单相光伏并网发电控制研究.doc

摘 要在能源日益枯竭，环境污染越发严重的今天，太阳能逐渐作为一种可替代能源而受到人们越来越多的关注和重视。太阳能发电作为一种新的电能生产方式，以其无污染、零噪音、维护简单等显著特点显示出无比广阔的发展空间和应用前景。光伏并网发电作为太阳能发电的主要形式之一，也越来越受到大家的青睐。本文以单相并网系统为研究对象，对光伏并网系统作了全面的理论分析，从并网系统的拓扑结构、数学建模、控制策略、参数选择等方面进行了详细的分析和研究。根据光伏并网发电系统的不同主电路拓扑结构及其优缺点而选用了一种两级电路拓扑，然后针对单相光伏发电逆变输出级建立控制模型，采用电流反馈型并网控制方案，并用MATLAB进行了仿真，对仿真结果进行分析，最终实现了直流输入有较宽适应范围，逆变器输出正弦波电流具有高效率、高可靠性、较小的电磁干扰，且与电网电压同频同相，进而验证该方案是有效可行的。关键词：单相光伏并网，电流反馈型并网，逆变器AbstractNowdays,on account of the problems of environmental pollution and exhaustion of energy resources becoming worse and worse ,exploring and using of solar energy become more and more important . Solar power as a new energy production methods, with its non-pollution, zero noise, simple maintenance and other notable characteristics shows extremely broad space for development and application prospects. grid-connected PV is one of the main forms of solar power and is attracting more and more attention.This paper focuses on single-Phase grid-connected system.The topology, mathematical modeling, control strategy and parameter selection and of grid-connected photovoltaic system are analyzed and studied in detail. Choose a two-stage circuit topology according to different main circuit topology and their advantages and disadvantages of grid-connected PV systems，the manipulative model of the single-phase PV grid-connected systems inverted output is up built and a kind of PV grid-connected current feedback control strategy is adopted, which is emulated and simulated with MATLAB, analyzed the simulation results , Finally get a wide adapt range of the DC input, inverter output sinusoidal current with high efficiency, high reliability, small electromagnetic interference, and the same frequency and phase with the grid voltage, and then verify that the program is effective and feasible.Keywords: single-Phase grid-connected，current feedback，inverter1 绪 论1.1课题的研究背景及意义随着全球工业化进程的逐步加快，人类对能源的需求逐年增加，而石油、煤炭及天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机。与此同时，由于石油、煤等化石燃料的不完全燃烧，每年有数十万吨含硫有害物质排向天空，使大气环境污染严重。面对全球范围内的能源危机和环境压力，人们渴望用可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。而太阳能作为一种巨量的可再生能源，以其自身清洁、安全的特点，成为具有高度污染性化石能源的主要替代能源。太阳能主要直接应用于光热转换、光电转换和光化学转换几种形式，其中光电转换(即光伏技术)是采用太阳电池将光能转换为电能的发电方式，随着技术的不断进步，光伏发电有可能成为最具有发展前景的发电技术之一（光伏并网发电系统的实现易）。 与化石能源、风能、核能和生物质能发电技术相比较，光伏发电具有一系列显著的优势，主要可归纳如下：（1） 发电原理具有先进性：即直接从光子到电子转换，无任何中间过程（如机械能-电磁能转换、热能-机械能转换等）和机械运动，发电形式也极其简洁。从能量转换路线来看，太阳能发电的能量转换路线，是直接将太阳辐射能转换为电能，是所有可再生能源中对太阳能的转换环节最少、利用最直接的方式。所以，从理论上分析将得到极高的发电效率，最高可达80%以上。（2） 资源分布普遍性：太阳能具有取之不尽用之不竭这一特点，基本上不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势，只是地区之间有丰富差别。（3） 环保性：利用干净清洁、可再生的自然能源，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，在发电过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，无噪音，不产生对人体有害物质，不会对环境造成污染与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。（4） 通用性：电能可以方便地通过输电线路传输和并网，无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电。（5） 功率补偿问题：由于市电网末端的用户功率因数较低，可以用光伏发电来补偿有功功率和无功功率，以此来提高功率因数。（6） 使用性能和寿命问题：经过数十年实践证明，晶体硅光伏电池可使用20年以上，而且整个系统无转动装置，系统稳定性好，可靠性高，使用极为方便。全球能源专家一致认定:太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。世界观察研究所1998年报告指出:太阳能市场增长要比石油工业快十倍，己经超过风能成为世界发展最快的能源领域。（单相光伏系统的研究）1.2 光伏并网发电国内外研究现状与发展趋势光伏并网发电系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。太阳能光伏发电技术始于20世纪50年代，1954年美国贝尔实验室首次发明了以pn结为基本结构的具有实用价值的晶体硅太阳电池，从此太阳电池首先在太空技术中得到了广泛应用。受20世纪70年代的石油危机和90年代的华宁污染问题的影响，人们对能源和环境问题的认识不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。1.2.1国外光伏并网发电研究现状与发展趋势在各国政府的大力支持下，全球的太阳能光伏产业得到了迅速的发展，在世界各国，尤其是美国、日本、德国等发达国家先后发起了大规模的光伏发电计划和太阳能屋顶计划，在它们的刺激和推动下，光伏产业近年来始终以年均30%的速度增长，许多大型企业和研究机构成功地推出了多种不一样的的高性能逆变器，并网光伏发电已经成为光伏发电领域研究和发展的最新关注点。据有关统计数据表明，近5年太阳能光伏组件的年增长率持续上升。2009年德国光伏组件安装容量高达3200MW，占全球总安装量的50.4%。到了2010年日本累计装机容量达到5GW，欧盟3GW，美国4.7GW，澳大利亚0.75GW，印度和中国等发展中国家为1.5-2GW，世界光伏系统累计装机容量达到14-16GW。除德国、捷克、法国等欧洲地区国家之外，美国及日本、中国、印度等新兴市场的需求增加，也带动了全球市场规模的扩大。未来10年，在各国新能源政策的大力支持下，光伏发电市场将通过降低成本、提高转化效率等手段迅速扩张。据预测：到21世纪中叶，可再生能源将占到一次能源总额的50%以上，而太阳能在一次能源中的比例将为13%-15%。1.2.2我国光伏并网发电研究现状与发展趋势我国常规能源中以石油资源严重短缺，这已成为制约我国经济快速发展的一个关键因素。但是我国的太阳能资源十分丰富，理论储量达每年17000亿t标准煤。太阳能资源具有非常大的开发利用潜力。我国光伏发电产业于20世纪70年代起步，经过四十年的不断努力，我国光伏技术有了迅猛的发展。截止2005年，我国已建成10多个大型的光伏电池专业生产厂，光伏电池组件的年生产力超过了200MW，光伏组件总产量超过400MW。截止2007年，我国的太阳电池产量已经远超欧洲和日本，目前位居世界第一。2008年全球太阳电池的产量约7GW，同年我国的太阳电池产量约为2.6GW，所占份额超过了30%。我国在光伏发电平衡设备方面也取得了巨大的进步，“八五”、“九五”、“十五”期间开发出了独立光伏发电系统用的10-100kW的正弦波DC/AC逆变器，逆变效率超过了90%。我国的光伏产业虽然在近些年来取得了一定程度的发展，但相比于蓬勃发展的世界光伏工业，中国光伏工业还只是处于初级阶段，光伏产量和安装容量仅为世界1%左右。由于政策、资金等制约因素，我国的太阳能光伏技术总体上仍处于起步阶段，规模较小、技术相对落后、应用面不广、产品比较单一，一些关键的技术和材料仍不能实现国产化（合肥工业大学）。到目前为止，我国光伏并网发电的核心技术及设备仍主要来自国外，但面对如此巨大的国内需求，努力发展具有自我知识产权的相关技术、实现其产业化已是迫在眉睫的事。在我国政府对新能源产业发展的鼎力扶持下，到2020年，我国光伏产业规模将超过20GW，太阳能光伏发电的电价将与燃煤发电持平。（书）1.3 论文研究的主要内容和任务本文主要研究单相光伏并网发电系统，其主要内容和要求如下：掌握单相光伏并网发电系统的基本原理；设计系统DC-DC和DC-AC两级能量变换的结构；实现DC-DC环节稳压控制器设计；实现DC-AC逆变环节控制输出电流与电网电压同频同相，同时获得单位功率因数的控制设计；在MATlAB/Simulink环境下实现整个系统的设计，并完成仿真调试，在调试过程中注意电路参数对整个系统输出性能的影响；2 光伏并网发电系统的工作原理及方案2.1光伏并网发电系统拓扑 光伏并网发电系统一般是由太阳能电池、升降压变换器、并网逆变器和控制器等几部分组合而成。其工作原理是：太阳能电池输出的直流电压经过高频直流转换后变换成稳定的直流电压，再经过逆变器逆变并向电网输送正弦交流电流，该正弦交流电流与电网电压同频同相。光伏并网系统从主电路结构来看，可将其分为单级光伏并网发电系统和双级光伏并网发电系统，如图2.1（a）、（b）所示。电网Lc-+负载DC/AC电网LC-+DC/DC DC/AC 负载（a）单级式光伏并网系统结构图 （b）双级式光伏并网系统结构图图2.1单级式和双级式光伏并网系统结构由图2.1（a）可以看出单级式光伏并网系统仅由一个DC/AC环节构成，光伏阵列输出后直接逆变并网，中间省去了DC/DC环节，虽然简化了系统的结 构，但功能都在第一级实现，控制起来比较麻烦。图2.1（b）双级式变换系统在第一级有DC/DC变换环节，该结构将光伏输出经过DC/DC变换得到所需要的直流电压等级，并在外界环境发生变化时，通过连续调整DC/DC变换开关管的占空比，实现光伏电池与变换器之间的负载动态匹配，获得太阳能电池的最大输出功率。并且DC/DC变换环节和DC/AC逆变环节具有独立的控制目标和手段，两部分可以分开设计。并网逆变器的主电路结构按照输出的绝缘形式可分为工频变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式与无变压器绝缘方式。如图2.2（a）、（b）、（c）所示。工频变压器绝缘方式采用PWM逆变器产生工频交流，再利用工频变压器进行绝缘和电压变换。因为采用工频，所以变压器比较笨重。高频变压器绝缘方式虽体积小而且重量轻，但是线路及控制方式相对复杂。无变压器方式小巧，重量相对较轻，成本较低，可靠性高，唯一的不足是与电网没有绝缘。（摘自姜子晴|）（图摘自吴讯）光伏电池DC/AC工频变压器电网 （a） 工频变压器隔离方式光伏电池DC/AC高频变压器AC/DCDC/AC电网 光伏电池DC/DCDC/AC电网（b） 高频变压器隔离方式（c） 无变压器隔离方式图2.2并网光伏发电系统主电路结构鉴于以上比较，本文采用了双级式无变压器电路结构实现设计要求。2.2光伏逆变控制技术 光伏并网发电系统中最核心的部分是光伏并网逆变器，并网逆变器可以分为电压型光伏并网逆变器和电流型光伏并网逆变器两类。如图2.3（a）、（b）所示，电压型光伏并网逆变器是在直流侧采用了大电容进行直流储能，使直流侧呈低阻抗的电压源特性。电流型光伏并网逆变器是在直流侧通过大电感进行储能，使直流侧呈现出高阻抗的电流源特性。（图单相光伏并网发电系统的研究） L+ DC AC _+ DC AC （a）电压型逆变器 （b）电流型逆变器图2.3按输入直流电源性质分类的并网逆变器结构图按控制方式可将并网逆变器分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四类。由于输入为电流源的电流型逆变器需在直流侧串联大电感，来稳定直流侧电流的输入，但由于电感线圈的体积较大，动态响应较差，这样就会让系统的响应速度变慢，因此光伏并网逆变器输入电源通常采用电压源。在光伏并网发电系统中，电网可视为容量无穷大的交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，实际上这个系统就是由两个电压源并联运行，在这种情况下要保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术来实现与电网电压同步，在此基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小和相移来控制系统的有功输出与无功输出。但是由于锁相回路的响应相对较慢、逆变器输出电压值不易精确控制、将会出现环流等问题。如果不采取特殊措施，一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式将很难获得优异性能。如果逆变器输出采用电流控制，则仅需控制逆变器的输出电流来跟踪电网电压，就可实现并网运行的目标。由于该控制方法相对简单，所以使用较为广泛。根据上述比较，本文光伏并网逆变器采用电压源输入、电流源输出的控制方式，即电压型逆变器。采用电压型逆变主电路，同时可以实现无功补偿的控制和有源滤波，在实际中己经得到了广泛的研究和应用，可以有效地进行光伏发电、提高供电质量和减少功率损耗，而且可以节省相应设备的投资。电压源电流的控制方式是将期望输出的电流值作为指令信号，把实际的电流值作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路中功率器件的导通与关断，从而使实际输出电流跟踪指令电流。由于逆变器的输出采用的是电流控制，所以在太阳能光伏并网逆变系统中，需要对逆变器的输出电流进行控制，使输出电流稳定、高质量然后并入电网。常用的输出电流的控制方式主要有PI控制、重复控制和无差拍控制、SPWM控制方式等方法。（1）PI控制方式PI控制是早起应用比较广泛的一种电流控制方式，该方法简单易于实现，但是动态响应速度较慢。它是一种线性控制方式，对于负载存在非线性干扰的场合，该控制效果不是很理想。所以，PI控制在系统要求不是很高的场合比较有使用价值。（2）重复控制方式由于有时逆变器的输出信号波形会有一定的畸变，并且这些畸变的波形是周期性重复出现的，重复控制是基于这种畸变波形而提出的一种控制方法。它主要用来改善波形质量，防止畸变。重复控制的基本思想是：将作用于系统外部的扰动信号以数学模型的形式植入控制器，构成一个反馈控制的过程。重复控制可以有效抑制周期重复性的扰动，但是动态响应差，对突如其来的干扰控制不是很理想。（3）无差拍控制方式无差拍控制是属于一种数字控制范畴的方法。其主要工作原理是：通过上一周期的系统内参考输出电压与电流以及实际输出信号值来推算出下一周期逆变器的开关信号的脉宽。无差拍控制能够保证对输出电流瞬时值的精确控制，稳态性能比较好，响应速度快，也能大大提高系统的动态响应，但是该控制方法对主电路参数的变化比较敏感，所以鲁棒性较差。（4）SPWM控制方式这种方式是把参考电流与系统实际输出电流进行比较后，将其电流误差经过控制器后与三角波信号进行比较，以输出SPWM控制信号，控制器多用到比例或者比例积分调节。SPWM控制方式控制结构简单易于实现，系统的稳定性也比较好，应用十分广泛。根据上述介绍的几种常用的输出电流的控制方式，其中PI控制方式对于含有非线性扰动信号的控制效果不够理想；重复控制方式对于突如其来的干扰不能很好的控制；无差拍控制方式要求系统具有很高的实时性，因此在实际应用中比较少用；但是SPWM控制方式能有效的避免上述弊端，控制结构简单易于实现，系统具有较强的稳定性，所以本文采用SPWM控制方式。（郭鹏）2.3光伏并网系统的总体结构双级式无变压器电路是并网系统采用较多的主回路拓扑结构，本文所采用的电路结构如图2.4所示，前级DC/DC变换器采用了Boost电路，后级DC/AC部分采用单相全桥逆变电路。（以下放电路拓扑图）+-2.4系统主电路拓扑结构前级DC/DC变换器采用的是结构简单，控制方便的Boost升压电路，它根据电网电压的大小使在不同天气条件下的输入电压达到一个合适的水平，同时在低压情况下实现最大功率点的跟踪，增大光伏系统的经济性能。并且升压斩波电路(Boost电路)相对其他DC/DC变换电路的效率更高，电路也比较简单，而且具有体积小和重量轻的特点，另外可以使光伏阵列宽范围调节，因此选择升压斩波（Boost电路）作为光伏发电装置前级电路。在后级电路中采用的是单相全桥逆变电路，该结构简单易于控制。 2.4系统工作原理2.4.1前级Boost电路的工作原理由上述可知本文前级DC/DC变换采用的是Boost升压电路，其原理图及工作波形图如下图2.5所示。+-+图2.5Boost电路及其工作波形图由Boost电路工作原理可得以下式子： （2.1） 化简得： （2.2） 式中，由于，输出端电压比输入端电压相当或者更高，升压斩波电路由此而命名。 设为导通占空比，即，为升压比，调节升压比就能调节的大小，调节方法是通过改变导通比来实现。把升压比的导数用来表示，即，则和导通占空比的关系可以表示成： （2.3） 所以，式（2.3）可以表示为： （2.4） 由于在Boost电路中电感电流可分为连续和不连续两种工作状态模式，在电感电流处于不连续工作状态时，就会导致电源端输出能量有一部分浪费，而且电流纹波也相对较大。所以，为了避免太阳能光伏电池输出的能量浪费，在本系统中把Boost电路设计为连续工作状态的模式，即为连续导通。 2.4.2后级单相全桥逆变器的工作原理本文后级DC/ AC逆变电路采用的是单相全桥逆变电路，逆变器的拓扑结构如下图2.6所示。其中是由Boost电路输出的直流电压，-为四个开关管功率器件，为逆变器的输出电压，为逆变器的输出电流，为电网电压。逆变桥是由-开关管功率器件组成的，每个开关管功率器件分别接有反并联的二极管。对四个开关管功率器件进行适当的控制，就能够调节逆变输出的电流，使其为正弦波形，并且能够保持与电网电压同频同相。正弦波电流再经过由电感和电容组成的滤波器进行滤波后并入电网。+-图2.6单相全桥逆变电路拓扑结构 单相全桥逆变的主电路工作状态根据四个开关管功率器件的开关动作先后顺序，逆变器的工作模式有4种情况。下面分别对这4种工作模式进行分析。(a)当功率器件、导通时，光伏阵列输出的直流电压加在逆变器两端，经过逆变后馈入电网，此时并网电流正半周增大，输出端电感储能增加。(b)当功率器件 、导通时，光伏阵列输出能量在直流侧对电容充电，逆变器输出侧由于储能电感的存在，并网电流仅有电感提供，此供电回路由电感、和的反并联二极管组成回路，并网电流慢慢减小，电感储能也减小。(c)当功率器件 、导通时，光伏阵列输出的直流电压反向加在逆变器两端，此时负半周电流逐渐增大。 (d)当功率器件 、导通时，光伏阵列输出能量在直流侧对电容充电，逆变器输出侧由于储能电感的存在，并网电流仅由电感提供，此供电回路由电感、和的反并联二极管组成回路，电感储能会随着负半周并网电流的减小而减小。根据上述分析可得:(a)和(c)工作模式逆变器输出交流电压分别为正、负值;(b)和(d)工作模式逆变器输出交流电压为零。其实逆变装置就是一个变换器，通过恰当的控制能够实现能量的双向流动。但本文要求太阳能光伏阵列输出的能量能够向电网输送，所以必须保证并网系统中直流侧的电压经过逆变后必须高于交流侧电网电压，才能实现能量按要求输送。3光伏最大功率跟踪问题的研究在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关，使用环境如温度、负载和辐照度等外部原因对其也有一定影响，在不同的环境因素下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点（Maximum Power Point MPPT）上，所以，对于光伏发电系统来讲，应当寻求光伏电池的最佳工作状态，来最大限度地将光能转化为电能。通过控制方法达到将光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）技术。3.1光伏电池的基本原理及输出特性 3.1.1光伏电池基本原理 光伏电池是一种将光能直接转换成电能的能量转换器，它的工作原理是用半导体P-N结接收太阳光照产生光生伏特效应。每片光伏电池自身的输出电压仅有0.5V上下。光伏电池的输出电流与温度高低、太阳光照强度、光伏电池的并联形式和光伏电池面积有关。光伏电池为了在太阳能的作用下输出足够大的电功率，需要把众多小型光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，从而构成光伏阵列使用（太阳能光伏发电）。光伏电池工作原理如图3.1（a）（b）所示。太阳能电池是由若干个PN结构成的，在晶体中P型硅和N型硅对电路是呈电中性的。当电池板上的PN结被太阳光照射到时，有一部分光线会被反射，而剩下的光则会被PN结吸收掉，被吸收的能量除了转换成热能外，其余部分以光子的形式存在，P型硅和N型硅在具有足够能量的光子作用下能够将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。在PN结区附近，由于电子和空穴之间的相互扩散作用，将在结区形成一个建电场，该方向由N区指向P区。由于内建电场的原因，电子将流向N区，空穴将流向P区，最后N区会有多余的电子，P区会有多余的空穴，只有少数载流子运动到PN结区，这些少数载流子会受到PN结对的牵引作用，进而漂移到对方的区域，因此而对外形成的光生电场将与PN结内电场方向相反。光生电场抵消部分内建电场外，由于P区还是带正电，N区带负电，故而在P、N区之间将会产生光生电动势，如果电路形成通路，电路中就会有电流通过，从而输出电能。用一定的方式将太阳能电池元件组合在一起，可以形成一个大的太阳能光伏电池组件，从而在足够光强的太阳能作用下产生一定的电压和电流，以此实现光电转换（郭鹏）。（a）电池平衡时 （b）光照时图3.1光伏电池工作原理图3.1.2光伏电池输出特性由光伏电池的特性可知，光伏电池的输出特性会受多方面因素的制约，如光照、温度、负载状态等都会使它的输出特性发生变化，这样一来就会呈现出非线性的特征。在任意环境温度和光照强度下，单体光伏电池都存在一个特定的最大功率输出点。此外，即使在光照强度和环境温度相对稳定的条件下，光伏器件的输出功率也会随着外接负载的变化进行变化。理论上讲，只要将光伏电池与负载完全匹配、直接耦合，负载的伏安特性曲线与最大功率点轨迹曲线就可以重合或渐进重合，从而达到光伏电池处于高效输出状态的目的。但在实际应用中，很难实现负载与光伏电池的直接耦合。因此，如果要提高光伏发电系统的整体效率，一个关键的方法就是实时变更系统负载特性，也就是调整光伏电池的工作点，使之能在不同的温度和日照下始终让光伏电池工作保持在最大功率点附近，这一跟踪过程被称为最大功率点跟踪（光伏电池模型及最大功率点跟踪原理）。下面以温度不变，不同的光照强度的环境下介绍最大功率点跟踪的基本原理。图3.1给出了光伏电池在不同光照强度下的两组特性曲线。特性曲线1特性曲线2图3.1MPPT基本原理示意图假定图中特性曲线1和特性曲线2为两种不同太阳辐射度下光伏阵列的输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点;假设在某一时刻，系统运行于A点。一旦太阳辐照度发生变化，即光伏阵列的输出特性曲线1上升为特性曲线2。若保持负载1不变，系统将在A点运行，这样一来就偏离了相应太阳辐射照度下的最大功率点。为了继续追踪最大功率点，应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2，从而保证系统运行在新的最大功率点B。同样，如果太阳辐射强度变化是从光伏阵列的输出特性曲线2减至特性曲线1，则相应的工作点由B点变化至B，应当相应的减小负载2至负载1，从而保证系统在太阳辐照度减小的情况下仍然可以在最大功率点A运行。（吴讯）3.2光伏电池最大功率点跟踪方法介绍 在光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)控制技术中，常用的有恒电压跟踪方法(Constant Voltage Tracking，简称CVT)、扰动观察法(Perturb and Observation method，简称P&O)、电导增量法(Incremental Conductance，简称IncCond)等。实际应用中最大功率跟踪方法的选择要根据具体的情况来选择。本文主要介绍以下几种常用的MPPT方法。3.2.1恒电压法（Constant Voltage Tracking，CTV）温度一定时，在不同的日照强度下，太阳能电池阵列输出曲线的最大功率点基本是分布在一条垂直线的附近，如图3.2所示。因此只要保持太阳能电池阵列输出电压为常数且等于某一日照强度下太阳能电池阵列最大功率点的电压，就可以大致保证在该温度下太阳能电池阵列输出最大功率。从上面可以看出恒电压法实际上是把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪。4008006002001000图3.2 温度一定时最大功率点的变化情况恒电压法具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点，比一般太阳能光伏系统可望多获得20%的电能，较之不带CTV的直接耦合要有利得多。然而恒电压法忽略了太阳能电池温度对太阳能电池阵列最大功率点的影响，一般硅太阳能电池的开路电压都在较大程度上受结温影响，太阳能电池的最大功率点对应的电压也随电池温度的变化而变化，其中对太阳能电池温度影响最大的因素是环境温度和日照强度。因此对于四季温差或温差较大的地区，CVT方式并不能完全跟踪太阳能电池阵列最大功率点，从而导致系统功率损失。3.2.2扰动观察法（Perturb & Observe Algorithms，P&O）扰动观察法的原理是：在每个控制周期用较小的固定步长改变太阳能电池阵列的输出，方向可以是增加也可以是减少，控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”；然后，通过比较扰动周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“扰动”过程，如果检测到输出功率减少，则改变“扰动”的方向。扰动观察法流程图如图3.3所示。 图3.3扰动观察法控制流程扰动观察法的最大优点就是结构简单，被测参数少，容易实现。但是即使在某一周期太阳能电池阵列运行在最大功率点，由于扰动的存在，下一周期太阳能电池阵列运行点又会偏离最大功率点，因此太阳能电池阵列实际是在最大功率点附近振荡运行，从而导致部分功率损失；其次，难以选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区，步长过大，太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大，跟踪精度下降，从而导致更多的功率损失；另外，当外部环境突然变化，太阳能电池阵列从一个稳定运行状态变换到另一个稳定运行状态的过程中，会出现误判现象。3.2.3电导增量法（Incremental Conductance Algorithms）由太阳能电池阵列输出电气特性知，太阳能电池阵列的输出功率-电压（P-V）曲线是一个单峰曲线，在最大功率点处，功率对电压的导数为零，所以在最大功率点有： （3.1） （3.2）在最大功率点左边： （3.3）在最大功率点右边： （3.4）图3.4 电导增量法控制流程图电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。电导增量法的优点是:在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。电导增量法的缺点是:如同扰动观察法一样，电导增量法的变化步长也是固定的，步长过小会使跟踪速度变慢，太阳能电池阵列较长时间工作在低功率输出区；步长太长，又会使系统振荡加剧，影响跟踪精度。在实际的光伏系统中，电导增量法的实现对硬件的要求相对较高，其要求传感器的精度比较高、系统各个部分响应速度比较快。而且由于电导增量法算法较为复杂，且在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行A/D转换，为实现实时跟踪控制系统需采用高速微处理器完成数据处理。3.2.4基于梯度变步长的电导增量法为了解决电导增量法的不足和缺点，本文根据文献（几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进9），介绍一种电导增量法的改进方法，其原理是：由光伏电池的P-U特性可知，在整个电压范围内功率曲线为一单峰曲线，在最大功率点Pm处dP/dU为0。若令Step=Aabs(dP/dU)作为电导增量法中的步长，在U离Pm较远时，由于斜率较大，系统跟踪的步长较大；当U离Pm较近时，由于斜率很小，系统跟踪的步长较小。通过设置合适的A，同时结合电导增量法跟踪精度高的优点，可以在MPPT过程中实现变步长跟踪。基于梯度变步长的电导增量法控制效果好，且控制稳定度高，当外部环境参数变化时，系统能快速追踪其变化，在系统启动过程中可快速跟踪，改善最大功率点振荡的缺点。但是，在外界环境条件发生较大变化时，由于控制作用较强，因此输出功率有所波动，控制算法也比较复杂。4光伏并网逆变侧控制策略4.1光伏并网逆变要求光伏并网逆变的要求是：控制逆变电路输出的交流电流为高效率、高可靠性、直流输入有较宽适应范围的正弦波电流，并且与电网电压同频、同相。并网工作方式下的等效电路和电压电流矢量如图4.1所示。图中为逆变电路交流侧电压，为电网电压，由于电感的存在，两者之间存在着相位差。 图4.1并网工作时的等效电路和电压电流矢量图4.2光伏并网逆变器建模 本文逆变系统采用的逆变器采用的是单相全桥拓扑结构，该构如图4.2所示，主要由直流侧、单相全桥以及LC滤波电路三部分构成，其中、分别为逆变器的输出滤波电感与滤波电容，为线路上的综合电阻（包括电感串联等效电阻、开关管通泰电阻等）。+-图4.2逆变系统全桥拓扑结构图由基尔霍夫电压和电流定律，可以列出电感电压和电容电流的表达式： （4.1） 将式（4.1）转化为状态方程： （4.2） 再将上式（4.2）作拉氏变换，那么可以得到输出电压的频域内的表达式为： （4.3） 这个传递函数的第一部分表征了输出电压跟踪输入电压的性能，第二部分表征了输出电流对输出电压的扰动特性，可以将其等效为系统的输出阻抗： （4.4）结合逆变器各个变量之间的关系，逆变器的主电路等效框图可以由上述表达式转化而得，如图4.3所示。由于综合电阻的阻值比较小，完全可以忽略不计，因此逆变器的主电路就相当于一个二阶振荡环节。鉴于逆变器自身无阻尼，逆变器的工作很容易受到外界扰动因素的影响，因此，要使系统工作稳定，必须适当加大系统的阻尼。-+-图4.3单相全桥逆变器的主电路等效框图分析上图可以得知，在为零时，即空载情况下，逆变器处于最小阻尼状态，振荡也最为强烈，所以，逆变控制系统的设计必须考虑到这种情况。那么，在这种情况下，逆变器的传递函数即为： （4.5） 4.3控制器的设计 在后级DC/AC逆变过程中，我们需要把前级DC/DC输出的稳定直流电逆变成符合要求的交流电，在前面章节我们已经分析过。是对逆变器的输出电流进行控制，使其与电网电压同频同相，便可以达到逆变并网的要求。并网电流的控制系统如下图4.4所示。+-+PI调节逆变滤波-图4.4并网电流的控制系统图并网电流的控制系统中是把参考电流与系统实际输出电流进行比较后，将其电流误差经过PI控制器后与三角波信号进行比较，以输出SPWM控制信号驱动开关管的通断，实现对电流的控制。并网电流控制系统中的PI控制器，它是用来调节输出电流和参考电流信号的误差值，提高输出电流的精度和增加系统的稳定性，以达到对输出电流的控制作用。控制系统图可以用关系式表示成数学模型为: （4.6）式中为并网系统的输出电压，为电网电压，为逆变器输出的并网电流，为等效电阻。将式4.6作拉氏变换后可得： （4.7）式中是滤波器的传递函数，。逆变器可以等效为一个小惯性环节，其传递函数为： （4.8）式中为逆变器的放大倍数，为小时间常数。 PI控制器的传递函数为 ： （4.9）所以并网系统的开环传递函数为： （4.10）由于上述介绍的并网电流控制系统中，电网电压可以看作是一个扰动信号，并网电流受电网电压的影响较大，此时，并网电流关于电网电压的表达式为： （4.11）4.4光伏逆变器输出仿真模型5单相光伏并网系统相关参数设计5.1Boost电路参数设计该系统前级为Boost升压电路，功能是将太阳能光伏电压低压升至比电网峰值还高的电压，并汲取太阳能光伏电池的最大功率，将所汲取的能量送至全桥逆变的直流侧。5.1.1电感L的选择Boost电路在整个工作过程中，工作电流的工作状态分为电流连续、临界和断续三种情况，但是系统要求能不断的向外输出功率，因此，Boost电路必须使工作电流在连续的情况下。根据电流连续时的伏秒特性，在稳态时，电感在一个周期内充电和放电能够保持能量平衡，可以得到： (5.1)式中，为太阳能电池板的输出电压，为直流侧输出电压，即直流母线的电压，为占空比；为开关功率管的开关周期，为开关功率管的开通时间，为开关功率管的关断时间。于是，由上式整理可得： (5.2)电压增益为： (5.3)在理论分析时，可以假设整个电路处于理想状态，则电路没有损耗。由功率守恒原理可知太阳能电池板的输出功率与电路后级负载上所消耗的功率相等，可得： （5.4）式中为太阳能电池板的输出功率，后级负载上所消耗的功率，即输出功率，又和可以有如下式子得到： （5.5） （5.6）则有： （5.7）式中为电池板输出的平均电流，为负载的平均电流。由于电感是储能元件，处于同时充放电的过程，而这个过程又是曲线特性，所以电感电流存在纹波量，于是可得： （5.8）式中为电感电流的纹波电流。定义电感电流的纹波系数为： （5.9）式中为电感上的平均电流，它与是相同的即。由上述式子可得： （5.10）式中，为输出功率。由式（5.10）可知，在其它条件不改变的情况下，当时，能够得到最大值，则： （5.11）为了满足纹波电流在额定条件下的要求，则： （5.12）系统的最小占空比为： （5.13）本系统中对于电流纹波系数的取值要考虑电感的饱和等问题，在系统中取25%.根据系统参数设计，,。选择合适的开关管频率：如果开关管频率过高时，则有利于对谐波的滤波，这样输出电压的波形就只会含有少量的谐波，但同时又会加大开关管的损耗与发热；如果开关管的开关频率过低时，则会使输出波形恶化。所以综合考虑开关管频率选取的利弊，选择开关管的频率为,则，于是可得： （5.14）由于所以取。5.1.2电容的选择电容为支