（电机与电器专业论文）太阳能光伏电池变换器研究.pdf

ii abstract human social development and scientific progress, can not be separated from the large demand for energy, with the tradition of growing depletion of fossil energy, worldwide energy crisis beginning to show, clean, renewable energy development and utilization of new imminent. solar energy as an ideal renewable energy, has been a wide range of development and utilization of the most important way is the use of solar photovoltaic. with the strong support of governments, solar photovoltaic power generation technology in the world has been widely studied. in this paper, grid- connected pv system in the core issue of theoretical analysis and discussion focus on photovoltaic arrays maximum power tracking, the improvement of inverter output waveform，island effect and anti- islanding, etc. a detailed theoretical analysis, the corresponding control strategy. after the theoretical analysis, the use of matlab/simulink software to establish a grid- connected pv system simulation model, through simulation, to verify the correctness of theoretical analysis, at the same time, designed to microchips dspic30f2010 control chip as the core and the solar photovoltaic grid- connected systems hardware and software, produced a prototype experiment. finally, in the experimental prototype, based on the experimental platform to build, do the relevant experiments, that the system can achieve a very good maximum power point tracking, the realization of grid, the grid current and voltage in phase with the frequency, harmonic in line with national requirements. keywords: photovoltaic power generation, grid- connected inverter, mppt, anti- islanding 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 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： 日期: 年 月 日 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，即： 学校有权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。 本人授权华中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。 保 密?，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 1 1 绪 论 随着社会发展和科学进步，人类对能源的需求日益增长，全球范围内的能源危机 也开始逐步呈现。目前，人类主要利用的是化石能源，即已经现在大规模生产和广泛 利用的煤炭、石油、天然气等能源。然而，地球上的矿物资源是有限的，根据目前所 探明的储量和消费量来看，这些能源仅仅可供全球使用约 170 年。同时，大规模的化 石能源的开发和燃烧利用，造成了人类生存环境的持续恶化。因此，清洁的可再生的 新能源的发展，将是世界能源新技术革命的重要内容，是未来世界工业发展的基础。 广义上来说，各种可再生能源，如生物能、风能、海洋能、水能等能量都来自于 太阳，可以说，太阳能包含了上述各种再生能源。太阳每秒向四周以光辐射的形式辐 射出大约 28 3.8 10mw 能量，一年中，有高达 18 1.8 10kwh的能量被地面吸收，这个数 值，是目前全球能量消耗的数万倍。因此，充分利用太阳能，具有重大意义1。 1.1 太阳能的特点和分布 1.1.1 太阳能的特点 太阳能是一种理想的可再生能源，它具有储量丰富、分布广泛、清洁干净的优点； 但是同时也有着能量分散、日照变化不稳定等缺点。 1.1.2 太阳能的辐射量 我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据统计我国的年总辐射量约为 18 5 10kj，相当于 12 1.9 10吨标准煤，比我国当前年能源总耗量高 3 个数量级。若按照 到达到地面的太阳能的平均功率为 1000w/m2计算，全国的太阳辐射功率可达 12 9.6 10kw，比我国当前电力装机总容量大约 4 5 10倍。因此，研究与发展太阳能发 电对我国今后能源与电力的发展有着特别重要的意义1。 1.2 太阳能利用的形式 太阳能的利用主要有太阳能热能利用、太阳能光化学利用、光生物利用、太阳能 2 光伏发电等形式。 太阳能热利用具有广阔的应用领域，当前太阳能热利用最为活跃，并已形成了太 阳能热水器、太阳能热发电等产业。此外，在太阳能热泵、热推进技术等新型领域也 有一定的研究与应用2。 光的化学利用是一种利用太阳辐射的能量来直接分解水制造氢的光化学转换方 式。随着光电化学和各种半导体电极试验的发展，使得太阳能制氢成为氢能制造产业 的最佳选择。随着太阳能制氢技术的发展，用氢能取代碳氢化台物能源将是本世纪的 一个重要发展趋势2。 光的生物利用是通过绿色植物的光合作用，将太阳能转换成为生物质的过程，这 是一个自然过程。目前，主要是由人工种植速生植物（如新炭林）、油作植物、巨型 海藻等。 目前开发利用太阳能的最主要途径是太阳能光伏发电，它的基本原理是利用光生 伏打效应，是太阳光辐射能转变成电能的发电方式。太阳能光伏发电能够直接将光能 转变为电能，因此它具有无噪声，无污染，就地开发，不受地域限制，无需消耗燃料 的优点，太阳能光伏发电系统建设周期短，可以无人值守，规模大小设计自由度大， 可以就地使用，容易储存，还可以方便地与建筑物相结合等。这些优点都是常规发电 和其它发电方式所不能比拟的，而且使用太阳能光伏发电可以既不为核电站可能发生 的核泄露事故而烦恼，也不必为水电站的堤坝可能在战争或地震中崩溃而担忧3。 1.3 太阳能光伏发电的现状和前景 据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史，但是，将其作为一种能源和动力 来利用却只有300多年，而将太阳能作为未来能源而大力发展则是近30年的事情。至 1839年法国物理学家贝克勒尔发现光生伏打效应到1954年美国科学家恰宾和皮尔松 在美国贝尔实验室首次成功制造了使用单晶硅太阳能电池，太阳能光伏发电技术 将太阳能光辐射能转变成电能的发电技术诞生了4。 1.3.1 太阳能光伏发电的现状 上世纪70年代，就开始兴起了太阳能开发利用的热潮，再加上2次石油危机的影 3 响，全世界范围内开始重视光伏发电，使得光伏发电发展很快。各国政府都花费了很 大的物力、财力来支持太阳能光伏发电的发展。西方发达国家从环境保护和能源的可 持续发展的角度考虑，纷纷致定相关政策，鼓励和支持光伏发电。美国在1973年制定 了政府支持光伏发电发展计划；日本在1974年投资5亿美元，执行“ 阳光计划” ；美国 在1988年开始实施pvsua计划，建立集中型光伏并网发电系统；上世纪90年代美国、 德国、日本、意大利、印度、瑞士、荷兰、西班牙等国都大力发展太阳能屋顶计划。 光伏发电已经由早期的空间卫星电源的特殊应用向并网发电和与建筑相结合供电的 方向发展，光伏发电已经逐步有取代传统能源的趋势，据统计，目前，世界太阳能电 池年销售量超过60mw，电能转换效率超过15%345。 近20年来，我国光伏发电产业的发展已初具规模，但在总体水平上我国同国外相 比还有很大差距,主要表现为5: 1. 生产规模较小。我国太阳能电池制造厂生产能力约为0.51兆瓦/年，比国外生 产规模低一个多数量级； 2. 技术水平较低。电池效率、封装水平同国外存在一定差距； 3. 专用原材料国产化率在经过“ 八五” 攻关后取得一定成果，但性能有待进一步 改进，部分材料仍需进口； 4. 我国电池组件成本较高，目前我国电池组件成本约30元瓦，平均售价42元 瓦，成本和售价都高于国外产品； 5. 市场培育个发展迟缓，缺乏市场培育和开拓的支持政策、措施。 目前，我国太阳能光伏发电的发展，也有一定成绩，简历了40多座县、乡级小型 光伏电站，光伏电池总装机量达600kw，全国累计推广家用光伏电源约15万台，光伏 电池总装机量达2.9mw。 值得一提的是，据人民日报报道：被誉为“ 第四代体育场馆” 的国家体育场“ 鸟 巢” ，在众多奥运场馆中，关注度非常高，其一大亮点，就是安装了国内自主研发的 太阳能光伏发电系统。“ 鸟巢” 的周边分布着12个顶部为燕尾状的检票站，其中在7个 阳光照射充足的检票站顶部安装了太阳能光伏发电系统。这7套太阳能光伏发电系统 的发电量除满足检票系统的自身用电外，多余电量将并入国家体育场的电力供应系 4 统，对奥运场馆的电力供应起到一定的补充作用。 1.3.2 太阳能光伏发电的前景 太阳能光伏发电是各种新能源开发应用中前景最为广阔的一种，在传统能源匮乏 的将来，必将成为主要的能源形式。 我国可再生能源法的颁布和实施，为太阳能利用产业的发展提供了政策的保 障；京都议定书的签定，环保政策的出台和对国际的承诺，给太阳能利用产业带来机 遇；西部的大开发，为太阳能利用产业提供巨大的国内市场；原油价格的上涨，中国 能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持的力度，所有的这些都为中 国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。6 我国目前正大力通过政策力量带动国内光伏发电市场的成长。今年的3月36日财 政部、 住房和城乡建设部联合发布了 关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见 与太阳能光电建设应用财政补助资金管理办法暂行办法，对符合条件的太阳能光 电建筑应用示范项目给予最高20元/瓦的补贴；4月15日国务院发布的电子信息产业 调整和振兴规划也将光伏产业列入其中；中科院也同步启动了“ 太阳能行动计划” ； 5月21日财政部召开的能源与节能减排工作会议中，明确表示要支持新能源发展和节 能减排，并实施“ 金太阳” 工作，采取财政补贴方式，加快启动国内光伏发电市场。在 政府的大力扶持下，我国的太阳能光伏发电产业必然蓬勃发展。 1.4 太阳能光伏发电系统 太阳能光伏发电系统是利用光生伏打效应，将太阳光辐射能转变成电能，再通过 发电系统供应给负载或者电网。 1.4.1 太阳能光伏发电系统组成 太阳能光伏发电系统一般主要由以下部分组成：太阳能电池组件（阵列）、控制 器、蓄电池、dc/dc变换器、逆变器、用电负载或电网等。其中，太阳能电池组件和 蓄电池为电源系统， 控制器为控制保护系统， dc/dc变换器和逆变器为电源转换系统， 负载或电网为系统用户终端。4 5 1.4.2 太阳能光伏发电系统的类型 太阳能光伏发电系统的应用可分为一下2种类型3： 1. 独立光伏发电系统： 这是目前我国已形成的光伏发电应用市场，且每年以20%的速度增长。 2. 并网光伏发电系统： 并网光伏发电系统在国外已经有大规模的应用了，而我国现在也已经起步， 正在投入大量的人力物力在不断研究实验。这种并网发电系统有集中式光伏 发电站和屋顶发电两个发展方向。 目前，将光伏发电系统与建筑巧妙结合的屋顶发电系统这种分布式发电系统正在 各国政府的支持下蓬勃发展。美国、日本、德国等国家已有相当规模的发展。 1.5 本文主要研究内容 本文的课题研究将针对光伏并网发电系统中的核心问题进行较为深入的理论分 析和探讨，着重在光伏阵列的最大功率跟踪、逆变器输出波形的改善和孤岛效应等方 面进行详细的理论分析，提出相应控制策略，并使用 matlab/simulink 软件建立了 光伏并网发电系统的仿真模型，并进行实验验证。 太阳能电池在工作过程中，它的输出功率受到光照强度和太阳电池表面温度的影 响特别大，而且工作特性曲线也是非线性的。当光照强度和太阳电池表面温度发生变 化时，它的输出特性将随之发生改变。此外，太阳能电池本身的光电转换效率不高， 所以要想充分的利用太阳能发电，必须采用有效的控制策略，使得太阳能电池在光照 强度和表面温度变化时，依然能工作在最大功率点。 并网逆变器的输出波形中的谐波危害极大。电力系统中的谐波不仅使电能的生 产、传输和利用效率降低，使用电设备产生震动、噪声、寿命缩短，甚至发生故障或 烧毁，而且还可能导致电力系统继电保护装置误动作使系统混乱，同时还会对干扰无 线通讯设备正常工作，因此必须对谐波进行抑制。 根据美国 sandia 国家实验室(sandia national laboratories)提供的报告指出：当电 6 网的供电由于故障、事故或停电维修等原因处于停电状态时，接入电网的各个太阳能 并网发电系统如果未能及时的检测出停电状态而将其自身与电网断开，从而形成了用 户负载由太阳能并网发电系统供电的一个电力调度部门无法掌握的自给供电的“ 孤 岛” 。这称之为孤岛效应，孤岛效应发生时可能对整个配电系统设备及用户端的设备 造成不利的影响， 可能危害到设备和人身安全， 因此必须及时准确的判断出孤岛状态， 将逆变器与电网断开7。 本课题的技术关键在于光伏阵列的最大功率跟踪、逆变器输出波形的改善以及孤 岛效应的检测和防止策略。鉴与此，本课题的主要研究内容安排如下： 1、阐明不同拓扑结构的光伏发电系统的性能和特点； 2、通过控制算法的改进，实现真正最大功率跟踪（tmppt） ； 3、详细分析光伏发电系统中正弦波逆变器的工作原理，选择合适的控制策略， 降低系统并网电流波形的总谐波畸变率（thd） ，改善输出电流波形； 4、详细分析、研究产生孤岛效应的机理，在 matlab下建立反孤岛效应的仿真 模型，并进行实验验证； 5、开发基于 dspic30f 系列高性能 dsp 的光伏发电系统的软、 硬件实验装置，实 现数据采集、系统监控、显示、通信及复杂的控制算法和智能保护措施。 7 2 太阳能光伏电池的模型及最大功率点跟踪 2.1 太阳能电池的模型及其仿真 太阳能电池阵列吸收太阳光的能量，利用光生伏打效应将太阳光的辐射能转变为 电能，是太阳能光伏发电系统的核心组件之一。 太阳能电池的结构极其复杂，通常我们都用等效电路来模拟太阳能电池，根据电 力电子学理论，其等效电路如图2.1所示。 rsh rs il ishio i v 图2.1 太阳能电池等效电路 由kcl理论，日照产生的光电流 l i ，减去二极管正向导通电流 0 i ，再减去在电池 边沿和金属化电极上的漏电流 sh i ，就得到了太阳能电池的输出电流i， sh r 用来等效 电池边沿和金属环电极上的漏电阻， s r 用来等效电池中的内阻。89 由该等效电路得到太阳能电池对应的iv函数方程为8： () (1) s q v i r s akt ld sh vir iiie r + + = （2.1） 其中 d i 为二极管的反向饱和电流，q为电子电荷，a为二极管品质因子，k为玻尔 兹曼常数，t为绝对温度。 为了便于分析，和满足一般工程应用，对公式2.1在工程精度允许的条件下进行一 8 定简化。首先经过一下两点近似8： 1）忽略()/ ssh virr+项，通常情况下，该项远小于光电流 l i； 2）设定 l i= sc i，因为通常情况下 s r远小于二极管正向导通电阻，同时，定义开 路时：0, oc ivv=；最大功率点处, mm iivv=。 由这两点近似，可以将太阳能iv函数方程简化为 2 / 1 (1(1) v c sc iice= （2.2） 开路状态时，有0, oc ivv=，代入公式2.2，得 2 / 1 0(1(1) oc vc sc ice= （2.3） 由公式2.3解出 1 c ，可得 2 / 1 1/(1) oc vc ce= （2.4） 在最大功率点处，有, mm iivv=，代入公式2.2，得 2 / 1 (1(1) m vc msc iice= （2.5） 将公式2.4代入公式2.5，得 22 / (1(1/(1)(1) ocm vcvc msc iiee= （2.6） 由于 2 / oc vc e1， 2 / m vc e1，忽略掉分式 2 / (1) oc vc e和 2 / (1) m vc e中的1，可以解出 2 c ， 得 2 ()/ln(1/) mocmsc cvvii= （2.7） 故由公式2.2、2.4、2.7和太阳能电池生产厂家提供的技术参数 oc v 、 m v 、 sc i 、 m i ， 可以得到太阳能电池在太阳光强度1000w/m2 、太阳能电池表面温度25时的工作状 态曲线。 由infinoen公司提供的太阳能电池jt170(34) s1580808的技术参数如表2.1所示， 有43.8 ,35.2 ,5.14 ,4.83 ocmscm vv vv ia ia= 9 表2.1 infionen太阳能电池技术参数 由matlab计算仿真可得，该太阳能电池在太阳光强度1000w/m2 、太阳能电池表 面温度25时的i- v输出曲线图如图2.2所示。图2.3是描述太阳能电池输出功率与输出 电压之间关系的p- v曲线图。 051 015202530354 04550 0 1 2 3 4 5 6 电压/伏特 电流/安培 vm im isc voc 图2.2 英飞凌jt170(34) s1580808 的i- v输出曲线图 051 015202530354 04550 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压/伏特 功率/瓦 pmax=170.5485 图2.3 英飞凌jt170(34) s1580808 的p- v输出曲线图 10 太阳能电池的i- v曲线与太阳光照强度和太阳能电池表面温度有关，当光照强度 和电池表面温度发生变化时，它的输出特性将随之发生改变。考虑到受到光照强度s 和电池表面温度的影响，必须对上述方程进行修正，通过对标准太阳光照强度 1000w/m2和太阳能电池表面标准温度25下的i- v曲线的“ 移动” 可以得到任意太阳光 强度和任意太阳能电池表面温度下的新i- v曲线。 根据前人的大量测试有以下符合工程基本应用的经验性的公式：810 ref ttt= （2.8） (1) sc refref ss iati ss = + （2.9） s vbtri= （2.10） iii=+ （2.11） vvv=+ （2.12） 其 中 refref ts和为 标 准 状 态 的 测 试 值 分 别 为25 ref t=、 2 1000 ref s=w / m， 8 s rm 11 由上述分析和表达式可以编写出matlab程序，计算出太阳能电池在不同的太阳光 照强度和不同的表面温度时的i- v和p- v曲线。其仿真计算曲线如下所示。 05101520253035404550 0 1 2 3 4 5 6 电压/伏特 电流/安培 10 25 50 70 t=10 t=70 图2.4 太阳光照强度为1000w/m2时，不同表面温度下的i- v曲线 图2.4为太阳光照强度为1000w/m2时，太阳能电池表面温度分别为10、25、 11 50、70时太阳能电池的输出电流与输出电压的关系。由该图可以看出，随着太阳 能电池表面温度的升高，太阳能电池的开路电压 oc v 减小、短路电流 sc i 增大。太阳能 电池表面温度对其输出特性的影响还是比较大的。 05101520253035404550 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压/伏特 功率/瓦 25 10 50 70 70 10 25 图2.5 太阳光照强度为1000w/m2时，不同表面温度下的p- v曲线 图2.5为为太阳光照强度为1000w/m2时，太阳能电池表面温度分别为10、25、 50、70时太阳能电池的输出功率与输出电压的关系。由该图可以看出，随着太阳 能电池表面温度的升高，其输出功率在减小，同时，我们可以看到，每一条p- v曲线 都有且只有一个最大值，这就是太阳能电池的最大功率点，最大功率点对应着唯一的 太阳能电池输出电压，随着温度的升高，太阳能电池的输出功率降低，同时，最大功 率点对应的最大功率也有所降低，最大功率点对应的太阳能电池输出电压也减小了。 05101520253035404550 0 1 2 3 4 5 6 电压/伏特 电流/安培 1000w/m2 250w/m2 500w/m2 750w/m2 1000w/m2 250w/m2 图2.6 太阳能电池表面温度25时，不同太阳光照强度下的i- v曲线图 12 图2.6 为太阳能电池表面温度为25时，太阳光照强度分别为250w/m2、 500w/m2、750w/m2、1000w/m2下的太阳能电池输出电流和输出电压的关系。由该图 可以看出，随着太阳光照强度的减小，不仅太阳能电池的开路电压 oc v 略微减小、短路 电流 sc i 则急剧减小。 可以看出太阳光照强度对其输出特性的影响比太阳能表面温度的 影响更大。 05101520253035404550 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压/伏特 功率/瓦 1000w/m2 750w/m2 500w/m2 250w/m2 1000w/m2 250w/m2 图2.7 太阳能电池表面温度25时，不同太阳光照强度下的p- v曲线图 图2.7为为太阳能电池表面温度25时， 太阳光照强度分别为250w/m2、 500w/m2、 750w/m2、 1000w/m2下的太阳能电池的输出功率与输出电压的关系。 由该图可以看出， 随着太阳光照强度的减小，其输出功率在减小，同时，我们可以看到，每一条p- v曲 线也都有且只有一个最大值，即上文提到的太阳能电池的最大功率点，最大功率点对 应着唯一的太阳能电池输出电压，随着太阳光照强度的减小，太阳能电池的输出功率 降低，同时，最大功率点对应的最大功率也有所降低，最大功率点对应的太阳能电池 输出电压也略为减小了。 2.2 最大功率点跟踪 mppt 太阳能电池结构极其复杂，转换效率很低，同时，其工作特性呈非线性，输出功 率受到光照强度和太阳能电池表面温度的影响特别大，当光照强度和太阳能电池表面 温度发生变化时，它的输出特性将随之发生改变，其输出功率也随之改变，为了最大化 13 利用太阳能电池所发出的电能，必须使其尽量输出更多的电能，即工作在最大功率点。 从上文对太阳能电池工作特性的分析和仿真发现，太阳能电池的工作区间上，有 且仅存在一个点，使得输出电压与输出电流的乘积最大，即输出功率最大，这就是太 阳能电池的最大功率点。由图2.42.7可以发现，太阳能电池是一个非线性直流电源， 当光照强度和太阳能电池表面温度发生变化时，它的输出特性将随之发生改变，太阳 能电池的最大功率点也就会随着太阳能电池表面温度和太阳光照强度的变化而变化。 由于最大功率点对应于唯一的一个太阳能电池输出电压，当太阳能电池工作时的 输出电压等于这个值时，就能实现最大的功率输出，寻找太阳能电池最大工作点电压 并使其工作在最大功率点的过程，就是最大功率点跟踪（maximum power point tracking）1213。 用dc/dc变换器可以实现最大功率点的跟踪。将 dc/dc变换电路连接在太阳能电 池和dc/ac并网逆变器之间,通过对dc/dc变换器的输入、输出电压和电流的测量结 果由微处理器芯片进行运算，并输出最大功率点对应的pwm脉冲，调节dc/dc变换 器内部开关管的占空比来调节太阳能电池的输出功率，此方法电路简单，软、硬件相 结合，控制方法灵活。 mppt的方法有很多种，主要有以下几种：恒定电压控制法（cvt）、扰动观测 法、导纳增量法等。 2.2.1 恒定电压控制法（cvt） 05101520253035404550 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压/伏特 功率/瓦 vm 图2.8 太阳能电池表面温度25时，不同光照强度下vm的变化 s1 s2 s3 s4 s4s3s2s1 14 由图2.8可知，太阳光照强度变化时，虽然太阳能电池的功率变化很大，最大功率 点的变化也很大，但是，最大功率点所对应的太阳能电池的输出电压的变化却不是很 大， 而且是几乎均匀的分布在一条垂直线的两侧，可以近似认为是一个常数14。因此， 选择一个合适的输出电压ug，使太阳能电池始终工作在该输出电压，就能使太阳能电 池的输出功率接近最大功率输出，这就是恒定电压控制法。其控制简单、易实现，被 广泛应用于早期的太阳能发电设备中。 05101520253035404550 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压/伏特 功率/瓦 vm1 vm2 vm3 vm4 图2.9 太阳光照强度为1000w/m2时，不同温度下vm的变化 但是，由图2.9可以看到，在同一太阳光照强度下，太阳能电池表面温度变化时， 最大功率点和最大功率点对应的太阳能电池输出电压的变化很大，如果采用恒定电压 输出就不能跟踪到最大功率，甚至输出功率会很低。但是，考虑到温度的大幅变化， 多是由于环境气温的大幅变化，而这一般都是季节变化导致的，因此，只需要根据季 节变化重新整定一个合适的太阳能电池输出电压ug14。 2.2.2 真正最大功率点跟踪法（tmppt） 恒定电压法实现的最大功率跟踪，只能在一定环境条件下实现一定程度的最大功 率点跟踪，在外界条件（光照强度、电池表面温度）变化时，仍有功率损失。由于太 阳能光伏电池组件参数和特性有差异， 每一个组件的最大功率点处的电压vm值也不尽 相同，整个阵列的最大功率点也会发生变化，因此需要一种在外界条件变化、甚至太 阳能电池组件更换的情况下，都能始终使太阳电池阵列处于最大功率输出状态的控制 t1t2t3，即当前太 阳能电池工作点处于最大功率点的左侧，应继续增大太阳能电池输出电压v；若 17 0gg+，说明/0dp dv d减少0.25% 0gg+ 定标后赋值给占空 比寄存器生成 pwm 清中断返回 no yesyes no 图 6.5 adc 模块程序流程图 46 右侧分支是经最大功率点跟踪算法后生成 boost 的开关管的 pwm 驱动信号，其 采用的是电导增量法。由于 boost 的输出侧电压经帮我逆变器电压闭环稳定，故由 (1) pvo vd v=，调节占空比 d 即能调节太阳能电池输出电压，增大 d 即增大太阳能 电池输出电压。 6.6 故障保护模块 故障保护模块由两部分组成，一部分是反孤岛效应保护，由主程序中根据 ic 模 块中的频率超限标志的置位情况，来判断是否发生孤岛效应，一旦发生孤岛效应，就 将控制器输出的 pwm 波全部封锁，停止 boost 升压模块和并网逆变器模块工作；同 时通过继电器控制引脚 rd1，即控制芯片的 14 脚，断开继电器，断开太阳能并网发 电系统与电网的连接。 另一部分由故障保护中断完成，这一部分是为了防止过压、过流等严重危害太阳 能并网发电系统自身的故障，当故障引脚/flta 被外部信号拉低时，立刻硬件封锁各 pwm 输出39，断开继电器即逆变器与电网的连接，避免太阳能并网发电系统的损坏。 47 7 实验结果及分析 7.1 实验样机制作 依照前文分析，作者运用原理图和 pcb 印制板 eda 设计工具 protel dxp 设计了 太阳能光伏发电系统的原理图和 pcb 板，并由此设计制作了太阳能光伏并网系统样 机，其原理图、pcb 图、样机图如下图所示。 图 7.1 总原理图 为了便于实验板焊接和实验，不仅绘制了整个太阳能并网发电系统的总原理图， 还按各功能模块绘制了局部图，这里不一一列出。 48 图 7.2 pcb 图 由于 pcb 板比较大，同时，控制电路和功率器件均分布在同一块 pcb板上面， 故采用了加厚的 pcb 板制作工艺，其厚度达到了 2mm，增加了其强度，同时，功率 电路由于有大电流流过，在 pcb 正反两面均同时布上了较宽的铜箔。 图 7.3 实验样机图 49 图 7.4 基于 51 单片机的上位机控制板 将实验样机与基于 51 单片机的上位机控制板用串行通信线相连，其有 3 根导线， 一根为发送数据线，一根为接受数据线，一根为地线。在工作状态下，不但样机上具 有 3 路电源指示灯、3 路故障指示灯、工作状态指示灯可以显示系统工作状态，上位 机控制板上还可以控制显示当前的太阳能电池输出电压、电流、功率或者直流母线电 压。 7.2 在实验平台下的实验 实验样机制作完成后，配备上直流电源、示波器、调压器、可调电阻、电脑及仿 真器等，构建了实验平台，在该实验平台下，做了相关实验如下。 7.2.1 电阻负载开环实验 并网前，先以电阻性负载，在并网逆变器直流母线处给直流电压，以 spwm 模 式，实现开环逆变，其 spwm 的调制比 m 为 0.8，电阻 30 欧姆，其电阻负载电流波 形如图 7.5 所示。 50 图 7.5 电阻负载电流波形 由图可以看出，其纵坐标每格表示电压 20mv，横坐标每格为 5ms，示波器探头 采用了电流传感器， 其电压电流系数为 100mv/a。 可以看到， 在正弦波的过零点附近， 波形有一定程度的畸变。这是由于为了防止逆变器上校桥臂开关管同时导通而设置的 死区导致的。具有死区的上下桥臂驱动 pwm 波形如图 7.6 所示。 图 7.6 逆变器 1 桥臂的上下管 pwm 驱动波形 51 由图可以看出，下管在上管关断 3us 后才导通，并且在上管导通前 3us 处关断， 这一前一后共 6us 的时间内，上下桥臂的开关管都处于关断状态，因此，造成了一定 的电压损失，使电压略微偏小，同时，在电压过零点处造成了失真。 可以对死去的影响做一个简单的补偿，即能改善此问题。 由于，存在死区时，输出电压与理想电压在正、负半周期内的平均误差电压可以 分别表示为40: d d s t uu t + = d d s t uu t = （7.1） td 为死区时间，ud 为直流侧电压，据此，可以将生成正弦波用的正弦表的前 256 个值加上一个小的偏移，后 256 个值减去一个小的偏移，达到补偿死区的效果。修改 正弦表后的负载电压波形如图 7.7 所示。由图 7.7 与图 7.5 对比可知，其过零点出波形 改善显著。 图 7.7 正弦表修改后电阻负载电压波形 7.2.2 电阻负载闭环实验 实验中发现，电阻负载电流开环时，输出为如上述所示，补偿后，为较好的正弦 波。电阻负载电流闭环实验时，电流给定 2.3a，输出波形如图 7.8（a）所示。 52 由该图可以看出，交流输出侧输出的正弦交流电流，其峰峰值，大约为 440mv， 电流探头为测量档为 100mv/a，即电流峰值为 220mv 所对应的 2.2a，较好的跟踪了 给定值，但是，整个正弦波向下偏离正中心的零点 20mv 左右。 图 7.8（a） 交流侧输出波形修正前 图 7.8（b） 交流侧输出波形修正后 53 经反复思考，电流开环情况下，输出的正弦交流电流正常而没有偏移；而采用电 流闭环控制时，其中心零点明显向下发生偏移；究其原因，应该是反馈电流方面出现 了问题。反馈电流为交流量，而控制芯片的采样引脚只能检测 05v的采样值，因此， 在采样电路中，交流电流侧采样值向上偏移了 2.5v，以产生 05v的采样值，同时， 以 2.5v对应的采样值对应 0v，实际测试发现，由于电阻自身阻值有些许偏差，导致 分压不均，上抬的偏移量为 2.59v，导致采样值不准确，导致了反馈闭环调节后，有 偏移。有 2 个办法可以解决：调整硬件电路，使其偏移量准确的为 2.5v；调整软件设 置，在读取的采样结果中减去多余的偏移量。第二种方法简单易行，故采用了软件调 整方法。其调整后交流则输出波形如图 7.8（b）所示。 7.2.3 经调压器并网实验 太阳能光伏并网系统最终目的是将太阳能电池发出的电能回馈给电网，并做到单 位功率因数回馈，即并网电流要与电网电压同频同相。实验初期，先通过调压器，将 电网电压调低，在较低的电压下，采用电流闭环控制，实现单位功率因数并网，同时 做到使并网电流的纹波较小。实验时，通过调压器将电网电压由 220v 降到了 30v， 逆变器直流母线电压由三相调压器整流后的直流电源供电，直流母线电压 144v，并 网时加入了电流闭环，电流幅值给定值为 2.5a，其实验波形如图 7.9 所示。 图 7.9 经调压器并网实验波形 54 图中幅值较大的波形为电网电压，其幅值为 312v，与调压器的输出只有幅值的 区别，其频率和相位与调压器输出相同，幅值较小的波形为并网电流，并网电流有一 定毛刺，其周期也为 50hz。 由图可以看到，并网电流为正弦波，其电流频率、相位与电网电压相同，实现了 单位功率因数并网；电流幅值为 2.4a，较好的跟踪了电流幅值给定值。 用 wavestar 进行谐波分析，有以下结果： 电压 thd = 3.551 %；电流 thd = 1.907 %；功率因数 = 1.0041 其中，电压、电流的 thd 均较小，符合国家关于并网电压、电流的各项要求， 功率因数为 1.0041， 可以说基本为单位功率因数并网了。 具体的分析来看， 由 wavestar 生成的对电网电压和并网电流的谐波分析图和表格如下所示。 图 7.10 电网电压谐波分析 图 7.11 并网电流谐波分析 55 表 7.1 电网电压、并网电流谐波分析 电压 电流 频率 幅值 占基波% 相位 幅值 占基波% 相位 基波 50.00hz 2.3806v 100.000% 0.0000 167.84mv 100.000% 0.0000 2 次谐波 100.00hz 1.2009mv 0.050% - 176.66 250.14uv 0.149% 28.644 3 次谐波 150.00hz 63.407mv 2.663% 130.52 2.7434mv 1.635% - 14.801 4 次谐波 200.00hz 2.0592mv 0.086% - 152.72 350.67uv 0.209% - 105.33 5 次谐波 250.00hz 41.174mv 1.730% - 58.123 1.2469mv 0.743% 11.384 6 次谐波 300.00hz 1.9233mv 0.081% - 46.627 68.851uv 0.041% - 51.743 7 次谐波 350.00hz 24.516mv 1.030% - 177.89 895.48uv 0.534% - 8.9355 8 次谐波 400.00hz 2.0330mv 0.085% - 139.73 258.43uv 0.154% - 102.78 9 次谐波 450.00hz 15.050mv 0.632% 19.354 99.788uv 0.059% - 162.01 10 次谐波 500.00hz 2.2320mv 0.094% 69.677 210.40uv 0.125% - 78.749 11 次谐波 550.00hz 9.0183mv 0.379% - 93.489 114.61uv 0.068% 135.94 12 次谐波 600.00hz 312.09uv 0.013% 168.54 52.014uv 0.031% - 103.85 13 次谐波 650.00hz 22.434mv 0.942% 157.80 150.09uv 0.089% - 102.00 由电网电压、并网电流波形和以上的谐波分析图和谐波分析表，可以看出，本文 设计的太阳能并网发电系统能够实现将太阳能电池所发出的电能回馈给电网，且并网 电流与电网电压同频同相，实现单位功率因数并网，同时，符合国家相关标准，对电 网干扰较小。 56 全文总结 工业发展离不开对能源的大量需求，随着传统化石能源的日益枯竭，新能源的开 发应用得到迅猛发展。作为新能源主力的太阳能的开发应用得到了全世界各国的大力 支持和发展，太阳能光伏发电更是重中之重，具有非常好的发展前景。本文就太阳能 光伏并网发电系统做了一定程度分析和研究，其具体为： 1. 对所研究的课题的背景进行了一定程度的了解，并通过对其广泛应用前景的 了解，对其将来的发展充满了信心； 2. 目前太阳能电池的光电转换效率低，太阳能电池的成本也较高，因此必须要 最大化的利用其发电效率，尽量在工作状态下，时时刻刻以最大功率输出。 本文通过太阳能电池的等效电路模型的建立，分析了太阳能电池的输出特性， 建立了太阳能电池的仿真模型，并以太阳能电池的仿真模型为基础，分析了 几种太阳能电池最大功率点跟踪方法的优缺点，并提出了其实现方法； 3. 分析了太阳能光伏并网发电系统核心功率模块 dc/dc 直流变换器、dc/ac 并网逆变器的工作原理，并建立了其仿真模型；给出了整个系统的控制策略， 及控制框图； 4. 分析了太阳能光伏并网发电系统中孤岛效应的防止问题，并给出了积极有效 的解决方案； 5. 设计并制作了实验样机的硬件电路，设计和编写了实验样机的软件程序，并 搭建了实验平台，以实验验证了前面的分析、仿真等。 本文的研究工作还存在一些不足之处，将来还可以在以下方面进行更为深入的研 究和探讨： 1. 对太阳能电池最大功率点跟踪方法进一步研究，力求跟踪响应更快速； 2. 对并网逆变器的电流控制进一步探讨，可以考虑采用将采样到的并网电流的 幅值提取出来，进行直流 pi 调节；或者采用更为复杂的算法完成对并网电流 的控制，减小电流谐波； 57 3. 增