（电力电子与电力传动专业论文）3kw级光伏逆变器拓扑结构及控制策略研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，o na c c o u n to f 晌姗锄t a lp 0 1 1 埘o na n de ) 【1 l 肌s t i o no fe n e r g y s o u r c eb e c o m ew o r s e ，n e w 趾dr 蛐e w a b l ee i l e 哂e sa p p l i c a t i o nh a sb e e i lah o ts p o t t t l a tm o s tc o u i l t r i e sc o m p c t ea g a i n s te a c ho t l l e rt od e v d o p t h ed e v e l o p m e n to fn e w e 1 1 e 】科a n dr 饥e w a b l ee i l 哪y h a sb e e i lt a l ( e i lt oa 伊e a tp a no f 缸u r ee i l 唧s 仃a t e 醪 s u s t a i n a b l ee c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n tn e e d sd e v e l o p i n g 姐du t i l i z i l l gn e w a i l d r 饥e w a b l e e i l e r 昏e s ，m c r e 够m gc l l e r g ys u p p l y ， p r o m o t i n ge 1 1 e 娼ys a v i n g a n d c o n s u i i l p t l o nr e d u c l n g ，饥s 嘶n ge i l 哪ys e c 嘶t y ，r e d u c i n ge m i s s i o n so f 笋e e n h o u s e g a s a sar e n e w a b l e 吼q g yr e s o u r c e ，s 0 1 a rh 嬲i t sm 舒t ss u c h 嬲w i d e l yr e 西0 n ， r e s o u r c e 如1a 1 1 dc l e a l l l yw i t l ln 0h 卸nt oe n v 衲n m e n t ，s oi t sai i l a i l la p p r o a c ht os o l v e 缸l er e s o u r c e 嘶s i s t h e o 巧 a b o u ts 切n d a l o n e p h o t o v 0 1 t a i cp o w e rs y s t e ma n dt h r e e p h 嬲e g n d - c o r l e c t e dp h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e mi sa n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l yi n l i s d i s s e r t a t i o n l o t so fs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n eb 2 l s e do nt 1 1 e m i nt 1 1 i sm e s i s ，an o v e ls t a i l d a l o n ep h o t o v o l t a i cs y s t e mt o p o l o g yw h i c ha d o p t e da p u s h - p u l lo u 印u tc i r c l l i ti sp r o p o s e d t h es y s t e i i lc o n s i s t so fp h o t o v o l t a i cb a t t e r ya 玎ay ， c u kc h a r g e r ，b a t t e 巧a l l di n v e n e r m a x i m 啪p o w e rp o i n tt t a c k i n ga l g o r i t l l mb a s e d o nc h 姆n gs t l a t e g yo fb a t t e r yw a sa d o p t e di nc u k c h a r g e rt oi m p r o v em es y s t e m e 伍c i e n c ya n db a t t e 巧l i f e t h eb o o s ti n v 耐e rb a s e do nh f 1 i 1 1 1 ( s p w mm o d u l a t i o n m e m o da n dt o p 0 1 0 9 yo fi n t 锄a ll l i 曲- f e q u e i l c yl i r l l ( w i t h o u td cl i n kc a nb eu s e df o r b o o s ta n di n v c n e r n o to n l yh u g ep o w e r6 嘲u e n c yt r a l l s f o m e rc a nb er 印1 a c e db y 1 1 i 曲丘e q u e i l c y 仃a i l s f o m b u ta l s od c d cb o o s tc i r c u i ti s 似l u c e d t h et o p 0 1 0 9 yo fm r e e - p h a s e 饥t e n ts o u r c e 鲥d c o n n e c t e di n v e r t e ri sp r o p o s e d b a s e do nt l l r e e p h a s ei n d 印e i l c 【e n ti m m i t t a n c ec o n v e n e r b e c a u s eo f 廿1 eu s i n go f l r 衄i t t a n c ec o n v e r t l l i 曲- 丘e q u e n c yi n d u c t o ra 1 1 d h i 曲- 舶q u e i l c y 仃a n s f o n n e ri nm e n o v e l i n v e r t e rr 印l a c et h ep o w e r 行e q u e n c yi n d u c t o ra n dp o w e r 疳e q u e n c y 仃a n s f o 肌e r w m c hu s e di nt l l et r a d i t i o n a “n v e n i 玎t or e d u c et h es i z eo ft 1 1 ed e v i c e v b l t a g es o u r c e c a nb ec h a n g e dt oc u i r e n ts o u 】r c eb yi 加m i t t a n c ec o n v e r t e r g 订dc u i 代1 1 ti si l o t 雄e c t e d b y 鲥dv o l t a g ea 1 1 dh i 曲p o w e rf a c t o ri sa c h i e v e d b e t t e rs y s t e mr e d u n d a l l c ya n d s 仃o n g e rc 印a b i l i t yi nd e a l i n gw i m 鲥dn u c t u a t i o ni sa c h j e v e dc o m p a r e dw i t hm e 仃a d i t i o n a lt h r e e - p h a s e 鲥di i e r t e r f u m l e n l l o r e ，t h et o p 0 1 0 西e so f 吐l r e e p h a s e 吼眦i e n ts o u r c e 鲥d c o l l n e c t e di i l v e r t e ri sp r o p o s e db a s e do ns p l i t - p h a s em o d u l a t i o n c o m p a r e dw i t h 廿l r e e - p h a s ec l l r r e n ts o u r c e 星一d c o n n e c t e di r e r t e rb a s e do n 鹏e - p h 弱ei n d 印e i l d e mi i i l 】m i t t a n c ec o n v 锄o n ei m m i t t a n c ec o n v 鲥e rc a l lb e e l l o u 曲i h r e e p h a s ec u r r e n ts o u r c e鲥d - c o 肌e c ti s a c ：h i e v e db ys p l i t - p h 鹪e m o d u l a t m gt h eo u t p u tc u m m t 丘o mi i l l i l l i t t a i l c ec o n v e n e ri i lc y c l e c o m 僦 k e y w o r d s ：m a x i i i l _ 啪p o w e rp o i n t1 - r a 幽n 吕p h o t o v o l t a i cg r i d c o i l i l e c t e dh e r t h 1 1 m i t t a l l c ec o n v e f t s p l i t p h 嬲e v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：监翩签名缝鲴圣日期：型址凹 i 上海大学硕士学位论文 1 1 背景和意义 第一章绪论 随着科学技术的飞速发展和工业规模的不断扩大，能源短缺和环境恶化已经 成为全球性的两大难题，新能源和可再生能源的发展及应用越来越受到世界各国 的广泛关注。近二、三十年来，太阳能光伏发电作为一种清洁的可再生能源得到 了快速的发展，光伏发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。发展太阳能光伏 发电对于缓解世界范围内的能源短缺以及环境恶化问题具有重大现实意义。开展 太阳能光伏发电系统的研究，有利于掌握该领域的关键技术，开拓广阔的光伏发 电市场。 在2 0 世纪，人类所利用的能源主要是化石能源，如石油、天然气和煤炭等。 随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持 续增长，世界上的化石能源可利用总量总有一天将达到极限。中国各种一次能源 资源均低于世界平均水平，图1 1 表明了中国各种一次能源的探明剩余储量( 以 储采比表示) 与世界的比较【1 1 。因此，中国的能源需求面临着更严峻的挑战。 图1 1 一次能源的探明剩余储量比较 随着世界各国经济的飞速发展，二氧化碳的排放量呈迅速上升趋势。由此产 生的一系列环境问题使我们开始意识到发展新能源的迫切性与重要性。我国是能 源消费大国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，燃煤造成的环境 污染日益突出。我国未来的能源发展战略要求提高能源效率，清洁使用化石能源； 上海大学硕士学位论文 调整能源结构，增加替代能源，实现能源的可持续发展。在实施可持续能源战略 中，新能源和可再生能源是重要的战略选择。开发利用新能源和可再生能源资源， 提高技术水平，推动产业发展，己成为实施可持续能源战略的重要措施。 从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想绿色 能源。太阳能光伏发电( p h o t o v o l t a i c ，简称p v ) 体积小、重量轻、零排放、长寿 命、易运输、易安装、运行可靠、使用方便，被全球能源专家们认定为2 1 世纪 最重要的能源之一。根据国际权威机构的预测，到2 1 世纪6 0 年代，即2 0 6 0 年， 全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源构成的1 3 1 5 之间，而整个可 再生能源在能源结构中的比例将大于5 0 ，如表1 1 所示【。可以看出，太阳能 将是目前大量应用的化石能源的主要替代能源之一。 表1 1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例( ) 时段2 0 1 0 2 0 2 0 2 0 3 02 0 4 0 2 0 5 0 日本预可再生能源2 0 22 3 53 3 64 2 75 3 4 测 太阳能1 97 91 3 5 s h e n 预可再生能源 2 2 22 0 。93 2 34 3 35 4 6 测 太阳能2 6 8 41 4 9 可再生能源2 1 22 2 23 3 o4 3 5 4 平均 太阳能2 38 21 4 2 我国发展太阳能具有显著的地理优势。中国拥有丰富的太阳能资源，除了贵 州高原部分地区外，中国的所有地域均为高太阳能资源区域。太阳能利用前景较 好的地区占中国国土面积的2 3 以上，主要集中在西部地区，尤其是西北和青藏 高原，年平均日照时间在2 2 0 0 小时以上：中国陆地每年接收的太阳辐射量约合 2 4 0 0 0 亿吨标准煤。 由上述可见，以太阳能为代表的可再生能源特别适合中国的国情，在中国大 力发展太阳能具有现实意义。此外，大力发展太阳能对于生态环境的保护、经济 社会的可持续发展也具有深远意义【2 捌。 2 上海大学硕士学位论文 1 2 光伏发电系统的技术现状和问题 1 2 1 国内外研究现状 光伏发电的工作方式包括独立运行和并网运行两种。早期，由于光伏电池板 的生产成本居高不下，光伏发电多数被用于偏远的无电地区，且以户用及村庄用 的中小系统居多，都属于独立运行工作方式。近年来，光伏产业及其市场发生了 极大的变化，开始由边远农村地区逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快 速迈进。 上世纪9 0 年代以来，国外发达国家侧重于发展“屋顶光伏并网系统”。因为 屋顶光伏并网系统不单独占地，将光伏电池板安装在现成的屋顶上，非常适合太 阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电 站，有利于普及以及战备和能源安全，所以受到了各国的重视。 我国科技部已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。“八五和“九五 期间，把“光伏屋顶并网发电系统”列入了“国家科技 攻关计划，在深圳和北京分别建成了1 0 0 妍，1 7 妯v p ，7 妍和5 k w p 的光伏屋顶 并网发电系统并成功地实现了并网发电3 1 。 到目前为止，我国光伏发电的关键技术及设备仍主要来自进口，但面对如此 巨大的国内需求市场，脚踏实地地发展具有自我知识产权的相关高新技术，进而 实现其产业化，已是刻不容缓的事。本文正是在这一思想的指导下开展了本领域 内的一些研究工作。 1 2 2 光伏发电的主要技术问题 太阳能光伏发电是将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电技术。太阳光 辐射能经过光伏电池转换为电能，再经过能量存储、控制与保护、能量变换等环 节使之成为可供人们使用的直流或交流电。光伏发电系统研究的主要内容有：最 大功率点跟踪( m a x j 舢】mp o w e rp o i mt r a c k i n g ，m p p t ) 控制技术、并网技术、高 效率充电控制技术、光伏并网系统的保护及孤岛检测与防御技术等【1 4 。2 5 】。 ( 1 ) 基于d s p 的光伏发电系统逆变控制技术【1 4 1 5 】 光伏电池阵列所发出的电能为幅值不稳定的直流电，但是大多数用电设备采 上海大学硕士学位论文 用的是幅值稳定的交流电，所以系统中需要有将不稳定直流电变换为稳定交流电 的逆变器，逆变器的拓扑结构和控制方法将直接影响到整个系统的效率，因此， 光伏系统逆变器的控制技术具有重要的研究意义。 在逆变器的设计中，通常采用模拟控制方法。然而，模拟控制系统中存在很 多缺陷，如元器件的老化及温漂效应、对电磁干扰较为敏感、使用的元器件数目 较多等。典型的模拟p w m 逆变器控制系统采用自然采样法，将正弦调制波与三 角载波比较，从而控制触发脉冲。但三角波发生电路在高频( 2 0 姗z ) 时容易受 温度、器件性能等因素干扰，从而导致输出电压中出现直流偏移、谐波含量增加、 死区时间变化等不利影响。数字信号处理器( d i 西t a ls i 印a lp r o c e s s i n g ) 的发展 使光伏发电系统中逆变器的数字化控制成为可能。数字信号处理器大部分指令可 在一个指令周期内完成，因此可以实现较为复杂的先进控制算法，进一步改善输 出波形的动态性能、稳态性能，并且可以简化整个系统的设计，使系统具有良好 的稳定性。 ( 2 ) m p p t 控制技术【1 昏1 8 】 光伏并网系统的控制中，功率环控制是其关键。功率环控制又与最大功率点 跟踪控制互相结合，需要同时兼顾响应速度、最大功率点跟踪精度和母线电压稳 定性。对现有算法进行优化，使之满足上述要求是提高系统效率的关键之一。 扰动观测法( p e 巾曲0 b s e r y ea l g o r i t h i n s ，p & o ) 是目前实现m p p t 常用的 方法之一。其原理是每隔一定的时间改变一次光伏阵列工作点，并观测其后的功 率变化方向，来决定下一步的调整方向。这种控制方法一般采用功率反馈，需要 两个传感器对直流母线电流及两端的电压分别采样。这种控制方法的算法相对简 单，且易于硬件实现，但是响应速度较慢，只适用于那些太阳辐照度变化比较缓 慢的场合。而且稳态情况下，这种方法会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率 点附近小幅振荡，因此会造成一定的功率损失；而光照发生快速变化时，跟踪算 法可能会失效，使得判断得到错误的跟踪方向。 电导增量法也是m p t 控制常用的方法之一。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。这种控制方法同样需要对光伏阵列的 电压和电流进行采样。该方法控制精确，响应速度比较快，适用于大气条件变化 较快的场合。但是对硬件的要求特别是传感器的精度要求比较高，系统各个部分 4 上海大学硕士学位论文 响应速度也要求比较快，因此整个系统的硬件造价也会比较高。而且，对于光伏 直流输出直接逆变到交流电网的单级式拓扑情况，采用普通的电导增量法还存在 直流母线电压稳定性的问题。 另外，采用恒电压控制近似和模糊逻辑控制来实现最大功率点跟踪也是较常 用的方法。但前者存在温度变化范围较大时效率较低的缺点，后者受具体应用情 况限制，没有一个普遍适用的标准。 ( 3 ) 光伏发电系统并网控制技术【1 蛇2 】 由于光伏并网发电系统将太阳能电池产生的功率直接转换为市电并入电网， 因此控制方式类似一个与市电电压同步的电流型脉宽调制逆变器( p w m h 鳅e r ) ，用以降低馈入电流对电网产生的电力谐波。因此馈入电网电流波形的 总谐波失真越低越好，其控制效果犹如一个输出功率因数为1 的交流电源供电装 置。 光伏并网发电系统并网控制的关键和难点在于如何维持光伏电池的最大功 率输出，以及如何综合考虑功率变换器的动态性能、系统干扰、输出波形失真、 并网电流和电网电压同步等问题。 ( 4 ) 光伏并网发电系统的保护和孤岛问题2 3 2 5 】 光伏并网发电系统作为电力系统的一部分需要接入保护装置。一方面对光伏 发电系统进行保护，防止孤岛效应发生：另一方面需要安装继电保护装置，防止 线路事故或者功率失稳。 常用的并网保护功能有低电压保护、过电压保护、低频率保护、过频率保护、 过电流保护和孤岛保护等。“孤岛效应 是指分布式发电系统( 如光伏发电系统) 在电网失电的情况下继续向负载供电，使负载和分布式发电系统形成一子系统， 该子系统虽然与电网隔离，却有电能的产生、传输和消耗，成为电力系统中的“孤 岛 。分布式发电系统孤岛效应可分为长期独立运行与短期独立运行两种。长期 独立运行是指运行时间超过1 秒者，短期独立运行是指运行时间少于1 秒者。长 期独立运行会产生以下安全问题：危及维护人员的生命安全；孤岛运行时因 失去市电作为同步信号，则电力变换器的输出电压和频率将可能偏离市电频率， 从而造成对用户设备的损坏；在市电恢复瞬间，由于该动作是随机的，并网发 电系统电流的相位与市电电压相位不一致，从而引起巨大的冲击电流，危及到设 5 上海大学硕士学位论文 备的安全；孤岛运行意味着电力系统脱离了电力公司的管理和监控，成为不可 控和高隐患的操作。为了解决这个问题，学术界已经提出了许多种方案【2 3 洲( 如 主动检测法及被动检测法) ，然而当孤岛效应不是很明显时，现有的方法可能无 法判断出发电站与负载之间功率的失配，因此孤岛问题仍是一个未彻底解决的问 题。 1 3 本文所做的主要工作 本课题来源于上海市教委重点项目基金( 0 6 z z 0 3 ) 、上海市科委登山计划项 目基金( 0 6 d z l 2 2 1 1 ) 。本研究分为独立运行光伏逆变器和并网运行光伏逆变器 两个部分。对光伏电池的特性分析、蓄电池的充放电管理、m p p t 控制技术、并 网控制技术等方面进行深入研究，所进行的工作主要有： ( 1 ) 查阅了国内外有关m p p t 技术、蓄电池充电技术、独立运行光伏发电系 统以及三相光伏并网发电系统等与课题相关方面的国内外资料，分析了国内外有 关课题的研究现状和趋势； ( 2 ) 设计和制作了3 k w 级独立运行光伏发电系统实验平台，并制作成样机， 包括光伏充电器和升压逆变器两个部分。光伏充电器控制方法采用m p p t 技术和 基于蓄电池特性相结合的控制策略。该控制策略在满足蓄电池充电特性的前提 下，能够最大限度的利用太阳能，提高整个系统的工作效率。 ( 3 ) 深入分析了导抗变换器的基本理论和工作特性。在此基础上，提出了采 用三相独立导抗变换器的三相电流型并网系统。系统中任意一相都是一个独立的 子系统，不受其它相影响，即使在某一相或某两相损坏的情况下，剩余相也能正 常运行，增加了系统的冗余性；在三相电网不平衡情况下，本方法也能提供稳定 的三相电流，增加系统抗电网波动能力。设计制作了基于导抗变换器的3 k w 级 单相电流型并网实验装置。 ( 4 ) 在导抗变换器理论基础上，提出了一种基于裂相控制的三相电流型并网 逆变器。主要是通过检测电网电压和导抗变换器输出的高频正弦电流的过零点， 再配合周波变换器的裂相控制来实现并网电流的锁相控制，最终实现并网。设计 制作了基于裂相控制的三相电流型逆变器实验装置。 6 上海大学硕士学位论文 第二章光伏发电系统的基本特性及分类 2 1 引言 光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转化为电能的直接发电方 式。光伏发电系统是由光伏电池板、控制器、电能存储和变换环节构成的发电与 电能变换系统。 光伏电池板在光伏发电系统中成本最高，是光伏发电系统的核心部件之一， 是太阳能转换为电能的基础。由于光伏电池本身的复杂特性，其能量转换效率目 前还不是很高。光伏电池的输出功率及效率等直接受电池材料、本身技术、日照 强度、环境温度及负载等的影响。 光伏并网发电系统有许多种分类。根据系统功能可分为可调度式和不可调度 式。就并网系统而言又可分为电压源型和电流源型。本章就各类光伏系统进行了 介绍，并提出了自己的实现方案。 2 2 光伏电池工作基本原理及输出特性分析 2 2 1 光伏电池的基本工作原理 太阳能电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半 导体器件。所谓光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效 应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应。在固体( 特别是半导体) 中，转 换成电能的效率相对较高。太阳能电池实际上是一个p - n 结。如果将普通半导 体硅太阳能电池放入一个暗盒里，在两个电极之间分别外加正向和反向电压，测 量其电流电压特性，得到的电流电压关系和普通二极管完全相同：即通过的正 向电流随着外加正向电压增大逐渐上升，当电压达到某个值之后，电流迅速上升； 在加反向电压时，尽管电压值加得很高，通过的电流仍然很小，并且如果继续增 大反向电压，达到一个较大的值以后，电流迅速增大达到反向击穿，这时的大电 流会破坏电池的p n 结，使电池报废。 光照下的p n 结，是一个非平衡的p n 结。所谓的非平衡p _ n 结，是指外 7 上海大学硕士学位论文 加偏压情况下，其势垒与平衡时不同，扩散电流将不能与漂移电流相抵消，有电 流通过p n 结。在光照条件下，注入的非平衡载流子是由于光照激发产生的电 子一空穴对。当光子的能量大于或等于禁带宽度最时，就可以把电子从价带激发 到导带，在价带中留下一个空穴，产生一个电子空穴对。被激发的电子有一种 自发的倾向，重新跳回价带与空穴复合，把吸收的能量释放掉，恢复平衡位置。 所以在复合之前，必须把电子和空穴分开，才能实现光转换成电的目的。这个分 离作用是通过p n 结的空间电荷区来实现的。具体的解释如下： 当光子照射在p n 结表面上，入射光子能量为h v 的光子在基区内产生电子 - 空穴对，如图2 1 ( a ) 所示。如果所产生的电子空穴对有足够长的寿命，则在p 区和矿区中的光生少子各自扩散到p - n 结的势垒区附近，被内建电场e 所分离。 光生非平衡少子电子由p 区扫入矿区，光生非平衡少子空穴由矿区扫入p 区。 因为空间电荷区在矿区一侧带正电荷，倾向于把p 区中产生的光生电子吸引进 入矿区。同理，空间电荷区在p 区一侧带负电，倾向于把矿区中的光生空穴吸 引进入p 区【刀。 最 ( a ) e _ 昂0 一 ( b ) 图2 1 光生伏打效应简图 光生电子和光生空穴分别产生电流氏和山，总的光生电流密度氐可以用 式( 2 1 ) 来表示。 以v = 山+ 氏( 2 1 ) 当然，该过程不会无限制的进行下去。在开路的情况下，被内建电场分离的 光生电子和光生空穴分别在势垒区的边界外侧被积累起来，形成一个光生电场， 如图2 1 中( b ) 所示，其光生电压用酢v 来表示。光生电场的方向与原来的p n r 上海大学硕士学位论文 结空间电荷区的电场方向相反，与外加正向电场的情况非常类似。光生电压 使p _ n 结产生正向注入，流过p - n 结的电流密度记作以，根据外加电压与流过 p - n 结的电流密度的关系，可以得到如式( 2 2 ) 的表达式，其中厶为二极管的 反向饱和电流密度： = 儿( 2 9 懈一1 ) ( 2 2 ) 电流以与光生电流方向正好相反。达到平衡时，有： 以= 氐 ( 2 3 ) 一屯( e 4 懈一1 ) = o ( 2 4 ) 因此，光生电压的表达式可以解得如式( 2 5 ) 所示。 ：坚1 1 1 ( 厶+ 1 ) ( 2 5 ) q 简而言之，光照时所产生的光生电压破坏了p - n 结的平衡，电流通过p - n 结，平衡时得到光生电压。p n 结的饱和电流越小，光生电压就越大， 这就是光变成电的光电效应。电流以即为太阳能电池的暗电流，它与光生电的方 向相反。 2 。2 2 光伏电池的输出特性分析 光伏电池输出特性与电池参数、日照强度、环境温度的关系大多是通过实验 或数学模型分析来得到。太阳能电池利用光电效应产生电流。当光子入射到太阳 能电池板上时，太阳能电池板上的半导体物质吸收了足够的光子，由光子激发出 的电子一空穴对经过分离而在电池板两端产生电动势。其工作原理如图2 2 所示。 光伏电池的输出特性随日照强度和环境温度而变化，其函数关系可表示为 ，= ( y ，g a ，疋) 。其中g a 表示日照强度，死表示环境温度。在无光照情况下， 光伏电池不产生电流或电压。当受外部能量( 如太阳光辐射能等) 激发时，它将 产生二极管结电流如。光伏电池实际等效电路可用如图2 3 所示的二极管模型来 表示。 9 海太学硕士学位论文 赢 图2 2 太阳能电池工作原理 卜 酗2 3 光伏电池等放电路 模型中包括光电流源“二极管、串联电阻岛( 相当于光伏电池单体中串 联内阻) 。光伏电池单体输出电流为光电流和二极管电流之差。 m 一卜吗笋一1 仁q 其中刑为理想园数，t 为波尔兹曼常数。昆为光伏电池绝对温度，g 为电子 电荷，y 为光伏电池端电压，斥为和温度有关的无照饱和电流【2 “。 光伏电池单体的理想因数用介于l 和2 之间电流较大时接近于1 ，电流较 小时接近于2 ，其典型值为i3 。 圈2 4 所示为特定光伏电池温度民和特定日照强度g 一情况下的m 特性曲 线。如果连接在光伏电池终端的负载电阻月可变则工作点由电压曲线y 和电 流曲线，的交点决定，这些工作点的集合也就是y 0 特性曲线。纯阻性负载的特 性为一直线，该直线的斜率为y = v r 。如果负载电阻足够小则光伏电池仅 工作在a 点和b 点之间的区域，则光伏电池类似于一个恒流源：如果负载电阻 上海大学硕士学位论文 足够大，则光伏电池仅工作在c 点和d 点之间的区域，此时光伏电池类似于一 个恒压源。 光伏电池两个最重要的参数是开路电压和短路电流厶c 。 短路电流( 见图2 4 中a 点) j i l ，这是光伏电池输出端短路状态下产 生的最大电流值，此时肛d 。 p v 电池板输出电压( 单位：伏特) 图2 4 光伏电池输出m 特性曲线图 p v 电池板输出电压( 单位：伏特) 图2 5p v 电池板m 曲线和y 妒曲线 开路电压是指当仁d 或昂= 五时二极管p n 结两端的电压( 见图2 4 中 d 点) ，它描述的是无光照情况下光伏电池电压，即： = 孚h = 讪 仁7 ， g k f f 其中k ：塑是和温度有关的电压，死是光伏电池温度。 光伏电池输出特性中另一个重要概念是最大功率点( m a x i m u mp o w e rp o i n t ) ， 即m 曲线上电压、电流二者乘积取最大值的点，如图2 4 及图2 5 所示，由图 示可以看出，最大功率点出现在k 和相交的地方。图2 5 给出了某光伏模 jf骰。罩井v鹾謦茁簿蜷爨脚“ 鹰懈。掣辞v臻脚fr舞辑爨脚ad 上海大学硕士学位论文 块典型的m 曲线和绅曲线。 2 2 3 日照强度和环境温度对光伏电池输出特性的影响 图2 6 日照强度变化对p v 输出特性的影响图2 7 温度变化对p v 输出特性的影响 图2 6 和图2 7 分别是改变日照强度和环境温度情况下光伏电池输出特性变 化特性曲线。由图2 6 可知，开路电压和短路电流随日照强度的增强而增大，温 度升高使开路电压减小，从而使效率降低。另外，短路电流随电池温度的变化并 不明显【2 6 乏9 1 。 2 3 光伏并网发电系统的分类 2 3 1 可调度式与不可调度式 目前常见的光伏并网发电系统，根据其系统功能可以分为两类：一种为不含 蓄电池的“不可调度式光伏并网发电系统 ；另一种为系统包括蓄电池组作为储 能环节的“可调度式光伏并网发电系统 。两者的系统配置示意图如图2 8 和图 2 9 所示。 图2 8 不可调度式光伏并网发电系统 1 2 上海大学硕士学位论文 图2 9 可调度式光伏并网发电系统 可调度式并网光伏系统设置有储能装置，兼有不间断电源和有源滤波的功 能，而且有益于电网调峰。与不可调度式相比，最大的不同是系统中配有储能环 节，通常采用铅酸蓄电池组，其容量可根据实际需要进行配置。在功能上，可调 度式系统有一定扩展和提高，主要包括： 1 ) 系统控制器中除了并网逆变器部分外，还包括蓄电池充放电控制器，根 据系统功能要求进行蓄电池组能量管理； 2 ) 在交流电网断电时，可调度式系统可以实现不间断电源( i m i n t e 棚l p t i b l e p o w e rs u p p l y ，u p s ) 的功能，为本地重要交流负载供电； 3 ) 较大容量的可调度式光伏并网发电系统还可以根据运行需要控制并网 输出功率，实现一定的电网调峰功能。 虽然可调度式光伏并网系统在功能上优于不可调度式光伏并网系统，但由于 增加了储能环节，可调度式光伏并网系统存在着明显的缺点。这些缺点是目前限 制可调度式光伏并网系统广泛应用的主要原因，包括： 1 ) 增加蓄电池组导致系统成本增加； 2 ) 蓄电池的寿命较短，远低于系统其他部件寿命。目前免维护铅酸蓄电池 在合理使用下寿命通常为3 到5 年，而光伏阵列一般可以稳定工作2 0 年以上； 3 ) 废弃的铅酸蓄电池必须进行回收处理，否则将造成严重的环境污染。 由于上述原因，目前这种形式的应用较少【7 】o 2 3 2 电压源型和电流源型 光伏并网系统的核心是并网逆变器，其实质是一个有源逆变系统。就并网系 1 3 上海大学硕士学位论文 统而言，可以分为电流型和电压型：电流型的特征就是直流侧采用电感进行直流 储能，从而使直流侧呈现高阻抗的电流源特性；电压型的特征是直流侧采用电容 进行直流储能，从而使直流侧呈低阻抗的电压源特性。两种电路拓扑结构如图 2 1 0 和图2 1 l 所示。 图2 1 0 电压源型并网逆变器图2 1 1 电流源型并网逆变器 电压源型逆变器，为了能有效并网不出现环流，通常设计成电压型的电流源 系统。逆变器的输出电压幅值自动被钳位在电网电压，对并网电流进行反馈控制， 使其跟随电网电压相位，进行锁相控制。因此并网电流受电网影响大，并且控制 算法复杂【3 0 】； 电流源型逆变器因为呈现电流源特性，输出电流属于受控状态，不受电网电 压波动的影响。因此无需并网电流瞬时值反馈，只需检测并网电压的过零点进行 锁相控制。但是采用传统的电流源逆变器，电感体积庞大，不利于装置小型化。 本文第五章将提出一种基于导抗变换器的电流型并网逆变器，相对于传统的电流 型逆变器能进一步减小体积。相对于电压型逆变器则具有受电网影响小的优点。 2 4 本章小结 光伏电池板是光伏发电系统的核心部件之一。本章首先详细论述了光伏电池 基本工作原理和输出特性以及环境温度和日照强度对光伏电池输出特性的影响， 为后续章节中充电控制器、光伏逆变器的功率电路的设计、控制算法的确定奠定 了理论基础。接着讨论了现有的可调度式光伏发电系统和不可调度式光伏发电系 统，电压源型光伏发电系统和电流源型光伏发电系统。最后提出了本文采用的光 伏发电系统的类型。 1 4 上海大学硕士学位论文 第三章光伏阵列最大功率点跟踪方法研究 3 1 引言 光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受太阳辐照度、环境温度和 负载情况影响。在一定的太阳辐照度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的 输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值。 这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点 ( m a x i i i l u mp o w e rp o i n t ，m p p ) 。 在光伏发电系统中，为了在外部条件变化时光伏电池阵列输出最多的能量， 理论和实践上对设计人员提出了光伏阵列输出能量m p p t 控制的要求。目前， 光伏发电系统的应用日渐增多，但系统造价仍然较高，并且转换效率仍然偏低， 这之间的矛盾使得m p p t 技术的研究愈发重要。因此，在光伏发电系统中，要 提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点，使之始 终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪( m a 】【i 删煳 p o w e p o i n tt i r a c k i n g ，m p p t ) 。 本章首先对光伏阵列的恒电压跟踪( c o n s t a i l tv 0 l t a g et r a c b n g ，c v t ) 控制 方法、扰动观测法( p e r t u r ba i l do b s e r v e ) 、电导增量法( h l c r e l n e l l t a lc o n d u c t a l l c e ) 等经典的m p p t 方法进行介绍。针对这几种典型m p p t 控制算法的对比分析 2 6 】， 本文采取了基于扰动观测的m p p t 控制方法，并对其在光伏充电器中的具体应 用进行了详细论述。 3 2 光伏系统经典m p p t 算法介绍 关于实现光伏电池输出能量m p p t 控制的策略，已经有很多文献【3 1 弓8 1 进行 了相关的论述。在诸多m p p t 算法中，恒定电压控制法( c ) 、扰动观察法( p 舶 0 i b s e e ，p & o ) 、电导增量法( m c r e m e n t a lc o n d u c t a l l c e ) 等都是较常用的实现 方法，也被广泛地采用。下面对这几种常用的控制方法作简单介绍和分析。 1 5 上海大学硕士学位论文 3 2 1 恒定电压控制法 光伏阵列是一种非线性的电源。其输出特性可以视为由恒电流区域与恒电压 区域组成，这两块区域的交点即为最大功率点。因此在不同的太阳辐照度下，光 伏阵列都会存在着这样的一个最大功率输出点，从功率角度上可以将它们视为当 前工况下的最优点。由于太阳辐照度与温度的变化将会分别改变这些恒电流和恒 电压区域，所以最大功率点也是随之实时变化的。 图3 1 不同光照强度下光伏电池板输出尸- 矿特性曲线 图3 1 为相同温度不同日照强度下光伏电池板输出只矿特性曲线。由图3 1 容易看出，在温度变化不大的情况下，光伏电池板输出最大功率点处对应的电压 值近似不变，最大功率点分布在与横轴垂直的某条直线附近。因此，如果把光伏 电池板输出电压值控制在该电压处，则光伏电池板能够输出最大功率。 由上一章太阳能电池工作原理分析可知，其输出与温度有关。图3 1 所示的 太阳能电池输出特性并没有考虑温度的影响。根据上一章推导得到的基于物理机 制的光伏阵列模型，图2 7 给出了当温度变化时单个太阳能电池的输出电压电流 特性曲线。 由图2 7 可以看到，太阳能电池的开路电压、短路电流和输出功率在太阳辐 照度不变的情况下都会受到温度变化的影响而改变。在实际系统中，开路电压 将随温度升高而降低，最大输出功率p 础将随温度升高而降低，而短路电流t 将 随温度升高而略有增加。 综上分析：c 控制法控制简单，控制容易实现，系统不会出现因控制电 压给定剧烈变化而引起振荡，具有良好的稳定性。其缺点是，控制精度差，系统 最大功率点跟踪的精度取决于给定电压值选择的合理性；控制适应性差，当外界 1 6 上海大学硕士学位论文 环境变化时系统难以进行准确的最大功率点跟踪。 3 2 2 扰动观测法 扰动观测法( p 咖b & o b s e r v ea l g o r i t l 姐s ，p & o ) 是目前实现最大功率点跟 踪的常用方法之一。其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压， 并观测之后其输出功率变化方向，来决定下一步的控制信号。这种控制算法一般 采用功率反馈方式，通过两个传感器对光伏阵列输出电压及电流分别进行采样， 并计算获得其输出功率。该方法虽然算法简单，且易于硬件实现，但是响应速度 较慢，只适用于那些太阳辐照度变化比较缓慢的场合。而且稳态情况下，这种算 法会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近小幅振荡，因此会造成一定的 功率损失；而光照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，判断得到错误的跟踪 方向。 3 2 3 增量电导法 增量电导法也是一种最基本的m p p t 算法，它通过太阳能电池p - y 曲线的斜 率删d y 与输出电压、电流间的关系来判断系统是否在最大功率点处运行。有功 功率公式p = 玎两端对电压求导可得： d p d y = ，+ y 叫d y ( 3 1 ) 在最大功率点处有： 咄d 矿= ，+ y 毒d ，d 矿= o ( 3 2 ) 所以： 叫d 矿= 一j y( 3 3 ) 上式为判断最大功率点的条件，即当输出电导的变化量和输出电导的负值相 等时，便可认为当前太阳能电池工作在最大功率点处。该方法的控制流程如图 3 2 所示。图中y ( 尼) 、，( 尼) 为检测到的当前太阳能电池输出电压、电流值； 矿( 七一1 ) 一，( 七一1 ) 为前一控制周期太阳能电池输出电压、电流值；d ( 后) ，d ( 后一1 ) 为下一周期占空比和当前周期的占空比；凹为占空比增量。由于有除法操作， 1 7 上海大学硕士学位论文 故在执行相应操作前需判断分母d y 是否为o 。当控制器判断d y 为o 后，便进入 判断刃是否为零阶段，它对应于判断外界环境是否快速变化的情况。当以= o 时 表明外界环境没有发生快速变化，反之则认为环境发生了改变，需要相应地改变 d c d c 变换器的占空比d ，使光伏电池板输出功率与环境变化的方向一致。换 言之，如果d ， o 则表明需要使d 增大以提高太阳能电池输出功率，否则减小d 以增大光伏电池板输出功率。而当程序判别分母d y o 后，便进入判断 酬d y = 矿是否为真阶段，这是增量电导法的重点。如果判别结果为 酬d y _ 矿，则表明光伏电池只矿曲线的斜率大于零，需要减小d 以提高太 阳能电池输出功率，反之则相反。 图3 2 增量电导法控制流程图 增量电导法控制精度比较高，响应速度也比较快，适宜用于外界环境变化较 快的场合。但在硬件方面，特别是传感器的精度要求较高，同时对单片机a d 转换的速度要求也较高；系统在软件方面，控制算法较为复杂，控制电压初始化 参数对系统启动过程中的跟踪性能有较大影响，若设置不当则可能产生较大的