（电力电子与电力传动专业论文）光伏并网逆变器mppt技术研究.pdf

n a n j in gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nm p p t t e c h n i q u e s f o r g r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i ci n v e r t e r s a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y s u ny u a n y u a n a d v i s e db y p r o f x i es h a o ju n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g f e b r u a r y , 2 0 1 0 75川6 iiiii_mm哪i舢8 iii1洲y 、 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 冠! 园园 e l 期：型岫：q 南京航空航天人学硕十学位论文 摘要 世界范同内的能源短缺和环境污染已成为制约人类社会可持续发展的两火重要冈素，这迫 使人们不得不寻求、开发和利川新的替代能源。太阿l 能以其独特的优势而受到人f i j 越米越多的 关注。光伏并网发电是太刚能利用的一个重要研究方向。光伏并网逆变器是光伏并网发电系统 的核心部件。 本文详细分析了一种两级式1 f 隔离光伏并网逆变器的电路结构和控制策略，并就光伏发电 系统中的的重要问题最人功率点跟踪( m p p t ) 技术进行了较为深入的理论分析和研究。设计 了额定容量为3 k v a 的实验原理样机，并进行了相应的实验，实验结果体现了系统设计的合理 性和控制策略的有效性和可靠性。主要内容如下： 1 ) 分析了太刚能电池的上作原理及输出特性，给出了详细的太刚能电池：i ：稃简化模型的参 数求取过程，并通过m a t l a b 建立仿真模型与实际太日i 能电池的实验结果进行了验证对比，为实 现系统仿真、指导理论研究和系统设计提供了基础保证。 2 ) 对现有的并网逆变器的拓扑结构和控制方法进行了分析和对比，详细介绍了本文所采用 的3 k 、，a 两级式非隔离光伏并网逆变器的工作原理、控制策略及软硬件结构。 3 ) 分析了现有的太刚能光伏发电系统太r l 能电池最大功率点跟踪的各种控制算法，研究它 们各自的最大功率跟踪控制原理，比较分析各自优缺点及适用场合。针对扰动观察法在光照突 变的情况下易产生误判，提出了一种改进方法一d p p & o 方法。并通过仿真和实验验证了 d p p & o 方法可以有效改善传统扰动观察法在光照突变的情况下易产生误判的缺点，具有较好 的动态和稳态性能。 关键词：太内i 能电池模型，并网逆变器，最大功率点跟踪( m p p t ) 光伏并网逆变器m p p t 技术研究 a b s t r a c t w o r l d w i d e 朗e 唱ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a v ec o n s t r a i n e dt h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t y , s ow eh a v et os e a r c h ，e x p l o i ta n du s en e wa l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e s f o rt h i sr e a s o n ，s o l a r e n e r g yh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n n o w a d a y s ，o n ei m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i co f s o l a re n e r g y a p p l i c a t i o ni sp 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 n ，w h i l et h ek e r n e lo ft h ep vp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e mi sg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r i nt h i st h e s i s ，t h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo fat w o - s t a g et r a n s f o r m e r l e s s g r i d - c o n n e c t e dp vi n v e r t e ra r ei n t r o d u c e df i r s t ，a n dt h e nt h em p p tt e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e da n d a n a l y z e di nd e p t h t h e na3 k v ap r o t o t y p ei sb u i l tu p ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e dt h e c o r r e c t n e s so f t h et h e o r y t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) a tf a s t ，t h ep r i n c i p l ea n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fs o l a rc e l l sa r ea n a l y z e d t h e nt w om e t h o d s t oc a l c u l a t et h es o l a rc e l l sp a r a m e t e r sa f eg i v e ni nd e t a i l a n dt h e nt w od i f f e r e n ts i m u l a t i o nm o d e l so f s o l a rc e l l su n d e rm a t l a bh a v eb e e nb u i l t b e s i d e s ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a ld a t aa n d s i m u l a t i o nd a t aa l s oh a sb e e nd o n e i naw o r d ，a l lt h e s ep r o v i d et h eb a s i sf o rp h o t o v o l t a i cs y s t e m s i m u l a t i o n , t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds y s t e md e s i g n 2 ) a tt h es a m et i m e ，s o m ec u r r e n tt o p o l o g i e sa n dc o n t r o lm e t h o d so ft h eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d f u r t h e rm o r e ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，c o n t r o ls t r a t e g ya n ds y s t e m s t r u c t u r eo ft h e3 k v at w o s t a g et r a n s f o r m e r l e s sp vg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e ra r ea l s oi n t r o d u c e di n d e t a i l 3 ) i na d d i t i o n ，t h ep r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so fs e v e r a lc o m m o nm p p l rm e t h o d s a r ea n a l y z e d a sw ea l lk n o w , as e r i o u sl i m i t a t i o no ft h ep e r t u r ba n do b s e r v e ( p & o ) m p p tm e t h o di s t h a ti tc a l lg e tc o n f u s e da n dt r a c ki nw r o n gd i r e c t i o nd u r i n gr a p i d l yc h a n g i n gi r r a d i a t i o n i no r d e rt o o v e r c o m et h i sp r o b l e m ，ai m p r o v e dd p - p & om e t h o dh a sb e e np r o p o s e d f i n a l l y , t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed p - p & om e t h o dh a sg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e ，a n dt h e p e r f o r m a n c ei si m p r o v e de f f e c t i v e l yi nt h ec a s eo fr a p i d l yc h a n g i n gi r r a d i a t i o n k e yw o r d s ：s o l a rc e l lm o d e l ，g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r , m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g 南京航空航天人学硕+ 学位论文 目录 第一章绪论。l 1 1 概i j ；1 1 2 太圈i 能光伏发电系统最人功率点跟踪问题1 1 3m p p t 技术的研究现状2 1 4 课题的意义及主要研究内容3 1 4 1 课题的研究意义3 1 4 2 课题的主要研究内容3 第二章太同i 能电池的特性及其j ：程简化模型的研究一5 2 1 太刚能电池的原理和特性5 2 1 1 太阿l 能电池的原理5 2 1 2 太阿i 能电池的输出特性5 2 2 太暇l 能电池的：程简化模型7 2 2 1 太阿l 能电池的等效模型。7 2 2 2 模型的参数求取8 2 2 3 仿真模型。9 2 2 4 模型的实验验证1 0 2 3 本章小结1 2 第三章3 k v a 两级式非隔离光伏并网逆变器1 3 3 1 并网逆变器概述1 3 3 i 1 并网逆变器的分类1 3 3 1 2 并网逆变器的控制方法1 5 3 2 两级式非隔离并网逆变器的结构与控制策略1 7 3 2 1d c d c 部分18 3 2 2d c a c 部分2 2 3 3 系统主要参数设计2 5 3 3 1 直流变换器部分2 5 3 3 2 逆变器部分2 6 3 4 本章小结2 6 第四章d p p & o 方法研究2 7 光伏并网逆变器m p p t 技术研究 4 1m p p t 的基本原理2 7 4 2 常见的m p p t 技术2 8 4 2 1 扰动观察法2 8 4 2 2 电导增量法2 9 4 2 3 恒定电压法3 0 4 2 4 短路电流检测法3l 4 2 5 实际测量法3l 4 2 6 问歇扫描法，3 l 4 2 7 直线近似法3 2 4 2 8 电流直接控制法3 2 4 2 9 双模式m p p t 控制3 4 4 3d p p & o 方法3 5 4 3 1 扰动观察法的误判3 5 4 3 2d p p & o 方法基本j ：作原理3 6 4 4m p p t 的仿真研究3 7 4 4 1 仿真模型的建立3 7 4 4 2 仿真结果及分析4 0 4 5 实验系统的软硬件介缁4 l 4 6 实验结果分析4 5 4 7 本章小结4 8 第五章总结与展望4 9 5 1 全文工作总结4 9 5 2 进一步：l 作展望5 0 参考文献一5 l 致谢! ；4 在学期间发表的学术论文5 5 南京航空航大人学硕十学位论文 图清单 图1 1 带有m p p t 的光伏并网发电系统的基本结构2 图2 1 太刚能电池的伏安特性5 幽2 2 不同温度卜太同l 能电池的特性曲线6 图2 3 不同日照强度下太同i 能电池的特性曲线6 图2 4 太刚能电池等效电路7 图2 5 太冈| 能电池m a t l a b 仿真模型。l o 图2 6 太刚能电池输出电气特性测试电路原理图1 0 图2 7 太刚能阵列实测和仿真模型所得厶矿特性曲线1 1 图3 1 单级式光伏并网逆变器结构框图1 4 图3 2 两级式光伏并网逆变器结构框图1 4 图3 3 并网时的等效电路和电压电流久量图一1 5 图3 4 两级式1 f 隔离光伏并网逆变器电路结构1 7 图3 5 双管b u c k b o o s t 变换器主要工作波形图1 8 图3 6b u c k b o o s t 电路的两种工作状态1 9 图3 7d c d i c 变换器控制结构2 2 图3 8 前级d c d c 变换器闭环控制框图2 2 图3 9d c a c 部分的主要j ：作波形。2 3 | ! i3 1 0d c a c 电路的j r ：作模态2 4 图3 1 ld c a c 逆变器控制结构2 4 幽3 1 2 逆变器的进网电流控制策略2 4 图4 1 太r i 能电池最人功率点的等效电路图。2 7 图4 2 扰动观察法的一般控制流程图。2 8 图4 3 电导增量法的一般控制流程图3 0 图4 4 不同日照条件下太刚能电池的曲线3 2 图4 5 直接电流控制最大功率点跟踪流程图3 3 图4 6 短路电流法和扰动观察法相结合的双模式m p p t 方法流程图3 4 图4 7 恒定电压法和扰动观察法相结合的双模式m p p t 方法流程图3 5 图4 8 光照突变的情况下，p & o 方法产生误判3 6 图4 9 两次采样间隔之间的功率测量3 6 v 光伏并网逆变器m p p t 技术研究 图4 10d p p & o 方法流程图3 7 图4 1 1 光伏模块的s i m u l i n k 建模3 7 图4 1 2m p p t 模块的s i m u l i n k 建模3 8 图4 1 3p w m 模块的s i m u l i n k 建模。3 9 图4 1 4b u c k b o o s t 模块的s i m u l i n k 建模3 9 图4 1 5 光伏系统的仿真模型3 9 图4 1 6p & o 方法的仿真波形( 户0 1 5 5 s 时，光照强度从7 0 0 w m 2 突变到1 0 0 0 w m 2 ) 一4 0 图4 1 7d p p & o 方法的仿真波形( t = 0 1 5 5 s 时，光照强度从7 0 0 w m 2 突变剑1 0 0 0 w m 2 ) 4 1 图4 1 8d p p & o 方法的仿真波形( t = 0 1 5 s 0 2 s ，光照强度从7 0 0 w m 2 线性上升到1 0 0 0 w m 2 ； t = 0 3 s - - 0 3 5 s ，光照强度从1 0 0 0 w m 2 线性卜降剑7 0 0 w m 2 ) 4 1 图4 1 9 光伏并网逆变系统一4 2 图4 2 0 实验样机实物图4 3 图4 2 l 系统软件的框图4 3 图4 2 2 主群序流程图4 4 图4 2 3 定时器2 中断程序流程图图4 4 图4 2 4c a p 4 中断程序流程图4 4 图4 2 5 实验系统的等效电路图4 5 图4 2 6 电源的输出f - “特性4 5 图4 2 7 电源的输出u - p 特性4 5 图4 2 8 启动时直流母线电压和电源的输入电压实验波形4 6 图4 2 9 系统稳定工作时的实验波形4 6 图4 3 0 后级逆变的驱动波形4 6 图4 3 l1 0 额定进网电流波形4 6 图4 3 22 0 额定进网电流波形4 6 图4 3 33 0 额定进网电流波形4 6 图4 3 44 0 额定进网电流波形。4 6 图4 3 55 0 额定进网电流波形4 6 图4 3 6m p p t 动态实验波形( p & o ) 4 7 图4 3 7m p p t 动态实验波形( d p - p & o ) 。4 7 南京航空航天人学硕十学何论文 表清单 表3 13 k v a 光伏并网逆变器的主要技术指标2 5 表4 1 并网实验测试数据4 8 表4 2m p p t 实验测试数据4 8 光伏并网逆变器m p p t 技术研究 注释表 m p p t ( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) 最人功率点跟踪 p & o ( p e r t u r ba n do b s e r v e ) 扰动观察 s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 正弦波脉宽调制 p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n )脉宽调制 l s c太翰l 能电池的短路电流 l l ，眄 参考条件卜太圈l 能电池的光电流 圪。 太刚能电池的开路电压 i o 耐 参考条件卜二极管的反向饱币电流 太冈i 能电池的最人功率点电压 参考条f ，l ：+ 卜太田l 能电池的输出电压 i m太冈l 能电池的最人功率点电流 l _ n 巧 参考条仆卜太刚能电池的输出电流 p m太同l 能电池的最人功率点功率 s 啊 参考条件下太刚能辐射强度 i l 太吼l 能电池的光电流 1 c 蔓 参考条件下太r i 能电池温度 厶二极管的反向饱和电流 i m 耐 参考条件下太冈l 能电池最人功率点电流 i d流过二极管的电流 v m 奠略 参考条什卜太同i 能电池最人功率点电压 l s h流过并联电阻亿 的电流i s c f 参考条件下太阿i 能电池短路电流 y 太冈| 能电池的输出电压 v 。c ，e f 参考条件下太刚能电池开路电压 i 太阿i 能电池的输出电流 i + a c 参考条件- 卜太阿怕邕电池电流温度系数 彳二极管冈子 u d +直流母线电压 咫 太阿l 能电池的串联电阻 ， 直流变换器的输入电压 r 幽太圈 能电池的并联电阻 喙 电网电压 乓 材料带能 l 窖 进网电流 s 太孵i 能辐射强度 【， 稳压源的输出电压 瓦 太阳能电池的温度g电网电压前馈环节 直流变换器储能电感 厶 直流变换器储能电感电流 u o逆变器输出电压 m 7 调制波瞬时值 u g s l + u a s 6 q l q 6 的驱动电压 l 协，、l l g s 2 s i 、s 2 的驱动电压 南京航宅航大人学硕十学何论文 第一章绪论 1 1 概述 能源是国【心经济发展和人l 心生活水平提高的重要物质基础。随着经济全球化进程的不断加 速和i ：业经济的迅猛发展，世界范围内的能源短缺和环境污染已成为制约人类社会可持续发展 的两人重要冈素，这迫使人们不得不寻求、开发和利心新的更清沾、更环保、更经济的替代能 源。 太冈f 能以其独特的优势而受剑人们越来越多的关注。太吼l 能是真正取之不尽、用之不竭的 一种新能源，而且太田l 能无污染、洁净，不会破坏环境，所以太阿i 能被誉为是当今世界上最有 发展前景的、最理想的新能源。各国政府也都将太同l 能资源利用作为国家可持续发展战略的重 要内容。 在当今能源日益紧张的人环境下，太冈i 能作为一种巨人的可再生能源，不仅是近期急需的 能源补充，也必将是朱来能源结构的基础。太阿l 能发电作为一种新的电能生产方式，以其无污 染、无噪音、维护简单等特点显示出无比广阔的发展空间和应用前景【1 埘。光伏并网发电作为太 冈l 能发电的主要形式之一，也越来越受到关注。因此深入研究光伏并网发电系统，对于缓解能 源危机、保护环境、维护社会稳定、促进经济的可持续发展等都具有深远而重大的理论和现实 意义。 1 2 太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪问题 最人功率点跟踪( 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 ) 技术，是太阿l 能光伏并网发电中的 一项重要的关键技术，它是指在光照和温度等外界条件发生变化时，系统通过控制改变太冈l 能 电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终：i ：作在最大功率点上，从而保证光伏阵列始终保 持最大功率输出p j 。 太陬l 能电池的输出功率是其所受日照强度、电池板内部结温的非线性函数。在外部环境稳 定的情况下，太阿i 能电池存在唯一的最大输出功率点。但当光照强度，温度等外部条件改变时， 光伏电池阵列的输出特性和输出功率亦发生改变，这必然导致系统效率的降低。因此在光伏发 电系统中，要提高系统的整体效率，一个有效的途径就是对太阿i 能电池阵列实现最大功率点跟 踪控制，实时调整太舟l 能电池的工作点，使之始终：f 作在最火功率点附近。 对于光伏发电系统而言，由于环境如日照强度、电池板温度等经常随时间发生变化，导致 了光伏阵列不能持续j i ：作于最人输出功率点处，继而降低了光伏发电系统的能量转换效率，减 少了光伏阵列向电网或负荷注入的电能。冈此，为适应周边环境的变化，获取光伏阵列的最人 光伏并网逆变器m p p t 技术研究 输出功率，提高对光伏阵列的利 i j 率，光伏发l 乜系统普遍采川在光伏阵列与负载( 或电网) 之间 安装了具备光伏阵列最人输出功率点跟踪( m p p t ) 功能的电力电子变换器，并提出和设计了相应 的m p p t 算法。一套基本的带有m p p t 的光伏并网发电系统一般是由光伏阵列( p v ) 最人功率 点跟踪( m p p t ) 控制器，逆变器和交流电网或交流负载组成的，结构如图1 1 所示。在此系统中， m p p t 控制器实现对光伏阵列的最人功率点跟踪控制，使其一直i ：作在最人功率点。并网逆变 器将光伏阵列产生的商流电能转化为和电网电压同频率、同相位的交流电能。当主电网断电时， 系统自动停i ：向l 乜网供电：当有日照照射，光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余 的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补 充电能。 图1 1 带有m p p t 的光伏并网发电系统的基本结构 1 3m p p t 技术的研究现状 目前，m p p t 的控制技术研究已经取得了很多的成果，国内外已经提出了多种m p p t 方法， 主要包括扰动观察法【4 ，5 1 、电导增量法【6 ，- - 、恒定电压法川、短路电流法【8 ，9 1 、实际测量法【l o 】、 直线近似法【i i 】、间隙扫描法【1 2 】以及基于扰动观察法的改进方法【1 3 1 7 1 。 扰动观察法是目前光伏系统中最为常用的m p y f 方法，其实现简单，需要测晕的参数少， 但是该方法在系统达剑最人功率点后，会在其左右振荡，造成能量损耗，且在环境快速变化时， 易发生误判。电导增量法也是m p i y f 控制常用的算法之一，其控制精确、跟踪速度快，基本可 以消除扰动观察法中因扰动而产生的最大功率点附近的功率振荡现象，适用于气候变化大的场 合，但由于对硬件的要求特别是传感器要求比较高，成本较高。恒定电压法和短路电流法原理 简单、易于实现，但控制精度较差，通常用于功率较小、日照情况稳定的场合。实际测量法由 于需要额外的太阳能电池和采样电路，成本高，适合用在大功率的太阳能发电系统中。直线近 似法容易实现，但未考虑温度影响，组件的老化会失去准确度，适用于温度变化较小的场合。 间隙扫描法一般不会产生振荡，但需要有较人的存储空间和运算能力，在需要有连续输出的光 伏系统中无法应用。 扰动观察法在最大功率点附近的振荡可以通过扰动步长的减小来减弱，但m p l y 的速度也 2 南京航空航大人学硕十学位论文 会变慢。对此，文献 1 3 1 j 1 1 1 4 提出了变步k 的思想，在最人功率点附近时采川较小的扰动步k 。 文献 1 5 p 9 ，模糊逻辑控制铍川米优化卜一步扰动步长的人小。文献【1 6 】提出了双模式m p p t ， 当系统实现短路电流法的控制目标，使光伏器什：i ：作住最人功率点附近后，通过小步k 扰动观 察法使光伏器件的i ：作继续向最人功率点移动，最后稳定i ：作在最人功率点。 针对扰动观察法在在环境快速变化时，易发生误判的缺点，文献【1 7 】提出了三点比较法。 该方法通过相邻的三个采样点功率比较，决定下一步的扰动方向，日照骤变时并不会跟踪，而 是在日照较稳定的时候才去跟踪，减少了扰动损失。 文献i t 8 提出一种基丁酱通_ 二极管p - n 结温度特性的太囡l 能电池最人功率点跟踪的方法，根 据二极管p - n 结的温度特性与太刚能电池的温度特性相近的规律可以等效检测出在同样温度条 件下电池板的最人功率点电压，其实现方法简单，成本低。但该方法仅考虑太同i 能电池板开路 电压受温度影响这个主要冈素，而未考虑光照强度、阴影等冈素的影响，适h j 于小功率光伏系 统。 文献1 1 9 提出了一种新的最人功率跟踪控制算法，该算法能应川在某些基于单周控制的逆 变器中，单周控制环节能同时实现最人功率跟踪控制和输出正弦波电流，无需检测光伏阵列的 电流电压，因此也无须复杂的计算。但它基丁特定的控制方程推导，因此应用范围受剑了极大 的限制。 现有的最大功率点跟踪控制方法有很多种，均能实现对光伏器件最人输出功率的跟踪调节， 但都存在一定的局限性，应根据不同的系统选用不同的控制方法。如何便捷、稳定及高效地使 太阿l 能电池工作在最入功率点，仍是光伏发电系统的一个研究热点。同时，国内由于起步晚， m p p t 的研究还处丁发展阶段，在许多的实际系统中，m p p t 的控制很多还是采川相对落后的恒 定电压法跟踪的控制方式，与国外相比技术还有一定的差距，因此需要加人在这一技术领域内 的研究力度。 1 4 课题的意义及主要研究内容 1 4 1 课题的研究意义 目前，光伏发电系统的一个主要缺点是太r i 能电池价格较高而发电效率却较低，这已成为限 制其发展的主要因素之一【2 们。因此提高系统中太陬i 能电池的工作效率和整个系统的工作稳定性 对光伏发电技术应川普及有重要意义。利川高效的最大功率点跟踪( m p p t ) 技术保证太暇i 能电池 一直工作在最人功率点，充分利川太冈i 能电池的转换能量，是光伏系统研究的一个重要方向。 高效m p p t 技术有利丁降低光伏系统发电成本，是推动光伏应h j 的有效途径之一。 1 4 2 课题的主要研究内容 3 光伏并网逆变器m p p t 技术研究 针对光伏发电系统的最人功率点跟踪( m p p t ) 控制技术进行了深入的分析和研究，文中对太 阿l 能电池的1 ：作原理及特性、太豫i 能电池j l ：程简化模酗的参数求取和验证、3 k v a 两级式1 | 隔 离并网逆变器的jr 作原理和控制策略、系统的软便什结构以及基于d p p & o 的m p p t 方法的仿 真和实验研究做了详细介绍，全文共分为五个部分： 第一章简要介纠了太阿l 能光伏发电系统最人功率点跟踪技术的研究现状，并阐述了课题研 究的意义及论文的结构安排。 第二章分析了太舟l 能电池的i ：作原理及输出特性，给出了详细的太刚能电池i ：科简化模型 的参数求取过程，并通过m a t l a b 建立仿真模型与实际太冈| 能电池的实验结果进行了验证对比。 第二章对现有并网逆变器的拓扑结构和控制方法进行了分析和对比，详细介绍了本文所采 用的3 k v a 两级式1 f 隔离光伏并网逆变器的i ：作原理和控制策略，并给出了电路土要参数设计。 第四章分析了现有太阿i 能光伏发电系统太舟i 能电池最人功率点跟踪的各种控制算法，研究 它们各自的最人功率跟踪控制原理，比较分析各自优缺点及适刚场合。针对扰动观察法在光照 突变的情况下易产生误判的缺点，提出了一种改进方法一d p p & o 方法。详细分析了t i p p & o 方法的原理，并通过仿真进行了验证。给出了3 k v a 光伏并网发电系统的硬件电路和软件设计 方案，并对实验结果进行了分析。 第五章对全文进行了总结和同顾，并提出进一步的研究上作没想。 4 南京航空航大人学硕十学位论文 第二章太阳能电池的特性及其工程简化模型的研究 本章在太同i 能电池i ：作原理和特性分析的基础上，对其j l ：程简化模型进行了研究。太同l 能 电池是光伏发电系统的关键部件，其i ：程简化模型的建立，为研究光伏系统的最人功率点跟踪、 指导理论研究币系统设计提供了基础保证。 2 1 太阳能电池的原理和特性 2 1 1 太阳能电池的原理 太陬i 能电池( 也称光伏电池) 是光伏发电的能量转换器件，其：i ：作原理的基础是半导体p - n 结的光生伏特效应( 也称光伏效应) 。 所谓“光生伏特效应”，就是当太冈i 光照射剑由p 型和n 型两种不同导电类型的同质j 仁导 体材料构成的p - n 结上时，在一定条件下，光能被* 导体吸收，从而在j 仁导体内部产生了许多 “电子一空穴”对，在内建电场的作h j 下，电子向n 型区移动，空穴向p 型区移动，这样，n 区有很多电子，p 区有很多空穴，在p - n 结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它 的一部分抵消了内建电场，其余部分则使p 区带止电，n 区带负电，于是在n 区与p 区之间便 产生了光生伏特电动势。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流” 流过，从而获得功率输出。这样，太r l 的光能就直接变成了可以使用的电能【2 1 1 。 2 1 2 太阳能电池的输出特性 图2 1 太冈i 能电池的伏安特性 太阿l 能电池的伏安特性如图2 1 所示，它表明在确定的日照强度和温度下，太阿i 能电池的 输出电压和输出电流之间的关系，简称v - ! 特性。从v - ! 特性可以看出，当太圈l 能电池输出电压 较小时，随着电压的变化，输出电流的变化很小，太圈l 能电池类似为一个恒流源；当电压超过 5 光伏并网逆变器m p p t 技术研究 一定值继续上升时，电流急剧卜降，此时的太r i 能电池类似为一个恒压源。也就是说，光伏电 池的输山功率随着输出电压的升高有一个先升后降的过程，在此过程中存在一个输出功率最大 点。 从图2 1 中，我们可以看出太甩i 能电池的主要技术参数为：1 ) 短路电流五。；2 ) 开路电压； 3 ) 最人功率点电压；4 ) 最人功率点电流厶：5 ) 最人功率点功率厶。 图2 2 是日照强度不变时，不同温度。卜的太舟j 能电池的特性曲线。由图2 2 可以看出，在恒 定的日照强度下，随着温度升高时太阿i 能电池开路电压会降低，但其短路电流却儿乎不变，整 体而言，当温度升高时太同i 能电池的额定输出功率会略微卜降，由此可见j i ：作环境温度的高低 对太同i 能电池的最人输出功率也会有直接影响。 图2 3 是温度不变时，不同日照强度卜的太阿i 能电池的特性曲线。当日照强度改变时，对 太冈晴邑电池的开路电压并不会有太人的影响，但其所能提供的最人电流值有着相当人的变化。 日照强度增加时，短路电流增加，最人功率点有所升高。所以日照强度的强弱是影响太r i 能电 池输出功率人小的重要闪素。 6 砷 5 0 爹柏 r 2 0 i o o ，、 彳、| - ,| i ! ：_ 1 7 t = 2 5 。c 1 t = o 。c ( a ) 太阿l 能电池的伏安曲线( b ) 太阳能电池的功率电压曲线 图2 2 不同温度下太阿1 能电池的特性曲线 ( a ) 太阿i 能电池的伏安曲线( b ) 太阳能电池的功率电压曲线 图2 3 不同日照强度下太侮i 能电池的特性曲线 南京航空航大人学硕十学何论文 2 2 太阳能电池的工程简化模型 太冈l 能电池的输出伏安饵功特性是光伏系统分析最重要的技术数据之一，确定一个实h j 、 准确的：j ：程用数学模型以及采用合理的参数求取方法确定恰当的模型参数，能够对不同日照强 度和电池温度下的太同l 能电池的厶晰性进行模拟，对_ 丁光伏发电系统的i ：稗分析和设计具有重 要意义。 太啊| 胄皂电池的厶嗡出方程是一个超越指数方程，无法川线性方程表示，冈此出现了许多采 用1 f 线性拟合对其进行处理的方法【2 2 2 3 1 。但这些拟合方法需要以实际测量数据为依据，模型求 取过程也较复杂。文献 2 4 】采用- 了l e v e n b e r g m a r q u a r d t 方法对舣指数模型方科进行处理，建模过 程复杂。文献【2 5 】提出的简化单指数模型只需厂家提供的标准测试条件_ 卜的厶、k 、， 就可以求出模型的各参数，更加具有通h j 性。然而该简化模型忽略了足的影响，若考虑b ，模 型的精度将有所提高。 2 2 1 太阳能电池的等效模型 太瞬i 能电池相当于具有与受光面平行的极薄p - n 结的火面积的等效二极管，冈此可以假设 太阿i 能电池为一个二极管与太拜i 光