【正文】 ........ 31 致 謝 .............................................................................. 錯誤 !未定義書簽。最后在Matlab/Simulink 軟件環(huán)境下搭建了光伏逆變系統(tǒng)的整體模型，完成系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 為研究光伏逆變系統(tǒng)，本文 建立了一套完整的光伏逆變系統(tǒng)模型，主要包括光伏電池模塊，前級 DC/DC 變換器，后級 DC/AC 逆變器，以及相應(yīng)的控制模塊。并且 伴隨 ―智能電網(wǎng) ‖理論 的 興起 ，分布式電力系統(tǒng) 正日益 受到 關(guān)注 ， 光伏逆變系統(tǒng)作為分布式電力系統(tǒng)的一種重要形式，使得對該領(lǐng)域的研究具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。I 摘 要 能源危機(jī)和環(huán)境問題的不斷加劇，推動了清潔能源的發(fā)展進(jìn)程。太陽能作為一種清潔無污染且可大規(guī)模開發(fā)利用的可再生能源，具有廣闊應(yīng)用前景。 論文在分析光伏逆變系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與研究熱點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討了光伏逆變系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)，對直接影響光伏逆變系統(tǒng)的工作效率以及工作狀態(tài)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制、光伏逆變器控制等技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究。為了提高系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，論文設(shè)計(jì)了一種輸出電壓隨溫度光照改變的光伏電池模型，提出了一種基于 Boost 升壓變換器的最大功率點(diǎn)跟蹤（ MPPT）控制策略，并且將 正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（ SPWM） 應(yīng)用于逆變器控制。 經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所提出的 光伏逆變 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案正確可行，且輸出達(dá)到了設(shè)計(jì)要求， 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能提供了條件，具有較高的實(shí)用參考價(jià)值。 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 1 單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究 第 1 章 緒論 課題背景及意義 被譽(yù)為全球經(jīng)濟(jì)血液的能源是影響國家安全的重要因素之一，是人類社會運(yùn)行和發(fā)展的基礎(chǔ)物質(zhì)條件 [1]。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)的卻加快了對能源消費(fèi)的速率。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]。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，世界石油總儲量約為 萬億桶，如不加以節(jié)制僅夠利用 41 年。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?，潮汐能等可再生潔凈能源成為能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo) 力量 [4]。如今國際局勢風(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]。因此為了全面建成小康社會，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)。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)。現(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。 逆變技術(shù)是光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的核心 [8]。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]。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]。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方面來開展的。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]。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%、動態(tài)響應(yīng)性 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 3 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]。 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。其中在歐市場占有率≧ 50%，全球市場占有率≧ 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)。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。這些優(yōu)勢為節(jié)約電池成本和提高系統(tǒng)效率做了很大貢獻(xiàn)。 Smiemens 公司上市的逆變器結(jié)構(gòu)采用的是由一個主逆變器和若干個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]。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)。國內(nèi)企業(yè)雖已研究多年具備一定的規(guī)模和競爭力，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]。一些大學(xué)和科研單位對光伏并網(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)?，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。 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 4 就國內(nèi)市場而言，規(guī)模雖小，但未來光伏電站市場的巨大發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿κ遣豢晒懒康摹? 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。 本文主要研究內(nèi)容 論文選題結(jié)合工程實(shí)際，通過對光伏逆變系統(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： 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。 基于以上研 究內(nèi)容，本文主要分以下幾章進(jìn)行研究： 第一章，通過對國內(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。 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。為了保持直流側(cè)串聯(lián)的兩個電容電壓相等，半橋逆變電路一般通過添加兩個等值電阻來實(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。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。 并網(wǎng)逆變器輸入方式 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。電壓型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖 所示，其輸入端并聯(lián)了一個電容，作用是通過儲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]。 與電壓型并網(wǎng)逆變器相比，直流側(cè)串接一個電感而不是并聯(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。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 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 6 變器輸入級串聯(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。 （ 1）圖 為 工頻并網(wǎng)逆 變器的結(jié)構(gòu)圖，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。 圖 工頻隔離型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu) 工頻變壓器在圖 所示的結(jié)構(gòu)中是必需的，這就會增大逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量，并且變壓器不可避免地會為系統(tǒng)帶來損耗，這就降低了逆變系統(tǒng)的整體效率。所以此結(jié)構(gòu)常用于系統(tǒng)的整體功率比較大的場合 。 圖 高頻隔離型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu) 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 7 在圖 所示結(jié)構(gòu)中 ,直流電能一共要經(jīng)過三級變換并入電網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)對控制系統(tǒng)有著很高的要求。而且每一級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)效率將會大打折扣。 （ 3）非隔離型并網(wǎng)逆變器是兩級變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示，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]。因此在功率比較小光伏發(fā)電場合中，此類逆變器應(yīng)用廣泛。前級 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，因此前一級電路采用結(jié)構(gòu)簡單，控制簡便的Boost 升壓電路。電能 通過后級DCAC 逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變后進(jìn)入電網(wǎng)。 采用電流型控制的光伏模塊 的最大功率控制 8 圖 系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 光伏電池的原理及數(shù)學(xué)模型 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。 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。 R sR s hR LI 圖 太陽能光伏電池等效電路 以下是 本文 構(gòu)建 的光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型 [26] 。具體算法分析如下： 21( ( 1 ( 1 ) ) )SCV D VCVSCP I V I C e D I V?? ? ? ? ? （ ） 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]： 22 112( 1 ( 1 ) ) 0S C O CV D V V D VC V C VSCSCOCV I CI C e D I eCV??? ? ? ? ? （ ） 通過 牛頓法 對式（ ） 迭代 ，從而得到與 Pmax相對應(yīng) 的 光伏電池電壓 Vmax： 22121122()()() ( 2 ) ( )kOCkOCV D VCVSCkk O Ck k k V D Vk CVk SCO C O CICI V eP V C VV V VPV V I C eC V C V?? ????? ? ? ????? （ ） 當(dāng) | Vk+1Vk|ε1時(shí)， Vmax=Vk+1。 ε1為迭次精度。將所得 Vmax代入式 (21)，得 Imax， 21( 1 ( 1 ) )OCVCVSCI I C e? ? ? （ ） 從而最大功率為 max max maxP V I?? （ ） 前級 Boost 升壓電路工作原理 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，其原理圖如圖 所示： 圖 Boost電路圖 升壓斬波電路的升壓過程主要有兩個部分，一個是充電過程，另一個是放電過程。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將保持一個相對穩(wěn)定的速率線性增大，電感數(shù)值同這 個速率有直接關(guān)系。電感會利用自身存儲的電能對電容進(jìn)行充電，電容兩側(cè)的電壓增大至一個大于輸入側(cè)電壓的水平。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。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?C 值很大，可以將輸出電壓 U0 基本保持為恒定值。 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