（信号与信息处理专业论文）单相5kw光伏并网逆变器硬件电路设计.pdf

摘要 摘要 f 删堋f j f f f f f j f i f f 删肼f f y 2114 6 5 5 随着人类社会发展，人类对能源的渴求不断增加，能源短缺问题成为制约 人类社会发展的关键因素。在化石能源的枯竭、环境污染日益严重的今天，寻找 新能源已经成为世界各国优先发展的重点，而光伏发电以其建设周期短、无污染、 无噪声等优点成为世界各国新能源开发的热点，光伏并网发电已经成为能源利用 的新趋势。 基于光伏发电的诸多优点，在总结吸收前人光伏并网逆变器的设计经验基础 上，采用了基于平均功率的变步长最大功率点算法，增加逆变器电能转换效率、 采用s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 调制方式，最大减小功率管导通 和关闭产生的谐波，在此基础上对基于s p w m 电流环比例调节控制方式和 p i ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a l ) 调节控制方式的仿真和分析，采用基于直流侧电压控制电 流的控制方式增加逆变器系统的稳定性。 根据逆变器系统采用的控制算法，逆变器硬件电路设计可分为控制板、采 样板和功率板三个部分。其中功率板电路设计是重点和难点，功率板给出了详细 的直流滤波器电路、交流滤波器电路和各种采样电路详细设计；控制板中m c u 选择t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心及其构成外围电路，实现对系统 稳定性和精确性的控制；采样板给出辅助电源设计电路参数。 开发了5 k w 单相光伏并网逆变器的实验样机。在这个实验样机上进行一系 列的实验。在调试中，不断通过改进系统的控制方式和功率板中滤波器电路，最 终达到理想结果。 。 关键词：光伏并网；最大功率点算法；逆变器 单相5 k w 光伏并嘲逆变器电路设计 a b s l r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e t y , p e o p l e sd e m a n df o re n e r g yi s i n c r e a s i n g w h i l et h es h o r t a g eo fe n e r g yt u r n so u tt ob et h ek e yf a c t o rt h a tr e s t r i c t st h e d e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y t h ed r y i n gu po ff o s s i le n e r g ys o u r c e sa n dt h ew o r s e no f t h ee n v i r o n m e n td u et op o l l u t i o nm a k et h es e a r c h i n go fn e we n e r g ys o u r c e st h ef o c u s o fd e v e l o p m e n ti na l lt h ec o u n t r i e sn o w a d a y s a m o n gt h o s en e we n e r g ys o u r c e s ，t h e p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o na t t r a c t s ag r e a td e a lo fa t t e n t i o nf o ri t ss t r o n gp o i n t s l i k et h es h o r tc o n s t r u c t i o nt e r m ，n op o l l u t i o n ，n on o i s ea n ds oo n t h ep h o t o v o l t a i c p o w e rg e n e r a t i o n h a sn o wb e c o m ean e wt r e n do fe n e r g ya p p l i c a t i o n b a s e do nt h ea d v a n t a g e so ft h ep h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n ，a n dt h ep r e v i o u s e x p e r i e n c e so ft h ed e s i g no fp h o t o v o l t a i c 鲥d c o n n e c t e di n v e r t e r , d e v e l o p m e n to fa p h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e di n v e r t e rp r o t o t y p ew i t ht h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fg e t t i n g t h em a x i m u mp o w e ro ft h ev a r i a b l es t e pl e n g t hb a s e do nt h ea v e r a g ep o w e r t h e p o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h ei n v e r t e rw i l l b ei n c r e a s e da n dt h eo v e r t o n e p r o d u c e db yt h eo na n do f fo ft h ep o w e rt u b ew i l lb er e d u c e db ym a x i m u mt h r o u g h t h es p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) m o d u l a t i o n a f t e rt h a t ，e m u l a t i o n a n da n a l y s i st ot h ea d j u s ta n dc o n t r o lo fl o o pp i ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a l ) a n dc o n t r o lo f l o o pp r o p o r t i o n a lb a s e do nt h es p w m ，t h a nc h o o s ed cs i d ev o l t a g ec o n t r o lc u r r e n t w h i c hw i l lh e l pt oe n h a n c et h es t a b i l i t yo ft h ei n v e r t e rs y s t e m c o n s i d e r i n gt h ec o n t r o lm e t h o do ft h ei n v e r t e rs y s t e m ，t h ei n v e r t e r h a r d w a r e c i r c u i td e s i g nc a nb ed i v i d e di n t oc o n t r o lb o a r d ，s a m p l i n gb o a r da n dp o w e rb o a r d ， a m o n gw h i c ht h ec i r c u i td e s i g n o ft h ep o w e rb o a r di so fg r e a ti m p o r t a n c ea n d d i f f i c u l t y t h ep o w e rb o a r dg i v e sd e t a i l e di n f o r m a t i o no ft h ed cf i l t e rc i r c u i t ，t h e a cf i l t e rc i r c u i ta n dt h es p e c i f i cd e s i g no ft h ev a r i o u ss a m p l i n gc i r c u i t s m c ui nt h e c o n t r o lb o a r du s e st h et ic o m p a n y sd s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7w h i c hi st h ec o r ea n d f o r m st h ee x t e r n a lc i r c u i tt of u l f i l lt h ea i mo fc o n t r o l l i n gs y s t e m ss t a b i l i t ya n d a c c u r a c y t h es a m p l i n gb o a r dg i v e st h ed e s i g n i n gc i r c u i tp a r a m e t e r so ft h ea u x i l i a r y p o w e rs u p p l y t h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eo ft h es i n g l e - p h a s e p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e d a b s t r a c t i n v e r t e rw i t hap o w e ro f5 k wh a sb e e nm a d ea n das e r i e so fe x p e r i m e n t sh a sb e e n c o n d u c t e db yt h i sp r o t o t y p e i nt h ep r o c e s so fd e b u g g i n g ，w ec o n s t a n t l yi m p r o v et h e c o n t r o lm e t h o do ft h es y s t e ma n dt h ef i l t e rc i r c u i ti nt h ep o w e rb o a r d ，t og e tt h e u l t i m a t ed e s i r e dr e s u l t s k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e d ；m a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g a l g o r i t h m ；i n v e r t e r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光伏发电的背景和意义 人类经济文化的发展历史，实际就是人类社会发展和利用能源的历史。在世 界文明史发展过程中，人类在自然界中不断拓展自己的生存环境，不断认识开发 各种新的能源。作为人类重要能源的化石燃料逐步成为人类社会主要能量来源。 随着人类社会的发展和进步，人类对化石燃料的需求增加。根据美国石油协会估 计，未开发的石油储量在地球上虽然不少于两万亿桶，但是按照目前的开采速度， 可供人类开采量绝对不会超过1 0 0 年；全球每年增加3 0 的煤炭开采量，按照目 前煤炭的消耗速度估计，世界煤炭能源将全部消耗完也不会超过1 5 5 年。化石 能源即将枯竭，这是摆在我们这一代人面前的最现实的问题。我们在保证自身发 展的同时，也要保证子孙后代的发展，保持资源的可持续性发展。人类既要满足 当代人的发展，也要保证后代子孙的能源需求。各种不可再生能源在我们这一代 人的手中被全部消耗殆尽，不给子孙后代留下珍贵的化石能源，他们谈何生存与 发展。此外，化石燃料大量使用给人类带来诸多灾难性的后果。世界各国和地区 每天因化石能源的大量消耗产生大约1 亿吨的二氧化碳和二氧化硫，如果不加控 制，温室效应会导致两极冰川融化，这可能使海平面上升八米左右，对于生活在 沿海的四分之一的人类将是一个巨大的威胁；此外，酸雨面积不断扩大，已经给 农业生产带来巨大损失瞳。目前，人类社会对经济社会高度发展的不懈追求与人 类赖以生存环境的急剧恶化之间的矛盾不断加深，人类如何在保护环境、实现经 济的可持续发展中使用有限的资源已成为世界各国政府面临的巨大挑战，也成为 全球热点问题。为了解决能源短缺带来一系列的社会问题和环境问题，实现社会 和经济的可持续发展，只能依靠科学技术发展，积极开发和利用高效率清洁型新 可再生能源。 太阳能具有能量的无限性、对环境的清洁性、利用的方便性呤1 。据计算，太 阳能的寿命大概是6 0 亿年，目前它的年龄才1 1 亿年；利用的广泛性，在地球上 到处可以开发利用，尤其在一些荒凉和不发达地区更具有优势；利用的清洁性， 在丌发利用太阳能同时，不会产生工业的上“三废”，更不会对环境产生污染。 单相5 k w 光伏并网逆变器电路设计 正是太阳能具有这些优点，能有效解决能源短缺问题，替代传统能源，实现社会 经济的可持续发展h 1 。 可再生能源的发展，在这个产业链中，太阳能发电是目前世界上发展速度最 快的嘀1 ，从1 9 9 6 2 0 0 6 年，在过去的十年平均以4 0 的年增长率；从过去五年 的2 0 0 1 - ，2 0 0 6 年，平均每年4 5 的速度增长，2 0 0 6 全世界范围内生产太阳能 光伏电池的总量为2 7 9 0 m w ，发电量将近达到大约8 g w 。在新的千年里，太阳 能发电已经得到巨大发展，在世界范围内新型能源消费比例中占据主导地位，并 逐渐取代传统化石能源哺1 。 2 0 1 0 年欧盟推出的“2 0 5 0 年能源发展路线图中，预计到2 0 5 0 年，新能源 的消费比例将是目前总能源的8 0 ，太阳能发电占新能源利用很大一部分。到 2 0 2 0 年，欧洲的太阳能发电量将达到4 0 0 g w 、美国太阳能发电总量也将达到 3 5 0 g w ，全球的太阳能发电总量也将达到2 0 0 0 g w 。 太阳能主要有三种利用方式：热利用、化学利用和太阳能发电。热利用主要 是太阳能热水器、太阳能灶等等。化学利用最要利用太阳能分解水产生氢气和氧 气，目前这种利用方式成本太高，不易大范围的推广使用。太阳能最主要要的利 用方式就是光伏发电，它利用方式方便，成本低。光伏发电可分为并网发电和离 网发电两种。在一些偏远山区或者不发达落后地区，由于电网造价太高，为了节 省成本，只能采用离网发电系统。随着近代控制理论和现代电子自动化技术的发 展，在一些相对发达地区越来越多采用并网发电系统。 1 2 光伏发电产业发展现状 1 2 1 国外发展现状 1 8 3 9 年，法国科学家贝雷尔( b e c q u r e l ) 首次发现了“光伏效应”，1 9 5 4 年， 美国科学家恰宾( c h a p i n ) 及其同事一起在贝尔实验室，首次用单晶硅合成可以 实际能应用的太阳能电池，这种新型的光伏电池，使太阳能的光能转变成为电能 成为可能。 2 0 世纪7 0 年代后，随着全球工业化的发展，全世界的能源危机和空气污染 等问题日益严重，目前化石燃料能源可探明储量正在大i 晤减少，目前全世界大概 第一章绪论 有三分之一的人得不到正常的能源供应，此外化石燃料的大量使用，造成环境污 染日益加剧。因此，世界各国都在渴望的寻找新能源，来代替传统化石燃料，只 有广泛使用新型能源以改变目前能源消费比例，从而实现经济和社会的可持续发 展。太阳能发电以其无污染、使用方便等优势，“取之不尽，取之不竭”，是一种 重要的能源，并且人类可以自由使用的可再生能源3 。 2 0 世纪9 0 年代后，随着太阳能光伏发电技术的快速发展。到2 0 0 6 世界上 已修建了超过1 0 兆瓦的光伏发电厂。美国是世界上最早实现光伏发电计划国家 之一，“百万屋顶计划实施在1 9 9 7 年初顺利实施。1 9 9 2 年日本开始实行新的 阳光计划。在2 0 0 0 年生产太阳能电池的世界十大制造商中，其中有四大生产厂 家在日本。新的可再生能源法在德国实施，在法律上规定了太阳能发电并网的价 格，大大促进了光伏发电产业在德国的发展，使德国继日本以后，也成为世界光 伏发电发展最快的国家之一。西班牙、法国、芬兰、意大利等国家己制定和实施 光伏产业计划，并投入巨资进行光伏技术开发和光伏发电组件产业化进程研发。 太阳能光伏发电系统应用在十九世纪8 0 年代初期开始在世界范围内得到广 泛的应用，德国、日本、美国、意大利、以色列和其他国家的努力建造了大型的 太阳能并网发电站，其中光伏并网电站装机容量从1 0 0 千瓦到1 兆瓦不等。世界 各国政府都在投巨资投资建设实验性光伏并网发电站。就目前来说，推广的结果 并不是很理想，主要原因目前昂贵的太阳能电池，一般的电力公司难以承受。1 9 9 3 年，德国开始实施1 0 0 0 屋顶计划，进而扩展建设更多的屋顶计划，在实际建设 的光伏发电系统应该超过5 0 0 0 套。1 9 9 9 年，德国开始实施新的1 0 万套太阳能 屋顶计划。： 同本太阳能光伏发电与建筑结合的技术经过十多年的努力发展，更迅速的发 展是在1 9 9 6 年后，每年新建设数万套的新屋顶太阳能光伏发电并网系统。上世 纪8 0 年代早期，美国已开始努力投入的太阳能光伏并网发电，制定的p v - u s a 计划，主要是建设1 0 0 千瓦以上大型太阳能光伏并网发电系统，计划建设光伏发 电总装机容量达到1 0 兆瓦。 1 2 2 国内发展现状 我国的太阳能资源与同纬度的其他国家相比，太阳能资源十分丰富，全国有 单相5 k w 光伏并网逆变器电路设计 三分之二以上的地区，年日照时数在2 0 0 0 h 以上，因而有巨大的开发潜能。 关于我国太阳能电池的发展，早在2 0 世纪8 0 年代中、后期，我国引进国外 太阳能电池生产线或者关键设备，使得我们国家太阳能电池生产规模初步形成达 到4 5 m w 。 中国光伏产业发展经历两个井喷似的的发展时期阿3 。第一个快速发展时期是 1 9 8 0 年后几年，随着中国的改革开放深入和社会的发展，引进了多条国际太阳 能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力的从3 5 m w 增加到4 5 m w 。另一个 快速发展时期是在2 0 0 0 年后，特别是在2 0 0 2 年，国家实施了“光明工程”和“送 电到村两大工程，在国家两大政策鼓励下，我国的太阳能发电产业飞速增长。 到2 0 0 7 年，中国的太阳能发电量已经超过1 0 0 m w ；与此同时太阳能电池的 生产量实现11 8 8 m w ，超过了日本和欧洲总和，居世界第一位。2 0 0 9 是中国太 阳能光伏产业快速增长的一年，根据中央颁布了可再生能源中长期发展规划， 到2 0 2 0 年，中国在太阳能发电装机容量将达到1 8 g w 。根据可再生能源中长 期发展规划，估计到2 0 5 0 年，中国的新型能源发电量将占总发电装机容量的 2 5 ，其中太阳能发电量超过5 。 1 3 光伏并网发电趋势 根据同本新能源计划和欧盟白皮书提到的可再生能源发展计划，2 0 1 0 年， 美国的太阳能发电项目，全世界光伏并网发电总量将超过1 5 g w ( 1 5 0 0 万千瓦 时，不到全球发并网发电能力的l ) ，在2 0 3 0 世界太阳能发电装机容量将为 3 0 0 g w ( 当整个产业价值可能超过3 0 0 亿美元) 左右，2 0 4 0 年太阳能发电量将 达到1 5 - 2 0 的全球发电总量。按照这种计划预测，2 0 1 0 至2 0 4 0 年的光伏产 业的复合增长率将达到2 5 。 记者最近获悉，“十二五”期间太阳能产业的发展目标已经达成共识：到 2 0 1 5 年，太阳能发电装机容量将达到1 0 0 0 万千瓦以上。据了解，目前我国在建 1 0 0 万千瓦，要实现上述目标，就意味着未来5 年，每年将以1 0 0 万 2 0 0 万千 瓦的速度增加装机，到“十二五末，太阳能发电装机容量将扩大十倍。到2 0 2 0 年，这一目标将达到4 0 0 0 万千瓦以上。 中国工程院院士、清华大学教授金涌目前表示，我国光电产能每年翻一番， 4 第一章绪论 成本在下降。原来1 千瓦光电发电成本约为4 万元人民币，目前已降到2 万元以 下。如果中国光伏发电其电价将以每年8 的速度下降，到2 0 1 5 年，光伏电价 可以降到1 元千瓦时，到2 0 2 0 年则可以达到0 6 - - - 0 8 元千瓦时，分析人士 指出，若按照当前每千瓦2 万元的造价来看，未来5 年，投资在太阳能上的资金 将达到2 0 0 0 亿元，随着光伏发电系统成本下降和光伏发电价格的下降，光伏并 网发电已成为趋势。 1 4 光伏发电系统形式 光伏发电系统可分为一下两种形式：离网系统和并网系统。 离网系统，根据电能利用方式分为两种：一种是发电就是直接利用，另外一 种发电直接存储在蓄电池。对于这两种电能利用方式都有缺点，对于直接利用方 式白天发出的电不能充分利用，白白浪费；对于储能系统，蓄电池存在大量的浓 硫酸，稍微不慎，就会造成环境污染。 光伏并网发电系统，太阳能产生的电能不仅可以直接利用，还可以把多余的 电能进行并网发电，把电网作为一个巨大的蓄电池，既不污染环境，又节省能源。 1 5 本文研究内容 对于一般普通家庭的用电，功率l o k w 太大，功率3 k w 又太小，综合考虑，一 般5 k w 足够用。结合在华耀电子实习，一起和同事开发一款单干h 5 k w 光伏并网逆 变器。 在整个光伏并网逆变器系统中，我的主要工作是负责逆变器整体硬件电路设 计。在设计电路过程中通过比较扰动观察法、增导电量法和基于平均功率变步长 算法优缺点，我们采用了基于平均功率变步长最大功率点算法。通过对s p w m 数学 分析，在此基础上对基于s p w m 电流环比例调节控制方式幂1 p i ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a l ) 调节控制方式的仿真和分析。 然后进行光伏逆变器电路设计，主要包括三个部分：控制板、功率板和采样 板。在电路设计过程中得到霍老师、王学飞工程师和公司同事的帮助，光伏并网 逆变器系统终于设计完成，虽然实验结果不是很理想，我们还在努力改进控制算 法和电路参数，达到预期的波形图。 单相5 k w 光伏并网逆变器电路设计 第二章光伏发电系统的m p p t 控制策略及其 孤岛效应 为了弄清太阳能电池工作原理，选择合适的m p p t 控制算法，从而在软件方 面提高逆变器电能转换效率。 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应，是直接把光能转化成电能一种 装置，光伏电池发出的是直流电。太阳能电池俗称光伏电池，单个光伏电池的功 率非常小，一般不作为单独电源使用，实际应用中，大量光伏电池经过串联或者 并联组成庞大的光伏阵列，设计光伏并网逆变器系统，首先必须了解光伏电池工 作原理。 2 1 太阳电池原理和工作的特性曲线 2 1 1 太阳电池的工作原理 太阳光线 上电 n 型硅 p n 结 p 型硅 下电极 图2 1 光伏电池发电示意图 f i g u r e2 - 1p h o t o v o l t a i cc e l l sg e n e r a t ee l e c t r i c i t ys c h e m a t i cd i a g r a m 太阳能电池，从根本上来说，它就是半导体材料组成的，其发电原理和晶体 6 第二章光伏发电系统的m p p t 控制策略及其孤岛效应 二极管工作原理是一样的。就是半导体材料中原子核外的电子吸收太阳能能量， 吸收能量的电子就会发生“跃迁 的现象，随着电子的“跃迁 就会向半导体另 一边移动，由于原子核失去电子而带正电，随着电子的移动半导体一边呈现负电 性，这样半导体两边产生电势差的现象。如图2 1 可以用p n 结说明。当太阳光照 射光伏电池表面，光伏电池原子核外电子就会吸收太阳能光子能量，就会发生转 移，由于原子核外的电子吸收能量发生跃迁，就会形成电子，原子核失去最外层 电子形成空穴，电子和空穴的移动，就会形成p n 结，电子向n 型移动，空穴向p 型扩散，随着电子和空穴聚集，p 型和n 型之间就会形成电势差，用导线连接半 导体两面，就会用电荷移动，形成电流。 2 1 2 太阳能电池板输出特性 i p ht 幽2 - 2 太阿t 能电池等效电路图 f i g u r e2 - 2p h o t o v o l t a i cc e l le q u i v a l e n tc i r c u i t 由太阳能电池等效电路得出太阳能电池的i u 方程为： ，= _ - ，o 唧 甓笋】1 卜半 ， 式( 2 1 ) 中：k 是光伏电池产生的电流；厶是光伏电池的反向饱和电流； q 是电子电荷，q = 1 6 x 1 0 。1 9 c ；u 是光伏电池两端输出电压；a 是p n 结的理想因 子，当温度t = 3 0 0 k 时，取值2 8 ；k 是波耳兹曼常数，为1 3 8 1 0 。2 3 j k ；t 是绝 对摄氏温度；足是串联电阻( 非常小，大概1q 级别) ；r 曲是并联电阻( 高阻值， 数量级为k q ) 。理想情况下，r 可近似为零，如近似为无穷大，可简化为： h 0 e x p ( 嚣】 ( 2 - 2 ) 单相5 k w 光伏并网逆变器电路设计 由式子( 2 2 ) 可以得到光伏电池输出功率的数学表达式为： 尸= l y i o u e x p ( 蔫) - 1 ) ( 2 埘 从式子( 2 3 ) 可以看出太阳能电池板输出功率是一个非线性函数。 2 1 3 光伏电池板的输出i - u 和p - l i 特性曲线 为了更能直观看到太阳能电池特性，根据式子( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 绘制太阳能电池 板p u 、u i 特性曲线，如下图2 3 ： 图2 3 太阳能电池阵列的p u 、u i 特性曲线图 f i g u r e2 - 3p h o t o v o l t a i ct h eu - ia n dp uc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 如2 3 图，i u 特征曲线清楚的看出：太阳能电池既不是恒定电压源，也非 恒定电流源，它不能向负载提供任意功率的电能，电压输出非线性。当光伏电池 输出电流相对稳定时，光伏电池输出电压相对增大，当达到一定的电压值后，电 流迅速下降到零。对于太阳能电池阵列特性曲线，图中标出了太阳能电池几个重 要参数定义如下睁1 0 3 ： 1 短路电流( t 。) ：在给定f = 照和温度下的最大输出电流。 2 开路电压( ) ：在给定日照和温度下的最大输出电压。 3 最大功率点电流( l ) ：在给定f 1 照和温度下相应于最大功率点的电流。 第二章光伏发电系统的m p p t 控制策略及其孤岛敛应 4 最大功率点电压( ) ：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 5 最大功率点功率( 己) ：在给定日照和温度下阵列输出的最大功率。 乞= l 以 ( 2 4 ) 2 1 4 太阳能电池输出功率的影响因素 对于实际应用系统中，为了方便计算出太阳能影响因素，我们把太阳能电池 和负载等效成一个电路，日照强度和电池温度是两个影响太阳能电池输出功率的 重要因素。其中，日照强度能直接影响太阳能电池表面温度大小，如下图2 3 所 示： 8 0 6 0 4 0 2 0 l 温度t ( ) s ( w m * m ) 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 01 6 0 02 0 0 0 图2 3 太研1 能电池温度和日照强度之间关系 f i g u r e2 - 3p h o t o v o l t a i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n ds u n l i g h ti n t e n s i t y 9 单相5 k w 光伏并嘲逆变器电路设计 8 0 4 0 2 0 2 0 3 06 0 图2 4 不同结温下的i u 关系曲线图 f i g u r e2 - 4j u n c t i o nt e m p e r a t u r eo nd i f f e r e n ti - uc u r v e ( v ) 3 0 6 0 图2 - 5 不同结温的p u 特性曲线 f i g u r e2 - 5j u n c t i o nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n tp uc u r v e 随着光伏电池表面p n 温度的上升，光伏电池最大输出电压反而会下降，输 出电流反而会上升，如图2 4 所示，但是光伏电池的输出的最大功率反而会下降， 如图2 5 所示。 1 0 第二章光伏发电系统的m p p t 控制策略及其孤岛效应 ic a ) 1 k w ( m 棚) 2i 1 0 7 5 k w ( 十m ) = 一一 5 o 5 k w ( m * = ) l 卜一 0 5 旷一 2 55 0 ! p ( w ) i j 一， 7 5 1 0 0 p ( w ) 7 5 卜 0 7 5 k w ( m m ) ，t 图2 - 6 不同日照强度下i u 和p u 特性曲线 f i g u r e2 - 6i - u a n dt h ep - uc u r v ei nd i f f e r e n ts u n s h i n ei n t e n s i t y 日照强度直接影响太阳能电池输出短路电流，如图2 - 6 表明：不同日照强度 下i u 和p u 特性曲线。 2 2 太阳电池的最大功率点跟踪( m p p t ) 常用方法 由图2 6 中看出光伏阵列是一种非线性电源，功率曲线上任意一点v = u i 不 仅与电压u 和电流i 有关，还与当天f 1 照强度、温度等有关。一般情况下，光伏 电池的标准功率，是光伏电池厂家规定光伏电池工作温度和光照强度情况下，光 伏电池输出功率。但是在实际情况下，电池工作在不同地的区差异和外界环境变 化，光伏电池达到输出标准功率的时间少之又少，这就需要一个最大功率算法 ( m p p t ) ，提高光伏电池输出电能的转换效率1， 一般最常用的m p p t 算法有：观察法、基于平均功率的变步长算法、神经 网络训练法和模糊控制法。采用比较多的是扰动观察法、电导增量法和改进型扰 动观察法，另外也有采用神经网络法。 ( 1 ) 扰动观察法 观察法也称扰动观察法，它的原理就是在第一时间控制电压为给定值u ( t 一1 ) 的基础上进行干扰，( u ( t 1 ) + d u ) 随着时i 日j 的输出电压为给定的值，然后检测输出 电流值i ，计算出当前输出功率p ( t ) ，这时候的瞬时功率p ( t ) 同上时刻瞬间的功率 值p ( t 1 ) 相比较，如果功率值增加，这意味着干扰沿着正确的方向，可以继续在 0 叼d吣邶。 一 l、l 5 机 一 如 一 嫩l；：砌誓上 o 一 ， 一 乏 ， ， 一 一，产 单相5 k w 光伏并网逆变器电路设计 同一方向干扰；如果功率值下降，意味沿着错误的扰动方向，要改变以前的扰动 方向。 p w 图2 - 7 扰动观察法示意图 f i g u r e2 7p e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o nm e t h o ds c h e m a t i c 通过检测太阳能电池的输出电流、电压值，得到当前电池输出功率，然后它 是相对于存储的先前时间功率相比较，以确定一个电压调整方向。如果p 0 ， 指示方向的参考电压调整方向正确，可以继续进行调整按原方向；如果p 0 ， 就表明参考电压调整方向错的，则需要改变电压方向的调整，如图2 7 所示。 这种方法的优点：控制方法简单方便，硬件电路实现方便；能更好实现最大 功率点的跟踪控制，提高光伏逆变器太阳能电池发电的利用效率2 i 。但是它也有 一定的缺点：跟踪稳定时，只能在最大功率点附近振荡运行n 3 1 。扰动观察法导致 控制误差的原因有两种：造成的误差，由于功率变化过程中非单调。扰动观察 l 法跟踪值的功率时间曲线是使用功率和时间的函数，但在实际应用系统中，功率 曲线随时间的其他因素不只是单一的极限值曲线，所以扰动观测法控制其极限点 的功率时间曲线会有一个跟踪失败，导致系统的输出功率损耗。由于扰动观测 法算法上的不严谨性造成的n4 i 。由于一天之中光照强度是时刻变化的，因此太阳 能电池组件的p v 曲线也在时刻变化。假设系统一直工作在附近的最大功率点， 此时系统电压是为v ，输出功率为p l ，当电压扰动的方向移动到v z ，如果阳光 强度持续下降，那么相应的输出功率可能是p ：，这时造成系统判断错误扰动方向， 从而控制工作电压的左移回到点v 。，太阳光照强度持续下降，控制系统就可以 不断发生误判，输出电压一直向左移动，系统输出功率也会一直下降，造成系统 第二章光伏发电系统的m p p t 控制策略及j 孤岛效应 的最大功率点跟踪失败。 ( 2 ) 电导增量法 由太阳电池特性可知：阵列p - u 曲线在最大功率点处的斜率为零。 而 己。= u 丰， ( 2 5 ) 则有 玺：，+ u 堕：o d uc l u ( 2 - 6 ) 所以有 c t u ：一三( 2 7 ) 一= 一一 z f ， d iu 以上那些式子都是电导增量法成立的必要条件，其中式子吉是电导，舄是 电导变化率。电导增量法要求控制精确，反映响应速度非常快，特别适用于周围 环境变化比较快n 副。但是对硬件电路中的控制器处理要求处理速度快，并且要求 选择的电流电压传感器采样精度高、采样速度要快；对于采样过来的电流电压信 号的滤波、放大等构成硬件电路结构复杂，造成生产成本增加。 ( 3 ) 基于平均功率的变步长算法 太阳能电池的最大功率跟踪是光伏系统设计的一个重要组成部分，为了克服 扰扰动观察法在最大功率点附件产生振荡的缺点n 6 。17 1 。系统采用基于平均功率的 变步长的最大功率点跟踪算法，在实际应用中取得比较好的效果。光伏发电系统 首先计算出当前时刻光伏阵列输出功率，然后和上一个时刻的输出功率相比较， 如果当前功率大于上一时刻输出功率，则是沿着正确的方向爬坡。如果减小原来 给定的电压，则输出功率也会相应的减小；相反，如果增大原来给定电压，则输 出功率相应增大，保持原来电压的方向不变。如果当前光伏阵列输出功率小于上 时刻输出功率，表明爬坡的方向已经偏离最大功率点，应该按原来电压变化方向 沿着相反的方向进行爬坡，来改变给定电压的大小。若减小原来给定电压，这时 候相应的步长也会增加；相反，若增大原来给定电压，这时相应步长应该减小， 并且改变电压状态标志位。此外，由于外界存在电磁干扰和采样精度等问题，系 统对于直流侧的电流采样和电压采样存在一定误差，很容易对功率的大小造成错 单相5 k w 光伏并网逆变器电路设计 误的判断，造成搜索方向的错误。 图2 - 8 基于平均功率的变步长算法流程图 f i g u r e2 - 8v a r i a b l es t e ps i z ea l g o r i t h mb a s e do i lt h ea v e r a g ep o w e rf l o wc h a r t 根据这些问题，我们才采用平均功率代替瞬时功率，即使在一个电网周期内， 采用一个电网周期内的平均功率，从而比较平均值确定搜索方向。在搜索过程中， 搜索电压的步长是变化的，根据光伏阵列的功率特性曲线，在越靠近最大功率点? 电压的变化非常大，若采用相同步长进行搜索，就会导致平均功率变化越小。所 以在搜索最大功率点的时候，在越靠近最大功率点位置，越要减小步长，才能避 免在搜索过程中造成死机，算法流程图如上图2 8 。 2 3 孤岛效应 孤岛效应就是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因导致供电系 第二章光伏发电系统的m p p t 控制策略及其孤岛效应 统中断供电，光伏发电系统未能及时检测出停电状态而脱离电网，造成太阳能 并网发电系统和周围的负载组成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛n8 i 。而 这种现象并非只有太阳能光伏并网发电系统才会有，其他并网发电系统也会存 在。 孤岛效应会对整个供电系统造成用户电器损坏，一般来说，孤岛效应造成的 危害分为以下几种n 9 1 ： ( 1 ) 会对电力公司线路维修与保障人员的安全造成危害；电力公司电路维 护人员在维修电网系统时，容易电力公司维护人员造成损伤，甚至危害电力公司 维护人员的生命危险。 ( 2 ) 会造成电力系统恢复时的瞬时电力相位不同步；造成电力公司再次供 电时电网电压电流与逆变器输出电压电流相位不一致，对用户用电设备造成损 坏。 正在由于孤岛效应的这些危害，并网逆变器系统有检测孤岛效应的功能。近 些年来随着光伏产业的迅速发展，越来越多的太阳能供电系统在并网发电和其他 新能源供电系统进行并网发电，产生孤岛效应的几率也越多 对于孤岛效应的检测主要就是对电网电压频率的检测。一般情况下，当电网 的开关断开时，如果光伏并网逆变器的供电量与电网负载电量不匹配，那么电网 中电压和频率就会发生巨大变化，这时候，可以利用电压的欠压过压保护和电 网频率欠频过频保护措施，从而判断电网是否断电，能有效检测孤岛效应的发 生；如果光伏逆变器的供电量和电网负载匹配相差不大或者基本相同时，则不能 有效的检测出电力系统中频率和电压的变化，就会发生孤岛效应。选择合适的孤 岛效应检测方法。 根据i e e es t d 2 0 0 0 9 2 9 和u l l 7 4 标准规定，所有并网逆变器必须有检测孤 岛效应的功能，表1 是i e e es t d 2 0 0 0 9 2 9 和u l l 7 4 给出的检测孤岛效应时间限 制的标准。 表1i e e es t d 2 0 0 0 9 2 9 和u l l 7 4 对孤岛最大检测时间规定 t a b l e1i e e es t d 2 0 0 0 9 2 9a n du l17 4 t h el a r g e s ti s l a n dd e t e c t i o nt i m ep r o v i d e s v o l t a g e t i m et oo p e r a t e v 5 0 v n o r m6 单相5 k w 光伏并网逆变器电路设计 5 0 v n o r m v 8 8 v n o r m 1 2 0 8 8 v n o r m v llo v n o r mn o r m a lo p e r a t e 1 1o v n o r m v 1 3 7 6 f r e q u e n c y t i m et oo p e r a t e f n o r m + o 5 f6 f f n o r m 0 76 ( 1 ) v n o r m 电网电压有效值，对于我们国家来说，市电的单相电压有效值2 2 0 v 。 ( 2 ) f n o r m 电网电压额定频率值，我们国家规定市电频率5 0 h z 。 2 4 孤岛效应检测的方法 防护孤岛效应检测方法可分为被动检测方法和主动检测两种方法。 被动检测方法： ( 1 ) 电压、频率检测方法 光伏并网发电系统并网发电馈入电网操作过程中，除了防止孤岛效应发生， 也要保证了逆变器输出电压的频率和幅度与电网同步。对于连续检测馈入电网电 压和频率，还要防止过压、欠压和过频欠频现象的发生。当检测系统频率和电压 有变化时，就能检测出是否发生孤岛效应，这就是电压、频率检测方法。这种方 法简单，不需要增加检测电路，容易实现。空置率的负载功率平衡作用，检测不 出电网与逆变器输出电压和频率的变化，从而导致漏判孤岛检测。 一 ( 2 ) 相位检测方法 相位检测方法其原理适用于电压型逆变器输出电压相位检测方法，当并网失 败时，逆变器的光伏发电系统带来的负面影响，从而导致电网故障，通过对记录 之前和之后的逆变器输出电压和输出电流值，根据它们相位的变化来确定电网是 否有孤岛效应的产生。这种检测方法适用于感性负载的较常见的网络，所以这种 检测方法比电压、频率检测方法先进。然而，当负载电阻负载阻抗特性不变，相 位检测方法失效【2 0 】。 第二章光伏发电系统的m p p t 控制策略及其孤岛效应 ( 3 ) 谐波检测方法 谐波检测方法是，当电网不能阻止这个平衡的工作效果，通过光伏发电系统 的输出电流变压器后会产生大量谐波，根据谐波变化可以判处状态。实验研究和 实际应用：这种方法是优良的由于存在大量的非线性设备电网，谐波变化给予一 个正式的谐波标准检测孤岛效应乜。 主动检测方法： 主动式孤岛检测方法是指通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在 一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，检测不到这些扰动。一旦 电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从而触发孤岛效 应检测电路。该方法检测精度高，非检测区域小，但是控制较复杂，降低了逆变 器输出电能质量。目前并网逆变器的检测孤岛效应策略都采用一种被动式检测方 法加上一种主动式检测方法相结合的方案眦3 。 ( 1 ) 频率偏移检测法 频率偏移检测法是目前一种常见的主动扰动检测方法。采用主动式频移方案 使其并网逆变器输出频率略微失真的电流，以形成个连续改变频率的趋势，最 终导致输出电压和电流超过频率保