5000W光伏并网变流器的研究(孙琦)

1、西华大学毕业设计说明书 5000W光伏并网变流器的研究摘要：总所周知，全球能源正处于一种枯竭的状态，社会的发展急需绿色的可再生能源。太阳能作为一种理想优质的可再生能源，在全世界都得到了广泛的开发和利用，其中最主要的一个利用途径就是太阳能光伏发电。本设计对光伏并网发电系统做了详细分析和仿真模型搭建，重点对太阳能电池的输出特性做了研究和分析，并得出课题要求的5000Wk的输出功率；利用扰动观测法实现了最大功率点的跟踪；对变换器的几种不同的拓扑结构进行研究和分析，同时选择适合本设计的Boost变换电路；研究了逆变器的两种主要控制算法，并选择了SVPWM算法。根据理论分析的结果，本设计利用 Matla

2、b/Simulink 工具对太阳能光伏并网发电系统的仿真模型进行搭建，根据仿真的结果也证明了相关理论分析的正确性。关键词：光伏发电，逆变器，并网发电，MPPT，变换器Research of 5000 w photovoltaic (pv) grid inverterAbstract: As well as we know, social development and scientific progress, orldwide energy crisis beginning to show. Solar energy as an ideal renewable energy, has been

3、 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, the core of photovoltaic (pv) grid power generation syst

4、ems theory are analyzed, This paper mainly studies the maximum power tracking of pv system, inverter of different control algorithms, The corresponding control strategy and research design. Power output characteristics of photovoltaic cells are analyzed in detail in this paper, and studying a distur

5、bance observation algorithm to achieve maximum power tracking.in this paper, the photovoltaic system boost conversion circuit made comparatively detailed introduction, this article also done to the control algorithm of SVPWM inverter circuit theory is introduced in detail and analyzed.According to t

6、he result of theoretical analysis, this paper USES the Matlab/Simulink tool to build the simulation model of photovoltaic (pv) grid power generation system, the simulation results prove the validity of the theoretical analysis.Keywords: Photovoltaic power generation, grid-connected PV system,MPPT, H

7、YPERLINK javascript:void(0); inverter, HYPERLINK javascript:void(0); changer目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc388276925 1绪论 PAGEREF _Toc388276925 h 1 HYPERLINK l _Toc388276926 1.1太阳能的特点和分布 PAGEREF _Toc388276926 h 1 HYPERLINK l _Toc388276927 1.1.1太阳能的特点 PAGEREF _Toc388276927 h 1 HYPERLINK l _Toc3882

8、76928 1.1.2太阳能的分布 PAGEREF _Toc388276928 h 1 HYPERLINK l _Toc388276929 1.2太阳能能源可利用的形势 PAGEREF _Toc388276929 h 1 HYPERLINK l _Toc388276930 1.3我国光伏发电市场 PAGEREF _Toc388276930 h 2 HYPERLINK l _Toc388276931 1.4我国光伏发电前景展望 PAGEREF _Toc388276931 h 2 HYPERLINK l _Toc388276932 1.5光伏并网发电系统的优缺点比较 PAGEREF _Toc388

9、276932 h 3 HYPERLINK l _Toc388276933 1.6太阳能光伏发电系统 PAGEREF _Toc388276933 h 3 HYPERLINK l _Toc388276934 1.6.1光伏发电系统组成 PAGEREF _Toc388276934 h 3 HYPERLINK l _Toc388276935 1.6.2光伏发电系统的分类 PAGEREF _Toc388276935 h 4 HYPERLINK l _Toc388276936 2总体方案设计 PAGEREF _Toc388276936 h 5 HYPERLINK l _Toc388276937 2.1 D

10、C/DC变换器选择 PAGEREF _Toc388276937 h 5 HYPERLINK l _Toc388276938 2.2最大功率跟踪方法选择 PAGEREF _Toc388276938 h 7 HYPERLINK l _Toc388276939 2.3 DC/AC逆变器控制方法选择 PAGEREF _Toc388276939 h 8 HYPERLINK l _Toc388276940 3光伏电池的模型及仿真 PAGEREF _Toc388276940 h 9 HYPERLINK l _Toc388276941 3.1光伏电池的模型 PAGEREF _Toc388276941 h 9

11、HYPERLINK l _Toc388276942 3.2光伏电池的仿真 PAGEREF _Toc388276942 h 11 HYPERLINK l _Toc388276943 4最大功率点跟踪的算法及仿真 PAGEREF _Toc388276943 h 14 HYPERLINK l _Toc388276944 5 DC/DC变换器的模型及仿真 PAGEREF _Toc388276944 h 17 HYPERLINK l _Toc388276945 5.1 DC/DC变换器的模型 PAGEREF _Toc388276945 h 18 HYPERLINK l _Toc388276946 5.2

12、 DC/DC变换器的仿真 PAGEREF _Toc388276946 h 19 HYPERLINK l _Toc388276947 6 DC/AC并网逆变器的算法及仿真 PAGEREF _Toc388276947 h 20 HYPERLINK l _Toc388276948 6.1 DC/AC逆变器的模型 PAGEREF _Toc388276948 h 21 HYPERLINK l _Toc388276949 6.1.1电压型逆变电路 PAGEREF _Toc388276949 h 23 HYPERLINK l _Toc388276950 6.1.2电流型逆变电路 PAGEREF _Toc38

13、8276950 h 24 HYPERLINK l _Toc388276951 6.2 SVPWM的原理及仿真 PAGEREF _Toc388276951 h 26 HYPERLINK l _Toc388276952 6.2.1 SVPWM的基本原理 PAGEREF _Toc388276952 h 26 HYPERLINK l _Toc388276953 6.2.2 SVPWM的控制算法 PAGEREF _Toc388276953 h 30 HYPERLINK l _Toc388276954 6.2.3 SVPWM的物理含义 PAGEREF _Toc388276954 h 31 HYPERLIN

14、K l _Toc388276955 6.2.4 SVPWM的仿真 PAGEREF _Toc388276955 h 33 HYPERLINK l _Toc388276956 7结论 PAGEREF _Toc388276956 h 39 HYPERLINK l _Toc388276957 8全文总结 PAGEREF _Toc388276957 h 40 HYPERLINK l _Toc388276958 9致谢 PAGEREF _Toc388276958 h 41 HYPERLINK l _Toc388276959 10参考文献 PAGEREF _Toc388276959 h 42 HYPERLI

15、NK l _Toc388276960 附录 PAGEREF _Toc388276960 h 43 第 页1绪论人类的社会发展离不开能源，人类社会的能源危机开始逐步呈现。目前，人类主要利用的能源是化石能源，即使已在大规模生产和广泛利用的煤炭、石油、天然气等原始能源。但是，从现在已经了解和知道的能源存储量来看，这些能源仅仅可供全球使用大概一百多年的时间。化石能源过度消耗，已经对我们的生态环境造成了很大的破坏。因所以，绿色的、可再生的新能源的开发与发展，将对人类的社会发展提供坚挺的支持和支撑。1.1太阳能的特点和分布1.1.1太阳能的特点太阳能的存储量巨大、绿色干净、廉价；但是于此同时太阳能也有一些

16、它的不足之处，比如分布不均匀、日照变化不稳定等缺点。1.1.2太阳能的分布我国具有十分丰富的太阳能源。据官方有效数据统计，我国的太阳能每年的总辐射量约5*1018KJ，相当于燃烧1.9*1012吨煤，比年能源总的耗量高了好几个个数量级别。如果按照到达地面的太阳能平均功率为1000W/M2来进行计算的话，我国的太阳能的辐射功率可以达到9.6*1012KW，比我国目前的电力装机的总容量大约高了5*104倍。因此，研究及其发展太阳能光伏发电对于我国今后能源和电力的发展都具备很重要的意义。1.2太阳能能源可利用的形势太阳能的主要利用方式包含了太阳能热能利用、太阳能光化学利用和光生物利用太阳能光伏发电等

17、形式。1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。现阶段，当今社会所开发和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，是将太阳光辐射能转变成电能的一种绿色的无污染的发电方式。3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，而且太阳能光伏发电系统的建设周期也是很短的，这也是它的优势之一，规模的大小的设计自由度是很大的，也可以就地使用，容易储存。光伏发电的这些优点都是常规发电方式和其它发电方式不能与之抗衡的，而且使用

18、太阳能光伏发电还具有一个很大的优势，那就是它能够不为核电站可能会发生的核泄露事故而担心和忧愁以及这方面的资金投入。1.3我国光伏发电市场21世纪以来，我国的太阳能光伏发电市场在国家以及政府的推动下有了比较快的发展， “九五”至“十一五”的期间，我国开展了很多的城市并网光伏发电以及大型的并网荒漠电站的工程示范。同时，我国的“可再生能源法”也在2006年颁布了，我国政府各部委全部都以一种很积极的态度去推动太阳能光伏发电的应用和推广，启动了多个光伏发电项目。根据招标网的统计，在2008年我国通过公开招标的光伏发电项目一共有175个，已经完成和安装的光伏发电项目的总功率达到了30MW。虽然现在我国太阳

19、能的发展项目的容量是很大的，但是其中的98都是用于出口方面的，国内安装量只占了2，所以目前我国的光伏发电产业完全依赖国际市场。因此我国目前急需开拓国内市场。41.4我国光伏发电前景展望太阳能表面上看对于人类而言几乎是无限的能量，但情况并不是这样的，其实人类可以在地球上可以得到的的太阳能的资源是有一定的额度的。当我们需要在屋顶上进行太阳能热水器的安装的是时候，与之对应的便再也没有了在这个地方安装太阳能电池的机会。除了利用建筑物或者荒无人烟的沙漠之外，在其他的地方进行太阳能工程的建设是很不科学也是可能性很小的。这并不是单纯的经济上的问题，而是在于这样会对生态环境造成一些不可挽回的损害。简而言之，节

20、约能与昂，降低损耗是社会发展不可忽视的方面。我们从很多方面都能发现，很多发达国家现在仍然在使用很久以前的陈旧的产品或者仪器设备，经过访查，我们可以知道他们这样做并不是说是对以前的东西进行保护，而是通过这种途径起到节约能源的作用。当然，这里要有一个总体的经济指标来对能量的消耗进行判断的。如表1-1 是1980年以来我国国内光伏发电市场的发展。表1-1 1980年以来我国国内光伏发电市场的发展 单位：kW年度1980198519901995200020022004200620072008装机 870500155033002030010000100002000040000累计16.520017806

21、630190004500065000800001000001400001.5光伏并网发电系统的优缺点比较和独立的太阳能光伏发电系统相比，并网光伏发电系统给我们带来的好处是显而易见的：（1）不需要去考虑负载供电的稳定性和关于供电质量等的问题。（2）光伏电池始终工作在最大功率点的附近，由最大功率点吸收太阳能所发的所有的电能，最大限度的提高太阳能发电的效率。（3）太阳能光伏并网系统能够起到调峰的作用。（4）光伏发电是将电能直接进行输入，这样便可以最大限度的利用光伏电池生生的电能。从而没有了起到储能作用的蓄电池，降低了蓄电池充电以及放电的能量的消耗，同时也免除了对蓄电池的维护所带来了人力和经济的使用，

22、以及由蓄电池带来的间接污染，最大限度的降低了系统的成本。在太阳能发电的好处面前，我们也不能忽略它存在的一些问题，太阳能光伏发电系统也存在以下三大问题：（1）光伏发电阵列发电效率较低；（2）发电运行受环境因素的影响很大；（3）光伏发电系统的造价成本比较高。1.6太阳能光伏并网发电系统太阳能光伏发电系统的主要原理是利用光生伏打效应从而利用太阳光辐射的能量通过光伏电池转换为电能，然后再通过发电系统供应给负载或者并入电网。1.6.1光伏发电系统组成光伏并网发电系统主要是由以下一些部分组成：光伏电池组件、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、电网等。5光伏电池组件是电源系统， DC/DC变换器和DC/AC

23、逆变器是电源转换系统，电网是系统用户终端。1.6.2光伏发电系统的分类就目前全球光伏发电的发展情况来看，光伏发电系统可以分为以下两种类型：（1）独立光伏发电系统：独立光伏发电系统占据了中国主要的光伏发电的市场，同时几乎每一年都在以接近百分之二十的速度快速增长。（2）并网光伏发电系统：现阶段，并网光伏发电系统在国外已经有了大规模的应用，我国现也已经处于起步阶段，并且正投入大量的人力和物力在不断的进行研究和实验。这种并网发电系统分为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物巧妙的进行结合的屋顶发电系统正在全世界各国政府的支持下大力发展。美国、日本、德国等世界发达国家已有相

24、当规模的屋顶发电系统的发现现状。2总体方案设计本课题将重点研究以及分析光伏发电系统对大更了的跟踪算法以及控制，电压、电流的双闭环，进行并网控制，从而提高太阳能电池的输出效率以及输出质量。本文设计的5000W光伏并网发电系统主要是太阳能光伏电池、DC/DC变换器、DC/AC逆变器和电网四个核心成分组成的。首先要做的就是对本设计的每个部分分别选择正确的、方便的结果来进行仿真搭建，同时根据仿真结果来进行数据分析。2.1 DC/DC变换器选择直流-直流变流电路（DC-DC Converter）的主要作用是把直流电变成另外一个固定的电压或者是可调的电压的直流电，其中直接直流变流电路也可以叫做斩波电路，它

25、的主要功能和作用是把直流电变换成另一个固定电压的直流电。直流斩波电路有六种最为基础的斩波电路：Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路、降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路6。在本报告中，我将主要从后三种拓扑结构中进行选择。方案1：选择降压斩波电路，Buck变换电路的原理如图2-1所示。这个模型使用的是开关管MOSFET，但是也可以用IGBT。我们为了能够在开关管关断的时候可以给负载中的电感电流提供一个能够使用的流通通道，需一个续流二极管D。我们可以讲Buck变换电路的工作状态分为以下两种状体：开关管导通状态以及开关管关断状态。同时，我们可以通过改变开关管内部的占空比来实现最

26、大功率点的实现。当Buck变换电路内部的开关管导通的这个时候，直流电压经过电感L对电阻R进行供电的工作，它也向电容C进行充电；当Buck变换电路内部的开关管MOSFET关断时候，电感中的电流可以一直对R进行供电，电容也会向R进行供电。由分析得知，Buck变换电路的负载电阻上面的电压无论在什么情况下都是小鱼直流电压源的电压的，所以将这个电路称之为降压斩波电路，它的最主要作用是可以用于直流电机的调速以及用作直流稳压电源。图2-1 降压斩波电路原理图方案2：选择升压斩波电路，Boost变换电路的原理如图2-2。在分析升压斩波电路之前，我们先假定电路中的电感L的值也是十分大，同时电容C的值也很大。同理

27、，升压斩波电路我们也可以在两种情况下分别做分析：开关管导通状态、开关管关断状态。在电路中开关管导通的这个时候，直流电压这个首先会对电感进行放电，所以此时电感L上面的电流会很大，在这个时候，电容也会向R放电。开关管MOSEFET关断的时候的情况同理与降压斩波电路，直流电压流经L向R供电，同时也会向C充电。由于开关管导通时，L上已经有了很大的电流，所以负载上面的会有很大很大的输出电压，所以称之为升压斩波电路。升压斩波电路主要用为直流稳压电源和直流电机再生制动。图2-2 升压斩波电路原理图方案3：选择升降压斩波电路，Buck-Boost变换电路的原理如图2-3所示。同样，我们也假设电路中的电感L和电

28、容C的值都很大，使得电感电流和电容电压基本上是恒定的值。同样，我们也分为开关管导通和开关管关断两种情况来分别进行分析。当下面电路中的开关管是导通状态的时候，二极管首先会关掉，接下来直流电压会向L进行放电的工作，电容C也会向负载电阻进行放电的工作；在开关管关断的时候，此时情况和BUCK电路开关管关断时候的情况大致相同，于是电感将一直维持电流的方向不发生改变，电感L的反电动势会马上调转另外一个方向，这个时刻二极管导通，电感钟存储的电在这个时候会向负载电阻进行供电的工作，也会向电容C进行充电的工作。此时此刻的电容上的电压的方向和电感和电阻上的电流的方向都会马上发生改变。这个变换器是由降压和升压变换器

29、共同组成，它的作用是可以用于要求输入电压的共同段是负极性，而输出的电压是比输入电压更高或者是比输入电压更低的直流稳压电源。图2-3 升降压斩波电路原理图综合上述三种不同的变换器的主要的拓扑结构的理论分析和研究，由于此次的可以要求系统通过DC/DC变换器之后的输出功率较高，因此，本课题的研究选择用升压变换电路，即选择方案2.2.2最大功率跟踪方法选择光伏电池的内部结构式非常复杂的，而且转换效率也比较低。与此同时，光伏电池的工作特性是非线性的，它的输出功率会受到光伏电池表面的温度和太阳光的光照强度的影响。当温度发生改变或者太阳光的光照强度发生改变的时候，光伏电池的输出特性都会随之发生改变，当然，它

30、的输出功率同时也会发生变化。因此，我们为了能够最大程度的利用光伏电池输出的电能，就希望光伏电池可以工作在一个最大的功率点。MPPT的算法主要可以分为以下两种：扰动观测法和导纳增量法。方案1：采用扰动观测法。扰动观测法是通过去控制光伏电池的输出电压去控制光伏电池的输出功率。当光伏电池在某个电压下工作时，给予它一个很小的电压扰动。从而通过两次采样得到的功率的变化去判断这个扰动的方向的趋势是正确还是错误的。如图所示，当我们去增加光伏电池的输出电压的时候，如果这个时候光伏电池的输出功率是增大的，那么就说明了这个工作点在最大功率点的左边，这个时候就应该继续去增加光伏电池的输出电压；但是如果我们增大光伏电

31、池的输出电压的时候，光伏电池的输出工功率这个时候是减小的，那么就说明我们检测的这个工作点是在最大功率点的右边的，我们就应该马上去减少光伏电池的输出的电压。反复的做此类试验，直到我们得到光伏电池工作在最大工作点。扰动观测法的优点是方法简单并且可靠，但是也具有一些缺点。那就是要给系统引入一个扰动量，这很有可能会导致系统一直在最大功率点的周围一直振荡，同时要找到一个比较合适的也是一件很困难的事情。方案2：采用导纳增量法。通过对光伏电池的P-V曲线分析可得，最大功率点位于P-V曲线的最高点，在这一点，光伏电池的输出功率对输出电压的导数为零。导纳增量法的实现如下所示： （2.1） （2.2） （2.3）

32、 （2.4） （2.5） （2.6）便被称为光伏阵列的微变电导公式便是光伏电池最大功率的数学条件。也就是说当光伏阵列的微变电导和负载的等效电导的负值是相等的时候，光伏电池便可以判断出工作在最大工作点。但是还有一种情况，就是两者并不相等，这个时候我们便需要去判断大于或者小于零，并以之来判断电压变化的不同方向。详细具体的理解是，用仪器去分别检测光伏电池的输出电流和输出电压，由此去计算和，然后去计算以及。当，则，可以知道太阳能电池的工作点这个时候是处于最大功率点的左边的，这个时候我们便应该增加太阳能电池的输出的电压；反之我们就应该去减小光伏电池的输出的电压。导纳增量法在最大功率点跟踪的所有方法中，准

33、确性是最高的。而且即使光伏电池的温度或者太阳光的光照强度发生改变的时候，光伏电池的输出电压都可以以很平稳的方式来追踪变化，电压波动也很小。但是导纳增量法也有它的缺点，那就是控制算法十分的复杂，而且它对控制系统精确度的要求也很高。综合上述两种方法的优与劣，我选择了用扰动观测法。2.3 DC/AC逆变器控制方法选择就光伏发电系统的发展现状来看，DC/AC逆变器的控制算法分为SPWM和SVPWM两种。两者各有优劣，下面，我将通过对两种控制方法的详细分析来选择其中的一种作为DC/AC逆变器的控制方法。方案1：采用SPWM。SPWM的信号波是正弦波，是由正弦波等效合成的相同幅值但是不等宽的矩形脉冲波形。

34、它的脉冲宽度是由三角波和正弦波这两种不同波形共同产生的。SPWM（正弦波脉宽调制）虽然可以产生三相正弦电压，但它的直流侧的电压利用率很低，这也是这种方法致命的缺点，也正是因为这个原因，我放弃选择此种方法。方案2：采用SVPWM.SVPWM调制是将逆变器和电动机看成整体，用八个基本电压合成期望的电压矢量，建立逆变器功率器件的开关状态，当定子绕组施加理想的正弦电压时，轨迹为圆形。SVPWM比SPWM的直流侧电压利用率要高达15%左右，同时具备器件开关次数比较少、损耗较低、易于实现数字控制以及更好的动态性能。综合两种控制方法的优劣，为更好的实现课题要求，故选择方案2.3光伏电池的模型及仿真3.1光伏

35、电池的模型光伏电池的内部结构很复杂，一般我们都会用等效电路来模拟和展示光伏电池。光伏电池的等效电路如图所示。图3-1 光伏电池等效电路根据KCL理论，光照产生得到的光电流，减去二极管的正向导通电流，然后减去光伏电池的漏电流，便可以得到光伏电池的输出电流，图中的是光伏电池盒金属环电极上的等效漏电阻，则是光伏等效电池中的等效内阻。根据图1，可以得到光伏电池的I-V方程： （3.1）注：-二极管反向饱和电流； q电子电荷；A二极管品质因子；K玻尔兹曼常数；T绝对问对。现实计算中，为了方便分析，一边会对公式做近似处理：（1）忽略，因为在一般情况下，这一项是比光电流要小很多很多的；（2）假定，同时假定当

36、电路开路时，在最大功率点，有。在做了以上两点的近似后，我们便可以简化光伏电池的I-V函数方程： （3.2）开路状态: （3.3） （3.4） （3.5） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8）由以上解出的公式可以得到光伏电池在光照强度为1000W/m2、光伏电池表面温度为250C的状态曲线。3.2光伏电池的仿真在对以下的光伏电池的等效电路图进行较为详细的分析和研究之后，接着本课题利用Matlab/Simulink工具可以搭建出光伏电池的仿真模型，并通过对光伏电池的仿真便得到不同光照强度和不同表面温度下的太阳能光伏电池的I-V和P-V曲线的波形。图3-2 光伏电池仿真图3-3 光伏电池内

37、部subsystem2仿真图3-4 光伏电池内部subsystem3仿真根据上述仿真图进行仿真，得出的光伏电池具体I-V和P-V曲线，如下图所示。图3-5 光照强度为1000W/m2时，不同表面温度下的I-V曲线上图为当太阳光的光照强度为1000W/m2时，光伏电池的表面温度分别为250C、450C、650C的情况下光伏电池的输出电流和输出电压之间的关系曲线。由该图分析可知，光伏电池的开路电压VOC是随着光伏电池表面温度的升高而减小的，而短路电流ISC则是随着光伏电池表面温度的升高而增大的。由此我们也可以得出结论：光伏电池的表面温度的变化会对光伏电池的输出特性产生很大的影响。图3-6 光照强度

38、为1000W/m2时，不同表面温度下的P-V曲线图3-6表示的是当太阳光的光照辐射强度为1000W/m2时，光伏电池的表面温度分别为250C、450C、650C时光伏电池的输出功率和输出电压之间的关系曲线。由此图分析我们可以知道，光伏电池的输出功率是随着光伏电池表面温度的升高而减小的。与此同时，我们也可以从图中得出，图3-6中的每一条的P-V曲线都有一个最大的值，这个最大的值对应的电压便是太阳能光伏电池的最大功率点，最大功率点对应着唯一的输出电压。图3-7 光伏电池表面温度为250C时，不同的太阳光的光照强度下的I-V曲线图上图为光伏电池表面温度为250C时，太阳光的光照强度分别为1000W/

39、m2、800W/m2、600W/m2时，光伏电池的输出电流和输出电压之间的关系曲线。由上图分析我们可以得知，光伏电池的开路电压VOC随着光照强度的减小而减小，而短路电流ISC则随着光照强度的减小大幅度的减小。因此我们可以得出这样的结论：太阳光的光照辐射强度对光伏电池的输出功率的影响是十分大的。图3-8 光伏电池表面温度为250C时，不同的太阳光的光照强度下的P-V曲线图上图表示的是当光伏电池表面的温度为250C的时候，当太阳光的光照强度分别为1000W/m2、800W/m2、600W/m2时，光伏电池的输出功率和输出电压之间的关系曲线。根据上图分析可知，光伏电池的输出功率随着光照强度的减少而减

40、少。与此同时，我们也可以从图中得知，每一条P-V曲线有且只有一个最大值，这也正是上文提到过的最大功率点。由四个仿真图分析我们可以知道，当太阳光的光照强度为1000W/m2，光伏电池的表面温度为250C时，光伏电池的输出功率是最大的，也是最为理想的情况。4最大功率点跟踪的算法及仿真由对光伏电池的工作特性的仿真和结果分析可知，在光伏电池的工作区间中只有一个点是最大输出功率。这个点是光伏电池的最大功率点，光伏电池的最大功率点随光伏电池的温度和太阳光的光照强度的变化而改变。而最大功率点的跟踪是能够通过DC/DC变换电路来进行实现的，也就是说，我们可以通过调节或者是去改变DC/DC变换电路的内部的开关管

41、IGBT的内部的占空比就可以去改变太阳能光伏电池的输出功率。在此设计中使用的最大功率点跟踪的控制算法方法是扰动观测法，所以下文也只将就扰动观测法做详细分析。图4-1 扰动观测法搜索最大功率点通过本文第二章对两种控制算法的分析和研究可知，扰动观测法的主要原理是通过改变光伏电池的输出的电压，给予输出的电压一个比较小的的电压扰动，然后就根据检测模块检测出来的光伏电池的输出电压和输出电流去计算出扰动之前与扰动之后的两个输出功率，然后根据扰动之前和扰动之后的公式的大小的值比较去确定下一步的扰动方向。如果是，则可以的得知扰动的方向是正确的，我们应该继续给予它相同方向的扰动。如果，则可以知道扰动方向是错误的

42、，下一次应该给予相反方向的扰动。按照这样的方法，反复给予光伏电池的电压一个很小的扰动，一直到系统可以找到光伏电池的最大功率点也就是输出功率最大所对应的电压的这个店为止。图4-2 扰动观测法下MPPT仿真图图4-3 MPPT输出仿真波形图4-4 扰动观测法下产生PWM波仿真图图4-5 PWM仿真波形通过仿真结果可以得知，扰动观测法下的MPPT搭建正确，并根据修改光伏电池内部参数，成功得出课题要求的5000W的输出功率。图4-6 5000W功率输出仿真波形5 DC/DC变换器的模型及仿真由电力电子学所学到的知识，升压斩波电路较适合于本课题的要求，从升压斩波电路的等效电路模型进行详细的研究的分析之后

43、，便可以在Matlab/Simulink工具下搭建出DC/DC变换器的仿真模型，并接在光伏电池的输出的地方、DC/AC逆变器的输入的地方。5.1 DC/DC变换器的模型由第二章可知，在DC/DC变换器方面，我根据课题要求，选择用的是Boost升压电路（升压斩波电路）。下面，我也将重点介绍升压斩波电路的模型。图5-1 升压斩波电路等效电路图为升压斩波电路的等效电路图。在分析之前，我们首先假定电路中的电感和电容的值都很大。当开关管MOSFET处于导通状态时，直流电源向电感充电，此时电流基本为一个恒定的值，与此同时电容也要向负载电阻供电。因为电容的值很大，所以可以保持输出电压也为一个恒定的值。假设开

44、关管导通的时间为，在这个时间段电感上面累计的能量为。当开关管处于关断状态时，电源和电感会同时向负载供电。同样，我们假定开关管在关断状态下的时间为，所以在这个时间段，电感释放出来的能量大小为。当电路处于稳定的状态的时候，在一个周期T中电感上积累的能量和它所释放的能量是相等的。 （5.1） （5.2） （5.3）所以输出的电压肯定电源电压要高一些的，所以把这种电路叫做升压斩波电路。表示的是升压比，只要我们去改变它的大小，就可以改变输出的电压的大小，具体的调节方法如下所示。设升压比的导数为： （5.4） （5.5） (5.6) 通过上文的分析和研究，我们能够得知Boost变换电路能够起到使得输出的电

45、压增大的作用，从而变换电路接入逆变电路的输出的电压就可以是高于电源的电压的，这样便可以起到本设计课题所要求的变换电路的作用，这个变换器能够实现这样的作用的主要的原因是下面的两点：因为电感上面存储了能量之后便具有了能够使得电压升高的作用；而变换电路中的电容则起到了维持输出电压的作用。在分析中认为直流电源在导通的状态下时是因为电容的作用使得输出电压保持恒定的值，但在实际的应用中电容的容量是不可能无限大的，所以在这个时间段直流电源向负载供电时，输出电压肯定会减小的，所以时间的输出电压会比上面的分析结果要小一些的。但是因为在这个电路中的电容的数值很大，所以误差很小，可以忽略掉误。 （5.7） （5.8

46、） （5.9）5.2 DC/DC变换器的仿真由DC/DC变换电路的等效电路的分析和研究，可以在Matlab/Simulink下搭建DC/DC变换器的仿真模型。但是这里要说明的一点是，由于本设计的输出电压和输出功率比较大，因此在搭建仿真模型的时候开关管选择用的是性能更好一些的IGBT，而不是MOSFET。图5-2 DC/DC变换器仿真模型本设计的DC/DC变换器采用的是Boost直流升压电路，将光伏电池的输出电压升高后在输送给后面的DC/AC逆变器进行交直流的逆变，使得光伏电池的输出电压能够与电网电压匹配，从而并入电网，这样做也省去了笨重昂贵的工频变压器。与此同时，DC/DC变换器还有一个很大的

47、特点，那就是通过调节和改变DC/DC变换器内部的开关管的占空比来完成光伏电池的最大功率点跟踪，确定光伏电池一直工作在最大功率点。根据电力电子学这门课程所学的知识，我们可以知道，当电感的电流一直连续时， （5.10）是DC/DC变换器的输出电压，也就是DC/AC逆变器的直流母线电压，是输出电压。光伏并网发电系统的DC/AC逆变器将会通过电压和电流的双闭环，以使得Boost升压电路的输出电压保持基本恒定的值，所以光伏电池和DC/DC变换器内部的开关管也就是IGBT的占空比直接相关，我们只要去调节IGBT的占空比就可以改变光伏电池的输出电压，就可以顺利的实现光伏电池的最大功率点的跟踪，也就是MPPT

48、。通过对DC/DC变换器的仿真所得到的波形图如下所示：图5-3 直流母线电压图图5-4直流母线电流图6 DC/AC并网逆变器的算法及仿真DC/DC变换器是DC/AC逆变电路的的前一级电路，DC/AC逆变器分为单相和三相两种，主要作用是用来实现光伏发电系统的并网以及有功功率和无功功率的补偿、谐波的补偿。根据电力电子学所学的知识，我们同一把直流电与交流电之间的变换叫做逆变。当交流侧需要并入电网的时候，叫做有源逆变；而反之当交流侧是直接和负载连接在一起时，则称之为无源逆变，本设计因为要求并入电网，因此，为有源逆变。逆变电路在当今科技高速发展的社会中的应用时非常的广泛的。在现在已经存在的各种电源中，干

49、电池、光伏电池以及蓄电池都是直流电源，当我们需要利用这些直流电源向交流的负载供电的时候，便需要逆变电路来实现供电。交流电路在工作过程中将会不断的发生电流从一个之路跟另外一个之路之间的转移，这就是环流，环流方式在逆变电路中具有十分重要的地位。6.1 DC/AC逆变器的模型光伏并网发电系统中的核心部分DC/AC逆变电路一般情况是可以分为以下的两种不同形式：第一种是采用工频变压器来进行隔离和升压然后在连接并入电网；第二种则是本设计中所采用的方式，那就是利用DC/AC逆变器前一级的DC/DC变换器来进行高频升压。两种不同形式详情如下图所示。图6-1 工频变压器隔离升压原理结构图图6-2 DC/AC逆变

50、器并入电网原理结构图由于本设计是用于光伏并网发电系统的较大功率的并网装置，因此我选择采用的是图20所示的方案，也就是利用DC/AC逆变器将光伏发电系统并入电网。在DC/AC逆变器的环流过程中，有些支路需要从通态装换为断态，而相反的有之路需要从断态转换为通态。从断态转移到通态，无论这个支路是全控型的还是半控型的只需要给予门级一定的适当的驱动信号就可以让它导通。但是当需要从通态转移到断态的时候就有很大的不同之处。全控型器件可以控制门级信号让它断开，但是对于半控型器件来说，必须要利用外部的一些条件或者采取一些其它的措施才可以让它关断。一般情况，需要在晶闸管电流过零之后再去施加反向电压，这样才可以让它

51、关断。因为要让器件关断，最重要是是要让晶闸管关断，这个要比让晶闸管导通要复杂很多，因此，我们要研究换流方式最重要的是去研究如何关断晶闸管。四种换流方式中，第一种所讲的器件换流方式器件换流仅仅适合用于全控型的器件，而剩下的三种换流方式主要是用于晶闸管的换流。其中器件换流和强迫换流这两种换流方式都是一位器件或者变流器本身的一些原因从而实现换流的，他们两种换流方式都是属于自换流；而电网换流和负载换流这两种换流方式并不是依靠变流器内部的原因去实现换流的，他们都是借助于外部的一些手段去实现换流，所以这两种换流方式是属于外部换流的。采用自环流方式的逆变电路统一的称之为自环流逆变电路，与之相反的采用外部换流

52、方式的所有逆变电路则统称为外部换流逆变电路。当电路不是从一个之路转移到另外的一个之路，而是在之路内部就终止了流通从而变成零，则称之为熄灭。6.1.1电压型逆变电路单相电压型逆变电路：（1）半桥逆变电路：这种电路的原理图上面是有两个相同的桥臂的，每个桥臂都是由一个可控的器件以及一个反并联的二极管所组成的。同时在直流侧需要接有两个串联的值也很大的电容，这两个电容之间的连接点便是直流电源的重点，而负载则接在直流电源的重点以及两个桥臂之间的连接点上面。半桥逆变电路具有很多优点：线路结构简单，使用的的器件数目少。但是也具有一定的缺点和缺陷，例如输出的交流的电压的幅值是比较小的，同时直流侧必须有两个完全相

53、同的电容器串联在一起的，这种电路在工作的时候还必须同时要去控制这两个完全相同的电容器的电压的均衡与否的情况，所以这种电路一般都用于功率比较小的逆变电源。（2）全桥逆变电路：它共有四个桥臂，因此我们可以把它看做是由两个半桥逆变电路的一个组合，它的输出电压的波形和半桥逆变电路的输出电压的波形是相似的，也是矩形波，只是幅值高了一倍。三相电压型逆变电路： 三相电压型逆变电路的原理图如下图所示：图6-3 三相电压型逆变电路原理结构图 根据电子电子学的知识，当我们和单相半桥逆变电路以及单相全桥逆变电路进行比较可以得知，这种逆变电路的基本工资方式同样也是1800导电方式，所以在随便那个时刻，这个电路中都会是

54、三个桥臂是同时导通的的情况，这种导通也是分为两张导通的组合的。每一次电路中所进行的的换流都是在同一相的上面的桥臂和下面的桥臂之间所进行的，所以这种逆变电路也可以有另外一个名字纵向换流。6.1.2电流型逆变电路正如前文所论述的内容一样，当直流电源是电流源的时候这种逆变电路叫做电流型的逆变电路。下面的论述中我将分别从单向逆变电路和三相逆变电路来分别做说明，在这里很值得说明的一点是在电流型逆变电路中，一般来说采用半控型的器件的电路是最常见的也是最普遍的，它的换流方式的话有一些是用的负载换流，还有另外的一些换流方式采用的是强迫换流。在实际应用中负载一般情况下都是电磁感应线圈，需要用来加热线圈里面的钢料

55、。因为功率因数比较低，所以要并联一个补偿电容器。电容和电感以及电阻一起就可以组成了并联谐振电路，所以一般情况下，单相的电流型的逆变电路也可以叫做并联谐振式逆变电路。从所学的知识中我们可以得知电流型的逆变电路中的交流的输出电流是矩形波，但是其中又包含了一些基波和各奇次谐波，谐波的幅值是远远小于基波的幅值的。又可知谐波在负载电路上面所产生的压降十分的小，所以说负载电压的波形是约是正弦波的形状的。三相电流型的逆变电路的工作方式是1200的导电方式。三相电流型逆变电路的结构如下图所示。图6-4 电流型三相桥式逆变电路结构图输出电流的波形和三相桥式可控整流电路在大电感的负载情况下的交流输入电流波的形状是

56、相同的，所以，他们的谐波的表达式也是一样的。输出点线电压波形和负载的性质相关。输出的交流电路的基波的有效值和直流电流的关系：电流型三相桥式逆变电路还能去实现驱动同步电动机，同时利用滞后于电流的相位的反电动势就可以实现换流。由于同步发电机是属于DC/AC逆变器的负载，所以这种换流方式是属于负载换流的。用逆变器来驱动同步电动机的时候，它的工作特性以及调速方式和直流电动机都很相似，但是并没有换向器，所以也可以称之为无换向器电动机。6.2 SVPWM的原理及仿真SVPWM是这些年来发展的很快的一种很新潮的逆变控制方法， SVPWM和SPWM有很多不一样的地方，比如说SVPWM这种脉宽调制方法是从三相输

57、出电压的一个整体效果所出发的，主要的重点在于怎么样让电极可以获得最为理想的圆形磁轨链轨节，而且SVPWM的绕组电流的波形的谐波的成分是很小的，这样可以让电机的转矩脉动大大的降低，旋转磁场也就更加的逼近于圆形的形状，而且对直流侧母线电压的利用率提高了很多，还有一点很重要的那就是更容易实现数字化。下文，我将对SVPWM的算法做详细的分析以及阐述。6.2.1 SVPWM的基本原理六个非零矢量的作用的时间在每个采样周期中要分很多次来施加，然后通过这个去控制每个电压矢量的作用时间，从而使得电压空间矢量可以近似于一个圆轨迹来进行旋转，然后再根据逆变器在不同开关状态下产生的实际的磁通去逼近于最为理想的磁通圆

58、，然后再根据两者的比较的结果去决定DC/AC逆变器的开关状态，然后就可以形成PWM波形了。逆变电路如下图所示。图6-5 DC/AC逆变电路假定直流侧母线的电压是，DC/AC逆变器输出的三相的相电压为，这三个相电压分别添加在空间上面依次相差1200的三相平面的静止坐标系上面，我们将三个电压空间矢量依次定义为，这三个电压空间矢量的方向都在每一相各自的轴线上面，但是他们的大小则跟随时间的变化按照正弦规律来变化，时间上的相位依次相差1200。 (6.1) (6.2) (6.3)其中，所以可得合成空间矢量为： (6.4)因为本设计选择用的逆变电路是三相的，所以一共有六个开关管。为了研究每一相的上桥臂和下

59、桥臂的不同开关管的每种组合，也为了研究和分析DC/AC逆变电路所输出的空间电压矢量，所以我们便自己定义了一个开关函数为：所以通过对此的分析我们可以得出结论：(Sa、Sb、Sc)的组合八种，其中包括了6个非零的矢量：Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、以及两个零矢量 U0(000)、U7(111)，下文将以八种组合中的一种开关组合为例来进行详细的分析。假设S4(x=a、b、c)=(100)，分析可得： (6.5)表6-1 开关状态与相电压和线电压的对应关系SaSbSc矢量符号线电压相电压UabUbcUcaUaNUbNUcN000U000

60、0000100U4Udc00110U6UdcUdc0010U20UdcUdc011U30UdcUdc001U100Udc101U5Udc0Udc111U7000000八个基本的电压空间矢量的大小和位置如下图所示。图6-6 电压空间矢量图 （6.6）也可以等效为下式： （6.7）注：Uref：期望电压矢量；T：采样周期。6.2.2 SVPWM的控制算法空间矢量调制的算法首先要去判断的是U和 U所决定的空间电压矢量所在的是具体的哪个扇区。我们假设合成的电压矢量是落在第I 扇区的，分析可知等价条件如下：0arctan(U/U)0 ，U0 且U/ U0 ， 且U/ |U|U0 且-U/ UU0 ，U0