太阳能光伏逆变器的研究

工学硕士学位论文 太阳能光伏逆变器的研究 徐鹏飞 哈尔滨工业大学 2009 年 6 月 国内图书分类号：O211.62 学校代码：10213 国际图书分类号：519.247 密级：公开 工学硕士学位论文 太阳能光伏逆变器的研究 硕 士 研 究 生： 徐鹏飞 导师： 丁宝副教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科 、 专 业： 电力电子与电力传动 所 在 单 位： 电气工程 答 辩 日 期： 2009 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 Classified Index: O211.62 U.D.C.: 519.247 A Dissertation for the Degree of M. Eng. STUDY OF SOLAR PHOTOVOLTAIC GRID-CONNECTED INVERTER Candidate： Xu Pengfei Supervisor： Prof. Ding Bao Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Power Electronics MPPT; deadbeat control; SVPWM; grid- connected 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目 录 摘 要.I Abstract. II 第 1 章 绪论.1 1.1 课题来源及意义.1 1.2 国内外研究现状及发展趋势.1 1.2.1 国内外光伏并网逆变器研究现状.1 1.2.2 现代逆变技术的发展趋势.4 1.3 太阳能光伏并网系统简介.5 1.4 主要研究内容.6 第 2 章 太阳能电池最大功率跟踪(MPPT)研究.7 2.1 太阳能电池特性研究.7 2.1.1 太阳能电池的建模.7 2.1.2 太阳能电池的数学模型.7 2.1.3 太阳能光伏电池阵列的仿真.8 2.2 最大功率跟踪(MPPT)原理及实现方法.10 2.2.1 最大功率跟踪(MPPT)原理.10 2.2.2 最大功率跟踪的实现方法.10 2.3 DC/DC电路实现MPPT.14 2.3.1 Boost电路实现MPPT原理.14 2.3.2 Boost电路实现MPPT算法分析.15 2.4 Boost实现MPPT的仿真分析.16 2.4.1 太阳能电池SIMULINK模型的建立.16 2.4.2 MPPT仿真分析 .17 2.5 本章小结.18 第 3 章 光伏逆变系统的研究.19 3.1 光伏逆变器设计的原则.19 3.2 光伏逆变器的主电路拓扑.19 3.3 逆变器控制方式.20 3.3.1 单相SVPWM原理.23 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 3.3.2 无差拍SVPWM控制.26 3.4 基于无差拍SVPWM并网逆变器仿真分析.27 3.4.1 无差拍控制模型的搭建.27 3.4.2 无差拍SVPWM仿真结果与分析.29 3.5 本章小结.32 第 4 章 基于SABER单相并网逆变器仿真.33 4.1 SABER仿真软件简介.33 4.2 仿真系统的构成.33 4.2.1 主电路部分.34 4.2.2 无差拍控制部分.34 4.2.3 SVPWM仿真电路.35 4.3 仿真结果及其分析.36 4.4 本章小结.38 第 5 章 无差拍SVPWM硬件实现.39 5.1 系统硬件设计.39 5.1.1 硬件系统总体结构图.39 5.1.2 系统功率部分硬件设计.39 5.1.3 信号采样电路的设计.40 5.2 系统软件设计.42 5.2.1 AD转换.43 5.2.2 电网周期提取.44 5.2.3 SVPWM信号生成.44 5.3 实验结果及分析.45 5.3.1 锁相实验波形.45 5.3.2 闭环实验波形.46 5.4 本章小结.47 结论.48 参考文献.49 攻读学位期间发表的学术论文.52 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.53 致谢.54 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 1.1 课题来源及意义课题来源及意义 随着传统能源供应的日趋紧张，新能源的开发和利用被提上日程。太阳 能是绿色能源中最重要的能源，开发利用太阳能，可节约能源，有利于环 保，光伏发电系统以其设备安装方便简单、独立、灵活性强、适用性广等特 点来受到各国的普遍重视。光伏发电系统主要有太阳能电池板、控制器和逆 变器三个部分组成，因此，对太阳能光伏并网逆变器研究日渐成为能源产业 高度重视的课题之一1。 本课题以太阳能光伏并网逆变器为研究对象，目的是为了寻求一种逆变 处理方法改善光伏发电系统的输出特性，它的实用性对新能源技术的发展来 说是一种激励234。本课题不仅适应了科学技术的发展，同时也迎合了现 代社会对能源和环境的需求。有一定的理论深度和实际价值，具有一定的研 究意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 国内外光伏并网逆变器研究现状 半个世纪以来，太阳能光伏发电技术得到了突飞猛进的发展。截止到现 在，全世界太阳能电池发电系统的装机容量已达 2000MWp以上，太阳能已 成为全球发展最快的能源之一3。据估计，到 2010 年，全世界太阳能电池 发电系统的装机容量将达到 3.2GWp。太阳能光伏发电系统正大规模的应用 于商业领域。主要有两个方面的具体表现：一方面，超大规模光伏电站不断 涌现，最大装机容量已达到 6.5MWp，正在建造的最大规模光伏发电系统容 量为 64MWp。另一方面，太阳能屋顶光伏发电系统在近年来得到许多国家 和政府的重视，发展迅速 4。 早在 1990 年，德国政府就提出并实施“一千个光伏屋顶计划” ，推广居 民住宅屋顶小型太阳能并网发电系统。并采取了一系列的鼓励措施，在该计 划实施结束时共安装 1-5KW的屋顶小型太阳能并网发电系统 2056 例。由于 计划的显著成效，德国政府又于 1999 年 1 月进一步提出了“十万个光伏屋 顶计划” ，到 2000 年计划完成时总计安装太阳能发电系统容量达 40MW5。 在亚洲，日本从 20 世纪中叶开始，连续制订并实施了多个太阳能并网发电 -1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 发划，截至 1996 年底，共计安装太阳能并网发电系统 2700 套，平均每套装 机容量高达 3MW。意大利于 20 世纪 90 年代开始实施的“全国太阳能光伏 屋顶计划” ，总容量高达 50MWp。前规模最大的光伏系统是 1997 年美国总 统克林顿在联合国国际环境发展会议上宣布的“百万太阳能屋顶计划” ，预 计到 2010 年安装 101. 4 万套太阳能光伏并网发电系统。欧盟在 1997 年 11 月发表了名为能源的未来：再生能源的能源战略与实施白皮书提出，到 2010 年在欧盟范围内要安装 100 万套太阳能发电系统，总装机容量 2000MW。 与之相比，中国的光伏产业相对落后，在过去十年间，中国光伏产量始 终徘徊在1. 5-2.0MW之间，2001年装机总容量仅为4.0MW，而且在世界光伏 产量中所占的比重正逐年减少，以上种种，说明潜在的中国光伏市场具有十 分巨大的潜力6。表1列举了21世纪初光伏电池组件总产量及未来发展趋势 的估计(如表1所示)，预计了我国的光伏发电产业的迅猛势头。据专家估计7 到2020年我国规划太阳能总发电量为4.5万亿kWh，比例占全国总发电量的 1%。 表1-1 我国光伏电池组件总产量及展望 Tab1-1 PV cells output components output and prospects 年份 年生产能力 (MWp) 年产量(MWp)年产值(万元) 累计装机容量 (MWp) 1998 4.5 2.1 16800 13 1999 4.5 2.5 20000 16 2000 5 3 24000 21 2001 6.5 4 26000 28 2002 8 5 30000 37 2003 10 6 36000 47 2004 13 8 48000 59 2005 15 10 60000 73 2006 18 13 62000 92 2007 22 16 64000 115 2008 26 20 80000 142 2009 32 24 96000 173 2010 40 30 120000 210 2015 100 80 240000 400 与此同时，作为上述应用系统的关键装置太阳能光伏逆变器的研制 将成为世界上太阳能光伏发电领域中热门研究课题之一，对它的研究和开发 是太阳能光伏产业的必然要求。 目前，并网型逆变器在国外已经形成比较成熟的市场产品系列，目前在 -2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 欧洲较为专用逆变器有SMA，Fronius，Sputnik，Sun Power和西门子等产 品，其中SMA在欧洲市场份额约为50%的8。除此之外，加拿大、美国、新 西兰、澳大利亚以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也形成了相当的产品系 列。下面以SMA和西门子光伏逆变器产品为例介绍一下这方面的发展情 况。 SMA主要有以下三大系列产品太阳能光伏并网逆变器：支路逆变器、 集中逆变器和多支路逆变器，其中应用较为广泛的是支路逆变器和多支路逆 变器两个系列。该产品具有如下优点：效率高、功率因数高、THD低；利 用软件实现的最大功率跟踪；根据电网情况智能化调节工作状态；主要工作 状态通过LED显示；自诊断；上位机和下位机通讯时直接显示工作状态；多 台逆变器可以任意串并联构建系统，使得系统设计更为方便，扩展更容易。 多支路逆变器是SMA最新推出的产品，该产品最大的特点是采用最大功率 跟踪和并网逆变结构模块化，多个太阳能电池模块共用同一个逆变环节，中 间设置有内部直流母线，可大大提高系统的灵活性；输出端不采用工频变压 器隔离，采用最新的电网阻抗电流电压检测网络来实现有效保护9。 和SMA相比较，西门子的太阳能并网光伏逆变器多采用主从式结构， 光伏并网系统由主逆变器和若干个从逆变器来构成，灵活性和系统扩展等均 较SMA产品差。西门子的SITOP Solar有隔离和非隔离两种支路逆变器组 成，最大功率跟踪部分和逆变模块部分都集成在一个机箱内、功率因数高、 RS485串口总线直接连接PC或者调制器；能够外接红外辐射计和温度传感器 10。 除SMA和西门子外，美国根据市场推出的的Xantrex的SunTie XR系列并 网逆变器基本覆盖了中、大功率范围，也可将多台逆变器并联构成系统，而 且逆变器中也集成了MPPT环节。 我国可再生能源发电技术的研究仍然相对落后，技术水平相对国外还有 一些差距。国内对并网光伏逆变器的研究多采用MPPT模块和逆变模块相分 离的两级能量变换结构，市场产品种类单一，系统设计不方便11。 综上所述，国内外太阳能光伏发电产业发展迅速，这在很大程度上刺激 了太阳能光伏发电系统的研究。欧美光伏并网逆变器产品的研制主要集中在 MPPT和逆变部分集成的能量变换系统上，功率范围从几百瓦到五千瓦，控 制电路主要采用数字化控制，注重系统的可靠性、安全性和扩展性，均具有 各种完善的保护电路。国内这方面的研究仍落后于国外，有待进一步赶上。 -3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2.2 现代逆变技术的发展趋势 随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术以及各种先进的控制方 法的运用，电力电子能量变换技术发生了革命性的变化。首先，元器件正朝 着损耗低、速度高、智能化程度高、封装合理、集成化等几个方向发展。低 导通损耗目的在于提高太阳能并网型逆变器系统提高效率；提高开关速度将 减小开关应力，延长开关寿命；智能控制目的在于提高系统可靠性和鲁棒 性；封装的改进将控制寄生参数、有效合理散热、保持高机械强度；集成化 的目的在于方便各种电能转换系统的设计。其次，数字信号处理技术的应用 并网逆变器可以减少逆变器输出的直流成分，提高开关频率，减小滤波器体 积，改善输出波形，降低 THD，快速响应电网幅值相位瞬态变化。先进的 控制方法目的大都是为了改善输出波形质量，从而减小滤波环节的体积；提 高系统的动态响应性能。主要表现为以下几个方面。 1、PWM 软开关技术 PWM软开关逆变技术是目前电力电子学领域最活跃的研究课题之一， 是实现电力电子技术高频化数字化的最佳途径之一，也是一项理论性与实践 机密结合的研究工作1213。PWM软开关技术的研究对于逆变器性能的提高 以及对电力电子学技术的发展，有着十分重要的意义，是当前逆变器的发展 的主要方向之一。软开关并不是没有损耗，只是把开关器件本身的一部分开 关损耗转移到为实现软开关控制而附加的谐振电路中的LC谐振元件上，开 关损耗总量上有所减少。 实现PWM软开关技术，将软开关技术引进到PWM逆变器中，使它既能 保持原来的优点，又能实现软开关工作，此方面的研究是软开关逆变技术研 究的重要目的之一。因此需要把LC与开关器件组成一个串并联谐振网络， 使PWM逆变器只有在开关通断过程当中产生谐振，实现开关的零电压开通 和关断，导通和关断情况下不发生谐振，以保持PWM交流逆变器工作特性 14。 2、多电平技术 传统的PWM技术包括上边所提的PWM软开关技术的缺点是具有较高的 和，以及由此引起的较严重的电磁干扰(EMI) 和较高的开关应 力 /du dt/di dt 15。D.A.Nabae针对大功率逆变器开关器件开关速度低的特点，于 1981 年 提出了多电平逆变技术，成为目前高压大功率逆变系统的一个重要发展方 向。多电平逆变技术的目的是改进通过对主电路拓扑结构，使所有逆变开关 -4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 都工作在低频状态，相应的减小开关应力和改善输出电压或电流波形1516。 3、电源并联技术 针对太阳能分散性的特点，在太阳能发电方面，分布式电源系统代替传 统集中式电源供电系统，分布式电源有系统灵活性高，开关频率兆赫级，功 率密度高、体积小重量轻等优点；各个模块的功率原件的电流应力小，提高 了系统的可靠性；分布电源系统可以方便的实现冗余控制；减少产品种类， 便于标准化生产17。这就使得电源并联技术成为太阳能光伏并网技术发展的 一个重要方面。 4、SVPWM 数字化控制技术 传统的正弦脉宽调制技术应用于逆变电源的控制时,存在调制度不高,电 压利用率低的问题，空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术能克服上述不足， 把用于三相电机控SVPWM控制方法，用于太阳能光伏并网逆变器的控制方 案，便于太阳能光伏并网逆变器的数字化，降低输出电压的谐波率，优化开 关次数，达到对太阳能光伏并网逆变器进行数字化控制的目的18,19。 1.3 太阳能光伏并网系统简介 光伏发电系统是直接将太阳光能转换为电能的装置，根据光伏系统与电 网的关系，可以分为独立于电网的光伏系统和并网系统。独立于电网的光伏 系统，常用在远离电网的偏远地区。而在并网系统中，光伏发电系统代替电 网提供功率，也把功率馈送回电网。直接把光伏电池与负载相连，中间不带 储能装置，这类光伏系统叫直接耦合光伏系统，但这类系统在阴雨天和晚上 的时候不能提供能量，所以通常中间要加入蓄电池。由于光伏系统受外界因 素影响比较大，所以为获得额定功率输出通常要加上控制器来调节、控制和 保护系统功能。 太阳能光伏并网逆变器的基本结构的结构如图 1-1 所示。太阳能光伏电 图 1-1 太阳能光伏并网逆变器的基本结构 Figure 1-1 Basic structure of solar photovoltaic grid-connected inverter； -5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 站逆变系统主要有以下几个模块组成：太阳能电池阵列、DC/DC 模块、 DC/AC 模块、滤波模块、辅助电源模块、输出电流及电网同步检测模块、 控制模块、中间电压检测模块和输入电压检测模块。 太阳能电池阵列产生的 0-24V 直流电压经过 DC/DC 模块转化成 5V 或 12V 稳定直流电压，再经过 DC/AC 模块逆变，然后经过滤波后并入电网。 通过控制电路加入有效的控制算法 DC/DC 模块和 DC/AC 模块，达到抑制 EMC 干扰和产生稳定并网电压的目的。 1.4 主要研究内容 本文的研究内容主要包括一下几个方面： 1. DC/DC 直流变换器的研究 通过研究太阳能光伏阵列的光电输出特性：光谱特性、照度特性和温度 特性15,16,17。设计DC/DC变换器控制策略，通过控制其输出电流的变化，达 到控制送入电网的电流的目的，从而实现并网发电。同时，控制太阳能电池 板的输出功率，使其工作在最大功率输出状态(即MPPT技术)，提高发电效 率。 2. DC/AC 交流变换器的研究 建立 DC/AC 交流逆变器的拓扑结构，通过电力电子仿真软件对其电气 特性和工作点进行分析，设计各部分元器件的参数，以达到优化逆变器结构 的目的。 3. 无差拍 SVPWM 控制算法的研究 在分析太阳能光伏并网逆变器的基础上，为了能实时的抑制输入电网 的谐波和无功分量，结合三相逆变电路的 SVPWM 控制方法，提出了一种 基于矢量脉宽调制(SVPWM)及无差拍算法的单相并网逆变器的控制方案， 即利用无差拍算法跟踪电流基波，利用 SVPWM 算法跟踪电流的参考值。 4. 电路仿真及结果分析 建立太阳能光伏并网逆变器的模型，记录各电压点的仿真曲线，对其 EMC 特性进行分析；在该模型当中加入无差拍 SVPWM 控制算法，再次记 录各个电压点的仿真曲线，并对其特性进行分析，证明太阳能光伏并网逆变 器的无差拍 SVPWM 模型控制算法可行性。 5. 无差拍 SVPWM 控制算法的硬件实现 本文通过 TMS320LF2407 的事件管理器实现了无差拍 SVPWM 算法的 硬件电路，实验结果表明该算法是可行的。 -6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2章 太阳能电池最大功率跟踪(MPPT)研究 2.1 太阳能电池特性研究 太阳能作为一种辐射能源，它必须借助于相应能量转换装置才能转换成 为可以被利用的电能。这种把太阳能转换成电能的能量转换器，就是太阳能 光伏电池。光伏电池阵列是太阳能光伏发电的基础。 2.1.1 太阳能电池的建模 太阳能电池模板是一种能够吸收太阳光并将其转换为电能的半导体装 置，它是由多个p-n结串并联组成。太阳能电池中由多个浓度中等的p极性底 座和浓度很大的n极性的薄层构成的p-n结组成。典型的p-n结太阳能电池单 元结构图如图 2-1 所示20。 图 2-1 p-n 结太阳能电池单元结构图 Figure 2-1 p-n junction solar cell structure 图 2-2 光伏电池的等效电路 Figure 2-2 Equivalent circuit of photovoltaic cells 为了建立太阳能光伏模板的数学模型，首先需要对太阳能电池的输出电 压电流特性进行等效。太阳能光伏电池的等效电路如图 2-2 所示。 2.1.2 太阳能电池的数学模型 根据太阳能电池的内部结构和输出伏安特性建立太阳能电池的电路模型 -7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 以后，通过对电路分析求出相关表达式来表示光伏电池电压电流输出特性， 进而建立太阳能电池的数学模型。 根据p-n结的电压电流特性表达式： / 0( DT VV D iIe1)=，其中 0 I 为p-n结 的饱和电流， D V为加到p-n结端电压，为温度电压量KT/q，K为波尔兹曼常 数（） ，T为热力学温度（K）,q为电子电荷（） T V 23 1.38 10/J K 19 1.6 10C 21。 分析图 2-2 电路模型的电路图可知： DS VVIR=+，从而可已得到 p-n 结 电路的伏安特性表达式： ()/ 0( S q VIRnKT L IIIe + =1) (2-1) 图 2-2 单元电路输出电流 L I 受光强 G 和温度 T 共同影响，通过式(2- 2)、(2-3)、(2-4)可以计算出光强为 G 和温度为 T 时的电流 L I 。对于典型的 太 阳 能 电 池 ， 当 光 强 G=1000 和 温 度 T1=25时 ， oC 3.8 sc IA=， ( 1) 3.8/ L T IA G=。 0 (1(1) L IIK TT=+ （2-2） ( 1)( 1,) */ L Tsc Tnomnom IG IG= （2-3） 0( 2)( 1)21( ()*()/ 1)sc Tsc Tsc T KIITTI= （2-4） 二极管的反向饱和电流 0 I 温度 T 影响，通过公式(2-5)、(2-6)可以计算 出某一温度 T 下的二极管饱和电流 0 I 。 1 /*(1/1/ 1) 3/ 00()*( / 1) * g qVnKTT n T IIT Te = （2-5） ( 1) 1 /1 0()( 1)*( 1) oc T qVnKT Tsc T IIe= （2-6） 输入电阻 S R 由公式(2-7)和(2-8)计算获得，可知8 S Rm=。 /1/ oc SVv Rdv dIX= ( 1)/ 1 * /* oc T qVnKT XIq nkTe= ()/ 0( 1)0 S q VIRnKT L IIIe + = （2-7） 0( 1)1vT （2-8） 把公式（2-1）变为，通过若干次次牛顿迭 代可以计算出某一光强 G、某一温度 T 和某一输出电压 V 下对应的电流 值。根据以上公式，很容易建立太阳能光伏电池的 MATLAB 仿真模型。 2.1.3 太阳能光伏电池阵列的仿真 根据光伏模板数学模型，我们就可以以建立光伏模板的 SIMULINK 模 型。在温度 T=25时，本设计选用的电气参数如下: ，21.0 oc VV= 3.74 SC IA=， ，17.1 m VV=3.8 m IA=，59.9 m PW=。 -8 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 2-3 太阳能光伏电池伏安特性图（T=50） Figure 2-3 Volt-ampere characteristics of photovoltaic cells (T=50) 图 2-4 太阳能电池伏安特性图（S=750） Figure 2-4 Volt-ampere characteristics of photovoltaic cells (S=750) 太阳能光伏电池的伏安特性曲线如图 2-3，图 2-4 所示。图 2-3 是 T=50 ， S=500、750、1000 时的伏安特性曲线，图 2-4 是 G=750，T=25 、 50 、75的伏安特性曲线及输出特性曲线。 oC oCoCoC 通过对太阳能电池的输出特性的分析可得出以下的结论： 1、太阳能电池的输出特性近似为矩形特性，即低压段近似为恒流电流 源，输出电压开路电压时，近似为电压源； 2、 开路电压同温度近似成反比，短路电流同日照强度成正比； 3、最大功率点电压约为开路电压的 80%左右； 4、输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池的最大功率点 (MPPT)。 -9 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.2 最大功率跟踪(MPPT)原理及实现方法 2.2.1 最大功率跟踪(MPPT)原理 图 2-5 最大功率点跟踪(MPPT)原理 Figure 2-5 Maximum Power Point Tracking (MPPT) Principle 最大功率跟踪(MPPT)控制策略是通过实时检测光伏阵列的输出功率， 采用一定的控制算法预测当前温度光照条件下阵列可能输出的最大功率，通 过改变当前接入太阳能电池的阻抗来满足最大功率输出的要求。这样即使光 伏电池的温度和光照强度发生变化使得阵列的最大输出功率变化时，系统仍 然可以运行在当前光强温度情况下的最佳状态21,22,23。 为便于说明，绘制出光伏阵列的电压电流输出特性如图 2-5 所示。图中 曲线 1 和曲线 2 为两种不同光强和温度条件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点。若某一时刻，系统运行在最大功率点A 点。当工作条件发生变化，光伏阵列的输出特性由曲线 1 变为曲线 2。此时 如果保持负载Rl不变，系统将运行相应的A点，这样就偏离了相应工作条 件下的最大功率点。为了继续追踪最大功率点，应当改变系统的负载至 R2，从而保证系统运行在新的最大功率点B。同样，如果工作条件发生变化 使得光伏阵列的输出特性由曲线 2 变为曲线 1，则相应的工作点由B点变化 到B点，应当相应的调整至负载Rl，以保证系统运行在最大功率点A24。 2.2.2 最大功率跟踪的实现方法 1、定电压跟踪法(CVT) 由图 2-6 可知，在日照强度稳定时，温度变化不大的情况下，曲线的最 -10 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 大功率点几乎垂直分布于一条垂直线的两侧，这说明太阳能阵列的最大功率 输出点在不同的光强下分布在某个电压值的附近，在系统对MPPT的要求不 高的情况下，可以根据此特点简化设计。该方法的控制原理是是从太阳能组 件生产厂商处获得一系列Vmax值，通过控制使阵列的输出电压即可实现最 大功率跟踪MPPT，也就是简单的定电压控制。采用CVT较之不带MPPT的 直接藕合的方式效果要好一些，对于一般光伏发电系统可望获大于 20%的 电能2627。但是由于这种方法忽略了温度对阵列光伏阵列输出电压的影 响，不适应温差较大的场所。为了克服温度变化对光伏发电系统带来的影 响，可以在定电压控制的基础上加以改进，即给定的Vmax随着季节变化而 变化。这种办法虽然简易，但需要人工干预，而且不够精确，不利于实际应 用；可以事先将不同温度下测得的Vmax值存储于微处理器中，实际运行 时，微处理器通过阵列上的温度传感器获取温度信息，通过查微控制器内部 的控制表确定当前的Vmax值。此法虽然能够自动调节Vmax，但存入的数值 是固定的，在设备状态有变化时将会出现非常大的误差。总的说来，定电压 跟踪法控制较为简单，且容易实现。 图 2-6 定电压跟踪原理 Figure 2-6 Principle of voltage tracking 2、扰动观察法 扰动观察法主要根据光伏电池的P-V特性，通过扰动光伏电池输出电压 来寻找MPPT，是目前实现MPPT较为常用的方法。其原理是先扰动输出电 压值()，再测量其功率变化，与扰动之前功率值相比，若功率值增 PV UV+ U -11 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 加，则表示扰动方向正确，可朝同一方向扰动VU；若扰动后的功率值小于 扰动前，则往相反方向扰动VU。通过不断扰动使阵列工作于最大功率点附 近28,29。图 2-6 说明了这个动态过程，若工作点在Ul处，此时光伏电池输出 功率为Pl，扰动光伏电池端电压使工作点移到U2，光伏电池输出功率为 P2，然后比较当前功率P2 与记忆功率Pl。由于P2P1，说明输入信号差 使输出功率变大，当前工作点位于最大功率值Pmax的左边，需要继续增大 电压，使光伏电池工作点继续向Pmax的方向变化。若工作点已越过Pmax到 达U4，此时若再增加，则工作点到达U5，比较结果；此时P5 0/ 0/ / /dI dUI U (2) 当太阳能电池工作在最大功率点右侧时，从图 2-7 可以看出， ，此时，说明参考电压应向着减小的方向变化。 /dP dU 0，则 D 减小，若 dD0, 则 D 增加； /dP dD 0, t时，取 2 v ，则 1 0 ( ) S S TT D k TTT = 1 = （3-20） （2） 当，即( )0 inv Uk ,2 t时，取 1 v ，则 1 0 ( ) S S TT D k TTT = 1 = （3-21） 通过改变逆变输出零电压矢量的时间分配与位置分布，可以得到各类优 化的SVPWM技术。图3-6给出了SVPWM三种开关模式的矢量分布图。 0 v 0 v 2 v 2 v 3 v 0/ 4 T 1/ 2 T 0/ 2 T 1/ 2 T 0/ 4 T 0 v 2 v 0 v 0/ 2 T 0/ 2 T 1 T 2 v 3 v 2 v 0/ 2 T 0/ 2 T 1 T a b c 图 3-6 三种开关模式 SVPWM 矢量分布图 Figure 3-6 Three type SVPWM switching pattern 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.3.2 无差拍 SVPWM 控制 1、无差拍控制原理 无差拍控制是一种基于对象精确数学模型的数字控制方法，具有响应 速度高的优点。由于其具有非常快的暂态响应速度，非常适用于易受外部多 变环境影响的太阳能光伏并网发电系统逆变器的控制。无差拍控制的基本控 制思想是：根据并网逆变器的状态方程和输出反馈信号来推算出下一个开关 周期的PWM控制脉冲宽度，用该PWM脉冲宽度来控制逆变桥相应的功率管 的通断，从而得到所需要的逆变器输出波形36。 无差拍控制的目标是使得每一个采样点上系统的输出都与其指令完全 一致，没有任何相位和幅值偏差。从其控制目标可以看出，无差拍控制方法 是数字控制所系统特有的控制方式。若当前控制量和输出量的关系如式(3- 22)所示 (1)( )( ( )( ) )x kAx kBu y kCx k +=+ = k ) ) (3-22) 则下一拍的输出量可表示为 (1)(1)( )(y kCx kCAx kCBu k+=+=+ (3-23) 用目标输出代替(1 ref yk +(1y k +， (1)(1)( )( ) ref ykCx kCAx kCBu k+=+=+ (3-24) 如果按照式(3-24)成立的要求来选择施加于控制对象的控制量,则由 式(3-22)、(3-23)可知： ( )u k 对于任意，都有 k ( )( ) ref yky k= (3-25) 以上表明：系统的输出在每一拍都与目标输出相等,即达到无差拍控制 效果。 2、控制脉冲宽度计算 单相光伏并网逆变器的原理图如图3-7所示。图中为直流侧电压， 由光伏阵列产生的直流电经DC-DC升压后得到，大约为400 V。由Q1 Q4组成全桥逆变器，Q1、Q4和Q2、Q3功率管交替导通，向电网输出并 网电能。L和C组成低通滤波器，滤除逆变器并网电流中的高次谐波， dc U L R 为输电线路的等效电阻。 逆变器运行时，其目标输出电流已知，输出的实际电流可以通过采样得 到。在进行并网工作时，滤波电容电流远远小于逆变器输出的电流，可忽略 -26 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 不计。根据图3-7列出时域方程。 b 1 Q 3 Q a 2 Q 4 Q b a dc V L C grid U inv U + L R 图