1kVA单级式光伏并网逆变器的研制_硕士学位论文.pdf

南京航空航天大学 硕士学位论文 1kva单级式光伏并网逆变器的研制 姓名：孙继健 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：肖岚 2011-01 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 随着能源短缺和环境污染的加剧，可再生能源的开发和利用成为一个越来越受到关注的话 题。太阳能并网发电作为太阳能开发利用的主要方式，渐渐成为一个研究热点。但光伏并网发 电存在几个需要解决的问题：如何保证太阳能电池阵列以最大功率输出；怎样保证并网电流具 有足够的正弦度和满足频率相位要求；使用什么方法可以保证整个系统运行具有较高的效率。 本文以单级式光伏并网逆变器为研究对象， 首先， 详细分析了光伏电池的特性和等效模型， 根据光伏电池的特性介绍了三种常用的最大功率点跟踪方法固定电压法、扰动观察法、电 导增量法的原理，针对传统扰动法带来的跟踪精度和跟踪速度问题以及由于光照剧烈变化带来 的“误判”现象，提出了一种改进式的变步长扰动观察法，算法简单，容易实现高精度的跟踪 并使光伏电池工作在最大功率点附近。 本文还详细分析了光伏并网逆变器的工作原理和控制方式，对比分析了两种单极性 spwm 控制方式的特点，说明了单极性倍频控制下的并网电流具有较小的 thd 以及在过零处可以平 滑过渡，因此本文采用单极性倍频控制。并搭建了逆变器系统的小信号模型，结合双环控制策 略，给出了双环控制系统详细的 pi 参数设计。 最后，本文对整个系统的硬件和软件进行了详细的设计。在设计基础上完成了一台 1kva 的单相单级光伏并网逆变器原理样机，进行相关的实验，实验结果表明，采用改进的变步长扰 动观察法能够较好的实现跟踪精度，对光伏电池的利用率有较大的提高，系统能够以较高质量 的并网电流并入电网，谐波含量、功率因数和效率均能满足指标要求。 关键词：关键词：太阳能，光伏发电，最大功率点跟踪，并网逆变器，pid 控制，正弦脉宽调制， 1kva 单级式光伏并网逆变器的研制 ii abstract with the energy shortage and environmental pollution increase, the development and utilization of renewable energy become a topic of growing concern. the grid-connected photovoltaic power generation that becomes the main way of solar energy exploitation is of hot research gradually. but there are several problems need to be addressed and resolved: ensure the maximum power output of pv(photovoltaic) arrays, ensure the high-quality sine of grid current, ensure the more efficient of the system. in this paper, the research is about the grid-connected pv inverter. firstly, this paper analyzes the characteristics of photovoltaic cells and the equivalent model, according to the characteristics of pv cells, it gives three commonly used methods of maximum power point tracking (constant voltage method, perturbation and observation method, conductance increment method) and their principle. the traditional perturbation method has problems of track speed and track progress and the phenomenon of “misjudgment” that because of the drastic changes light, in order to resolve those problems, an improved method of variable step disturbance observation is proposed, which is realized easily and achieves the mppt quickly. secondly, this paper analyzes the operation principle and control method of grid-connected pv inverter. comparing the characteristics of two unipolar spwm (sinusoidal pulse width modulation) control, it found that under the unipolar double frequency spwm control the grid-connected current is of low thd. the model of the inverter system is established, using the commonly used double-loop control strategy, this paper gives the detailed design of pi parameters. finally, this paper designs the entire system of hardware and software in detail. a 1kva single-stage pv grid-connected inverter has been designed. and the relative experiment results show that the improved variable step disturbance observation can achieve better tracking precision, the utilization of photovoltaic cells has greatly improved, the system can provide a good grid current, and harmonic content, power factor and efficiency can meet the target requirements. key words: solar energy, photovoltaic power generation, maximum power point tracking, grid-connected inverter, pid control, sinusoidal pulse width modulation 1kva 单级式光伏并网逆变器的研制 vi 图表清单 图 1.1 2008 年全球光伏累积安装总量地区分布图.2 图 1.2 2007 年中国光伏系统主要细分市场及份额.4 图 1.3 独立光伏发电系统.4 图 1.4 单级式光伏并网系统框图.6 图 1.5 两级式光伏并网系统框图.6 图 1.6 buck-boost 逆变器结构 6 图 1.7 非隔离半桥 buck-boost 逆变器结构.7 图 1.8 隔离型反激变压器结构.7 图 1.9 隔离型全桥并网逆变器结构.7 图 1.10 两级式并网逆变器结构.8 图 1.11 多级式并网逆变器结构.8 图 2.1 光伏电池的电路模型.12 图 2.2 光伏电池不同光照强度下的 i-u、p-u 曲线.13 图 2.3 光伏电池不同温度下的 i-u、p-u 曲线.13 图 2.4 实际测量的光伏阵列的 i-u 曲线.14 图 2.5 光伏电池板等效模型和光伏阵列功率流动图.15 图 2.6 扰动观察法工作原理图.16 图 2.7 传统扰动观察法程序流程图17 图 2.8 光照变化剧烈时产生“误判”现象的示意图.18 图 2.9 电导增量法工作原理图.19 图 2.10 电导增量法的程序流程图.20 图 2.11 改进的扰动观察法的程序流程图.21 图 2.12 光伏电池模型.22 图 2.13 光伏并网逆变器仿真电路.23 图 2.14 光伏电池输出电压和并网电流对比.25 图 2.15 光伏电池输出功率和功率细节展开图.27 图 3.1 单级式光伏并网系统原理图.29 图 3.2 普通单极性调制原理.30 图 3.3 单极性倍频调制原理.31 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图 3.4 普通单极性和单极性倍频 spwm 控制的规则采样示意图.32 图 3.5 uab的各次谐波对比图 32 图 3.6 进网电流仿真频谱对比图.33 图 3.7 普通单极性过零点控制信号.33 图 3.8 单极性倍频过零点控制信号.34 图 3.9 带 pi 调节器的电流内环控制框图.36 图 3.10 带 pi 调节器的电压外环控制框图.37 图 3.11 模拟的比例积分控制器.38 图 3.12 未加 pi 调节时的系统动态性能.40 图 3.13 加电流调节器后的系统动态性能.40 图 3.14 加电压调节器后的系统动态性能.41 图 4.1 冲量等效原理图.44 图 4.2 信号采样电路原理图.45 图 4.3 电网电压过零点捕获电路原理图.46 图 4.4 输入过欠压和过流保护电路图.47 图 4.5 并网电流过流保护电路图.47 图 4.6 驱动故障保护电路图.48 图 4.7 系统程序控制流程图49 图 5.1 开机缓启动进网电流波形图51 图 5.2 过零点捕获和并网电流输出波形图.52 图 5.3 电路驱动波形图.53 图 5.4 普通单极性与单极性倍频并网波形图.54 表 5.1 不同功率下的 pf 和 thd.54 图 5.5 并网电流波形图.55 表 5.2 系统的工作效率.55 图 5.6 传统扰动法和改进的扰动法比较图.56 表 5.3 传统扰动观察法和改进的扰动观察法的实验.57 图 5.7 两种扰动观察法的实验波形图.57 1kva 单级式光伏并网逆变器的研制 viii 注 释 表 （1）缩略词及其全称 缩写 英文全称 中文名称 ac alternating current 交流 a/d analog/digital 模拟/数字 bipv building integrated pv 光伏建筑一体化 bp britain petrol 英国石油公司 cpld complex programmable logic device 复杂可编程逻辑器件 dc direct current 直流 dsp digital signal processor 数字信号处理器 jrc joint research center 联合研究中心 led light emitting diode 发光二极管 mpp maximum power point 最大功率点 mppt maximum power point tracking 最大功率点跟踪 pf power factor 功率因数 pid proportionalintegralderivative 比例-积分-微分 pll phase-locked loop 锁相环 pv cell photovoltaic cell 光伏电池 pwm pulse width modulation 脉冲宽度调制 thd total harmonic distortion 总谐波失真度 ttl transistor-transistor logic 晶体管-晶体管逻辑 spwm sine pulse width modulation 正弦脉宽调制 svpwm space vector pulse width modulation 空间矢量脉宽调制 南京航空航天大学硕士学位论文 ix （2）基本符号及其说明 iph 光生电流 rs 串联电阻 rsh 旁路电阻 uoc 光伏电池开路电压 ump 光伏电池最大功率点电压 isc 光伏电池短路电流 pmax 光伏电池最大功率点功率 imp 光伏电池最大功率点电流 pz 负载功率 upv 光伏阵列的输出电压 r1 光伏阵列的内部等效电阻 z 负载阻抗 upv 当前光伏阵列输出电压 ipv 当前光伏阵列输出电流 p1 当前光伏阵列输出功率 p0 上一次光伏阵列输出功率 u0 上次光伏阵列输出电压 step 光伏阵列输出电压步长 ur 给定电压基准 ugm 电网电压峰值 ug 电网电压 ig 并网电流 udc 直流母线电压 ul 电感两端电压 igm 并网电流峰值 c 直流母线电容 kpa 模拟比例系数 l 输出滤波电感 kpd 模拟微分系数 kia 模拟积分系数 kp 数字比例系数 tia 模拟积分时间常数 kd 数字微分系数 ki 数字积分系数 ts 数字采样周期 ti 数字积分时间常数 i 并网逆变器输出电流 uab 逆变器桥臂输出电压 s 开关函数 sav 开关函数平均值 usin 正弦波调制信号 utri 三角载波信号的最大值 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许 论文被查阅和借阅， 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 光伏发电的背景 能源是国家经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础1。随着经济全球化进程的不断 加速和世界工业经济的迅猛发展，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭、石油和天然气三 大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机。依据bp 世界能源统计 2010的报告显 示23，截至 2009 年底全球石油探明储量达 13331 亿桶，其中包括了处于积极开发阶段的加拿 大油砂储量和由委内瑞拉政府上调的本国官方储量。以 2009 年的开采速度计算，石油可开采 45.7 年，天然气可开采 62.8 年，煤炭可开采 119 年23，寻找新型能源和可替代能源迫在眉睫。 同时，由于化石能源的燃烧产生了大量的二氧化碳、二氧化硫和烟尘气体等有害气体和物质， 造成“酸雨现象”和“温室效应”。 “酸雨现象”导致大面积的森林死亡， 生态环境遭到严重破坏；“温 室效应”已经造成极为严重的大气污染，冰川融化5。因而，如何解决好能源、环境与发展之 间的关系已成为全球的热点问题， 也只有解决了这一难题， 才能实现经济和社会的可持续发展， 造福人类。 人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发和利用绿色的 可再生能源。相对于其他的绿色能源，太阳能资源以其分布广泛、取之不尽用之不竭、可再生、 无污染等特点成为公认的理想能源。 太阳能资源的利用方式有很多， 主要有以下几个方面： (1)光热作用， 将太阳能转化为热能， 如太阳能热水器、太阳能温室等； (2)光生物作用，利用光合作用来实现太阳能到生物能的转 换；(3)太阳能发电，利用太阳辐射产生的热能发电、利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换 为电能。随着全球范围内传统能源的逐渐枯竭以及经济、社会发展对能源的需求，太阳能光伏 并网发电的商业化已是大势所趋。太阳能发电只有进入电力系统大规模地应用，才能真正对缓 解能源紧张和抑制环境污染起到积极作用，因此大力发展光伏并网发电是必然趋势。 1.2 国内外光伏发电的现状与前景 光伏发电是太阳能直接应用的一种形式。作为一种与环境友好并能有效提高生活标准的新 型发电方式， 光伏发电技术正在全球范围内逐步得到应用。 据欧洲光伏产业协会统计数据可知， 20 世纪 90 年代，光伏并网发电的容量逐年的扩大4。进入 21 世纪后，全球的光伏并网发电的 年度并网容量更是迅猛增长，据统计，2000 年时年度并网容量为 287mw，2008 年时年度并网 容量为 12.95gw。根据欧洲 jrc（联合研究中心）的预测，截至 2030 年，在世界能源结构中， 有 30%以上的份额将会由可再生能源占据，而在世界电力的供应总量中，有 10%以上的份额将 1kva 单级式光伏并网逆变器的研制 2 会由光伏发电占据；截至 2040 年，在世界能源的消费总量中，50%以上会由可再生能源占据， 而世界电力供应总量中的 20%以上的份额将会由光伏发电占据；到了 21 世纪末期，世界所有 的能源结构中的 80以上的份额将会由可再生能源占据， 而世界电力供应总量中的 60以上的 份额将会由光伏发电占据。 1.2.1 国外光伏并网发电的现状和前景 20 世纪 70 年代以来，由于使用传统能源所带来的环境污染和传统能源储量的有限性，世 界范围内很多国家都开始热衷开发绿色环保的太阳能及其它新能源替代传统能源。国外发达国 家首先制定了一系列的政策，投入大量的人力物力，积极鼓励和支持光伏并网发电的研究。在 全球范围内掀起了光伏并网发电系统的研发热潮。 图 1.1 2008 年全球光伏累积安装总量地区分布图 图 1.1 为 2008 年世界各地光伏安装总量所占比例，由图可知，欧洲、日本、美国的光伏安 装量占据很大的比例。在进行光伏并网发电方面的研究上，美国起步较早5。美国首先在 80 年 代初期实施了 pvusa(pv utility scale application)计划，并在 1996 年提出了光伏建筑计划 （pv-bonus） 。在“京都议定书”的推动下，1997 年 6 月 26 日联合国环境发展会议上，美国又 提出了“百万太阳能屋顶计划”。 在 2009 年美国国会又延长了可再生能源发电补贴政策的执行时 间，使其发电上网退税政策得以延续，进而使得发电市场得到了法律上的可靠保障。在 2010 年 7 月下旬美国又通过了“千万太阳能屋顶计划”，这将会引发全球光伏市场激增。 日本相对于其他国家，其本国内的资源短缺情况非常严重，因此日本对开发新能源十分重 视。它在 1994 年提出了“朝日七年计划”，计划到 2000 年推广 16.2 万套太阳能屋顶住房，总功 率达到 185mw，目前已完成；其于 1997 年又宣布“七万屋顶计划”，计划到 2010 年光伏屋顶系 统安装总容量达到 7600mw。 在这个光伏企业衍生不断的时代，德国成为了全球最受关注的光伏产业市场，该产业在德 国具有极高的社会政治认可度和稳定的政策环境67。德国在光伏发电研究和利用上，也取得 南京航空航天大学硕士学位论文 3 了很大的成果。1990 年德国提出了由政府财政补贴支持的“一千个光伏屋顶计划”，同时制定了 “可再生能源电力供应法”，极大地刺激了光伏发电市场；1998 年，德国又提出了“十万屋顶计 划”，这一计划于 2004 年成功完成；截至 2008 年底，德国的可再生能源比例占总能源供应比例 已由 2007 年的 14.1%提升到 15%。在 2009 年 3 月 1 日，德国新出台的关于可再生能源用于 取暖市场的措施的促进方针正式生效，此政策将通过促进投资，扩大可再生能源技术在取暖 市场中的份额，并由此降低使用可再生能源的费用和加强可再生能源的经济应用性。德国在光 伏发电方面已经取得了不错的成果，如有“德国太阳能之都”美誉的德国小镇弗赖堡，建有不少 能围绕太阳转动，有效收集能量的太阳能屋顶；2009 年，德国在沃夫斯堡建成的 3.3mw 的光 伏电站已经投入运营，这也是光伏并网成熟应用的典型代表。 1.2.2 国内光伏并网发电的现状和前景 我国正处于经济快速发展时期，由此带来的能源消耗也是巨大的，因大量燃烧化石能源所 带来的能源短缺和环境污染等问题也日益严峻。我国对新能源的研究和开发越来越重视。 我国从 1958 年开始研制太阳能电池8，经过四十多年的发展，我国的光伏技术已经有了一 定的基础，但总体仍明显弱于国外发达国家。进入九十年代以来，国家加大了对光伏产业的投 入。国家科技部在“八五”和“九五”期间把“屋顶光伏并网发电计划”纳入了“国家科技攻关计 划”,“十五”计划也提出了要降低光伏电池开发成本，提高系统效率，推广小功率光伏系统和集 中型和分散型百万级并网光伏电站4。 “十一五”科技攻关计划则开展了关于兆瓦级大型光伏并 网发电系统的研究，并取得了很大的成绩。如首都博物馆的 300kw 屋顶并网光伏系统，中科 院电工研究所于2004年在深圳国际园林花卉博览园安装的发电总装机容量达到1兆瓦的光伏并 网发电系统，上海崇明装机总量为 1.046mw 的兆瓦级太阳能光伏电站。尚德研发中心大楼的 1mw 光伏建筑一体化（bipv）光伏电站，该项目在 2010 年 2 月正式开工投建，这是迄今为止 全国最大的光伏玻璃幕墙工程。 但是中国的光伏发电市场才刚刚进入起步阶段，2008 年中国光伏发电新装容量为 45mw， 占全球需求的比重不到 1%，远远落后为欧美日等光伏市场大国，截至 2008 年末中国光伏累积 装机容量为 145mw，相对于 8 亿 kw 的总电力装机容量而言，几乎可以忽略不计。 从图 1.2 可以看出,中国的光伏系统主要应用在特殊和边远地区、太阳能光伏产品、通信和 工业应用，光伏并网发电的应用比例低下，中国的光伏系统应用仍然是以独立系统为主，中国 光伏并网应用还处在初期阶段。 1kva 单级式光伏并网逆变器的研制 4 图 1.2 2007 年中国光伏系统主要细分市场及份额 1.3 光伏并网发电技术概述 光伏发电系统按是否与电网相连，可以划分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两种 类型59。独立光伏发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路而并不与电网连接的独立运 行的系统。独立光伏发电系统中的光伏电池阵列一般首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换 成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池里。这类系统 一般通常建设在远离大电网、偏远的山区、人口分散的地区等不方便架设电网的地方。并网光 伏发电系统是与电网通过一定的标准相连接的一类发电系统。并网光伏发电系统是通过光伏电 池阵列将接收来的太阳辐射能量转换为直流电能，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同 频、同相的正弦交流电流。 1.3.1 独立光伏发电系统 光伏电池阵列光伏电池阵列控制器控制器 蓄电池蓄电池 逆变器逆变器ac负载负载 dc负载负载 图 1.3 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统不与电网之间发生任何电气连接，本质上是一个单独的小型发电站，属 于独立运行的发电系统。独立光伏发电系统主要由以下几部分构成：光伏电池阵列、控制器、 蓄电池等储能设备、逆变器和用电设备。如图 1.3 所示。其中光伏电池阵列用来接收太阳能并 南京航空航天大学硕士学位论文 5 将其转换为电能，发出的电能经防反二极管与逆变器连接，将直流电转换为用电设备所需要的 交流电提供给设备使用，多余的电能可通过控制器向蓄电池充电进行存储，独立光伏发电系统 也可以将光伏电池阵列产生的电能经过控制器变换后直接给直流负载进行供电。 独立光伏发电系统能够独立构成供电系统而与电网没有关联，构成系统的功率范围从几毫 瓦到几千瓦不等。小到一个用太阳能供电的计算器，手电筒，led 照明灯大到几兆瓦的户用光 伏屋顶供电，都是采用的独立光伏并网技术。一般独立光伏发电系统会受到光照有无的影响而 影响系统的工作，为了保证在光照较弱或者没有光照的情况下用电设备还能正常工作，一般独 立光伏发电系统都会带有储能装置，如蓄电池、超级电容等。 1.3.2 光伏并网发电系统 光伏并网发电系统通过光伏电池阵列将太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能环节，直接 通过并网逆变器将电能输送到电网上。它在本质上和其它类型的发电站是一样的，都是将电能 提供给整个电力系统的装置。系统主要由光伏电池阵列、逆变器和控制器组成，光伏电池阵列 将太阳能转换为电能， 逆变器将光伏电池阵列送出的直流电能变换为正弦交流电能并入电网中， 控制器主要控制光伏电池阵列的最大功率点跟踪、逆变器并网电流的波形，使光伏发电系统可 以稳定的向电网输送功率，且保证并入电网的电流不产生谐波污染1011。 光伏并网发电系统具有独立运行的光伏发电系统所不具备的诸多优势。首先，光伏并网发 电系统所发出的电能是输送到电网的， 即将电网作为系统的储能装置， 从而省去了蓄电池环节。 这样做可以使并网发电系统的建造成本比独立光伏发电系统降低很多。其次，蓄电池在存储和 释放电能的过程中都会伴随着能量的损失，而且，蓄电池的使用寿命通常仅为 58 年，而报废 的蓄电池将会对环境造成污染。而省去了蓄电池后的光伏系统则可以很好的解决这个问题，使 系统更加具有良好的环保性能，符合经济社会可持续发展战略。再其次，由于以电网作为储能 装置，在光伏电池工作过程中，就可以不考虑与负载功率匹配的问题，光伏电池阵列可以一直 工作在最大功率点附近，大大提高了光伏电池阵列的利用效率，有利于节约成本。最后，光伏 并网发电系统可以就近就地分散供电，进入和退出电网灵活，减少了电能传输过程中的损耗， 有利于增强电力系统抵御灾害和损害的能力，有利于改善电力系统间的负荷平衡问题。 光伏并网发电系统的核心是并网逆变器。对于并网逆变器的研究可以分为拓扑结构的研究 和控制方法的研究。并网逆变器，按照功率等级，可以将其划分为两类：单级式和多级式（以 两级式为主）光伏并网系统1213。所谓单级式系统（如图 1.4 所示） ，是指整个光伏发电系统 仅使用一级功率变换环节完成光伏电池的最大功率点跟踪控制及 dc/ac 逆变功能。它具有结 构简单，元器件少，逆变效率高，成本较少等优点。所谓多级式系统（如图 1.5 所示） ，是指系 1kva 单级式光伏并网逆变器的研制 6 统中存在单独的功率变换环节来分别实现最大功率点跟踪控制和并网逆变。这种系统的控制灵 活，控制目的明确，降低了系统控制的复杂度。 光伏电池阵列光伏电池阵列 电网电网 c dcac 图 1.4 单级式光伏并网系统框图 光伏电池阵列光伏电池阵列 电网电网ccbdcdc dcac 图 1.5 两级式光伏并网系统框图 并网逆变器作为太阳能电池阵列与电网间进行能量变换的中间环节，其拓扑结构和控制策 略的选择会影响整个系统的效率和成本，是影响系统经济可靠运行的关键因素，因此，根据应 用场合选择合适电路拓扑和控制方法对提高系统效率和降低成本有着极其重要的意义。 1.3.2.1并网逆变器电路拓扑的研究现状 在单级式和多级式结构中，一般 dc/dc 环节采用的是 boost 电路、buck 电路、buck-boost 电路、cuk 电路等，用来实现把光伏阵列输出电压变换成能够满足储能系统和逆变器要求的电 压等级，实现光伏电池阵列输出功率的最大功率点跟踪，dc/ac 环节一般采用的是全桥、半桥 型逆变器，用来实现稳压和逆变并网，将直流电转换为与交流电网相匹配的交流电。 sp1 sp2 sn1 sn2 d1 d0l0 l1 l2 c1 c0 _ + upv ug 图 1.6 buck-boost 逆变器结构 图1.6所示是单级式结构50。此拓扑在电网电压的正半周期时功率管sp1高频工作，sp2保持 南京航空航天大学硕士学位论文 7 通态，当电网电压负半周期时，功率管sn1高频工作，sn2保持通态，这样就可以达到逆变并网的 目的。由于其同时工作的功率管较少，故该拓扑具有开关损耗低，emi较小等优点。 _ + _ + s2 s4 s3 cpvcf lf l l s1 d0 d1 cpv ugupv upv 图 1.7 非隔离半桥 buck-boost 逆变器结构 图1.7所示结构中，其将输入端的光伏电源分为两部分，分别为两组buck-boost电路供电， 两组buck-boost电路交替工作，每次工作半个工频周期，它消除了在电网电压正、负半周期内 工作不对称的缺点。且由于每半个工频周期内高频工作的开关管只有两个，故其具有开关损耗 低，emi较小等优点，但是该拓扑结构存在光伏电池模块利用率低的缺点。 _ + s1 * * * s3 s2 l l ug upv cpv cf lfd0 d1 图 1.8 隔离型反激变压器结构 图1.8所示拓扑为反激变压器拓扑结构。 它是由一个开关管和中心抽头变压器组成了反激变 换器，变压器的两个输出端各经过一个二极管和开关管连接到电网，最终实现正弦电流输出。 这种结构实现了光伏阵列和电网间的电气隔离，但受反激变压器初级电感量的限制，该拓扑只 适用于功率小于500w的并网系统。 _ + 1:n ug upv lf s1 s2 c1 s3 s4 图 1.9 隔离型全桥并网逆变器结构 1kva 单级式光伏并网逆变器的研制 8 图 1.9 所示为隔离型的全桥并网逆变器结构。此种结构是目前最常用的逆变器结构15。它首 先通过 dc/ac 逆变电路将光伏电池输出的直流电能转换为交流电能，然后经过工频变压器和 电网相连，完成电压匹配和实现并网。其中的工频变压器起到隔离和变换电压的作用，电路简 单，只有一级变换，效率较高。但由于采用了工频变压器体积大，成本较高。 _ + s1s2 s3s4 c2s5 _ + l1 (a)(b) ug ug upv upv lf cf l1 d1 d1 c1 c1 d2 c2d3 s1 s2 s3 l2 s4 s5 s6 图 1.10 两级式并网逆变器结构 图1.10(a)中前级boost电路实现升压和稳压功能，同时进行mppt控制，后级通过全桥电路 实现正弦波电流并网；图1.10(b)中前级采用buck-boost电路，后级同样采用全桥电路实现并网 51。两种电路相比较，显然图1.10(b)的输入电压范围更宽。 _ + s1s3 s2s4 s5s7 s6s8 d2 d3 d4 1:n ug upv lf cf d1 c1 图 1.11 多级式并网逆变器结构 图1.11所示为多级式电路拓扑，前级是dc/ac/dc，是由全桥逆变器，高频变压器和整流器 组成，光伏电池输出的直流电压经过斩波升压和高频整流后成为高频高压直流电，后级经过全 桥逆变电路将直流电变为与电网匹配的交流电。由于该拓扑经多级变换，控制回路复杂，且前 级的开关管工作频率很高，从而导致损耗较大，且此拓扑成本较高，适用于大功率场合。 1.3.2.2并网逆变器控制策略的研究现状 对于光伏并网逆变器的控制策略，有很多控制方法，如滞环控制、spwm跟踪控制、空间 矢量pwm控制(svpwm控制)、无差拍控制和重复控制等14-15。 滞环控制技术是指将参考信号（电流或电压）与逆变器输出信号（电流或电压）的误差经 南京航空航天大学硕士学位论文 9 过滞环比较器后控制逆变器的工作。它具有实时控制、响应速度快、输出电压（电流）波形不 含某些特定次谐波等优点，但是由于功率器件的开关频率不固定，从而使系统滤波器的设计变 得困难。 spwm控制技术的特点是功率器件具有固定的开关频率，易于滤波器的设计。但此方法的 跟踪特性和pi参数有关，对于pi电路响应快的系统，必须提高三角波载波频率，以改善输出波 形。 这种方式输出波形的谐波比滞环比较方式少， 因此常用于对于谐波和噪声要求较高的地方。 svpwm控制策略是根据逆变器空间电压(电流)的矢量切换来控制逆变器运行的一种控制 策略，在功率器件开关频率不高的情况下，使用svpwm控制方式能够输出较好质量的正弦波 形，并能提高直流电压的使用效率。此种控制方法多用于三相并网逆变器的控制策略中。 无差拍控制是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法，是一种全数字的控制方法。 它的基本思想就是逆变器功率开关器件下一个开关周期的占空比是根据上一周期的逆变器指令 信号(输出电压或电流)和当前的实际反馈信号值来确定的。无差拍控制具有瞬时响应速度快、 对负载变化有很强的适应能力、thd小等优点，在逆变器控制中应用的也很广泛。 重复控制技术是一种基于内模原理的控制方法，它的基本思想是把作用于系统外部的信号 模型植入系统控制器内部以构成高精度的反馈控制。重复控制能够消除周期性干扰产生的稳态 误差，但是其动态响应慢。在很多应用中，常将重复控制与其它控制方法相结合，形成复合控 制，从而改善系统输出。 1.4 本文所做的主要工作 在能源需求急剧增加而化石能源日益紧张的背景下，太阳能作为一种取之不尽、无污染的 可再生能源己成为当今公认的绿色能源， 它也必将是 21 世纪最重要的能源之一。 因此对光伏发 电系统的研究设计无疑具有极大应用价值和现实意义。 本文的主要工作内容包括以下五个部分: （1）第一章主要论述了光伏并网发电的必要性，以及国内外光伏并网发电的现状，分析了 光伏并网发电技术现状和发展趋势，并阐述了逆变器的电路拓扑和控制策略的研究现状，最后 给出本文的主要工作。 （2）第二章给出了光伏电池模型，介绍了光伏电池的特性。然后介绍了几种光伏电池的最 大功率跟踪的方法，详细分析了这些方法的优缺点，在此基础上提出了一种改进型的变步长的 扰动观察法，并通过仿真与传统扰动观察法进行了对比分析。 （3） 第三章介绍了逆变器的工作原理与拓扑选择， 通过对比分析给出了本文设计的并网逆 变器的总体控制方式。 对单相并网逆变器进行了小信号建模， 详细设计了电流内环和电压外环， 并在此基础上设计了数字 pi 调节器。 1kva 单级式光伏并网逆变器的研制 10 （4） 第四章首先介绍了光伏并网逆变器的主要设计指标， 然后分别给出了系统主功率电路， 控制和保护电路的硬件设计，并详细介绍了系统软件的设计流程。 （5）第五章对系统主电路和控制板进行了详细的调试实验，给出了系统的驱动信号波形、 捕获波形和缓启动波形，给出了光伏最大功率点跟踪的实验波形和并网逆变系统的实验波形， 实验结果表明，采用改进的变步长扰动观察法能够较好的实现跟踪精度，系统能够以较高质量 的并网电流并入电网，谐波含量、功率因数和效率均能满足指标要求。 （6）对本文的研究工作进行了总结和展望。 南京航空航天大学硕士学位论文 11 第二章 光伏电池特性及其最大功率点跟踪技术的研究 光伏发电系统一般由光伏电池阵列、逆变器、滤波器三部分组成。并网发电的功率主要决 定于逆变器输入功率的多少和逆变器系统的效率。逆变器的输入功率是由光伏电池板组成的光 伏阵列提供的。能否充分发挥光伏阵列的效用对整个光伏发电系统具有重要的影响。而光伏电 池阵列提供的功率是随着光照强度、环境温度的变化而变化的，且光伏电池阵列所能提供的功 率也会随着本身所带负载的变化而变化，只有当外部负载和光伏电池阵列内部负载达到负载匹 配时， 才会输出最大功率， 即光伏电池的输出功率存在一个最大功率点 （maximum power point， 简称 mpp） 。 为了充分发挥光伏电池阵列在光伏并网发电系统中的作用，就需要使光伏电池阵列在不同 的光照强度、环境温度等条件下，均能工作在最大功率点处，使光伏电池阵列得到充分利用。 而使光伏电池阵列能够时刻工作在最大功率点附近的方法， 即被称为最大功率点跟踪(maximum power point tracking，简称 mppt)方法。 2.1 光伏电池特性 2.1.1 光伏电池的工作原理 光伏电池是利用光生伏打效应将光能转换为电能从而对外输送能量的器件。所谓的光生伏 打效应就是指当物体吸收光能后，其内部传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化从而产生 电流和电动势的效应16。 光伏电池是以半导体 pn 结处接受太阳光照从而产生光伏效应为基础， 将光能转化为电能的。其具体的工作原理是当太阳光线照射在半导体内的 pn 结上时，在半导 体吸收光能后，半导体内的原子由于获得了光能而释放出电子空穴对，在 pn 结的内建电场 的作用下，电子空穴对发生漂移运动而分离，空穴向 p 型区运动，电子向 n 型区运动，从而 导致 p 型区存在过剩的空穴，n 型区存在过剩的电子，在 pn 结的附近形成了与内建电场方向 相反的光生电场。光生电场的其中一部分用来抵消 pn 结的内建电场，而其余部分则使得 p 型 区带正电，n 型区带负电，从而产生了光生电压，这个电压的方向使 pn 结正向偏置。如果将 负载与 pn 结相连，光生电压就可以在负载回路内产生电流，从而向负载输出一定的功率，这 样光伏电池就把太阳能转换成了电能向外发送。 2.1.2 光伏电池的等效模型与输出特性 光伏电池的单个单元产生的电压和电流都是有限的，一般不单独作为电源使用。在具体应 用中，通常将光伏电池单元进行一定的串并联组合，构成光伏电池阵列来满足实际系统的电压 1kva 单级式光伏并网逆变器的研制 12 或者电流输入要求。 太阳能电池的工作情况可以用图 2.1 所示的等效电路图来表示17-18。光伏电池相当于一个 电流为 iph的恒流源与一个二极管并联。 图中的 iph为光生电流。 rs为串联电阻，rsh为旁路电阻。 实际上希望 rs尽可能小，而 rsh尽可能的大。电路根据基尔霍夫电流定律（kcl）可列方程如 下： phdsh iiii= (2-1) 其中： ()/ (1) s q ur iakt ds ii e + = (2-2) s sh sh uir i r + = (2-3) 即式（2-1）可写为： ()/ (1) s q ur iakt s phs sh uir iii e r + + = (2-4) 式（2-4）中 iph：光生电流；i：光伏电池输出电流；u：光伏电池输出电压；is：二极管反 向饱和电流；q：电子电荷（1.61019c） ；k：玻尔兹曼常数（1.3810-23j/k） ；t：热力学温度， 即绝对温度（300k） ；a：光伏电池中半导体器件的 p-n 结系数(a=15)。 由式（2-4）可以发现这是一个超越方程，是非线性的，且光照强度和环境温度对光伏电池 输出电流的函数有很大的影响。 iphidish i u rs rsh d 图 2.1 光伏电池的电路模型 2.1.3温度与光照对光伏电池特性的影响 为了更好地研究温度和光照强度对光伏电池输出特性的影响， 根据 （2-4） 式画出光照不同， 温度相同情况下和光照相同，温度不同情况下光伏电池的 i-u 曲线、p-u 曲线。 南京航空航天大学硕士学位论文 13 p(w) 1000w/m2 800w/m2 600w/m2 400w/m2 u(v) i(a) 1000w/m2 400w/m2 600w/m2 800w/m2 (a)i-u曲线曲线(b)p-u曲线曲线u(v) 图 2.2 光伏电池不同光照强度下的 i-u、p-u 曲线 (a)i-u曲线曲线(b)p-u曲线曲线 图 2.3 光伏电池不同温度下的 i-u、p-u 曲线 由图 2.2 和图 2.3 可以发现，当温度相同，光强不同时，随着光照强度的增强，光伏电池的 开路电压逐渐增加，短路电流也逐渐增加；同时由功率电压曲线图可以发现，随着光照强度的 增强，光伏电池输出的最大功率是随着光照强度的增强而增大，最大功率点处的电压基本变化 不大；当温度不同，光强相同时，随着温度的增加，光伏电池的短路电流变化幅度很小，开路 电压随着温度的增加有较大幅度的减小；同时由功率电压曲线可以发现，随着温度的增加，光 伏电池输出的最大功率是随着温度的增加而减小的，且最大功率点处的电压变化明显。 在本系统中，光伏电池阵列采用的是由无锡尚德公司生产的 25 个单晶硅光伏电池组件(规 格型号：stp20s-cb-dec)串联组成的光伏电池阵列。其单块光伏电池板的具体参数如下： ump=17.6v，imp=1.14a，isc=1.26a，uoc=21.7v，pmax=20w 其中 ump：在标准的光照强度和环境温度下的光伏电池工作于最大功率点时的电压；imp： 在标准的光照强度和环境温度下的光伏电池工作于最大功率点时的电流；isc：在标准的光照强 度和环境温度下的光伏电池短路时的电流；uoc：在标准的光照强度和环境温度下的光伏电池开 路时的电压；pmax：在标准的光照强度和环境温度下的光伏电池工作于最大功率点时的功率。 图 2.4 是在温度变化缓慢，光照变化明显时测试的光伏电池阵列的 i-u 曲线。 1kva 单级式光伏并网逆变器的研制 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0100200300400500600 i(a) u(v) 2 1 3 4 1: 下午下午4：00 2：下午：下午3：00 3：下午：下午2：00 4：上午：上午11：30 图 2.4 实际测量的光伏阵列的 i-u 曲线 由上图 2.4 可以看出，随着光强的增强，光伏阵列的短路电流是增大的，温度的变化对光 伏阵列的开路电压有一定的影响。与理论分析是一致的。 2.2 光伏电池的最大功率点跟踪控制方法的研究 2.2.1光伏电池最大功率点跟踪的几种方法 通过 2.1 节对光伏电池特性的研究可以发现，光伏电池的功率电压特性是随着环境温度和 光照强度等的变化而变化的，而且在某特定的光照强度和环境温度下，光伏电池的输出功率也 不是固定的，而是在一条曲线上变化。观察图 2.2(b)与 2.3(b)可以得知，在某些特定的电压和电 流情况下，光伏电池的输出功率会达到最大。为了能够充分地利用太阳能进行光伏并网发电， 在同样的系统建造成本下使光伏电池阵列达到最大功率的输出，人们对光伏电池最大功率点的 跟踪方法进行了一系列的研究19-29，例如：固定电压法、扰动观察法、电导增量法、间歇扫描 法、神经网络法、模糊逻辑控制等方法。其中应用最广泛、最常用的三种 mppt 方法是固定电 压法、扰动观察法、电导增量法。 2.2.2 最大功率点跟踪算法的基本原理 由于光伏电池的输出功率是不确定的，为了找到光伏电池输出最大功率时的电压与电流， 需要采用最大功率点跟踪。 最大功率点跟踪主要是基于光伏电池板的基本特性： 在电压较小时， 电压变化较大范围内，光伏电