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浅谈三相光伏并网发电系统摘 要太阳能具有可持续发展和绿色环保两大优势，利用太阳能资源的发电方式逐渐受到了各国重视，我国近年来对此方面的研究投入了大量的人力物力。其中，光伏并网发电最具实用价值和理论意义，三相光伏并网系统研究逐渐成为了光伏应用领域的热点课题。本文首先介绍了光伏发电系统的发展和现状，并对光伏阵列的原理，特性以及最大功率点跟踪技术进行了阐述，并比较几种常用的最大功率点跟踪的方法。其次对三相光伏发电并网系统的逆变部分作了详细的分析，其中包括光伏逆变器以及PWM脉宽调制技术。关键词：光伏发电，逆变，并网Three-phase grid-connected PV system AbstractSolar energy and sustainable development has two major advantages of green, using solar energy resources has been gradually generating national attention, our research in this area in recent years put a lot of manpower and material resources. Of these, the most grid-connected PV practical value and theoretical significance, three-phase grid-connected photovoltaic system photovoltaic gradually become a hot topic applications. This article first introduced the development of photovoltaic power generation system and the status quo, and the principle of photovoltaic arrays, characteristics and maximum power point tracking technology are described and compared several commonly used maximum power point tracking method. Second of three-phase grid-connected photovoltaic inverter system, part of a detailed analysis, including the photovoltaic inverter and the PWM pulse width modulation technology. Keywords: photovoltaic, inverter, network.目 录第1章 绪 论11.1 课题提出背景11.1.1 光伏发电技术在国际上的发展11.1.2 光伏发电技术在国内的发展11.2 课题研究的目的和意义21.3 课题主要研究内容3第2章 光伏发电系统概述42.1 光伏发电系统42.1.1 光伏发电的工作原理42.1.2 影响光伏发电的主要因素42.2 光伏电池阵列72.2.1 光伏电池的分类72.2.2 光伏电池的工作原理82.2.3 光伏电池特性112.2.4 光伏阵列142.3 最大功率跟踪控制技术152.3.1 最大功率跟踪控制的概念152.3.2 MPPT在电力电子技术应用方面的研究进展162.3.3 MPPT在控制理论方面的研究172.3.4 最大功率跟踪控制的方法和比较18第3章 三相光伏并网发电系统逆变部分253.1 光伏发电系统概述253.1.1 光伏并网发电系统的构成253.1.2 光伏并网系统的优缺点263.2 光伏并网逆变器263.2.1 逆变器的基本构成263.2.2 并网逆变器的控制目标273.2.3 并网逆变器分类283.2.4 逆变电路的基本工作原理303.2.5 光伏并网对逆变器的要求313.2.6 并网逆变器的控制策略313.3 PWM控制技术403.3.1 PWM技术的基本原理403.3.2 PWM的控制方式42参考文献43致 谢44浅谈三相光伏并网发电系统第1章 绪 论1.1 课题提出背景1.1.1 光伏发电技术在国际上的发展在国际上，全世界的经济大国在上世纪八十年代开始进行光伏并网发电方面的研究，当时由政府投资建造了一些规模较大的试验性并网光伏电站。九十年代后，对太阳能应用方式发生了重大的变化，由原来的大型光伏电站转变为“屋顶光伏并网系统”。屋顶光伏并网，将太阳能电池安装在建筑物顶上，不占用土地面积，而且其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，有利于普及，再加上政府的鼓励与支持，掀起光伏发电的浪潮。诸如日本的“朝日七年计划”推广屋顶光伏并网系统；德国政府补贴支持的“千屋顶计划”，继而扩展为“两千光伏屋顶”，同时制定“可再生能源电力供应法”高价收购光伏并网的电能刺激光伏发电市场；美国推行“光伏建筑计划”和“百万屋顶计划”；其他的发达国家都有各自的推广光伏发电的政策计划，邻国印度也开始扶持光伏的应用【1】。1.1.2 光伏发电技术在国内的发展我国太阳能电池的研究始于1958年，1959年研制成功第1个有实用价值的太阳能电池，1971年3月首次成功地应用于我国第2颗卫星上，1973年太阳能电池开始在地面应用，1979年开始生产单晶硅太阳能电池。80年代中后期，引进国外太阳能电池生产线或关键设备，初步形成生产能力达到4.5MW太阳能光伏产业。其中单晶硅电池2.5MW，非晶硅电池2MW，工业组件的转换效率单晶硅电池11%一13%，非晶硅电池为5%一6%。我国光伏组件生产逐年增加，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，1999年底累计约15MW。在研究开发方面，开展了单晶硅、多晶硅电池研究及薄膜电池研究，同时还开了浇铸多晶硅等材料研究，并取得可喜成果，其中刻槽埋栅电池效率达到国际水平。20年来我国光伏产业已形成了较好的基础，21世纪我国光伏发电的发展可考虑2种模式，即年增长率约15%的常规模式和在政策法规驱动下年增长率约25%的快速模式。按照这种估算，到2020年我国光伏组件在相当大的市场上开始具有竞争力，到2030年左右，则在几乎整个电力市场上都具有竞争力。目前，光伏电源在我国应用领域包括农村电气化、交通、通信、石油、气象国防等。特别是光伏电源系统解决了许多农村学校、医疗所、家庭照明、电视等用电，对发展边远贫因地区的社会经济和文化发挥了十分重要的作用。西藏有7个无电县城采用光伏电站供电，社会经济效益非常显著【2】。1.2 课题研究的目的和意义我国虽地大物博，能源储量居世界前列。但从可持续发展的要求来衡量问题我国的能源供应前景存在着巨大的隐患。我国的能源供需存在着几个方面的问题:一是资源短缺。我国的能源总量是不少的，但是按人均计算就非常地低了。二是利用效率低、浪费巨大。由于我国的技术水平和管理水平低，能源从开采、运输加工到终端利用的效率均很低。根据以上情况，开发和使用可再生能源和无污染能源是人类目前必须采取的措施。虽然目前人类可利用的太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形式都是可以满足以上的要求。但从能源的稳定性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为理想的可再生能源和无污染能源。我国是世界上太阳能最丰富的地区之一，非常适合大力发展太阳能发电，特别是西部地区，年日照时间达3000h以上，全国2/3以上的地区年日照超过2000h，年均辐射量约5900MJ/m2。青藏高原、内蒙古、宁夏、陕西等西部省份关照资源尤为丰富，而我国的无电地区大多集中在此，因此国家推行了“光明工程”和“乡乡通工程”，大力发展光伏发电应用于偏远的边防哨所、通讯基站、无电村落等一些特殊情况。总投资额100.05亿元的光明工程第一期目标是用五年的时间建立起稳定的投资渠道，销售服务网络和市场机制，产业队伍以及培训体系；解决我国1/5约800万无电人口的用电问题，约2000个无电村、100个无电哨所和100个无电微波通讯站。虽然大多还只是独立运行的供电系统，但是也为中国光伏产业的发展和光伏技术的提高起到了积极的作用。 但独立的光伏发电具有一定的局限性。近年来，光伏产业及市场发生了极大的变化，光伏电池的性价比的提高以及发电技术的迅速发展，光伏发电技术开始由边远地区逐渐向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进，太阳能己经全球性由“补充能源”的角色被认可为下一代“替代能源”。因此本次课题的主要内容是对三相光伏发电并网系统的研究，是很有研究意义的【2】。1.3 课题主要研究内容1.对光伏电池的工作原理及工作特性进行介绍,对几种传统的最大功率点跟踪(MPPT)控制算法进行了研究、分析和比较，提出各自优缺点.。2.对三相光伏并网发电系统中的逆变部分做重点的分析，对DC/DC部分和DC/AC部分工作原理，工作过程进行了详细的分析，并简单介绍了PWM脉宽调制技术。 第2章 光伏发电系统概述1.4 光伏发电系统1.4.1 光伏发电的工作原理 光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。光伏电池发电的原理是光生伏打效应。当太阳光(或其他光)照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光电子一空穴对。在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸使用的电能。光伏电源系统，是利用光伏电池方阵将太阳能转化为电能并储存到系统的蓄电池中或直接供负载使用的可再生能源装置。其工作原理是:白天，光伏电池组件接收太阳光，输出电能，一部分供给直流或交流负载工作;另一部分通过防反充二极管给蓄电池组充电，夜晚或阴雨天，光伏电池组件无法工作，蓄电池组供电给直流或交流负载工作。1.4.2 影响光伏发电的主要因素太阳能的利用主要是利用到达地面的太阳辐射。太阳辐射可分为两种。一种是从光球表面发射出来的光辐射，因为它以电磁波的形式传播光热，所以又叫做电磁波辐射，这种辐射由可见光和不可见光组成。另一种是微粒辐射，它是带正电荷的质子和大致等量的带负电荷的电子以及其他粒子所组成的粒子流，微粒辐射平时较弱，能量也不稳定，在太阳活动极大期最为强烈，对人类和地球高层大气有一定的影响，但是一般来说不等它辐射到地球表面上来，便在漫长的日地遥远的路途中逐渐消失了。为此太阳辐射主要是光辐射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直接辐射和散射辐射两部分组成。直接辐射是指直接来自太阳辐射方向不发生改变的辐射；散射辐射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射。由于大气层的存在，真正到达地球表面的太阳辐射能的大小，则受多种因素的影响，一般来说太阳高度、大气质量、大气透明度、地理纬度、日照时间及海拔高度是影响的主要因素。（1）太阳高度太阳高度即太阳位于地平面以上的高度角。常常用太阳光线和地平线的夹角表示（h）。太阳高度角大，太阳高，太阳辐射强；反之，太阳高度角小，太阳低，太阳辐射弱。太阳高度在一天中是不断变化的。早晨日出时最低，到正午时最高；下午又逐渐减小，到日落时最低。太阳高度在一年中也是不断变化的，这是由于地球不仅在自转，而且又在围绕着太阳公转；地球自转轴与公转轨道平面不是垂直的，而是始终保持着一定的倾角23.5。上半年，太阳从低纬度到高纬度逐渐升高，夏至太阳高度角达到最大，反之，冬至太阳高度角达到最小。对于某一平面来说，当太阳高度低时，光线穿过大气的路程较长，所以能量被衰减的就较多；同时，又由于光线以较小的角度投影到该地平面上，到达地面的能量也较小。反之，则较多。（2）大气质量太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关。参看图2.1所示，A为地球海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径为。太阳位于点时，其穿过大气层到达A点的路径则为。与之比为“大气质量”。它表示太阳辐射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比，通常以符号m表示，并设定标准大气压和O时海平面上太阳垂直入射时，大气质量m1。同时由图可知： 式（2.1） 式中，h为太阳的高度角。图2.1 大气质量示意图（3）大气透明度在大气层上界与光线垂直的平面上，太阳辐射强度基本上是一个常数；但是在地球表面上，太阳辐射强度却是经常变化的，主要是由于大气透明程度的不同引起的。大气透明度是表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数，在晴朗无云的天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射量就多。在天空中云雾很多或灰尘很多时，大气透明度就低，到达地面的太阳辐射量就少。可见，大气透明度是与天空中云量的多少以及大气中所含灰尘等杂质的多少关系很大的。（4）地理纬度太阳辐射量是由低纬度向高纬度逐渐减弱的。由于不同纬度的地区太阳光到达地面所经过的路程是不同的。纬度越低，太阳光到达地面经过的路径越短，那么到达地面的辐射量就大；反之，纬度越高，太阳光到达地面经过的路径越长，那么到达地面的辐射量就越小。【3】【4】1.5 光伏电池阵列1.5.1 光伏电池的分类至今光伏电池已经发展到了第2代。第1代光伏电池包括单晶硅和多晶硅2种，工业化产品效率一般为1315，目前可工业化生产、可获得利润的光伏电池就是指第1代电池。但是由于生产工艺等因素使得该类型的电池生产成本较高。第2代光伏电池是薄膜光伏电池，其成本低于第l代，可大幅度增加电池板制造面积，但是效率不如第1代。在将来的第3代光伏电池应该具有以下特征：薄膜化、高效率、原材料丰富和无毒性。可望实现的第3代电池效率的途径包括：叠层电池、多带光伏电池、碰撞离化、光子下转换、热载流子电池、热离化、热光伏电池等。光伏电池材料主要包括：产生光伏效应的半导体材料、薄膜用衬底材料、减反射膜材料、电极与导线材料、组件封装材料等。其中用来制作光伏电池所用的半导体材料有元素半导体、化合物半导体和各种古体溶体。从半导体材料使用的形态来看，有晶片、薄膜、外延片。按化学组成及产生电力的方式，光伏电池可分为无机光伏电池、有机光伏电池和光化学电池3大类。按形态分可以分成块状光伏电池和薄膜光伏电池2大类。光伏电池的制造方法各异，但根据其使用的材料主要有以下几种类型：单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铟硒铜电池等。如图2.2所示其分类图:目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以及有机电池等。但实际应用的主要还是硅电池，特别是晶体硅电池。 图2.2 光伏电池的分类图1.5.2 光伏电池的工作原理光伏电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如图2.3所示。图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。图2.3 半导体主要结构当硅晶体中掺入其它的杂质时，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照图2.4，其中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而灰色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生图中所示的黑色空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成N型半导体。图2.4 N型半导体同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成P型半导体如图2.5所示。灰色的为磷原子核，黑色的为多余的电子。图2.5 P型半导体N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。图2.6 PN结示意图当硅晶片受光后，PN结中N型半导体的空穴往P型半导体区移动，而P型半导体区中的电子往N型半导体区移动，从而形成从N型半导体区到P型半导体区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。硅晶片受光过程中带正电的空穴往P型半导体区移动，带负电的电子往N型半导体区移动；硅晶片受光后负电子从N区负电极流出，空穴从P区正电极流出。如图2.7和2.8所示：图2.7 光照后PN结中电子和空穴的运动情况图2.8 运动后形成电势差太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程通常叫做“光生伏打效应”，光伏电池就是利用这种效应制成的。当太阳光照到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P-N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除了抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过，如形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率【4】。1.5.3 光伏电池特性光伏电池的特性一般包括光伏电池的输入输出特性（伏安特性）、照度特性以及温度特性。(1) 伏安特性当太阳光照射到电池上时，电池的电压与电流的关系（伏安特性）可以简单的用图2.9所示的特性曲线来表示。图中：Voc为开路电压；Isc为短路电流；Vpmax为最佳工作电压；Ipmax为最佳工作电流。图2.9电池的伏安特性曲线最佳工作点对应电池的最大出力Pmax，其最大值由最佳工作电压与最佳工作电流的乘积得到。实际使用时，电池的工作受负载条件、日照条件的影响，工作点会偏离最佳工作点。根据特性曲线可以定义出太阳电池的几种重要技术参数：(1)开路电压Voc：光伏电池电路将负荷断开测出两端电压，称为开路电压。(2)短路电流Isc：光伏电池的两端是短路状态时测定的电流，称为短路电流。(3)最大功率点电流(Im)；在给定温度日照条件下最大功率点上的电流。(4)最大功率点电压(Vm)；在给定温度日照条件下最大功率点上的电压。(5)最大功率（Pm）；在给定温度日照条件下所能输出的最大功率。(6)曲线因子FF：实际情况中，PN结在制造时由于工艺原因而产生缺陷，使光伏电池的漏电流增加。为考虑这种影响，常将伏安特性加以修正，将特性的弯曲部分曲率加大，定义为曲线因子FF。曲线因子是一个无单位的量，是衡量电池性能的一个重要指标。曲线因子为1被视为理想的电池特性。一般地，曲线因子在0.50.8之间。(7)转换效率转换效率用来表示照射在电池上的光能量转换成电能的大小，它是衡量电池性能的另一个重要指标。但是对于同一块电池来说，由于电池的负载的变化会影响其出力，导致光伏电池的转换效率发生变化。为了统一标准，一般公称效率来表示电池的转换效率。即对在地面上使用的电池，在太阳能辐射通量1000w/m2、大气质量AM1.5、环境温度25，与负载条件变化时的最大电气输出的比的百分数来表示。厂家的说明书中电池转换效率就是根据上述测量条件得出的。（2）照度特性光伏电池的出力随照度（光的强度）而变化。如图2.10所示，短路电流与照度成正比；图2.11所示，开路电压随照度按指数函数规律增加，其特点是低照度值时，仍保持一定的开路电压【17】。 图2.10短路电流与照度的关系图 图2.11开路电压与照度关系因此，最大出力Pmax几乎与照度成比例增加，而曲线因子FF几乎不受照度的影响，基本保持一致。（3）温度特性光伏电池的出力随温度的变化而变化，其特性曲线如图2.12所示，随着温度的上升，短路电流Ioc增大，而开路电压Voc减小，转换效率降低。由于温度上升导致电池的出力下降，因此，有时需要用通风的方法来降低电池板的温度以便提高电池的转换效率，使出力增加。电池的温度特性一般用温度系数表示。温度系数小说明即使温度较高，但出力的变化较小【4】。图2.12光伏电池的温度特性1.5.4 光伏阵列光伏电池的作用是将太阳辐射能直接转化成直流电能，供给负载（如蓄电池充电）使用。一般较大的发电系统，由若干个光伏电池组件按串并联方式连接形成较大容量的方阵，称之为光伏阵列，由其供电。更大的系统，由若干个光伏阵列组成，达到人们所需要的容量，再配上适当的支架、接线盒、线缆组成整个阵列系统，每个阵列称为阵列单元，根据系统容量的大小，设计的阵列单元容量为1KW至10KW之间（按需确定）。当光伏阵列系统电压较高时，为防止组件遮阴而损耗本列其他组件的电能，并不使因损耗过大时损坏该组件，设计要求每个组件内必须外接一只旁路二极管，此项工作在厂家出厂前完成.另外，为防止蓄电池电流反流或因阵列中某一串联组件发生部分遮阴等情况时吸收其他组的电流甚至因此损坏，需要在每组输出的正极均加阻塞二极管（防反向二极管）。并联时，要注意组件的选择与匹配。对于同一组串联的组件，工作电流参数基本一致，并联时组件之间的工作电压应基本一致。太阳能电池组件最主要的电气特性为伏安特性和功率电压特性。其中I-V特性曲线表示不同太阳能光强度和温度下太阳能电池的伏安曲线，如图2.12（a）所示。P-V特性曲线如图2.12（b）所示，（a） I-V特性曲线（b）P-V特性曲线图2.12光伏阵列测试曲线从图中可以看出每条曲线都存在一个最大功率点，这个功率点对应唯一的太阳能电池输出电压。因此通过调节太阳能电池的输出电压使其趋近最大功率点时的输出电压，就可以实现最大功率点的跟踪。太阳能光伏阵列的特性与单个组件的特性一致。从图中可以看出太阳能光伏阵列的功率输出有一个最大点，称为最大功率点，我们希望系统工作在此点上。但最大功率点是会随着环境温度、太阳辐射强度等不断变化，因此，通常采用一种控制系统（斩波电路）使其工作在最大功率点上，这个过程称为最大功率跟踪控制，在下一章节介绍【10】。1.6 最大功率跟踪控制技术1.6.1 最大功率跟踪控制的概念在光伏电池供电系统中，光伏电池的内阻不仅受日照强度的影响，而且受环境温度及负载的影响，因而处在不断变化之中，从而不可用简单的方法获取最大输出功率。目前所采用的方法是在光伏电池阵列和负载之间增加一个DC/DC变换器，通过改变DC/DC变换器中功率开关管的导通率来调节、控制太阳能电池阵列工作的最大功率点，从而实现最大功率跟踪控制。如图2.13所示，以最大功率点电压为界，分为曲线的左、右两侧。当阵列工作电压大于最大功率点电压，即工作在最大功率点电压右边时，阵列输出功率将随着太阳能电池输出电压的增大而下降；当阵列工作电压小于最大功率点电压，即工作在最大功率点的跟踪（MPPT）控制是一个自寻优过程，即通过控制太阳能电池阵列端电压，使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化的输出最大功率。 图2.13 最大功率点的P-U曲线1.6.2 MPPT在电力电子技术应用方面的研究进展人们最早对MPPT技术的研究是将多个太阳能电池按不同的并联和串联的排列方式组合起来，在特定的外界环境和负载的情况下，通过改变太阳能电池的排列方式，可以达到较大功率(接近最大功率点)的输出。随后出现两种基本的MPPT研究方法：扰动观察法和电导增量法，其中，扰动观察法的结构简单、被测参数少，而电导增量法在外界环境发生迅速变化时，其动态性能和跟踪特性方面比扰动观察法好。但是这两种方法都存在着一个共同的缺点，即步长固定，如果步长过小，就会导致光伏阵列长时间地滞留在低功率输出区；如果步长过大，就会导致系统振荡加剧。针对这一缺点提出了变步长寻优法：当距离最大功率点较远时，步长取大，寻优速度加快；当距离最大功率点较近时，步长取小，慢慢接近最大功率点；当非常接近最大功率点时，系统稳定在该点工作。随着数字处理器的产生，MPPT控制变得更方便、快捷，但是在数字式实现电导增量法MPPT控制的情况下，决定最大功率工作点时总存在着误差，为了克服这一问题，人们又提出了一种改进型的电导增量法，消除了误差的存在，并且不管外界环境如何变化都能比较准确地找出最大功率工作点。随后，随着半导体功率器件、微处理器以及数字控制器的迅速发展，MPPT研究技术达到鼎盛时期，人们将MPPT控制与DC/DC变换器连接起来，通过硬件控制来达到最大功率点的跟踪，提出了各种有效的跟踪控制方法，其中有：(1)采用单片机控制DC/DC变换器的占空比来调节太阳能电池阵列的输出从而达到最大功率点的跟踪；(2)给逆变器输入小正弦信号改变其开关频率来调节太阳能电池阵列端电压从而达到最大功率的输出；(3)在某一固定的外界环境下，经检测发现，最大功率点与电路变量(如开路电压、短路电流)间的关系是线性的，通过DSP控制输出电流、电压使输出功率达到最大。1.6.3 MPPT在控制理论方面的研究MPPT在控制理论方面的研究主要集中在：（1）优化控制，即通过建立优化效率数学模型，构造求解方法，从而得出光伏系统最大功率的输出；(2)模糊逻辑控制，此控制不需要调制输出电压从而避免了部分功率损失，它通过定义输入量及输出量并借助Matlab工具箱中的模糊逻辑原理来完成MPPT的控制，是目前使用较普遍的一种控制方法；(3)人工神经网络控制，在天气发生间歇性变化的情况下，使得系统的精度及稳定性得到了提高，有效地输出最大功率；(4)自适应控制，针对固定步长寻优的缺点进行改进，能较快地跟踪太阳能光伏阵列的最大功率，并具有较高的跟踪精度；（5）二次插值法，虽然太阳能光伏电池的输出特性呈非线性，但是在某一时刻其输出功率相对于占空比是连续可导的，有且仅有一个极点，因此采用二次插值法来进行最大功率点跟踪具有较好的跟踪性能。从最大功率点跟踪研究的进展来看，无论是在电力电子技术应用方面还是在控制理论方面，其研究基础都是基于两种方法之上，即扰动观察法、电导增量法。这两种方法各有利弊，根据不同的环境采用不同的方法进行改进，既能提高效率又能缩小成本。1.6.4 最大功率跟踪控制的方法和比较1.恒定电压跟踪法光伏阵列是一种非线性电源，其输出特性可以视为由恒电流区域和恒电压区域组成，这两个区域的交汇点为最大功率点。在不同的光照强度下，总存在着这样一个最大功率输出点。由于温度和光强的变化会改变这些恒电流和恒电压区域，所以最大功率点也会随之变化【6】。 图2.14忽略温度效应时光伏电池的输出特性与负载曲线当忽略温度效应时，光伏阵列的输出特性如图2.14所示，光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点a、b、c、d和e总在某一恒定的电压值Um附近。图中L为负载特性曲线，a、b、c、d和e为相应光照强度直接匹配时工作点。显然，采用直接匹配，光伏阵列的输出比较小，为了弥补阻抗失配带来的功率损失，可以采用恒定电压(CVT)控制策略，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，这样光伏阵列的工作点总能稳定在附近。恒定电压策略可以比直接匹配获得更高的功率输出，还可以简化MPPT控制。在同等光照强度下，温度对最大功率点影响较大，如果采用恒电压跟踪控制策率，光伏阵列的输出会随温度的变化而偏离最大功率输出点，产生较大的功率损失。特别是在有些情况下，光伏阵列的结温升高比较明显，导致阵列的伏安曲线与系统预先设定的工作电压可能不存在交点，那么系统将会产生振荡、为了克服场合、季节、早晚时间及天气情况和环境变化对系统造成的影响，在CVT控制算法的基础上，采用以下折中解决办法:1.手工调节方式:通过电位器手动按季节给定不同的Umax，这种方法使用较少，需要人工维护。2.根据温度查表调节:事先将特定光伏阵列在不同温度下测得的最大功率点电压u值存储在控制器中，实际运行时，控制器根据温度传感器检测光伏阵列的温度，通过查表选取合适的U值。3.参考电池方法:在光伏发电系统中增加一块与光伏阵列相同特性的较小的光伏电池模块，检测其开路电压，按照固定系数计算得到当前最大功率点电压U，这种方法可以在近似CVT的控制成本下得到接近MPPT的控制效果。采用恒定电压控制方法实现的优点是:1.控制简单，易实现，可靠性高;2.有很好的稳定性，可以方便的通过硬件实现。缺点是:1.控制精度差，特别是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区2.必须人工干预才能良好运行，更难以预料风、沙等的影响。采用恒定电压方式实现的控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在太阳能发电系统中仍有使用。随着电力电子及自动化控制技术的发展，这种方法的简单性与其造成的能量损失相比己显得很不经济，因此一些新的控制方法也应运而生。2干扰观测法干扰观测法是目前实现MPPT常用的方法之一。其原理是每隔一段时间增加或减少电压，观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。 设测得光伏阵列当前输出功率为Pk，与扰动之前功率值相比，若PkPk-1，即功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一(+U)方向扰动;反之，若PKPK-1保持扰动方向PK=PK-1改变扰动方向是否图2.16 干扰观测法控制流程图3电导增量法电导增量法也是MPPT控制常用的算法之一。通过太阳电池阵列P-V曲线可知最大值点PMAX处的斜率为零，所以有: 式(2.2) 式(2.3) 式(2.4)式(2.3)即为要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，阵列工作于最大功率点。若不相等，则要判断是大于零或小于零。该控制方法的程序流程如图2.17所示。图中，、为新检测的电压、电流值，、为原存储器中的旧值。程序读进新值后，先计算与旧值之间的误差，再判断电压差值是否为零?(因后面做除法时分母不得为零)若为零则再判断电流差值是否为零?若都为零则表示阻抗一致，扰动值O值不变。若电压差值为零，电流差值不为零，则表示照度有变化，电流差值大于零O值增加;电流差值小于零O值减少。再来讨论电压差值不为零时，式(2.4)是否成立将是关键;若成立则表示功率曲线斜率为零(达最大功率点)，若电导变化量大于负电导值，则表示功率曲线斜率为正，O值将增加:反之O值将减少。此跟踪法最大的优点，是当太阳电池上的照度产生变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压晃动较扰动观察法小。不过其算法较为复杂，且在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行刀O转换，这对微处理器在控制上会造成相当大的困难。图2.17为电导增量法的控制流程图，其中、。为传感器检测到当前光伏阵列的电压、电流值，、为上一控制周期的采样值。这种MPPT控制算法最大优点是光照强度发生变化时，光伏阵列的输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而稳态的振荡也比扰动观测法要小【7】【8】。开 始光伏阵列的输出电压Un电流In电压Un电流In 是 是 是 是 否 否 是 是 否 否 结 束 图2.17电导增量法控制流程图第3章 三相光伏并网发电系统逆变部分1.7 光伏发电系统概述1.7.1 光伏并网发电系统的构成光伏并网发电系统由光伏阵列、连接器、并网逆变器、控制器和集成的继电保护装置组成。交流电 网 逆 变装 置充放电控制直流变换 蓄电池MPPT控制锁相环光伏阵列 图3.1 并网型光伏发电系统光伏阵列是光伏并网系统的主要部件，它将接收到的太阳光能直接转换为电能，目前工程上应用的太阳能电池阵列多为由一定数量的晶体硅太阳电池组件按照并网逆变器输入电压的要求串、并联组成。并网逆变器将光伏电池所发出的直流电逆变成正弦电流并入电网中，电压型逆变器主要由功率开关器件连接电感构成，以脉宽调制的形式向电网送电。控制器是光伏并网发电系统的核心部件，一般由单片机或微处理器作为核心器件构成，控制器控制光伏电池的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡。继电保护系统可以保证光伏系统和电力网的安全性。1.7.2 光伏并网系统的优缺点与独立运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处（1）不必考虑负载供电的稳定性和供电质量的问题。（2）光伏电池可以始终工作在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的部分电能，提高了太阳能发电的效率。（3）直接将电能输入电网，可以充分利用光伏阵列所发的电力。省略了作为蓄能环节的蓄电池，降低了因充放电带来的能量损耗，省去了维护蓄电池，降低系统的成本。（4）光伏并网系统可以对公用电网起到调峰作用。目前光伏发电系统也存在三大问题:光伏阵列发电效率低;系统的造成本高;发电运行受气候环境因素影响大。同时并网光伏供电系统作为一种发散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响，如谐波污染、孤岛效应等。1.8 光伏并网逆变器采用先进的控制技术可以有效地改进光伏并网系统的性能。随着电力电子器件的高频化和微处理器运算速度的提高，特别是高性能数字信号处理器(DSP)的实现，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网控制成为可能。本节通过对系统控制方案的比较分析，提出了适合于三相光伏并网逆变的控制方案。1.8.1 逆变器的基本构成逆变器主要由输入断路器、直流噪音滤波器、电容电感(L，C)、DC/DC升压器、DC/AC逆变器、LC滤波器、三相变压器，交流噪音滤波器、电能表、接触器、输出断路器等部分构成。逆变器控制部分包括DSP，CPU控制板、驱动检测回路、仪表开关、控制电源等。各主要部分的具休功能及特点如下：断路器分别用于分断直流输入，交流输出，为用户提供安全保证。噪音滤波器NFL：主要功能为滤除逆变器主回路开关器件在工作时产生的高频电磁噪音和共模干扰，以保证并网逆变器在运行时不对电网中其它设备产生不良影响。DC/DC升压单元：L及IGBT功率器件构成DC/DC boost升压回路。通过控制该回路中IGBT功率器件的导通与关断将光伏电池板输出的低压直流电升压成高压直流电，为DC/AC逆变器的工作提供前提条件。升压回路通过脉宽调制技术(PWM)，可在直流输入电压大范围变化的情况下保证高压侧直流的稳定输出，并同时实现MPPT控制功能。DC/AC逆变单元是该并网逆变器的核心部分，根据CPU控制回路发出PWM开关信号控制三相IGBT功率器件的开通和关断，实现将高压直流电逆变成三相交流电，并将其平稳送入电网的功能。LC构成低通滤波器，滤除DC/AC产生的开关电流谐波，使流入变压器的电流为50Hz下的基波电流。三相隔离变压器：三相隔离变压器为接法，起隔离逆变器和电网的作用。由于有了变压器的隔离，逆变器功率器件开关导致电位浮动所产生的漏电流，以及逆变器在控制中产生的微小直流电流均被有效隔离和抑制，从而不会对电网产生不良的影响。交流接触器：MC直接由CPU控制，通过MC的开闭实现并网系统的解列和并网。在系统停电或逆变器内部出现故障时由CPU控制断开，以隔离光伏发电系统与电网系统，避免造成严重故障【9】。1.8.2 并网逆变器的控制目标在光伏并网发电系统中，对电网的跟踪控制是整个并网逆变器的核心，它直接关系到系统输出的电能质量和运行效率，并网逆变器是系统的核心部件和技术关键。光伏并网逆变器的控制目标:控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波，且与公共电网同压、同频、同相位。1.8.3 并网逆变器分类并网逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部件，按控制方式可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种方法。以电流源为输入的逆变器，其直流侧需要串联一个大电感来稳定输入的直流电流，此大电感往往会导致系统动态响应差，因此目前世界范围内大部分并网逆变器采用以电压源输入为主的方式。按输入直流电源的性质，可将逆变器分为:电流源型逆变器和电压源型逆变器(a)电流型逆变器 (b)电压型逆变器图3.2电流型和电压型逆变器结构图公用电网系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统，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以实现与公用电网同步，在稳定运行的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小及相位以控制系统的有功输出与无功输出。由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制及可能出现环流等问题，如果不采取特殊措施，很难获得优异性能。如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流与电网电压同步，即可达到并网运行的目的。这种控制方法相对简单，因此使用比较广泛。按逆变器主电路的拓扑结构来分类，三相电压型逆变器主要有:组合式逆变器，半桥式逆变器，和全桥式逆变器。组合式逆变器的电路结构如图3.3所示，它由完全相同的三个单相低频环节或高频环节逆变器星形联结构成，能同时实现单相和三相四线制供电。该电路结构不但具有极强的带不平衡负载能力，而且可以独立控制，以实现模块化结构、在线热更换和N+1个模块冗余技术，提高了系统可靠性。这种电路结构的不足之处是元器件数多、成本高。图3.3组合式逆变器电路结构三相半桥式逆变器是三个单相半桥式逆变器的组合，其电路拓扑见图3.4：图3.4三相半桥式逆变器该逆变器有如下特点:(l)如果两个串联的电解电容足够大，则可以保证中点电位不偏移，具有较强的带不平衡负载的能力，但也大大增加了系统的体积和重量;(2)输入直流电压利用率较低，相同的输出电压时，三相半桥逆变器所需的直流输入电压为三相全桥电路的2万/3倍;(3)与三相全桥逆变器相比，输出电压相同时，其输入直流电压和功率开关电压应力要大。三相全桥式逆变器具有电路拓扑简洁、易于控制、功率开关电压应力低等优点，可以采用谐振支路、谐振直流环节、谐振缓冲等逆变技术来实现功率器件的软开关，不足之处是的带不平衡负载的能力较弱。其拓扑结构见图3.5。图3.5三相全桥式逆变器三相并网发电逆变器主要是并网发电，其负载为电网。公共电网可以视为一个理想的三相平衡负载。1.8.4 逆变电路的基本工作原理与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接在电源上，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相连时，称为无源逆变。以单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。图3.6中S1S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压U0为正；当开关S1 、S4断开，S2、S3闭合时，U0为负，其波形如图3.6所示。这样就把直流电变成交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变交流电的频率。这就是逆变电路最基本的工作原理。图3.6 逆变电路及其波