光伏并网变流器关键技术研究硕士学位论文.doc

北京交通大学硕士学位论文 正文硕士学位论文光伏并网变流器关键技术研究research on key technologies of photovoltaic grid-connected inverter 中文摘要摘要：新能源的使用得到越来越多的推广，太阳能凭借其多方面的优点受到全球的高度关注。太阳能的应用方法有很多种，光伏并网发电代表太阳能光伏利用的发展方向，已经逐渐成为光伏利用最主要的途径。并网逆变器是光伏并网系统的核心，本文以光伏并网发电系统为研究对象，对光伏并网系统中关键技术进行了分析和研究。中小功率光伏并网逆变器通常采用两级结构，需要根据输入电压采取相应的控制方式。并网逆变器研发中，充分利用了dsp同步采样的功能，可以准确的测量电流在一个开关周期内的平均值，这种控制方式在后续的实验中得到了验证。关键词：变流器；空间矢量脉宽调制； 最大功率点跟踪；反孤岛效应分类号：tm615北京交通大学硕士学位论文 序abstractabstract: nowadays, with the increasing of energy exhaustion and environment pollution, the utilization of photovoltaic technology has become a hotspot of the whole world. the main utilization of solar energy will be the grid-connected photovoltaic system. the core technology of the grid-connected photovoltaic system is grid-connected inverter. the average current is accessed by using synchronizing the on-chip analog-to-digital function of dsptms320f2812. keywords： inverter; svpwm; mppt; anti-islandingclassno：tm615序本人在研究生学习阶段，在实验室参与了igct驱动，小功率开关电源等方面的研究，实验室已完成了多项蓄电池充放电系统项目的研究，掌握了一些测量和控制方法，研究生毕业设计题目为太阳能并网逆变器研究。对于该系统的研究得到了导师和实验室的支持，在实验室老师和同学的关心帮助下，完成了从对系统方案的分析设计到整个系统的满负载试验。试验的结果验证了该方案的可行性。由于学识水平、实践经验以及时间等的限制，在很多方面做得还不够完善，需要做进一步的研究。目录中文摘要vabstractvi序vii第一章引言91.1 光伏发电91.2 国内外发展现状101.3 关键技术111.3.1 光伏变换器111.3.2 最大功率跟踪控制111.3.3 孤岛效应111.4论文的主要研究工作12第二章系统主电路拓扑- 12 -2.1 光伏发电系统- 12 -2.2 系统工作原理- 13 -2.2.1 升压式变换器（boost）- 14 -2.2.2pwm整流器- 15 -2.3 主电路参数设计- 17 -2.3.1升压电感设计- 17 -2.3.2 中间直流电容设计- 18 -2.3.3 交流侧滤波电感设计- 19 -第三章 系统控制策略- 23 -3.1 控制策略- 23 -3.1.1 pwm整流器的双闭环控制- 23 -3.2 控制算法- 24 -3.2.1 空间矢量脉冲宽度调制（svpwm）- 24 -3.2.2最大功率跟踪（mppt）- 30 -3.2.3 孤岛检测技术- 33 -第四章 系统软件设计355.1 主程序365.2 控制算法365.3故障保护37第五章 试验调试375.1 变流器升压试验385.2 变流器负载试验395.3 变流器温升试验40第六章 结论426.1 实验结论426.2存在的问题42参考文献43作者简历45独创性声明46学位论文数据集47第一章 引言1.1 光伏发电能源是人类经济及文化活动的动力来源。从原始社会开始，化石能源逐步成为人类所用能源的主要来源，这种状况一直延续至科技发达的现代社会。随着人类对能源需求日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。此外，大量使用化石燃料已经给人类生存环境带来了严重的后果。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化已经形成一对十分突出的矛盾，它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战。在本世纪，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题，而能源问题将更为突出。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能作为“储量无限”、存在普遍、开发利用清洁以及逐渐显露出的经济性等优势，它的开发利用将最终解决常规能源特别是化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题，是人类理想的替代能源。太阳能开发利用必将在本世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为本世纪后期的主导能源。根据现阶段的历史条件和技术发展水平，以新能源替代传统能源、以优势资源替代稀缺资源、以可再生能源替代化石能源已成为一种必然趋势。其中，利用太阳能发电的技术将得到很好的发展。利用太阳能发电，即光伏发电是指利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式。光伏发电具有以下明显的优点：(1) 无污染：绝对零排放，无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等的“排放”；(2) 可再生：资源无限，可直接输出高品位电能，具有理想的可持续发展属性；(3) 资源的普遍性：基本上不受地域限制，只是地区之间有丰富与欠丰富之别；(4) 机动灵活：发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便；(5) 通用性、可存储性：电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储；(6) 分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抵御自然灾害和战略准备的角度看，它更具有明显的意义；(7) 资源、发电、用电同一地域：可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用；(8) 太阳能发电系统建设周期短，由于是模块化安装，因此可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的太阳能发电站。1.2 国内外发展现状随着第一块太阳能电池板的问世，光伏发电在各国得到了迅猛发展。2004年世界太阳能电池生产企业总产能达到1000mw以上，同比增长35%。2005年，世界太阳能电池总产量1656mw，其中日本仍居首位，762mw，占世界总产量的46，欧洲为464mw，占总产量的28，美国156mw，占总产量的9，其他274mw，占总产量的17。国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，太阳能光电技术的应用系统正在迈向大规模的商业应用阶段。研究表明：太阳能光电产品的市场销量在今后十年内将以平均30的速度增长，到2010年年销售量将达4600mw。到本世纪中叶，光伏发电电量会占世界总发电量的1020，成为世界基本能源之一。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，中国落后于发达国家10-15年，甚至明显落后于印度。但是，中国光伏产业正以每年30%的速度增长，2005年中国太阳能电池生产总量达到139mw，较2004年猛增了179%，2006年达到400mw。在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，在2010年以前，中国太阳电池多数用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市场将由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。光伏并网变流器是光伏发电并网系统中的核心控制组件，要求其达到稳定，高效，安全以及真正实现绿色无污染的效果。国内市场上相关的产品很多，但主要还是进口设备。市场上主要一些产品包括德国sma，瑞士sputnik公司以及日本的omron等。国内也很早就开展了相关技术的研究，并在最大功率点跟踪控制，孤岛检测等方面取得了很大的成就。1.3 关键技术1.3.1 光伏变换器光伏变换器是光伏发电系统中的关键部件。变换器分为直流变换器（dc/dc）和交流变换器（dc/ac）两种，直流变换器将直流电压和直流电流变换为不同等级的直流电压和直流电流；而交流变换器是将直流电能变换为交流电能，通常是指光伏逆变器。对于设计的光伏变换器，尤其是并网型变换器，要求输出满足电网及用户的需求。1.3.2 最大功率跟踪控制光伏阵列功率输出特性具有非线性特征，受太阳辐照度、环境温度和负载情况影响。在一定的太阳辐射度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率一电压曲线（p-v曲线）的最高点，称之为最大功率点(maximum power point，mpp)。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时检测光伏阵列的输出功率，通过一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况，调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(maximum power point tracking，mppt)，相应的技术称之为最大功率点跟踪技术。关于此技术，国内外文献提出了多种跟踪算法，根据实际情况，可适当选择可行的跟踪方案。1.3.3 孤岛效应根据美国sandia国家实验室(sandia national laboratories)提供的报告中给出的定义：孤岛是指由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断供电时，各个用户端的太阳能光伏并网逆变器仍独立运行的现象。在这种情况下，局部电网负载完全依靠光伏发电系统电源支配运行，就形成了与主电网隔离的“孤岛”状态。当孤岛发生时，由于并网逆变器持续供电，相连的电网将处于带电状态，则可能危及电网线路维护人员的生命安全。同时会干扰电网的正常合闸过程，在合闸瞬间产生的浪涌电流可能会损坏负载或并网逆变器装置。因此，光伏发电系统需添加适当的孤岛检测措施，防止发生危险。1.4论文的主要研究工作北京交通大学新能源研究所一直从事新能源应用领域的研究和开发，并在风力发电、光伏发电等领域取得了重要成果，吸引了很多企业积极与新能源研究所开展合作。本论文所做的25kw光伏并网变流器就是与北京能高自动化技术有限公司合作而设计开发的产品。论文在第二章将对系统主电路作详细介绍，第三章将对系统采用的控制策略进行分析，第四章将根据前两章的内容，阐述系统软件结构，第五章将给出试验调试的结果，并根据实验中测量到的一些波形，做出分析。第二章 系统主电路拓扑2.1 光伏发电系统光伏发电系统（photovoltaic power generating system，简称pv系统）是指从将太阳能转换为电能的太阳能池板到最终提供给用户或并网使用的设备终端之间的整个设备体系。光伏发电系统按照与电力系统的关系可分为离网型发电系统和并网型发电系统。离网型发电系统属于孤立的发电系统，它不与电网相连，直接给负载供电。一般主要应用于偏远无电地区，其供电可靠性受到气象环境以及负载情况的影响，供电稳定性相对较差，许多时候需要加装储能装置和能量管理环节。并网型发电系统输出与电网相连。与离网型相比，并入大电网可以给太阳能发电带来诸多好处：首先，不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接收太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率；再次，系统可以省略储能装置，消除储能装置在充放电过程中的能量损耗及运行维护的费用，同时可以消除废旧装置带来的间接污染。本文采用并网型发电系统，见图2-1：图2-1双极式并网发电系统figure 2-1 photovoltaic power generating system光伏发电系统按照系统拓扑结构可以分为单级式发电系统和双级式发电系统。单级式发电系统将太阳能池板转换的直流电能通过逆变器转换为交流电能，供给负载使用或并入电网。单级式系统仅靠逆变器实现最大功率点跟踪、并网、有功调节、无功补偿等功能。在控制上相对复杂，但系统损耗较小，一般应用于大功率场合。双级式发电系统在池板与逆变器之间加入直流变换器，用于直流电压和直流电流等级的转换。常见的直流变换器包括buck、boost、buck-boost、cuk等电路。这一级电路除直流电压和直流电流的等级转换外，主要用于实现光伏电池输出功率的最大功率跟踪。第二级的交流变换器则用于实现并网、有功调节、无功补偿或者是谐波补偿等功能。在控制上相对简单，但直流变换器增加了系统损耗，一般应用于中小功率场合。这两种光伏发电系统均可以采用单相或三相逆变器。本文采用双极式发电系统，见图2-1。2.2 系统工作原理本论文考虑到系统属于中功率系统，并且为求控制简单，采用双级式并网发电系统。系统主电路拓扑见图2-2，电路中的直流变换器采用boost电路，用以提高直流电压等级，减小中间直流电流。交流变换器采用电压型pwm整流器，在文中主要应用pwm整流器四象限运行中的逆变工况，实现单位功率因素并网。 图2-2光伏发电系统主电路拓扑figure 2-2 main circuit topologyof photovoltaic power generating system2.2.1 升压式变换器（boost）boost变换器是一种输出电压高于输入电压的单管非隔离直流变换器，通过控制开关管的占空比，可控制升压变换器的输出电压。根据电感电流是否连续，升压变换器可以分为连续工作模式、不连续工作模式和临界连续工作模式。1. 电感电流连续工作模式见图2-2，为设计方便以及以后的功能扩展，boost电路中的开关管使用了一组桥臂的下管t8，上管t7始终关断，作为续流二极管。假设电感足够大，则流过电感的电流连续。在开关管t8导通期间，太阳能池板输出电压l加在电感两端，电感电流线性增加，电感电流的增量为： （公式2-1）其中，太阳能池板输出电压； 开关管导通占空比。在t8关断期间，电感电流经续流二极管t7流给输出侧，电源与电感储能一同给电容充电，电感电流线性减小，电感电流的减小量为： （公式2-2）稳态工作时，t8导通期间的电流增量等于关断期间电流减小量，即=，所以得到输入电压与输出电压之间的关系为： （公式2-3）忽略电路损耗，输入功率等于输出功率，可以得到平均电流与占空比之间的关系为： （公式2-4）2. 电感电流断续工作模式以及临界连续工作模式在t8关断期间，电感电流减小，若电感电流减小到零时，t8关断时间还未结束，表示电感电流出现断续的现象，将这种工作模式称之为电感电流断续工作模式；若电感电流减小到零时，t8关断时间刚好结束，表示电感电流临界连续，将这种工作模式称之为临界连续工作模式。本文中设计的电感能够使电感电流工作在连续工作模式，故在此，电感电流断续工作模式和临界连续工作模式不再作详细分析。2.2.2 pwm整流器按照一般定义，逆变是指将直流电力变换为交流电力。对于逆变器的输入，有两种方式：一种是利用电容滤波，直流回路的电压波形平直，输出呈低阻抗，逆变器中开关管的通断作用就是将直流电压以一定的方向和次序分配给各相负载，形成交流电压，这种逆变器称为电压型逆变器（voltage source inverter，简称vsi）；另一种则是利用电感加以滤波，直流回路的电流平直，输出呈高阻抗，逆变器中开关管的通断作用就是将直流电流以一定的方向和次序分配给各相负载，形成交流电流，这种逆变器称为电流型逆变器（current source inverter，简称csi）。随着半导体器件的不断发展以及控制技术的日趋成熟，逆变器得到了良好发展。本文采用的逆变器是由igbt构成的电压型pwm整流器，通过适当的控制，使整流器工作在逆变工况，达到将直流电力转换为交流电力的目的。pwm整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以pwm斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此，pwm整流器可以取得以下优良性能:(1) 网侧电流近似正弦波；(2) 单位功率因数控制；(3) 电能双向传输；(4) 较快的动态响应；(5) 可进行并网逆变。能量双向流动表现为：当pwm整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；当pwm整流器向电网传输电能时，其运行于逆变工作状态。单位功率因数控制表现为：当pwm整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相；当pwm整流器运行于逆变状态时，其网侧电压、电流反相。进一步研究表明， pwm整流器网侧电流及功率因数均可控制，因而在有源电力滤波及无功补偿方面都有着广泛的应用。下面以单相pwm整流器为例，分析它的功能工作原理： 图2-3 pwm整流器模型电路 figure 2-3 model circuit of pwm rectifier图2-3为pwm整流器电路模型，由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。忽略电路中谐波的影响，对于基波，下面的关系是成立： （公式2-5）由公式2-5可见，在网侧电压和阻抗一定的情况下，的幅值和相位仅由的幅值以及与的相位差决定。控制的幅值和相位，就能迫使和的相位差为所需要的任意角度。根据这一原理，下面介绍pwm整流器的几种运行方式：(1) 图2-4(a)，滞后角度，和同相，电路工作在整流状态，且功率因素为1，能量从交流侧流向直流侧；(2) 图2-4(b)，超前角度，和反相，电路工作在有源逆变状态，能量从直流侧流向交流侧，这是本文采用的运行方式；(3) 图2-4(c)，滞后角度，超前90，电路向交流电源输送无功功率相当于无功补偿装置；(4) 图2-4(d)，滞后角度，超前任意角度，说明pwm整流器能工作在四象限的任意象限。图2-4（a）整流工况 图2-4（b）逆变工况图2-4（c）asvg运行状态 图2-4（d）电流超前任意角度显然，要实现pwm整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，可以通过控制pwm整流器交流侧电压，间接控制网侧电流；另一方面，也可以通过网侧电流的闭环控制，直接控制pwm整流器的网侧电流。2.3 主电路参数设计2.3.1升压电感设计在boost主电路设计中，升压电感的选择尤为重要。设计时，主要考虑电流临界连续和电流纹波要求这两个方面： 按电流临界连续设计时，电感l1取值应满足：开关管导通期间上升的电流在开关管关断期间刚好减小为零，即流过电感的平均电流为开关管导通期间电流增量的一半。所以下面的公式成立： （公式2-6）由公式2-6可以推导出升压电感取值为： （公式2-7）其中：中间直流电压； 太阳能池板输出电压； 流过电感的平均电流； 中间直流电流； 开关管开关频率； 开关管开关周期； 开关管导通占空比。按电流纹波指标设计时，电感l1取值应满足：当开关管导通占空比最小时，电流纹波应小于一定取值（一般取平均电流的10%-30%）。所以下面的公式成立： （公式2-8）由公式2-7可以推导出升压电感取值为：（公式2-9）其中，太阳能池板输出电压最大值； 导通占空比最小值； 输入电流；纹波系数。本论文按照额定输出功率25kw设计，代入数据=700v，=300570v，=55a，=36a，=10khz，=0.150.95，=20%，得到=0.15mh或=0.78mh，从两个计算结果中取较大值，并取1.2倍裕量，最终选择1mh/65a的电感。2.3.2 中间直流电容设计在电压型pwm整流器的主电路参数设计中，中间直流电容的设计十分重要，其主要作用如下：（1）缓冲pwm整流器交流侧与直流侧负载之间的能量交换，稳定直流母线电压；（2）抑制直流母线谐波电压。所以，在设计中间直流电容时，需综合考虑以上两个方面。首先，中间直流电容要能承受pwm整流器直流侧工作时所带来的纹波电流。对于采用svpwm算法的pwm整流器，其直流侧纹波电流有效值约为相电流有效值的55，纹波电压可以取额定值的0.2%，电容值应满足下述关系： （公式2-10）其中，流过电容的纹波电流； a相电流有效值； 电容上的纹波电压； pwm整流器开关管开关频率。其次，在变流器突加负载时，中间直流电压要能满足动态响应性能的要求，即当变流器突加50负载时，在电压环pi调节器调用时间间隔内，中间直流电压最大波动小于倍额定电压，见公式2-11： （公式2-11）其中，额定输出功率。本论文按照额定输出功率25kw设计，代入数据=700v，=38a，=6khz，=25kw，=200，=0.5%，得到396或1023，从两个计算结果中取较大值，并取1.5倍裕量，最终选择1500的电容。2.3.3 交流侧滤波电感设计在电压型pwm整流器主电路设计中，交流侧滤波电感的设计非常重要。交流侧滤波电感的取值不仅会影响电流内环的动、静态响应，而且还制约着pwm整流器的输出功率、功率因数以及直流侧电压。进一步分析研究，交流侧滤波电感的主要作用如下：(1) 隔离电网侧电压与三相桥桥臂侧交流电压。由电压型pwm整流器的矢量图可知，通过对三相桥桥臂侧交流电压幅值、相位的pwm控制，可以实现电网侧单位功率因数控制和pwm整流器的四象限运行； (2) 滤除pwm整流器交流侧谐波电流，从而实现交流侧正弦波电流控制；(3) 使pwm整流器具有boost pwm ac/dc 变换性能；(4) 使pwm整流器获得一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的稳定运行。对于图2-2所示的三相vsr拓扑结构，考虑a相电压方程 （公式2-12）若忽略vsr交流侧电阻r，且令，则上式化简为 （公式2-13）其中，二值逻辑开关函数； a相网侧电压； a相桥臂侧电压。 首先分析满足快速电流跟踪要求时的电感设计。考虑电流过零点处附近一个pwm开关周期中电流跟踪瞬态过程，其波形如图2-5。图2-5电流过零处的一个pwm开关周期电流跟踪波形figure 2-5 current waveform in a pwm period稳定条件下，当时，且 （公式2-14）当时，且 （公式2-15）若满足快速电流跟踪要求，则必须 （公式2-16）综合公式2-14至公式2-16，并考虑，得 （公式2-17）当时候，将取得最大电流变化率，即 （公式2-18）其中，正弦波角频率； 相电流峰值。以下分析抑制谐波电流时电感的设计。考虑电流峰值（）处附近一个pwm开关周期中电流跟踪瞬态过程，其波形如图2-6所示：图2-6电流峰值处的一个pwm开关周期电流跟踪波形figure2-6 current waveform in a pwm period稳定条件下，当时，且 （公式2-19）当时，且 （公式2-20）考虑到电流峰值附近一个电流开关周期中，有，综合公式2-19至公式2-20且考虑有，即得 （）（公式2-21）其中，最大允许谐波电流脉动量。其因此，满足电流瞬态跟踪指标和谐波电流抑制时，三相vsr电感取值范围为： （公式2-21）本论文按照额定输出功率25kw设计，代入数据=700v，=54a，= ，=167，综合考虑计算值，本文选择了1.8mh/50a的电感。第三章 系统控制策略3.1 控制策略电压型pwm整流器在光伏并网系统中的主要作用是稳定直流侧电压和实现交流侧功率因数控制。通常电压型pwm整流器采用双闭环控制，即电压外环和电流内环控制。电压外环的主要作用是控制pwm整流器的直流侧电压，电流内环的主要作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，从而真正意义上实现中间直流电压的稳定控制。3.1.1 pwm整流器的双闭环控制双闭环控制将直流侧电压采样作为反馈，与给定参考电压比较，以比较后得到的误差值作为电压环调节器的输入，输出作为交流侧电流幅度的给定，这是电压控制的基本结构。为了改善电压控制的响应特性，也有的系统采用负载前馈控制。电压控制器的调节算法还是以传统的pi算法居多，也有些采用数字控制器的直接计算方法，取得了较好的效果。图3-1是双闭环控制采用pi控制的结构框图：图3-1 双闭环控制框图figure 3-1 double-loop control drawing如图3-1，电压外环控制中间直流电压，将的给定与反馈（即电压传感器采集的实际值）作差，经外环pi调节器输出作为电流内环的给定，再与电流反馈作差，经内环pi调节器输出，作为整个双闭环系统的最终输出。输出与相电压经坐标转换后的数据进行解耦处理，参与svpwm算法控制。其中，直流电压和参考电压比较经过pi调节器后得到指令电流矢量的幅值，若电压电压参考方向与图2-3相同时，有以下结论：(1) 当运行于整流状态时，电压环pi输出为正，作为指令电流大小；(2) 当运行于逆变状态时，电压环pi输出为负，作为指令电流大小。3.2 控制算法3.2.1 空间矢量脉冲宽度调制（svpwm）空间矢量脉冲宽度调制（space vector pulse width modulation，简称svpwm）控制策略是依据变流器空间电压（电流）矢量切换来控制变流器的一种思路新颖的控制策略。早期由日本学者在20世纪八十年代初针对交流电动机变频驱动而提出的，其主要思路在于抛弃了原有的正弦波脉宽调制（spwm），而是采用逆变器空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率(1k-3khz)条件下，使交流电机获得了较spwm控制更好的性能，主要表现在：svpwm提高了电压型逆变器的电压利用率和电动机的动态响应性能，同时还减小了电动机的转矩脉动等。近年来，空间矢量控制在pwm整流器控制中也获得了广泛的应用，各种新方案、新思路不断涌现，同时svpwm的控制方法也更易于采用微处理器数字实现。本节就svpwm的原理及实现作较为详细的论述。1. svpwm基本原理三相电压空间矢量描述了三相pwm整流器交流侧电压在复平面上的空间分布，即 （公式3-1）其中，三相单极性二值逻辑开关函数。由种开关组合可得相应的三相pwm整流器交流侧的电压值，如表3-1所示。 表3-1 三相pwm整流器的空间电压矢量 table3-1 space vectors of three-phase vsr000000001010011100101110111000从表3-1中可以看出，一种开关组合就对应一个空间矢量，其中、为零矢量，其他开关组合时的、为空间矢量在三相对称坐标（a,b,c）上的投影。通过clark变换将空间矢量从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，用矩阵表示为： （公式3-2）由上述分析，复平面上的空间矢量可表示为： （公式3-3）上式表达为开关形式为： （公式3-4）对于任意给定的三相基波电压瞬时值，若考虑为三相平衡系统，即，则可在复平面内定义电压空间矢量为： （公式3-5）公式3-5表明：如果是角频率为的三相对称正弦波电压，那么矢量的模即相电压的峰值，以角频率按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量在三相坐标系（）上的投影就是对称的三相正弦量。因此，svpwm就是利用三相桥输出的8个电压矢量来合成指令电压矢量，从图3-2中可以看到，8个电压矢量是间断的，而参考电压矢量是连续的，但是如果开关频率足够高，则可以以一个开关周期的平均值为标准来进行等效，这是空间矢量调制的基本原理。图3-2复平面中的基本矢量分布figure 3-2 basic space vectors of vsr2. svpwm的简化算法实现在实际的计算中，指令矢量一般给定为两相静止坐标系下矢量在坐标轴上的分量。通过反正切、正弦函数才能得到夹角的大小以及矢量的作用时间，但这种方法的实现需要大量的快速的运算，对控制器的硬件要求很高。本文采用了一种简化计算的方法，根据指令电压的直接计算空间矢量在各个扇区的作用时间。指令电压矢量在扇区时，如图3-2所示，其中矢量的作用时间可由下式计算： （公式3-6） （公式3-7）令线性调制区指令矢量为电压空间矢量形成的六边形的内切圆，可以推出： （公式3-8） （公式3-9） 图3-3 第二扇区矢量的合成figure 3-3 synthetic method of space vectors in sector ii 指令电压矢量在扇区时，如图3-2所示。由矢量来合成指令矢量，此时矢量作用时间的计算方法同在扇区中有所区别，引入辅助计算量a、b，根据正弦定律可得： （公式3-10） （公式3-11）由图可知，的作用时间可用a、b来表示： （公式3-12） （公式3-13）由公式3-12以及公式3-13可已推出： （公式3-14） （公式3-15）用同样的方法可以计算出其他扇区中矢量的作用时间，计算的结果同扇区、的计算结果类似。3. 空间电压矢量的合成对于零矢量的选择，主要考虑选择或应使开关状态变化尽可能少，以降低开关损耗。在一个开关周期中，设零矢量插入时间为，若其中插入的时间为=，则插入的时间则为=，其中。实际上，对于三相vsr某一给定的电压空间矢量，常有几种合成方法，以下讨论均考虑在vsr空间矢量i区域的合成。(1) 将零矢量或均匀分布在矢量的起、终点上，然后依次由靠近所在扇区的两个电压矢量按三角形方法合成。以指令矢量在第一扇区为例，如图3-4所示：图3-4 空间矢量的合成方法1figure 3-4 synthetic method of space vectors从图中合成的开关波形中看出，在一个开关周期中，上桥臂的功率开关管总共动作4次，但是由于生成的pwm波形不对称，谐波幅值相对较大。(2) 同上一种方法类似，零矢量仍均匀分布在矢量v*的起、终点上。但与上一种方法不同的是，两个有效矢量对称分布。以指令矢量v*在第一扇区为例，如图3-5所示：图3-5 空间矢量的合成方法2 figure 3-5 synthetic method of space vectors从图中的开关波形看出，在一个开关周期中，上桥臂的功率开关管总共动作4次，且波形对称，因此，其谐波幅值比上一种方法有所降低。(3) 在这种合成方法中，一个开关周期中零矢量的作用时间将分为三段，且选择使用了v0,v7作为零矢量，其中矢量v*的起、终点上均匀地分布矢量v0，而在矢量v*的中点处分布矢量v7，且t0=t7。有效矢量的合成同方法（2）类似，两个有效矢量对称分布。以指令矢量v*在第一扇区为例，如图3-6所示：图3-6 空间矢量的合成方法3figure 3-6 synthetic method of space vectors从图中的开关波形看出，在一个开关周期中，上桥臂的功率开关管动作6次，且波形对称。可以看到这种合成方法的谐波幅值更小，但因其一个开关周期中动作次数增多，开关损耗相对增大。综上所述，指令矢量的合成方法有多种，不同的方法各有其优缺点，其中第二种方法较好，该方法的开关损耗较小，谐波含量较少。3.2.2最大功率跟踪（mppt）1. 概述光伏阵列功率输出特性具有非线性特征，受太阳辐照度、环境温度和负载情况影响。在一定的太阳辐射度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率一电压曲线（p-v曲线）的最高点，称之为最大功率点(maximum power point，mpp)。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时检测光伏阵列的输出功率，通过一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况，调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪(maximum power point tracking，mppt)，相应的技术称之为最大功率点跟踪技术。关于此技术，国内外文献提出了多种跟踪算法，可分为自寻优和非自寻优算法两大类型。所谓自寻优算法即不直接检测外界环境因素的变化，而是通过直接测量得到的电信号，判断最大功率点的位置，从而进行追踪。典型的追踪方法包括爬山法(hc)或扰动观测法(p&o)、增量导纳法(inccond)、恒定电压法(cv)或短路电流法(sc)、寄生电容法(pc)和线性电流法(lc)以及基于爬山法或扰动观测法的改进自适应算法；非自寻优算法则是根据外界环境因素(如光照和温度)的变化，利用数学模型或查表方法确定最大功率点，典型的算法为曲线拟合法。2. 太阳能电池等效模型太阳能电池组件其i-v特性与日射强度s和电池板温度t有极大关系，即i=f (v, s, t)。根据电子学理论，太阳能电池的等效数学模型为： （公式3-16）其中：光伏电池输出电流；光生电流；二极管反向饱和电流；电子电荷量(c)；光伏电池输出电压；光伏电池等效串联电阻；常数；玻尔兹曼常数；电池板温度；光伏电池等效并联电阻。其等效电路如图3-7：图3-7 太阳能电池等效电路图3. 太阳能电池的电气特性由以上数学模型及等效电路图可以得到太阳能电池在不同太阳辐射强度s以及不同温度t条件下的iv特性曲线以及pv特性曲线，见下图： 图3-8（a）相同s不同t下的iv曲线 图3-8（b）不同s相同t下的iv曲线图3-8（c）相同s不同t下的pv曲线 图3-8（d）不同s相同t下的pv曲线在实际应用中，太阳能电池板的输出功率受环境影响较大，其中，照射到电池板表面的光照强度s以及电池板表面温度t对输出功率的影响最大。从上图可以看出，相同温度下，光照强度主要影响低压段输出电流以及输出功率最大值，而对最大功率点所对应的电压值几乎无影响；同样，相同光照强度下，温度主要影响高压段输出电流及输出功率，对最大功率点所对应的电压值也有一定影响。4. mppt算法（1）非自寻优算法：该算法根据预先测得的光伏阵列特性曲线，利用曲线拟合法得出能较准确描述阵列特性的数学模型或将曲线以表格的形式存储在微处理器内。工作时，根据测量的温度和辐射强度的信息，利用计算或查表的方法得出光伏阵列的最大功率点。此算法由于需要测量温度和辐照度，增加了系统复杂度，且随着时间推移，光伏阵列特性也会发生一定变化，故此方法在实际中很少采用。（2）自寻优算法：自寻优算法一般包括恒定电压法(cv)或短路电流法(sc)、扰动观测法(p&o)、增量导纳法(inccond)以及基于梯度变步长的导纳增量法、模糊控制等。本文采用的是导纳增量法，下面就这种方法做详细分析： a. 原理：由光伏阵列pv特性可知，光伏阵列的功率电压曲线是单峰值曲线，存在唯一的最大功率点，且在该最大功率点处，功率对电压的导数为零。故基于公式3-16（忽略上流过的电流），可推导出光伏阵列输出电压为： （公式3-17）由公式3-16以及公式3-17可以推出： （公式3-18） （公式3-19）针对上式求导（输出功率对输出电压求导）： （公式3-20）令，有，即在最大功率点处，光伏阵列外电路的导纳增量等于负的等值导纳，这便是导纳增量法的算法原理。通过采样输出电压电流，计算后判断太阳能电池板是否工作在最大功率点处。3.2.3 孤岛检测技术1. 孤岛检测方法防止孤岛效应(anti-islanding)的基本点和关键点是对电网断电的检测。通常在电网的配电开关跳脱时，如果太阳能供电系统的供电量和电网负载需求量不平衡，则市电网路中的电压及频率将会发生较大的变动，此时可以利用电网电压的过(欠)电压保护及过(欠)频率保护来检测电网断电，从而防止孤岛效应。可是当太阳能供电系统的供电量与网路负载需求量平衡或差异很小时，则电网的配电开关跳脱后，并网系统附近市电网路的电压及频率的变动量将不足以被保护电路检测到，还是会产生孤岛效应。虽然出现这种情况的概率并不高，但在光伏并网系统大规模应用的情况下，孤岛效应必须万无一失地得以防止。电网孤岛问题还处在研究阶段，根据文献检索的情况，国外少数国家如美国、澳大利亚的、日本等，已开展了一些这方面的研究，而在国内这方面的研究还比较少。根据国外目前的研究情况，孤岛检测方法总的分为两大类，即被动检测法和主动检测法。被动式检测方法通过监测市电状态，如电压、频率和相位是否偏离正常范围，以此作为孤岛检测依据。被动式检测方法包括：电压频率检测法相位跳变检测法，电压谐波检测法等。主动式检测方法的基本原理是：在并网逆变器的输出中加入较小的电流、频率或相位扰动信号，然后检测线路上检测点的电压、频率或相位。如果并网逆变器仍与主电网相连，不处于孤岛运行状态，在电网的等效无穷大电压源效应下，这些扰动是无法检测出来的；如果并网逆变器已经与主电网断开，处于孤岛运行状态，扰动信号的作用就会在线路上体现。通过同一方向的不断扰动，当输出变化超出规定的门限值时就能检测出孤岛运行状态。主动式检测方法包括：功率扰动法，频率扰动法等。本文采用的是主动频率飘移法(active frequency drift，简称afd)，下面就这种方法做详细分析2. 主动频率飘移法 (active frequency drift，简称afd)如图3-9所示，在主动频率飘移法中，使光伏并网逆变器输出的电流波形不是纯正弦而是稍有变化形，如图3-9所示的波形。在波形前半周的开始部分，电流波形是比电网电压频率略高的正弦波。当光伏逆变器的输出电流达到零，它将保持时间，直到后半周开始。在后半周的开始部分，光伏逆变器输出电流是前半周正弦波的负半部分。当光伏逆变器的电流又达到零时，它将保持为零直到网压上升过零点出现为止。图3-9 频率偏移法中的电流波形fig.3-9 waveform of current in afd method 图3-9中是电网电压的周期，为死区时间，定义： （公式3-20）我们可以假定如图3-9所示的波