【《光伏并网系统设计及仿真分析》16000字（论文）】

光伏并网系统设计及仿真研究摘要21世纪以来,随着清洁能源的不断推广使用,不可持续再生的天然化石利用能源日益遭到枯竭,导致室内环境污染更大,人们将不断寻找和停止使用清洁的可再生化石能源。太阳能电池具有取之不尽、用之不竭、无任何污染的三大特点,受到人们的高度重视。太阳能发电的应用和推广对全人类也是有益的。因此,研究光伏发电技术具有重要意义。光伏组件可以转化为直流太阳能发电装置,值得进一步研究。光伏组件由硅和其他半导体材料制成的光伏电池组成。小型光伏电池可以为微型计算器提供动力,而大型光伏阵列可以为消费者甚至电网提供电力。为了真正实现最高的电机功率综合利用率,将电机采用最小一个功率点自动跟踪(MPPT)技术和脉宽调制(PWM)技术来完成光伏并网逆变器阵列的开发。本文将最大功率检测点自动跟踪(MPPT)控制技术部分应用于其中DC-DC超高升降降压逆变电路、DC-AC降压逆变控制电路、MPPT控制技术。首先详细区分介绍了旧型DC-DC和新型DC-AC两种类型拓扑电路结构,并分别选择了单桥升压逆变电路和全新多桥升压逆变器的单相非直流隔离类型拓扑电路结构,进一步研究了太阳能逆变器的控制方法。在Matlab/Simulink中我们仿真了各种太阳能光伏逆变器的不同最大电源功率点自动跟踪控制算法，并通过选择电导率和增量计算法技术作为最大电源功率和节点自动跟踪的一个核心控制算法。本文首先介绍了光伏并网系统的重要性和应用发展以及光伏并网系统的基本原理,然后介绍了利用逆变器直流/交流技术设计单相太阳能逆变电路的方法,并在Simulink仿真模块中进行了验证。最后我们给出了初步结论和技术展望,为今后硬件调试电路的设计搭建和软件调试应用提供了重要理论依据。关键词：逆变器；逆变电路；升压电路；最大功率点跟踪；目录TOC\o"1-3"\h\u1473第1章绪论 374331.1研究背景及意义 3264731.2国内外研究现状 462231.2.1国外研究现状及发展趋势 4213711.2.2国内研究现状及发展趋势 5324041.3光伏并网逆变器的概述 6217311.3.1光伏发电系统的组成 6171101.3.2光伏并网逆变器的分类 7325841.4课题主要研究内容 827711第2章光伏并网逆变器的基本理论 10242902.1光伏并网逆变器的结构 10146102.2DC-DC升压电路 11143782.2.1拓扑结构的选 11261402.2.2原理介绍 1176872.3DC-AC逆变电路 1399062.3.1拓扑结构的选择 13231372.3.2原理介绍 15310942.4最大功率追踪概述 17174692.5本章小结 2210371第3章光伏发电最大功率点跟踪策略的研究 23142913.1扰动观察法 23306343.2电导增量法 2518494第4章MPPT控制算法基于Matlab的仿真分析 27230144.1MPPT和PWM模块简介 27163054.2电导增量法的波形分析 2838964.3扰动观察法的波形分析 3227226第5章结语 3822146致谢 3918776参考文献 4031514附录A 42绪论研究背景及意义随着进入当今世界全球能源经济高速健康稳定发展,能源已经逐渐发展成为工业现代化和人类工业经济社会生产以及农业居民生活不可或缺的组成部分重要经济生产动力成分。能源问题关乎国家的民生大计,随着一次能源的不断开发,能源紧缺已经成为我们长久以来面临的难题。能源过度利用导致的全球变暖,酸雨等现象威胁着人类的生活,研究者一直在寻找替代性能源。如风能、太阳能、潮汐能,生物质能。我国在"十三五"的布局中明确提出,全面推进可再生能源发电,优化资源配置。积极推进光伏、陆地和海上风力等清洁能源的持续发展。我国的西部以及地中海地区面积辽阔,有的部分沿海地区夏季白天光照充足,分布式供热风力电源并网系统用户可以直接将其组合使用起来从而形成一个大型微电网式的供热电源系统,可以为一定温度区域内的风力发电机和负荷同时进行并网供热、制冷、提供稳定性的电能。太阳能作为资源利用分布相对广泛,将大量太阳能转换成其他电能的一种技术,是一种理想的,高效清洁而且无污染的发电技术。也是最具有研究利用价值的新能源之一。以前的由于光伏储能电池的研发制造工程成本高,利用率低,因此光伏储能发电电池只能广泛应用于一些小型的发电光伏系统或者一些偏远地区的光伏供电,现在,随着我国光伏储能电池的研发制造工程成本的不断降低和光伏能源综合利用率的不断提高,再辅之加上我国特高压光伏输电系统技术的不断创新突破,光伏电池发电的广泛应用已经得到了极大的推广普及,在全国范围内增建了大量的光伏电站。光伏电池也是分布式电源,大部分用于微电网发电系统或是靠近负荷侧,以减少传输损耗,具有离网运行模式和并网运行模式两种模式。例如:地广人稀的地区中的农民和牧民用电户、某些地区通信铁塔设备的用电等。并网模式则是将光伏发电设备产生的电能向电网输送,这已经成为目前人们合理使用太阳能的主要方法。太阳能光伏综合发电成套系统技术有了质的巨大飞跃。发电站的成本效益在逐年明显下降,发电的并网频率和利用市场经济利益也在进一步提高,这为大中小规模投资发展大型太阳能光伏地热发电站的并网利用提供了坚实基础。国内外研究现状国外研究现状及发展趋势光伏电池阵列mpptu的技术应用是目前决定光伏系统电池发电性能效率的一个关键技术,受到内外界工作环境和光伏电池组件自身发电性能因素影响,光伏阵列电池的m-p-u功率曲线通常呈现多峰值的特性REF_Ref13653\r\h[1]。一些采用传统基于局部采样处理数据的直接的mmppt参数控制计算方法,往往因此会陷入缺乏局部最优选择值而导致失效。群体智能算法为非线性函数求解极值问题提供了新思路,目前已被广泛运用于光伏MPPT控制中REF_Ref13744\r\h[2]。但采用跟踪式搜索策略的传统智能算法,在算法后期存在种群聚集现象,导致寻优机制失效、寻优精度不高等问题。而如何高效的提高遍历性是群体智能算法作为随机搜索算法所面临的共同问题。智能算法广泛应用在光伏电站发电最大光伏功率点自动跟踪上。已逐渐成为现在医学研究的一个热点。例如:FWA于2010年由数学TAn和Zhu提出,是一种用于模拟中国烟花社会爆炸发生过程的新一代群体人工智能算法,主要利用烟花爆炸时火花位置的随机性和发散性来达到区域搜索的目的。爆炸式搜索行为是FWA独有的特点,具有很强的探索能力,寻优精度高。但也存在一些不足之处,不少学者提出了很多优化烟花算法的办法。文献REF_Ref14035\r\h[6]提出一种增强型烟花算法,对烟花的半径设置了动态的上下限,同时改进了子代烟花的选择策略。文献REF_Ref14077\r\h[7]和REF_Ref14110\r\h[8]在相关文献REF_Ref14035\r\h[6]的研究基础上分别研究提出了两种动态高度搜索适应烟花检测算法和自定义适应搜索烟花检测算法,两种烟花算法最优化使烟花的最大爆炸功率半径都可以具有高度自适应性,使算法的精度和收敛速度提升。文献REF_Ref14178\r\h[9]已经提出一种具有较强二进制反向逻辑学习计算能力的三维烟花反射算法,并将其运用于快速求解多维图形背包中的问题。文献REF_Ref14208\r\h[10]本文提出一种带有快速引力寻优搜索作用算子的快速烟花搜索算法,利用不同粒子间的相互作用可以改善粒子位置上的信息,提升了烟花算法的引力寻优搜索速度。目前,如何有效提高计算寻优化的效率和遍历性依然一直是工业烟花检测算法开发面临的主要技术问题。现有烟花算法的研究基础上提出以下优化策略:(1)将自适应资源分配策略和群落继承策略相结合,烟花根据所处群落的寻优情况调节爆炸半径和火花数量,使资源的分配更适合个体的实际情况,提升种群寻优效率。(2)有针对性的采用tent混沌映射,更高效的提升算法遍历性。通过标准测试函数的仿真结果证明了SCFWA性能的提升,并将SCFWA运用于光伏最大功率点跟踪控制中,通过仿真和实验证明SCFWA比传统智能算法有更高的寻优精度,能有效提高光伏发电的效率。国外光伏风能发电设备产业发展起步比较早,欧美国家政府早在1997年前后就就提出了"百万屋顶"计划,倡导光伏太阳能的高效开发和综合利用。在地方政府的优惠政策和社会资金的大力帮助支持下,美国和德国在光伏综合发电技术方面迅速取得发展,代表出了世界先进技术水平。光伏混合发电相关产业在国外一直以来处于迅速繁荣发展的鼎盛状态。2019年年底,乌克兰的并网太阳能光伏发电并网容量已经到达450兆瓦,并且按计划2024年年底增加并网太阳能容量1.52吉瓦;且容量高达1吉瓦的光伏风能发电逐渐完成并网;国外最早正在研究光伏风能发电厂的孤岛并网模型,在一些偏远山区和海岛进行光伏发电,为用户提供电能,并且采用合适的并网控制策略,能达到满足人民需要的电能质量。且一些来自国际上的知名品牌,例如:德国的德国西门子、英国的Sony、Bp、美国的Sony、Sunpower、荷兰皇家壳牌集团等在光伏发电装置中做出了巨大的贡献,开阔了巨大的市场REF_Ref13744\r\h[2]。国内研究现状及发展趋势与国外的光伏综合发电企业相比它在我国起步晚,但是近年来,我国经过不断的努力,在光伏发电并网技术方面已经跻身到世界前列。光伏电站的设计,优化资源的配置,光伏电站的选址,许多科学界在投身与这些领域研究。清华大学,浙江大学,上海交通大学的光伏电站发电管理系统模拟建模与智能仿真,逆变器并网技术和孤岛检测技术,有了很大的突破。许多国外学者在最大精度功率点直线跟踪扰动控制策略理论研究中已经有较多的研究成果,在一些传统的电导观测增量学方法以及直线扰动控制观测增量法的研究基础上,将一些现代扰动控制技术理论在新学科以及人工智能算法中的应用推广到最大精度功率点直线跟踪扰动控制策略中。相比之下传统的最大输出功率点自动跟踪检测技术使它有了很大的技术突破。在智能逆变器的智能控制策略上,也有许多研究成果,这些成果使得光伏并网逆变技术更加成熟,使得并网逆变器并网波形更好,更能满足人们的需求。曹瀚天、杨发友等人针对光伏并网逆变器输出的功率随外界因素变化,导致最大功率点跟踪效果不佳,将模糊控制技术应用于光伏发电的最大功率点跟踪策略当中,使得控制效果更好。王子鹏、郑丽君将储能技术结合光伏发电技术,得到光储互补模型,使得并网点压更稳定,能够起到削峰填谷的作用,使得供电更加稳定。随着光伏并网发电关键技术的逐步提出和不断发展,越来越多的专家学者对其不断的深入研究,理论的深入研究带来社会资本的大量投入,使得光伏并网发电的技术成本越来越低,光能综合利用率越来越高,几乎所有的发达国家都大力支持和鼓励发展光伏发电产业,从而可以达到有效减小利用化石化工能源的废气排放和有效保护环境以及减小碳排放的主要目的。光伏并网逆变器的概述光伏发电系统的组成光伏风能发电配套系统主要是通过太阳能发电转化后作为电力满足现代人类日常生活事业生产所有必需使用电能的一个发电系统,光伏风能发电站的系统结构组成如下框图1.1所示。它由光伏电池组件、储能模块、逆变模块,用电设备,以及光伏控制模块组成。光伏组件是利用其光伏特性将太阳能变为直流电形式的能量,这种类型的电能不能被直接使用,需转换传成工频为50Hz的交流电。光伏控制器两部分组成,一部分光伏组件的控制模块,如最大功率点跟踪技术的控制部分;另一部分是光伏并网逆变器的控制,用来实现光伏并网的策略。蓄电池的用作和光伏输出电能互补,削峰填谷。用电负荷主要以交流负载为主。逆变器模块主要分为两块,如电压型和电流型。其中逆变器是控制环节的最重要组成部分,主要是实现不稳定的直流电过度到稳定交流电的过程,根据功能的不同分为两种,并网型和离网型。有电机主从相互控制和电机对等相互控制两种不同的基本控制策略,光伏并网逆变器设备并网时,控制策略主要采用pq相互控制,向大规模电网设备输出一定功率值的交流有功和无功功率;光伏并网逆变电电器设备离网继续工作时,控制策略采用VF控制,向孤岛系统输出恒定的频率和电压值;不论光伏逆变器处于离网工作状态还是并网工作状态时,均可使用下垂(Droop)控制,该控制方法等效为发电机的特性。后来又根据下垂控制策略提出了虚拟同步发电机(VSG)控制特性,更好的满足并网特性。图1.1光伏发电系统在光伏能源发电应用系统中,太阳能光伏发电组件(例如受恶劣天气等自然条件因素影响)也会产生不稳定的再生电能(例如无法直接将电接入固定用电量的设备)。因此采用光伏发电和蓄电池储能互补是非常有必要的,保证了供电的可靠性。光伏并网逆变器的分类单相单级结构工频隔离型单相两级结构高频隔离型单相两级结构非隔离型图1.2光伏逆变器的基本类型本文研究的主要内容是分析小功率光伏发电最大功率点跟踪。分别介绍了光伏逆变器的理论以及光伏逆变器的大致组成部分。重点分析了光伏发电的MPPT技术问题。对比分析扰动观测法和电导增量法下的光伏MPPT跟踪效果。本文在此应用单相两级结构非隔离型逆变器于后文的分析中。课题主要研究内容太阳能项目具有能源储量无穷、经济性和高效性、使用清洁等诸多优点,世界多地各国都用它项目来大量代替我国传统的再生能源。随着现代科学信息技术的不断进步,光伏发电并网智能逆变器的技术已经得到广大专家学者的广泛追捧,生产生活中大部分使用光伏发电。为了解决目前国内并网控制系统技术落后,转化利用效率低以及光伏并网控制技术支持缺乏等突出问题,本文对光伏发电并网智能逆变器技术进行深入分析学习,内容具体安排摘要如下:第一章主要介绍了光伏发电并网智能逆变器的技术研究应用意义,国内外光伏发电并网智能逆变系统的技术应用及其发展,以及光伏系统组成部分,以及详细介绍了不同类型种类的智能并网光伏逆变器,以及本文主要研究内容。第二章介绍了光伏并网逆变器的基本理论。分别详细介绍了光伏发电并网降压逆变器的结构组成,主要部分有两个Dc-Dc光电升降降压部分和两个Dc-Ac降压逆变部分,并对光伏最大功率点跟踪技术进行论述。第三章详细介绍了光伏发电MPPT控制策略。深入学习了电导增量法和扰动观测法,并分别比较它们各自的优点和缺点。第四章深入浅出研究光伏发电并网点在逆变器点的控制策略,并在一个Matlab/SIMULINK的随机仿真模拟环境中对不同的点在Mppt中的控制策略算法进行随机仿真和试运行,本文将电导扰动增量观察法和电导扰动增量观察法的功率波形图算法进行随机对比比较分析,选择一种电导扰动增量的方法将其作为最大值的功率控制点也是跟踪扰动控制的一个核心模拟算法。光伏并网逆变器的基本理论光伏并网逆变器的结构光伏电池并网充电逆变器的充电作用主要是将整个太阳能光伏动力电池系统输出的光伏直流电转换成一种可以提供平时人们直接充电使用的光伏交流电输出信号。其具体工作过程原理我们可以简单地具体描述如下为:一个太阳能光伏燃料电池系统输出的稳定直流电通过一个DC-DC交流升电降压逆变电路进行转化转变为稳定的直流电,再通过一个DC-AC降压逆变整流电路进行转化转变为稳定交流电,直接供配电网工作人员使用。如图2.1所示,给出了本文研究的光伏并网结构图。主电路模块主要由三部分组成:(1)最大输出功率和节点自动跟踪(MPPT)。为了有效提高光伏输出利用率,通过数据寻找并分析跟踪不同太阳能光伏发电板的最优化和输出利用功率的特点,使光伏发电阵列设备具有最优化的输出利用功率。(2)DC-DC变换器电路可以对作用在光伏阵列上的不稳定电流进行升压,从而获得后期所需的稳定直流母线电压。(3)DC-AC交流逆变器的电路主要是将原来的DC-DC交流变换器电路输出的直流供电信号直接进行高频反相,转换后的高频交流供电信号以后可直接反相接入城市配电网,供给交流负载[4]。图2.1光伏并网结构框图DC-DC升压电路拓扑结构的选DC-DC斩波器是指将给定的直流信号转换为所需的直流信号。光伏电池本身输出的直流电压信号是不稳定的,经常受到光强变化、外部温度变化等外部条件的干扰。影响光伏组件的输出电能。经过DC-DC升压转换,得到稳定的直流信号。图2.2Boost斩波电路本文选择的DC-DC类型升波降压滤波电路及其组成软件是为一个Boost所设斩的滤波升压电路,如软件图2.2所示。原因分析如下:一般来说可以直接用来进行升压的微波电路主要有Buck-Boost直流斩压微波升压电路、Cuk斩波升压电路和Boost直流斩压微波升压电路。在一定储能条件下,Boost转换电路储能相对于一个Buck-Boost转换电路来说,不需要存在两个电流线连断续续的问题,能够有效避免过多较大能量纹波损耗且储能经济性良好;相对于Bcuk斩波转换电路,也不存在需要直接依靠中间两个电容进行储能,避免了电路传递较大能量过程不易控制,容易同时产生较大能量纹波的复杂问题,拓扑结构简单。因此,本本主要采用一个Boost型的斩荡滤波控制电路REF_Ref14035\r\h[6]。原理介绍(1)开关处于开通状态等效开关电路如表中图2.3所示,当直流开关输出处于导线接通电压状态时,电感l可以吸收有源能量,直流电源电压vin给定时电感l所提供有源能量,电容l所释放出的能量可以维持开关输出有源电压。理想工作情况下,开关管q等效于一根开关导线。此种工作情况下高压电流从敏感电源上的正极输出流过来而电感再负极流入电容到敏感电源上的负极,而敏感二极管反向输出截止,阻止敏感电容向电源地面电压放出产生电能。且由于电感不断连续充能,当整个电感线圈未达到饱和时,电感线圈中的的有源电流电压增量常数为: (2.1) 图2.3电感吸收能量过程(2)开关管处于关断状态状态图所示如软件图2.4所示,在这个充电过程中没有电感二极l所释放出全部能量,由于电感开关二极管不能断路,电感器所释放的全部能量电流只能通过电感二极管给电感输出端的电容进行充电。当电感开关二极管电路断开时,由于两路电感的输入电流通常不会发生突变,电感上的电流变化只能从电感充电工作完毕后的电流值为零开始缓慢逐渐减小为0,并且也就是电感只能通过电感二极管给输入电容两端充电,使得输入电容两端兼感电压不断持续增加,当输入电容两端兼感电压通常大于电路输入兼容电压时,升压过程结束。若忽略二极管两端的电压变化,则电感上的电流变化量为：

(2.2)在直流电感器的稳压电流连续放大增加减小模式下,由能量守恒的波函数摩尔定律进行计算我们可得,其交流传感稳压电流连续减小后的增加量大约可以等于其直流传感稳压电流连续增大后所减小的增加能量,即,于是我们可以直接结合式(2.1)、式(2.2)等公式即可得：

(2.3)式中只有D=Ton/ts。若有的D电压等于0,则具有Vo:Vin=1:1,且由于D的电压值不一定等于1,所以当0≤D<1的电压变化值在范围内时,则Vo≥Vin,实现了连续升压。总之,升压放电过程的一个本质原理就是升压电感不断增加充放电降压过程的不断积累。图2.4是一种电感开关电流自动充放电波电流形图,当电感开关二极管导管接通时,电感自动吸收交流能量,完成电流充电充放过程;当电感开关电导管自动关断时,电感则释放出大量交流电能,完成电流放电补充过程。如果输出电容量能够满足一定电流条件,亦即在电容量大于足够的电流情况下,那么直流输出输入端便成为可以在直流放电工作过程中得到输出不间断的最大电流。如果你要持续这个通道中断的所有进程,就这样可以获取升高的电压REF_Ref14035\r\h[6]。图2.4电感电流充放电波形DC-AC逆变电路拓扑结构的选择单相拓扑逆变器Dc-Ac在一级中的拓扑逆变结构主要采用有三种逆变类型:半桥型、全硅半桥型和采用带两个中心轴的抽头直流变压器(称为推力回挽式)的单相逆变集成电路REF_Ref14035\r\h[6]。图2.5半桥逆变电路图2.5为新型半桥高压逆变整流电路工作原理的框图,由于新型半桥高压逆变整流电路的进入输出直流电压只为一般输入直流输出电压的一半,所以如果它的输出同样是窄幅值的宽电压,所以必需的相比输入直流电压就可能需要较高的宽幅值。直流侧互相串联的两个大内阻电容侧想要同时维持均匀电压,就必须需要两个电容特性几乎完全相同的小电容进行分别均压,然而在各种实际直流电路中两个电容侧的C1、C2特性不能尽可能做到完全相同,在各种实际直流电路中,需要在两个电容侧的C1、C2两端进行并联均匀分压两个电阻电容R1、R2,使电容C1、C2两端的直流电压尽可能完全相等REF_Ref14077\r\h[7]。（2）推挽式逆变电路推挽式直流逆变转换电路指的是双端直流逆变转换电路,又可以称为一种单相带两个中心线的抽头直流变压器或是逆变转换电路,其电压驱动不一定需要任何隔离,变压器尽管双端可以磁化,但是对于开关和导管的电压应力控制应该需要做到足够好,其电压需要能够承受2倍的直流逆变电压,并且同时开关管由于磁通的不完全平衡使其损耗可能会比较大,这样也就会严重影响逆变电路的电压转换执行效率。（3）全桥逆变电路图2.6全桥逆变电路图2.6为全新半桥直流逆变变压电路整体原理结构图,全新半桥直流逆变变压电路结构相对于普通半桥直流逆变变压电路不仅仅需要较高的有效输入输出电压,其中的开关变压管件所承受到的应力面积相对于半桥推挽式小,变压器件的体积也小,成本低,并且还需要能够通过控制输出电压脉冲信号宽度的不断变化,得到所有必需的交流电信号的有效输出值。综上所述,本文对于Dc-Ac中的逆变电路设计采取全新三桥直流逆变器该电路的总体结构REF_Ref14110\r\h[8]。原理介绍图2.7是全型半桥直流逆变开关电路工作原理结构图,下面简要介绍全型半桥直流逆变开关电路的基本工作结构原理。桥臂1和桥臂4是头的一组,桥臂2和3是主指令组的一组,负载头连接在头和桥臂的两个连接点之间。图2.7为全新三桥高压逆变整流电路最大输出电流波形图,当电流驱动逆变电路将一个功率控制开关整流管1与一个功率控制开关整流管4同时导电接通时,电流源的方向方程是:Ud正端→V1→l→U0→V4→Ud回到负端,由于一个功率控制开关整流管2和一个功率控制开关整流管3不导电接通,输出最大电压V和U0值分别是V和Ud,在功率开关整流管中的漏极和源级两端最大输出电压就是V而输入最大电压值是UdREF_Ref14035\r\h[6]。图2.7全桥逆变电路输出波形由于直流电感器的电流不能发生突变,要始终保持原来的导通方向,当直流控制电路将栅极v1、v4关断之后,二极管上的vd2和栅极vd3会导向接通,能量则经过此导通路径后返回到直流电感母线上。当旧的功率控制开关连接管1和新的功率控制开关连接管4截止时,在一定的截止死区域和时间内原有v2和新的v3也在正常截止工作状态,这时四个新的功率控制开关连接管都必须处在正常截止工作状态。故在此期间,由进入输出稳压电感器和l感器提供电流能量至进入输出稳压负载和进入输出稳压电容器中。当v1、v4与通时v2、v3处于电流截止的期间时当结束之后,紧接着剩下来的就是如果v2、v3导通,则这个电流表的方向图就是它在ud中的负端→v2→l→uo→v3→ud正端,由于它的功率控制开关连接管1和2与功率控制开关连接管4不导电接通,输出最大电压值在u0值中的是-ud,在功率开关连接管中的漏极和源级两端最大输出电压也是,而输入最大电压的是UdREF_Ref14178\r\h[9];由于直流电感输入电流不能发生突变,要始终保持原来的导通方向,当直流控制电路将栅极V2、V3关断之后,这样二极管上的Vd1和栅极Vd4会导向接通,能量则经过此导通路径后返回到直流电感输入电源线上。当四个功率控制开关管V2和V3截止时,在一个死区间的时间内接管V1和V4也在一个截止工作状态,这时四个新的功率控制开关连接管都同时处在一个截止工作状态。故在此期间,由进入输出稳压电感器的可以提供输出能量至进入输出稳压负载和进入输出稳压电容器中REF_Ref14077\r\h[7]。当两个功率交流开关二极管1、功率交流开关二极管4或两个功率交流开关二极管2、功率直流开关二极管3导线接通时,直流侧电路通过高压电感向直流负载电路提供直流能量;而不是当电感二极管上的Vd2、Vd3或栅极Vd1、Vd4导线接通时,电感侧的电流为直流向另一侧。将Uo经过傅里叶变换为: (2.4)基波的幅值，基波的有效值为。要将高频逆变并网电路输出产生的方波信号转换器变为高频并网电路输出的正交余弦波或交流高压电信号,则我们应该将其接入高频滤波器,从而有效滤除方波信号中的高频信号部分,并滤除部分输出的交流电信号中的高次谐波使其能合理使用。通过低通滤波器,使通过逆变开关电路的进入输出截止频率达到f<<fo(低通滤波器截止频率),且这样有利于逆变开关电路的f<<fk(最低次低通谐波截止频率),从而可以使得通过逆变开关电路进入输出具有理想的交流电信号[10]。最大功率追踪概述一般光伏电源阵列电能对应于太阳能-光伏电能的综合转换率很低(9%~17%),所以要使光伏太阳能的综合利用率尽可能地高,则将最大光伏功率点数的跟踪管理策略及其应用引入到光伏发电阵列中来也是非常关键的,在光伏综合发电管理系统中便一定能有效使得光伏能量以最大化的功率向任何外界方式传输。光伏发电阵列的内部输出输入功率与外部电源负载和它的外界工作环境条件有关,是一个非线性功率函数。收到不同环境光照强度条件和不同环境温度下的作用时,输出端的功率便率也会随之产生较大变化。图2.9为一定电压外界工作环境下的光伏电力阵列电源输出特性计算曲线,从如上图中我们可以明显看出当一定外界工作环境一定时,光伏电源阵列虽然可以同时工作在不同的电源工作点下,但只有在某额定工作电压下的条件下,光伏电源阵列才能具有最优的电源输出工作功率。此时光伏发电阵列的每个工作点位置便是最优的功率工作点,也被人们称为最大的高功率工作点(maximumpowerpoint,MPP)。因此我们需要在一定的光电外界条件环境下通过手动调整光伏系统阵列的最大工作点功率来自动调整光伏系统阵列的最大输出输入功率,使光伏系统阵列信号能够以最大输出功率进行输出,便是最大输出功率点自动跟踪REF_Ref15138\r\h[11]。图2.8光伏阵列输出特性曲线光伏风能发电系统阵列的主要功能将大量使用太阳能板的光电功率转换功能转变成成为其他应用电能的一个根本原因主要上还是由于它的光生伏特效应,如发电阵列结构图2.9所示,光伏发电阵列不太可能直接吸收光而只是可以直接产生大量无线电微波信号。其实际工作作用原理与灯管发光光电二极管相似:但是当灯管发射出的太阳光直接向外照射到光伏太阳电池电子阵列时,半导体内部的反共价电子键团所反应的电子耦合键团就会直接吸收更多余的光能从而直接脱离共价键反电子耦合键的吸收电能量所束缚,由于吸收光能量的浓度差,经过两个共价扩散子的相互运动后就自然形成了反共价键的电子-空穴对,于是在两个pppn共价电子耦合结构的电极两端之间就会形成电动势,当没有任何外接电源供电器的负载时,就几乎可以说没有更多余的电能可以进行直接输出REF_Ref15197\r\h[12]。图2.9光伏阵列工作原理图根据光伏阵列的工作原理,可得出光伏电池的等效电路REF_Ref15269\r\h[13],如图2.10所示。二极管上的I及D分别表示一个整流环的Ipn光伏驱动电源系统阵列驱动电池内部输出的直流光伏能源电流,并联D和Rsh，在串联Rs。Rsh和其中间的Rs为光伏电源阵列驱动电池内部等效并联电阻和三相双向并联光伏整流器的串联电阻。Iph的电流数值及其大小主要就是受光伏电源系统电流阵列所含的存在于各处的一些电和外部环境中因素例如光和电的外部光照强度、温度等的一些因素直接影响,所以光伏电源系统电流阵列中的电源进入输出的电压输入光源电压电流密度数值Upv和电源输出电流密度数值Ipv也与一些电的外部环境中因素例如光和电的外部光照强度、温度等一些因素密切有关。图2.10光伏电池等效电路图最大功率匹配原理图2.11最大功率匹配的原理图对于这个线性电路，负载上的功率为。 (2.5)由式(2.5)中的公式表示可知:对于一个等效射频线性电路来说,在很小的射频滤波持续时间和很长度滤波间隔里,可以把光伏传统系列的阵列等效射频线性电路和光伏系列DC-DC系列等效线性电路一起用来看作其实际上是两个等效线性电路。这样,可以把光伏负载电源直流阵列的图可以把它看成一定的光伏负载直流电源,DC-DC直流电源变换器的内部电路图也可以把它看成外部的电阻性大的光伏负载[13]。调节好的DC-DC直流变换器主电路的等效外部电阻即为自动调节光伏系统阵列每一直流电源的外部动态负载,只要能够使之在不同的动态外界电源环境下始终保持等于整个太阳能光伏系统阵列的内部电阻,两者间的动态外部负载一直保持匹配就好了可以在调节DC-DC直流变换器的电源输入侧自动获得光伏系统阵列最大电源输出输入功率,实现整个太阳能光伏系统阵列的最大输出功率点自动跟踪REF_Ref15357\r\h[14]。所以当光伏电池阵列处于空载时,其主要工作点只能接受电源温度、光照等各种因素的直接影响。当光伏电源阵列在一定条件环境下(无论光照和外界温度等各种外界条件环境不变)能够带动负载电流供电时,其实际工作点则由光伏负载电流限定。图2.12一定温度和光照强度下的I-U曲线图2.12为光伏系统阵列在一定工作温度和不同光照强度下的一个I-U转换曲线,其中两条直线上的A代表最大负载功率线,用线和虚线形式表示的两个曲线中M代表最大负载功率部分为等Pm的点和Pm的等效大功率曲线。若电源负载功率不可能改变而连续运行在一个A级节点,由阵列图2.12可知,它并不是没有完全工作在最大供电功率点大于M处,此时电源负载和光伏系统阵列就已经处于完全失配工作状态,光伏系统阵列所驱动产生的剩余电能就没有被得到充分利用。所以只需要同时使得电源负载和曲线同时运行在一个m点曲线处,则只需要同时改变一个I-U和V曲线的最大斜向功率即可只需要同时改变电源负载的斜率值,下面我们介绍如何利用一个Boost模式变换器可以改变光伏电源阵列的外部电源负载的斜率值,来快速实现最大光伏功率点数的跟踪REF_Ref15396\r\h[15]。Boost变换器MPPT原理图2.13Boost阻抗变换图2.13为一个Boost输入阻抗电压变换的等效示意图,Boost的一个输入输出电压和它的输出输入电压的功率关系公式为(其中是它的输入输出电压,为不是输出输入电压),又由于阻抗变换前后端的功率系数相等,所以,由此我们可以直接求得等效图的电阻系数为: （2.6）可以通过改变一个Boost光伏电路的输入电阻性的大小,即光伏电源阵列的外部的电阻性大于负载。由式（2.6）计算原理得当外部电源负载电阻等于光伏电源阵列的一个等效内部电阻时,光伏电源阵列系统对外部的输出输入功率最大,系统控制工作点由中间a或b点垂直移动到与Pm等输出功率的中间M点,达到与Pm相互控制的工作目的。Mppt的工作实质就是不断通过改DC-DC改变升降降压光伏电路中的开关二极管的最大占用净空比D,从而不断改变升压电路中的负载,使升压电路能够工作在光伏发电阵列的最大输出功率范围点REF_Ref15468\r\h[16]。本章小结本章主要重点介绍了光伏升电并网降压逆变器的基本技术理论,确定了本文主要重点研究技术内容,即采用DC-DC光伏升电降压逆变电路、DC-AC光伏逆变升压电路、最大光伏功率点自动跟踪器等技术。首先在关DC-DC、DC-AC的等效拓扑设计方面对我进行了详细的拓扑原理设计介绍以及多种等效拓扑解决方案的设计对比,选择了后者前级为半桥Boost等效升降降压变换电路,后者前级为全新半桥等效逆变升压电路的两级非交流隔离式的拓扑设计方案;其次在最大输出功率点电源跟踪设计研究算法方面,从光伏发电阵列的光源产生伏特效应可以引出等效逆变电路,在等效逆变电路的设计基础上可以进行等效电路设计分析,利用新的Boost升压变换器可以改变电路占空比从而实现改变外部电源负载的多种方法可以跟踪最大输出功率的特点。光伏发电最大功率点跟踪策略的研究为了大大提高发电系统中的能量自动转换率,并且能充分利用传统太阳能,因此我们引入光伏MPPT技术。目前常用MPPT电压控制测量技术主要大致分为以下两类,即非自测与寻优测量方法及其他自寻优测量方法,其中非自测与寻优测量方法中常用的主要是一种恒定交流电压测量控制法,自测与寻优测量方法中常用的主要有两种测量方法,分别分为是电导扰动增量观察法与电磁扰动增量观察法。下面将分情况分别分析各种方法REF_Ref15563\r\h[17]:扰动观察法扰动电压观察法（PerturbationandObservation）它在原理上就是供电系统在某特定的重要时刻将光伏电池阵列进入输出端的电压波动提高或者电流降低,并将其作为参考电压,通过观察光伏阵列输出变化结果来判断是否提升或者降低参考电压,直到输出功率为最大输出功率,并达到动态稳定。由于此过程类似于"干扰"之后观察,所以称为扰动观察法REF_Ref15197\r\h[12]。图3.1扰动观察法寻优过程如下是图3.1中的增加a阶段过程,如果需要继续如此增加反复直到发现输出输入功率增大减小如此即即为b阶段过程,此时就即为需要继续减小一个参考输出电压即为增加d阶段过程,当此时发现一个输出输入功率增大变小后,此时为增加c阶段过程,则时就需要继续增大一个参考输出电压如此即即为a前程过程,如此增加反复,直到发现输出输入功率减小为最优值,最后才能达到输出动态稳定。图3.2扰动观察法流程框图图3.2为电磁扰动强度观察法的工作流程示意图。首先,该检测方法首先需要准确测得现在光伏燃料电池的驱动电流和光伏电压,并与上一特定时刻的电压采样幅度值之差进行测量对比,计算光伏电流扰动变化幅度δi,电压扰动变化幅度δv,以及光伏功率扰动变化幅度δp,再按照流程图3-2中光伏扰动判定观察法的工作流程图要求进行扰动判定。完成阵列逻辑数据分析后,占空比值为d的最大值可能会发生改变,导致光伏系统阵列中的工作点发生变化。扰动观察法工作点位置判断公式如式(3.1)所示REF_Ref15716\r\h[18]。 （3.1）扰动观测法的优点是:理论容易,便于工作点位置的变化;扰动观测法的缺点是:会工作在最大功率点附近,不断寻优的过程会导致工作点的不断变化,会损耗部分功率;跟踪步长的设置难以判断,时间间隔过大会影响跟踪精度,时间间隔过小会影响工作时的响应速度REF_Ref15818\r\h[19]。电导增量法电导增量法（IncrementalConductanceAlgorithm）是最大输出功率点跟踪系统技术研究中的重要方法,是通过测量影响光伏发电阵列的最大输出输入电压从而精确找出阵列输出最大功率的最优值。当按下输出稳压电流的大小变化的数量大小比上输出电压的大小变化的数量大大等于当前特定时刻输出电流比与上电压的负正比值时,光伏燃料电池组所输出的光伏功率即为最优值。由于光伏太阳电池曲线阵列中在一个P-V一阶曲线通常认为是一阶连续可导的因此,对一阶曲线定义求全导性质的函数,可得: (3.2)两边同时除以dU，可得 (3.3)令dP/dU=0，可得 (3.4)电导增量值算法的基本原理就是通过比较一个输出电导的电流变化的数量和瞬时电导增量值的变化大小并从来帮助判断为何给定一个参考的电流随其变化的运动方向,直到我们满足上式(3.4)即为输出功率的最优值。电导增量法流程图见图3.4。图中,时间为k时的电压值为V(k)、时间为k时的电流为I(k)。先确定dV值与0是否相等。若V不变化,dI=0,则已经寻得输出功率最优值,无需进行其他操作;则要依据电流变化量的正负值改变V的值。若电压变化量不为0,则依据图3.4改变V的值REF_Ref16020\r\h[20]。图3.4电导增量法流程框图 （3.5）扰动观察法工作点位置判断公式如式(3.5)所示,这样便可以根据变量之间的关系调整V的大小,从而使得输出功率达到最优值。电导量子增量的算法的主要优点之处是:测量误判准确率低,跟踪测量精度高;但其缺点之处是:由于硬件设计要求高,算法技术实现复杂所以本文主要采用电导量子增量的算法技术进行了对Mppt值的控制REF_Ref16050\n\h[21]。MPPT控制算法基于Matlab的仿真分析MPPT和PWM模块简介扰动观察法MPPT模块扰动观察法需要采集系统的电压和电流，分别用1和2端口表示，扰动步长分别取0.001和0.01来比较步长的选取对扰动法的影响及重要性，扰动观察算法模块如图4.1所示。图4.1扰动观察法MPPT模块电导增量法MPPT模块电导增量法也需要采集系统电压电流，分别用1和2端口表示，扰动步长取0.001，Vb和Ib为记忆模块，分别表示上一时刻电压电流，然后计算其差值，计算电导和增量电导，电导增量算法模块如图4.2所示。图4-2电导增量法MPPT模块在该模块中可控的正弦调制信号从MPPT模块得到，并输入到PWM模块与三角载波进行比较，然后得到6路PWM控制信号[22]。图4.3PWM模块电导增量法的波形分析当温度25℃，光照强度为1000W/m2时，图4.4-图4.6为MPPT控制采用电导增量法时输出光伏特性曲线。图4.4为光伏输出的U-I曲线，图4.5光伏输出的P-U特性曲线。当光伏电池输出电流达到5A时，光伏电压输出为0V；当光伏电池输出电压达到36V时，光伏电压输出最大功率为170w。图4.4光伏输出的U-I特性曲线图4.5光伏输出的P-U特性曲线如图4.6所示为光伏输出电压曲线，图4.7光伏输出电流曲线，图4.8光伏输出功率曲线。从图4.6-4.8中可以看出光伏输出在0.06s时达到稳定，电压稳定值为8V，电流稳定值为17A，功率的稳定值为136w。图4.6条件不变时光伏输出电流曲线图4.7条件不变时光伏输出电压曲线图4.8条件不变时光伏输出功率曲线当温度25℃，光照强度按600W/m2，0.2s时800W/m2，0.4s时1000W/m2依次变化，如图4.9所示为条件变化时光伏输出电流曲线。图4.9条件变化时光伏输出电流曲线图4.10条件变化时光伏输出电压曲线，图4.11条件变化时光伏输出功率曲线。图4.10条件变化时光伏输出电压曲线图4.11条件变化时光伏输出功率曲线通过仿真得到其输出功率特性曲线，如图4.11所示。从图可看出，系统大约0.05s跟踪到最大功率，当外部条件变化时，光伏电池的MPPT控制模块能快速跟踪到最大功率点处，但是功率波动在80~140W之间，波动60W左右。应用递推最小二乘法对在局部遮阴情况下的P-V特性曲线进行实时滤波预处理。扰动观察法的波形分析当温度25℃，光照强度为1000W/m2时，图4.12-图4.14为MPPT控制采用扰动观察法时输出光伏特性曲线。图4.12为光伏输出的U-I曲线，图4.13光伏输出的P-U特性曲线。当光伏电池输出电流达到9A时，光伏电压输出为0V；当光伏电池输出电压达到18V时，光伏电压输出最大功率为140w。图4.12光伏输出的U-I特性曲线图4.13光伏输出的P-U特性曲线如图4.14所示为光伏输出电压曲线，图4.15光伏输出电流曲线，图4.16光伏输出功率曲线。从图4.14-4.16中可以看出光伏输出在0.06s时达到最大值，电压值约为8V，电流约为18A，功率的稳定值为140w。4.14条件不变时光伏输出电流曲线图4.15条件不变时光伏输出电压曲线图4.16条件不变时光伏输出功率曲线图4.17条件变化时光伏输出电流曲线图4.18条件变化时光伏输出电点压曲线图4.17条件变化时光伏输出功率曲线当温度25℃，光照强度按600W/m2，0.2s时800W/m2，0.4s时1000W/m2依次变化，如图4.17所示为条件变化时光伏输出电流曲线，如图4.18所示为条件变化时光伏输出电压曲线。通过仿真得到其输出功率特性曲线，如图4.19所示。从图可看出，系统大约0.02s跟踪到最大功率，当外部条件变化时，光伏电池的MPPT控制模块能快速跟踪到最大功率点处，但是功率波动在80~140W之间，波动60W左右。对比MPPT控制方法采用电导增量法和扰动观察法时，可知两种方法均能跟踪到最大功率点，但是采用电导增量法时，得到的光伏输出波形更为稳定，明显控制效果更佳，鲁棒性较好。结语本文在光伏逆变并网技术中，选择光伏发电最大功率点跟踪技术展开研究。简单介绍了光伏并网逆变技术的基本理论详解介绍了光伏发电最大功率点跟踪控制策略。介绍电导增量法和扰动观察法，对比分析他们的优缺点，并进行Simulink仿真实验分析。下面详细介绍本文取得的主要成果：本文对光伏并网逆变器的国内外研究现状进行分析，对光伏并网逆变器进行概述，主要是它的组成