電容的設(shè)計(jì)。 輸入電容 PVC 的作用是去除光伏陣列模塊上由 DCDC變換器產(chǎn)生的高頻電流紋波。 圖 36 DCDC 變換器 整流器中的二極管必須能承受光伏側(cè)通過變壓器施加的反向電壓，既為變壓 器變比乘以光伏陣列模塊最大工作電壓 15x48V=720V，因此要求采 用 1 OOOV 的二 極管。 揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 DCDC 變換器 光伏并網(wǎng)逆變器中的 DCDC變換器完成提高光伏電壓的功能。兩部分的控制目標(biāo)不同，互相獨(dú)立。本文要求逆變器并網(wǎng)運(yùn)行，逆變器向電網(wǎng)輸送功率， 所以要求逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓的頻率與相位一致。為了向電網(wǎng)輸入高質(zhì)量的電能，逆變器輸出的功率中盡量增加有功功率使輸出功率因數(shù)接近 1，即要求 0Q? ，則 ogU I k???? ?? ? （ 37） 當(dāng)逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓相位差為 0，并且假設(shè)輸出電流無畸變，逆變器 對(duì)外輸出功率且功率因數(shù)為 1。在電網(wǎng)電壓頻率與輸出電流頻率同頻率的情況下，有 : gg Z g L LgU U U Z I U? ? ? ? ?? ? ? ? （ 31） 揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 因?yàn)殡娋W(wǎng)線路阻抗 gZ 非常的小，可以忽略不計(jì)，即 0ZgU? ? （ 32） 代入式（ 31）得 LgUU??? （ 33） 可以看出逆變器并網(wǎng)時(shí)，其輸出電壓由電網(wǎng)電壓決定。當(dāng)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載 LZ 被認(rèn)為是電網(wǎng)上的一個(gè)負(fù)載，與電網(wǎng)上其它負(fù)載一樣， 只不過它的能量由電網(wǎng)和逆變器共同提供，此時(shí)逆變器的輸出電流被認(rèn)為是并網(wǎng)電流。負(fù)載上 的電流、電壓以及阻抗分別是 Li 、 Lu 、 LZ 。后級(jí)是一個(gè)低開關(guān)頻率的逆變器 ,以減少整體的開關(guān)損耗 .與單級(jí)式逆變器相比 ,它 使 用的開關(guān)器件數(shù)增多 ,從而導(dǎo)致其開關(guān)損耗也略有加揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 大 。 該拓 撲 被美國通用電氣公司在 10 kW 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中 商 業(yè)化推廣 。 與圖 34(a)相比 ,圖 34 ( b ) 省去了直流濾波電路 ,整流后直接通過后級(jí)逆 變 電路可得到 高質(zhì)量的交流輸出 ,并且其逆變電路的 功 率器件工作在工頻 ,從而降低了開關(guān)損耗 .最后交流 輸 出需要利用低通濾波器來減小 THD,以提高交流輸 出 的波形質(zhì)量 ,但其體積有所增大。 (a)電流源型 Buck 逆變器 (b)電壓源型 Boost 逆變器 揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 (c)電流源型 Boost 逆變器 圖 34 DCACDCAC拓?fù)渥? 圖 34(b)為一種電壓源型 Boost逆變器 ,它的前級(jí) 由 PWM 控制 ,在前 級(jí)與 后 級(jí)之間得到一串被稱為偽直 流 環(huán)節(jié)的直流脈沖序列 。圖 34(a)為一種傳統(tǒng)的 DC ACDCAC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,該拓?fù)渫ㄟ^前級(jí)逆變 器 、高頻 升 壓變壓 器 、整流器和直流濾波器 ,使其后級(jí)逆變器的 輸 入得到了一個(gè)可控的 直流電壓。 DCACDCAC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 高升壓比的多級(jí)式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是由高頻 DCACDC 變流器和高頻 (或工頻 )逆變器兩大 部 分組成 。后級(jí)為 D C A C 逆變器 ,用于實(shí)現(xiàn)輸出電流正弦化 并 網(wǎng) 、 孤島效應(yīng)檢 測和預(yù)防等功能 。 （ a） （ b） 圖 33按功率變化級(jí)數(shù)分類的逆變器拓?fù)浞桨? 圖 33(a)所示為單級(jí)式逆變器的結(jié)構(gòu)框圖 ,它僅用一級(jí)能量變換就可以完成電壓調(diào)整和并網(wǎng)逆變 功 能 ,具有電路簡 單 、 元器件 少 、 可靠性高和高效低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn) ,所以在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下 , 單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)是首選 。 按有無變壓器分類 根據(jù)系統(tǒng)中有無變壓器 ,光伏并網(wǎng)逆變器可分為無變壓器型 ( Tr a n s f o r m e r l e s s )、 工頻變 壓器 型 (LineFrequency Transformer, LFT)和高頻變壓器型 (HighFrequency Transformer, HFT)三種 . 圖 31是 采用工頻變壓器型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,變壓器置于工頻電網(wǎng)側(cè) ,可有效阻止電 流 直流分量注入電網(wǎng) .高頻變壓器型中的變壓器一般可放置在兩個(gè)地方 ,如 圖 32 所示 .圖 32(a)是把高頻變壓器置于 DCAC 變換器內(nèi) 。而且，隨著等效串聯(lián)電阻越大，并聯(lián)電阻越小，填充因子下降越快，進(jìn)而影響模塊轉(zhuǎn)換效率。 圖 27 不同串聯(lián)電阻 sR 下 I V 特性曲線 揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 28 不同并聯(lián)電阻 shR 下 I V 特性曲線 圖 2圖 29 為不同串聯(lián)電阻下的 I V 特性曲線，曲線表明光伏模塊 的等效串并聯(lián)電阻對(duì)輸出特性都有影響。但是，對(duì)于實(shí)際光伏電池，有各種因素影響轉(zhuǎn)化效率。輸出功率由環(huán)境溫度的增大而減少。分別可以得到光伏模塊在相同光照強(qiáng)度（ 21000 /Wm）不同環(huán)境溫度 T 條件下的模塊輸出電流 I 、輸出功率 P 對(duì)應(yīng)輸出電壓 V 關(guān)系的 I V 和 P V 輸出特性曲線，如圖 2圖 26 所示。輸出電壓從零逐漸開始增大，輸出電流基本不變；而輸出功率隨著電壓線性增大，當(dāng)輸出電壓增大到一定值，輸出電流和輸出功率迅速減小，即光伏模塊存在最大功率點(diǎn)。分別可以得到光伏模塊在 相同環(huán)境溫度（ 25℃ ）不同光照強(qiáng)度 S 條件下的模塊輸出電流 I 、輸出功率 P 對(duì)應(yīng)輸出電壓 V 關(guān)系的 I V 和 P － V 輸出特性曲線，如圖 2３、圖 2４所示。仿真時(shí)，通過對(duì) S、 T 輸入端的電壓分別進(jìn)行參數(shù)掃描，來 模擬光揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 照強(qiáng)度和溫度的變化，從而得到不同光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件下，光伏模塊的輸出電流、輸出功率隨端口電壓變化的關(guān)系。 圖２ 2 光伏模塊ＰＳＩＭ仿真電路 圖中 S 、 T 分別模擬光照強(qiáng)度與電池溫度；用電流表 A 檢測光伏模塊的輸出電流。 光伏模塊 PSIM 模型的仿真分析 模型所需的電池結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 21 所示。則根據(jù)上一節(jié)的光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型，可 以得到如下光伏模塊表達(dá)式。 此時(shí) , 光 伏 模 塊 的 輸 出 將 滿 足 以 下 方 程 組 。 光伏模塊的 PSIM 仿真模型 在 實(shí)際應(yīng)用中 ,按照所需要的功率等級(jí)和電壓等級(jí)將若干光伏電池在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ,按 照 所 需 要 的 功 率 等 級(jí) 和 電 壓 等 級(jí)若光電串聯(lián)成光模 塊 ,以 光 伏 模 塊 方 式 進(jìn) 行 輸電 。k 為波爾慈曼常數(shù)（ 10?? ） 。 圖 21 光伏電池的等效電路圖 根據(jù)圖 21所示的光伏電池 等效電路模型，應(yīng)用基爾霍夫定律，可的流過負(fù)揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 載的電流 I 與其端口電壓 U 之間的關(guān)系。 光伏電池物理機(jī)制的數(shù)學(xué)模型 光伏 電池就是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成，它是一種直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換器件。工程上使用的光伏電池板是光伏電池使用的基本單元，其輸出電壓一般在十幾至幾十伏左右。因此要將幾片、幾十片或幾百片單體太陽能電池根據(jù)負(fù)載需要，經(jīng)過串、并聯(lián)連接起來構(gòu)成組合體，再將組合體通過一定的工藝流程封裝在透明的薄板盒子內(nèi)，引出正負(fù)極引線，方可獨(dú)立發(fā)電使用。在使用光伏電池供電時(shí)，光伏電池片容量較小，輸出電壓只有零點(diǎn)幾伏、輸出峰值功率也只有１ｗ左右。 ③ 盡量減少中間環(huán)節(jié)（如蓄電池等）的使用，以節(jié)約成本、提高效 率。 ②具有較寬的直流輸入電壓適應(yīng)范圍。 揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 用戶對(duì)逆變器的要求 從 光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶來說，成本低、效率于可靠性高、使用壽命長是其對(duì)逆變器的要求。 光伏陣列對(duì)逆變器的要求 由于日照強(qiáng)度和 環(huán)境溫度都會(huì)影響光伏陣列的功率輸出，因此必須通過逆變器的調(diào)節(jié)使光伏陣列輸出電壓趨近于最大功率點(diǎn)輸出電壓，以保證光伏陣列在最大功率點(diǎn)運(yùn)行而獲得最大電源。在三相輸出光伏發(fā)電系統(tǒng)中，其接地方式可參照國際電工 委員會(huì)規(guī)定的非接地（Ｉ Ｔ）方式、單個(gè)保護(hù)接地 (ＴＴ )方式和變壓器中性線直接接地。 為了保證電網(wǎng)和逆變器安全可 靠運(yùn)行，逆變器與電網(wǎng)的有效隔離及逆變器接地技術(shù)也十分重要。孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)因電氣故障、誤操作或 自然因素 等原因中斷供電時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為能及時(shí)檢測出停電狀態(tài)并切離電網(wǎng)，使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與周圍的負(fù)載形成一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電孤島。而在高壓大容量系統(tǒng)中，一般采用可關(guān)斷晶閘管（ GTO）作為功率元件。在數(shù)控逆變系統(tǒng)中采用高速 DSP等新型處理器，可明顯提高并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率性能，它已成為實(shí)際系統(tǒng)廣泛采用的技術(shù)之一；同時(shí)，逆變器主功率元件的選擇也至關(guān)重要。 為了避免光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)公共電網(wǎng)的污染，逆變器應(yīng)輸出失真度小的正弦波。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖 。 太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 為了使太陽能大規(guī)模應(yīng)用，太陽能發(fā)電的應(yīng)用趨勢就是由邊遠(yuǎn)無電地區(qū)的獨(dú) 立供電模式向有電地區(qū)的常規(guī)并網(wǎng)發(fā)電方向發(fā)展 ， 即將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并 聯(lián)。光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān) 鍵技術(shù)及設(shè)備仍主要來自進(jìn) 口，面對(duì)如此巨大的國內(nèi)需要，發(fā)展具有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)高新技術(shù)， 從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化是刻不容緩的事情。專家預(yù)測太陽電池及相應(yīng)的系統(tǒng)將通過大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電迅速發(fā)展為全球重要產(chǎn)業(yè)。直到 90 年代，國外發(fā)達(dá)國家才掀起了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā) 的高潮，美國、歐洲、日本等國家已實(shí)施了光伏屋頂計(jì)劃并取得了一定的成果 。并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢。 易揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 受到諸如時(shí)間和季節(jié)的影響。光伏利用的主要形式是光伏發(fā)電，有獨(dú)立供電和并網(wǎng)兩種工作方式。太陽能熱發(fā)電隨著技術(shù)的發(fā)展，成本逐漸降低，變得越來越可行。熱利用的主要形式是太陽能熱水器、太陽能建筑以及太陽能熱發(fā)電。太陽能照射在地球上的能量非常巨大，大約４０分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供