（信号与信息处理专业论文）单级式光伏发电并网系统的研究与设计.pdf

摘要 i 摘 要 目前，能源短缺和生态危机等问题已经引起了世界各国的广泛关注，人类正在不 断寻求新的替代能源。其中，太阳能是大量应用的主要常规替代能源之一，而光伏发 电并网技术是太阳能利用的主要发展趋势，必将得到飞速的发展。本文就对光伏发电 并网系统进行了详细的介绍，并对系统控制算法、系统仿真、软硬件设计等方面进行 了深入的探索。 本文首先对光伏发电系统的结构以及工作原理进行了详细的介绍，根据并网逆变 器的要求，确定适合本文的并网逆变系统的拓扑结构。 其次对系统的控制策略进行了深入的研究。基于光伏逆变系统的控制目标，分析 了常用逆变器控制方式，并选择了 spwm 控制方式作为本系统控制方式。对 dds 原 理进行了分析， 采用等精度测频方法进行频率检测和基于等精度测频方法的相位检测。 本文还对光伏电池的工作原理进行了分析， 得到光伏电池的等效电路和输出特性。 通过对常用的最大功率点跟踪控制（mppt）算法的分析和比较，提出了采用逐次逼 近型算法来实现本系统的最大功率点跟踪，以提高系统的稳定性和快速性。最后应用 dds 技术实现并网系统的频率、相位跟踪和最大功率电跟踪。 最后基于 tms320f2812 高速数字信号处理器，对该光伏系统的软硬件部分分别 进行了设计。硬件部分的工作中，本文详细设计了系统主电路和控制电路的结构、对 参数计算进行了说明，完成了主电路硬件的设计。软件部分则给出了系统的软件流程 图。 本文对光伏系统进行了仿真建模， 并对仿真结果进行了分析。 同时对系统的 spwm 控制方式进行实验，给出了实验结果。最后对本论文的工作进行了总结，指出该系统 存在的不足，对以后的研究工作进行了展望。 关键词 光伏并网发电；最大功率点跟踪；逆变器 abstract iii abstract the problems of energy resource crisis and circumstance pollution have been received extensive attention around world, and human should find new replace resource. solar energy is one of the main replace resources of conventional resources which used widely. photovoltaic(pv) generate electricity grid-connected technology will be the main utilization of solar energy, so it will be developed rapidly. based on it, residential pv grid-connected system(pgcs) is introduced in detail and its control algorithm, simulation, hardware and software designs are researched deeply. firstly, the structure and operational principle of pv grid-connected generate system are introduced in detail. based on the requirement of pv grid-connected inverter, the best topology of pv grid-connected system is chose. dds principle is analyzed, using equal precision measuring frequency method for frequency detection, and based on the equal precision measuring frequency methods for phase detection. secondly, the control strategies of the grid-connected pv system are researched deeply. based on pv system control targets, the common grid control methods are analysed, and spwm control as control method of pv grid inverter is determined. the principle of dds is analysed. at the same time, soft pll is introduced in detail. the structure of phase locked loop circuit and operating principle are researched. the tracks of frequency and phase are achieved by using dds technology. moreover, based on the operational principle of pv cells is analysed, the equivalent circuit and performance characteristic are obtained. by comparising several traditional maximum power power point tracking (mppt) control algorithms, gradual approximation control algorithm is designed to achieve pv system of the maximum power output and improve system performance and maximum power point tracking speed. finally using dds technoloy to realize frequency tracking, phase tracking and mppt of grid system at last, based on tms320f2182 high-speed digital signal processors, hardware configuration and control stratagem of the whole pv system are designed. topologies of main circuit and control circuits are designed, calculation and chosen relative parameters are provided. the corresponding software flow chart is shown in the software part. by building model of pv system simulation, the results of simulation and experiment are provided and the waveforms are analysed. finally, the full work 江苏科技大学工学硕士学位论文 iv was summarized. at the same time, some insufficiencies in the paper were pointed out and research content on this subject in the future was made predicted. key words pv grid-connected power generation; maximum power point tracking(mppt); inverter 江苏科技大学学位论文原创性声明 江苏科技大学学位论文原创性声明 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： 年 月 日 江苏科技大学学位论文版权使用授权书 江苏科技大学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。 本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： (1)保密，在 年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 能源是人类赖以生存与发展的推动力，自从人类社会以来，煤、石油、天然 气等常规能源的应用推动了人类的进步。但是，常规能源的储存量随着人类社会 的快速发展而日趋枯竭。随着常规能源的消耗，能源危机已展现在人类面前。在 21 世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可开采量为 38.8 年， 天然气可开采量为 59 年，煤炭可开采量为 225 年。可见，常规能源的开采量已 经屈指可数了。 同时， 常规能源的开发利用也带来了生态环境的危机， 环境污染、 温室效应等生态危机已影响到人类的正常生活。 能源短缺和生态危机等问题已成为世界各国发展面临的重大问题，人类必须 寻求新的替代能源。因此，许多国家不仅制定了相关法规推动新能源的发展，更 从各方面加大对新能源的支持力度。 研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能量丰富，分布广泛，可以再生， 不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。根据国际权威机构的预测，到 21 世纪中期，世界能源结构中可再生能源将达一半以上的比例，其中太阳能将 占可再生能源比例的三分之一以上。从表 1.1 可以看出，可再生能源将逐渐替代 常规能源，太阳能将是未来能源发展的趋势之一1。 表 1.1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例（%） table 1.1 proportion of renewable energy and solar energy in future energy structure(%) 时间（年） 2010 2020 2030 2040 2050 日 本 预 测 可再生能源 20.2 23.5 33.6 42.7 53.4 太阳能 1.9 7.9 13.5 shell 预 测 可再生能源 22.2 20.9 32.3 43.3 54.6 太阳能 2.6 8.4 14.9 平 均 预 测 可再生能源 21.2 22.2 33.0 43 54 太阳能 2.3 8.2 14.2 太阳能的转换利用方式有光热转换、光电转化和光化学转化等三种方式， 其中光电转换技术，即光伏发电技术，近年来发展最为迅速也是最有潜力的能 源开发领域。与常规能源和其他新能源发电相比，太阳能发电具有独特的优势： （1）巨量性：太阳能资源取之不尽，用之不竭，据估计，每年地球接受的 太阳能是全球所有能耗的数万倍。并且太阳能在地球上分布广泛，不受海拔、地 江苏科技大学工学硕士学位论文 - 2 - 域等因素的限制。 （2）灵活性：太阳能资源随处可得，可就近供电，易安装，易运输，建设 周期短，既可独立发电，也可并网发电。 （3）可存储性：太阳能发电可以放入蓄电池进行存储，晶体硅太阳能电池 寿命可长达 36 年。在光伏发电系统中，只要设计合理、选型得当，蓄电池的寿 命可长达 16 年。 （4）集成性：可以很方便地与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统， 不需要单独占地，可节省宝贵的土地资源。 （5）光伏发电本身不使用燃料，不排放包括温室气体和其他废弃在内的任 何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场 不稳定而造成的冲击，是真正绿色环保的新型可再生能源。 由于太阳能的上述独特优势， 太阳能电池与光伏发电技术已经广泛应用于工 业、农业、科技、国防以及人们生活的方方面面，受到了世界各国的高度重视2。 光伏并网发电就是将太阳能转化为电能并馈送给电网， 它是太阳能规模化发电的 趋势。 1.2 光伏发电在国内外的发展及现状 光伏发电技术是将太阳能直接转化为电能的一种发电形式， 它利用光伏半导 体材料的光生伏打效应原理直接将太阳能转化为电能的技术， 是一种最具可持续 发展理想特征（最丰富的资源和最洁净的发电过程）的可再生能源发电技术。光 伏发电发展史如表 1.2 所示。 表 1.2 光伏发电发展史 table1.2 pv generate electricity phylogeny 年份 成就 1839 1873 1904 1940 1954 1955 1956 1958 1972 1974 发现光生伏打效应（法国 a.e.贝克勒尔） 硒的光生伏打效应研究 cu、cu2o 对光的敏感性研究 pn 结理论的研究 单晶硅太阳能电池问世（美国贝尔实验室） cds 太阳能电池问世 gsas 太阳能电池问世 先驱者 1 号通信卫星上应用太阳能电池（美国） 新能源开发计划的制定（美国） 太阳能发电发展的“阳光计划”的制定（日本） 第 1 章 绪论 3 1976 1978 1985 1986 1991 1992 1994 2003 非晶硅太阳能电池的发明 具有 100kwp 的光伏电站建成（美国） 具有 1mwp 的光伏电站建成（日本） 具有 6.5mwp 的光伏电站建成（美国） 可再生能源发电与公共电力网并网法规的制定 （德国） 逆潮流供电与公共网并网法规的制定（日本） 住宅用太阳光发电系统技术规程（日本） 新能源法案的制定（美国） 当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视，针对其制定规 划，增加投入，大力发展。日本由于缺乏常规能源，并从能源战略角度出发，在 光伏发电领域做了巨大的探索，并制定相关政策、法规和措施来扶持光伏产业的 发展和应用，取得了令人注目的成绩。也正是因此，日本诞生了夏普、京瓷、三 洋等著名的光伏公司。 日本自 20 世纪 70 年代开始连续制定和实施了几个太阳能 发电发展 5 年计划。 规划到 2010 年达到 5000mwp， 其中住宅用 3000mwp以上， 发电成本达 26 日元/kwh，基本同上网电价。2030 年达 55.284gwp，发电成本 降到常规火电的水平3。 德国于 1990 年率先提出并开始实施的“一千屋顶计划” ，1999 年进一步宣 布实施“十万屋顶计划” 。到 2004 年，德国通过实施“购电法”完成了十万个太 阳能屋顶的安装计划。德国光伏组件安装量在 2005 年已达到 837mwp，目前德 国的太阳能发电市场已从探索阶段发展成为繁荣的专业市场并成为世界上最大 的光伏市场4。 美国正逐年加大对光伏产业的投入，尤其是科研技术的投入。美国于 1997 年开始实施“百万屋顶计划” ，即从 1997 年到 2010 年将安装 101.4 万套光伏系 统，总安装容量达到 3025mwp，并且将发电成本降到 6 美分/kwh5。美国总统 奥巴马在 2009 年宣布，将在 10 年内投入 1500 亿美元支持以光伏发电为代表的 新能源的发展。2010 年美国参议院通过“千万顶太阳能屋顶提案” 。这些措施将 保持美国在光伏产业世界领先地位的战略目标。 此外，英国、法国、意大利、西班牙、荷兰、印度等国也都有本国的光伏产 业发展计划，并投巨资扶持光伏产业的技术开发，来实现本国的能源战略。 世界各发达国家的光伏发电经验表明，国家制定相关政策、法律和法规来推 动新能源的发展，是新能源得以迅速推广的前提与保证。中国政府十分重视新能 源和可再生能源的发展，2006 年开始实施可再生能源法 ，极大地促进了我国 光伏产业的发展。 我国光伏产业起步较迟，但是发展迅速。中国于 1958 年开始研究光伏电池， 江苏科技大学工学硕士学位论文 - 4 - 1971 年成功首次应用于中国发射的东方红二号卫星上。于 1973 年开始将光伏电 池用于地面。从 80 年代后，经过 30 多年的发展，取得了很大的成就6。到 2000 年，中国的光伏电池年产量已达 3mwp，累计用量已超过 15mwp。2000 年我国 实施的“光明工程”送电到乡后，又继续完成了“无电村通电”计划。不仅解决 了农村用电难题，也极大地促进了光伏产业的发展。2006 年开始实施“绿色屋 顶”计划，计划到 2020 年推广 10 万套光伏屋顶发电系统，总装机容量达到 500mwp。这一计划有力的促进了光伏建筑一体化和光伏屋顶发电系统的发展。 2006 年开始实施的“大漠光电”计划，不仅带动西部落后地区的发展，缩小地 区差距，也促进了地区经济的可持续发展和改善当地的生态环境。2010 年开始 实施的中国开阔地光伏电站计划，计划在 2020 年前新增装机容量 11970mwp， 累计装机容量 12gwp。 2008 年北京奥运会实现了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的承诺，将 光伏发电应用于奥运村和运动场馆中。2010 年上海世博会启动了总量达 10mwp 的城市光伏发电系统，把建设绿色城市、可持续发展城市落在了行动中。2010 年广州亚运会推广应用太阳能光热、光电、水源等综合利用技术，将亚运场馆打 造成名副其实的“光伏岛” 。此外，青藏铁路光伏电源系统工程、光伏产业腾飞 计划等，这些都是中国光伏发电推广普及和应用的亮点。 2010 年 5 月， 中国光伏产业联盟在江苏常州成立， 国内 22 家光伏领军企业、 行业协会及研究单位加入。中国光伏产业联盟以引导产业价值创新、推广产业应 用、规范市场发展为核心，鼓励及支持光伏产业发展的各项政策，加大对企业技 术改造和产业升级的支持力度。中国光伏产业联盟将着眼于优化产业结构、推进 产业升级、 明确发展方向， 增强行业吸引力， 提高核心竞争力， 扩大国际影响力。 2011 年国家“十二五”规划纲要指出要积极有序培育发展节能环保、新能源等 战略性新兴产业，这一政策必将进一步推动我国新能源产业做强做大。 在看到成绩的同时，我们要清醒地看到中国光伏产业和国外发达国家相比， 还有很大的差距，主要表现在： 1. 研发水平有待提高。目前我国商品晶体硅光伏电池转换效率为仅 13%左 右，非晶体光伏电池转换效率仅为 6%左右，薄膜光伏电池转换效率仅为 3%左 右。由于转换效率低下，导致光伏发电功率密度低，发电系统功率很低7。 2. 造价成本高。目前我国单、双晶体硅光伏电池组件的价格约为 38 元/w， 而光伏发电系统价格约为 75 元/w，成本与售价均比国外高许多。这是当前制约 我国光伏发电市场发展的主要原因。 3. 逆变器等关键设备有待完善。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，技术性能有待提高，可靠性有待加强。 第 1 章 绪论 5 4. 政策支持力度有待加深。我国对光伏产业的政策需进一步加大，需要制 定完善的法律、法规更好地推进光伏产业的发展8。 1.3 课题研究的主要内容 目前，光伏发电产业正迅速发展并具有广阔的前景，但仍存在很多问题亟待 改进和完善，本课题正是在这一思想的指导下对光伏发电并网系统进行研究。本 文研究对象为单级式光伏发电并网系统。这种系统结构体积小、噪声低、可靠性 高、输出为单相，与大型并网光伏电站相比具有更好的灵活性和经济性。本文研 究的内容主要由以下几个方面： （1）对光伏发电系统的原理及其系统的组成部分进行详细的介绍，分析光 伏发电并网系统的电路拓扑结构，并对逆变系统有关要求作了说明。 （2）研究了光伏发电并网系统的控制策略，选定了基于 spwm 的并网逆变 器的控制方式，并对基于 pi 的逆变系统控制策略进行了研究。采用等精度测频 方法测量电网电压信号频率， 采用基于等精度的测频方法的相位检测来测得并网 电压信号和逆变器输出电流信号的相位差。 在此基础上利用 dds 技术实现了并网 电流与电网电压的频率和相位跟踪，以满足并网的要求。 （3）对光伏电池的工作原理和特性进行了分析，对几种常见的最大功率点 跟踪（mppt）控制算法进行了分析和比较，并提出了逐次逼近型算法来实现最 大功率点跟踪，以实现系统的稳定性和快速性。 （4） 基于 tms320f2812 高速数字信号处理器， 设计了光伏发电并网系统的 硬件结构和软件系统，并对实验结果和仿真波形进行了分析。 江苏科技大学工学硕士学位论文 - 6 - 第 2 章 光伏发电系统的工作原理及拓扑结构 2.1 光伏发电系统的组成 通过太阳能电池将太阳能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统，也叫 太阳能电池发电系统。 虽然光伏发电系统的应用形式丰富多样， 应用规模也相差甚远， 但是它们的组成结构和工作原理却基本相同。其组成结构如图 2.1 所示，主要由光伏 电池阵列、系统控制器、逆变器（需要输出交流电时使用）以及一些测试、监控、保 护等附属装置组成9。 图 2.1 光伏发电系统结构框图 fig.2.1 block diagram of pv generation system structure （1）光伏电池阵列 光伏电池阵列也叫太阳能电池板，是光伏发电系统的基本部件，由许多光伏电池 串并联组成。它将太阳光的辐射能量转换为电能，送往蓄电池中储存起来或直接推动 负载工作或送入电网。目前应用的光伏电池主要是晶体硅电池，分为单晶体硅光伏电 池、多晶体硅光伏电池和非晶体硅光伏电池等几种。 （2）系统控制器 系统控制器用于控制整个系统的工作状态，主要功能有：对系统的有关控制、最 大功率点跟踪、频率跟踪、相位跟踪、对系统的保护、温度补偿、显示状态等功能。 （3）逆变器 逆变器是一种将光伏电池阵列或蓄电池输出的直流电转换为交流电供给负载或电 网的电能变换装置，它是整个光伏发电并网系统的核心部件。 （4）附属装置 光伏发电系统附属装置包括运行监控、检测和保护等系统，用于保证系统工作在 安全可靠的状态，在光伏系统或电网发生故障或错误时能够及时反馈信息并保护系统 安全，进而保证系统的可靠运行。 第 2 章 光伏发电系统的工作原理及拓扑结构 7 2.2 光伏发电系统的工作原理 光伏发电系统大类上分为独立光伏发电系统和并网型光伏发电系统。独立型光伏 发电系统的工作原理图如图 2.2 所示。在独立型光伏发电系统中，光伏电池阵列将太 阳能直接转换为电能，并通过控制器将产生的电能存储在蓄电池中。当负载用电时， 蓄电池中的电能通过控制器合理地分配到各个负载上。光伏电池所产生的电池产生的 电流为直流电， 可以直接以直流电的形式应用， 也可用交流逆变器将其转换为交流电， 供负载使用。光伏电池发出的电能可以即发即用，也可用蓄电池等储能装置将电能存 储起来，在需要时使用。 图 2.2 独立型光伏发电系统工作原理图 fig.2.2 schematic diagram of independent pv generation system 并网型光伏发电系统原理图如图 2.3 所示，并网型光伏发电系统也称为光伏发电 并网系统，光伏发电并网系统由光伏电池将太阳能转变为电能，经由控制器进入并网 逆变器，有些类型的光伏发电并网系统还需配备蓄电池来存储直流电能。并网逆变器 有功率调节、交流逆变等功能。经逆变器输出的电能供负载使用，多余的电能通过电 力变压器等设备馈入公共电网 （又称卖电） 。 当并网光伏系统因天气等原因发电不足或 自身用电量偏大时，可由公共电网向交流负载供电（又称买电） 。系统还配备监控、测 试和显示系统， 用于对整个系统工作状态的监控、 检测以及发电量等各种数据的统计， 还可以利用计算机网络系统远程传输控制和显示数据10。 图 2.3 并网型光伏发电系统工作原理图 fig.2.3 schematic diagram of grid-connected pv generation system 江苏科技大学工学硕士学位论文 - 8 - 2.3 光伏发电并网系统的拓扑结构 光伏发电并网系统通过光伏电池将太阳能转化的电能经过逆变器后除了供交流负 载使用外，多余的电能可以反馈给电网。当并网光伏系统因天气等原因或在夜晚发电 不足或自身用电量偏大时，可由公共电网向交流负载供电。根据功率级数逆变器可以 将光伏发电并网系统分为单级式、双级式和多级式光伏发电并网系统12,13。 1. 单级式光伏发电并网系统拓扑 单级式并网逆变器要求能实现 mppt、dc-ac 逆变、升压等功能，拓扑结构图如 图 2.4 所示，输入端直接与光伏电池相连，经过并网逆变器直接转换成与电网同频同 相同幅度的交流电，并实现 mppt 等功能。因其电路比较简单、使用元器件较少、高 效低功耗等优势，在满足系统性能的前提下，这种拓扑结构将大大提高使用效率。 图 2.4 单级式光伏发电并网系统结构图 fig.2.4 block diagram of one-stage pv generation system structure 2. 两级式光伏发电并网系统拓扑 两级式光伏发电系统主要由 dc-dc 和 dc-ac 两部分组成，拓扑结构如图 2.5 所 示，输入端经过 dc-dc 部分完成直流升压和 mppt 功能，dc/ac 部分实现直流电转 换为交流电，与电网电压同频同相同幅度实现并网的目的。虽然结构较单级式复杂且 元件和环节增加了，但是通过增加电能转换级数，一方面使 mppt 控制便于实现，满 足了直流电压宽输入范围的要求，另一方面也便于满足电网对逆变器的要求。 图 2.5 两级式光伏发电并网系统结构图 fig.2.5 block diagram of two-stage pv generation system structure 3. 多级式光伏发电并网系统拓扑 多级式并网逆变拓扑图如图 2.6 所示，光伏输出电压经逆变后变成交流电，经过 第 2 章 光伏发电系统的工作原理及拓扑结构 9 升压、整流、滤波等得到逆变器所需的直流电，然后经过逆变器变成交流电，送入电 网。可以看出，多级式并网逆变器增加了复杂程度的同时实现了逆变桥低开关频率、 dc-dc 变换器正弦半波输出等功能。但是因为在运行过程中功率损耗过大，该结构在 光伏发电并网系统运用很少。 图 2.6 多级式光伏发电并网系统结构图 fig.2.6 block diagram of multi -stage pv generation system structure 通过以上的分析，表 2.2 给出了上述三种光伏发电并网系统拓扑结构的比较。从 表中可以得出，单级式结构效率较高，成本低相对于其他两种具有较大的优点，通过 更好的提高转换效率，较低成本有利于单级式光伏发电并网系统的推广。本文的并网 系统就是采用单级式并网拓扑结构。 表 2.2 三种光伏发电并网系统拓扑的比较 table 2.2 comparision of three topology of pv grid-connected system 拓补类型 变化级数 转换效率 算法复杂程度 设计灵活性 成本 单级式 1 较高 高 低 低 两级式 2 高 较低 较高 较高 多级式 3 高 低 高 高 2.4 光伏并网逆变器的要求 并网逆变器是光伏发电并网系统中的核心部件，逆变器本身的逆变效率和可靠性 对整个光伏并网发电系统有着重要的影响，因此必须对逆变器提出一些较高的要求 13： （1）要求逆变器输出正弦波。光伏发电系统送入电网的电力，必须保持与电网同 频同相同幅度才能有效，逆变器的输出电流不能含有直流分量，同时要尽量减少高次 谐波，不能对电网造成谐波污染。 （2）要实现最大功率点跟踪。光伏电池的输出功率受到温度、日照等外界环境的 影响且具有非线性的输出特性，所以逆变器必须具有最大功率点跟踪的功能才能实现 光伏电池的最佳运行。 （3）可靠性要高、体积要小。许多光伏发电系统处在无人看护的状态，这就要求 江苏科技大学工学硕士学位论文 - 10 - 逆变器具有合理的电路结构和设计，具备一定的抗干扰能力和适应能力，并且具有各 种保护的功能。对于家用的光伏发电系统体积要小，重量要轻以便于室内安装或墙壁 悬挂。 （4）要求在电力系统发生停电时，光伏发电并网系统既能独立运行，又能防止孤 岛效应，能快速检测并切断公共电网的供电，防止触电事故的发生。待公共电网恢复 供电后，逆变器能自动恢复并网供电。 2.5 并网逆变器的拓扑 逆变器是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电 能的。逆变电路根据直流侧电源性质的不同分为两种：电压型逆变电路和电流型逆变 电路。电压型逆变电路直流侧是电压源，接有大电容，直流回路呈现低阻抗的特点。 电流型逆变电路直流侧是电流源，接有大电感，直流回路呈现高阻抗的特点。因为电 流源逆变电路所需的电感体积大、成本高，故本文的逆变电路采用的是电压型逆变电 路14。电压型逆变电路拓扑结构图如图 2.7 所示。该电路由直流侧大电容、逆变桥和 滤波器组成。 图 2.7 电压型逆变电路拓扑结构图 fig.2.7 block diagram of voltage inverter circuit topology structure 由于本文提供的电压较低，故采用单相电压型逆变电路。常见的单相逆变器的基 本电路主要有推挽式、半桥式和全桥式三种，虽然电路结构不同，但是工作原理基本 类似。电路中都使用开关特性的半导体功率器件，由控制电路周期地对功率器件发出 开关脉冲控制信号，控制各个功率器件轮流导通和关断，再经过变压器耦合升压和降 压后，整形滤波输出符合要求的交流电15。 （1）推挽式逆变电路 推挽式逆变电路拓扑结构如图 2.8 所示。该电路由两只共负极连接的功率开关管 和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成。 升压变压器的中心抽头接直流电源正极， 两只功率开关管在控制电路的作用下进行交替工作，输出方波和三角波的交流电。由 于功率开关管的共负极连接，使得该电路的驱动和控制电路可以比较简单，另外由于 变压器具有一定的电感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。该电路的缺点 是变压器效率低，带感性负载的能力较差，不适合直流电压过高的场合。 第 2 章 光伏发电系统的工作原理及拓扑结构 11 1 v 2 v 1 d 2 d 1 u r t 11 w 12 w2 w * * * 0 u 图 2.8 推挽式电路拓扑结构图 fig.2.8 block diagram of push-pull circuit topology structure （2）半桥式逆变电路 半桥式逆变电路拓扑结构图如图 2.9 所示。该电路由两只功率开关管、两只储能 电容器等组成，该电路将两只串联电容的中心作为参考点，vt1 和 vt2 的轮流导通， 在负载获得了交流电能。半桥式逆变电路结构简单，由于两只串联电容的作用，不会 产生磁偏或直流分量。当该电路在工频（50hz 或 60hz）时，需要较大的电容电量， 使电路成本上升，因此该电路更适合用于高频逆变器电路中。 1 vt 2 vt 1 vd 2 vd 1 u 01c 02c r 图 2.9 半桥式逆变电路结构图 fig.2.9 block diagram of h-bridge inverter circuit topology structure （3）全桥式逆变电路 全桥式逆变电路拓扑结构图如图 2.10 所示。该电路由四只功率功率开关管和变压 器等组成。 该电路克服了推挽式逆变电路的缺点， 功率开关管 vt1、 vt4 和 vt2、 vt3 反相，vt1、vt3 和 vt2、vt4 轮流导通，使负载两端得到交流电能。如果输入相同 的直流电压，全桥式逆变电路的最大输出电压是半桥式逆变电路的两倍，也就是说， 输出功率一样时，全桥式逆变电路输出电流是半桥式逆变电路的一半。在中大功率应 用中，可以减少所需并联的器件数。 江苏科技大学工学硕士学位论文 - 12 - 1 vt 2 vt 1 vd 2 vd 1 u r 3 vt 3 vd 4 vt 4 vd 图 2.10 全桥式逆变电路结构图 fig.2.10 block diagram of f-bridge inverter circuit topology structure 通过对以上三种逆变电路的拓扑结构的分析比较，在本文光伏发电并网系统中选 用全桥式逆变电路适合需要。 2.7 本文所研究光伏发电并网系统总体结构 通过以上对光伏发电并网系统的组成结构和原理的分析，本文选择单级式全桥逆 变结构的光伏发电并网系统作为主要研究对象。整个光伏发电并网系统的框图如图 2.11 所示。 图 2.11 光伏发电并网系统总体结构图 fig.2.11 block diagram of gcps researched by this paper 从图 2.11 可以看出， 整个光伏发电并网系统主要由光伏电池阵列、 控制器、 dc/ac 逆变器、滤波器和电网等五个部分组成。通过光伏电池阵列转化而来的电能，经过逆 变控制器输出与电网电压同频的并网电流，同时最大功率点跟踪控制通过改变逆变器 的输出功率来调节光伏电池阵列的工作电压，使光伏电池工作在最大功率点上，让太 阳能电池的功率输出达到最大化。 第 2 章 光伏发电系统的工作原理及拓扑结构 13 2.8 本章小结 本章主要介绍了光伏发电并网系统的组成及工作原理，对几种并网发电系统的拓 扑结构进行了分析，并对系统中逆变器的拓扑结构进行比较，最终确定了本文的研究 对象，并简要描述了系统的总体结构和控制过程。 江苏科技大学工学硕士学位论文 - 14 - 第 3 章 光伏发电并网系统控制策略的研究 一个完整的光伏发电并网系统需要实现的功能主要有：逆变器全功率控制、 最大功率点跟踪（mppt）控制、频率跟踪控制和相位跟踪控制等。如何高效安 全的实现以上控制，是光伏发电并网系统可靠运行的关键。本章即从这几方面分 别进行论述。 3.1 光伏发电并网系统的控制目标 光伏发电并网系统是将光伏电池产生的直流电转换为正弦交流电， 从而向电 网或负载供电的装置。 光伏并网的控制目标是： 控制逆变电路输出的电流为稳定、 高质量的正弦波，并且保持与电网电压同频同相。同时通过调节光伏电池工作电 压使光伏阵列工作在最大功率点处。 如果选择并网逆变器输出为电流控制， 只需控制逆变器的输出电流跟踪电网 电压，就可以达到上述的控制目标13,16。 net u ac u l s l i 图 3.1 光伏发电并网系统工作的等效电路图 fig.3.1 equivalent circuit of pgcs l u l i net u ac u 图 3.2 电压电流矢量图 fig.3.2 voltage and current vector 光伏并网工作方式下的等效电路如图 3.1 所示，图中 uac为逆变器交流侧电 压，unet为电网电压，由于输出滤波电感的作用，uac和 unet之间存在相位差。 电压电流矢量图如图 3.2 所示。显然，为了使输出电流和电网电压保持同相位， 逆变输出电压需超前于电网电压一定相位。 第 3 章 光伏发电并网系统控制策略的研究 15 3.2 并网逆变器控制方式分析 按照控制方式来分类，光伏发电并网系统可分为电压源电压控制、电压源 电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制这四种方式。 电流源电压控制和电流源电流控制这两种方式需要在直流侧串联一大电感 来提供稳定的电流输入，但大电感会导致系统动态响应差，且成本较高，故光伏 发电并网逆变多采用电压源输入的方式。 电压源电压控制方式是以输出电压作为受控量， 系统输出与电网电压同频同 相同幅度的电压信号，这样整个系统可以看作为一个内阻很小的受控电压源。电 压源电流控制方式是以输出电流作为受控量， 系统输出与电网电压同频同相的电 流信号，这样整个系统可以看作为一个内阻很大的受控电流源。在实际应用中因 电压源电流控制相对简单而使用较多。 所以本文光伏发电并网系统采用的是电压源电流控制方式。 3.3 光伏发电并网逆变控制方式 选择并网逆变器输出为电流控制， 就需要选择一种合适的 pwm 控制方式能 够较好的实现系统的控制目标。 当前 pwm 控制方式有多种： 瞬时电流比较控制、 定时比较控制等，并各有优缺点。本节对运用较普遍的几种光伏并网系统电流控 制方法进行阐述。 1.瞬时电流比较控制17 瞬时电流比较控制方式原理图如图 3.3 所示，首先将电流参考值 i*与实际并 网电流值 i 相比较，它们的偏差i 送入滞环比较器产生 pwm 信号，pwm 信号 通过驱动电路来控制主电路中开关通断，最终控制并网电流。该控制方式硬件电 路易于实现，电流响应快，电流跟踪误差范围固定。其缺点在于电力半导体开关 频率不是恒定的，当电流值小的时候固定的滞环宽度会使电流相对误差过大；相 反，电流值大的时候，固定的环宽有可能使器件的开关频率过高，甚至会超出器 件允许的最高工作频率给主电路的设计造成麻烦。 图 3.3 滞环比较控制方式原理图 fig.3.3 schematic diagram of hysteresis comparison control 江苏科技大学工学硕士学位论文 - 16 - 2.定时比较控制17 定时比较控制方式原理图如图 3.4 所示。首先将电流参考值 i*与实际并网电 流值 i 相比较，它们的偏差i 送入一个定时控制的比较器产生 pwm 信号，每个 时钟周期对电流误差判断一次，pwm 信号变化一次至少需要一个时钟周期才会 发生，器件的开关频率低于时钟频率的一半。其缺点在于电流跟随误差不是恒定 的，当参考电流瞬时变化时，跟踪达不到效果。 图 3.4 定时比较控制方式原理图 fig.3.4 schematic diagram of timer comparison control 3.3 基于 spwm 的并网逆变器的控制方式 3.3.1 spwm 控制原理 由采样控制理论中“冲量等效”原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时，其效果基本相同。这里冲量指的是窄脉冲的面积，效果基本 相同指的是环节的输出响应波形基本相同。 通过傅里叶变换来分析输出响应波形 可知其低频响应特性非常接近，只在高频段有所不同。pwm 控制原理即是根据 此理论得到的18,19。 正弦波脉宽调制（spwm）的控制思想是利用逆变器的开关元件，由控制线 路按照一定的规律来控制开关元件的通断， 进而在逆变器的输出端获得一组脉冲 序列20。其脉宽基本上按正弦分布，以此脉冲序列来等效正弦波电压波形。如图 3.5（a）所示，将正弦波当作为 n 个彼此相关联的等宽但不等幅的脉冲组成的波 形。将上述脉冲序列用相同数量的等幅但不等宽的矩形脉冲替换，矩形脉冲的中 点和对应正弦波部分的中点重合，并且矩形脉冲和对应的正弦波面积相等，这样 得到的脉冲序列图如