（电力电子与电力传动专业论文）1kw光伏并网发电系统的实现.pdf

a b s t r a c t a1 k wp vg r i d c o n n e c t e dp o w e rg e n e r a t i o ni n v e r t e ri sd e s i g n e di nt h i s p a p e r t h ec o n t r o l m e t h o d so f m p p ta n di n v e r t e ra r ed i s c u s s e da n ds t u d i e d i nd e t a i lb a s e do nt h i sc i r c u i t t h ew h o l ec o n t r o lo fs y s t e mi si m p l e m e n t e d b a s e do nd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ei n v e r t e rc a n w o r kr e l i a b l eu n d e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n t 1 i nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fs o l a rc e l li s a n a l y z e di nd e t a i l t h em o d e lo fs o l a rc e l li sb u i i ti sp s p i c es o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ei ve q u a t i o no fs o l a rc e l l t h em o d e lc a ns i m u l a t e a n yp o w e rp h o t o v o l t a i ea r r a ya n dc a nb eu s e di n p vp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e mt os i m u l a t er e a lp vc h a r a c t e r i s t i c s s o m e p tc o n t r o lm e t h o d s a r es t u d i e da n dt h et w o - m o d em p p tc o n t r o li sa p p l i e df o rt h ep v g r i d c o n n e c t e dg e n e r a t i o ns y s t e m 2 i nt h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e r at w os t a g ed c d c a ci n v e r t e ri s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f1 k wp va r r a y t h ei n v e r t e r c a nw o r ka ts t a n d 。a l o n em o d ea n dt h eg r i d c o n n e c t e dm o d ea c c o r d i n gt o t h ec h o i c eo fu s e r t os a t i s f yt h ei n v e r t e ro u t p u tp o w e r ，t h ei n s t a n t v o l t a g ec o n t r o lm e t h o di su s e di ns t a n d a l o n em o d ea n dt h ei n s t a n t c u r r e n tc o n t r o lm e t h o di su s e di nt h eg r i d - c o n n e c t e dm o d e 3 i nt h et h i r do ft h i sp a p e r 。t h ec o n t r o lo ft h ea b o v ei n v e r t e ri s i m p l e m e n t e db a s e do nt h ed s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ab a s e do nt h ei n v e r t e rd e s i g n e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h ei n v e r t e rc a r lw o r kr e li a b l ea ts t a n d a l o n e m o d ea n dg r i d c o n n e c t e dm o d e 4 i nt h el a s to ft h i sp a p e r ，a l lw o r ko ft h i sp a p e ri sl i s t e da n dt h e f u t u r er e s e a r c hp l a ni sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：s o l a rc e l lm o d e l ，m p p t ，g r i d c o n n e c t e d ，i n v e r t e r ，i n s t a n t c u r r e n tc o n t r o l ，d s p v 1 1 太阳能应用的背景 第一章绪论 能源是人类不断发展和进步的动力，人类不断地从自然界探索和获取能源以 满足以其生存和发展的种种需要，能源的利用水平映射出人类文明发展程度。但 在传统的能源结构中，人类主要利用的一次能源是石油、煤炭和天然气等化石能 源。这些化石能源经过人类数千年的消耗，能源危机已经展现在人类的面前。在 2 1 世纪初进行的关于世界能源数据的调查显示，石油的可开采量为3 9 9 年，天 然气可采量为6 1 年，煤炭的可采量为2 2 7 年。可见能源问题的紧迫性u 1 。 同时，从环境的角度看，大量化石能源的开发和利用，已经对人类的生态环 境带来严重和后果。c q 是大气中最主要的温室气体，而化石能源的燃烧是c o , 的主要排放源，全世界每天约产生1 亿吨温室效应气体，如果不对温室气体采取 减排措施，人们预计，全球平均气温每1 0 年将升高0 2 0 c ，到2 1 0 0 年全球平均 气温将升高1 3 5 。c ，这将对人类生存空间带来极大的威胁。 鉴于以上原因，开发新能源和可再生能源势在必行。太阳能因其分布广泛、 可以再生、不污染环境自然成为国际社会公认的理想替代能源，根据国际权威机 构预测，到2 1 世纪5 0 年代，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结 构中的1 3 1 5 ，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于5 0 。太阳能将 成为2 l 世纪最重要的能源之一”1 。 1 2 光伏发电应用现状及研究的意义 太阳能的转换利用方式有光一热转换、光一电转换和光一化学转换等三种形 式。接收或聚集太阳能使之转换为热能，是光一热转换的基本形式；光一化学转 换尚牌研究试验阶段，这种转换技术包括光伏电池电极化水制成氢、利用氢氧化 钙和金属氢化物热分解储能；光一电转换是利用光生伏打效应原理制成光伏电 池，将光能直接转换成电能加以利用。“光伏发电”是将太阳光的光能直接转换 为电能的一种发电形式如。 1 2 1 国外光伏发电应用现状 自1 8 3 9 年法国物理学家a e 贝克勒尔( b e c q u r e l ) 发现“光生伏打效应” ( p h o t o v o l t a i ce f f e c t ) ，到1 9 5 4 年在美国贝尔实验室第一次做出光电转换效 率为6 的实用单晶硅光伏电池，开创了光伏发电的新纪元h 3 。从此光伏电池技术 及其应用得到了日新月异的发展。表l 一1 为近几年来光伏电池的年产量增加情 况，平均年增长达5 0 以上，充分说明了当今光伏发电极高的发展速度和巨大的 市场潜力。 表1 12 0 0 0 - - 2 0 0 4 年世界光伏电池年产量 1 年份( 年) 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 i 产量( 姗) 2 8 7 6 5 3 9 0 55 6 17 4 2 2 1 2 5 0 2 0 世纪8 0 年代以来，世界各国特别是发达国家相继投入大量的人力、物力 开展对太阳能、风能、地热能、生物能等新型可再生能源的研究、开发和利用工 作。并制定相应的光伏发电系统的发展计划。1 9 9 0 年德国政府率先推出“一千屋 顶计划01 9 9 8 年进一步提出1 0 万套屋顶计划。日本政府1 9 9 4 年开始实旌“朝 日七年计划”，总容量1 8 5 i 哪p ，1 9 9 7 年又宣布实施“七万屋顶计划”，总容量 2 8 0 m w p 。意大利1 9 9 8 年实行“全国太阳能屋顶计划”，总容量5 0 m w p 。在这类系 统中，规模最大的是1 9 9 7 年6 月美国宣布的“百万太阳能屋顶计划”，到2 0 1 0 年将安装1 0 1 4 万套光电系统，总安装量3 0 2 5 m w p 。表所示为2 0 0 0 2 0 0 4 年五年 内世界光伏器件的年产量数据，从中可以看到近五年光伏产品需求的强劲上升势 头，年平均增长率超过5 0 。充分说明了该产业的迅猛发展态势。美国能源部预 测，在今后十年内世界太阳电池销售量将以年均3 0 的速度增长，到2 0 1 0 年将达 到4 6 g w p ，累计容量将达到2 0 g w p 口1 。 同时，各国一直在通过改进工艺、扩大规模、开拓市场等手段来降低光伏电 池的成本，提高电池组件的光电转换效率。美国能源部于1 9 9 0 年启动光伏制造 技术的产业化计划，并成立国家p v 中心取得了明显的成果：商品化晶体硅光伏 组件的光电转换效率达到1 2 1 4 ；生产规模从过去的i 5 m w p 年发展到5 2 0 i 唧p 年；而生产成本从2 0 0 0 年以来降低了3 2 以上，市场价格大约在3 美元 w p 4 美元w p 左右。表1 2 、表1 3 分别为单晶硅和多晶硅光伏电池组件 成本和光电转换效率变化趋势预测。1 ，表明电池成本不断下降而其转换效率将不 断提高的发展趋势。 2 表1 2 电池组件成本变化趋势( 单位：美元) 年份 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 02 0 1 0 单晶硅 3 2 5 2 4 1 5 01 2 0 多晶硅 3 0 02 2 51 5 01 2 0 表1 3 电池组件转换效率( ) 年份 1 9 9 52 0 0 02 0 1 0 单晶硅 1 51 82 2 多晶硅 1 41 62 0 1 2 0 国内光伏发电应用现状 我国于1 9 5 8 年开始对光伏电池的生产和应用进行研究，1 9 7 1 年成功将其应 用到东方红二号卫星上。由于受到价格与产量的限制，市场发展很慢，太阳能电 池的年产量一直徘徊在i o k w ，左右。除了作为卫星电源，在地面上太阳能电池仅 用于小功率电源系统，如微波中继站、军队通信系统、铁路信号系统、小型户用 系统及偏远地区的供电嘲m 。在1 9 8 1 年1 9 9 0 年间，我国的光伏工业得到定的 巩固与发展，并在一些应用领域建立了示范工程。同时，国家也加大了对光伏发 电系统研究及生产的投入，先后从国外引进了多条太阳能电池生产线，除了一条 1 m w p 的非晶硅电池生产线外，其余全部是单晶硅电池生产线，使我国太阳难电池 的生产能力由每年的i o k w p 发展到4 5 m w ，售价也由8 0 元w ，下降到4 0 元w p 左 右3 。随着国家对光伏产业的不断重视，我国光伏电池的总装机容量和生产能力 有较大的提高，到2 0 0 5 年全国光伏组件装机量已达7 0 m c p ，光伏电池的制造能力 也已超过2 0 0 m w p ，生产企业有十多家n ”。尽管如此，与世界光伏产业发达国家相 比还有很大的差距，目前光伏应用比较广泛的国家光伏总装机容量已接近或达到 5 0 0 m w 的规模黯】。造成这种差距的原因，除了一些历史因素外，主要原因应包括 如下几个方面： 光伏电池价格昂贵，国家相应的政策支持力度不够。尽管光伏电池的成本从 原来的8 0 元w p 左右，下降到现在的4 0 元w , 左右，但构建一定功率的光伏发电 系统的成本还是极为昂贵，如果国家没有一个较为优惠的政策支持下，如此高的 价格必将成为很大的制约因素之一； 基础产业较为薄弱，光伏电池所必须的硅材料大量依靠进口，从而使我国光 3 伏电池成本居高不下； 国内生产厂家规模普遍较小，自动化程度低也是导致光伏电池价格高的主要 原因之一。所以总体来说国内光伏电池的质量不如国外产品，但其价格却高于国 外同类产品m 。 针对我国可再生能源的应用与研究现状，2 0 0 5 年2 月2 8 日可再生能源法 在十届全国人大常委会第十四次会议上获表决通过，并于2 0 0 6 年1 月1 日起正 式实旌“”。该法明确了各类可再生能源开发利用主体的权利和义务，确立可再生 能源发展目标和规划的法律地位，规定了可再生能源并网发电审批和全额收购制 度、可再生能源上网电价与费用分摊制度及可再生能源专项资金和税收、信贷鼓 励政策。同年1 0 月，在上海召开的“第十五届国际光伏科学与工程大会”上， 国外专家基本达成共识“：太阳能光伏发电是目前已知发电方式中最清洁、最安 全，潜力最大的新兴发电方式，在未来1 5 年左右的时间内，光伏发电成本将持 续降低到可与常规发电成本相竞争的水平。这些政策的出台和共识的达成无疑确 立了可再生能源在国民发展中的重要地位，明确了可再生能源的发展方向，对可 再生能源包括光伏发电的发展具有巨大的推进作用。但到目前为止，我国光伏并 网发电的关键技术及设备主要来自进口，面对巨大的国内需求，大力研发具有自 主知识产权的相应高技术具有重要的战略意义和市场价值。对太阳能的转换技术 和应用装置的研究无疑成为光伏发电中最热门的课题。 1 2 3 研究的意义 通过上述分析，在当今能源日益紧张的大环境下，太阳能作为一种巨大的可 再生能源，不仅是近期急需的能源补充，也必将是未来能源结构的基础。无论从 经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视， 还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发和利用太阳能都具有重大的战 略意义。 i 3光伏发电系统基本构成及其工作模式 1 3 1 光伏发电系统的基本构成 太阳能光伏发电系统的典型结构框图如图卜1 所示，主要由光伏阵列、直流 变换与控制系统、储能系统与逆变器四个部分组成。 4 ( 1 ) 光伏电池阵列 光伏电池是组成太阳能光伏发电系统的最小单位，单个光伏电池功率较小， 最大输出功率不超过5 w p ”1 ，为满足不同等级负载供电需要，人们将光伏电池串、 并联后统一封装构成光伏模块( p h o t o v o l t a i cm o d u l e ，p v ) ，这是目前光伏器件 的主要存在及应用方式，用户可根据需要构建1 0 w 到3 0 0 w p 的光伏模块。因大功 率光伏模块安装、维护方便，因此在光伏发电系统中2 0 0 w p 以上的光伏模块更受 欢迎。如果光伏发电系统中所需功率超过光伏模块功率，则需要根据光伏发电系 统的功率要求，将同规格的光伏模块串联起来构成光伏阵列( p va r r a y ) 为系统 提供更高的输出功率和输出电压。 图1 - - l 光伏发电系统基本结构框图 ( 2 ) 直流变换及控制系统 直流变换部分作用主要是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。同时由于光伏阵列输出特性的特殊性，其输出功率为日 照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大输出功率跟踪( m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 闯题。如果不加以控制直接用于给负载提供能量，则很 难有较好地发挥光伏模块转换效率。为此，控制系统除了完成对d c d c 变换和 d c a c 变换所需的基本控制外，还需在d c d c 变换环节中增加m p p t 控制，以实 现光伏阵列的最大功率输出。具体内容在第二章作详细介绍。 ( 3 ) 逆变器 光伏电池发出的只能是直流电，而包括电网然内的许多用电场合需要交流 电，因此d c a c 逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节。它的功能是受控制 系统控制，将直流转变为与交流电网或本地交流负载相匹配的交流电。该环节的 s 主要指标要求是变换的高可靠性和高转换效率。目前我国在小功率逆变器上与国 外处于同一水平，但在大功率逆变器上差距较大口1 。 ( 4 ) 储能系统 光伏发电系统只有在白天有阳光时才能发电，而人们的一般用时间会在晚 上，所以储能单元( 主要是蓄电池) 可以在白天将太阳能储存起来以供人们夜间 使用，同时也可作为交流电网断电时不间断电源( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e r s u p p l y ， u p s ) 的功能，为本地重要交流负载供电。这种包括蓄电池作为储能环节的光伏 发电系统称为“可调度式光伏交网发电系统”。尽管这种系统在功能上有很多的 优点，如作为u p s 、有源滤波、可根据运行需要控制并网输出功率以实现一定的 电网调峰功能等，但增加了储能环节后，系统成本增加、蓄电池的寿命短、体积 笨重及必须回收处理等缺点极大地制约了可调度光伏并网发电系统的广泛应用。 所以目前这种形式应用较少口1 ，而用得较多的是“不可调度的光伏并网发电系统”， 其结构框图如图i - 2 所示，与“可调度式光伏并网发电系统”不同的是它不含蓄 电池组储能环节。本文主要讨论并实现的对象是对不可调度的光伏并网发电系 统。 图l 一2 不可调度式光伏并网发电系统结构框图 另外，由于光伏模块输出电压和系统的功率等级有关，要更好的发挥光伏模 块的效能需根据光伏阵列的输出电压选择合适的光伏发电系统的拓扑结构。根据 光伏系统功率情况，目前逆变器主要有集中式逆变器、集成式逆变器、串型逆变 6 图1 - - 3 ( a ) 集中式逆变器结构 一 图1 - - 3 ( c ) 串型逆变器 图1 - - 3 ( d ) 多重串型逆变器结 图1 3 各种逆变器结构 器以及多重串型逆变器四种拓扑结构，其结构原理框图如图1 - - 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 和( d ) 所示。每种结构都有其优缺点，表1 4 给出了这四种逆变器拓扑结构的 特性比较r 1 4 。 表1 4逆变器特性表 逆变 嚣 集中式集成式串型多重串联型 指标 w 广t 甲 集中式独立式独立式独立式 功率等级栅 输出电压在图2 3 ( a ) 中的a 点以前，输出电流近似为光伏电池的短 路电流，呈现出恒流特性，而当电压超过a 点后，输出电流迅速下降， 呈现出恒压特性； 输出功率随输出端电压的上升近似线性上升，当输出电压达到一定值时， 输出功率开始下降，下降速度比上升更迅速，直到输出开路，u = 。即 光伏电池存在输出最大功率点( m a x i m u mp o w e rp o i n t ，m p p ) ，且最大 功率随光照强度s 的变化而变化，s 越大，m p p 上移； 在结温一定的条件下，当光照强度变化使输出功率发生变化时，最大功 率点对应的输出电压值基本不变，近似为如图2 - - 3 ( b ) 中b 点电压， 其值约为开路电压的7 6 左右，对应最大功率点时的电流约为该光照条 件下电池短路电流的9 0 唧“。 从图2 4 ( a ) 、( b ) 同样可以看出，在太阳光照强度一定的条件下，当环境 温度发生变化时光伏电池的输出特性： 温度对光伏电池的输出短路电流影响不大，温度上升，输出短路电流略 有增加；而电池输出工作在恒流区的电压变化范围从图2 4 ( a ) 可清 楚看出，随电池温度的上升而减小，温度0 0 c 上升到7 5 0 c ，拐点从a 下 降到b ，且电池输出开路电压也同样随温度的上升而下降。 输出功率总的变化趋势与不同光照条件下的变化相似，但其输出的最大 功率点却随电池温度的上升而下降，且最大功率点所对应的电压也随之 下降。 综上所述，太阳能电池的输出特性与太阳光照强度、环境温度有着密切的关 系，它们之间是种非线性的函数关系。当光照强度或电池结温发生变化时，其输 出电压、电流及输出功率会发生较大的变化，特别是其输出功率存着最大功率点， 且随着光照强度和电池结温的变化而发生变化，为此在进行光伏电池发电应用 时，必须考虑此特性进行电路设计，从而当电池环境条件发生变化时迫使电池有 最大的功率输出，即进行最大功率点的跟踪控铝i ( m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n g ， m p p t ) ，保证电池最大的能量传送效率。 2 3 基于物理机制的光伏阵列仿真模型 前面已对光伏电池的发电机理及v i 输出特性进行较好的讨论，并给出基 1 5 于物理机制的光伏电池v - - i 数学表达式，见式2 8 。为更好地描述光伏电池特 性，理解光伏电池输出与光照强度s 、电池结温t 等环境参数的关系，根据式2 8 及相应参数，利用o r c a d 电路仿真软件中的模拟行为模型( a n a l o g y b e h a v i o r a lm o d e l i n g ，a b m ) 建立单个光伏电池的仿真模型，并在此基础上建 立光伏阵列的电路仿真模型。 2 3 1o r c a d 仿真软件的模拟行为模型1 利用模拟行为模型实现复杂系统的建模是0 r c a d 仿真软件的一个特点之一， 也是对高层次电路进行仿真的基础。在通常所用的原理性电路仿真模型的建立与 仿真中，要求对模型的结构与参数均有明确的物理意义，但在实践中其中的许多 参数往往难于获得，而借助默认值又影响模型的精度，所以建模比较困难。而所 谓“行为性模型”完全忽视器件本身的内部构造和电路结构，只对系统的输入输 出特性进行分析，利用适当的数学方程、表格或以框图的形式进行建模。利用这 种方法建立的模型可以看作是将器件的输入和输出之间的关系用数学公式一一 传递函数进行描述的模型。行为建模的核心是根据器件的外部观察到的行为而不 是根据对内部物理过程的描述来建立器件或系统的模型。 行为模型提供了一个利用传递函数、查表和子电路建立电子器件模型的方 法，换句话说由于利用数学关系来进行子电路的建模，从而避免了利用一个个器 件组合成模型的方法。当要建立的模型不包括在软件的内建模型进行扩展时，就 可采用软件中的行为模型进行建模。 为了便于功能建模，在a b m 中有一系列扩展函数，如时域表达式( v a l u e ) ， 表格( t a b l e ) 、频域的传递函数( l a p a l a 6 e ) 和频率o _ 青呻 响应( e f r e q ) 等模块。本文主要利用了时域表达式斗昔妊缈 ( v a l u e ) 模块建立光伏电池仿真模型。其模型符号如 图2 - 5a b m 库中的 图2 5 ，v a l u e 的模板为： v a l u e 模块电路符号 e 八 r e f d e s o u t + o u t v a l u e ( e x p r ) 表示模块o u t + 、叫t 一之间输出的值= e x p r 所表示的表达式的值。例如表 达式e x p r = ( v ( i n + ) * s i n ( 6 2 8 v ( i n 一) 灯i m e + 6 2 8 3 ) ) 实际上定义了一个 正弦函数v o - - v s i n ( 6 2 8 f , t + 6 2 6 3 ) ，其中幅值v - 为连接器件输入正端( i n + ) 的电压，频率f 为接于器件输入负端( i n 一) 的电压。 1 6 2 3 2 单个光伏电池的仿真模型 结合图2 2 ，式( 2 8 ) 中u + 憾即为二极管d 两端电压，也是电阻如 两端的电压。对式中各项分析可以看出： ，二 _ 相当于受s 控制的压控电流源 “1 0 0 0 g ( r z t 胛) 一相当于受t 控制的压控电流源 而第三项即流过二极管的电流厶，也相当于一个受t 和控制的受电流源， 口垦_ 坠 其值为厶= c 0 即”0 ”一1 ) 。 根据上述分析，利用o r c a d 仿真软件中受电流源模块和e v a l u e 模块即可建 立光伏电池的仿真模型，如图2 6 。图中s 端为模拟光照输入，t 输入作为电池 温度的变化；g 3 和e v a l u e 模块e 2 构成二极管支路，其中e 2 的表达式设为： 生! ! 坐2 e x p r = c d x v ( 1 6 ) 3 x e “v ( 1 6 ) 0 “一1 ) v ( 1 2 ) 、v ( 1 6 ) 为图2 - 6 中节点1 2 、节点1 6 的电位，即v d 和t + 2 7 3 。 图2 7 为对应光伏电池的p s p i c e 模型库符号，图2 8 为实验测试电路( 图 中p a r a m e t e r s = r v a l ) ，r v a l = o 0 0 0 1 1 0 0 ，i n c r e m e n t = o 0 1q ) 。 u 2 p v 图2 7 p s p i c e 模型库封装 v 1p a r a m e t e r s ： _ 0 图2 8 仿真实验电路 ( 1 ) 在光照强度不变( 设s = 1 0 0 0 w m 2 ) ，电池温度t = 2 5 0 c 、5 0 0 c 、7 5 0 c 三种 条件下，当负载发生变化时，输出电流i ( v 1 ) 对应输出电压v ( o ) 仿真结果如图2 1 7 一9 所示；图2 一1 0 为此时输出功率w ( r 3 ) 对应v ( o ) 的仿真结果。 卜l - 卜卜卜 _ 估：二仕：，_ 。：，二：_ 一卜 ： l 0 ，说明光伏工作于最大功率点的左侧，则应在下一扰 动周期继续保持当前的扰动方向，增大光伏电池输出端电压；反之，若输出功率 减小，即d p d v 当环境条件变化剧烈时有可能导致跟踪失败如“。 3 电导增量法( i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c e ) ”1 通过图2 6 、图2 7 光伏电池的p v 曲线可知，最大功率点p 。处的斜率 为零，即万t i p = 0 ，所以有 竺：生型：i + 矿堕：0( 2 1 0 ) d yd yd v 一d 三 ( 2 一1 1 ) d vv 也就是说，当系统输出电导的变化量等于输出电导变化量的负值时，光伏电 池工作在最大功率点。 与p & o 法相比“”，增量电导法控制精确、跟踪速度快；因其能较好地测定 m p p ，因而基本可以消除p 0 法中因扰动而产生的最大功率点附近的功率振荡现 象。但该方法对硬件的要求较高，特别是传感器的测量精度要求较高，且系统的 响应也应足够快才能满足其控制要求，所以相应的硬件成本也将提高。 2 4 2 双模式i v i p p t 控制技术 m p p t 控制方法很多，每种方法总有其一定的适用范围，本课题小组在光伏发 电系统实现中，在综合上述方法优缺点的基础上，采用了把固定参数法和扰动观 察法的优点相结合的双模式m p p t 控制方法作为系统控制的实现，实验结果表明 该法实现m p p t 方便有效。 1 双模式m p p t 控制的工作机理 根据前面所述，固定参数法在光伏电池结温变化不大的情况下，当太阳光照 强度发生较大的变化时，能简单、稳定可靠地控制电池阵列获得最大的功率输出。 但由于电池的结温、本身特性不稳定，这种控制方法精度较差，电池效率不高； 而扰动观察法，相对控制精度较高，但因需周期性的扰动而存在最大功率点附近 的功率振荡现象，且系统的响应速度和振荡幅度的大小与所加扰动量的大小有着 密切的系统：扰动量越大，系统响应速度越快但振荡越大；减小扰动量，可以较 好地减小振荡，但会使系统响应速度下降，且当光照强度发生剧变时易导致m p p t 失败。 为了更好地实现对光伏阵列的最大功率点跟踪控制，结合固定参数法和扰动 观察法的优点：在光照强度变化较大时采用固定参数法进行控制，避免扰动观察 法可能带来的跟踪失败，而在最大功率点附近时，进行扰动观察，以达到较好的 控制精度。具体实现方法如下： 如图2 2 1 所示，是光伏器件输出功率、电流与输出电压的特性曲线，从图 可以看出，在b 点，输出电压和输出功率为零，此时光伏电池输出处于短路状态， 输出电流即为其短路电流。随着输出电压的上升，输出功率也随之上升，但输出 电压上升到a 点以前，光伏电池输出电流近似等于短路电流，即电池表现为恒流 特性。当电池工作点超过a 点后，输出电流迅速下降，而电池输出电压与输出功 率继续上升，直到电池的最大功率点m p 。然后，随着输出电压的上升，电池的输 出功率与输出电流均迅速下降。因此，在l i p 左侧并偏离m p 一定距离点( 如图2 - - 2 1 中的c 点) 所测得电池的输出电流近似为光伏阵列的输出短路电流i 。根 据2 2 1 中分析，最大功率点时的电流近似为短路电流i 。的9 0 ，即得到了固定 参数法所需要的目标参数。以此为控制目标即可实现初步的最大功率跟踪控制。 2j 。 b 卜r r c 卜一 _ a r r 0 r 3 a - i ；i i ：! i 十卜 ：碧1s o i： l 荨；亨：i t ：善喜举 十井 。j = 躐 寸r 一 、a ! ii 砥 一 ；多 7 哆卜卜 卜o | p 鬻 图2 2 1 光伏阵列功率、电流特性曲线 但由于固定参数法的控制精度不高，所以当达到这一控制目标后，为使电池 有更好的转换效率，继而采用扰动观察以提高控制精度。与传统的扰动观察法不 同的是，由于此时的扰动只需考虑最大功率点附近的稳定性，因此扰动步长只需 根据最大功率点的稳定性要求进行选取。由于该步长远小于传统扰动观察法中的 扰动步长，因此稳态时可有效降低系统在最大功率点附近的振荡现象m 1 。 2 控制流程及实验结果 2 5 根据前面分析，图2 2 2 给出了双模式m p p t 控制策略的流程图。 首先判断系统是否工作在最大功率点的左侧，图2 - 2 1 中b a m p 区间：若 a p i a v 0 且a v 0 ，则系统工作在m p 点的左侧，否则工作在m p 点的右侧，并 改变功率管的占空比以使系统工作点移到抑的左侧恒流区； 然后判断工作点是否在i i p p 附近，若是，则进入扰动观察控制，若不是，则 图2 - 2 2 双模式m p p t 控制流程图 根据得到的短路电流，进行固定参数法m p p 控制，判据为相邻两次电流的采样值 是否近似相等。若较接近，则当前系统工作于恒流区，该电流值即为电池短路电 流，以此计算得到最大功率点电流i 。，进行固定参数法m p 町控制。若两电流相 差较大，则系统已工作在m p p 附近，程序转入扰动观察控制； 上述过程不断重复，直到连续两次光伏系统输出功率采样误差p = o ，此时 系统己工作在最大功率点。 图2 - 2 3 给出了验证该控制方法的实验原理图。图中光伏器件p v 由三块相同 的光伏模块串联构成，光伏模块参数如下： 开路电压：2 1 0 v 最大输出功率点对应输出电压：1 7 0 v 短路电流：4 2 a 最大输出功率点对应输出电流：3 5 3 a 最大输出功率：6 0 w 2 6 图2 - 2 3 双模式i v i p p t 控制原理图 图2 2 4 给出了实验波形。图中曲线1 、2 分别是光伏模块输出电流及电压曲 线。实验结果表明短路电流结合小步长扰动观察法具有良好的动态性能和稳态性 能，能较好地满足m p p t 控制要求。 1 n r l。1 1 |l 1rr _ 盯1 1 j pi ”t | 礓“h 图2 - 2 4 日照强度突变时双模式m p p t 控制 输出电压、电流实验 第三章光伏并网发电的主电路拓扑及控制技术 在绪论中，已经较详细地阐述了光伏并网发电系统的一般构成，见图1 - - 1 所示。从这个结构框图可知，组成一个光伏并网发电系统的关键技术除了需要选 用一个行之有效的m p p t 控制技术之外，必须考虑主电路结构特性及其控制策略， 以使系统稳定可靠高效运行。下面就系统的主电路拓扑结构、控制策略作详细的 分析。 3 1 主电路拓扑结构 由于光伏模块的输出功率受外界环境影响较大，且光伏模块输出电压低，实 际应用中需将光伏模块串联以获得较高的电压。但模块特性的相异和所处环境不 同，即使光伏发电系统所用模块采用相同的产品，也不能使系统中全部光伏模块 工作在最大功率点，从而不能充分发挥光伏电池的效率，造成了资源的浪费。因 此研究性能优良、能充分利用光伏电池输出的光伏发电系统拓扑结构是光伏并网 发电需解决的关键问题之一。理想的发电系统应该具有如下几方面的特点陆1 ： 能较好地实现d c - a c 变换，产生高质量的电能，以减轻电网的谐波污染； 能较好地给本地负载提供电能，以缓解日趋紧张的用电压力，并还能向 电网输送过剩电能，缓解电网压力；。 较高的传送效率和较低功耗； 结构简单、较少的器件、紧凑的模块设计；能适应较大的输入电压变化。 当前分布式发电系统中，按照电路变换的过程分为单级逆变器和多级逆变 器。按是否带电气隔离又分为隔离型结构和非隔离型结构。 3 1 1 单级逆变器 单级逆变结构要求逆交器能同时实现m p p t 控制、逆变等多重控制。它的输 入端与光伏器件直接相连，通过单级逆变器将光伏阵列输出的直流电直接转换成 与电网同频、同相、同幅度的工频交流电。因它具有电路简单、元器件数少、高 效低功耗及高可靠性等诸多优点，在满足系统性能要求的情形下，单级拓扑结构 将会是首选哺 。图3 - 1 是传统的带工频变压器的单级逆变器。但由于工频变压器 体积大而笨重，因而在小功率分布式发电系统中逐渐被高频变压器或无变压器的 拓扑结构所代替嘲。 图3 - 1 带工频变压器的单级逆变器原理图 图3 2 是一种无隔离的单级逆变结构，它把两个相同的b o o s t 变换器的输入 与直流电源并接，而负载跨接在这两个变换器的输出端。工作时两b o o s t 电路轮 流工作输出半个工频周期的正弦调制波，而在负载上得到的是完整的工频交流 电。因无工频变压器，所以需要有足够的光伏输入电压，以满足负载电压或并网 的需要”1 ”。 图3 - 2 四开关b o o s t 逆变结构图 图3 3 是另一种带隔离的单级逆变结构图，由两个相同的b u c k b o o s t 电路 构成。它用反激式变压器t 代替原来贮能电感，一方面这个反激式变压器完成贮 能续流的功能，同时也起到输入直流与输出交流问的电隔离的作用。工作原理类 似于图3 2 电路，两b u c k b o o s t 电路轮流工作，在负载获得完整的工频交流电。 通过上述分析可知，由于消除了低频变压器，这种单级变换器结构形式紧凑 简单、高效低耗，但这种拓扑常受到功率、输入电压的限制，且输出电能质量不 高。据观察滔3 ，在这种变换器中，流过主功率开关的电流通常是不连续的三角波， 而且，即使工作在连续电导模式( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，c c 岫，通过功率 图3 3 带隔离的四开关b u c k - b o o s t 逆变原理图 管的电流也不能被控制。考虑到系统的费用和体积，这种拓扑不适合在大功率发 电系统中使用，避免较大的峰值电流使功率开关管承受较大的电流应力。因此在 大功率、宽输入电压的场合往往使用多级逆变拓扑结构。 3 1 2 多级逆变器 与单级变换器不同的是，多级逆变器并非直接把光伏输出电压送逆变器进行 逆变，而是在逆变的前级先将光伏输出电压进行变换，使变换后的直流能满足后 级逆变负载或并网的需要。所以多级逆变拓扑可以看作是一个两级变换结构，它 的第一级可以为d c d c 变换器，也可以是一个d c a c - d c 的变换器，主要用来完 成光伏阵列的m p p t 控制，并把光伏输出电压变换成能满足逆变需要的直流电， 而第二级则把变换后的直流电进行逆变输出给负载或反馈给电网。电路框图如图 3 4 所示。 图3 - 5 给出了一种常用的两级变换拓扑结构，其第一级为一个b o o s t 电路， 主要实现对电池阵列的最大功率点跟踪控制及对电池输出电压的升压；第二级为 全桥高频b u c k 逆变器，完成把直流逆变为负载需要的交流电。这种拓扑结构简 单，电路成熟，前后级之间相对独立分别控制，无需同步，在小功率分布式发电 系统中有较多的应用。考虑到d c 与a c 环节间没有电隔离，所以不宜在需要隔离 3 0 的场合使用。 图3 - 5 两级b o o s t 逆变器原理图 对具有较高升压比的多级逆变器，一般前级需要将变化的d c 电压变换成可 控的d c 电压，然后由高频或工频逆变器将其逆变成负载所要求的a c 。这种结构 可看成是d c - a c d c - a c 结构形式，图3 6 ，图3 - 7 是较为典型的两种d c - a c d c - a c 拓扑结构。图3 6 中光伏输出电压经第一级逆变成为高频交流电，经高频升压变 压器升压、整流和滤波得到逆变器所需的直流。该结构前后两级均工作在高频开 关状态，大大减小了高频变压器的体积和输出电流谐波。但因工作频率较高而带 来较大的开关损耗。与图3 - 6 拓扑不同的是，图3 - 7 中间无直流滤波环节，所以 输入逆变器电压的为单向正弦调制波；同时最后级逆变工作于工频状态，以降低 开关损耗，但这给输出滤波器的设计带来了困难r a o 。 jp 口o “ ? 颠 3 一_ o ao 链的多级b u c k b o o s t 逆变器 jo l - 簇 3 。 】o o 图3 7 输入为正弦半波的多级b o o s t 逆变器 通过上述分析可知，尽管单级逆变器有结构简单、元件数少、转换效率高等 3 l 诸多优点，但其允许输入的电压范围不大，在光伏阵列输出电压较大波动时不能 有效地工作。而多级逆变器虽然变换级数较多，所需的元器件多，整机损耗较大， 使其效率传送下降。但多级逆变器能较好地在前级处理好光伏阵列输出的电压变 化及最大功率点跟踪控制问题，因而多级逆变器更适合于光伏发电系统中。结合 我们设计的实际情况，选用了图3 - 5 所示的两级b 0 0 6 t 逆变电路作为我们1 k w 光 伏并网发电系统的拓扑结构。具体参数的设计在下一章作详细介绍。 3 2 光伏发电逆变器控制技术 3 2 1s p w m 控制技术 s p 删( s i n u s o i d a lp 删) 调制技术是指使输出脉冲的宽度按正弦规律变化且 和正弦波等效的脉宽调制技术。这种技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中 小功率的逆变电路几乎都采用了s p w m 技术。逆变电路是p 删控制技术最为重要 的应用场合。 逆变控制中引入s p 聊v l 技术所起的重要作用是它较好地抑制了谐波。根据理 论分析，载波频率越高，s p i | l v l 波形中谐波频率就越高，所需滤波器的体积就越小 口1 儿蜘。但载波频率升高使功率器件的开关频率上升，从而导致开关损耗的增大。 因此，实际控制中常采用倍频式s p w m 技术，即输出电压的载波频率f c 是逆变桥 功率器件开关频率f | 的2 倍。倍频技术的应用较好地缓和了谐波抑制与效率提高 图3 - 8 倍频式s p w m 倍产生机理 之间的矛盾，其实现仅需适当安排逆变器件的控制脉冲时序。图3 8 给出了倍频 式s p w m 控制信号产生原理图。从图上可以看出倍频式p 删信号的产生比传统方 式更加复杂，但本文所设计的系统是基于d s p 来实现的，故并没对硬件电路设计 有额外的要求。需要注意的是产生的p 删门极驱动信号与桥式逆变器中四个功率 管必须是对应的，否则会导致逆变的失败。图3 8 中的v 。、v 。v 。、v 。四个驱 动信号应分别对应图3 - 5 逆变器中的q 2 、q 3 、q 4 和q 5 。 3 2 2 逆变器反馈控制技术 逆变器控制的分类中，按其输入电源的性质可分为电压源型和电流源型；按 控制对象或者反馈量的性质又可分为电压型和电流型。因此逆变器的控制方式可 分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制的电流源电流控制四种 方式。而以电流源为输入的逆变器，由于其直流输入侧需串一个大电感以提供稳 定的直流电流输入，大电感的存在往往会导致系统动态响应变差1 。因此当前所 使用的并网逆变器大部分以电压源输入为主。下面主要对电压源逆变器的控制模 式进行分析讨论。 1 电压源电压控制 电压型控制技术是以输出电压作为控制对象，其控制原理如图3 - 9 所示。将 变换器输出电压v 。与基准电压相比较后得到误差u ，经p i 调节后与锯齿波信号 相比较，产