（控制理论与控制工程专业论文）户用光伏并网系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 太阳能的利用越来越受到人们的重视，光伏发电作为太阳能利用的主要形 式，具有广阔的发展前景，而光伏发电系统并入电网是太阳能利用的必然之路。 本文针对户用光伏并网系统提出了适合其特点的主电路拓扑结构，该电路结 构无须采用工频或是高频变压器，具有体积小，成本低，控制方案易实现的优点。 从理论上证明了光伏电池阵列的后级d c d c 升压电路中，可以通过占空比的 调节，改变其与光伏阵列输出功率的匹配，从而跟踪光伏电池最大输出功率。给 出了在外界环境快速变化时能准确跟踪光伏电池最大输出功率的电导增量算法。 建立了逆变输出级控制模型，采用了电流型并网控制方案，并用m a t l a b 的 s i m p o w e r s y s t e m s 工具进行了仿真。对单电流环控制方式存在的原理性误差，提 出了基于多变量双环控制的改进方案，进行了仿真，仿真结果验证了该方案的可 行性及有效性。对电网电压作为并网系统的扰动量采用了前馈补偿。 用灵活的软件算法实现了同步锁相环，保证了逆变器输出电流与电网电压同 频同相。 分析了光伏并网系统的孤岛现象，列举了常用的检测方法，提出了简单易行 的并网电流扰动法来快速检测孤岛的产生，并进行了仿真实验。 关键词：户用光伏并网系统，最大功率点跟踪，双环控制，同步锁相环，孤 岛现象 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fs o l a re n e r g yi sp a i dm o r ea t t e n t i o nt ob yp e o p l et h a nb e f o r e a n dp h o t o v o l t a i c ( p v ) g e n e r a t i o n , o n em e t h o do fu s i n gs o l a re n e r g y , i sv e r y p r o m i s i n g t h eg o a l f o rt h ei l 辩o fs o l a re n e r g yw i l la i ma tt h e 鲥d - c o n n e c t e d p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m t h ea u t h o rp r o v i d eas u i t a b l et o p o l o g i c a lc o n s t r u c t i o nf o rt h ep h o t o v o l t a i c g r i d c o n n e c t e ds y s t e m w h i c hd o e s n tl l s ct h ei n d u s t r i a lf r e q u e n c yt r a n s f o r m e ro rh i g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e ra n df e a t u r e st h es m a l ls i z e ，l o wc o s ta n de a s yi m p l e m e n to f t h ec o n t r o ls c h e m e i ti sd e m o n s t r a t e dt h e o r e t i c a l l yi nt h i st h e s i st h a tt h em a x i m u mp o w e r - o u t p u tc a n b em a t c h e db ya d j u s t i n gt h ed u t yr a t i oo ft h ed c d cc i r c l l i t a n dt h ea r i t h m e t i co f c o n d u c t a n c ei n c r e m e n th a sa l s ob e e ng i v e nt ot r a c et h em a x i m u mp o w e rp o i n t t h em o d e lo ft h ei n v e r t e ri sd e r i v e da n dak i n do fc i r c u i tc o n t r o ls t r a t e g yi s a p p l i e d t oe l i m i n a t et h et h e o r e t i c a le i t o rt h ea u t h o rp r e s e n t sa ni m p r o v e ds t r a t e g y b a s e do nt h em u l t i - v a r i a b l ed o u b l e - l o o pc o n t r 0 1 s o m er e s u l t a n t sf r o mt h es i m u l a t i o n u s i n gt h es i m p o w e r s y s t e m st o o lo f m a t l a bp r o v et h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t y a st o t h ed i s t u r b i n gv a r i a b l er e s u l t e df r o mt h e 鲥dv o l t a g et h ea u t h o rp r o v i d et h em e t h o do f f e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o n af l e x i b l es o f tp h a s el o c k e dl o 叩i sb r o u g h tf o r w a r dt ok e e pt h ef r e q u e n c ya n d p h a s es y n c h r o n o u st ot h e 鲥 i s l a n d i n gp h e n o m e n o nm u s tb ep r e v e n t e di n t h ea p p l i c a t i o no ft h ep v 鲥d c o n n e c t e ds y s t e m am e t h o do f c u r r e n td i s t u r b i n ga r ed e v e l o p e da n dt h es i m u l a t i o ni s c o n d u c t e d k e y w o r d s ：r e s i d e n t i a lp v 舒d c o n n e c t e ds y s t e m ，m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g d o u b l el o o pc o n t r o l ，s y n c h r o n i z a t i o np h a s e - l o c k e dl o o p , i s l a n d i n g p h e n o m e n o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密li ，在 年解密后适用本授权书。 l _ j 本学位论文属于 不保密口 学位论文作者签名：任海兵指导教师签名：陈照章 2 0 0 6 年1 2 月1 6 日2 0 0 6 年1 2 月1 6 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：任海兵 日期：2 0 0 6 年1 1 月6 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 太阳能和光伏发电 在当今世界能源结构中，人类所利用的能源主要是石油、天然气和煤炭等化 石能源。但是据世界能源委员会( w e c ) 预测，按照资源已探明储量和目前的发 展速度，石油将在4 5 年后枯竭，天然气将在6 0 年后殆尽，资源量最大的煤炭也 只够再开采2 2 0 年。尽管有人对于这些数字持异议，说新的储量仍在不断被发现， 但是化石能源走向枯竭，能源紧张已经是不争的事实，能源供应的可持续发展问 题已经迫在眉睫。因此，世界各国都争相开发和利用太阳能、风能、地热能、生 物能及其它可再生能源。 在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未 来能源，有无尽的潜力。当前，世界上大多数国家都把太阳能的利用作为重点研 究、开发的项目。 太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用和光化学利用三种形式，其中光伏 发电技术近期在世界范围内得到了高速的发展。光伏发电实质上是利用太阳能级 半导体电子器件即光电池有效地吸收太阳光的辐射能，将之直接转换成电能的发 电方式。光伏电池单元是光电转换的最小单元，一般是边长为1 0 1 5 c m 的硅板 上形成的半导体的一种，本身产生的电压约低于0 5 v 。将电池单元进行串并联 后并封装就成为光伏电池组件，功率一般在几瓦、几十瓦甚至数百瓦。再将这样 的光伏组件按需要进行串并联，就形成了光伏阵列，这样才能具有实用的功率等 级。在此基础上，再加上电能变换装置就构成了具有实用功能的光伏发电系统。 光伏发电在众多的可再生能源利用中独树一帜是因为它具有以下优点： ( 1 ) 资源可再生。太阳能取之不尽用之不绝，地球表面所接受的太阳能约 为1 0 7x1 0 1 4 g w h 年，是全球能量年需求的3 5 0 0 0 倍，可以说是一种无限的资 源。 ( 2 ) 环保清洁。光伏发电本身不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害， 是理想的清洁能源。 ( 3 ) 资源分布广泛。不似水电受水力资源限制，火电受到煤炭资源及运输 成本等影响，光伏发电不受地域的限制，在地球上绝大部分地方都可以方便地得 江苏大学硕士学位论文 到太阳能，所以理论上讲在任何可以得到太阳能的地方都可以安装光伏发电系 统。 ( 4 ) 可共地域。现行电站一般都建在较偏地区，电能要通过长距离输变电 后再进入用电地区。但光伏发电和用电可以在同一地域，这样可大幅度节省远程 输变电设备的投资费用。 ( 5 ) 建造灵活方便。光伏发电系统可以按照需要将光伏组件灵活地并串联， 达到所需功率，形成光伏陈列，在扩容时也同样如此。 ( 6 ) 光伏建筑集成。光伏产品与建筑材料集成在一起是目前国际上研究发 展的前沿，这种产品不光美观大方，还节省发电站使用的土地面积和费用。 ( 7 ) 分布式。光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和 可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，更具有明显的意义。 1 2 光伏并网发电系统的迅猛发展 光伏发电系统又分为独立运行和并网运行两种工作方式。不与电网联接而直 接带负载的为光伏独立发电系统。与电网并联运行的称为光伏并网发电系统，简 称为光伏并网系统。光伏并网系统与公用电网并列运行，在发出功率大于本地负 荷时将多余功率送向电网，而发出功率低于本地负荷时公用电网对所缺功率进行 补充 过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，光伏发电大多作为专用的独立运 行系统应用在如航天，边防海岛。或是边远地区的示范工程等。但是近年来，薪 型光伏材料的出现，产品价格的不断下降，转换效率的提高，电力电子器件的高 频化，高性价比微处理器的推出，先进控制策略的应用，使得光伏并网技术的研 究和推广日益受到重视，光伏利用也逐步向城市并网光伏电站，小区光伏建筑集 成及小功率户用光伏并网系统的方向发展。 西方一些发达国家纷纷出台有关政策、法规来扶持光伏并网产业【”。如德国 “可再生能源电力供应法”中规定2 0 0 0 年开始执行光伏发电上网电价0 9 9 马 克k w h 的优惠政策。日本早在1 9 9 4 年就开始实施“新阳光计划”，目前已安装 近7 万个太阳能屋顶，预计到2 0 1 0 年要安装1 0 0 万个太阳能屋顶：美国于1 9 9 7 年提出“百万太阳能屋顶计划”，规划到2 0 1 0 年为1 0 0 万个家庭安装太阳能屋顶， 每个光伏屋顶将有3 - 5 千瓦光伏并网发电系统。英国“可再生能源法”于2 0 0 2 年 2 江苏大学硕士学位论文 初生效，该法强制所有电力供应商要在三年内用可再生能源提供3 以上的电 力，2 0 1 0 年可再生能源电力要达到1 0 4 。意大利2 0 0 1 年开始实旌光伏屋顶计 划，政府配套2 8 0 0 万美元资金，补贴达7 5 等。 在我国，国家科技部己作出相应规划，有步骤地推进相关的科技创新研究、 示范及其产业化进程。中国拟在建项目网2 0 0 5 年1 0 月3 1 日消息：上海“可再 生能源发展行动计划”即将推出，根据这一计划，可再生能源如风能和太阳能成 了十一五规划重点支持产业，风能和太阳能将成为该市“十一五”期间的新 能源新方向。上海市政府联合众多太阳能知名企业启动了“十万屋顶光伏发电计 划”，拉开了国内太阳能发电大规模应用的序幕。随即，由尚德太阳能电力有限 公司承建的无锡市政府4 0 千瓦屋顶光伏并网发电系统也吹响了江苏“一千个 屋顶光伏发电工程”的号角。这些工程的启动实施，将在一定程度上代表国际上 最先进的用能方式，并将直接影响到我国未来能源利用的发展方向。从上海、江 苏等地区的“太阳能屋顶工程”来看，中国普及光伏并网发电系统的“东风”已 经刮起。 1 3 国内外研究状况 光伏电池技术和光伏并网系统之间的关系就如同计算机芯片与计算机系统 之间的关系一样，相辅相成，缺一不可。除了要研制高效低成本的光伏电池以外， 系统集成也是至关重要的技术。光伏并网产业已经是世界范围内一个蓬勃发展的 高新技术产业，和光伏电池同时并列为光伏产业的两大支柱。对光伏并网系统的 研究主要集中在主电路拓扑及控制方法、无功补偿及有源滤波、孤岛现象及保护 等方面。 各种新颖的变换器拓扑结构和及其控制方法层出不穷：许多企业和研究机 构，其中如美国的t r a c e 、s o l a r e x ，荷兰的e c n 和m a s t e r v o l t ，日本的k y o c e r a 、 f u j i ，澳大利亚的a e g ，德国的s i e m e n s ，意大利的e n e l 等，都成功推出了多种 不同变换电路。采用的d c d c 变换器( 也称为斩波器) 形式中，除了常见的如 b u c k 电路、b o o s t 电路、b u c k b o o s t 电路、c u k 电路外，还有带电气隔离变换 器的如单端反激式变换器、单端正激式变换器，这两种变换器都能方便地实现交 流电网和直流侧光伏阵列的隔离，保持占空比在最佳范围的情况下，可通过改变 高频变压器的原副边比来满足稳压的要求。而推挽型变换器的优点则是输出功率 3 江苏大学硕士学位论文 大，驱动电路简单。文献 2 提出一种高效复激式d c d c 电路，来达到商功率密 度和高可靠性的要求。近年来为了满足小型化，高效率和高功率密度的要求，基 于高频电力电子器件的发展，软开关( 也称谐振开关) 技术也发展迅速。出现了 零电压准谐振变换器( z v s - q r c ) 、零电压多谐振变换器( z v s m r c ) 、z v s p w m 变 换器和零转换p w m 变换器等众多的软开关技术。文献 3 中还给出了一种无需辅 助谐振电路只利用移相调制方式实现宽负载范围的软开关技术，并完成了样机的 试制。在逆变环节，文献 4 采用类似反激变换器原理的电流源高频逆变器，无 需升压回路即可把较低电压的电源逆变成与市电同步的交流电源，摒弃了升压 d c d c 电路，使得结构紧凑，效率更高。小功率的户用的光伏并网系统，现在更 趋向于单级式结构，只用一级逆变器，同时完成锁相，电流追踪，最大功率点跟 踪等功能。文献 5 ，6 都提出了单级式的光伏并网装置，将最大功率点跟踪功能 放在逆变器输出功率的控制上，而不是控制光伏阵列输出最大功率，达到了整个 系统具有最大功率输出。 光伏并网系统作无功补偿器及有源电力滤波器：最初光伏并网的目的无非是 将光伏阵列的直流电能变换成符合要求的交流电能送向电网，但是随着对光伏并 网系统研究的日益深入，其功能也不断地在拓展。在高性能的数字信号处理器应 用到光伏并网系统的控制以后，原先由硬件电路完成的锁相功能可以用软件锁相 环s p l l 来完成，通过s p l l 可以方便地对软件进行设定，来调整并网电流和电网 电压之间的相位差。这样在有调度要求的情况下，大功率三相光伏并网系统向电 网注入有功功率的同时，可以实现对电网的无功补偿。从谐波理论和既有的实践 看，只要通过软件设定还可以实时调整并网电流的瞬时值，从而迅速改变并网电 流的瞬时波形，来实现对电网电压的谐波对抗。这样，光伏并网系统可以用作抑 制谐波的有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。这是光伏并网系统进入电力 网的重要技术支撑。澳大利亚“西澳电力司”和佩斯的科廷大学已在这一领域内 作出了可喜的探索工作，其效果显著并受到国际上许多国家的重视，被认为是一 项具有创新及长远经济，环保，节能意义的研究。文献 7 基于能量平衡原理提 出了在三相电压对称情况下的并联有源滤波器的实现。文献 8 ，9 ，1 0 中探讨了 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。文献 i i 基于瞬态无功功率理，采用电 流矢量控制技术，以d s p 为基础，实现了有源滤波、无功补偿和光伏并网三者的 4 江苏大学硕士学位论文 统一控制，并成功试制了样机。 孤岛的检测：孤岛的检测和反孤岛保护也是目前研究的一个重点。根据美国 s a n d i a 国家实验室提供的报告指出：当电力公司的供电，因故障或是停电维修 而跳闸时，各个用户端光伏并网系统未能即时检测出停电状态而将自身切离电 网，就会形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛。孤岛形成后带来相当一些 危害，越来越多的光伏并网系统并联于交流电网时，发生孤岛的机率也就越高， 所以必须要有适当的方法来应对同趋严重的孤岛问题。文献 1 2 ，1 3 规定了检测 到孤岛现象并将逆变器与电网断开的最大时限。文献 1 4 列举了目前常用的孤岛 检测的被动式和主动式方法。文献 1 5 提出利用无功补偿技术进行孤岛检测的方 法，通过对负载电压频率的判断即可有效检测是否进入了孤岛状态。 1 4 本课题的主要任务 目前对光伏并网系统的研究，大多是针对大中型光伏并网电站或是对小区成 套光伏屋顶【1 1 ，很少有涉及能够为城市单独家庭所用的小功率光伏并网系统，也 就是本文所称的户用光伏并网系统( 也可以称之为户用光伏并网装置) 。这种系 统应该是小功率，小体积，低噪声，性能可靠，使用安全方便，价位适中。研发 这种系统的目的，也就是为了能让光伏技术象太阳能热水器那样进入千家万户。 只要光伏电池的价格下降到适中位置，这种产品将有着其它户用节能产品不可比 拟的优势，必然是家庭节能产品的首选，成为一种广为普及的太阳能利用方式。 本文的主要任务正是基于上述目的。 ( i ) 深入研究了各种开关电路拓扑型式，针对特定的研究对象户用光 伏并网系统，采用了适应其特点d c d c 级及d c a c 级主电路结构。 ( 2 ) 广泛参考了现有的最大功率点跟踪方法，采用既满足快速性又有相当 精度的电导增量算法 ( 3 ) 建立了逆变输出级控制模型，采用电流型并网控制方案，并用m a t l a b 的s i m p o w e r s y s t e m s - f 具进行了仿真。对单电流环控制方式存在的原理性误差， 提出了基于多变量双环控制的改进方案，其仿真结果验证了该方案的可行性及有 效性。对电网电压作为并网系统的扰动量采用了前馈补偿。 ( 4 ) 光伏并网的一个重要技术就是可靠快速地实现对电网电压的锁相环。 本文分析了软件锁相环算法，给出了设计方案和流程图。 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 针对光伏并网系统的孤岛现象进行了有益的探讨，提出了简单易行的 并网电流扰动法，以此迅速检测孤岛的产生，引发保护动作。对该法的有效性进 行了仿真实验。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章户用光伏并网系统整体结构 2 1 光伏并网系统的主电路结构 光伏并网系统的主电路结构1 1 川主要有三种，如下图2 - 1 。工频变压器绝缘方 式采用p w m 逆变器产生工频交流，再利用工频变压器进行绝缘和电压变换。因为 采用工频，故变压器比较笨重。高频变压器绝缘方式虽小而且重量轻，但是线路 及控制方式复杂。无变压器方式小巧，重量轻，成本低，可靠性高，但是与电网 没有绝缘。 光伏电池阵列 佃) 高频变压器绝缘方式 光伏电池阵列 ( c ) 无变压器绝缘方式 图2 - 1 光伏发电系统主电路结构 2 2 光伏并网系统的调度方式 从是否带有储能装置来分，光伏并网系统分为可调度式和不可调度式两种并 如图2 2 。图中电能转换的主电路结构采用的是无变压器方式。 ( 1 ) 可调度式光伏并网系统 系统带有蓄电池作为储能环节。因为有蓄电池的存在，该类并网系统可通过 开关切换于多种运行方式，整个系统可起到能量调节器，有源滤波器和不间断电 源的作用。 7 江苏大学硕士学位论文 正常情况下，d c d c 级不仅向逆变级电路提供直流电源，同时还向蓄电池充 电。逆变级将直流电能逆变成交流电能送入电网。 在电网负荷增加时，可调度式光伏并网系统根据运行需要，增加上网电流， 由光伏电池和蓄电池共同起调峰作用。 当电网失电时，装置按优先级别跳闸断开不重要负载，光伏电池和蓄电池组 提供的直流电能仍通过逆变器为重要负载供电，起到了不问断电源( u p s ) 的作 用。 作为电网终端的有源无功补偿器，稳定电网电压，同时亦可抵消有害高次谐 波分量以提高电网质量【l 。 d c ，d c d c ，a c l 、电网i 变频器t 逆变器 陌訇6 l 丁 蓄电池 ( 4 )可调度式 d c d cd c a c l 电网i 变频器逆娈器 豳 t 电容 ( b )不可调度式 图2 - 2 可调度式与不可调度式光伏并网系统 系统通过d c d c 变换器将太阳能电池产生的直流电能斩波成适于光伏逆变 的直流电压后，直接经d c a c 变换成与电网频率一致的交流电能送到电网。 当光伏并网系统产生的交流电能超过本地负载所需时，超过部分送给电网。 而产生的电能不足以供本地负载时，由电网自动向负载补充电能。 当光伏电池输出功率低于某值乃至停止时，通过运行方式的改变，逆变器对 可继续对电网进行无功补偿，而不用解列。 当电网故障或维修时，只要电网失去电压，逆变器立即停止工作，而且必须 8 江苏大学硕士学位论文 通过跳闸装置使逆变器、电网和负载三者电气断开，光伏并网系统不再向电网和 负载提供电能。出于安全的考虑，这一点是必需的。一方面是出于对电网侧检修 人员的安全考虑，在电网失电后，光伏并网系统必须跳闸与电网隔断开。另一方 面，在设计不可调度式并网系统时，是基于该系统作为一种节能装置，作为电网 的有效补充，其功率一般不足以带全部的本地负载，如果电网失电后，该装置不 及时地与负载断开，则会出现严重过负荷的情况，对系统本身是极为不利的，有 可能引发电气火灾事故。所以电网失电后，不仅是与电网断开，还必需及时与负 载断开。 2 3 基于i ) s p 的户用光伏并网系统整体结构的提出 户用光伏并网系统应具有小功率，小体积，低噪声，性能可靠，使用安全方 便等特点。从家庭户用这个角度出发，结合上文所述，本文提出了如图2 3 所示 的户用光伏并网系统整体结构。该系统具有以下特点及功能： ( 1 ) 选用不可调度式光伏并网系统，主电路中不含有蓄电池环节。虽然可 调度式光伏并网发电系统配有储能环节蓄电池，在功能和性能方面有若干扩充和 提高，但也带来了若干严重的缺点： 蓄电池组的寿命较短，目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常估计 为5 7 年，而光伏阵列稳定工作的寿命则在2 5 3 0 年左右。 蓄电池组的价格在目前仍相对昂贵，在整个系统中占到4 0 的投资。 蓄电池组需占用较大空间，对于用户是难以接受的。 有潜在的污染，若有壳体破裂，则会泄漏出腐蚀性液体，且报废的蓄电池必 须进行后处理，否则将会造成铅污染。 所以不可调度式光伏并网系统是户用的首选。 ( 2 ) 考虑到户用的特点，电能变换主电路不采用体积笨重的工频变压器方 式，也不采用线路复杂的高频变压器方式，而是采用无变压器方式，见图2 一l ( c ) 。 因为户用光伏阵列的直流电压不会太高，一般在从二十几伏到六十几伏，在日照 不足的早晚或是阴天电压会更低，为了后一级逆变电路的正常工作，必需要进行 升压。本系统d c d c 级采用简单实用的b o o s t 升压电路。该级电路有两个功能： 一是将光伏阵列的直流电压升压后送至后级逆变环节，二是由于光伏电池功率输 出的非线性，为了最大程度上利用光能，要在该级变换中实现最大功率点跟踪 9 江苏大学硕士学位论文 ( m p p t ) 的功能，通过调节占空比来实现。在这一级不进行d c d c 输出稳压控制。 图2 - 3 户用光伏井网系统整体结构 ( 3 ) 逆变电路采用了通用的全桥逆变电路，可以在较大输入电压范围内工 作。在这一级将前级送来的直流电能通过s p 踟调制成与电网电压同频同相的交 流电流形式送入电网。在该逆变环节，输入侧采用电压方式，而输出控制上，由 于电网电压可视为无穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电 压控制，实际上就是一个电压源与电压源并联，这样有可能出现环流等问题。而 采用电流控制方式，则只要控制逆变器的输出电流跟踪电网电压，控制方式比较 简单。户用光伏并网系统是一种单相小功率的并网装置，考虑该系统的无功补偿 功能无实际意义，如果众多的户用光伏并网系统各自为政进行无功补偿，对电网 不但无益反而会造成三相电压的不平衡，所以本文不讨论无功补偿及谐波抑制问 题，控制方案的选取时也不作考虑。 ( 4 ) 以高性价比的数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的并网控制子系 1 0 江苏大学硕士学位论文 统。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为d s p 控制器2 4 x 系列的新成员，在与现存2 4 x d s p 控 制器芯片代码兼容的同时，该芯片具有处理性能更快( 4 0 m i s ) 、外设集成度更 高、程序存储器更大、a d 转换速度更快等特点，该芯片可以很好地满足对单相 全桥进行实时控制的要求i 明。 该子系统完成以下任务： 采集直流、交流侧电压及电流等模拟量用于监测和控制。 接受按键送来指令完成调整给定值等功能。 向d c d c 级驱动电路提供用来跟踪最大功率点的占空比信号。 向d c a c 级驱动电路提供用软件产生的s p w m 信号。 根据指令和保护设定向继电器驱动板提供吸合和开启的控制信号。 提供各电流电压信号的显示、各种保护状态显示。 江苏大学硕士学位论文 第三章最大功率点跟踪( n p p t ) 的实现 由于光伏电池输出功率在日照强度、温度等条件变化时，其输出功率也在变 化。为了能最大程度地利用太阳能，对光伏电池的功率输出要进行最大功率点跟 踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c i n g ) 。 3 1 光伏电池的基本特性 3 1 1 光伏电池的等效电路及输出特性 光伏电池的基本特性和二极管类似，等效电路【1 8 ，1 9 1 如图3 1 。 馨 一 fl 州。 7上s l t 亍 图3 - 1 光伏电池的等效电路 在忽略光伏电池内部的小串联电阻和并联电阻后，电流电压特性可表示为下 式： 一v i =i sc io ( ekt 一1 )( 3 一1 ) 其中i s c 为光伏电池的短路电流，i o 为二极管反向饱和电流，q 为电子电荷， k 为波耳兹曼常数，t 为绝对温度。 先伏电池阵列的几个重要技术参数： ( 1 ) 短路电流( i s c ) ：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 ( 2 ) 开路电压( 、k ) ：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。 ( 3 ) 最大功率点电流( i 。) ：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电 流。 ( 4 ) 最大功率点电压( v m ) ：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电 压。 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 最大功率点功率( p m ) ：在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功 率，且有p m 2 v m i m 。 光伏电池的i v 输出特性及p - v 输出特性口0 1 如图3 2 ，从中可以看出，特 性具有强烈的非线性。 图3 - 2 光伏电池的i v 及p v 特性示意 3 1 2日照强度和结温对光伏电池输出特性的影响 由等效电路图和式( 3 1 ) 可知日照强度和电池结温是影响光伏电池阵列功 率输出的最重要参数。 日照强度在极大的程度上影响光伏电池阵列的输出电流【2 “2 2 1 。图3 - 3 给出 了不同日照强度下典型的i v 和p v 特性。 而结温上升将使光伏电池开路电压k 。下降，短路电流略增大，总体效果会 造成光伏电池的输出功率下降，如图3 - 4 所示。注意这里是指光伏电池结温的变 化，而不是指环境温度。 江苏大学硕士学位论文 v v ( 7 0 6 0 5 0 4 0 - 山 3 0 2 0 l o 0 v o r ) 图3 - 3 不同日熙强度下光伏电池i - v 和p - v 特性 3 - 4 不同温度下光伏电池i - v 和p - v 特性 3 2 最大功率点跟踪的理论依据 r 图3 - 5 最大功率匹配的原理图 1 4 0 图 江苏大学硕士学位论文 图中的v 是电压源的电压，r i 是电压源的内阻，r o 是负载电阻，i 是电路的 电流。 对于这个线性电路，负载上的功率为 。“铲( 南 2 x r 。 仔2 ， 将上式对r 。求导，因为v 、r 都是常数，所以可得： 杀持 净s ， 抓。 ( ”r 。) 3 不难看出：当r 。= r 。时，p 。有最大值。也就是说，对于一个线性电路来 的电压是v 2 ，这表明如果将r 。两端的电压调节到v 2 ，p 。同样也有最大值a 图3 - 6 通过调节后级负裁的输入电压实现最大功率点跟踪 江苏大学硕士学位论文 将光伏电池与负载直接相连，光伏电池的工作点由负载电阻限定。图中的实 线为原负载电阻线，a 点为原工作点，虚线为最大功率输出时的匹配负载线，p 为最大功率工作点。从图中可以看出光伏电池在a 点的输出功率远小于在最大功 率点的输出功率。如果能通过调节，将负载电压调节到v - 处，使工作点由a 点移 到p - 点，光伏电池此时则有最大功率输出。 3 3d c d c 电路最大功率点跟踪功能的实现 在户用光伏并网系统中，最大功率点跟踪功能的实现是在d c d c 级。将该级 作为光伏电池的负载，通过改变占空比来改变其与光伏电池输出特性的匹配。 3 3 。1d c d c 电路拓扑的选取 按d c d c 变换电路的功能分类，有降压式变换电路( b u c kc o n v e r t e r ) ，升 压式变换电路( b o o s tc o n v e r t e r ) ，升降压式变换电路( b o o s t b u c kc o n v e r t e r ) ， 库克式变换电路( c u kc o n t e r v e r ) 等。 由于b u c k 电路的输入工作在断续状态下，若不加入储能电容，则光伏电池 的工作时断时续，不能处于最佳工作状态，加入了储能电容后，b u c k 电路功率 开关断开时光伏电池对储能电容充电，使光伏电池始终处于发电状态，此时调节 b u c k 电路占空比才能有效跟踪最大功率点，因此储能电容对于利用b u c k 电路实 现l i p 阿功能是必不可少的，然而在大负荷情况下，储能电容始终处于大电流充 放电的状态，对其可靠工作不利。同时由于储能电容通常为电解电容，增大了装 置的体积，使整个系统变得笨重。另外就是后级d c a c 电路为了能得到正常的输 入工作电压，前级的输出电压不能太低，而光伏电池的电压随着日照等因素变动 较大，其输出电压低时如果通过用b u c k 电路再降压，则逆变级无法正常工作， 所以不选用b u c k 降压电路。 相比之下，b o o s t 变换器可以始终工作在输入电流连续的状态下，只要输入 电感足够大，则电感上的纹波电流d , n 接近平滑的直流电流，因此只需加入容量 较小的无感电容甚至不加电容，避免了加电容带来的种种弊端。同时，b o o s t 电 路也非常简单，且由于功率开关管一端接地，其驱动电路设计更为方便。且由于 户用光伏阵列的直流电压一般从二十凡伏到六十几伏，为了便于下一级的d c a c 有着更好的逆变效率，在这里应考虑用升压电路 2 3 , 2 4 1 。 1 6 江苏大学硕士学位论文 3 3 2b o o s t 电路实现最大功率点跟踪的原理分析 b o o s t 升压电路见图3 7 ，为了后面分析转换电路的等效电阻方便，在这里 加上了开关管、二极管、电感的等效电阻，在分析输入输出电压比的时候可以不 加理会【2 蜘。 0 图3 - 7 升压变换电路( b o o s tc o n v e r t e r ) 开关导通和截止时等效电路图见图3 - 8 ，波形见图3 - 9 。当功率开关v t 导通 时，通过储能电感器的电流i 。可以近似地认为是线性增加的。即有 u i l 2i l v + ( 3 。) 式中i 。是流过储能电感器的电流的最小值。 在开关管导通结束时，i l 值为 i l p 2i l v + t o n3 5 ) i 。的增量为 u 1 l ( t o n ) 2 t 。n ( 3 - 6 ) 在开关管截止，二极管导通期间，储能e e 感两端的电压为 u l - u o u i ：l 等 净， 流过储能电感l 的电流为 1 7 江苏大擘硕士学位论文 l 通过储能电感l 的电流减少量为 i l ( t o n ) = 毕t o f f ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 因为只有在开关管导通期间，储能电感l 的电流增加量和开关管截止期间储 能电感l 中的电流减少量相等时，电路才达到平衡，进入稳定状态，即有 兰t：翌土t(3-10)l o n l o f f - 解该式，可求得u 。的表达式为 u 。2 “t2 寿tu t 2 高u o f fo n 1 d t -_ 其中d = t o 。t 为占空比。 ( a ) 开关导通 ( b ) 开关关断 3 - 8 开关通断时的等效电路图 图 _ 江苏大学硕士学位论文 i i l p 七 ：! 入入入 t ， il v o 1 d il v 0 u 0 u o o t u i 刀弋9 刀习 t 图3 - 9 波形图 通过以上分析，可以看出，只要通过占空比的改变，可以实现b o o s t 电路输 入输出电压比值的调整，但是能不能通过这样的调整，改变转换电路的等效输入 电阻呢? 如果可以的话，即改变占空比可以改变转换电路的等效输入电阻，这样 就可以和光伏电池的内阻相匹配，获得光伏电池的最大功率，实现最大功率点跟 踪的功能嗍。下边来分析。 将实际的b o o s t 转换电路等效为串联着一个电阻的理想转换电路，并将后接 电路的电阻等效为r 。，如图3 1 0 所示。假设转换电路的效率为i i ，理相d c d c 转换电路的输出输入电压比为k ，则有 1 9 江苏大学硕士学位论文 且 n = o k 。z r r o + e q i 。 r i 。 v 。“ - 7 一j 理想d c o c u u i 转换电路 1 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 一1 5 ) 图3 - 1 0 转换电路等效电路图 由于电容不影响直流工作情况，因此转换电路的等效电阻r 。认为是电路中 电感、开关管和二极管的等效电阻之和。对于b o o s t 电路来说，其通用的表达式： fi 1 2 8l 。28l 。i i l ( 3 1 6 ) 。寺一吲+ x s 半卜1 7 ) r deq 。( 1 一d ) 8d 。 ( 3 一1 8 ) 峨 耻 k l i = = o一n。l上一。 江苏大学硕士学位论文 其中，i 。为开关管导通时通过开关管的电流，k 。为一个比例因数，v 玉为开 关管截止时两端的电压，t 为开关管开启时间和关断时间之和，t s 为开关管的工 作周期，r 。为二极管的等效正向电阻，i 。为二极管导通时的正向电流。从上面 三个式子可看出来，电路中电感、开关管和二极管的等效电阻是与具体转换电路 有关的。 由式( 3 1 2 ) ( 3 1 8 ) ，联系图3 1 0 ，可推出： r 。；r ld r d s ( - i - d s ( o n ) + ! ! 掣+ ( ，一。) r 。c 。一- 9 ) r e q 2 r l + 二 芦+ 【1 一d ) r d 3 1 9 从上式可以看出，对于参数固定的电路，等效电阻k 。只与占空比d 有关， 也就是说，完全可以通过控制触发脉冲，调整开关管的占空比，来调节转换电路 的等效电阻，从而实现最大功率点跟踪控制。 3 4 最大功率点跟踪的算法 上一节分析了d c d c 转换电路可以通过改变占空比来调节等效电阻，达到最 大功率点跟踪的功能。正如3 2 所说，在线测电阻是很困难的，往往是测电压。 具体的实现方法有多种，也各有不同的优缺点。 ( 1 ) 定电压跟踪法 从图3 3 可以看出，在不同的日照强度下，各曲线的最大功率基本是分布在 一条垂直线的两边，大致对应于某个恒定电压伫7 】。这样就极大地化简了m p p t 的 控制设计。只要从厂商处获得v 。值，控制光伏阵列的输出，使电压钳位于这个 值即可。在有些可调度系统中，甚至直接利用并于光伏阵列的蓄电池进行钳位， 将一定数量的蓄电池串联，使其电压大约等于光伏阵列的v ，从而省去了控制 部分。因为该法简单可靠，易实现，系统具有很好的稳定性，早期多采用这种方 法。但这种方式忽略了温度对阵列的影响，而且不够精确。随着电力电子技术的 发展，其简单性与其造成的能量损失相比已很不经济。 ( 2 ) 扰动法 扰动法也是常用的方法之一。其原理是先给出一个扰动值u ，再测量功率 的变化，若功率增加，表示扰动方向正确，可继续朝同一方向扰动。若扰动后的 2 1 江苏大学硕士学位论文 功率小于前值，则反相给出扰动值一u 。这种方法的最大优点就是结构简单，被 测参数少。但是即使到了最大功率点，扰动仍在，在最大功率点附近振荡运行， 导致部分功率损失。同时初值和扰动电压u 对系统快速性和精度有很大的影 响，但又不是很好确定，如果选不好，系统容易失控。扰动法的程序框图见图 3 1 1 。 图3 - 1 l 扰动法流程图 ( 3 ) 间歇扫描法 这种方法是在定压跟踪法的基础上得来的，只是用定时的扫描代替了从厂商 处得来v 峨。值。这种方法的思想是定时扫描一段阵列电压，同时记录下不同电压 下对应的电流值，经过比较不同点的太阳电池阵列的输出功率就可以方便地得出 最大功率点，而不需要一直处于搜寻状态。 这种间歇扫描方法测定所需要的时间只是毫秒级( 5 - 1 0 m s ) ，而定时扫描的 时间间隔可以放宽至秒级。通过扫描计算出在该日照及温度条件下的最大功率及 其相应的电压v 并实时控制p w m 的输出以使系统工作在与该v 相应的工作 2 2 江苏大学硕士学位论文 点上。这种方法一般不会产生振荡。在太阳电池阵列容易产生遮挡的应用中，如 光伏建筑、太阳能汽车、太阳能游艇等，这种肝p t 方案具有较高的应用价值。 这种方案的最大缺点是在需要有连续输出的光伏系统中如光伏水泵、不可调度式 光伏并网系统无法应用。同时该方法需要有较大的存储空间和运算能力。 ( 4 ) 电导增量法 本系统采用电导增量法，下边详细地分析电导增量法的工作原理 电导增量法阱，2 9 1 是基于这样的原理：光伏电池阵列的p - v 特性中，在最大 值p 眦处斜率为零。由于 p = u i ( 3 2 0 ) 竺：i + u 旦：0( 3 2 1 ) 得出 d ii d uu ( 3 2 2 ) 式( 3 2 2 ) 为要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电 导的负值时，阵列工作于最大功率点。若不相等，则要判断d p d v 是大于零或小 于零。该控制方法的程序流程如图3 1 2 所示。 图中v 。、i 。为新检测的电压、电流值，v 。、i 。为原存储器中的旧值。程 序读进新值后先计算与旧值之误差，再判断电压差值是否为零；( 因后面做除法 时分母不得为零) 若为零则再判断电流差值是否为零；若都为零则表示阻抗一致， 扰动值d 值不变。若电压差值为零，电流差值不为零，则表示照度有变化，电流 差值大于零d 值增加；电流差值小于零d 值减少。再来讨论电压差值不为零时， 式( 3 - 2 1 ) 是否成立将是关键，若成立则表示功率曲线斜率为零( 达最大功率点) ， 若电导变化量大于负电导值，则表示功率曲线斜率为正，d 值将增加：反之d 值 将减少。 江苏走学硕士学位论文 图 3 1 2 电导增量法流程图 电导增量法算法在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行a d 转换，但这 对现在的快速d s p 芯片来说已不成为问题。其