（电力电子与电力传动专业论文）光伏并网系统的研究.pdf

r e s e a r c ho i lp h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e l ix i a n g f e n g f uq i n g a b s t r a c t 彳jt h eg l o b a le n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o np r o b l e m sh a v eb e c o m e m o r es e r i o u s ，d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n o fc l e a n r e n e w a b l e e n e r g y s o u r c e i m p e r a t i v e s o l a rp o w e ra san e wm e t h o do f p o w e rg e n e r a t i o n ，w i t hi t sn op o l l u t i o n , n on o i s e , e a s ym a i n t e n a n c e , h a sb e c o m ea h o t s p o to ft h ew h o l ew o r l d p h o t o v o l t a i c s o l a rp o w e rg e n e r a t i o na s 扔pm a i nf o r mo fu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g ya n dw i l lb e d e v e l o p e dr a p i d l y t h i sp a p e r f o a 惦e so ng r i d - c o n n e c t e ds y s t e m sb a s e do nd s p 2 8 1 2 。 t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) i n t r o d u c e st h ei fc h a r a c t e r i s t i c so f s o l a rc e l l sa n dt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t o nt h es o l a rc e l lo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ot h e p h y s i c a lm e c h a n i s mo f s o l a r , e n g i n e e r i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ed e r i v e d o fan u m b e ro fm a x i m u mp o w e r t r a c k i n ga l g o r i t h m , f o c u s i n go nt h ep e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o nm e t h o dw o r k sa n d m a k et h er e l e v a n ts i m u l a t i o n t 2 ) d e t a i l e da n a l y s i e do ft h ep u s h - p u l lf o r w a r dc o n v e r t e rc i r c u i ts t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e , am a t h e m a t i c a lm o d e li sd e r i v e d , a n dp o s p o s e dp u s h - p u l l f o r w a r d c o n v e r t e ru s e di np h o t o v o l t a i ci n v e r t e rs y s t e m t 3 ) a c c o r d i n gt ol h ep h o t o v o l t a i ci n v e r t e r , m a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n dc o n t r o l s t r a t e g y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fg r i di n v e r t e ri sd e r i v e da n ds i m u l a t i o nf o r 舭 m o d e li sm a d e d s p - b a s e dd i g i t a lp h a s el o c ka n dan u m b e ro fa n t i - i s l a n d i n g a l g o r i t h ma r ei n v e s t i g a t e d a3 5 k wg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e rh a v ed e v e l o p e da n ds o m et e s t sa r et a k e nf o r t h ep u s h - p u l l f o r w a r dc o n v e r t e ra n d 髓ei n v e r t e rt 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 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dr e a l i z a b l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：g r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c m a x m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p d i n v e r t e r , p u s h - p u l l f o r w a r dc o n v e r t e r 原创性及学位论文使用授权声明 论文原创性声明内容： 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：李相砗 日期：z o o 年5 月劫日 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：李湘译导师签名：影彬 日期：z o o 年5 月3 o 日 日期：如加年广月歹1 日 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：孝潮峰 日期：2 口p 年了月3 0 日 巾山大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 国内外光伏发电的现状 传统的化石能源同渐枯竭与严重的环境污染严重制约和影响了世界经济的 可持续发展。能源的需求越来越大，为了实现经济的可持续发展，世界各国都将 太阳能发电作为发展的重点。在各国政府的大力支持下，光伏产业发展迅速，从 世界范围来讲，光伏发电完成了初期的开发和示范，现在正向大量生产和规模化 应用发展。从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力，其应用范围几乎遍 及所有的用电领域。 截止2 0 0 2 年底，全球的光伏发电量仅为2 2 g w ，而在2 0 0 7 年短短的一年 时间里就新安装了2 4 g w ，这比之前已安装的总容量的5 0 还多，从而使全球 光伏系统总安装容量飙升至9 1 g w 。然而，光伏在全球各地的发展并不均衡， 德国和西班牙两国2 0 0 7 年的新装容量占了全球新装容量的7 0 左右，加上日本 和美国，这四个国家的新安装容量就占了全球新装容量的9 0 左右。2 0 0 8 年西 班牙的光伏系统新装容量为2 5 g w ，全球新装容量达到5 6 g w ，比2 0 0 7 年的两 倍还要多，同时全球光伏系统总安装容量达到了1 5 g w f n 。从2 0 0 9 年开始，日 本政府计划恢复对太阳电池行业的所有补贴政策，并在2 0 0 9 年的第一季度划拨 9 0 亿日元用于太阳电池的家用普及活动，预计日本将在2 0 2 0 年左右将太阳能发 电规模在现有基础上扩大2 0 倍f 2 】西班牙政府考虑到2 0 0 8 年光伏发电市场增 长过分迅猛，规划2 0 0 9 2 0 1 1 年期间国家补贴的上限规定为5 0 0 m w ，光伏发电 的新安装量与2 0 0 8 年相比减少约2 0 0 。但随着全球经济的复苏，西班牙政府将 会逐渐取消各种限制【1 1 。德国政府从2 0 0 9 年开始将光伏发电上网电价补贴降低 约1 0 ，但保留的税收优惠政策可以部分抵消该影响，所以，德国的光伏并网发 电新增装机容量依然保持稳定增长，预计2 0 0 9 年德国新增装机容量可能达到 2 0 0 0 m w ，会再次超过西班牙成为全球最大的光伏市场。美国参议院于2 0 0 8 年9 月通过一项1 8 0 亿美元的新能源投资计划，其中光伏行业的减税政策( i t c ) 续 光伏并网系统的研究 延3 5 年，2 0 0 9 年1 月，加州政府投入3 2 亿美元，全面推动“百万屋顶太阳能 计划 。美国光伏政策的放开对全球能源政策取向的导向和推动作用远远大于其 本身。 在我国，相关部门出台了一系列政策措施使得光伏产业这几年得到迅猛发 展。2 0 0 5 年2 月，国家政府颁布了中华人民共和国可再生能源法，鼓励可再 生能源发电的发展，为光伏发电的发展提供了政策的保障。2 0 0 9 年3 月2 6 日， 财政部颁布了关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见，并同时下发了 太阳能光电建筑应用则政补助资金竹理暂行办法，这标志着我国的光伏发电 将进入一个发展时期，太阳电池的需求量将快速增加，国内的光伏市场即将大规 模启动【。根据e p i a 预测，在一系列政策驱动下，2 0 1 3 年中国将成为包括欧美 和日本在内的全球最大的光伏市场之一。 1 2 光伏并网发电研究现状 从世界光伏产业的应用市场来看，近年来呈现出显著特点，即光伏发电在能 源构成中的替代作用大为增强，与建筑相结合的并网光伏发电应用比例快速增 长，已成为光伏技术应用的主流及主导市场。并网光伏发电市场份额的增长情况 为1 9 9 6 年仅占7 9 ，1 9 9 7 年为2 1 3 ，1 9 9 8 年为2 3 5 ，1 9 9 9 年为2 9 9 ， 2 0 0 0 年为4 1 7 ，2 0 0 1 年为5 0 4 ，2 0 0 2 年为5 1 4 ，2 0 0 3 年为5 5 5 ， 2 0 0 4 年为6 5 9 ，2 0 0 5 年约为7 0 ，2 0 0 6 年约为7 5 ，2 0 0 7 年约为8 0 ， 2 0 0 8 年竞高达8 5 * , 以上【3 】，估计2 0 0 9 年并网光伏市场份额为9 0 左右。而我 国并网发电2 0 0 8 年只占到国内光伏市场的1 7 8 ，与国际市场9 0 这个份额数 据相差甚远。 太阳能发电系统主要由光伏阵列，蓄电池和光伏系统控制器或并网逆变器组 成。目前太阳能光伏发电系统大致可分为两类，独立型光伏发电系统与并网型光 伏发电系统。独立型光伏发电系统一般为光伏蓄电系统，因其系统比较简单，而 且适应性强曾经被广泛使用，但由于系统中蓄电池体积大，寿命短而且维护困难， 现已不适合大范围使用。并网型光伏发电系统中，当用电负荷较大，太阳电池发 2 巾山大学硕+ 学位论文 出的电能不够用时由电网补充，而负荷较小或太阳电池所生产的电力过剩时，就 可将多余的电力卖给电网，这类系统省掉了蓄电池提高了系统灵活性，并降低了 系统造价减少了损耗，从而使用的范围得以扩大，这类光伏系统已成为研究热点， 是当今世界光伏发电的趋势，代表了本世纪最具吸引力的能源利用技术，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。本文所设计的亦是此 类系统。 1 3 光伏发电系统介绍 太阳能发电系统按与电力系统的关系分类，通常分为独立型光伏发电系统和 并网型光伏发电系统。光伏并网系统按结构分类一般又可分为单级式与双级式并 网系统。其结构如图1 - 1 及图1 - 2 所示， 。 i i 一 、tlt t t | x = j | l 光伏阵列dc-ac 图卜1单级式光伏并网系统示意图 图1 - 2 多级式光伏并网系统示意图 图卜1 所示单级式并网系统不含d c d c 升压环节，其m p p t 功能一般都嵌入 d c a c 模块内部，此外由于太阳电池提供的电压可能达不到并网要求，因此需要 3 光伏并网系统的研究 在逆变器与电网接驳处提供升压变压器以使得逆变电压与电网电压匹配，而所添 加的变压器一般是工频变压器，工频变压器的使用将增大系统体积与成本，同时 降低系统效率。图i - 2 所示多级式并网系统中d c d c 变换器具有升压功能h 1 ，可 根据电网电压的大小提升光伏阵列的电压以达到一个合适的水平，同时d c d c 模 块可将光伏阵列的最大功率点跟踪( m p p t ) 控制独立出来以获得较好的功率跟踪 效果，从而使太阳电池板工作在最大功率点以提高系统整机效率。此外，由于 d c - d c 升压模块的存在，可省去工频升压变压器而降低系统损耗与体积吲。 1 3 1 光伏发电系统中的d c - d c 变换器 光伏并网发电系统中嵌入d c - d c 变换器主要有三个原因，其一，若系统是 光伏并网与光伏蓄电的混合体，即系统中添加了蓄电池，对蓄电池进行充放电控 制必须使用d c - d c 控制器；其二，若光伏阵列的输出电压电流等级与d c - a c 模 块不相匹配，比如阵列输出是电压较低而电流较大，为达到并网电压要求需要先 进行升压再逆变；其三，若系统要求光伏阵列端与电网端进行电气隔离，出于提 高系统效率与减小系统体积的考虑，在d c d c 模块中使用高频变压器的方案是最 优选择。 光伏发电系统中常用的d c - d c 变换器随1 可分为隔离式与非隔离式两大类，其 中非隔离式中常用的主要是降压( b u c k ) 、升压( b o o s t ) r 7 l 、降压一升压( b u c k - b o o s t ) 、库克( c u k ) ，隔离式d c - d c 常用的主要有反激( f l y b a c k ) 、正激( f o r w a r d ) 、 推挽( p u s h p u l l ) 、半桥( h a l f - b r i d g e ) 、全桥( f u l l b r i d g e ) 等。 光伏系统中广泛采用的b o o s t 升压电路具有两个缺点( 1 ) 输入、输出之间 没有电气隔离，这使得在一些光伏系统中不得不添加工频隔离变压器以实现隔离 而使得系统效率降低体积变大；( 2 ) 在开关管、二极管和输出滤波电容形成的回 路中若有杂散电感，则在2 5 l o o k h z 的开关频率下，容易产生危险的过电压， 对开关管的安全工作不利。为此本文拟采用推挽正激变换器实现系统直流升压功 能。 4 中山大学硕十学位论文 1 3 2 光伏发电系统中的d c a c 变换器 对于单相并网型i x ：- a c 来说，一般只有两种选择，一种是半桥逆变电路如图 1 3 所示，另一种则为全桥逆变电路如图卜4 所示。半桥电路的优点是结构简单， 所用功率器件少。但其缺点也是明显的，半桥电路输出交流电压的幅值u m 仅为 u d 2 ，同时因为直流侧需要串联两个电容而需要在工作时控制两个电容器电压的 均衡，同时由于功率需要通过电容传输而只适合于小功率逆变系统。全桥电路的 优点是电压利用率高，输出功率比半桥电路大，直流侧电容也不必串联，能量也 无需通过电容器传输，有较高的可靠性，但全桥所用功率器件是半桥的一倍。对 于可靠性要求较高的并网逆变器来说，全桥逆变电路优于半桥逆变电路。 图1 - 3 半桥逆变电路 图1 - 4 全桥逆变电路 并网型d c a c 还可分为带变压器与不带变压器的逆变电路。配有变压器的并 网逆变器可实现电网与系统隔离与电压匹配，同时可提高安全性，但使用变压器 特别是工频变压器将损失掉部分电能，为此可选用高频变压器，同时将高频变压 器移至d c - i ) c 环节将节省不少电能。本文所设计的系统将采用带高频变压器的直 流升压环节加全桥逆变的方案实现并网。 光伏并网系统的研究 1 4 本文所做的主要工作 本文的主要任务是设计一台功率为3 5 k w 的两级式光伏并网逆变器，其中 前级采用推挽正激变换器，后级采用全桥式d c a c 电路。以此为目标，本文所 做主要工作如下： 1 分析在不同环境下太阳电池的i v 特性，并建立适合工程应用的光伏阵 列数学模型，根据此数学模型在m a t l a b s i m u l i n k 中建立仿真模型。 2 现今工程应用中流行的几种m p p t 算法主要有恒压跟踪法( c v t ) 、爬山 法( 又称扰动观察法，p o ) 和增量电导法( i n c ) 等，本文重点研究扰动观察法 的工作原理，并就其算法在m a t l a b s i m u l i n k 中进行仿真分析。 3 两级式并网逆变器与单级式并网逆变器相比更容易实现最大功率跟踪，有 时还可添加高频变压器实现电网与系统的电气隔离。常用的前级主要有b o o s t 电 路，推挽电路，全桥电路等，这些电路各自有些不可忽略的缺点，而推挽正激变 换器却或多或少的能克服上述电路的某些缺点，为此本文重点分析推挽正激电路 的结构及其工作原理，建立推挽正激变换器的数学模型与仿真模型并进行仿真分 析。 4 详细分析单相光伏并网逆变器的电路结构和工作原理，建立并网逆变器 的模型，同时对并网逆变器中若干控制算法进行探讨。 5 本文根据理论的指导设计了一台3 5 k w 的并网逆变器样机，样机系统结 构如图5 - 1 所示，由光伏阵列，推挽正激d c d c 模块，d c a c 逆变模块，d s p 控 制电路，驱动电路，信号检测电路，以及信号调理电路等组成。 图1 - 5 并网逆变器结构 6 中山大学硕十学位论文 第2 章太阳电池工作原理及其建模 1 8 3 9 年，法国物理学家a e - 贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入 溶液构成的伏打电池受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现 象称为光生伏打效应。1 8 8 3 年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体 光伏效应，后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。由于半 导体p n 结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称 为太阳电池，也称光电池或太阳电池。太阳电池在短短几十年间获得了很大发 展，并已经成为一种主要的可再生能源技术。 2 1 太阳电池及其分类 光伏系统的基本组成单位是光伏阵列与并网逆变器，其中光伏阵列即由太阳 电池构成。太阳电池通过某些特殊材料如硅或硒中的光电现象把光能转化为电 能。当太阳光线射到太阳电池上的时候，电子被“刺激而成为“自由电子 ， 并在外部电路中流动从而形成电流撙1 。 太阳电池根据所用材料的不同可分为：硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电 池、聚合物多层修饰电极型太阳电池、纳米晶太阳电池、有机太阳电池等，其中 硅太阳电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位嘲。 2 2 太阳电池i _ v 特性 太阳电池的i - v 特性是应用系统设计的基础，当阳光照射在太阳电池上时， 其输出i v 特性可由图2 - 来表示，其中实线为太阳电池的i - v 特性曲线，点画 线为太阳电池的p - v 曲线。 7 光伏并嘲系统的研究 图2 一l 太阳电池的i - v 特性曲线 图2 - 1 中， i s c ：为短路电流，代表特定温度与日照强度下太阳电池的最大输出电流： i m ： 为最大功率点电流，代表特定温度与日照强度下太阳电池最大功率输 出时的电流值； v o c ：为开路电压，代表特定温度与日照强度下最大输出电压； v m ： 为最大功率点电压，代表特定温度与日照强度下太阳电池最大功率输 出时的电压值； p m ：为最大功率点，代表特定环境下太阳电池能输出的最大功率。 从图中曲线可以看出太阳电池的输出特性是非线性的，曲线上任意一点都可 能成为工作点，各个工作点的电压电流相乘则可得到功率曲线，如图中点画线所 示，值得注意的是该曲线有一个最大值即为太阳电池的最大功率点，此时太阳电 池能输出最大功率。由于太阳电池产生的能量是极其可贵的，让系统一直工作于 最大功率点自然变得很重要，然而，当光照强度或太阳电池本身温度变化时，电 池的i - v 与p - v 特性曲线也是变化的n 们，如图2 - 2 所示。 6 ，、5 、 4 3 2 i o 2 03 04 0 5 06 07 08 0 ，( y ) a 常温下不同日照 6 ，、5 3 、4 3 2 1 02 0 3 0 4 05 0 6 07 0 8 0 c ，( y ) b 相同日照不同温度 中山大学硕士学位论文 l o2 0 3 04 05 0 6 07 0 8 0 u ( y ) c 常温下不同日照 1 02 0 3 0 4 0 5 0 6 07 08 0 u o ) d 相同日照不同温度 图2 - 2 不同环境下太阳电池的输出特性 从图2 - 2 可以看出，由于温度与日照强度的不同，系统的最大功率点实际 上是在频繁变化的，因此对光伏系统中最大功率跟踪( m p p t ) 算法进行研究是十 分有必要的。 2 3 太阳电池的数学模型 不管是实际应用还是仿真分析，都需要建立光伏阵列的数学模型。太阳电池 数学模型是研究光伏阵列的理论基础，它应该能反映出温度、照度等因素对太阳 电池的影响，由此才可在此模型基础上进行光伏系统的分析与研究。 9k 图2 3 太阳电池的等效电路图 太阳电池一般可等效为图2 - 3 所示电路模型嘲。根据电路以及半导体相关理 论可得出太阳电池最基本的解析表达式如式( 2 1 ) 所示，此表达式广泛应用于太 阳电池的理论分析。光伏阵列具有与太阳电池单体类似的特性，太阳电池的表达 9 光伏并网系统的研究 式同样适用于光伏阵列，在此基础上可推广到光伏阵列分析上。 i = i p h i d i 汇 = 厶一i o e x p q ( v + r f f ) a k t 一1 卜肜+ r d 如 ( 2 一1 ) 式中， i ： 光伏阵列输出电流； i p h ：光生电流： i o ：二极管饱和电流： i s c ：光伏阵列短路电流： v ： 光伏阵列输出电压： r ： 光伏阵列的串联电阻： a ： 二极管特性因子： k ： 波尔兹曼常数： t ： 光伏阵列温度： q ：电子的电荷量： r s h ：光伏阵列等效并联电阻。 在实际工程应用中，表达式中的5 个参数，包括i p h ，i o ，a ，r 和r s h 不 但与温度日照有关系而且十分难确定，使用起来不太方便，因此需要对上述基本 的光伏阵列数学物理模型进行简化。通常，由于( v + r s i ) r s h 远小于光伏阵列 电流，因此可以忽略不计，而r s 远小于二极管正向导通电阻，因此近似认为i p h = i s c 。引入待定系数c l ，c 2 ，使c l v o c ：a k t q ，c 2i s c = i o 简化得出更加 实用的光伏阵列数学物理模型n 们： ，= i 卵一( 1 一c , e x p y ( c 2 吃) 卜1 ) ) ( 2 2 ) 其中， c l = o - l l ) e x p 卜圪( c 2 吃) 】 ( 2 3 ) c ：= ( 圪吃一1 ) 砌( 1 一i m l c ) 】 ( 2 4 ) 光伏阵列模型只需要获得四个特性参数，包括短路电流i s e ，开路电压v o c ， 最大功率点电流i m 和最大功率点电压v m ，就可通过式( 2 - 3 ) 和式( 2 - 4 ) 求出c l ， c 2 ，从而可确定太阳电池的i v 特性曲线。实验数据表明，上述工程模型与数学 l o 中山大学硕士学位论文 模型的误差可控制在0 1 以内，实际应用中，该工程模型与实测值的误差在6 以内，工程模型与实测值的误差与电池生产厂商所提供的太阳电池组件的参数允 许波动范围是相适应的1 。 2 4 基于m a t l a b s i m u l i n k 的光伏阵列通用仿真模型 m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具可用于复杂系统( 连续、离散或混合型) 的仿真， 由于其强大的功能和方便、快捷的模块化建模环境，日益受到人们的重视。基于 前述数学模型，本文在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，结合s 函数，建立了光伏阵列 的通用仿真模型。图2 - 4 a 为光伏阵列m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型内部结构，图 2 - 4 b 为封装后的光伏阵列模型。 p v + a 光伏阵列模型内部结构 p v _ a n a y l b 光伏阵列模型封装图 图2 4 光伏阵列通用仿真模型 光伏并网系统的研究 图2 - 4 a 左侧为太阳电池相关参数以及工作温度与日照强度输入端口，右侧 为输出参量，其中p v + ，p v 一则分别为光伏阵列输出正极与负极。图2 - 4 b 为光 伏阵列m a t l a b s i m u li n k 仿真模型封装图，该封装提供温度，日照强度接口供用 户使用，此外可通过参数设置对话框对电池内部参数进行设置。不同环境下仿真 模型i - v 输出曲线如图2 - 5 所示。 u ( v ) u ( 、， 图2 5 为光伏阵列模型i - v 特性曲线 2 5 太阳电池的最大功率跟踪 有效降低光伏系统制作成本，提高系统发电效率是目前研究的热点。在电子 系统这方面来考虑，最大功率跟踪( m x a i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g _ - m p p t ) 将是 最直接最有效的降低发电成本提高发电效率的方法。从太阳电池i - y 特性曲线中 可以看出，在一定的光照强度与温度下，太阳电池输出曲线上总能找到一个最 大的功率输出点p i i i ，为了使太阳电池有最大的功率输出，必须实时检测电池的 输出功率，并不断调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点，从而实 现最大功率点跟踪( m a x i m u m p o w e r p o i n t t r a e k i n g ，m p p t ) ，即寻优。 国内外文献提出了多种跟踪方法n 州伽，可分为自寻优和非自寻优方法两大类 型。其中自寻优方法主要包括扰动观测法、增量导纳法、恒定电压法或短路电 流法、寄生电容法和线性电流法以及基于爬山法或扰动观测法的改进自适应算 法。非自寻优方法则主要包括曲线拟合法等n 钔。 目前应用较多的算法有恒压跟踪法( c v t ) 、爬山法( 又称扰动观察法，p o ) 和增量电导法( i n c ) 等n 射。c v t 算法的优点是控制简单，易实现，可靠性高，系 统不容易出现振荡，有很好的稳定性，但该算法控制精度差，不适应于温度日照 巾山大学硕十学位论文 剧烈变化的环境，随着微处理器性能的飞速发展，该方法正逐渐被新的算法所取 代。电导增量法与扰动观察法殊途同归，差别仅在于逻辑判断式与测量参数的取 舍但这种控制算法实现起来相对复杂，而且检测精度和速度在一定程度上会影 响跟踪的精度和速度n5 1 由于扰动观察法采用模块化控制回路，其结构简单，所 需测量的参数少，且较容易实现，因此在选择光伏系统最大功率跟踪的实现方法 时通常首选扰动观察法。 2 5 1 扰动观察法的基本原理 扰动观察法主要是对阵列输出电压施加扰动，再根据输出功率的变化决定下 一步的动作以实现最大功率跟踪。 图2 - 6 扰动观察法工作原理示意图 扰动观察法工作原理n 叼可由图2 - 6 表示，该算法是通过比较当前工作点与前 一状态工作点功率大小并预估下一工作点位置来进行最大功率跟踪的。图2 6 中，设a 点功率为p l ，此时对其工作点施加一微小扰动使其工作于b 点，b 点功 率为p 2 ，然后根据p 2 - p 1 是否大于0 来判断寻优的路线。若( p 2 - p 1 0 ) 说明最 大功率点在当前工作点右侧，工作点需继续往右侧移动；若( p 2 - p i o ) 说明最 大功率点在当前工作点左侧，工作点需往左侧移动。 1 3 光伏并 c 】9 系统的研究 图2 7 扰动观察法流程图 图2 7 所示为扰动观察法流程图，图中v ( k ) ，i ( k ) ，p ( k ) 分别为前一刻测量 得到的电压电流及功率，v ( k + 1 ) ，i ( k + 1 ) ，p ( k + 1 ) 为本次测量，v ( k + 2 ) 为下一 时刻需要输出的阵列电压，v 为电压步长。扰动观察法的优点是控制思路清晰， 实现起来较容易，但步长的大小对控制的速度与精度有较大影响，步长大跟踪速 度快，但在功率曲线顶端振荡较大，步长小在功率曲线顶端振荡较小，但跟踪速 度较慢，因此在实际操作中可分段采用变步长跟踪算法，在离最大功率点较远的 地方采用大步长，在接近最大功率点的地方采用小步长。 2 5 2 扰动观察法的m a t l a b s i m u l i n k 仿真 为验证扰动观察法在光伏系统中的可行性以及其性能，本文在s i m u l i n k 环 境中对算法进行了仿真分析。仿真电路结构如图2 8 所示，在此扰动观察法仿真 中用到了前面所建立的光伏阵列模型。 1 4 中山大学硕七学位论文 图2 8 扰动观察法仿真模型 仿真系统中用b o o s t 电路来检验最大功率跟踪效果，用b o o s t 电路来考察最 大功率跟踪算法的原因主要是电路简单，结构清晰。仿真总时间为1 s ，系统中 光伏阵列参数为开路电压8 0 伏，短路电流8 安，最大功率点电压6 0 伏，最大功 率点电流6 安，温度为定值2 5 。系统中设置了两组日照强度，一组为6 0 0 w c m 2 ， 另一组为1 0 0 0 w c m 2 ，两组日照强度值以周期o 1 s 轮流转换，即首先让系统工 作在6 0 0 w c m 2 情况下，o 1 s 后日照强度跳变至1 0 0 0 w c m 2 ，然后重复上述变 化。i g b t 的驱动频率为1 0 k h z ，其响应波形如图2 - 9 所示。图中第一栏为日照 强度曲线，第二栏为功率曲线，第三栏为电流曲线，第四栏为电压曲线，由图可 见如果能选择合适的电压步长，扰动观察法有较快的响应速度同时也有较好的跟 踪精度。 图2 - 9 扰动观察法响应曲线 1 5 光伏并嘲系统的研究 第3 章推挽正激变换器 本文所设计的系统为双级式并网系统，前级采用的是带变压器隔离的推挽正 激变换器。推挽正激变换器( p u s h p u l lf o r w a r dc o n v e r t e r ，p p f c ) 相当于两个 单端正激电路并联且工作时间交错，又因为变压器双向励磁，故而得此名。推挽 正激电路具有以下几个优点n ”：( 1 ) 减小了输入电流脉动的安秒乘积，从而减小 了输入输出滤波器的体积和重量；( 2 ) 在主功率管关断时，箝位电容为原边变压 器漏感储存的能量提供了一个释放的回路，抑制了功率管的电压尖峰，使得在实 际电路中可以选择电压等级较小的功率管，同时可以减小功率管的导通损耗；( 3 ) 由于是双向励磁，变压器磁心利用率高；( 4 ) 相比推挽变换器以及全桥d c d c 电 路，推挽正激电路能有效抑制变压器偏磁而使得系统工作更可靠。此外推挽正激 电路拓扑比b o o s t 电路更适合于输入低电压大电流的中大功率场合。 3 1 推挽正激变换器建模 推挽正激变换器拓扑如图3 - 1 所示，它由两个功率管、一个箝位电容和一个 隔离变压器组成。变压器由三个绕组组成，两个变压器初级绕组l l ，l 2 和一个 输出绕组l 3 。变换器的次级采用全桥型整流电路，并通过一个l c 滤波器给后级 供电。 l 4 zzl v d 5 v d 3 r l c 2 = 一 l 3 z么x v t m v d 4 图3 - 1 推挽正激变换器电路图 1 6 中山大学硕十学位论文 为简化系统模型，可做一些假定： 1 钳位电容c l 足够大，以至在能整个周期都保持为系统输入电压； 2 忽略二极管压降； 3 变压器为理想变压器，变比为l ：n 。 正激推挽变换器工作时序图如图3 - 2 所示，假定电流从变压器同名端流入时 为正，已在图3 - i 中标出。 ii ll 厂1 _ i ： ： iih正八启 一 u j | i 卜y 0 1|l； ： i x ；i x ql | l j h 卜一 j_ 3_门y n| l i 卜| i 图3 - 2 推挽正激变换器工作原理 电路工作过程分析如下： 1 如图3 - 2 所示，在t l 时刻以前，原边电流沿p v l i - c i - l 2 环流，变压器 原边线圈屯t 2 t z ，变压器副边线圈t ，2 i l 20 电流为零。此阶段，根据前述假 定条件，电容c 1 上电压等于输入电压，则。工- 2 - - i l 22 0 ( 实际情况下c 1 上电压总 有一定波动，因而该值不为0 ) 。总体来说该阶段并不影响输出电压的变换。 l k 1 4 、zv + ：； 屯3 c 2 = 、2、 v 图- t i 时刻前电路形态 图3 - 3t 1 时刻前，t 4 - t 5 时段，t 8 - t 9 时段电路形态 1 7 光伏并网系统的研究 2 如图3 - 4 所示，在t 1 - t 3 时刻，开关管v t 2 导通，输入电压加在变压器 原边线圈l l 的漏感上，c t 不能突变，在t 卜t 2 时刻只能以一定的斜率上升，上 升速度与变压器漏感大小有关，然后达到在t 2 一t 3 时刻稳态值( 该值与负载情况 有关) ，电容c 1 上电压u c 加在原边线圈l 2 的漏感上，2 l 2 迅速反向并增大后达 稳态值，相应的变压器副边电流l 3 ，1 l 4 迅速增大后达稳态值( 稳态值与负载相 关) 。此阶段，屯- ，t ，屯恒为正值，i 。l 2 则先负后正( 以图中所标方向为参考 方向) 。 在假定条件下： i 1 么 j 垮 k 4 _-_ zv d 5 v d 3 ，一 r + ： 1 l 3 c2= 一 一 l 3 zz v d 4v d 6 图3 - 4t 1 - t 3 时刻电路形态 r c 、s + 1 r 副3 二r - - u 3 r c l s 2 + l s + r 尺c 2 s + 1 式中“，为变压器线圈l 3 的输出电压。 由此得副边传递函数： g ：( s ) - u “o ，u t = 而万r 瓦雨 “3 乙l s 十l o 十代 对于变压器( 假定条件下) ， u i , , i r 1 + 砧c i l 2 = u 3 l l 3 ， 1 l 4 = l 3 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 中山大学硕士学位论文 u i n = u c z 工l = l 工2 = r i l l 4 由此可得变压器传递函数： g i ( j ) ：堕= 2 n u i n ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 3 在t 3 - t 4 时刻，v t l 与v t 2 均处于关断状态，其电路形态如图3 - 5 所示， v t 2 关断后，由于变压器漏感的存在l i 与。2 不能突变，l 工- 沿着l 1 - c 1 - v d l 续流 给电容c l 充电，1 l 2 沿着l 2 一v d l 一p v 回馈电能并迅速趋0 并反向，该时段持续时 间由变压器参数决定。 l j 屯2 l 4 _-_ lv d 5 v d 3 ；_ f + r 吒3 c2= 一 一 l 3 z、 z v d 4v d 6 图3 5t 3 - t 4 时段电路形态 4 在t 4 - t 5 时刻，电路工作状况如图3 - 3 所示，与t 1 时刻前的工作情况基 本一致。 5 在t 5 - t 7 时刻，v t l 导通，电容c 1 电压加在l l 上，在t 5 - t 6 时刻，由 于变压器漏感的影响l i 不能突变，只能快速的趋o 并反向，在t 6 - t 7 时刻达稳 态，加在l 2 上，同样由于漏感影响i t 2t 5 一t 6 时刻以一定速度上升( 此时为 负值) ，在t 6 - t 7 时刻达稳态。 1 9 光伏并网系统的研究 i f 幺 l 4 一_ zzv d 5 v d 3 r ：- t + l l 3 c 2 = 一 一 l 3 一 zz v d 4v d 6 图3 - 6t 5 一t 7 时段电路形态 在前述假定条件下，此时刻电路工作情况如下。 对于变压器副边： 尺 l o u t2 叫3 r c l s 2 + l s + r ( 3 - 8 ) 式中“，为变压器线圈l 3 的输出电压，此阶段“，为负值，“，前的负号表示整 流二级管的传递函数( 可将二级管整流模块看成增益为一l 的比例环节) 。 对于变压器( 式中n 为变压器变比) ： 。u 32 t z u i n ( 3 - 9 ) 实际上该时段与t 1 - t 3 时段工作情况基本一样，因为电路实际上是对称的， 只不过参与工作的开关管与电压电流方向相反而已。 6 如图3 - 7 所示，在t t - t 8 时刻，v t l ，v t 2 均关断，电流z 工l 沿l 1 - p v - v d 2 环流对p v 回馈能量，电流l 2 沿l 2 一v d 2 一c 2 环流对c 1 充电，副边线圈电流迅速 趋o 。 _ _ _ _ _ - - _ - l l 如 图3 - 7t ? - t 8 时段电路形态 中山大学硕士学位论文 7 在t 8 一t 9 时刻，电路工作状况如图3 - 3 所示，与t 4 一t 5 时段工作情况完 全一致。 至t 9 时刻，换流结束，电路重复上述电路模态。 将t 1 一t 9 定义为一个周期，可见在一周期内v t i 与v t 2 开通期间，变换器的 传递函数是一致的，即： g _ g l 啪) 2 老等嘲面而r ( 3 _ 1 0 ) 正激变换器的载波与调制如图3 - 8 所示： u 醇 u g lu g zu g lu 9 2u g l 图3 - 8 正激变换器波形调制图 v t r i 一个控制周期中v t 2 与v t i 轮流导通一次，导通时间- “2 z “，可令 占空比 d = ! ! 丝垒塑 1 ( 3 - i i ) 由于变换器输出电压频率远小于开关频率，在一个开关周期内用平均值代替 瞬时值，由此可用肌加代替式中的而得到整个周期推挽正激变换器的简化模 型： g ( s ) = g l ( s ) g 2 ( s ) = “u 加3 = d x 2 n x 而而r ( 3 一1 2 ) 2 1 光伏并网系统的研究 3 2 推挽正激电路仿真 依据上述几节分析，以及在上一章中所建立的光伏阵列模型，在m a t l a b 搭 建基于正激推挽的光伏系统仿真模型，如图3 9 所示。仿真总时间为l s ，系统主 要由以下几部分构成：光伏阵列，m p p t 模块，推挽正激变换器，反馈控制回路以 及驱动信号产生电路。整个仿真模型如图3 9 所示，仿真模型光伏阵列参数为开 路电压2 3 0 伏，短路电流2 0 a ，最大功率点电压2 0 0 伏，最大功率点电流1 6 a ， 钳位电容为4 7 0 u f ，输出滤波电感为2 m h ，滤波电感6 8 0 u f ，负载电阻1 0 0q ，i g b t 开关频率1 0 k ，同时设置了两组日照强度值，一组为8 0 0 w m 2 ，另一组为1 0 0 0 w m 2 ， 系统初始日照为8 0 0 w m 2 ，0 5 s 时候日照跳变为1 0 0 0 w m 2 。 - - q 图3 - 9 推挽正激电路的时域仿真结构图 仿真结果如图3 - 1 0 所示，图a 为m o s f e t 驱动波形，图b 为变压器原边绕组 l l 及l 2 波形，图c 为m o s f e t 驱动及v d s 波形，图d 为变压器副边电流及电压 输