【正文】 流側(cè)電流和功率因數(shù)控制的目地，我們稱其為直接電流控制。電壓型控制模式的原理是將逆變器輸出電壓當(dāng)做控制系統(tǒng)的受控量，以此來保證逆變器輸出的交流電壓信號(hào)與電網(wǎng)電壓同頻同相，這時(shí)整個(gè)光伏逆變系統(tǒng)就可以看作一個(gè)受控電壓源，并且這個(gè)電壓源內(nèi)阻很??；電流型控制模式的原理則是將逆變器輸出端的電感電流當(dāng)做控制系統(tǒng)的受控量，以此來保證逆變器輸出的交流電流信號(hào)與電網(wǎng)電壓同頻同相，這時(shí)整個(gè)光伏逆變系統(tǒng)就可以看作受控電流源，并且這個(gè)電流源內(nèi)阻較大。對(duì)其電路圖進(jìn)行頻域分析可得： （）（），因?yàn)樵诓⒕W(wǎng)逆變器的輸出端存在濾波電感L，使得光伏逆變器輸出端的交流側(cè)電壓UAB與公用電網(wǎng)電壓Unet之間存在相位差，所以為達(dá)到逆變器輸出端的輸出電流IL與公用電網(wǎng)電壓Unet同相位的目的，公用電網(wǎng)電壓Unet要滯后于光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓UAB。雖然各種光伏并網(wǎng)的控制策略不盡相同，但其都有著一致的目標(biāo)，即通過對(duì)逆變器中的可控器件進(jìn)行控制使其輸出高質(zhì)量的正弦交流電流，同時(shí)輸出的正弦電流還滿足與公用電網(wǎng)電壓保持同頻同相，所以一般控制系統(tǒng)都是將并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流I作為被控制量。光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的作用是將光伏電池組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為正弦交流電，然后轉(zhuǎn)換過的正弦交流電流入公用電網(wǎng)從而向電網(wǎng)供電。每次開關(guān)管開通或關(guān)斷時(shí)，單極性調(diào)制電壓變化的幅度僅為雙極性調(diào)制的一半，這就使得開關(guān)管所受的開關(guān)應(yīng)力比較小。雙極性SPWM逆變器的突出特點(diǎn)是不存在電流的續(xù)流過程，這就造成輸出電流的變化率比較大，從而對(duì)外界的形成的干擾較強(qiáng)。單極性電路的正弦波Ur和三角波Uc同相，與其相比雙極性SPWM逆變器的不同之處在于電路的三角波Uc在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)有正有負(fù)，所得到的PWM波也有正有負(fù)。而當(dāng)UrUc時(shí)，VT4關(guān)斷，VT3導(dǎo)通，此時(shí)，U0﹦0。在Ur處于負(fù)半周時(shí)，VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通。當(dāng)UrUc時(shí)，VT4導(dǎo)通，VT3關(guān)斷，此時(shí)，U0=Ud。 PWM的工作方式遵照以下原則:(1) VT1和VT2通斷互補(bǔ)，VT3和VT4通斷互補(bǔ)；(2)在Ur和Uc極性變換時(shí)刻實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管VT1–VT4的通斷轉(zhuǎn)換。當(dāng)采用單極性調(diào)制方式時(shí)，在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)逆變電壓的極性不發(fā)生變化，在開關(guān)切換的過程中，逆變輸出電壓先變?yōu)榱悖娏魍ㄟ^主電路中的二極管續(xù)流。，圖中VT1–VT4四只功率開關(guān)管構(gòu)成橋式逆變電路，而PWM輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度由參考正弦波Ur和三角波Uc決定。這樣2N個(gè)寬度不等，但幅值相等的矩形脈沖序列就組成了一個(gè)與正弦波等效的脈寬調(diào)制波形。每一個(gè)經(jīng)過等分的脈沖寬度都是π/N，這樣一個(gè)周期的正弦波便可看成2N個(gè)彼此相連的脈沖序列，這些脈沖的寬度相等但是幅值不相等。此理論也稱沖量等效原理，SPWM理論正是基于這一原理[31]。在直流交流逆變器領(lǐng)域，這種技術(shù)應(yīng)用廣泛。第3章 光伏并網(wǎng)逆變器的控制及實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)中， PWM技術(shù)被廣泛使用，其全稱是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制）。假設(shè)P(i)為現(xiàn)時(shí)功率、P(i1)為記憶功率，則具體的判別方法總結(jié)如下：1）當(dāng)時(shí)，若，工作點(diǎn)在點(diǎn)左邊，應(yīng)提高電壓；若，工作點(diǎn)在點(diǎn)右邊，應(yīng)降低電壓；2）當(dāng)時(shí)，若，工作點(diǎn)在點(diǎn)右邊，應(yīng)降低電壓；若，工作點(diǎn)在點(diǎn)左邊，應(yīng)提高電壓。（IU）圖，圖中a、b、c、d、e五個(gè)點(diǎn)為電池負(fù)載特性與伏安特性交點(diǎn)（即實(shí)際工作點(diǎn)）。如此重復(fù)上述過程即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤。從光伏陣列接收太陽能開始，其輸出電壓會(huì)周期性的發(fā)生弱變。 爬山法爬山法可理解為一種自尋優(yōu)的控制過程，它的控制思想是：第一步，得出光伏陣列輸出端的電壓、電流信號(hào)，并利用乘法器將兩者相乘得到此刻的功率（現(xiàn)時(shí)功率），第二步，將此刻的功率（實(shí)時(shí)功率）與前一時(shí)刻的功率（記憶功率）進(jìn)行對(duì)比，利用對(duì)比之后的結(jié)果判斷電壓的增減[29]。當(dāng)光伏電池內(nèi)阻等于直流直流轉(zhuǎn)換器等效電阻時(shí)，轉(zhuǎn)換器上分得的電壓為Vi/2，也就是說通過調(diào)節(jié)負(fù)載兩端電壓到Vi/2，光伏電池發(fā)出的功率就能夠達(dá)到最大。因此對(duì)式（）進(jìn)行求導(dǎo)取極值的處理是正確的。通過電路原理計(jì)算出直流負(fù)載Ro消耗的功率為： （）因?yàn)樨?fù)載變化導(dǎo)致其分配功率發(fā)生變化，Vi、Ri都是常數(shù)。為了確定光伏陣列以最大功率狀態(tài)輸出的須滿足的條件，下面以帶直流性負(fù)載的發(fā)電系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，交流負(fù)載也同樣適用。在當(dāng)前電池發(fā)電效率低的現(xiàn)狀下，通過MPPT進(jìn)行功率提升的成本要低于增加光伏模塊中電池個(gè)數(shù)提升功率的成本。為解決此類問題，MPPT逐漸得到推廣與發(fā)展。以后逆變器將不斷重復(fù)以上過程，從而完成對(duì)直流電能的逆變。當(dāng)電流下降為0時(shí)，開關(guān)管TT3導(dǎo)通，流經(jīng)電感的電流反向，逆變器輸出端輸出電壓U0﹦Ud。當(dāng)開關(guān)管T1和T4導(dǎo)通、T2和T3截止時(shí)，兩橋臂之間的電壓U0﹦Ud。在電壓型逆變電路中，為了防止直流側(cè)短路導(dǎo)致開關(guān)管電流過大燒壞，同一個(gè)半橋上的上下兩橋臂不允許同時(shí)導(dǎo)通，即開關(guān)管T1和T3，T2和T4不能同時(shí)導(dǎo)通，這就要求其控制脈沖存在互補(bǔ)的關(guān)系。當(dāng)T處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，升壓電路的輸入電壓Ui和電感L共同向負(fù)載端電容C2充電并向負(fù)載提供能量，假設(shè)開關(guān)管T位于關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)間是toff，這段過程中電感L放出的電能為(U0–Ui)iLton。在開關(guān)管T處在通態(tài)的時(shí)候，光伏電池釋放的電能流經(jīng)電感L，L進(jìn)行充電過程，充電電流基本恒定為iL，因?yàn)殡娙軨值很大，可以將輸出電壓U0基本保持為恒定值。在電路充電階段，電感貯藏吸納的電能，在電路放電階段，電感放出包含的電能。電感會(huì)利用自身存儲(chǔ)的電能對(duì)電容進(jìn)行充電，電容兩側(cè)的電壓增大至一個(gè)大于輸入側(cè)電壓的水平。由于太陽能電池輸入升壓電路中的是直流電，所以電能最初經(jīng)過電感時(shí)，左邊電路相當(dāng)于斷路狀態(tài)，然后iL將保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的速率線性增大，電感數(shù)值同這個(gè)速率有直接關(guān)系。將所得Vmax代入式(21)，得Imax， （）從而最大功率為 （）Boost電路中通過控制開關(guān)管Q1的閉合與關(guān)斷，光伏電池產(chǎn)生的直流電壓經(jīng)過升壓處理由Vpv升高到Vdc，： Boost電路圖升壓斬波電路的升壓過程主要有兩個(gè)部分，一個(gè)是充電過程，另一個(gè)是放電過程。ε1為迭次精度。具體算法分析如下： （）通過電導(dǎo)增量法，由取得極值處的條件dP/dV=0可以得出[27]： （）通過牛頓法對(duì)式（）迭代，從而得到與Pmax相對(duì)應(yīng)的光伏電池電壓Vmax： （）當(dāng)| Vk+1Vk|ε1時(shí)，Vmax=Vk+1。以下是本文構(gòu)建的光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型[26] 。光伏電池的發(fā)電原理基于半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，電池的輸出特性隨光照強(qiáng)度S和環(huán)境溫度T變化而變化。太陽能電池是光伏逆變系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其模型搭建的成功與否關(guān)系到控制算法的可操作性。電能通過后級(jí)DCAC逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變后進(jìn)入電網(wǎng)。前級(jí)DCDC變流電路，這種電路主要有半橋式、全橋式、推挽式和Boost式[24]，因?yàn)樘柲茈姵氐妮斎腚妷狠^低，如果采用半橋式電路，開關(guān)管流經(jīng)的電流將變大，輸出電壓太低；全橋式電路對(duì)控制系統(tǒng)的要求比較復(fù)雜，開關(guān)管的功率損耗較大，因此前一級(jí)電路采用結(jié)構(gòu)簡單，控制簡便的Boost升壓電路。因此在功率比較小光伏發(fā)電場(chǎng)合中，此類逆變器應(yīng)用廣泛。（3）非隔離型并網(wǎng)逆變器是兩級(jí)變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光伏電池輸出的電能先進(jìn)入Boost電路來提高電壓，升壓處理后的直流電能再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電[23]。而且每一級(jí)變換都不可避免的損失一部分能量，因此電能在三次變換處理之后，系統(tǒng)效率將會(huì)大打折扣。,直流電能一共要經(jīng)過三級(jí)變換并入電網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)控制系統(tǒng)有著很高的要求。所以此結(jié)構(gòu)常用于系統(tǒng)的整體功率比較大的場(chǎng)合。，這就會(huì)增大逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量，并且變壓器不可避免地會(huì)為系統(tǒng)帶來損耗，這就降低了逆變系統(tǒng)的整體效率。（1），太陽能電池產(chǎn)生的直流電能先通過DC/AC環(huán)節(jié)變?yōu)榻涣麟娔?，再進(jìn)入工頻變壓器經(jīng)升壓處理后進(jìn)入公共電網(wǎng)，完成并網(wǎng)發(fā)電的目地。在實(shí)際的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，電流型并網(wǎng)逆變器應(yīng)用較少，這是因?yàn)楣夥l(fā)電中大多數(shù)電源都屬于電壓型，逆變器輸入級(jí)串聯(lián)電感使得系統(tǒng)在建設(shè)成本和設(shè)備體積上都不如并聯(lián)電容。與電壓型并網(wǎng)逆變器相比，直流側(cè)串接一個(gè)電感而不是并聯(lián)電容，逆變器輸出端采用LC濾波器來濾除輸出電流中的高頻諧波。其輸入端并聯(lián)了一個(gè)電容，作用是通過儲(chǔ)能使輸入端具有阻抗較低的特點(diǎn)，從而輸入側(cè)近似看作電壓源[21]。根據(jù)輸入方式上的差別，并網(wǎng)逆變器主要有電流型和電壓型兩大類。全橋逆變電路開關(guān)管的工作電流比半橋型減小了一半，在功率比較大的逆變電源中得到了廣泛應(yīng)用。為了保持直流側(cè)串聯(lián)的兩個(gè)電容電壓相等，半橋逆變電路一般通過添加兩個(gè)等值電阻來實(shí)現(xiàn)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器應(yīng)用于功率比較小的逆變電源中。第三章，提出了基于正弦脈寬調(diào)制技術(shù)的逆變器并網(wǎng)電流反饋控制策略， 建立以DC/AC變換和PWM調(diào)制策略為特點(diǎn)的SPWM控制光伏逆變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；第四章， 在Matlab/Simulink仿真軟件環(huán)境下，將光伏逆變系統(tǒng)各模塊整合，對(duì)光伏逆變系統(tǒng)整體模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)建模和控制方法的可行性與正確性?；谝陨涎芯績?nèi)容，本文主要分以下幾章進(jìn)行研究：第一章，通過對(duì)國內(nèi)外光伏逆變技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景分析，給出光伏逆變系統(tǒng)所存在的問題與不足，并提出本論文所要研究的主要內(nèi)容和工作計(jì)劃。論文選題結(jié)合工程實(shí)際，通過對(duì)光伏逆變系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和主要關(guān)鍵環(huán)節(jié)的原理分析，在Matlab/Simulink仿真軟件環(huán)境下建立光伏逆變系統(tǒng)的整體數(shù)學(xué)模型，對(duì)其關(guān)鍵的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行系統(tǒng)性的仿真實(shí)驗(yàn)分析，具體研究內(nèi)容如下：1. 基于BOOST變換器的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤算法與實(shí)現(xiàn)方法研究 以Boost升壓變換器為主要結(jié)構(gòu)，建立能實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制的DC/DC變換系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。從技術(shù)方面來看，小功率逆變器的技術(shù)國內(nèi)外基本處于同一水平。就國內(nèi)市場(chǎng)而言，規(guī)模雖小，但未來光伏電站市場(chǎng)的巨大發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿κ遣豢晒懒康摹，F(xiàn)已建立的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)只是示范工程，其中的核心器件逆變器的獲得仍主要依靠進(jìn)口。一些大學(xué)和科研單位對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)作了一定的研究，而且國家科技部也非常的重視逆變器的研究工作為項(xiàng)目研究撥出了相當(dāng)大數(shù)額的經(jīng)費(fèi)。國內(nèi)企業(yè)雖已研究多年具備一定的規(guī)模和競(jìng)爭力，但在核心技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模上與國外企業(yè)相比仍具有很大差距[18]。同時(shí)在擴(kuò)大功率適應(yīng)范圍，增加系統(tǒng)的安全可靠性、提高系統(tǒng)擴(kuò)展性、進(jìn)一步完善的電路保護(hù)方面也有所改進(jìn)。Smiemens公司上市的逆變器結(jié)構(gòu)采用的是由一個(gè)主逆變器和若干個(gè)從逆變器的組成的主從式的結(jié)構(gòu),可滿足系統(tǒng)的容量要求，但靈活性差，系統(tǒng)擴(kuò)展不便[17]。這些優(yōu)勢(shì)為節(jié)約電池成本和提高系統(tǒng)效率做了很大貢獻(xiàn)。當(dāng)前SMA公司上市的相關(guān)產(chǎn)品主要有組串逆變器，集中逆變器和多支路逆變器等三個(gè)系列，其中SB(Sunny Boy)系列以轉(zhuǎn)換效率高，功率因數(shù)高，諧波失真低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。其中在歐市場(chǎng)占有率≧50%，全球市場(chǎng)占有率≧33%的SMA是位于歐洲具有全球最早建立且規(guī)模最大的光伏逆變器生產(chǎn)企業(yè)。最后，逆變器要想普遍的推廣開來，應(yīng)盡量滿足用電戶在對(duì)逆變器選擇方面的一些基本要求，比如安全保障、價(jià)格適中、轉(zhuǎn)換率高、使用年限長等。根據(jù)國外推出的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定大體總結(jié)為THF5%、各次諧波含量≦3%、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能應(yīng)良好、均應(yīng)具備必要時(shí)能快速準(zhǔn)確切斷并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的連接的防孤島效應(yīng)功能[15]。而逆變器就應(yīng)能使光伏陣列的輸出電壓逼近于最大功率點(diǎn)處的電壓[13]。故光伏并網(wǎng)逆變器的技術(shù)研究是從光伏陣列、電網(wǎng)和用電戶要求這三個(gè)方面來開展的。并網(wǎng)逆變器在滿足太陽能電池組件輸出的電力與電網(wǎng)電力的電壓頻率等電性能標(biāo)準(zhǔn)一致中擔(dān)任重要的角色[10]。并網(wǎng)逆變器性能的改進(jìn)在提高系統(tǒng)的效率、增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)化的可靠性、延長設(shè)備的壽命、降低成本等方面體現(xiàn)至關(guān)重要的作用[9]。逆變技術(shù)是光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的核心[8]?，F(xiàn)今的光伏發(fā)電系統(tǒng)的九成裝機(jī)容量采用的是并網(wǎng)模式，并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)與獨(dú)立式相比降低了成本且可減少維護(hù)工作。由此可見，利用太陽能來發(fā)電不僅可以緩解日益惡化的環(huán)境還可以從根本上解決現(xiàn)今能源危機(jī)。因此為了全面建成小康社會(huì)，應(yīng)本著可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀，進(jìn)一步開發(fā)、利用可再生能源尤其是太陽能,當(dāng)務(wù)之急就是改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。如今國際局勢(shì)風(fēng)云變幻，我國在能源的依存等國家安全保障工作方面將面臨著巨大的挑戰(zhàn)[5]。人類面臨著有限的資源和嚴(yán)格的環(huán)保約束，要想解決能源問題，唯一途徑是借助科學(xué)的力量，將風(fēng)能，地?zé)崮埽毕艿瓤稍偕鷿崈裟茉闯蔀槟茉聪M(fèi)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)力量[4]。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，如不加以節(jié)制僅夠利用41年。與此同時(shí)，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，不再是單一的只依靠化石燃料，潮汐能、地?zé)?、風(fēng)能等可再生新能源也相繼被更多更廣泛地開發(fā)利用[2]。目前世界資源消耗在逐年遞增，其特點(diǎn)可以用以下兩點(diǎn)概括為：一是發(fā)達(dá)國家放慢了對(duì)能源需求的速率，而發(fā)展中國家尤其是亞太地區(qū)的卻加快了對(duì)能源消費(fèi)的速率。關(guān)鍵詞：光伏電池；最大功率點(diǎn)跟蹤；光伏逆變系統(tǒng)；正弦脈沖調(diào)制技術(shù)ABSTRACTWith intensify of the energy crisis and environmental problems, the development of clean energy has got a promotion. The solar energy has a broad application