（电力电子与电力传动专业论文）单相两级式光伏并网发电系统的设计.pdf

s i n g l e - - p h a s et w o - s t a g eg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m d e s i g n m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c s n a m e ：x i o n gj u n f e n g 一一 s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f z h e n gs h o u s e n a b s t r a c t s o l a re n e r g y 鹪t h em o s tp o t e n t i a li nt h e21s tc e n t u r yr e n e w a b l ee n e r g yw i l l b e c o m eo n eo fm a j o re n e r g yf o rf u t u r ed e v e l o p m e n to fm a n k i n d w i t ht h es o l a rc e l l s a n dp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yc o n t i n u e st od e v e l o p ，a n dg r i d c o n n e c t e dp vu s i n g s o l a re n e r g yi nt h ef o r mo ff u t u r ed e v e l o p m e n t ，w h i l et h eh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gc h i p sa p p e a r , m a k i n gs o m eo ft h ea d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m sc a l lh e p e r f e c t l yu s e di ng r i d c o n n e c t e dp vs y s t e m t h i sp a p e rs t u d y sm a i n l yt h es i n g l e p h a s ep h o t o v o l t a i c s y s t e m f i r s to fa l l , s t a r t i n gf r o mp r i n c i p l e s ，t h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l , a n dt h e nv e r i f i e db y m a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，c o n t r o l a l g o r i t h mo fp h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e d o p t i m i z a t i o n , f i n a l l yt h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es i n g l e p h a s ep vs y s t e m sm a i nt o p o l o g ya n da n a l y s i si t ， t oc o m p a r et h es i n g l e p h a s ea n dn e t w o r kt o p o l o g yo ft h r e ec l a s s i c ，p o i l l t o u tt h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n df m a u ys e l e c tt h et y p i c a ls i n g l e - p h a s ep h a s e - s h i f t e d f u l l - b r i d g eh i g hl 臣e q u e n c yp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mf o rt h es t u d y i nt h i sp a p e r , t h ep h o t o v o l t a i cc e l l s ，p h o t o v o l t a i ca r r a y sm a x i m u mp o w e rp o 硫 t r a c k i n g ，t h ef o r m e rp h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g ec o n v e r t e ra n dt h ea f t e rg r i d c o n n e c t e d i n v e r t e ro fb a s i cp r i n c i p l e ，b u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e i ro w n , a n dt h e nt h r o u g h t h em a t l a bs o f t w a r es i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , s i n g l e p h a s eg r i d - c o n n e c t e ds y s t e mo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sh a s b e e no p t i m i z e d ，t h ep r o p o r t i o no fp r o p o s e dr e s o n a n t ( p r ) ，t h ep r o p o r t i o no fr e s o n a n t i i h a r m o n i cc o m p e n s a t i o n ( p r + h c ) c o n t r o lm e t h o d a n a l y s i so ft h ep h o t o v o l t a i c i n v e r t e rn o n l i n e a r i t i e s ，g i v et ot h en o n l i n e a rc o m p e n s a t i o nm e t h o d f i n a l l y , b a s e do i lt h e o r ya n dr e s e a r c h , t od e s i g n a n da c h i e v ea2 5 k w s i n g l e p h a s e t w o - s t a g ep h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g eh i g hf r e q u e n c yp h o t o v o l t a i e e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ，d u r i n ga n a l y s i se x p e r i m e m a lw a v e f o r m , g r i de f f e c ta n dt h e a n a l y s i so ft h ec u r r e n tf f t ，d e m o n s t r a t e dt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r yu s e di nt h e a r t i c l e t h ei n t r o d u c t i o no ft h ea d v a n t a g e so fg r i dc o n t r o ls t r a t e g ya n ds y s t e md e s i g n i sr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i c 、p h a s e - s h i f t e df u l lb r i d g e 、n o n l i n e a rc o m p e n s a t i o n 、 e m if i l t e r 、p l l m 论文原创性声明 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。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均己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：灸篮虐 日期：如d 年6 月弓日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 。 学位论文作者签名：惫倭啤新签名：关尸方弧 日期：加f o 年6 月多e t日期：必7 戽。莎月3 e t 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系入， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：食兹碑 日期：加卜年6 月弓日 1 1 背景与意义 第一章绪论 人类步入2 l 世纪，随着科技的不断进步，人们的生活水平也在不断提高， 对能源的依赖程度也越来越大。根据世界能源权威机构分析，石油剩余可采年限 为4 1 年，其年消耗占世界能源消耗量的4 0 5 ；天然气剩余可采年限为6 1 9 年， 其年消耗占世界能源消耗量的2 4 1 ；铀剩余可采年限7 3 年，其年消耗占世界 能源消耗量的7 6 ；煤炭资源剩余可采年限2 3 0 年，其年消耗占世界能源消耗 量的2 5 2 ，虽然比石油资源要丰富，但也并不是取之不尽，用之不竭的。 不可再生能源的过度消耗，同时又带来全球气候变暖、环境污染以及资源枯 竭等社会问题。为了解决这些问题，人们把目光投向可再生能源上，希望能改变 人类的能源结构，维持长远的可持续发展，因此太阳辐射能进入了人们的视野。 从某种意义上说太阳辐射能是取之不尽用之不竭的，太阳每秒到达地球表面的能 量高达8 0 万千瓦，假如把地球表面o 1 的太阳能转换成电能! 每年的发电量相 当目前世界能耗的4 0 倍1 2 1 0 此外，太阳光普照大地，无论陆地、海洋、高山或 岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输，这种普遍性是水能、 风能等其他能源所不具备的。 作为最优质的能源，太阳能产业发展潜力巨大。太阳能产业是新兴的朝阳行 业，再加上良好的政策环境，行业本身的特性，使得太阳能产业具有较高的投资 价值和发展前景跏。 1 2 国内外光伏发电发展现状 1 2 1 国外光伏发电发展现状 各国政府尤其是发达国家日益重视光伏太阳能行业的发展，在政策的大力支 持下，光伏产业迎来了行业发展的高峰期。 1 9 7 3 年美国制定了政府级阳光发电计划；1 9 8 0 年又正式将光伏发电列入公共 电力规划，累计投资达8 亿多美元；1 9 9 4 年度的财政预算中，光伏发电的预算达 7 8 0 0 多万美元，【= l 1 9 9 3 年增加t 2 34 ；1 9 9 7 年美国宣布“百万屋顶光伏计划”， 到2 0 1 0 年将安装1 0 0 0 3 0 0 0 兆瓦太阳电池。 欧盟已经明确把以新能源产业为主的“低碳经济”视为一场“新的工业革命”， 制定了一揽子的措施和计划来推进新能源产业的发展。在欧盟不久前制定“环保 型经济”规划中，专门拨出1 3 0 亿欧元用于“绿色能源”的发展 4 1 日本政府早在1 9 7 4 年就颁布了新能源开发法之后又陆续制定和颁布了新 能源引进大纲、关于新能源利用等的促进特别措施法、关于新能源利用等的 促进基本方针以及新能源法等来促进新能源产业的发展。9 0 年代初以来， 日本在太阳能光伏发电方面取得了巨大的成功，通过推行可再生能源配额法和实 行强补贴等政策，日本已经成为世界光伏发电的先导。近五年来日本居民光伏屋 顶系统年增长率为9 67 ，成为目前世界光伏发电最大的市场”“。 1 9 9 9 年德国新可再生能源法实施之后，大大推动了太阳能产业的发展。2 0 0 4 年德国政府最先出台上网电价法，实施购电补偿，根据不同的太阳能发电形式， 给予为期2 0 年不同等级的补贴，几年后将超过日本成为世界最太的光伏市场。德 国2 0 0 4 年太阳能产业的总产值达n 2 0 亿歇元比前年增长6 0 ”。 在过去的一年，全世界光伏产业得到继续蓬勃的发展，国际太阳能市场研究 咨询公司s o l a r b u z z ( 该公司近日由n p d 集团收购) 的报告中指出，2 0 0 9 年全球太 阳能光伏安装量达64 3 g w ，相比2 0 0 8 年增长6 。据该公司称，这一太阳能光 伏安装量创造了新纪录，全球收益达3 8 0 亿美元。欧洲地区三大市场分别为德国、 意大利及捷克共和国，安装量达40 7 0 w 。2 0 0 9 年欧洲国家共安装47 5 g w ，占 全球需求量的7 4 。美国为2 0 0 9 年第三丈市场，安装量增加3 6 至3 8 5 m w ； 日本安装量提高1 0 9 ，位列第四”1 。如图卜1 所示为2 0 0 9 年全球光伏市场分 布图。 图1 - 12 0 0 9 年全球光伏市场分布图 1 2 2 国内光伏发电发展现状 目前中国光伏产业与国际仍有较大的差距，国外光伏企业掌握光伏关键技 术，国内大部分光伏企业还没有提取高纯度硅片的技术。近年来光伏产业发展迅 速，世界光伏产业每年以3 1 的速度发展，中国的光伏产业每年也有1 5 增长率。 随着近年来国内政策大力支持，我国光伏产业发展速度惊人，从1 9 9 9 年中国的光 伏组件产量仅占世界产量的1 5 ，到目前我国太阳能电池产量约占世界总产量的 三分之一，连续两年成为世界第一大太阳能电池生产国。但是中国在太阳能资源 开发的技术层面上相对国外还很落后，太阳能光伏发电的最基本元件是晶体硅， 要从石英砂中提取9 9 9 9 纯度的晶体硅才能做成优质的光伏组件，而国内只有少 数公司的工艺技术达到这样的要求，难对国外光伏企业形成技术优势，总体来说， 我国的光伏发电技术水平仍然处于光伏产业链的中下游眩1 。 我国现在主要的光伏政策是建筑光伏一体化补贴政策及金太阳政策。在今年 我国的两会上，低碳经济成为了被关注的热点话题。中国可再生能源学会副理事 长孟宪淦对记者表示：“业界期待的新能源产业振兴规划即将出台，这预示着中 国新能源产业发展在2 0 1 0 年必将迎来一个新的跨越。根据该规划原草案内容， 2 0 2 0 年国内太阳能光伏总装机容量将达到2 0 0 0 万千瓦，比此前可再生能源中长 期发展规划提高l l 倍。中国官方智囊团测算说，今后1 0 年中国对新能源领域的 投资将超过3 万亿元人民币。中国的可再生能源法修正( 草案) 也将在近期 出台，这势必给国内的太阳能产业注入新的活力n 1 。 1 3 光伏并网逆变系统的技术现状 光伏并网发电一直是人们利用光伏太阳能的种发展趋势，而并网逆变器是 光伏发电系统中的核心组件。在光伏并网系统中，光伏阵列输出直流电能，经过 光伏并网逆变器转换成与电网同频同相的交流电能，最终实现光伏并网发电。光 伏并网逆变器的主要功能是实现光伏组件最大功率点跟踪、直流逆变、电网孤岛 检测以及向电网注入高质量的并网电流。如图1 - 2 所示，光伏并网发电系统主要 由光伏组件、并网逆变器以及电网连接组件等组成。 本地负载 图1 2 光伏并网发电系统 光伏并网逆变器的发展与数字处理芯片以及电力电子功率器件的发展是分 不开的。高性能数字信号处理芯片d s p 的出现，使得一些先进控制策略( 如矢量 控制技术、多电平变换技术、重复控制技术以及模糊控制技术) 应用于光伏并网 逆变器中1 9 1 0 光伏并网逆变器始于上世纪8 0 年代，由于光伏并网逆变器是光伏发电系统的 核心组件，世界上主要光伏逆变器生产厂家都推出了各自的并网逆变器产品。国 外光伏逆变器生产厂家发展相对国内较早，经过几十年的技术积累，产品优势比 较明显。全球光伏并网逆变器市场占有率排名前三的公司为：1 、德国s m a ；2 、 西班牙i n g e t e a m ；3 、德国k a c o 。艾思玛太阳能技术股份公司( s m a ) 是全 球最早生产光伏逆变器的生产企业，占全球市场3 3 左右的市场份额，特有的光 伏组件多路监测技术、s u n n yt e a m 技术、低输入电压l v 技术以及h 5 技术等，开创 了行业领域的技术新标准。为全球光伏逆变器领军企业，其产品发展历程具有一 定的代表性。 我国对光伏并网逆变器研究晚于国外，不过随着国内对新能源领域的日益重 视，在政策指引下，部分企业借助高校的研发实力迅速崛起。目前国内在小功率 逆变器上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，合肥阳光电源1 0 0 k w 大功率逆变器2 0 0 5 年已经批量向国内、国际供货，现已安装有3 0 0 多台，年产能 2 0 0 0 台。该公司2 5 0 k w 、5 0 0 k w 等大功率产品都取得了国际、国内认证，部分 技术指标已经达到国外产品水平，并在国内西部荒漠、世博会、奥运场馆等重点 项目上已投入运行，运行效果良好1 们。如表1 - 1 所示为主要逆变器企业同功率 4 等级单相产品的对照表，从表中可以看出对于带隔离变压器的产品，国外产品的 效率明显高于国内同等功率产品的效率；而对于不带隔离变压器的产品，国内产 品的效率已到达甚至超过国外同等功率产品的效率。效率仅仅是衡量并网逆变器 的指标之一，评价一个产品的好坏需要考虑的因素很多。总体而言，国内企业生 产的产品与国外同等级的产品相比还是有一定的差距，不管从产品可靠性、品质 以及整机效率还是稍逊一筹，这些还需要国内的科研院所、高校研究机构以及相 关企业的共同努力，缩短与国外产品的差距。 表1 - 1 主要逆变器企业同功率等级单相产品的对照表 国外企业 国内企业 拓扑 跚讧ai n g e t e a mk j w o 阳光 结构 动率最大动率最大动率最大功率 最大 产品型号产品型号产品型号 产品型号 大小 效率 大小效率大小 效率 大小效率 带隔 离变 岛3 3 0 03 3 k w9 5 2 i n g e t e a m3 赫e 9 4 9 b l u e p l a n e t2 9 k w9 4 吧 s g3 】5 a r3 l ：w9 3 压嚣 羽i m 3 32 9 0 1 x i 无隔 i n g e t e a m 离变 s b 3 0 t l3 k w9 7 3 k w9 6 6 s g3 x t l3 k w9 7 3 压器 柚t l 1 4 本文所做的工作 前面分析了国内外光伏并网逆变器的技术现状，从中可以看出，国外产品由 于几十年的技术积累，不断的升级换代，产品技术优势明显。国内部分企业通过 大量研发投入和资金注入，产品在性能指标上慢慢缩短与国外产品的差距，但是 使用的技术还是相对落后，没有新技术注入。任何新技术的问世都脱离不了基本 理论，只有在基本理论指导下，面对技术难题寻找最优的解决方法，提出新技术 理论实现缩短甚至超越国外技术水平。本文立足对单相两级式移相全桥高频并网 发电系统进行深入的理论研究，并对整个系统的主要功能子模块进行仿真验证， 通过在传统的控制策略的基础上，研究优化的设计方法。本文的具体工作如下： 1 ) 介绍了单相光伏并网发电整个系统的基本工作原理以及主要的功能模块， 分别介绍了单相光伏并网发电系统所有的拓扑结构，重点比较了三种经典的拓扑 结构的优缺点，最后选择单相两级式移相全桥高频并网拓扑作为本文的研究对 象。 2 ) 深入分析单相两级式移相全桥高频并网各功能模块的理论分析和仿真验 证。分析光伏电池、光伏阵列最大功率点跟踪方法、移相全桥d c d c 变换器以 5 及全桥d c a c 逆变器的工作过程和实现原理，结合实现原理建立了各自的数学 模型，然后通过m a t l a b 仿真软件对这些数学模型进行验证，证明本文引入的理 论方法正确性。 3 ) 单相并网逆变器的技术优化。针对单相两级式移相全桥高频并网仿真分 析的结果，对控制方法提出了优化方法，在此通过m a t l a b 仿真软件对这些方法 进行理论验证。对模型非线性因素产生的原因进行详细的研究，提出预测电流补 偿算法。 4 ) 单相两级式移相全桥高频并网系统实现及实验分析。在前面对单相两级 式移相全桥高频并网理论分析和仿真验证的基础上，完成了2 5 k w 单相两级式 移相全桥高频并网的硬件电路和软件编程的设计，通过实验波形分析，验证设计 方案的可行性。 6 第二章单相光伏并网发电系统及主要拓扑介绍 单相并网发电系统主要由光伏阵列、带滤波器的功率变换器、控制器以及并 网连接器组成，如图2 1 所示单相并网发电系统结构图。 图2 1 单相并网发电系统结构图 光伏阵列是通过光伏组件串并联组合而成，组成满足设计要求的直流电源。 控制器保证整个系统的正常运行，主要功能是实现对光伏阵列最大功率点的跟 踪、功率变换器的控制以及公共电网参数的采集，最终实现对电网注入与电网电 压同频同相的并网电流的过程。 2 1 单相光伏并网发电系统的分类 2 1 1 带d c d c 变换器和隔离变压器的单相并网拓扑 在带隔离变压器的单相并网拓扑中，隔离变压器既可以加在并网低频侧( 如 图2 2 带d c - d c 变换器且隔离变压器在低频侧的单相并网拓扑) ，又可以加在 d c d c 变换器高频侧( 如图2 3 带d c d c 变换器且隔离变压器在高频侧的单相 并网拓扑) 。光伏并网拓扑带隔离变压器的主要作用是实现光伏阵列与电网之间 完全的电气隔离，从而使得光伏阵列与电网之间没有漏电流存在，避免造成触电 危险。 7 图2 2 带d c d c 变换器且隔离变压器在低频侧的单相并网拓扑 图2 - 3 带d c d c 变换器且隔离变压器在高频侧的单相并网拓扑 2 1 2 带d c d c 变换器非隔离的单相并网拓扑 一些国家没有强制要求并网逆变器必须使用隔离变压器，那么光伏并网拓扑 结构就可以更为简单。如图2 4 带d c d c 变换器非隔离的单相并网拓扑，拿掉 隔离变压器使得拓扑结构更加简洁，但是该拓扑结构中光伏阵列与电网之间没有 电气隔离，带来漏电流的安全问题，必须采取相应的技术限制漏电流在安全范围 内，s m a 公司提出的h 5 技术能很好的解决光伏阵列与电网之间漏电流问题。 图2 - 4 带d c d c 变换器非隔离的单相并网拓扑 2 1 3 不带d c d c 变换器的单相并网拓扑 光伏阵列后级不接d c d c 变换器，直接通过d c - a c 逆变，然后通过工频 隔离变压器升压并网。如图2 5 所示不带d c d c 变换器的单相并网拓扑，该拓 扑结构减少因加入d c d c 变换器而造成的能量损耗，但是增加的工频变压器， 会使逆变器的体积增大、重量以及生产成本增加。 图2 5 不带d c d c 变换器的单相并网拓扑 2 1 4 不带d c i ) c 变换器非隔离的单相并网拓扑 该拓扑结构既不采用d c d c 变换器升压，也不用隔离变压器升压，光伏阵 列输出直流电能直接通过d c a c 变换器逆变并网。如图2 - 6 不带d c d c 变换 器非隔离的单相并网拓扑，该拓扑结构只有功率变换器，没有隔离变压器。因此 在所有单相并网逆变器拓扑结构中最简单，输出效率也最高，但由于光伏阵列最 小输出电压必须大于电网峰值，才能保证正常的并网输出，而该拓扑没有升压的 部分，相比于前面几种拓扑，该拓扑结构光伏阵列的输出电压范围比较窄t i l l 。 图2 - 6 不带d c d c 变换器非隔离的单相并网拓扑 2 2 单相并网发电系统的比较 上一节介绍了单相光伏并网逆变器的主要拓扑结构，这一节将对工程上常用 的三种经典拓扑进行分析。单相并网发电系统可分为带变压器隔离型和不带变压 9 器隔离型。一般光伏并网逆变器常采用带变压隔离，这样是为了确保电网与光伏 阵列之间实现电气隔离，从而保证光伏阵列与电网之间漏电流在允许的安全范围 之内。然而增加隔离变压器会带来整机效率降低、重量增大以及生产成本增加等 诸多缺点。无变压器隔离光伏并网逆变器虽然克服带变压器隔离光伏并网逆变器 的上述缺点，但是必须通过技术手段把光伏阵列与电网之间漏电流控制在安全范 围以内。以下分别介绍几种常见不带变压器隔离逆变器以及带隔离变压器逆变器 的拓扑结构，然后比较它们的优缺点。 2 2 1 两级式b o o s t 高频并网拓扑 图2 7 两级式b o o s t 高频并网拓扑结构图 如图2 - 7 所示为两级式b o o s t 高频并网拓扑结构图，该拓扑结构主要由输入 滤波器、d c - d c 变换器、逆变电路以及输入滤波器组成，主要工作原理是：光伏 阵列通过输入端子输入直流电能，经过输入滤波器滤除输入电压的高次谐波、然 后d c - d c 变换器升压到3 6 0 v - 4 0 0 v ，一般称为直流母线电压，最后通过全桥并网 逆变向电网注入与电网电压同频同相的并网电流。两级式b o o s t 高频并网系统的 能量损失主要由5 个功率开关管产生，最大效率相对较高，但是由于没有隔离变 压器的电气隔离，光伏阵列系统与电网之间会产生漏电流，当人接触光伏阵列或 者并网逆变器外壳时，过大的漏电流会造成触电的危险。以下对漏电流产生原理 进行分析1 2 川3 1 们1 1 5 1 。 如图2 8 所示，在无隔离变压器结构中，太阳光伏阵列与公共电网共地，太 阳光伏阵列与大地的分布电容形成电流回路，回路中电流就是漏电流。由于光伏 阵列的面积较大，阵列与大地之间的分布电容根据阵列结构与环境的不同，电容 最大可达5 0 - 1 5 0 n f k w ，在潮湿的环境中，电容还将成倍增大1 川1 7 川舳1 1 9 1 。 l o = - 图2 8 无变压器结构中的漏电流产生 2 2 2 单级式工频并网拓扑 电 网 输入端子逆变电路工频变压器输出 图2 - 9 单级式工频并网拓扑结构图 如图2 - 9 所示为单级式工频并网拓扑结构图，该拓扑结构主要由输入滤波 器、逆变电路、工频变压器以及输出滤波器组成。主要工作原理：光伏阵列系统 通过输入端子输入直流电能，滤波后经过全桥逆变电路逆变，然后通过工频变压 器升压，再经过输出滤波器滤波后输出与电网电压同频同相的交流电压。该拓扑 结构是通过隔离工频变压器进行升压，相对两级式移相全桥高频并网系统少了前 级的d c - d c 升压过程。单级式工频并网系统的能量损耗主要由4 个功率开关管以 及工频变压器产生，工频变压器效率相对较低，并且附加带来成本大、重量重以 及体积大的代价。此外单级式拓扑结构m p p t 控制精度不高，带来一定能量损 失。 2 2 3 两级式移相全桥高频并网拓扑 图2 1 0 两级式移相全桥高频并网拓扑结构图 如图2 - 1 0 所示为两级式移相全桥高频并网拓扑结构图，该拓扑结构主要由 输入滤波器、d c - a c 高频逆变、高频隔离变压器、整流电路、逆变电路及输出滤 波器组成。主要工作原理是：光伏阵列系统通过输入端子输入直流电压，经过输 入滤波器、d c - a c 高频逆变、高频变压器以及整流电路输出一个大约3 6 0 v - 4 0 0 v 直流电压，一般称为直流母线电压，这个过程实现前级的d c - d c 变换过程。直流 母线电压再经过逆变电路以及输出滤波器，得到一个与电网电压同频同相的交流 电压，这一过程实现后级d c a c 变换过程。两级式移相全桥高频并网系统的能量 损耗主要由8 个功率开关管、4 个功率二极管以及高频变压器产生，选用高频变 压器相对工频变压器成本低，体积小以及重量轻等优点。并且m p p t 可以直接 通过前级移相全桥来实现控制，控制精度相对较高。两级式移相全桥高频并网拓 扑结构既结合了两级式b o o s t 高频并网控制策略，又能达到单级式工频并网带有 隔离变压器的隔离效果。 2 2 4 本文拓扑选择 对于光伏并网逆变器来说，低成本、高效率、高可靠性以及使用寿命长一直 是设计者追求的目标。此外，与电网相连，除了必须满足电网电能质量、防止孤 岛效应以及安全隔离接地等方面的要求，还必须对光伏阵列的功率输出具备最大 功率点跟踪，保证光伏阵列在最大功率点上运行从而获得最大的能源输出。 对比以上三种拓扑结构，不带隔离变压器的两级式b o o s t 高频并网拓扑满足 成本低、效率高以及光伏阵列输入电压范围宽的要求，但是由于b o o s t 高频并网 拓扑是无变压器隔离，光伏阵列与电网之间的漏电流存在安全隐患，许多国家强 1 2 制要求并网逆变器必须使用隔离变压器。此外，如果要选用b o o s t 高频并网拓扑， 那么必须运用相应技术解决漏电流的安全隐患。德国s m a 的h 5 技术虽然可以 有效解决漏电流问题，但是必须负担巨额的专利费。单级工频隔离型拓扑是最常 见的结构，也是目前市场上并网逆变器使用最多的拓扑类型，但是一方面工频变 压器体积大和重量重，且工频变压器转换效率较低；另一方面采用单级结构，对 于最大功率点跟踪没有独立的控制操作，使得系统的输出功率降低，并且光伏阵 列输出电压范围比较窄。两级式移相全桥高频并网逆变器采用高频隔离，由于采 用高频隔离变压器，变压器体积小、重量轻，效率也有所提高，并且通过独立调 节前级移相全桥变换器的占空比可以实现光伏阵列最大功率点跟踪，交流能量和 直流能量通过输出直流母线电容解耦，工作点在最大功率点附近波动很小，大大 提高系统的输出功率。两级式移相全桥高频并网逆变器是单级式工频并网逆变器 和两级式b o o s t 高频并网逆变器的有效结合，它既带有隔离变压器，又结合两级 式光伏并网逆变系统的控制策略，运用在两级式移相全桥高频并网逆变器上的技 术都很容易移植到其他两种逆变器上，因此选择两级式移相全桥高频并网逆变器 作为研究对象是研究单相光伏并网发电系统理想的选择2 2 1 2 2 3 。 第三章单相两级式移相全桥高频并网原理分析与仿 真 ，、 单相两级式移相全桥高频并网发电系统主要由光伏电池阵列、带最大功率点 跟踪、前级移相全桥d c d c 变换器以及后级全桥并网逆变d c a c 逆变器组成， 如图3 1 所示为单相两级式移相全桥高频并网发电系统框图。本章分别介绍光伏 电池阵列、最大功率点跟踪、前级移相全桥d c d c 变换器以及后级全桥并网逆 变d c a c 逆变器的基本原理和仿真分析。 图3 - 1 单相两级式移相全桥高频并网发电系统框图 3 1 光伏电池的基本原理和电路特性 光伏太阳能电池是以p n 结的光生伏打效应为基础，将光能直接转换成电能 的一种半导体器件。太阳能电池的基本特性和二极管类似，可以用简单的p n 结 来说明，理想的p n 结单元光伏太阳能电池的电流电压( i v ) 的关系为： ，= i o e x p _ 1 一， 其中i 为p n 结的电流( a ) ；i o 为反相饱和电流( a ) ：v 为外加电压( v ) ； q 是电荷( 1 6x1 0 1 9 c ) ：k 为玻尔兹曼常数( 1 3 8x1 0 彩j k ) ；t 是绝对温度( k ) ： 实际上对光伏太阳能电池单元的分析还需要考虑体串联等效电阻r s 、并联 等效电阻咫h 以及p n 结电容等方面的影响。考虑到这些因素，光伏太阳能电池 等效电路如图3 - 2 所示： 1 4 图3 2 光伏太阳能电池单元等效电路 图中，h 为并联等效电阻，为串联等效电阻，c j 为结电容，由于器件 的瞬时响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此结电容 c i 在分析中可以忽略。设定如图中所示电压、电流正方向，则可得： i = i l i d 一厶办 式( 3 2 ) 其中： i 太阳电池输出电流； i i 与日照强度和温度有关的光生电流； i d 流过二极管的暗电流； i s i l 太阳电池的漏电流 后三者的具体表达式为： 乞= k ( 志) 州z 圳 娴) 厶= i o e x p 掣h 柳， 乙= 半 鼬) 上三式中i s h o 为短路电流，s 为光照度，j t 为温度系数，t 为电池温度， k f 为绝对温度，i o 为反向饱和电流( a ) ，q 为电子电荷( 1 6 1 0 。1 9 c ) ，k 为玻耳 兹曼常数( 1 3 8 x1 0 彩j k ) ，t 为绝对温度( k ) ，a 为二极管因子，r s 是串联电阻 ( q ) ，h 为并联电阻( q ) 。 综合以上各式，可得太阳电池的i v 特性方程为： m 一厶h 警卜卜警 鼬， 理想情况下r s 可近似为零，r s h 近似为无穷大，式( 3 6 ) 可以简化为： m 一o e x p 恚 _ 1 ) 加 由公式3 - 7 可以得出光伏电池输出功率的数学公式： p = 一 e x p 羔 - 1 ) 椭， 为了更好的理解光伏电池的特性，根据式3 - 7 ，3 - 8 光伏电池的非线性函数 关系绘制出在不同情况下的光伏电池i - v 、p - v 特性曲线 2 3 1 1 2 4 1 ，如图3 - 3 、3 - 4 、 3 5 、3 - 6 所示： 图3 3 不同温度下的i v 曲线 u m 图3 4 不同温度下的p v 曲线 1 6 u m 图3 5 不同日照量下的i v 曲线 u m 图3 - 6 不同日照量下p v 曲线 3 1 1 光伏电池的数学建模 通过对光伏电池的特性和等效电路进行分析，了解到光伏电池各种参数之间 的非线性关系，光伏电池i - v 特性主要受太阳辐射强度r ( w m 2 ) 和环境温度 t a ( ) 等因素的影响，在任意太阳辐射强度和环境温度条件下，太阳能电池温 t c ( ) 度为： 乏= + 乞尺 式( 3 - 9 ) 其中，r 为光伏阵列倾斜面上的总太阳辐射；乙( w - 1 m 2 ) 为太阳电池 模块的温度系数。 设在参考条件下，i s i i 为短路电流，v 0 c 为开路电压，i m ，v m 分别为最大功 1 7 率点电流和电压，则当光伏阵列电压为v 时，对应的电流为i1 2 5 1 1 2 6 1 ： ，= l ( 1 一c l ( e q v o c 一1 ) ) 式( 3 - 1 0 ) 其中， 玉 c l = q i 住| 1 0 e g v o c c 2 = ( 圪吃一1 ) i n ( 1 一厶乞) 考虑太阳辐射变化和温度的影响时，式( 3 1 0 ) 可以变为： 其中， ，= l ( 1 一c i ( e q 一1 ) ) + 世 a = 口木r r 矿* a t + ( r e 可一1 ) l 式( 3 - 1 4 ) a v = - f l , z x t r s 卑越 a t = i 一 式( 3 1 6 ) r 们f ，t 他f 太阳能辐射和光伏电池温度参考值，一般取l k w m 2 ，2 5 c ； t ；t 在参考日照下，电流变化温度系数( a i 。c ) ； 在参考日照下，电压变化温度系数( v c ) ： 砥光伏模块串联电阻( o h m s ) 。 3 1 2 光伏电池的m a t l a b 仿真 根据上一节介绍的光伏电池的输出公式，在m a t l a b s i m u l i n k 平台上建立光伏 电池的仿真模型，通过仿真验证了光伏电池的输出特性。建立光伏电池系统仿真 模型的主要目的：1 、验证本文对光伏电池理论引入的正确性；2 、为后面对单相 光伏发电整个系统仿真研究创造前提条件，如图3 7 为光伏电池的仿真模型。 1 8 广1 磊i 1 l t 8 - l e - 0 0 5s 1 i _ _ - - _ _ - - - _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ 。_ 。- - - _ _ - _ - _ - - j p o w e r g t | 图3 7 光伏电池仿真模型 根据光伏阵列的相关公式在m a t l a b 的环境下建立模型，参数设置如下表 3 1 所示： 表3 1 光伏电池参数单位数值 光伏电池温度参考值( t r e f ) 2 5 太阳能辐射参考值( g r e f ) w m 21 0 0 0 电流变化温度系数( 口) 心c 0 0 1 电压变化温度系数( 1 3 ) v 0 0 5 光伏模块串联电阻( r s ) o h m s0 3 4 6 4 短路电流( i s l i ) a7 开路电压( v o c ) v 3 9 0 最大功率点电流( i m ) a5 7 1 4 3 最大功率点电流( v m ) v 3 5 0 图3 8 为光伏电池仿真模型的输出短路电流和开路电压的波形，输出短路电 流是从最大值7 a 下降为零，输出开路电压从零增加到最大值3 9 0 v 。从波形图 可知，满足光伏电池的电压和电流的输出特性，达到了理论设计要求1 2 7 1 1 2 8 1 。 1 9 图3 - 8 光伏电池仿真模型的输出开路电压和短路电流的波形 3 2 光伏阵列最大功率点跟踪方法 3 2 1 最大功率点跟踪控制的基本原理 光伏太阳能电池的输出具有非线性特征，并且受太阳辐照度、环境温度以及 负载情况影响很大。为了提高系统的整体效率，光伏并网发电系统一般都要求光 伏电池能够始终工作在当前环境下的最大功率点处，但是由于太阳能电池表面温 度和日照强度随时都在发生变化，因此太阳能电池输出的最大功率也在不断变 化，所以必须对太阳电池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 k i n g ， m p p t ) ，以获得最大的输出功率。假定电池的结温不变，光伏电池的特性卜v 曲线如图3 - 9 所示： 图3 - 9m p p t 工作原理示意圈 图中特性曲线1 ，2 分别对应不同r 照情况下光伏电池的i v 特性曲线，a b 分别为不同日照情况下光伏电池的最大输出功率点，负载1 、负载2 为两条负载 曲线。当光伏电池工作在a 点时，日照突然加强，由于负载没有改变，光伏电 池的工作点转移到a7 点。从图中可以看出，为了使光伏器件在特性曲线1 中仍 能输出最大功率，就要使光伏电池工作在特性曲线1 上的b 点，也就是说必须 对光伏电池的外部电路进行控制使其负载特性曲线由曲线1 变为曲线2 ，实现与 光伏电池的功率匹配，从而使光伏电池的输出工作在最大功率点。 3 2 2 最大功率点跟踪方法介绍 1 、固定电压跟踪法 固定电压跟踪法( c o n s t a n tv o l t a g et r a c k i n g ，c v t ) 是利用光伏阵列输出最 大功率时工作电压v m p p 与开路电压v o c 存在近似的比例关系这一特征进行控制 的一种最大功率跟踪的控制方法。当电池结温不发生改变时，光伏电池在不同光 照条件下最大功率点处的输出电压相差不大，近似等于0 7 6 倍的开路电压值。 分析不同环境条件下光伏电池的p v 曲线，观察最大功率点的变化。如图 3 - 6 在不同日照量下p v 曲线，光伏电池的特性曲线的最大功率点几乎分布于一 条垂直线的两侧，这说明阵列的最大功率输出点大致对应于某个恒定电压，那么 最大功率点跟踪可以用c v t 方式来跟踪。再看图3 7 在不同温度下p v 曲线， 可以看出不同温度下，光伏电池的特性曲线的最大功率点相差很大，这表明太阳 能电池最大功率点对应的电压也随着环境温度的变化而变化，这样对于四季温差 或者日温差比较大的地区，c v t 方式就不能适应在全部的温度环境下完全的实 现跟踪最大功率。 c v t 方式因其控制简单、可靠性高、系统稳定性好、易于硬件实现等诸多 优点在早期最大功率点跟踪中广泛使用，但是对于环境温度变化大的地区c v t 方式控制精度差的缺点就显现出来了。为了避免应用场合的天气情况和环境温度 对系统造成的影响，后来人们提出了电导增量、扰动观察等适应环境变化的最大 功率点跟踪方法2 9 1t 3 0 l 。 2 、电导增量法 电导增量法也是m p p t 控制常用的方法之一，其控制思想是通过光伏阵列 j d p - v 衄线可知最大功率出i t f 为0 ，所以有： 2 l 鲨：，+ 矿母堕：o d vd v d il d y矿 上式为了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，光伏阵列工作在最大功率点处。在最大功率点处m p p t 电路中功率器件 的占空比不再改变，因此该方法也消除了光伏阵列在最大功率点处的功率振荡现 象1 3 1 1 。 电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电导来改变控制信号，从而 找到光伏阵列的最大功率点。其控制算法同样需要对光伏阵列的输出电压和电流 进行采样。电导增量法控制精确，响应速度快，适用于环境变化较快的场合。但 是对光伏阵列的输出电压和电流的采样精度要求很高，计算过程比较复杂，因而