（电力电子与电力传动专业论文）光伏并网逆变器的研究和设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，o na c c o u n to ft h ep r o b l e m so fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de x h a u s t i o no f e n e r g ys o u r c e sb e c o m ew o r s e ，t h ep h o t o v o l t a i ca p p l i c a t i o nh a sb e e nah o ts p o tt h a tm o s t c o u n t r i e sc o m p e t ea g a i n s te a c ho t h e rt o d e v e l o p a st h em a i nd e v e l o p m e n tt r e n do f p h o t o v o l t a i ca p p l i c a t i o n s ，g r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e mw i l lc e r t a i n l yb ep r o m o t e d r a p i d l y t h i sp a p e rf o c u s e so ns i n g l ep h a s eg r i d c o n n e c t e ds y s t e m t h et o p o l o g y , p a r a m e t e r s e l e c t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yo fg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e ma r ea n a l y z e da n ds t u d i e d i nd e t a i l d e s i g n e da ne x p e r i m e n t a ls i n g l ep h a s eg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m t h em a i nc o n t e n t s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c e st h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co fp vc e l l s a n d d e s c r i b e st h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i nd e t a i l i n t r o d u c e ss e v e r a l t r a d i t i o n a lm 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 ) c o n t r o la l g o r i t h m s ，a c c o r d i n gt ot h e r e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc va n di n c c o n dc o n t r o l ，u s e dai m p r o v e dm p p t w h i c hi sc o m b i n i n gc va n d i n c c o n dc o n t r o la sc o n t r o ls t r a t e g yt oa c h i e v em a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n gc o n t r o la n di m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g s p e e d ( 2 ) t h et r a c k i n gc o n t r o lo fg r i d - c o n n e c t e dc u r r e n ti st h ec e n t r a lt e c h n o l o g yt h a ti s s t u d i e di nt h i ss y s t e m b a s e do np h o t o v o l t a i ci n v e r t e rc o n t r o lt a r g e t s ，t h ec o m m o ng i r d c o n t r o lm e t h o d sa r es t u d i e d r e f e rt ot h ei n f o r m a t i o na th o m ea n da b r o a d ，r e p e t i t i v ep i c o n t r o la sc o n t r o ls t r a t e g yo f p h o t o v o l t a i cg r i di n v e r t e ri sd e t e r m i n e d ( 3 ) b a s e do nt h et h e o r ya n dt h es t u d yo fs i m u l a t i o n 。u s i n gt h es e r i e so fl u m i n a r ym c u l m 3 $ 618 ，d e s i g n e dt h es i n g l ep h a s ep h o t o v o l t a i cg r i d i n v e r t e r ，p r e s e n t e dt h em a i nu n i t c i r c u i tp r i n c i p l ea n dp a r a m e t e r s d e s i g n e dt h es y s t e ms o f t w a r ef l o w c h a r ta n dd e b u gt ot h e m a i nc o n t r o lf u n c t i o nb a s e do np r o d u c t i o no fh a r d w a r e k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i c ；g r i d g e n e r a t i o n ；m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ；r e p e t i t i v ep i c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，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、缩印或扫描等复制手段保存、；1 2 编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：纽麈宝 导师签名： 彩云雾 日 期： 塑五2 ：笸 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光伏技术及光伏产业的发展 进入2 1 世纪以来，随着世界人口的持续增加、经济的高速发展，世界能源需求总 量也正以惊人的速度全面增长。化石能源的大量开发和利用，是造成大气和其他类型环 境污染与生态环境的主要原因之一。全球气候变化已成为当前社会普遍关注的重大全球 性环境问题。自从工业时代以来，人类物质文明得到了高度的发展，与此同时，地球生 态环境遭到了严重破坏和恶化。在过去的1 0 0 年中，全球平均气温上升了o 3 0 6 0 c ， 全球海平面平均上升了1 0 - 2 5 c m ，这就是所谓的“温室效应”。据研究报道，约4 8 的 温室气体是c a ，可见c n 是大气中的主要温室气体类型，而化石燃料的燃烧是c 0 2 的 主要排放源。世界各国都在纷纷采取提高能源效率和改善能源结构的措施，以解决这一 与能源消费密切相关的重大环境问题，称之为能源效率革命和清洁能源革命，也就是通 常所说的节约能源，发展洁净的新能源和可再生能源【l 。j 。 太阳能资源丰富，分布广泛，基本无污染。许多国家把开发利用太阳能作为可持续 发展的能源战略决策，为了推动太阳能产业的快速发展，美国、日本以及西欧的许多发 达国家政府都纷纷出台了很多有利于太阳能产业发展的针对性政策和法规，并且投入大 量的人力、物力和财力以支持太阳能利用的开发和研究。具体项目有太阳房、工业太阳 能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。这一举措在 全世界范围内掀起了一股开发利用太阳能的热潮，许多企业和科研机构纷纷投身于太阳 能利用技术的研发，这为太阳能产业的健康快速发展奠定了良好的基础。我国太阳能的 应用起步于上个世纪7 0 年代中期，在全世界开发利用太阳能热潮的推动下，一些有远 见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议、出书办刊、介绍国 际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶、在城市研制开发太阳热水器、将太阳电 池的应用由空间向地面拓展。 太阳能光伏发电技术作为太阳能利用中最具意义的技术，成为世界各国竞相研究应 用的热点。2 0 世纪8 0 年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期， 光伏发电技术产业一直保持以1 0 1 5 的递增速度增长。9 0 年代后期，发展更为迅速， 成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。最近1 0 年以每年平均3 0 的速度递增， 最近3 年更是以每年5 0 0 , 0 以上的速度高速增长。太阳能光伏发电已经成为可再生能源领 域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的产业。光伏发电的成本也随着光伏产业的 技术水平、规模、应用市场与需求的发展在不断变化。 2 0 年来我国光伏产业从无到有、持续不断地健康稳步发展，在满足国内市场需要和 提高边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用中发挥了重要作用。太阳能光伏制造 业在我国的长三角和珠三角地区迅速崛起，其产品大多出口到欧美等发达国家。目前我 国的太阳能光伏制造业已跻身世界前列，统计显示，2 0 0 5 年全世界一共生产了1 8 1 8 m w 太阳能电池，而排名前1 0 位的厂商就生产了1 6 6 6 m w 。排名前十位的中国电池厂商( 包 江南人。7 ：硕士学位论文 括台湾茂迪) 的产量共1 4 2 m w ，占全世界的7 8 。中国两家公司的增长非常迅速，台湾 茂迪增长速度是7 1 4 ，而尚德达到了1 3 4 3 。近年来，南京中电、苏州阿特斯、常州 天和、江苏林洋等一批具有很强发展后劲的太阳能电池企业在长三角地区迅速成长起 来，如果国家政策引导得当他们的快速发展将使我国成为继日、德之后世界第三大光伏 产业大国。 但也应当看到，我国光伏产业与发达国家相比还存在相当大的差距，这些差距表现 在： ( 1 ) 生产规模小，自动化水平低，规模化效应没有充分发挥出来。 ( 2 ) 专用原材料国产化程度不高，品种不全，性能有待进一步改进。 这些差距使我国光伏组件的成本比国际市场高，在国际竞争中处于不利地位，特别 是在加入w t o 后的零关税情况下，我国光伏产业在国内外市场上面临着非常严峻的考 验，可以说，我国的光伏产业虽是任重而道远，但前景是一片光明的。 1 2 我国光伏并网发电技术的研究现状 经过近几年的研究和发展，光伏并网逆变技术在技术上已近成熟，在电力电子技术 先进的德国、日本、美国和加拿大等发达国家己有成熟的、技术先进的、性能优秀的产 品问世。从小功率几十瓦到上百瓦、上千瓦的高频光伏并网模块，到高压大功率的光伏 并网逆变电源，品种繁多，不仅如此，其功能也很完善，多机并联、独立后备与并网发 电两用、多机组合群控、最大功率自动跟踪、孤岛效应防止、远程调度管理等。 我国在光伏并网逆变技术方面的研究经过“九五”和“十五”的国家科技攻关，在 基本理论和实用技术方面已经取得可喜成绩，在并网逆变的关键技术方面已有所突破， 并具有自主知识产权，国内己有部分企业能够生产并网逆变样机产品，但在并网逆变技 术的细节方面，与国外先进技术相比还有较大差距。例如：并网逆变系统的电磁噪声和 电磁兼容性问题，国内相关研究并不多，但这一问题在并网逆变系统中却相当重要，要 良好地予以解决在技术上也相当困难。在并网逆变发电系统的最大功率跟踪方面，虽然 国内研究报道较多，原理也相当简单，但真正能够实现性能指标优秀的光伏阵列最大功 率跟踪还未能看见实际样机。在适应电网安全方面，对孤岛效应的识别方式和并网功率 控制方式还缺乏详细的实验研究和标准制定。此外，光伏并网逆变器主电路的研究也较 单一，适应面较窄。 国内的光伏并网逆变技术与国外先进技术的差距形成，其原因是多方面的，其主要 原因是多年来缺乏国家新能源政策的支持，光伏发电在我国的发展缓慢，企业、研究单 位的研究投入不够。光伏并网发电系统不仅仅涉及到太阳电池和并网逆变技术，还涉及 到系统的控制和优化问题，太阳能发电系统的总体发电效率除与太阳电池效率、逆变器 效率和功率控制方式有关外，同时也与当地的纬度、气候、同照、和太阳电池阵列的倾 角、方位角有关，提高光伏系统的全年总体发电效率是一个复杂的系统工程，它涉及到 现代工程数学、现代控制理论、仿真技术、建模技术等多学科领域，多学科相互交叉， 国外在经过多年的大量的光伏应用研究和运行统计的基础上，己经建立了完善的全球各 第一苹绪论 地区气象年均日照和月均日照统计数据库，为光伏系统的优化设计和配套提供充分的依 据条件，并研制成功专门的光伏系统优化设计软件包。在风力资源统计数据的基础上， 也同时研发了风光互补发电系统优化设计软件，为方便光伏系统的推广应用、节省设备 投资、降低成本、提高系统的运行可靠性及供电的保证度等提供理论依据和优良设计工 具。 国内在光伏系统的优化设计方面，己经有部分院校做了相关研究，但由于存在大量 的气象统计数据的获取、电站运行的数据统计、研制经费的缺乏等原因，系统的优化设 计软件应用推广还有待时间和实践考验的进一步完善。相信随着光伏系统在我国普及和 推广应用的发展，光伏系统的优化设计问题会越来越受到人们的重视。 1 3 光伏发电未来展望 按照日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划等推算，2 0 1 0 年全球 光伏发电并网装机容量将达到1 5 g w ( 1 5 0 0 万千瓦，届时仍不到全球发电总装机容量的 1 ) ，至2 0 3 0 年全球光伏发电装机容量将达到3 0 0 g w ( 届时整个产业的产值有可能突破 3 0 0 0 亿美元) ，至2 0 4 0 年光伏发电将达到全球发电总量的1 5 2 0 。按此计划推算， 2 0 1 0 2 0 4 0 年，光伏行业复合增长率将高达2 5 以上。其中并网应用会有较大的发展， 从而形成并网发电( 约4 6 ) 、离网供电( 约2 7 ) 和通讯机站( 约2 1 ) 三个主要应用领域。 1 4 光伏发电系统形式 光伏发电系统按工作条件分为独立型、并网型和介于两者之间的可调度型。 独立型光伏发电多用于边远山区，因为这些地方需要的电能容量小，建变电站成本 昂贵，宜采用独立型光伏发电。此外，在通信基站等需要小量维持供电的情况下独立型 光伏发电也有应用价值，在独立型光伏发电系统中储能部件( 一般指蓄电池) 是损耗最快、 维护最频繁的组件。图1 1 是独立型光伏发电结构框图。 并网型光伏发电多见于城市供电系统，是城市电网的补充，可以实现用电时段的消 峰填谷。与独立型光伏发电系统比较，并网型没用蓄电池，在没有太阳光照的条件下不 能独立对用户供电，但极大的节约设备成本，简化了控制结构。图1 2 是并网型光伏发 电结构框图。 可调度式光伏发电系统是带有储能部件且可以并网的光伏发电系统。当电网断电也 没有太阳光照时，蓄电池等部件提供一定时间( 一般只有数天) 的能量供给。而在电网正 常或有光照能量输入时，可对蓄电池补充能量。在蓄电池充满电且又有光照的情况下， 则应由光伏电池直接给负载供电或是并入电网。可调度式光伏发电系统比并网型和独立 型有更大的灵活性，但成本更高，系统控制也较复杂。图1 3 是可调度式光伏发电结构 框图。 江南人学硕士学位论文 图1 1 独立型光伏发电系统 f i g 1 1i n d e p e n d e n tp 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 图i - 2 并网型光伏发电系统 f i g 1 2p h o t o v o l t a i cg r i dg e n e r a t i o ns y s t e m 图1 3 可调度式光伏发电系统 f i g 1 - 3s c h e d u l i n go fp 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 1 5 本文研究的主要内容 ( 1 ) 详细介绍了光伏电池原理和输出特性。对几种传统的最大功率点跟踪( m p p t ) 控制算法进行了研究、分析和比较，提出各自优缺点。基于最大功率跟踪过程的快速性 和稳定性，针对恒定电压法和增量导纳法的优缺点，采用改进型的增量导纳法实现最大 功率点跟踪控制，以提高系统的性能和最大功率点跟踪速度。 ( 2 ) 基于光伏并网逆变器的控制目标，研究了光伏并网逆变器的常用控制方法，参 考国内外资料，分析了传统p i 控制存在的误差原因，并选择重复p i 控制方法实现光伏 并网逆变器的控制。同时分析了数字锁相环的原理并介绍并网控制中的锁相算法。 ( 3 ) 在理论和仿真研究的基础上，采用低成本的群星系列a r m 单片机l m 3 $ 6 1 8 作为主控芯片，设计了光伏并网逆变器，给出了主要单元电路的原理和参数。设计了系 统软件流程图，对主要控制功能进行了设计编程，并在制作的硬件系统上进行了软件调 试。 4 第二章太阳 能电池及最人功率跟踪算法 第二章太阳能电池及最大功率跟踪算法 太阳能电池也常被称作光伏电池，通常由半导体材料制成，其作用是把太阳能直接 转换为直流形式的电能。由于单个太阳能电池的功率极小，一般不单独作为电源使用， 实际应用中是将很多单个太阳能电池经过串、并联组合并进行封装后构成光伏阵列。掌 握光伏阵列的原理和工作特性必须从太阳能电池开始。 2 1 太阳台巳电池 太阳能电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光电效应【4 叫，其基本特性 和二极管类似，可用简单的p n 结来说明，图2 1 为光伏电池的单元模型。当具有适当能 量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子和空穴( 因失去电 子而带正的电荷) ，如果半导体中存在p n 结，那么电子向n 型半导体扩散，空穴向p 型半 导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端，这样如用导线 连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。 图2 - 1 光伏电池的发电原理 f i g 2 1g e n e r a t i n gp r i n c i p l eo fp h o t o v o l t a i cc e l l s 2 2 太阳能电池板的输出特性 图2 2 为太阳能电池的等效电路。 尼 、 型厶1eshl 月( ud 一 j + u 一 图2 - 2 太阳能电池等效电路图 f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fs o l a rc e l l s 由太阳能电池等效电路得出太阳电池的，一u 方程为： ，= k 州e x p 甓笋 _ 1 ) - 警 ( 2 1 ) 式中：是光生电流；厶是二极管反向饱和电流( 一般对于光伏单元而言，其数 ，j ：南大学硕1 ：学1 讧论文 量级为1 0 。4 a ) ；q 是电子电荷，为1 6 x l o 。1 9 c ；u 是输出电压；4 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 x 1 0 2 3 j k ；t 是绝对温度；足 是串联电阻( 为低阻值，小于1q ) ；r 曲是并联电阻( 为高阻值，数量级为k q ) 。理想 情况下足可近似为零，尺曲近似为无穷大，式( 2 1 ) 可简化为： 卜i p h i o e x p ( 卷) _ 1 ) ( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可以得到光伏电池输出功率的数学表达式为： 肚l 肛厶u e x p ( 卷) 一 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 表明光伏电池的输出功率是日照强度和温度的非线性函数。 2 2 1 光伏电池板的，一u 和p u 特性曲线 为了更好的理解太阳能电池的特性，根据式( 2 2 ) , 1 1 ( 2 3 ) 光伏电池的非线性函数关系 绘制其，一u 、尸一u 特性曲线，如图2 3 所示。 图2 - 3太阳电池阵列的j 一u 和p u 特性曲线 f i g 2 - 3 - ua n dp uc h a r a c t e r i s t i cc u i v eo fs o l a ra r r a y s 图中参数定义如下【1 1 ，1 2 】： 1 短路电流( ，。，) ：在给定日照和温度下的最大输出电流。 2 开路电压( v ，) ：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 ) ：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电流。 4 最大功率点电压( u m ) ：在给定同照和温度下相应于最大功率点的电压。 5 最大功率点功率( 匕) ：在给定同照和温度下阵列输出的最大功率，p m = 厶。 2 2 2 影响太阳能电池输出特性的因素 由等效电路和式( 2 1 ) 至( 2 3 ) 可以看出，太阳能电池的输出与温度有关。图2 4 和图 2 5 分别给出了光照强度为1 0 0 0 w 肌2 ，不同温度下的，一u 特性曲线和不同温度下的 尸一u 特性曲线。 可以看出，太阳能电池的开路电压，短路电流和输出功率在光照强度不变的情况下 都会受到温度变化的影响而变化。在实际系统中，开路电压虬。和最大功率点功率名将 6 第二章太阳能电池及最人功率跟踪算法 随温度升高而降低，而短路电流l c 将随温度升高而略有增加。 ( y ) 图2 4 不同温度下的，一u 关系曲线图 f i g 2 4i - u c u r v eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e a v ) 图2 5 不同温度下的p u 特性曲线 f i g 2 5p uc h a r a c t e r i s t i cc u r v eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 特别要注意的是前面提到的温度变化对太阳能电池输出特性的影响，对是指太阳电 池结温的变化，而不是指环境温度。太阳电池结温和环境温度的关系依赖于日照强度， 如图2 6 。 f f ) 4 0 3 0 2 0 1 0 0 _ s ( 爵亡) o2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 图2 - 6 太阳电池阵列结温和日照强度之间的关系 f i g 2 - 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o l a ra r r a y sg u i t a rm o d e r a t ea n dt h ei n t e n s i t yo fs u n s h i n e 2 3 光伏阵列的构成 单体光伏电池又称为光伏电池片，是光伏电池的最基本单元。在使用光伏电池供电 时，光伏电池片容量较小，输出电压较小、输出功率也只有1 w 左右，不能满足负载用 电的需要，通常不直接使用。因此需要将几十或几百片的单体电池根据负载需要，经过 7 4”，：3 2 ”吣。o 2 一蕾_ 江南人。7 ：硕十学位论文 串并联构成组合体，再将组合体通过一定的工艺流程封装在盒子里，引出正负引线，方 可使用。封装前的组合体称之为光伏电池模块组建，封装后的薄膜盒子称之为光伏电池 组合板。若干个光伏电池板根据负载容量大小要求，再串并联组合成较大的实际供电装 置，称之为光伏阵列。 2 4 太阳电池最大功率点跟踪方法 光伏阵列是一种非线性的电源。其输出特性可以视为恒电流区域与恒电压区域组 成，这两块区域的交接点即为最大功率点。因而在不同的光照强度下，光伏阵列都会出 现这样的最大功率输出点，从功率角度上可以将他们视为当前工况下的最优点。由于光 照强度与温度的变化将会分别改变这些恒电流和恒电压区域，所以最大功率点也随之变 化。 由于光伏阵列的最大功率点是一个时变量，因此可以采用搜索算法进行最大功率点 跟踪。最大功率点跟踪控制( m p p t ) 策略实时检测光伏阵列的输出电压，采用一定的 控制方法预测当前工况下阵列可能的最大功率点输出，即使光伏电池的结温升高使得光 伏阵列的输出功率减少，也可通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率点输出要求。这 样系统仍然可以运行在当前工况下的最佳状态。m p p t 具体的算法可分为非自寻优算法 和自寻优算法两种类别。 ( 1 ) 非自寻优算法是根据外界环境因素( 如光照和温度) 的变化，利用数学模型或查 表方法确定最大功率点。 ( 2 ) 自寻优算法与非自寻优算法的不同在于其通过直接测量得到电信号以判断最 大功率点的位置从而进行追踪，而非依赖检测外界环境因素的变化。 2 4 1 非自寻优算法 此类算法的特点是利用光伏阵列电信号以外的信息，进行最大功率点的跟踪。典型 的算法为曲线拟合法。该算法根据预先测得的光伏阵列特性曲线，利用曲线拟合法得出 能较准确描述阵列特性的数学模型或将曲线以表的形式存储在微处理器内。工作时，根 据测量的温度和辐射强度的信息，利用计算或查表的方法得出光伏阵列的最大功率点。 此算法由于需要测量温度和辐照度，增加了系统复杂度，且随着时间推移，光伏阵列特 性也会发生一定变化。另外检测温度和辐照度信息的装置位置必需配置合理。基于以上 原因，此方法在实际中很少采用。 2 4 2 自寻优算法 目前文献己提出的自寻优算法主要包括扰动观测法( p & o ) 、爬山法( h c ) 、增量导纳 法( i n c c o n d ) 、恒定电压法( c v ) 和短路电流法( s c ) 以及寄生电容法( p c ) 等。 扰动观察法或爬山法【1 8 。1 9 】：扰动观测法又可称为爬山法，算法原理是在光伏阵列正 常工作时，以微小的电压波动不断扰动光伏阵列的输出电压，在电压变化的同时，检测 功率变化的方向，从而确定寻优方向，决定下一步电压参考值的大小。扰动观测法具有 简单可靠，易实现的优点。但该方法由于不断干扰光伏阵列工作电压，故理论上虽然在 第二章太刚能电池及最人功率跟踪算法 某日照强度和环境温度下光伏阵列存在唯一的最大功率点，却无法最终稳定运行在该最 优点。因此，可以说扰动法的本质缺点即为阵列输出功率会在最大功率点附近的小范围 内反复振荡，而振荡的幅值则由算法的步长决定。 恒定电压法和短路电流法 2 0 - 2 1 】：相对于电池板温度变化引起的光伏阵列输出功率 的变化而言，辐照度的变化对光伏阵列输出功率的影响则更大。而不同辐照度下最大功 率点对应的输出电压u 。变化不大。同时，由实验验证知：同一辐照度下的砜与开路电 压配。的比值只与光伏组件的参数有关，而对环境温度的变化不敏感，可近似认为是一 常数( 常取为0 8 1 ) 。因此，基于以上特性设计的最大功率追踪算法被称为恒压法。该算 法依据测量得到的开路电压，令该电压的8 1 作为最大功率点对应的参考电压，并在一 定时间内保持不变。由算法原理可知：该算法的实施需要不停地开断开关元件以测量光 伏阵列的开路电压，这便导致光伏阵列无法持续供电。同时，光伏阵列的u 。与开路电 压的比值并不总等于同一常数。因此，可以说该算法追踪的稳态误差较大，能量转 换效率低。短路电流法是根据同一辐照度下最大功率点对应的输出电流l 与短路电流 ，。的比值近似等于0 9 1 而设计的算法。该算法的实施需要不断将光伏阵列短接，以测量 阵列的短路电流。因此，短路电流法与恒定电压法的原理实质是一致的。但当辐射改变 时，光伏阵列的，。变化较大，而玑，变化较小。因此在实际应用中恒定电压法更优越于 短路电流法。 增量导纳法 2 2 】：通过太阳电池阵列p u 曲线可以看出最大值点只。处的斜率为 零，所以有： 只。= 乇 ( 2 。4 ) u - = ，+ u i , i l = 0 ( 2 5 ) d ud u 一d i ：一一i ( 2 6 ) 一= 一一 i n - d uu 、 式( 2 6 ) l i p 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 u 是大于零还是小于零。该控 制方法的程序流程如图2 7 所示。图中，、厶为新检测的电压、电流值，、厶为原 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，则表示同照度有变化，电 流差值大于零d 值增加，电流值小于零d 值减少。再来讨论电压差值不为零时，式( 2 6 ) 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。 此跟踪法的最大优点是当太阳电池上的光照度产生变化时，其输出端电压能以平稳 的方式追随其变化，其电压晃动较扰动观察法小，不过其算法较为复杂，且在跟踪过程 中需花费相当多的时间去执行a d 转换，这对微处理器在控制上会造成相当大的困难。 9 江南人学硕十! 学位论文 图2 7 电导增量算法流程图 f i g 2 7f l o w c h a r to f c o n d u c t i v i t yi n c r e m e n t a la l g o r i t h m 寄生电容法【2 3 】：寄生电容法是基于增量导纳法并计及光伏阵列寄生电容而提出的算 法。它利用开关纹波干扰阵列，并通过测量光伏阵列输出功率和输出电压的平均谐波波 动，计算得出等值寄生导纳，并引入至增量导纳法中进行寻优。实际中，当且仅当光伏 阵列由大规模并联模式组成时，寄生电容的存在才会对最大功率点的影响表现得比较明 显。该算法在工程中应用范围很小。 2 5 改进型增量导纳法原理与实现 2 5 1 改进型增量导纳法原理 由光伏阵列在不同光照强度的输出功率电压特性可以看到，每条曲线都存在着一 个最大功率输出点，并且这个最大功率点在当前光照条件下是唯一的，并且最大功率点 处的斜率为零，增量导纳法正是利用了最大功率点处d p d u 为零的特性。当功率达到 最大值时满足式( 2 7 ) ，同时开可以推得式( 2 8 ) 。 一d e ：型尘：u 堕+ ，盟：0 ( 2 7 ) d ud ud ud u u d i = 一肘u ( 2 8 ) 令 a = u 刃 ( 2 9 ) a u = 一尉u ( 2 1 0 ) 则当a = a u 时，即可近似认为达到最大功率点。 增量导纳法相对于其他常用的m p p t 控制方法，得到的最优输出电压更精确，是一 个确定的值。但算法较为复杂，需要不断实现a d 转化，增加了控制器的负担2 4 1 。 由前面的分析可知，恒定电压法具有优点是： ( 1 ) 控制简单，易实现，可靠性高。 1 0 第二章太阳能电池及最人功率跟踪算法 ( 2 ) 系统不会出现振荡，有良好的稳定性。 ( 3 ) 可以方便地通过硬件实现。 但光伏阵列的开路电压会受到结温度的影响。在同样的光照条件下，最大功率点还 会受到温度的影响。在光伏阵列的功率输出随着温度变化的情况下，如果仍然采用恒定 电压法跟踪控制，阵列的输出功率会偏离最大功率点，产生比较大的功率损失。情况严 重时还会产生振荡。因此恒定电压法一般不单独使用。 因此，为克服常规恒定电压法和增量导纳法的不足，本文采用一种改进型的增量导 纳法实现最大功率点的跟踪。具体原理是，在系统刚启动时根据光伏阵列最大输出点电 压与开路电压之间的关系，设定光伏阵列的输出电压，使系统工作在最大功率点附近， 再使用增量导纳法不断调整电压输出，逐步逼近最大功率点。这种方法可以减小系统跟 踪最大功率点的时间，也可以充分体现增量导纳法的优点。 2 5 2 改进型增量导纳法实现 为克服使用场合、季节、早晚时间以及天气情况和环境温度变化对系统造成的影响， 在获取开路电压的方法上可以采取以下几种方法： ( 1 ) 根据温度查表调节：事先将给定光伏阵列在不同温度下测得的开路电压值存储 在控制器中，实际运行时，控制器根据监测光伏阵列的温度，通过查表选取合适的既。 ( 2 ) 参考电池方法：在光伏发电系统中增加一块与光伏阵列相同点特性的较小的光 伏电池模块，监测其开路电压。 无论用那种方法获取开路电压都不重要，因为此环节只有在光伏并网逆变器启动的 时候才会遇到，目的仅仅是使光伏阵列输出电压在最大功率点附近，后面的工作由增量 导纳法完成，由于系统工作在最大功率点附近，可以大大减少增量导纳法寻优的时间。 流程图如图2 - 8 所示。 可以通过比较a ( k ) 和a u ( k ) 的大小来确定光伏阵列的工作区域。 ( 1 ) 如果a u ( k ) = a ( k ) ，则认为阵列输出功率已经满足最大功率点的必要条件， 可以近似认为系统已经工作在最大功率点上，只要保持系统输出电压即可。 ( 2 ) 如果a u ( k ) a ( k ) ，则说明输出功率增大的方向为电压增加而电流减小的方 向，既系统工作在恒定电流区内，必须降低系统输出电压才能使系统重新工作在最大功 率点上。 ( 3 ) 如果a u ( k ) 1 。 少= e j k 口为超前环节，作用是用来补偿滤波器s t ( z ) 和控制对象的相位滞后。这样使 得系统在经过补偿后，在中低频段近似为零相移，其中k 可称为超前步长。 3 5 锁相环的原理 在光伏并网发电系统中，为了保证并网电流和电网电压严格同频、同相，必须使用 锁相环技术。通过调节逆变器输出电流的频率和相位，使其和电网电压逐渐进入同步锁 定状态。 本文按照光伏并网发电系统的要求结合l m 3 $ 6 1 8 芯片的内在功能，对锁相环的原理 及实现进行了研究。 2 5 江南人学硕+ 。位论文 3 5 1 锁相环的基本原理 输出 图3 1 0 锁相环基本结构 f i g 3 - 10b a s i cs t r u c t u r eo fd l l p l l 是一个闭环反馈控制系统，它能使输出相位和参考相位之自j 的相差减d , n 最 小。典型的p l l 基本结构如图3 1 0 所示，它由鉴相器( p d ) ，环路滤波器( l f ) 和压控振 荡器( v c o ) 组成。当环路锁定时，输出信号的频率和输入信号的频率相等。 输入信号必须是一个经过整形的t t l 电平信号，鉴相器可以识别出计数器输出的取 样信号相位与输入信号相位之间的相位差；环路滤波器控制着环路相位校正的速度与精 度；压控振荡器为可编程控制计数器，也可将其称为本地受控定时器，其计数周期受环 路滤波软件的控制。实质上，锁相环是一个闭环反馈控制系统，其输入为相位信号。但 在实际应用中，由于对相位的检测往往没有对频率或周期检测方便，而频率或周期与相 位之间又存在一个简单的积分关系，因此常常将频率或周期作为独立输入变量。 3 5 2 基于光伏并网控制的软件锁相环的工作原理 锁相环技术【5 3 j 在光伏并网系统中具有关键的作用，同步锁相环产生的是与电网电压 砜烈同步的主参考电流k f ，以k f 作为电流跟踪环的给定，进而实现并网电流与电网电 压的同频、同相的控制目标。 传统的模拟锁相环是由硬件电路实现的，然而随着高速、高性能控制芯片的发展， 用软件实现的数字锁相环已经成为一种趋势。与前者相比，软件锁相更容易与系统的整 体控制方法相配合，具有更高的精度和灵活性。 光伏并网控制系统中的锁相控制环节由硬件和软件两部分综合完成，电网电压信号 通过过零检测电路整形成与其同步的t t l 方波信号，此信号送入l m 3 s 6 1 8 的捕获端口 捕捉其上升沿，设置定时器为递增计数模式，在捕捉中断到来时开始复位重新计数。 并网软件锁相环程序流程如图3 1 1 所示，软件鉴相程序可方便的判断信号源( 表示 电网电压信号) 与l m 3 s 6 1 8 周期寄存器( 表示参考电流信号) 相位的超前和滞后。上升沿 到来时触发中断，中断服务程序中，读取捕捉中断的计数值，记为兀n ，读取周期寄存 器当前计数值，记为r f ，则f 和正。分别为锁相环的参考输入和反馈输入。环路滤波 程序即一套软件锁相算法，实现兀。对正。f 的跟踪功能。软件锁相算法的运算结果重新送 入周期寄存器中，使得周期寄存器t p r 相位跟踪电网电压相位变化，从而达到相位跟 踪的目的。 图3 1 1 并网软件锁相环程序流程 f i g 3 11p r o g r a mf l o wo fg r i dd i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p 2 6 第三苹光伏并网逆变器的控制策略 3 6 重复p i 控制仿真 为了验证重复p i 控制策略的有效性，建立的并网逆变仿真模型如图3 - 9 所示，模型 由以下几部分构成：光伏阵列输出模块，p w m 发生模块、逆变器模块、正弦开关函数 计算模块、电压前馈补偿模块、重复p i 电流控制模块。 图3 - 1 2 光伏并网逆变器仿真结构图 f i g 3 - 1 2s i m u l a t i o ns t r u c t u r eo f p h o t o v o l t a i cg r i dg e n e r a t i o ns y s t e m 图3 - 1 3 为采用重复p i 控制的并网电流输出仿真波形。选取相应的参数为：电网电 压“c t 有效值为2 2 0 v ，取电感l = 2 6 m h ，r l = 2 q ，a - - 1 0 ，t p w m = 1 0 0 u s ，k p w m = 1 5 ， e = 0 9 ，q 倒= o 9 5 ，开关频率9 位= 1 0 k h z ，f = 5 0 h z ，则n = 2 0 0 ，并根据式( 3 1 1 ) 可得出 局- - - - 6 6 6 5 ，k v - - 0 1 3 5 。 从仿真波形上可以看出采用电压前馈补偿和重复p i 控制技术，基本上实现了并网 电流对电网电压的无静差跟踪，明显降低了并网电流的t h d 值，有效的改善了并网逆 变器的电流跟踪性能。 2 7 江南大学硕士学位论文 时吲t s 图3 1 3 并网电流仿真曲线 f i g 3 13s i m u l a t i o nc u r v e so fg r i d c o n n e c t e dc u r r e n t 3 7 本章小结 本章分析了光伏并网逆变器的控制目标并介绍了常用的并网逆变控制方法。采用重 复p i 控制来跟踪周期性参考指令信号，减小输出电压谐波，改善系统的动态性能。从 仿真波形上可以看出并网电流与电网电压有较好的跟踪效果，实现了同频同相，较好的 实现了并网电流的单位功率因数输出。 2 8 第四章基y - l m 3 $ 6 1 8 的光伏并网逆变器硬件设计 第四章基于l m 3 s 6 18 的光伏并网逆变器硬件设计 在理论分析的基础上设计出实际的硬件电路，制作了p c b 板，搭建了硬件电路试 验平台，对理论研究进行了试验。根据光伏并网逆变器设计要求设计的光伏并网逆变器 的硬件电路结构如图4 1 所示。逆变器采用l u m i n a r y 公司推出的首款基于a r m c o r t e x m 3 内核的控制器l m 3 s 6 1 8 作为主控芯片，光伏并网系统硬件结构主要包括：控 制电路、逆变电路、工频变压器、检测电路以及人机接口等。 本章主要介绍光伏并网逆变器各模块的设计和参数的选取。 p w m 驱动 a 叫直流电流检测电路 = = 爿1 0 爿电网电压检测电路卜| 一c ril l m 3 s 6 1 8 i i b 叫母线电压检测电路 = 剖i g 爿并网电流检测电路i i d 人机接口| i 电源电路 图4 1 硬件电路结构 f i g 4 1m a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fs y s t e m 由于实验室没有足够容量的光伏阵列，但为了系统能够在将来进行1 ：1 的实验，本 章对系统的整体设计耐压和容量都留足了裕量，是按照并入2 2 0 v 电网设计的。选取的 光伏阵列的参数为：p m 戤= 3 0 0 w ，= 8 0 v ，l = 5 9 a 。 4 1 控制电路设计 l m 3 s 6 18 是l u m i n a r y 公司推出的首款基于a r mc o r t e x m 3 内核的控制器之一，其工