（电力电子与电力传动专业论文）5kw光伏并网逆变器的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：m a n yg o v e r n m e n t st a k em o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h es o l a re n e r g y g e n e r a t i n gs y s t e m sb e c a u s eo fi t ss u s t a i n a b i l i t y a n dc l e a n l i n e s s t h e r e i n t ot h e g r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i n gh a st h em o s ts i g n i f i c a n tv a l u ei nb o t ht h e o r ya n d p r a c t i c e g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e ri st h ec r u c i a lp a r to ft h eg e n e r a t i n ga n di t sh a r d w a r e d e s i g na n dc o n t r o la l g o r i t h mi st h ec u t t i n g e d g eo ft h ef i e l d b a s e do nt h er e s e a r c h r e s u l t so ft h e a s ey e a r s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sad e s i g no f5 k wp h o t o v o l t a i c 鲥d c o n n e d t e d i n v e r t e r , a n dt a k e sm u c he f f o r t i nt h ei n v e r t e rh a r d w a r ed e s i g n ，c o n t r o la l g o r i t h m r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n t h et h r e e p h a s eg 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 ri s c o n s i s t i n go fad c - d c c o n v e r t e ra n dad c - a ct h r e e - p h a s ei n v e r t e r a st od c d cc o n v e r t e r , i tu s e s m u l t i s t r i n gs t r u c t u r ea n du n a t t a c h e dm p p tc o n t r o lm e t h o dw h i c hr e a l i z ei n d e p e n d e n t c o n t r o li nb r a n c h e sa n ds o l v et h ep r o b l e mo fp o w e rm i s s m a t c h i n gb e t w e e nb r a n c h e s a st od c a ci n v e r t e r , i tu s e st h r e e - p h a s ep w mr e c t i f i e rs t r u c t u r ea n ds p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) p a t t e r n ，w h i c hi n c r e a s et h eu t i l i z a t i o no fd cv o l t a g e a n dd e c r e a s et h eh a r m o n i ci n j e c t e di n t ot h eg r i d b a s e do na n a l y z i n gt h et h e o r yo ft h e i n v e r t e r , s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e i lt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o la l g o r i t h m ，a n d t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o la l g o r i t h mo ft h ei n v e r t e rw i t hd i f f e r e n ti n p u tv o l t a g e sa r e d i s c u s s e da l s o t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h ed e t a i l si nt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ei n v e r t e ri nt h ea s p e c t s o fd e t e c t i n ga n dp r o t e c t i n gc i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t ，m a i nc i r c u i ta n ds oo nw h i c hc a ng i v e s o m es u g g e s t i o n sf o rt h eh a r d w a r ed e s i g no fi n v e r t e rw i t hs i m i l a rs t r u c t u r e s k e y w o r d s ：s o l a r e n e r g y ；p h o t o v o l t a i cg r i c - c o n n e c t e d ；m p p t ；s v p w m c l a s s n o ：t m 6 15 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 勰缘霄崎 签字f i 期：矽唱年月，o 日 导师签名：膨l 勺玄 签字同期：易，。g 年月i 口日 j e 塞交通太堂亟堂僮论塞独剑性直嘎 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：梁讶磷签字同期：枷孑年占月，。r 7 4 致谢 本论文的工作是在我的导师曾国宏副教授的悉心指导下完成的，曾国宏副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来曾国宏、姜久春、张维戈、王健强老师对我的关心和指导。 曾国宏教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向曾国宏老师表示衷心的谢意。 曾国宏副教授、张维戈老师、王健强老师对于我的科研工作和论文都提出了 许多的宝贵意见，并给我了去珠海实习三个月的机会，使我的实验研究能力有了 很大的提高，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，胡荣强、冯韬、战亮宇等同学对我论文中的 仿真研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的爷爷和父母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业，我想我的努力就是我能给他们的报答。 1 引言 1 1 太阳能资源利用趋势 太阳能是地球上取之不尽，用之不竭的能源，它以光辐射的形式每秒向太空 发射约3 8 1 0 2 0 m w 的能量，其中有2 2 亿分之一投射到地球。达到地球大气层外 的太阳辐射能在1 3 2 8 1 4 1 8 w c i i l 2 之间，除被大气反射、散射和吸收后，仍有7 0 投射到地面。地球上一年中接受到的太阳辐射能高达1 8 1 0 1 8 k w h ，是当前全球 能源消耗的数万倍。太阳传送到地球上的能量，每4 0 秒就有相当于2 1 0 亿桶石油 的能量，约等于全球一天的能源消耗。太阳能具有广泛性、分散性的特点，具备 可持续发展和绿色清洁双重优势，是国际社会公认的理想替代能源。世界能源发 展趋势如图1 1 【2 】所示，由图可以看出，太阳能是最有发展前景的可再生能源。 墨 姻 罐 彀 蘧。二l 辔蘑鍪；蒸鬻貔黧黪 ? 鬻笛澎i 雾黪一。 | 。? | | ? 煳瑚 0脚删：撕蝴 矩 。 圈其他 | | j 誊旧鞴 刻贳氛 图1 1 世界能源发展趋势 f i g 1 一le n e r g yd e v e l o p m e n tt r e n di nt h ew o r l d 国际能源署( i e a ) 于2 0 0 7 年1 1 月发布的 2 0 0 7 年世界能源前景报告中指 出，预计中国将在2 0 1 0 年左右取代日本，成为继美国之后全球第二大石油进口国， 到2 0 1 0 年中国进口石油数量等于欧盟2 7 个成员国的总和。中国领土广阔，拥有 丰富的太阳能资源，其中，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，只是目前太阳能的开发利用量还不到可开发量的1 1 0 0 0 。 1 2 世界光伏发电的历史和现状 太阳能的转换利用方式有光热转换、光电转换和光化学转换三种形式。光 伏发电就是将太阳的光能转换为电能的一种发电形式。利用光生伏打效应制成的 太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成为电能。表1 2 为光伏发电历史和现状。 表1 2 世界光伏发电的历史和现状 t a b 1 2h i s t o r ya n da c t u a l i t yo fp h o t o v o l t a i cd e v e l o p m e n t 年份事件 法国物理学家a e 贝克勒尔发现“光生伏打效应”( p h o t o v o l t a i ce f f e c t ) c h a r l e sf r i t t s 丌发出以硒为基础的光伏电池 贝尔实验室做出了光电转换效率为6 的单晶硅光伏电池 硅光伏电池技术研究重点为提高抗辐射能力和降低成本方面 研制出用于空问的单晶硅光伏电池 诺贝尔奖获得者莫特教授提出了非光晶硅光伏电池 世界光伏技术产业迅速发展起来 美国建成1 m w 光伏电站 美国建成6 5 m w 光伏电站 德国提出“2 0 0 0 光伏屋顶计划”，每个家庭的屋顶安装3 - 5 k w 光伏电 池；同本提出“新阳光计划”，到2 0 1 0 年将生产4 3 亿瓦光伏电池 高效聚光砷化镓太阳能电池效率达到3 2 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，并计划在2 0 2 0 年完成； 多晶硅光伏电池总产量第一次超过单晶硅光伏电池 闩本太阳能电池总产量第一次超过美国居世界首位，其中8 5 用于太 阳能光伏建筑集成 世界光伏电池总产量达到2 8 7 m w ；欧盟计划到2 0 10 年生产6 0 亿w 光伏电池；日本三洋公司研制的太阳能电池效率超过2 1 近5 年的世界光伏电池产量年均增长速度超过4 0 ，晶体硅太阳电池 产量占世界太阳能电池产量的9 0 以上 1 3 光伏并网逆变器技术 光伏发电系统主要有独立发电系统和并网发电系统两种。光伏并网发电系统 与独立发电系统相比，省掉了体积大，价格高，不易维护的蓄电池，具有造价低， 输出电能稳定的优点，因而具有更为广阔的市场前景。典型的光伏并网系统的结 构包括：光伏阵列、直直变换器( d c d c ) 、直交变换器( d c a c ) 和集成的继 电保护装置，其结构如图1 2 所示。并网逆变器是光伏并网系统中实现光伏阵列与 电网间能量的传递与转换的关键环节。并网逆变器的作用是当光伏电池的输出在 较大范围内变化时，能始终以尽可能高的效率将光伏电池输出的低压直流电转化 成与电网匹配的交流电流送入电网【i 】。 2 9 o 4 1 2 6 o 3 6 0 5 7 9 o 5 3 8 5 6 7 7 8 8 8 9 9 9 9 o 0 8 8 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 0 o 掩掩侈均侈侈侈侈侈侈 侈侈 侈 加 加 直直变换器直交变换器 c t三 j 、r r 、- 。i r j) _ 1 1 1 1 一一 上笠二! 一上 翌裂堕i f f 一 p 洲控制器i ， 图1 - 2 光伏并网系统结构图 f i g 1 - 2p h o t o v o l t a i eg r i d c o n n e c t e ds y s t e ms t r u c t u r e 1 3 1逆变器关键技术 冈 逆变器关键技术可以从电网、光伏阵列、用户三个方面来进行分析和总结， 分别讨论如下： 1 、针对电网的逆变器技术 ， 逆变器要与电网相连，必须满足电网电能质量、防止孤岛效应和安全隔离接 地三个要求【”。 目前，国外的并网标准中明确规定并网逆变器输出波形的总谐波因数应小于 5 ，各次谐波含量小于3 ，并且具有较好的动态特性。影响逆变器输出波形失真 度的主要因素之一是逆变器的开关频率。 器，可明显提高并网逆变器的开关频率； 在数控逆变系统中采用高速d s p 等处理 同时，逆变器主功率元件的选择也至关 重要。小容量低压系统较多地使用m o s f e t ，而在大容量系统中一般采用i g b t 。 根据i e e e2 0 0 0 9 2 9 和u l l 7 4 1 标准，所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的 功能，孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器。孤岛效应是指当电网因电 气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统未能及时检测 出停电状态并切离电网，而向周围的负载供电的现象，这一方面将会给系统维修 工作带来很大危险，另一方面，当电网恢复供电时，由于并网逆变器输出电压相 位与电网电压相位可能存在较大差异，从而造成较大冲击电流，烧毁设备。 孤岛效应的检测一般分为被动式与主动式。被动式检测是利用电网检测状态 ( 如电压、频率、相位等) 作为判断电网是否故障的依据。主动检测法则是通过 逆变器定时产生干扰信号，以观察电网是否受到影响作为判断依据，如脉冲电流 注入法、输出功率变化检测法、主动频率偏移法和滑模频率偏移法等。它们在实 际并网逆变器中都有所应用，但也存在着各自的不足。随着光伏并网发电系统进 一步发展，当多逆变器并网时，可能导致上述方法失效，因此，研究多逆变器的 并网通信、协同控制已成为孤岛效应检测与控制的研究趋势。 2 、针对光伏阵列的逆变器技术 由于日照强度和环境温度都会影响光伏阵列的输出功率，因此必须通过逆变 器的调节使得光伏阵列的输出电压趋近于最大功率点电压，以保证光伏阵列在最 大功率点附近运行而获得最大能量，提高系统的效率。最常用的最大功率点跟踪 方法有：恒电压跟踪法、“上山 法、干扰观察法及增量电导法【3 1 。同时，光伏阵 列的输出特性也决定了逆变器应具有较宽的直流电压输入范围。 3 、针对用户的逆变器技术【3 】 用户对逆变器的要求主要包括：成本低，效率与可靠性高，使用寿命长。 1 3 2 并网逆变器拓扑与控制 根据能量转换环节的个数可将并网逆变器分为单极结构和两极结构，现分别 讨论如下： 1 、单极结构 单极结构的并网逆变器省略了d c d c 变换环节，由d c a c 环节来实现所有 功能，如图1 3 所示。由于单极式光伏并网逆变系统只有一个能量变换环节，控制 时既要考虑跟踪太阳能电池最大功率点，也要保证对电网输出电流的幅值和j 下弦 度，其控制一般较为复杂。为了实现单极结构，目前可采取两种方法：一种是d c a c 环节与电网之间加入工频变压器；另一种是串并联足够多的光伏阵列以提供直流 侧电压。这两种方法带来的问题是：带上工频变压器使得系统体积、成本和损耗 都增加；光伏阵列在受光不匀时会出现热斑现象，输出高压的光伏阵列出现热斑 会严重威胁系统的安全，使光伏阵列与地之间出现漏电流的几率增加【4 】。目前实际 应用的光伏并网系统采用这种拓扑结构的仍不多见。但随着现代电力电子技术以 及数字信号处理技术的飞速发展，系统拓扑结构不断发展，控制困难正逐渐被克 服，单极结构的光伏逆变系统已成为国内外光伏发电领域的一个研究热点【5 , 6 , 7 】。 一一 f - o - j = j 二二一j i ；j ：i i i d c d 。c 皇流变o c a c 蝴； ，一 ：；_ tr 一一j 换器一 i ：7 垦；一 l 乎i 一一沙i ：升m 爪p 斩p t 波：1 ，7j 并嘲逆变 一卜7 ，i 、：， ：7o 。 i h a ) 乜伏阵列 。：二一。 一d c a c 逆变器 白百 莓j 。7 7 t 直i t i + 交m 变p p 换t + l 光伏阵列 图1 3 单极式与双极式并网逆变系统结构与功能图 4 f i g 1 3g r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e mc o n f i g u r a t i o na n d f u n c t i o n ： s i n g l e s t a g ea n dc o n v e n t i o n a lt w o - s t a g e 2 、两极结构 两极结构主要由d c d c 部分与d c a c 部分组成，如图1 3 所示。相比于单 极结构，两极结构将m p p t 功能和直流升压功能交由d c d c 部分完成，而并网功 能交由d c a c 部分完成。光伏逆变器由单极结构发展到两极结构，虽然元件和环 节增加了，但是通过使电能转换级数增加，一方面方便了最大功率点跟踪控制的 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( 并网电能质量要求、防止孤岛效应、安全隔离) 。尽可能提高直流输入电压， 就能提高逆变器的转换效率。 与建筑结合的光伏并网发电是近年来在城市中大力推广应用的一个重要方 向。与建筑结合使得光伏方阵安装方式多样化( 如阳台安装、屋顶安装、墙面安装) ， 也易导致各支路受光条件不均，输出功率失配。如果采用单极结构的集中式最大 功率跟踪，整体效率将严重降低，特别是在使用不同特性的光伏方阵时，此特点 表现更加明显。为解决此问题，可对各支路单独设置最大功率跟踪环节，通过直 流母线汇总后再逆变并入电网，直流环节多支路并网逆变器结构如图卜4 所示。 当各支路光伏方阵的特性不同或光照及温度条件不同时，各支路可独立进行最大 功率跟踪，使自身支路工作在最大功率点上，从而解决了各支路之间的功率失配 问题曲，引。多支路最大功率跟踪型并网逆变器安装灵活、维修方便、能够最大限度 地利用太阳辐射能量、有效地克服支路间功率失配所带来的系统整体效率低下的 缺点，并可最大限度地减少其受单支路故障影响的程度，具有极好的应用前景。 图1 - 4 多支路光伏并网逆变器结构 f i g 1 - 4s t r u c t u r eo fm u l t i s t r i n gg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m 并网型逆变器按控制方式可分为以下四种：电压源电压控制、电压源电流控 制、电流源电压控制、电流源电流控制。以电流源为输入的逆变器，直流侧串联 电感对输入进行滤波，得到稳定的直流输入。但是由于电感的存在使系统的动态 性能变差，因此目前大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。并网逆 变器与市电并联运行时，其输出控制对象可为输出电压或者电流。市电系统可视 为容量无穷大的交流电压源，若并网逆变器输出采用电压控制，则就相当于两个 电压源并联运行，这样就有输出电压不易精确控制、可能出现环流等不足。若采 用电流控制，则只需要控制并网逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并 联运行的目的。由于控制方法相对简单，因此应用较广泛。综上所述，并网逆变 器一般都采用电压源输出、输出电流控制的方式。 1 3 3国内外逆变器发展现状 国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆 变器市场中就有s m a 、f r o n i u s 、s p u t n i k 、s u np o w e r 和西门子等众多的公司具有 市场化的产品，其中s m a 在欧洲市场中占有的5 0 的份额。除欧洲外，美国、加 拿大、澳大利亚、新西兰以及日本在并网型逆变器方面也都己经产品化。目前国 外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单极能 量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围，控制电路主要采用数字控制，注 重系统的安全性、可靠性和扩展性，且具有各种完善的保护电路。 国内对并网光伏逆变器的研究比较多的采用最大功率跟踪和逆变部分相分离 的两级能量变换结构，而且市场产品的种类还相对单一，系统构建死板。光伏并 网发电系统在我国还没有真j 下投入商业化运行的应用，目前所建光伏并网系统均 为示范工程。作为光伏并网发电系统核心环节的并网型逆变器还主要依赖进口或 合作研究。 1 4 光伏发电发展趋势 从行业发展来看，把太阳能同建筑结合起来，将房屋发展成具有独立电源， 自我循环式的新型建筑，是人类进步和社会、科学技术发展的必然。光伏并网发 电和建筑一体化的发展，标志着光伏发电由边远地区向城市过渡，由补充能源向 替代能源过渡。联合国能源机构的调查报告显示，光伏建筑一体化将成为2 1 世纪 城市建筑节能的市场热点，太阳能建筑业将是2 1 世界最重要的新兴产业之一1 2 】。 从技术发展来看，随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术的应用以 及先进的控制方法的提出，电力电子能量变换发生了巨大的变化。首先，元器件 正向着低导通损耗、快速化、智能化、封装合理化等几个方向发展。其次，数字 信号处理技术的应用有助于减少并网逆变器输出的直流成分；提高开关频率，减 6 小滤波器体积：改善输出波形，提高t h d ；快速响应电网瞬态变化。最后，先进 的控制方法将有助于改善输出波形质量，从而减小滤波环节的体积；提高系统的 动态响应性能。因此，并网型逆变器的发展必将沿着数字化、高频化的方向进行。 1 5 本文所做的工作 本文对应用于三相光伏并网系统中的两极结构并网逆变器的结构和控制做了 较深入的研究。该逆变器由d c d c 和d c a c 这两级能量变换环节构成。其中， 为了解决与建筑相结合的不同光伏阵列支路间功率不匹配问题，该逆变器的直流 变换环节采用了多支路并联结构和各支路独立最大功率点跟踪控制方法：逆变器 的直交变换部分采用三相p w m 整流器结构和空间电压矢量控制方法。在分别研 究d c d c 与d c a c 环节各自工作原理的基础上提出相应的控制算法，并通过仿 真验证算法的正确性。根据系统的要求，设计了电路原理图，包括检测与保护电 路、电源电路等。依据不同的输入电压范围，分析了整个系统分别工作在单极与 两级模式时各自的特点。本文的工作内容如下： ( 1 ) 深入分析太阳能电池工作特性，建立了基于物理机制和基于外特性的光 伏阵列模型。 ( 2 ) 对于d c d c 部分，采用双b o o s t 变换器并联结构，各支路有独立的最 大功率点跟踪功能。在对双支路并联部分的工作原理和最大功率点跟踪控制算法 做详细分析的基础上，通过仿真验证算法的正确性。 ( 3 ) 对于d c a c 部分，分析了p w m 整流器工作原理并对三相电压型p w m 整流器建模。在比较s p w m 控制方法与s v p w m 控制方法基础上，确定三相p w m 整流器采用s v p w m 来进行控制且详细阐述s v p w m 控制的实现方法，并通过仿 真验证算法的正确性。 ( 4 ) 设计电路原理图。包括二次电源设计，主电路参数选取，检测保护电路 与同步检测电路设计等，并用仿真验证模拟电路设计的正确性。 ( 5 ) 综合分析整个系统工作在不同输入电压范围时的特点及最大功率点跟踪 算法。 7 2 光伏阵列模型与仿真 “光生伏打效应 是指某种材料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，尤其是半导体中，光能转换成电能的 效率相对较高。太阳能电池就是以光生伏打效应为基础，把光能直接转换成电能 的一种半导体器件。将多块太阳能电池板串并联便组成了光伏阵列。光伏阵列是 光伏并网系统的关键环节之一。根据电压与功率的要求，一般将太阳辐照度为 1 k w m 2 、2 5 条件下的光伏阵列最大功率作为标准太阳能电池阵列功率，光伏系 统的容量就是用标准太阳能电池阵列功率表示的。光伏阵列建模主要有基于物理 特性建模和基于外特性建模两种，现分别介绍如下。 2 1 基于太阳能电池物理特性建模 太阳能电池终端特性，可由图2 - 1 的等效电路表示。它相当于一个电流为厶 的恒流源与一只正向二极管并联。流过二极管的电流称为暗电流厶，流过负载的 电流为i o 如为并联电阻，主要由电池表面沾污产生的漏电流等因素造成。尼为串 联电阻。 上乃；厶 ( 9 壶妻鼢 图2 1 单个太阳能电池的等效电路模型 f i g 2 - 1t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fs i n g l es o l a rc e l l 由图2 1 电路可得到单个太阳能电池终端的电流关系，如式( 2 1o 表2 1 说 明了其中各个变量或者常量参数的意义。 1 = i p h l 一 ( 2 1 ) 其中： l p h k ( 志) “( 丁) 协2 ， ，p 答”一 协3 ， 一时船瑚 协4 ， = 警 ( 2 5 ) 表2 1 单个太阳能电池等效电路变量及常量参数表 t a b 2 1v a r i a b l ea n dc o n s t a n tp a r a m e t e r so ft h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fp vc e l l 利用p s i m 对光伏电池建模，其模型如图2 2 所示。模型中，s h i n e 为太阳辐 照度，t r e f 与t s 相加结果为温度，r s 正端为功率输出正端口。 图2 2 光伏电池物理特性p s i m 仿真模型 f i g 2 2p s i ms i m u l a t i o nm o d e lo fp vc e l lb a s e d o np h y s i c sc h a r a c t e r i s t i c 9 当光照强度分别设为9 0 0 w m 2 、8 5 0 w m 2 、7 5 0 w m 2 ，温度为2 5 时，单个 太阳能电池的输出曲线如图2 - 3 1 】所示。从图2 3 可以看到，在高电压区域，电流 变化范围较大，电压变化范围不大，可视为电压源区；在低电压区，电流变化范 围小，电压变化范围较大，可视为电压源区。随着光强的减弱，光伏电池的输出 电流减小，输出功率减小。图2 4 【l 】为光强为1 0 0 0 w m 2 ，温度分别为o c 、2 0 、 4 0 、6 0 时光伏电池的输出曲线。从图2 4 可以看到，光强不变时，随着温度升 高，开路电压降低，短路电流略有增加，最大功率减小。 l 多 ，织遘 n 4 ，7 、 n 2 f ，7 7 7 u ， ( a ) i - v 曲线 ( b ) p v 曲线 图2 3 光伏电池输出波形( 不同光照强度下) f i g 2 3o u t p u tw a v eo fp vc e l l ( d i f f e r e n ti l l u m i n a t i o ni n t e n s i t y ) 1 o 、 j 0 8 ： 基 量0 6 ! 囊 j 蚤o 4 t - 3 3 3 k 3 1 3 k , 7 j 爨2 9 3 k 2 7 3 k 0 2 ( 从缸争矗依次为) 呻 ! o _ o 占 1 了而广1 百砷广1 _ 端t p 1j ( 坏么恤 ( a ) i - v 曲线 1 2r 1 01 要o a i 霪o o 曾 呈0 4 壤 o 2 o o 2 9 3 k 2 7 3 k - 0 - 2 f 1 乃r 瓦丁百可可百丁1 芝1 4 端l 乜j k 杯么1 l ! i ( b ) p v 曲线 图2 4 光伏电池输出波形( 不同温度下) f i g 2 4o u t p u tw a v eo fp vc e l l ( d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ) 基于光伏电池物理特性建模具有以下特点： 优点： ( 1 ) 基于光伏阵列物理本质建模，能够比较准确地反映其物理特性； ( 2 ) 模型参数与实际参数严格对应，仿真精度高； ( 3 ) 子电路接口简单，可用于系统仿真。 缺点： ( 1 ) 基于光伏阵列本质，模型较复杂； ( 2 ) 参数与光伏阵列的内部物理参数对应，不方便电路仿真用户解读； 1 0 ( 3 ) 模型参数与光伏阵列的实际参数对应关系不明确，参数求解复杂。 研究光伏阵列的物理模型，有助于理解光伏阵列的物理特性，了解各参数对 光伏阵列的影响，从而能够更加充分地了解光伏阵列在光伏系统中的效应，以及 有利于制定更优的控制方法。 2 2 基于外特性的模型与仿真 光伏电池的厶u 和只u 曲线是随光强、温度变化的非线性曲线。基于光伏阵 列物理机制的数学表达和模型具有仿真准确度高的特点，但是模型参数与光伏阵 列产品常规参数对应关系不明确，参数求解困难。在仿真应用中，可根据光伏阵 列曲线来描述模型，使得模型容易理解，参数求解简单。光伏电池非线性曲线可 以使用下式来拟合： ( 甜+ 吲= 协6 ) 其中，配。是光伏阵列丌路电压，厶c 是光伏阵列短路电流，系数i t 和n 用来拟 合曲线的形状。研和i 可由下面两式求出： 厂、土 = 虬。f 圭r ( 2 - 7 ) m + n ， 、! l = l 【熹厂( 2 - m 8 ) + ”， 例如，设某光伏阵列外特性参数如表2 2 所列，计算可得m = 2 3 ，n = 4 6 。仿真 模型如图2 5 t 1 1 所示，其中，i s 为k 输入，v o 为乩。输入，p 、n 为输出端口。 m a t l a b 验证波形如图2 - 6 所示。 表2 - 2 某光伏阵列外特性参数 t a b 2 2c e r t a i np va r r a yp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 图2 - 5 光伏阵列外特性仿真模型 f i g 2 5p s i ms i m u l a t i o nm o d e lo fp v c e l lb a s e do np e r f o r m a n c e 光伏阵列w 曲线 8 r 一一一 墨引6 i4 06 08 0 电压 光伏阵列p - v 曲线 4 0 0 r 一，一，一 3 0 0 量2 0 0 督 6 0 11 图2 - 6 光伏阵列仿真输出波形 f i g 2 - 6o u t p u tc u r v e so ft h ei m u l a t i o np vc e l l 基于光伏电池输出特性建模具有以下特点： 优点： ( 1 ) 基于光伏阵列外特性建模，表达式简单； ( 2 ) 模型参数与实际产品参数对应，求解和设定方便； ( 3 ) 参数与光伏阵列外特性对应，方便电路仿真用户解读。 缺点： ( 1 ) 不能准确反应光伏阵列物理特性； ( 2 ) 模型结果与实际波形不完全符合，仿真精度稍低： ( 3 ) 光照强度、温度等外围参数设定不方便。 虽然基于光伏阵列外特性的模型仿真精度不是很高，但是其模型简单、易于 理解，具有一定的仿真利用价值。 一 压电 一 葡 ， 一 leu 0 3 直直变换电路 5 k w 光伏并网逆变器主电路由前级的直直变换环节和后级的直交变换环节 组成。前级的直直变换环节采用多支路并联结构，各支路均由光伏阵列和一个升 压斩波电路构成，并采用独立的最大功率点跟踪控制。 3 1 多支路并联结构 由上章对太阳能电池特性的分析知，太阳能电池的输出特性是受光照、温度 等因素影响的非线性曲线。以图3 1 【2 l j 中太阳能电池在不同的光照强度下的输出特 性曲线为例，可以看到，在不同的光照条件下，同一种太阳能电池具有不同的最 大功率点，因此，多个同种类的光伏电池由于安装角度和位置不同导致受光不均 时也会存在不同的最大功率点。光伏阵列是由多个光伏电池串并联组成的，因此 受光不均的光伏阵列也存在不同的最大输出功率。如果输出特性相差较大的光伏 阵列均采用同一个d c d c 模块进行最大功率点跟踪控制，则只有一部分光伏阵列 工作在最大功率点附近，而其余部分光伏阵列将工作在最大功率点左右两侧，从 而使整个直流变换环节的总输出功率减小，效率降低，当采用不同种类的光伏阵 列时，这种问题尤其明显。 焉巴| 莘z 位耳电墟悼“且 ( a ) 伏安特性( b ) 伏瓦特性 图3 1 单个光伏电池在不同的光照强度下的输出特性曲线 f i g 3 一lo u t p u tc h a r a c t e r i s t i cw a v e so fp vc e l la td i f f e r e n ti l l u m i n a t i o ni n t e n s i t y “建筑物用光伏集成系统”( b u i l d i n g i n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c ，b i p v ) 是近十多 年发展起来的在城市中推广应用太阳能发电的一个重要方向。与建筑物结合使得 光伏阵列安装种类和安装方式多样化( 如阳台、墙面、屋顶) ，从而导致各个光伏 阵列支路受光不均，输出功率失配。根据上述分析，如果采用集中式的最大功率 点跟踪，整体效率将严重降低，特别在使用不同特性的光伏阵列时尤其明显。为 了解决此问题，可以对各光伏阵列支路进行相互独立的最大功率点跟踪控制，使 各支路输出最大功率，从而提高了系统的整体效率，也减弱了系统受个别支路故 障影响的程度，提高了系统稳定性和灵活性。 随着数字信号处理技术的发展，数字化在各个领域都得到了充分的发展。数 字电路与模拟电路相比，信号的抗干扰性较强；同时，运用高速的数字处理器， 能完成大量复杂的计算，能够实现诸如稳压、滤波、保护等功能，尤其利用数字 处理器的多路p w m 输出功能，能方便地进行p w m 控制，为实现多路控制提供了 极为便利的条件。 直直变换环节单支路结构和多支路并联结构分别如图3 2 和图3 3 所示。单 支路结构将光伏阵列均接入同一个d c d c 变换器输入端，由d c d c 变换器集中 控制光伏阵列的输出功率。多支路并联结构将光伏阵列分成若干组，使各支路连 接的光伏阵列数目较小，并将光伏阵列组分别接入各自的d c d c 变换器输入端， 再在直流母线处汇总。 图3 - 2 光伏阵列单支路结构 f i g 3 - 2t h ep va r r a yu s e di ns i n g l e - s t r i n gs t r u c t u r e 1们jsd 2 j 0 ，则b 中的最大 功率值刷新为现在的功率值，否则b 中存储的值仍然不变；当a p 0 时，将c 中 存储的最大功率点的占空比更新为此刻的占空比a ，否则，c 中存储值不变。为了 避免代数环，提高运算速度，每次向b 写数据均通过一个触发环节来启动的。a 存储空间为周期的占空比递增信号，范围为 o 6 ，o 8 。 图3 8m p p t 控制模块结构图 f i g 3 - 8t h es t r u c t u r eo fm p p tc o n t r o lm o d u l e 根据上述仿真模型，图3 - 9 、图3 1 0 、图3 1 1 、图3 1 2 和图3 1 3 分别表示光 伏阵列输出特性曲线、b o o s t 开关管占空比、光伏阵列输出电压、输出电流以及输 出功率的变化过程。 从仿真结果可以看出扫描过程中占空比由0 6 变化到0 8 ；由前面对b o o s t 的 状态空间模型的分析可知太阳能电池的工作点可以通过开关管的占空比d 来控 制，实际仿真结果，太阳能电池阵列的输出电压从8 0 v 变化到4 2 v ，电流从0 a 变 化到5 7 a ；输出功率则从0 w 增加到最大功率3 0 6 w 然后又降到2 4 0 w ；在扫描过 程完成后通过m p p t 算法，寻找到当前的最大功率输出工作点对应的i 丌关管占空 比值，然后使系统维持在此工作点工作直到下一次扫描产生新的开关管占空比值。 仿真结果是最大功率输出为3 0 4 w ，其对应的丌关管占空比值为o 7 1 ，此时的太阳 能电池阵列的输出电压和电流分别为6 0 v 和5 1 a 。 1 9 1 02 03 04 05 07 0 图3 - 9 光伏阵列输出特性曲线 f i g 3 9t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i cw a v eo fp va r r a y 凸 丑 制 姬 0 8 r o 7 5 l o 7 一广 0 6 争 一 0 8 广 n o 薯矗百言i 前万一o 矗 t ( s ) 0 图3 1 0 开关管占空比变化过程 f i g 3 - 1 0t h ec h a n g i n gc o u r s eo f d u t y 1 2 0 f ，一一 蓄6 0 柏- 0 0 5o 0 1 00 7 0 0 0 1 t ( s ) 图3 1 1 光伏阵列输出电压变化过程 f i g 3 11t h ec h a n g i n gc o u r s eo fo u t p u tv o l t a g eo fp va r r a y ， v 、 1 。 ( ，j j 图3 1 2 光伏阵列输出电流变化过程 f i g 3 - 1 2t h ec h a n g i n gc o u r s eo f o u t p u tc u r r e n to f p va r r a y 5 一一一一1 ll 8 ， 图3 1 3 光伏阵列输出功率变化过程 f i g 3 - 1 2t h ec h a n g i n gc o u r s eo f o u t p u tp o w e ro f p v a r r a y 由仿真结果可以看出，仿真的结果与理论分析的结果是一致的，从而验证了 上述理论分析的正确性，另外仿真也为实际控制过程中控制参数的选取提供了帮 助。 3 3 双支路最大功率跟踪算法 由以上分析可知，光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强 度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以 工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值附近时，光伏电池的输出功 率才能达到最大，这时光伏电池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 m u mp o w e rp o i n t ，m p p ) 。因此，在光伏发电系统中，要 2 1 提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，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 x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 。 直一直变换环节控制框图如图3 1 4 所示，对于每一路光伏输入支路，系统检测 出光伏阵列的输出电压和电流，根据电压电流的信息，判断出最大功率点的位置， 再利用控制手段调节b o o s t 电路的占空比，以达到期望的工作点。两路最大功率跟 踪的输出并联到直流母线上，最大功率跟踪器和后级逆变系统的中间有较大的电 容，以实现能量的解耦。 电列 光伏电逋_ p p t 算江： 图3 1 4 直直变换环节控制框图 f i g 3 - 14 t h ec o n t r o lf r a m eo fd c d cc o n v e r t e r 基于光伏阵列外特性建模的输出波形如图3 1 5 所示，本文讨论的最大功率点 跟踪对象即是此光伏阵列模型，具体参数详见表2 2 。 -； 、1a。薰f，777+777一、11 = 尚( 3 - 8 ) v 其中，为直流母线电压，为光伏阵列输出电压，d 为b o o s t 电路开关管 占空比。通过控制逆变器馈入电网的功率，保持直流母线电压的相对稳定，再 通过对占空比的控制，即可调节光伏阵列的工作电压，使其于最大功率点电压 附近，从而实现最大功率跟踪。图3 1 6 为最大功率跟踪的控制框图。 团?