（微电子学与固体电子学专业论文）光伏发电逆变系统仿真与m算法设计.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t s o l a r e n e r g y , w h i c h h a s f e w r e s o u r c e l i m i t a t i o n s a n d mi n i m a l a d v e r s e e n v i r o n m e n t a l i m p a c t , w i l l s u r e l y b e c o m e mo r e a n d m o r e e s s e n t i a l t o o u r l i v e s i n t h e y e a r s a h e a d , a n d t h e p h o t o v o l t a i c s h a s b e e n i d e n t i f i e d a s t h e b e s t m o d e o f t h e n e w e n e r g i e s . i t s a n a v a i l a b l e m e t h o d t o u s e s o l a r e n e r g y , c h a n g i n g i t i n t o e l e c t r i c p o w e r t o t h e g r i d , b u t s o m e i m p o r t a n t t e c h n i q u e s a n d c h i p s c o n c e rn i n g o f t h e g r i d - c o n n e c t e d p v i n v e rt e r a r e m a i n l y i m p o r te d fr o m a b r o a d , i t i s u r g e n t t h a t w e h a v e o u r o w n h i g h - q u a l i t y g r i d - c o n n e c t e d p v i n v e rt e r . b a s e d o n t h e e x i s t i n g p r o d u c t i o n a n d c i r c u i t s , s i m u l a t i o n f o r i n v e rt e r s y s t e m i s c o m p l e t e d i n m a t l a b a n d a n e w i n v e rt e r s y s t e m w i t h l e s s h a r m o n i c a n d h i g h c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y i s d e v e l o p p e d . 1 . a s i m u l a t i o n m o d e l o f p h o t o v o l t a i c a r r a y i s p r o d u c e d a n d i t s f e as i b i l i ty i s v a l i d a t e d r e f e r i n g t o a v e r s a t i l e s i m u l a t i o n m o d e l f o r p h o t o v o l t a i c a r r a y w i t h m p p t f u n c t i o n 妙 p r o f ma o mq . 2 . b as e d o n a n a l y s i n g a n d u s i n g f o r r e f e r e n c e o f m p p t , a n e w m p p t a r i t h m a t i c w i t h c o mb i n a t i o n o f ma t h o d o f e x h a u s t i o n a n d s e c o n d d e g r e e i n t e r p o l a t i o n i s i n t r o d u c e d .t h i s n e w a r i t h m a t i c i s a c c u r a t e a n d c a n s i m p l i f y t h e c ir c u i t . 3 . t h e s y s t e m ma i n ly c o n s t it u t e s o f d c - d c a n d d c - a c ,t h e s e t w o p a r t s a r e s i mu l a t e d i n m a t l a b s e p a r a t e l y : f o r t h e d c - d c c i r c u i t , t h e c h i p o f l f 2 4 0 7 d s p i s u s e d t o g e n e r a t e t h e d r i v i n g p u l s e s , a n d t h e t h e r e s u l t s h o w s t h e n e w a r i t h m e t i c c a n i m p l e m e n t t h e f u n c t i o n o f m p p t ; f o r t h e d c - a c ,h y s t e r e s i s c o n t r o l i s a p p l i e d i n s i m u l a t i n g t h e c i r c u i t s wi t h a n d wi t h o u t a t r a n s f o r me r . t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d f a c t o r s a r e a n a l y s i z e d a n d t h e y m e e t t h e f a c t o r r e q u i r me n t . i n t h i s p a p e r , a t e s t p l a t f o r m o f g r i d - c o n n e c t e d p v i n v e rt e r c o m e s t r u e i n v i r t u e o f m a t l a b ,a n d w e c a n t e s t t h e p o s s i b i li ty o f a k i n d o f c i r c u it o r a r i t h m e t i c 勿v i r t u e o f t h e t e s t p l a t f o r m , s o i t s h o r te n s t h e p e r i o d o f r e n e w i n g t h e s y s t e m a n d r e d u c e s t h e c o s t m e a n w h i l e , i t w i l l h a v e a n a c t i v e e ff e c t o n t h e c o u r s e o f h a v i n g o u r h i g h - q u a l i ty p v i n ve rte r . ke y wo r d: g r i d - c o n n e c t e d p v i n v e rt e r , d c - d c d c - a c mp p t 南 于 卜 大 学 学 位 论 文 电 子 版 投 权 使 用 协 议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 系本人在 本人 系本作品的唯 一作者 ( 第一 作者) ，即 著作权人. 现本 人同 意 将本作品 收 录于“ 南开 大学博硕士 学位论文 全文数 据 库” 。 本人承诺:已 提 交的 学 位论文电 子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自 负。 本人 完全了 解 南 开大学图 书馆 关于 保存、 使用学位 论文的管 理办 法 .同 意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版: 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目 录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务 ( 论文前1 6 页). 公开级学位论文全文电子版于提交1 年后， 在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注:本协议书对于 “ 非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称: 作者签名: 学号: 日期:年月日 南 开 大 学 非 公 开 学 住 论 文 征 明 学号: 论文题目: 不宜公开原因 ( 请在口中选择): 口 1 、申 请专 利或技术 转让。 口 2 、保密科研项目或课题。 口 3 、 其它 ( 请说明) 姓名 密级:内部 密级:秘密或机密 保密期限: 内 部 秘密 机密 绝密 年 ( 请 填写 保密年限 ， 3 年) 年 ( 请填写保密年限， 5 年) 年 ( 请填写保密年限， 1 0 年) 年 ( 请填写保密年限， 2 0 年) 注意:1 、 非公开论文电子版全文亦需要在网上提交. 呈交当年， 在校园网上提供论 文目 录检索、文摘浏览以及论文全文部分浏览服务 ( 论文前1 6 页).保密 期限过后，允许校园网上的读者浏览并下载全文。 2 、请在印刷本封面右上角注明具体密级和保密期限。 导师签字: 单位负责人签字: 单位盖章: 日期 :年 月日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收 集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷 本和电 子版，并采用影印 、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门 或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以 赢利为目 的的 前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学 术活动。 学位论文作者签名: 年月日 经指导教师同意，本学 位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长 1 0 年，可少于 1 0年) 机密*2 0 年 ( 最长 2 0 年，可少于 2 0年) 南开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， 是本人在导师指导下， 进行 研 究工作所取得的 成果。 除文中己 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 创作的、 已 公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。 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。 本学位论文原创性声明的 法律责任 由 本人承担。 学位论文作者签名: 年月日 第一章绪论 第一章绪论 第一节能源问题和环境问 题 目前，传统的石化能源与经济、环境的矛盾越来越突出。能源是经济与社 会发展的基本动力，但由于常规能源的有限性和分布不均匀性，造成世界上大 部分国 家的能 源供应不足，不能满足经济可持续发展的 需要。从长远来看， 全 球 已探明的石油储量只能用到 2 0 2 0年 ，天然气也只能延续到 2 0 4 0年左右，即 使储量丰富的煤炭资 源也只能 维持二、 三百年 i 。 而传统的石 化能源所带来的 环 境问 题也令人担忧， 不加限 制的消 耗大量的煤和 石油等燃 料，导致了温室效应、 酸雨，引起疾病、农业减产等问题。 从长远来看， 可再生能源将是未来人类的主要能 源来源，因此世界上多数 发达国家和部分发 展中国 家都 十分重视可再生能 源的 发展2 1 。 而纵观可再生能 源 种类，风能、生物能、太阳能中，太阳能的利用前景最好，潜力最大，它具有: ( 1 ) 充分的 清洁 性; ( 2 ) 绝对的安全性; ( 3 ) 相对的广泛性:( 4 ) 确实的 长寿 命和免维护性;( 5 ) 初步的 适用性;( 6 ) 资源的 充足性及 潜在的经济性等s 1 目 前太阳能的 利用形式主要有光热利用、 光伏发电利用、光化学转换 三种 形式。光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在 通用性、可存储性等方面具有其它两者无法替代的优势，并且 由于太阳能电池 的原料 硅的储 量十分丰富、太阳能电 池转换效率的不断 提高、生产成 本的 不断下降， 都促使 太阳能 光伏发电 在能源、环境和人 类社会 未来发展中占 据重 要地位 8 1 第 二节国际上光伏发电的技术现状 由于太阳能光 伏发电 技术的重要性， 在研究开发、产业 化制造技术及市 场 开拓方面成为世界 各国 特别是 发达国家激烈竞争的 主要热点。 8 0年代以 来， 光 伏技术一直保持着一个较高的发展速度:( 1 ) 通过改进工艺、扩大规模和开拓 市场等措施大幅度 地降低了 太阳能电池成本;( 2 ) 提高 太阳能电池的 转换效率: 澳大 利 亚 新 南 威 尔 士 大 学 单 晶 硅电 池实 验 室 实 现 的 转 换 效 率已 达到 2 4 . 7 % 41 ; 多晶硅太阳 能电 池新南威尔 士大学实验室转换效率已 达到 1 9 . 8 % 1 1 1 ，美国、德 第一章绪论 国 等达到1 8 % 以 上 1 0 1 在上个世纪 末， 许多 先进国 家在光伏发电 方面 走在了前面，如德国、日 本、 美国 、澳大利亚等， 他们不仅将光伏独立电 站和并网发电系统成功的引 入了 市 场，同时 各国 政府也 在政策 方面给予了 大力支持 1 q 。 美国政府最早制定 光伏发 电 的发展规划，能 源部和有关州政府制定了 光伏发电的 财政补贴政策，总光 伏 安 装 量己 达 到3 0 0 0 m w以 上 1 。日 本 于1 9 7 4 年 开 始 执 行“ 阳 光 计 划” ， 投资5 亿美元， 一跃成为世 界太阳电 池的生产大国， 1 9 9 4 年提出 朝日 七 年计划， 1 9 9 7 年又宣布 7 万光伏屋顶计划， 到 2 0 1 0 年将安装7 6 0 o mw太阳电池。 德国政府于 1 9 9 9 年开始实施 1 0 万太阳能屋顶( 每户约 3 k w 一 5 k w) 计划。瑞士、法国、意 大利、 西班牙、 芬兰等国 ，也纷纷制定光伏发 展计划，并投巨资 进行技术开发 和加速工业化进程。印 度、马来西亚等东南亚国 家， 也制定了国家的光伏发展 计划 1 2 1 第三节我国光伏发电的前景以及技术现状 我国 地域广大， 人口 众多， 正处于大力发 展经济时 期，能 源问 题突出 而紧 张:另一方面，有很多人口生活在无电地区，光伏发电的潜在市场巨大。同时 我国 具有丰富的太阳能资 源， 尤其是西部地区有很大的 潜力。在这些地区 发展 太阳能发电计划， 对于缓解当 地的能源贫乏情况， 提高当 地人民的生活水平有 着很重要的意义。 我国 研制太阳能电 池始于1 9 5 8 年， 太阳能 光伏发电 应 用始于7 0 年代( 1 9 7 1 年首次将太阳电 池应 用于我国 发射的东方红二号 卫星上) ， 我国的光伏工 业在8 0 年代以 前尚 处于雏形， 太阳电 池的年产量一直徘 徊在 i o k w 以下，价格也很昂 贵 6 1 。由 于受 到价格和 产量 额限 制， 市场的 发展很 缓慢， 跟国 外存在很大差距。 表现在:生产规模小，自 动化程度和技术水平低， 太阳能电池效率低。 专用材 料国 产化程度低、 质量不高， 组件成本高等7 1 。 原因 主要 有两方面: 一是我国 投 入研发资金少; 二是我国 缺乏必要的 鼓励政策和规 划。 近年来，在国 际光伏 市场大环境的 影响 下，国 家有关部门已经开始给予重 视， 对我国光伏发电 实行了有步骤的 规划，部 分省市也纷纷制定了 相应的光伏 发电计划并建立光伏电站。2 0 0 4 年 9月，广东首座总容量为 1 兆瓦的太阳能发 电系统在深圳通过验收。 2 0 0 4 年 9月， 我国首座屋顶太阳能发电站在北京竣工 第一章绪论 投产。 2 0 0 5 年初， 甘肃 敦煌 8 兆瓦并网光 伏发电 系 统建设预可行性报告 也 通过有关部门组 织的 专家评审 1 3 第四节未来光伏发电 市场走向 在今后的十 几年中，太阳电池的市场走向 将发生很大 的改变，到2 0 1 0 年以 前中国太阳电 池多 数是用于 独立光伏发电 系统， 从 2 0 1 1 年到 2 0 2 0 年，中国 光 伏发电的市场主流将会由 独立发电系统转向 并网发电 系统， 但是到目 前为 止， 我国光伏发电的 关键技术和设备仍然是以 进口 为主。 本课题正是基于这一 形势 提出来的6 第五节论文的主要工作 正如上面所述，将来中国光伏发电市场的主流将是并网发电，虽然目 前我 国有合肥阳光、北 京索英等 逆变器厂家， 但是主 要技术和 芯片还是以 进口 为主。 正是基于这一形势， 为了 适应将来我国 光伏市场发展的需 要，本论文在借 鉴己 有电 路的基础之上， 利用m a t l a b 仿真软件， 对 整个逆变系统 进行了仿真，并 提 出了 一种将穷 举法和二次插值法相结合使用的 最大功 率跟踪新算法，新算 法快 速、精确，而且简化了电路。 本论文利用先进的软件工具开发搭建了一个并网逆变器的试验平台，迅速 测试设计构想，综合评测系统性能，快速设计更好方案来确保更高技术要求。 对于并网逆变器中的相关电路和算法都可以在本论文所做的模型当中测试，这 对于推进发展我国的光伏并网发电事业会起到一个很好的支持作用。 第 三章 m a t l a b仿 真软 件 程计 算得到 输出信 号，实 现对仿 真结果的求 解。 在仿真的 过程中， s i m u l i n k 模 型的运行过 程可以分为 三个阶段: 初始化、 仿 真循 环和仿 真结束。 初始化阶段， s i m u l i n k 把 各个模块调入内 存， 检 查模块的数 据 类型和长 度， 设置仿真时间间 隔，制定仿 真模块的 执行顺序，以 及分配内存。 仿 真循环阶 段， s i m u l i n k 按照 初始 化阶段制定的顺序依次执行各 个模块， 计算离 散 状态、连续状态和输出 信号的 值。仿 真结束 阶段，仿真循环结束以 后， 进入 仿真结 束阶 段，此时清理各种已 经分 配的资 源，并保存仿真过程中 产生的数 据。 整个过 程流程图如图3 . 1 1 所示。 第三章ma t l a b仿真软件 计算下 一个抽样时刻 计 茸 抽 出 信号 一一 在 ” 时 间 步 9r 开 关 t 在tom 时 间 断 开时 ， r 中 电 流io 为 零， 电 压u . 也 就 变 为 零 ， 直流 变 换电 路的负 载上电 压、电流的 波形如图4 . 1 ( b ) 所示。 图4 . 1 基本的斩波器电路及其负载波形 可以定义上述电路中开关的占空比 d = t= t 式 中 ， 兀 为 开 关t 的 工 作 周 期， 孺为 开 关t 的 导 通时 间。 由波形图可得到输出电压平均值为 ( 4 . 1 ) 第四章d c - d c转换电路 u o 一 会 u ddt= t d 一 d u , ( 4 . 2 ) 若认为开关t 无损耗，则输出功率为 p 一 1 r u i d t 一 d u d x t , 司一r ( 4. 3 ) 式 ( 4 . 2 ) 中 ， 矶为 输 入 直 流电 压， 因 为d 是0 - 1 之间 变 化 的 系 数 ， 因 此 在d 变 化的 范 围 内 ， 输 出电 压u o 总 是 小 于 输 入 电 压 u d ， 改 变d 值 就 可以 改 变 输 出 电 压 平 均 值 的 大 小 。 而占 空比 的 改 变 可以 通 过 改 变 t. 或t , 来实 现。 通 常 直 流 变换 电路的工作方式有两种: ( 1 ) 脉 冲 频 率 调 制 ( p f m ) 工 作 方 式 。 即 维 持t- 不 变 ， 改 变兀 。 在 这 种 调 制方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化 的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。 ( 2 ) 脉 宽 调 制 ( p w m ) 工 作 方 式。 即 维 持兀 不变 ， 改 变瑞。 在这 种 调 制 方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得 滤波器的设计变得比较容易。 第二节d c - d c 转换电 路的 分类及其原理 d c - d c变换电 路分为非隔离式和隔 离式 两大类。 非隔 离式电 压变换电 路 最基本的 形式主要有两种:降压变换 ( b u c k 变 换) 和升压变换 ( b o o s t 型) ， 这 两种形式组合 起来工作又形 成了另外两种 基本 变换形式: 降 压一 升压变换( b u c k -b o o s t 型) 和升压一降压变换 ( b o o s t -b u c k 型， 俗称 c u k 变换) 。隔离式直流 变换电路有:反激式变换、正激式变换、推挽式变换、半桥式变换和全桥变换 电路。 4 . 2 . 1 非隔离式变换电路f2 2 . 2 3 . 2 5 1 4 . 2 . 1 . 1 降压变换电路 降 压变换电 路是一种输出电 压的平均 值低于输入直流电 压的 变换电 路， 又 称b u c k 型变换 器。 降压变换电路的基本形式如图 4 . 2 ( a )所示，图中开关t可以是各种全控 型电力器件， d为续流二极管， 其开关速度应与开关t同等级， 常用快恢复二极 第四章 d c - d c转换电路 管。 l , c分别为滤波电 感和电 容， 组 成低通滤波器， r 为负载。 为了 简化分析， 作 如 下 假 设: t , d是 无 损 耗 的 理 想 开 关 ， 输 入 直 流电 源妈是 理 想 电 压 源 ， 其 内阻为零，l, c的损耗可忽略，r为理想负载。 儿叱。孟 : 户对lr7 u, d 4 t. r u, w : 广溉 t r f 才 -14 1-t 1汤 砂 r 入j 声 1 衬、 行 l 君 洲尸 1 尹目、犷 卜 a u 尸 叽。0 图4 . 2 降压电路及其波形图 在 图4 . 2 ( a ) 所 示的 电 路 中 ， 触 发 脉 冲 在t = 。 时 ， 使 开 关 t 导 通 ， 在t- 导 通期间电 感l 中 有电流 流过， 且二 极管 d反向 偏置，导 致电 感两端呈现正电 压 u l = 矶- u o ， 在 该电 压 作 用 下 ， 电 感 中 的 电 流气 线 性 增 长 ， 其 等 效电 路 如 图4 . 2 ( b ) 所 示。 当 触发 脉 冲t = d t 时 刻 使 开 关 t 断 开 而 处 于份期 间 时 ， 由 于 电 感已 储 存了 能 量 ， d导 通， 红 经d 续 流 ， 此 时u l = - u o ， 电 感l 中 的电 流 红 线 性 衰 减， 其等效电路如图 4 . 2 ( c )所示，各电量的波形图如图 4 . 2 ( d )所以。 由波形图4 . 2 ( d )可以计算出电压的平均值为 u o 一 1 r u o (t)d t = 1 ( r u , d t+ r- o d t) 一 t!lu , = d u , (4 . 4 ) t s t 由 “兀 “ 上 式 中 矶为 输 入 直流 电 压 ， 因 为 d 是。 - 1 之 间 变 化 的 系 数， 因 此 在d 变 化 的 范 围 内 ， 输 出电 压u o 总 是 小 于 输 入 电 压 u , ， 改 变d 值 就 可以 改 变 输出 电 压 平均值的大小。 第四章d c - d c转换电路 若 忽略 所有元器件的 损耗， 则输出 功率 等于输入功率， 即 p o = p d 即u o l o = u d i d 因 此 ， 输 入 电 流i d 与负 载电 流t o 的 关 系 为 ( 4 . 5) u,_1_ 1 1 = 一t , = -t , . u o一 d - ( 4 . 6) 降 压变换电 路有两种可能的 运行情况:电 感电 流连续模式和电感电流断 流 模式 。 电 感 电 流 连 续 是 指图4 . 2 ( a ) 所 示的 电 路中 ， 电 感电 流 在 整 个 开 关 周 期 兀 中 都 存 在 如 图4 . 3 ( a ) 所 示 ; 电 感电 流 断 流 是 指 在 开 关 管t 断 开 的 份期 间 后 期内，输出电感的电流己降为零【 如图 4 . 3 ( c ) 所示 ，处于这两种工作情况的 临界点 成为电 感电 流临界连续状态。这时在开 关管阻断期结束时，电感电 流刚 好降 为 零 如 图4 . 3 ( b ) 所 示 l a 电 感中 的 电 流il 是 否 连续 取决 于 开 关 频 率 、 滤 波电 感l 和电 容c 的 数 值。 下面 讨 论电 感电 流 zl 连 续时 的 工 作 情 况。 人- 一城 图4 . 3 电感电流波形图 在t - 期间， 开关t 导通， 根据等效电 路图4 . 2 ( b ) ， 可得出电 感上的电 压为 第四章 dc - dc转换电路 _ di u , = l 一 d t 在 这 期 间 由 于 电 感l 和电 容 c 无 损 耗， 所以 几 从几 线 性增 长 至几 ， 上 式 可以 写 成 u d 一 u 0 = 导= 人 t o 。 _ = (a i l )l 屿 一 u 0 ( 4 . 7 ) 式中 ， a i l = i , - i , 为电 感 上电 流 的 变 化量 ， u 0 为 输出 电 压 的 平 均 值 。 在 份期 间 ，t 关断 ， d导 通 续 流 。 依 据 假设 条 件， 电 感 中 的 电 流il 从1 2 线 性下降到人 ， 则有 u 0 一 l 分 、 = l ailu o ( 4 . 8) 根 据 式 “ . 7 ) 和 ( 4 . 8 ) 可 求 出 开 关 周期 兀 为 : = 于 一 t- + tff - 人 l u d u 0 ( u d 一 u 0 ) ( 4 . 9 ) 由上式可以求出 u ( u, 一 u ) u, d( 1 一d) al , =一=“ _ j l u d必 ( 4 . 1 0 ) 式 中 ， 人 为 流 过电 感电 流 的 峰 一 峰 值 ， 最 大 为1 2 ， 最小 为人 。 电 感电 流 一周 期 内 的 平 均 值 与 负 载 电 流1 0 相 等 ， 即 1 0 =1 2 + i , 2 ( 4 . 1 1 ) 将 式( 4 . 1 0 ) , ( 4 . 1 1 ) 同 时 代 入 式 人= 几 一 人 ， 可 得 ; = 1 - uud t d ( 1 一 d ) “2 l ( 4 . 1 2 ) 当 电 感 电 流 处 于 临 界 连 续 状 态 时 ， 应 有人 = 0 ， 将 此 关 系 式 代 入 式 ( 4 . 1 2 ) 中 可 求 出 维 持电 流 临 界 连 续 的 电 感 值l o 为 第四章d c - d c转换电路 l = 竺 二d ( 1 一 d ) ( 4 . 1 3 ) 2 瓜 电感电流临界连续时的负载电流平均值为 uj t- 一 几，=二 二 二 孟 d( 1 一刀、( 4 . 1 4 ) 2 4 很 明 显 ， 临 界负 载电 流l a , 与 输 入 电 压u , 、 电 感l 、 开 关 频 率f 以 及 开 关 管 t 的 占 空比 d 有 关。 开 关 频 率f 越 高、 电 感 l 越 大、 瓜 越 小 ， 越 容 易 实 现 电 感 电流连续工作情况。 当 实 际 负 载电 流1 0 ) 1 0 . 时 ， 电 感 电 流 连 续 ， 如图4 . 3 ( a ) 所 示。 当 实 际 负 载电 流i o = i o x 时 ，电 感电 流 处 于临 界 连 续 ( 有 断 流 临 界 点 ) ， 如 图 4 . 3 ( b )所示。 当 实 际 负 载电 流i 0 u o x 时 ，电 感 电 流 断 流 ， 如 图4 . 3 ( c ) 所 示。 在 降 压 变 换电 路 中 ， 如 果 滤 波 电 容c 的 容 量 足够 大 ， 则 输 出 电 压 u o 为 常 数 ， 然 而 在 电 容 c 为 有限 值的 情 况 下， 直 流 输出 电 压 将会 有 纹 波 成 分。 假 定il 中 所 有 纹 波 分 量 都 流 过电 容 ， 则 其 平均 分 量 流 过 负 载 电 阻 。 在图4 . 2 ( d ) il 波 形 中 ， 当u i l 时 ， c 对 负 载 放电 ， 在oi l 时 ， c 被 充 电 。 因 为 流 过 电 容 的 电 流 在 一 周 期 内 的 平 均 值 为 零 ， 那 么 在 t , 时 间 内 电 容 充 电 或 者 放 电 的 电 荷 量 可 用 波 形 图 中 - 一2- 阴影面积来表示，即 _1, dt t一dt, d 2 = d 2 , p 2 =p 2;d 3 = d x, p 3 = p x。 如图5 . 1 4 ( b ) 所 示: 当d x _ d 2 , p x? p 2 时， 最大功率 点应在d 2 和d 3 之 间， 下次插值区 间为 d 2 , d 3 ， 初始点为: d 1 = d 2 , p l = p 2 ; d 2 = d x, p 2 = p x; d 3 = d 3 , p 3 =p 3 。 使 用二次 插值法实 现最大 功率跟踪， 必须 注意: ( 1 ) p 2 必须大于p 1 和p 3 , 否则就不满足插值的 初 始条件 ，其中的 插值占 空比d x应满足 公式: d x = 1 ( d 2 ， 一 d 3 z) p l + ( d 3 ， 一 d l ) p 2 + (d i， 一 d 2 2 )p 3 2 ( d 2 一 d 3 ) p l + ( d 3 一 d l ) p 2 + ( i ) 1 一 m i n a ( 5 . 8) 令c l = p3 一p1 d3一d1 p 2 - p l - c 1 c 2 = 卫2 - d l 一 一 d2一d3 代入式 ( 5 . 8 ) ，化简可得: _ _ _ 1 _ _ _ _ c1 . da =一( ul + ds 一， ， ，) 2 、c 2- ( 5 . 9) ( 2 )确定一个极小 值 ，当p x和p 2 差的绝对 值小于9 时， 停止插值， 此时即 可确定系统的最大功率 点。 对于结合使用穷 举法和二 次插值法寻找太阳电 池最大功率点， 流程图如图 第五章 最大功率跟踪 ( nv p t ) 5 . 巧 所示: 图5 . 1 5 穷举和二次插值结合使用寻 优 如图5 . 巧所示， 程序开 始， 先进行判断是 使用穷举还是二次 插值: 如果采 样取到的功率和存储功率相差比 较大，则说明工作点离最大功率点比较远， 这 时先采用穷举法确定插值区间， 然后再使用二次插值寻优; 如果相差不大， 则 直接使用二次插值进行最大功率点的 跟踪，当p x和p 2 差的 绝对值小于设定的 e时，停止插值，此时即可确定太阳电池的最大功率点。 由 于运算量比 较小， 穷举法具 有快速和精度 差等特点， 对 于二次插值算法， 可以 做到精度很高的 跟踪，本论 文中 使用两者结合的方法，具有最大功率跟踪 的快速性和精确性等优点，而 且在该算法中，不必考虑登山 法和电导法中使用 的乙v 所以在一定程度上简化了电路。 第 六章 d c - a c转 换电 路 第六章d c - a c 转换电路 本章主要介绍了 逆变器的技术指标和逆变电 路的分类及其实现的理论基 础，在文中对 几种常用的 逆变电 路做了介绍， 还介绍了s p w m控制技术，并利 用m a t l a b 仿 真软 件搭建了 模型， 采用滞环比 较控制方 式对全桥逆变电 路进行了 仿真，并对仿真结果进行了分析。 第一节逆变电路的分类 逆变电 路可做多种分类， 按功率器件， 可分为半控器 件逆变电路和全控器 件逆变电 路。 前者采用晶 闸管 器件，负载换流或者外接电 路强制换流， 用于低 频率大功率场合， 正逐渐被 诸如g t o , i g b t 等自 关断器件替 代。 按输出 波形要 求，可分为方波输出 逆变器、正弦波输出 逆变器、 其它输出波形逆变器。按直 流电 源形式，可 分为电 压源逆 变器和电 流源逆变器，前者采用电 容元件为直流 源进行电场储能，电源电 压脉动以 及电 源阻 抗小， 特性类似电 压源，而 后者采 用电感元件为直流源提供磁场储能，电源电流脉动小，电源阻抗大，特性类似 电流源，两类逆变电路特性相差较大，但在电路原理上可完全对偶分析。按负 载以 及 能 量 传 递 情 况， 可 分 为 无 源 ( p as s iv e ) 逆 变以 及 有 源 ( a c t iv e ) 逆 变， 无 源逆变器所接无源负载，消 耗电能 而不能够稳定向 外提供 能量，有源逆变器所 接有源负载， 既可以 从逆 变器吸取能 量，也可以 稳定提供能 量，有源逆变的 典 型 负 载 是 电 网( p o w e r g rid ) 。 按电 路 结 构， 可 分 为 桥 式 逆 变电 路、 非 桥 式 逆变 电 路、组合式逆 变电 路、多电 平逆 变器等:按输出 相数， 主要 可分为单相逆 变器、 三相逆变器、 多相逆变器;按 开关器 件工作状态，可分为 硬开关和软开关逆 变 器。 第二节 逆变器的 技术指标及应用领域33 6 . 2 . 1 逆变器的技术指标 通常用额定容量、 变换效 率、 功率密 度 ( 功率/ 体 积、 功率/ 重量) 、 输入电 压范围、输入电流纹波峰峰 值、输出电压 静态精度、 输出电 压频率精度、输出 第六章 d c - a c 转换电 路 电压直流分量、负载功率因 数、 输出电 压波形质量、过载能 力、 短路能 力、 平 均无故障间隔时间 ( mt b f ) 、电磁千扰 ( e m i )和电磁兼容性 ( e mc )等技术 指标来衡量一台逆变器的性能。 对于有源逆变器来说，实际 有源逆变器的输出 波形总是 含有谐波， 而偏离 理想正弦波形， 为了 评价 逆变器输出 波形的 质量， 可引 入下 述几个参数: 1 、谐波因素h f ( h a r m o n i c f a c t o r ) 第n 次 谐 波因 素 h f定 义 为 第” 次 谐 波 分 量 有 效 值 与 基 波 分 量 有 效 值 之比 ， h e _ 一 压 u , ( 6. 1 ) 2 、总的谐波畸变度t h d ( t o t a l h a r mo n i c d i s t o rt i o n f a c t o r ) 总的谐波畸变度t h d定义为各次谐波分量有效值平方之和的开方与基波分 量有效 值的比 值，即 thd_ 1 食 砰 2t h d = - ( u _z ) u : 一，不.” ( 6.2) 式 ( 6 .2 ) 中 ， 认、 认分 别 为 基波 分 量 有 效 值 和 第 n 次 谐 波 分 量的 有 效 值 。 t h d表征了 一个实际 波形同 其基波分量接 近的 程度。 理 想正弦波的t h d为 零。 3 、畸变因数d f ( d i s t o rt i o n f a c t o r ) 总的谐波畸变因数t h d虽然指明了总的谐波含量，但并未告知每一个谐波 分量的 影响程度。为了 表征每一谐波分量引起波形畸变的 程度，引 入畸变 因数，并定义为 d f = 上 s u , 一 。 -i 5( u ) 2 n ( 6.3) 对于第n 次谐波的 畸变因 数d f可定义为 df= u n u , n 2 ( 6.4) 4 、 最低次谐波l o h ( l o w e s t - o r d e r h a r m o n i c ) 最低次谐波l o h定义为与基波频率最接近的谐波。 第六章 d c - a c转换电 路 6 . 2 . 2 逆变器的应用领域 d c - a c逆变器具有广泛的 应用前景，可应用到如下领域:( 1 )以 直流发电 机、 蓄电池、 太阳能电 池和燃料电池为直流电源的 场合， 如航空静止变流器( 2 7 v 或d c 2 7 0 v / a c 1 1 5 v 4 0 0 h z ) 、通信静止变流器 ( d c 4 8 v / a c 2 2 0 v mh z ) . ( 2 ) 以变频或恒频交流电为主交流电 源且采用交一 直一 交变换方案的场合， 如飞机变 速恒频电 源 ( 变频交流电 / a c 1 1 5 v 4 0 0 h z ) 、 新型风力发电电源 ( 变频交流电 / a c 2 2 0 v 5 0 h z )和变频电源 ( a c 2 2 0 v 5 0 h z / a c 1 1 5 v 4 0 0 h z或 a c 1 1 5 v 4 0 0 h z / a c 2 2 0 v 5 0 h z ) ; ( 3 ) 不间断电源 ( u p s ) 中的核心环节逆变器;( 4 ) 作为校表台产品的电 压、 电流标准源 电压功率放大器、 电流功率放大器; ( 5 ) 交流电机调速系统中的核心环节 逆变器。 第三节 d c - a c 逆变的理论基础 6 . 3 . 1 逆变电路的工作原理 逆变即从直流电源获得交流输出，我们可以 用图6 . 1 来说明其实现过程: 寸 ? b 吮 r 6 32 4 4 图6 . 1 一个简单逆变电 路 如图6 . 1 所示，其中 有两对开关管1 , 4 和2 , 3 ，当开关管 1 , 4导通时，输出 k一尺 电流 v 二 下 - tdr= ， 输出电 压v = k;当开关管 2 , 3导通时，输出电流 = 竺 k _ 一 ; 一兰 k ， 输出电 压v = - v。 其工作波形 如图6 .2 所示: 第六章d c - a c转换电路 开关连接端 输出电 压 甲 翰出电 流 v , / r 0 - v/ r于二匕步t 物入电 流 t v , / r 0 t = 0 一一 t 图6 . 2 简单逆变电 路工作示意图 在实际电 路中， 我们是用开关器件 ( 本课题是使用i g b t 开关器件) 代替上 面简单逆变电 路中的开关的。 图6 . 3 是使用i g b t 开关器件的简单全桥逆变电路， 其输出与图6 . 1 电路相同。 c m -k 0i n k ) v 闷 口 岁岁 、 一 r 图6 .3 简单全桥逆变电 路 开关器件数目的增多，必然使电路耗能加大。有一种更简单的电路，开关 器件数目 少，如图6 . 4 所示，我们称之为半桥逆变电路。 第六章d c - a c转换电路 图6 . 4 半桥逆变电 路 图6 . 4 所 示 电 路 中 ， k = 代 。 ， 则 它 是由 一 个 带 有 中 点 的 直 流电 源 和 两 个 开 关器件组成的， 其工作波形与图6 . 2 相同。 但是此处输入直流电压为图6 . 1 的 输入直流电 压的两倍。 全桥逆变电路使用的开关器件数目是半桥逆变电路的两倍，相应的器件耗 能也多，但是在输入电压相同的情况下，其输出电压和电流幅值也是半桥逆变 电路的两倍。如果半