单相光伏并网发电系统的分析与研究_甜梦文库
单相光伏并网发电系统的分析与研究
南昌大学 硕士学位论文 单相光伏并网发电系统的分析与研究 姓名：郭鹏 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：江智军
摘要摘要能源是国家经济发展以及人类赖以生存和发展的重要物质基础，在当今能 源紧缺的时代背景下，太阳能光伏发电的研究具有非常重要的战略意义。本课 题研究了单相光伏并网发电系统，对该系统中的光伏电池最大功率点跟踪 （ＭＰＰＴ）、并网逆变以及孤岛效应作了深刻的分析与研究。 文章的开头对光伏并网发电的核心部件（并网逆变器）作了深刻的解读， 对其国内外产品的发展历程、市场、技术、缺陷和发展前景进行了对比研究； 然后从光伏发电系统的组成部件着手，分别对其重要部件作了详细的介绍；最 后依据光伏并网发电的拓扑结构阐述了光伏并网发电系统的工作原理。进而， 引出本文所研究的核心内容： （１）光伏电池的最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）是光伏并网发电系统的重要部 分。首先分析了光伏电池的最大功率点跟踪原理；然后对常见ＭＰＰＴ技术的优缺点作了分析，在本文采用了一种比较先进的方法：改进的扰动观察法――变步长扰动观察法；最后采用Ｍａｔｌａ＿ｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行仿真验证。 （２）并网逆变器是光伏并网发电的核心部件，首先对单相并网系统的几种 常用并网电流控制策略作了简单的研究和理论分析；然后采用了ＳＰｗＭ控制方 式，并在基础上进行了改进，即加入电网电压前馈补偿装置，有效的减小了电 网电压对并网电流的影响；最后采用Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行仿真验证。 （３）针对光伏并网系统中出现的孤岛效应现象，首先，分析了几种常用的 检测孤岛的方法；然后根据系统的实际特点，本文采用频率差正反馈孤岛检测 法，对这种方法的工作原理做了详细的分析；最后通过ＭａｕａＭｓｉｍｌｌｌｉｌｌｌ（仿真验 证了该方法的正确性。（４）本文采用的控制芯片是ＤＳＰ芯片１ＭＳ３２０ＬＦ２４０７。首先对各个电路硬件系统的器件选型以及部分参数设计提供了详细的分析介绍；然后设计了 ＤｓＰ主控单元以及信号检测部分硬件装置：最后设计了系统的主控流程图以及系统软件抗干扰措施。关键词：光伏并网；最大功率点跟踪；并网逆变器；孤岛效应；ＴＭＳ３２０Ｉ，Ｆ２４０７ＡＢＳＴＲＡＣＴＥ眦略ｙｉｓａｎｉＩｎｐｏｒｔ柚ｔ ｍａｔｅｒｉａｌ删ａｔｉｏｎ０ｆｔ１１ｅｎ撕ｏｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｄｅＶｅ砷ｍｅ瞰ａｎｄ ｌＩＬｌｎｌａＩｌ Ｓ．蚴ｅｇｙｓｕｒｖｉＶａｌ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｎ ｔｏｄａｙ’ｓ ｅｎｅ培ｙ ｓｈ雠ｔａｇｅ ｕｎｄｅｒ廿ｌｅ 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在可持续发展中，太阳能将成为理想的可再生绿色能源【４】。世界各国都在大力 研究太阳能光伏并网发电技术，在最近几年，光伏发电产业得到了迅猛的发展。 光伏发电的缺点主要表现在发电成本太高，但是由于目前利用的硅太阳能 光伏电池板，它的储能量比较大，并且随着我们在光伏产业进行了不断的探索 和研究，光伏电池的转换效率的不断提高，以及对太阳能最大功率点跟踪和光 伏并网技术研究的不断深入和成熟，光伏发电的开发成本一直在降低。光伏并 网发电技术是结合光电半导体技术、电力电子和控制理论技术的一个综合，因 此，光伏发电技术在能源方面是一个值得研究的重要课题，具有非常强的学术 价值。 ２、选题意义 我国发展太阳能的优势在于：清洁无污染，储能量大而且可再生，不受地第１章绪论域限制普遍性强，接近负载损耗少能源质量高等优点。由于太阳能具有上述一 些优势，所以太阳能可以作为常规能源的辅助，在通信和信号电源以及边疆地 区民用的生活用电等特殊领域的用电问题上发挥了极其重要作用。因此，我国 研究太阳能发电意义重大。 并网光伏发电项目大多数集中于经济较发达城市，如上海、深圳、北京等 地，但是目前还是处于示范期。我国的光伏发电技术在不断的成熟，在加上国 家有一定的扶持政策，预计将来在处于含有丰富太阳能光照资源的地区都会有 太阳能光伏发电的硕果，能够解决中西部地区的部分能源问题。１．２国内外光伏发电的比较ｌ、逆变器技术的发展 太阳能光伏发电的发展，关键是逆变器技术的进步，逆变器技术从上世纪 ５０年代开始研究，它的发展都是伴随着功率器件的发展而取得新的进步，逆变 器技术的研究经过半个多世纪以来，它的发展经历了多个阶段，如图１．１所示。定基础：图１．１逆变器技术发展历程全球最早研究和生产太阳能光伏逆变器的企业为ＳＭＡ公司，它是全球光 伏逆变器领域的领头羊，所占市场份额为全球光伏逆变器市场的３３％左右。所２第１章绪论以Ｓｍ公司生产的光伏逆变器产品发展历程在该领域很具有代表性，其发展历程情况如图１．２所示。Ｋ∞１６Ｉ。■利孽■峨｜｜｜｝鎏一一；≤薯ｊ｜｜：；｜≤ｉ∞Ｏ酗ＩｉＩ！Ｉｊｉｗ；ｌＩＭ●―●一Ｆ¨ＰＶ轴惜―‘ｄ?－酬“ｌ一＿●≤豢ｉ；篇§鎏；ｊ ｊ鎏ｉ飘脚咿ｂｙ ５蕊盯ｎｏ厶６ｌ蛾囊蕊重『“殳Ｘ Ｍｕ－ｉ轴白崎ｈ?―－ｉｉ影艇≥。翻麒斌？：ｉ‘―＿节■Ｉｉ蠢Ｃ＿●■佑■轴――，“州错髯―幽啊。囊爹墼图１．２ ＳＭＡ公司光伏逆变器产品发展历程２、国内外光伏逆变器的技术比较 我国光伏发电技术的研究还是在一个起步阶段，技术研究水平比国外还差 一段距离。我国光伏逆变器的市场份额较小，规模都不太大，专业致力于光伏 逆变器的厂家很少，较大规模的如合肥阳光电源、志诚冠军等，这些公司经过 多年的研究，不断的在发展，在国内外市场上具有一定得到竞争力。在小功率 并网逆变器技术的发展上，我国的技术水平和国际不相上下；在大功率并网型 逆变器的研究水平上，合肥阳光电源公司的部分大功率型逆变器（如２５０ＫＷ、 ５００ＫＷ等大功率产品）受国际和国内的认可度极高，其中有些技术指标比国外 产品的技术水平还高，并在世博会、西部荒漠、奥运场馆等重点项目上进行了 运行验证，取得了良好的效果。尽管如此，我国逆变器的研究水平和技术以及 产品质量和生产规模都还落后于国外企业。 （１）从市场方面来看，国内光伏逆变器市场规模尚小，不过发展空间相当 的大，特别是在光伏电站市场领域。目前国内光伏逆变器的市场主要被阳光电 源占据，根据２００８年相关统计报告透露，合肥阳光电源公司在国内光伏逆变器 市场的份额超过了７０％，国内光伏发电大的项目基本用国内生产的产品，国外 产品也通过各种途径进入中国市场，但是因为其难以提高较好的售后服务，所 以在中国市场并不理想。第１章绪论（２）从技术方面来看，国内外光伏逆变器的生产在系统安全稳定性、成熟 性以及控制技术上和国外光伏逆变器产品存在一定程度的差距。下表１．１为国 内外光伏逆变器技术指标的对比情况。表１．１国内外光伏逆变器技术对比 技术指标 并网逆变器 并网／独立双功能 逆变效率 高频逆变 模块化生产 国际水平 商业化 商业化 ８５％一９８％ 商业化，可靠，耐冲击 ｌ一５ｋＷ，要求大功率时则并机， 有利于标准化批量生产 双向逆变 成熟，一组功率模块，既可用于 逆变，又可用于作整流充电 国内水平 商业化 商业化 ８５％一９８％ 小功率可以批量生产，以离网为主大功率产品实现模块化生产，可 以并机运行，离网产品成熟 仅阳光电源可以生产３、国内外光伏逆变器产品比较 国外的并网型逆变器市场规模比较大，其产品相对比较成熟。比较有名的 企业有德国的ＳＭＡ、ＫＡｃｏ、西门子和施耐德以及美国的艾默生网络能源等， 在欧洲市场上，德国的ＳＭＡ公司所占份额为５０％。国内市场规模较大的厂商 主要有合肥阳光、志诚冠军、南京冠亚、无锡风光等企业。国内外光伏逆变器 产品在小功率型的技术水平不相上下，只是在大功率并网型逆变器的技术水平 还是有一段差距的。下面以１００ｋＷ光伏并网逆变器为例子比较国内外光伏逆变 器产品的性能指标，如下表１．２所示，其中外国产品选择艾默生能源（ＳＳＬ０１００）， 国内产品选择阳光电源（ＳＧｌ００Ｋ３）。表１．２国内外光伏并网逆变器性能指标比较 技术参数 直流钠参数 最大直流电压满载ＭＰＰ电压范围１０００Ｖｄｃ ３００―８５０Ｖｄｃ２４０Ａ艾默生能源（ｓＳＬＯｌＯＯ）阳光电源（ＳＧｌ００Ｋ３）９００Ｖｄｃ４５０～８２０Ｖｄｃ最大输入电流最大直流输入功率２５０Ａ１１０１１２ｋＷｋＷ交流俩参数第１章绪论 额定输出功率 最大输出功率 允许电网电压 允许电网频率 总电流波形畸变率 功率因数 系统参数 最大效率 欧洲效率 防护等级 夜间自耗电 允许环境温度 冷却方式 允许相对湿度 允许最高海拔 显示与通讯显示９８．２％ ９７－３％ ＩＰ２０ ９７．Ｏ％ ９６．４％１００ｋＷ １１０ｋＷ３８０／４００／４１５Ｖ±１０％１００ｋＷ １１０ｋＷ３ １０―４５０Ｖａｃ５０／６０Ｈｚ（±４．５ Ｈｚ）＜３％１４７～５２ Ｈｚ／５７―６２ Ｈｚ＜３％（额定功率） Ｏ．９（超前）￣０．９（滞后）ＩＰ２０（室内）＜３０Ｗ．２５￣＋５５＜１００Ｗ．２０―斗５０可控强制风冷Ｏ一９５％ ３０００ｍ风冷Ｏ棚５％，无冷凝 ６０００米（超过３０００米需降额使用）大屏幕ＬＣＤＲＳ４８５ＬＣＤ ＲＳ４８５标准通讯方式 可选通讯方式 机械参数 外形尺寸（宽宰高宰深）净重ＲＳ２３２／以太网以太网６００宰２１２０木１０００（ｍｍ） ４００ｋｇ１０２０宰１９６４宰７７０（ｍｍ）９２５蚝从上表中的满载ＭＰＰ电压范围、系统的工作效率以及产品的体积重量等， 可以得知：国内外生产的光伏逆变器产品存在着一定的差距。不过，反过来说 明我国光伏逆变器的发展空间很大，还需要更进一步的研究。 ４、国内外光伏发电发展规划 上世纪８０年代，在受到能源危机的影响之后，美国、日本及欧洲等国家意 识到了新能源的重要性，开始对光伏发电产业投入了大量的财力、物力。世界 各国都在努力发展太阳能光伏发电产业，日本、欧洲、美国都拟定了未来的光 伏发展计划【５Ｊ，如下表１．３所示。表１．３日本、欧洲、美国制定的光伏发展计划（Ｇｗ）２０１０年 日本 欧洲 美国４．８ ３．０ ２．１ １２２０２０年３０ ４１２０３０年２０５２００ ２００９２０３６１２５世界第ｌ章绪论我国在２００９年４月份以来，国家发改委多层领导针对新能源发展规划的出 台十分关切。有了领导的关心和政策的支持，对我国光伏产业的发展具有非常 大的推动作用。１．３光伏发电所存在的问题以及发展前景１、光伏发电所存在的问题 从表面上看，我国光伏发电产业一片繁荣，但是中国光伏产业还是存在很 大的隐患，比如市场缺失、技术水平不高等。下面具体阐述我国光伏发电所面 临的主要问题： （１）尽管中国在光伏逆变器的研究方面有一定的成效，已经具有多家生产 公司，但是市场方面却才刚刚起步，光伏逆变器市场规模没有拓展开来，还比较小。因此光伏逆变器市场制约着我国光伏逆变器的大规模生产，必须要开拓国内光伏逆变器市场。 （２）逆变器效率需要进一步提高。从上面国内外光伏逆变器产品比较情况 可知，我国光伏逆变器的效率要低于国外产品，因此如何减小逆变器损耗是我 国逆变器研究领域的一个重要课题 （３）光伏电池最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）的效率较低，需要研究出新的光 伏电池模块的组合或其拓扑结构，以提高ＭＰＰＴ的效率。 （４）光伏发电上网会对电网产生谐波影响，所以需要研究如何降低谐波。 （５）在离网系统方面，必须用到蓄电池，但电池的寿命一般只有两三年， 如果经常更换，成本必然增加。所以开发长寿命电池在离网系统显得十分重要， 必须重点解决此问题。 （６）系统可靠性方面，由于参数不匹配以及系统保护功能不够完善导致用 电设备出现故障，所以必须使系统具有可靠性，优化系统参数以及完善系统的 保护装置。２、光伏发电发展前景尽管中国太阳能市场在过去的几年里有一定的起色，但是其产业机构仍然 是畸形的，硅料在国外，市场在国外。开拓国内市场能够有效的加速我国光伏 产业的发展，所以必须拉动内需。 《“十一五”期间中国太阳能光伏发电运行动态与“十二五＂投资契机研６第１章绪论究》对一定时期内中国太阳能光伏发电产品生产消费的现状、变化及趋势做了 详细的分析。以太阳能光伏发电行业作为切入点，对太阳能光伏发电行业的特 征和统计数据作了全面的分析，确定了其发展的概况和基本特征；利用科学的 方法以及模型，对企业掌握市场的动向有一定的帮助，同时对太阳能光伏发电 行业的竞争趋势作了明确的分析。这些对光伏企业的发展和经营管理提供了有 效的帮助。 光伏发电技术是可再生能源当中的一个非常重要的组成部分，在国家相关 政策的支持和引导下，太阳能开发的前景将越来越广阔。１．４本文所做的主要工作光伏并网发电是光伏发电的主流趋势，特别是单相３～５ｋｗ小功率型的屋 顶并网系统。本文研究的是单相光伏发电并网系统，单相光伏系统是小功率、 小体积、低噪声、性能可靠的一种系统。由于单相并网系统安装比较方便，功 率级别较小，对电网平衡的影响很小。而且，单相光伏发电一般为户用型，需 求量比较高，特别是中西部地区用电较为困难，单相光伏发电尤为适合该地区 的发展。在本文中主要完成如下工作： （１）对太阳能光伏发电系统的组成部件分别加以详细的介绍，然后依据光 伏并网发电的拓扑结构阐述光伏并网发电系统的工作原理。 （２）太阳能光伏电池的最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）是光伏并网发电系统的 重要部分，因此ＭＰＰＴ技术需要在文中作详细的介绍。首先从光伏电池的工作 原理着手，分析其等效电路和数学模型，在此基础上得出最大功率点的跟踪原 理；然后对常见的ＭＰＰＴ技术作了简单的介绍，比较分析了各自的优缺点，为 了对ＭＰＰＴ技术的进行改进，采用了一种比较先进的方法：改进的扰动观察法――变步长扰动观察法，并详细介绍此方法；最后采用Ｍａｔｌ ａ＿ｂ／ｓｉｍｕｌｉＩｌｋ进行仿真验证。 （３）光伏并网逆变器是太阳能光伏发电的核心部分。本文对单相并网系统 的几种常用并网电流控制策略作了简单的研究和理论分析；然后采用了ｓＰＷＭ 控制方式，并在基础上进行了改进，加入电网电压前馈补偿装置，有效的减小 了电网电压对并网电流的影响。由于逆变器的控制目标是并网电流，要保证输 出电流与电网电压同频同相，实现并网的目的；最后采用Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行第１章绪论仿真验证。 （４）由于光伏并网系统中可能发生一种孤岛效应现象，简单的介绍了孤岛 效应的原因和危害，并分析了几种常用的检测孤岛的方法；根据系统的实际特 点，本文采用频率差正反馈孤岛检测法，对这种方法的工作原理做了详细的分 析；最后通过Ｍａｔｌａ＿ｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真验证了该方法的正确性。 （５）本文对基于ＤＳＰ的单相并网系统的软硬件设计作了详细的介绍，采用的控制芯片是刑Ｓ３２０ＬＦ２４０７。首先对各个电路硬件系统的器件选型以及部分参数设计提供了详细的分析介绍；然后设计了ＤＳＰ主控单元以及信号检测部 分硬件装置；最后设计了系统的主控流程图以及系统软件抗干扰措施。第２章光伏发电系统的结构与工作原理第２章光伏发电系统的结构与工作原理２．１光伏发电系统的组成太阳能光伏发电是将太阳能电池板收集到的辐射能量转换为电能。太阳能 光伏发电系统主要由太阳电池板、ＤＣ．ＤＣ控制器和逆变器等部件组成‘７】，其系 统基本结构如图２．１所示。太阳能光伏发电系统的主要工作流程是太阳能电池 板吸收太阳能后转化成电能（直流电），然后由ＤＣ．ＤＣ控制器对其作一定要求 的控制，最后把直流电通过逆变器转化成２２０Ｖ／５０Ｈｚ的交流电并接入电网。图２．１光伏发电系统的组成（１）太阳能电池 太阳能电池是光伏发电系统中的关键组成部分，只有太阳能电池吸收了太 阳能，才能转化成电能向外输送。太阳能电池是有若干个ＰＮ结构成的，是利 用半导体材料，利用其电子特性实现光电转化。太阳能电池组件是由多个相同规格的电池单体经过串并联组合起来的【引。（２）ＤＣ．ＤＣ变换及其控制器 ＤＣ．ＤＣ控制器在光伏发电系统中也起着关键的作用，主要承担功率调节的任务，因为太阳能光伏电池输出的电压会随着光照和温度的变化而变化，在不同的外界环境下其输出功率是不一样的，为了实现光伏电池效率的最大化，需 要通过ＤＣ．ＤＣ控制器来调节输出电压，这样就能够使光伏电池工作于输出最大 功率。此外，ＤＣ．ＤＣ控制器还可以用来实现通信功能和与人机信息交互的功能。 （３）ＤＣ－ＡＣ逆变及其控制器９第２章光伏发电系统的结构与工作原理逆变器主要有独立型和并网型两种。本文研究的是光伏并网系统，所以用 到的是并网型逆变器。它把光伏电池发出的直流电逆变成２２０Ｖ／５０Ｈｚ的正弦波 电流，并使这电流与电网电压同频同相，然后并入电网。同样，ＤＣ．ＡＣ控制器 也可以用来实现通信功能和与人机信息交互的功能。其实，ＤＣ．ＤＣ和ＤＣ．ＡＣ这两部分可以用同一个高性能的控制器来实现控制作用。２．２光伏并网系统的拓扑结构及工作原理光伏并网发电系统的拓扑结构如图２．２所示。太阳能光伏电池输出的直流 电压，通过ＤＣ／ＤＣ变换器升压调节等环节变成稳定的直流电。然后由ＤＣ／ＡＣ 逆变器，将直流电转换为２２０Ｖ／５０Ｈｚ的与电网电压同频同相的正弦交流电，向 电网输送电能，实现并网的目的。厶助图２．２光伏并网系统的拓扑结构（１）前级ＤＣ／ＤＣ变换电路工作原理 在本文ＤＣ／ＤＣ变换电路选用升压斩波电路（Ｂ００ｓｔ电路），其原理图及工 作波形图如图２．３所示。由于升压斩波电路（Ｂｏｏｓｔ电路）相对其他ＤＣ他Ｃ变 换电路效率更高，电路也比较简单，而且具有小体积和轻重量的优势，另外可 以使光伏阵列宽范围调节，因此选择升压斩波电路（ＢｏｏＳｔ电路）作为光伏发电 装置前级电路。１０第２章光伏发电系统的结构与工作原理 厶助图２．３光伏Ｂ∞Ｓｔ电路及其工作波形图根据Ｂ００ｓｔ电路工作原理可得如下式子：％ｙ‘乙＝（％一％矿）厶珞化简得：（２．１）％２警蜘毒％１谚１＠２，ｏ矿式中，由于丁／％≥ｌ，输出端电压比输入端电压相当或更高，升压斩波电路由此而命名。设口为导通占空比，即乙／ｒ＝口，丁／％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口来实现。把升压比的倒数用∥来表示，即∥＝％／ｒ，则脚导通占空比口的关系可以表示成：口＋夕＝１ 所以，式（２．３）可表示成：（２．３）％＝古酢矿＝击％ｃ２舢第２章光伏发电系统的结构与工作原理由于在Ｂｏｏｓｔ电路中电感电流可分为连续和不连续工作状态两种模式。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 且电流纹波也比较大。因此，为了避免太阳能光伏电池输出的能量的浪费，在 本系统中把Ｂ００ｓｔ电路设计为连续工作状态的模式，也就是连续导通。 （２）后级ＤＣ／ＡＣ逆变电路工作原理 本文后级ＤＣ／ＡＣ逆变电路采用单相全桥逆变结构，逆变器的拓扑结构如图 ２．４所示。其中Ｕ出是由Ｂｏｏｓｔ电路输出的直流电压，Ｋ一乃为四个开关管功率 器件，Ｕ为逆变器的输出电压，屯为逆变器的输出电流，Ｕ。为电网电压。逆变 桥是由Ｋ一圪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 ｆ。，使其为正弦波形，并且能够保持与电网电压Ｕ。同频同相。正弦波电流‘再 经过由电感厶和电容Ｇ组成的滤波器进行滤波后并入电网。图２．４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Ｋ、圪导通时，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Ｋ、Ｋ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、Ｋ和Ｋ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Ｋ、坎导通时，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Ｋ、圪导通时，光伏阵列输出能量在直流侧对电容充电，１２第２章光伏发电系统的结构与工作原理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、以和以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。 根据上面分析可得：（ａ）和（ｃ）工作模式逆变器输出交流电压乩分别为 正、负值；（ｂ）和（ｄ）工作模式逆变器输出交流电压乩为零。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。２．３本章小结本章首先介绍了光伏发电系统的组成部件――太阳电池板、ＤＣ．ＤＣ控制器和逆变器，分另ｌＪ都作了介绍。最后对光伏并网发电系统主电路的拓扑结构进行了详细的分析，并对ＤＣ脱变换电路以及ＤＣ／ＡＣ逆变电路的工作原理作了阐述。第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究３．１太阳能光伏电池的工作原理及输出特性３．１．１光伏电池的工作原理太阳能光伏电池的工作原理是指利用光生伏特效应使太阳辐射能在电池板 上的能量转换为电能，光伏电池工作原理如图３．１所示。太阳能电池是有若干 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。当太阳光照 射到电池板上的ＰＮ结时，有一部分光线会被反射，而剩下的光则会被ＰＮ结吸 收，被吸收的能量除了转换为热能外，其余部分是以光子的形式存在，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，会在结 区形成一个内建电场，其方向是由Ｎ区指向Ｐ区的。由于内建电场的存在， 电子将流向Ⅳ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，少数载流子运动到ＰＮ结区，少数载流子就会受到ＰＮ结对的牵引作用， 进而漂移到对方的区域，这样就会对外形成一个与ＰＮ结内 电场方向相反的光生电场。光生电场抵消部分内建电场外，由于尸区还是带正电，Ⅳ区带负电，在Ｐ、Ｎ区之间产生光生电动势，一旦电路形 成通路，电路中就会有电流通过，输出电能。太阳能电池元件用一定的方式组 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，实现光电转换ｐＪ。１４第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究（太阳光），／――、、．钐八Ｐ区＼．／Ｐｅ。。。。。。。＋＋＋＋＋＋＋＋＋Ｎ区ｒ∞∞∞。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光伏电池的等效电路及其输出特性（１）光伏电池的等效电路 通过分析太阳能光伏电池的工作原理可得，光伏电池的输出特性不仅与电 池自身的参数有关，还与光照强度和电池温度等外界环境有关，呈非线性。在 光照强度不变时，由于光伏电池的光生电流，。。不会随着电池工作状态的改变而 发生变化，所以在光伏电池的等效电路中用恒流源来等效光伏电池。当光伏电 池连通负载Ｒ，，其光电流流过负载电阻时，在负载的两端建立起端电压，而端 电压又正偏于ＰＮ结二极管，形成与光生电流方向相反的电流厶，削弱了光生 电流。其中，Ｒ。是构成光伏电池的半导体电阻和电极电阻等电阻的和，Ｒ曲是 漏电阻，足是电池与背面的电极接触及材料本身电阻的一个总效果阻值，Ｒ曲是 指由于制作工艺原因导致电池边缘产生微裂痕等缺陷而引起金属桥漏电，形成 了这个旁漏电阻。如图３．２所示为光伏电池的等效电路【１０－１１】。１５第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究ＩＲｓ―――◆ ＩｐｈＩ＋，）户澉，一尺三｛ ｌ＿＞ｓＵ土ｆｊ根据光伏电池的等效电路可以得到，卜Ｉｐｈ＿‰－Ｉｄ又Ｕ Ｌ＝Ｕ＋Ｉ Ｒｓ（３．１）（３．２）根据理想的ＰＮ结特性可以将厶表示成如下指数关系式：！！竺：！坠厶＝厶（Ｐ旅丁一１）（３．３）由以上式子可以得到光伏电池的』．Ｕ特性关系方程：，＝ｋ叫８掣－１】一半式中Ｊ――光伏电池的工作电流（Ａ）；（３．４）‘――短路（光生）电流（Ａ）；厶――反向饱和电流； ｇ――单位电荷（１．６ＰⅢＣ）； 丁――绝对温度（Ｋ）； Ｕ――光伏电池的输出电压（Ｖ）； Ｋ――玻耳兹曼常数（１．３８×１０氆，／Ｋ）； ，？――二极管指数。第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究根据光伏电池的物理原理可以得到式（３．４），理论上能够准确得到光伏电池 的，．Ｕ特性关系曲线，但是式（３．４）表达式中的厶、Ｒ。、Ｒ。。等这些参数它们不 仅与电池自身有关，还与日照强度和温度等外界环境也有关系，要确定这些参数十分困难。一般在工程上所要用蓟的技术参数主要有光伏电池生产厂商提供的数据。 通过对光伏电池式（３．４）表达式的分析，推导出光伏电池在工程上适合应用 的数学模型【１２】。该模型用到的主要技术参数，如短路电流，一开路电压Ｕ。、最大功率点电流Ｌ、最大功率点电压巩等，这些参数都是由生产商提供的，由这些参数就能便于光伏电池在工程上的计算和分析。通过对式（３．４）进行处 理得到光伏电池的输出』．Ｕ特性简化的解析表达式为：【，，＝Ｌ［１一Ｃｌ＠ｃ２‰一１）】当等效电路处于开路状态时，有，＝０，（３．５）Ｕ＝Ｕ。；当太阳能光伏电池处于最大功率点时，，＝Ｌ，Ｕ＝Ｕ。。。此时，电流可以表示为：Ｌ＝匕［１一Ｇ（ｅｃ２‰一１）］（３．６）上述式子中由于光伏电池的主要技术参数Ｌ、吒、Ｌ、Ｕ。已知，可以求出ｃｌ、Ｃ２：Ｃｌ：（ｔ一≯老∞，＠８，纠謦Ｍ岬一妒将Ｃ１、Ｃ２代入式（３．５）中，光伏电池的，－Ｕ特性关系曲线就可以确定了。下，标准参考光强和温度一般取Ｒ一＝ｌ由于光伏电池的输出特性受光照强度和环境温度的影响比较大，一般情况ｏｏｏｗ／ｍ２和％＝２５℃。标准状态下光伏电池，．Ｕ特性卤线上的点（Ｕ，，），当外界环境发生改变时，Ｕ’＝Ｕ＋ＤＵ，，’＝，＋饼，可以得到在新的环境条件下的光伏电池的，．Ｕ特性关系：第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究Ｕ＋ＤＵ，＝，。。［１一Ｃ１ Ｑ ｃ２‰一１）】＋优式中 ＤＵ＝一８ｑ―Ｔ呵、）一Ｒｓ’ＤＩ Ｄ，＝晓尺（丁一咒，）＋Ｌ（Ｒ一１）（３．９）（３．１０）（３．１１）其中口――电流变化温度系数（Ａｍｐｓ／℃），一般取０．００１２１』。； 声――电压变化温度系数（Ｖ／℃），一般取Ｏ．００５ Ｕ。； Ｒ．――串联电阻（一般取小于１Ｑ）。（２）光伏电池的输出特性 光伏电池是一个既非恒压源又非恒流源的非线性直流电源，图３．３为光伏 电池在不同温度和不同光照下的输出特性曲线。由图ａ）可以看出当外界光照一 定，而温度不同时，光伏电池的输出电压变化很大，而短路电流却很接近。由 图ｃ）可以看出当温度一定，光照强度变化很大时，光伏电池的输出电流变化很 大，开路电压变化不大。从图ｂ）和图ｄ）中我们可以看出，在一定的光照强度下， 电池的输出功率随着温度的升高而降低，在一定的温度下，输出功率随着太阳 光照强度升高而升高【１引。审流Ｉ／Ａ 功率Ｐ九Ⅳ电压Ｕ，ｖ电压ＵⅣ（ａ）不同温度下Ｉ．Ｖ曲线（ｂ）不同温度下Ｐ．Ｖ曲线第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究功电压Ｕ，、，电压Ｕ，ｖ（ｃ）不同光照下Ｉ－Ｖ曲线（ｄ）不同光照下Ｐ．Ｖ曲线图３．３不同温度和光照下的电池输出特性３．２太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究３．２．１最大功率点跟踪原理太阳能电池在工作的情况下，其端电压将随着光照强度和环境温度的不同 而发生变化，由于光伏电池的输出功率与其端电压有关，所以输出功率也会发 生很大的改变，为了提高光伏系统的效率，也就是说要在光照和温度条件不相 同的情况下尽可能多的输出电能，这就提出了太阳能阵列的最大功率点如何跟踪的问题。假设光伏系统电路就是一个线性电路，在一般的线性电路中，为了让负载 获得最大的功率，需要匹配一个合适的负载。由电路理论分析知，当负载的电 阻与电路系统的内阻相等时，负载就能获得最大的功率，如图３．４所示的简易 线性电路：１９第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究＋砜ｉ电源部分：．．一…．．…．．…一一．．一一…．．．．．．．．．．．一．．．．．…．－．：图３．４简易线性电路图中，Ｕ。为电压源电压，置为电压源的内阻，Ｒ。为负载电阻，则负载电阻 上消耗的功率为：氏“２Ｒ＝（裁）２×Ｒ上式中，Ｕ，和足是常数，对Ｒ０求导，可得：（３?１２）鼍蚋持哦２（置＋Ｒ）２＠?３，。令象＝。，即当Ｒ。＝民时，氏可取得最大值。通过上述这个简易的线性电路分析可知，对于内阻不变的线性电路系统， 可以利用负载电阻和电源内阻相等的方法使负载获得最大功率，即电源最大输 出功率，此时负载电压相当于电压源电压的一半。但是太阳能光伏电池系统电 路是一个非线性电路，因为太阳能电池的内阻会受到光照强度、环境温度和负 载等因素的影响，所以其内阻是不断变化的，那么用上述简易线性电路来求取 最大输出功率是不行的。为此，我们常用的方法是在太阳能电池与负载之间增 加～个与其相配合的ＤＣ．ＤＣ直流变换电路，通过改变ＤＣ．ＤＣ直流变换电路中 功率开关管的通断情况，可以调节太阳能光伏电池阵列的输出功率，使其达到 最大，这样便实现了光伏电池最大功率点跟踪的目的。 如图３．５所示为太阳能光伏阵列ＭＰＰＴ工作示意图，其中，曲线Ｘ和曲线 Ｙ为光伏阵列在光照强度不同情况下的输出特性曲线，直线１和直线２为负载 阻抗的负载特性，曲线与直线的交点为ａ、ｂ、ｃ，即为光伏阵列的工作点，从２０第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究示意图中可知，ａ点、ｂ点分别为光伏阵列在其相应情况下的最大功率点。若系 统一开时稳定工作于ａ点，在光照强度突然发生改变时，光伏阵列系统的输出 特性曲线将发生改变，如图３．５所示它将从益线Ｘ转移到越线Ｙ，在负载阻抗 不变的情况下，光伏阵列系统将在ｂ点工作，但是输出特性曲线Ｙ的最大功率 点是ｃ点，此时出现最大功率点偏差，也就是说负载阻抗与光伏阵列不匹配。 为了使光伏阵列系统工作于最大功率点，只有改变负载阻抗值，使其与光伏阵 列的内阻相等，才能实现使光伏系统输出最大功率。Ｕ（ｙ）图３．５太阳能光伏阵列ＭＰＰＴ工作示意图所以，为了实现ＭＰＰＴ的控制，我们可以通过改变负载阻抗值，使负载阻 抗值与光伏阵列的内阻值相等，光伏系统才能工作在最大功率点。在光伏系统 设计中通常在光伏阵列的输出端加一个ＤＣ．ＤＣ直流变换电路，根据电力电子技 术理论，调节直流变换电路的占空比Ｄ就能实现负载阻抗与光伏阵列的匹配， 从而完成最大功率点跟踪。３．２．２常用最大功率点跟踪方法在太阳能光伏发电的开发和应用系统中，最大功率点的跟踪技术的研究一 直是该课题的研究热点。目前，主要光伏阵列的最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）控制技 术，国内外已经发展出各种控制方法，常用的有固定电压跟踪法（ＣＶＴ）、扰动 观察法（Ｐ＆Ｏ）、电导增量法（ＩＮＣ）等，下面详细分析下这几种常用的ＭＰＰＴ控制方法【１４．１７１。 （１）固定电压跟踪法（ＣＶＴ）首先测试到光伏电池在某一光照强度及温度下最大功率点所对应的电压２ｌ第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究值，这种方法即是通过调整太阳能光伏电池的端电压，让其值和所测试的电压 相符，从而实现最大功率点跟踪的目的。从光伏电池的输出特性可以看出，在 光照强度和电池温度一定的情况下，太阳能光伏电池达到最大功率点时，其电 压变化不大，几乎为一个固定值。这样就可以使ＭＰＰＴ控制器的设计变得简单 化，人们只需要利用光伏电池生产厂商提供的最大功率点的电压数据，根据经验数据，其值一般为开路电压的７０％至８２％。采用固定电压跟踪法的御ＰＴ控制比没有的情况下要多获得２０％的电能【１８１。固定电压法结构比较简单、容易实 现，但是在日照强度和温度等外界环境发生改变时，光伏阵列的输出最大功率 点也会发生很大的变化，这样就会使光伏电池工作于偏离最大功率点，造成能 量的损耗，所以此方法适应性差。 （２）扰动观察法（Ｐ＆Ｏ） 因为扰动观察法的控制结构比较简单，被测参数也比较少，因此在太阳能 光伏电池最大功率点跟踪控制方法上被广泛的应用在。扰动观察法的原理是 先给一个扰动输出电压信号（己，，矿＋△Ｕ），然后测量其功率发生的变化情况， 再与扰动之前的功率值进行比较，如果扰动后的功率值变大了，说明扰动方向 是正确的，’则可以朝同一个方向继续扰动（＋△Ｕ）；反之，如果扰动后的功率 值比扰动前小了，则扰动要往相反方向（．△Ｕ）。周期性地不断扰动、观察及 比较，以改变太阳能光伏阵列的端电压和输出功率，使输出功率趋于最大。电 导增量法的最大功率点跟踪控制的流程图如图３．６所示。 但是，扰动观察法是通过不断扰动光伏阵列的输出电压来实现跟踪最大功 率点，在接近最大功率点出，其依然不断的扰动，而是在此左右来回振荡，所 以导致能量损失和降低光伏阵列输出的效率。能量损耗会在外界环境缓慢变化 的情况下更为严重，这是扰动观察法的最大弊端。为此，通过缩小每次扰动的 幅度，可以降低在最大功率点附近的振荡幅度，以致能减少能量损失，然而在 外界温度和光照强度变化较大时，小幅度的扰动量必然导致需要扰动次数的增 加，这就使得跟踪最大功率点需要更长的时间，效率不够高，伴有大量能量的 损失，有时还会导致程序失序，出现“误判断”现象。因此利用扰动观察法跟 踪最大功率点时，扰动幅度的选取是关键之举。第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究图３．６扰动观察法流程图（３）电导增量法（ＩＮＣ）／．、釜＼－／钆（ｙ）图３．７光伏阵列的Ｐ－Ｕ曲线电导增量法是另一种最常用的脚ＰＴ控制方法，是在扰动观察法基础上做了适当的改进‘１９】。扰动观察法是通过不断调整工作点电压，使之慢慢接近最大 功率点，此方法刚开始并不知道最大功率点处于哪一侧，所以这个扰动具有一 定盲目性。而电导增量法可以避免这一弊端，能够准确判断出工作点电压和最第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究大功率点电压两者之间的关系其主要控制思想也与扰动观察法大同小异，下面 阐述一下电导增量法的基本原理： 假设光伏阵列的输出功率为：Ｐ＝Ｕ×．， （３．１４）式中对Ｕ求导可得：嘉＝等讲ｕ斋 一＝一＝，＋ｆ，一ｄＵ ｄＵ ｄＵ㈦㈣ …ｊｔ’１．、Ｉ如图３．７所示，最大功率点所对应的电压为％舣，从图中可以得知，当等＞。时，工作点电压小于‰科（ｕ＜‰）；当等＜ｏ时，工作点电压大于‰（ｕ＞‰）；当等＝ｏ时，工作点电压等于％。（ｕ：ｕ一）；ｄＵ将以上三种情况代入式子（３．１５）可得： （１）当Ｕ＜Ｕ。。时，堡＞一三ｄＵ Ｕ（３．１６）（２）当Ｕ＞‰时，堡＜一三ｄＵ Ｕ（３．１７）（３）当Ｕ＝Ｖ吣时，堡：一三ｄＵ Ｕ（３．１８）由于ｄＵ是分母，当ｄＵ＝０情况下，若讲＝０，则此时就为最大功率工作点， 不予再调整；若刃≠０，则可以根据刃的正负来调整参考电压值。当ｄｕ≠ｏ情况下，可应根据睾与一击之间的关系来调整工作点电压，最终完成ｃｌＵ Ｕｏｐ，最大功率点跟踪的目的。运用电导增量法跟踪光伏阵列最大功率点，在光照强度和电池温度等外界环境变化时，其跟踪步伐平稳，其电压振荡幅度比扰动观察法小，但是迭代步长的选择难以抉择。电导增量法的最大功率点跟踪控制的 流程图如图３．８所示。２４第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究图３．８电导增量法流程图上述常用最大功率点跟踪方法的优缺点比较，如下表３ ２ｌ所示。表３．１常用最大功率点跟踪方法的比较 算法名称 固定电压法优点缺点 控制精度较差，没有考日照强度和电池 温度等外界环境的影响，在外界环境变 化较大时，难以实现最大功率点跟踪的 效果，光伏阵列转化效果较低。成本较低，系统简单，易于控制实 现，具有良好的稳定性。扰动观察法算法简单，测量参数少，易于实现， 改进方法较多。容易在最大功率点附近产生振荡，功率 损失较大，跟踪步长对精度和响应速度 无法兼顾，环境变化较强烈时，容易发 生误判现象。电导增量法控制精度比较准确，响应速度快， 不同的逻辑判断有效地减少了振 荡，消除了误判现象。对硬件的传感器精度要求较高，系统成 本较高，迭代步长的选择难以选取。３．２．３本文所采用的最大功率点跟踪方法扰动观察法具有算法简单、测量参数少、易于实现等优点，不失为一种常 用的ＭＰＰＴ控制方法，但是从上节中分析扰动观察法优缺点可知，在最大功率第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究点跟踪的过程中，我们把Ｂｏｏｓｔ变换器的占空比的调整称为扰动的步长，用△ｄ 表示，在扰动观察法中△ｄ是一个固定值，步长的选择要兼顾精度和响应速度。 如果步长过大，对外界环境的变化具有较快的反应速度，但是在最大功率点附近容易产生振荡；如果步长过小，对外界环境的变化反应速度就会变慢，会延长跟踪时间，效率变低。为了克服这种扰动观察法的不足，提高ＭＰＰＴ的效率和品质，本文采用了改进的扰动观察法――变步长扰动观察法１２州。／、釜、－／钆Ｕ（ｙ） 图３．９变步长扰动观察法示意图根据光伏阵列的Ｐ．Ｕ曲线来所说明本文所采用的变步长扰动观察法，如图 ３．９所示。设图中曲线１为光伏系统起始时刻的光伏阵列Ｐ．Ｕ曲线，光伏阵列的 开路电压值Ｕ１，一般情况下光伏阵列最大功率点处的电压为开路电压的７０％ 至８２％，所以取系统开路电压的０．７６倍当作初始基准电压值，开始控制光伏系 统的输出电压，使其向着最大功率点出移动，与此同时，变步长扰动观察法控制开始作用，首先取初始扰动步长为△１。将扰动前后的功率值（岛、名）进行比较，如果尸后与珞相差大于＿，那么再把扰动步长变成为△２，使△２＞△１，再扰动；如果名与＆相差小于吃，那么再把扰动步长变成为△３，使△３＜△１， 然后继续扰动；如果名与珞的差值在‘与巧之间，那么使用△１作为扰动步长变。前述设定的参数值当中，阀值巧较大，阀值＿较小，并且有关系式△３＜△１＜△２。如图３．９所示曲线１的Ａ点处，它离最大功率点较远，此时，系统应该以 较大的步长对最大功率点实行跟踪；如曲线１的Ｂ点处，它离最大功率点的距 离比较适中，那么系统将以适中的步长对最大功率点实行跟踪；如曲线ｌ的Ｃ 点处，它离最大功率点的距离很近时，那么系统必须采用很小的步长对最大功 率点实行跟踪。如果系统处于外界环境有强烈的变化情况下，光伏阵列的Ｐ－Ｕ２６第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究曲线可能变成如曲线２所示，此时，光伏系统会检测到最大功率点的突变，便 会以较大步长的扰动方式进行跟踪最大功率点。这种变步长扰动观察法的优越 之处为：可以在系统启动时变成快速跟踪到当前最大功率点，减少了启动时间；在检测到外界环境有强烈的变化情况时，依然能快速进行跟踪最大功率点，使系统的动态性能得以改善；在离最大功率点很近时变成以小步长进行扰动，可 以缓解在最大功率点附近产生的振荡，光伏阵列最大功率点跟踪效率大大的提 高了。如图３．１０所示为变步长扰动观察法的控制流程图。图３．１０变步长扰动观察法的控制流程图２７第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究３．３光伏电池最大功率点跟踪的仿真分析根据上述最大功率点跟踪方法的分析讨论，采用扰动观察法的光伏电池最 大输出功率跟踪方法效果比较理想，只是扰动步长的选择必须要兼顾精度和响 应速度，所以会出现震荡以及跟踪时间较慢等弊端。因此在扰动观察法的基础上采用了改进的扰动观察法，即变步长扰动观察法。利用Ｍａｔｌａｂ／ｓ妇ｕｌｉｌｌｋ工具建立了仿真模型并对结果进行分析【２ｌＪ。本系统仿真图采用的电路是升压斩波电 路（Ｂｏｏｓｔ电路），最大功率点跟踪系统仿真模型结构如图３．１１所示，其中光伏 电池数学模型的内部结构如图３．１２所示。图３．１１最大功率点跟踪控制仿真图第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究图３．１２光伏电池数学模型的内部结构图根据光伏电池模型可得光伏电池的输出特性仿真结果，光伏电池模型的相 关仿真参数如表３．２所示。表３．２仿真电路参数设置Ｉｍ ２．８４ Ｖｍ ３５．２８ Ｖ６ｃ ４２．４８ Ｉｓｃ ３．２１ Ｓｒｅｆ １０００ Ｔ１．ｅｆ ２５ａｂ ０．７Ｒｓ ２Ｏ．０１５由上面光伏电池的仿真模型可以得到如下结果：图３．１３（ａ）所示为光伏电 池的Ｕ．Ｉ特性曲线，图３．１３（ｂ）所示为光伏电池的Ｕ．Ｐ特性曲线。从仿真结果 可以看出，光伏电池的输出特性是非线性的，光伏电池的输出电流和输出功率 会随着电压变化的变化而变化。第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究（ａ）（ｂ）图３．１３光伏电池数学模型的内部结构图根据第六章的光伏并网系统参数，单片光伏电池最大输出功率约为１００Ｗ， 由上面最大功率点跟踪控制仿真模型可以得到如下结果：图３．１４所示为单片光 伏电池板扰动观察法控制算法ＭＰＰＴ仿真结果图，图３．１５所示为单片光伏电池板改进的扰动观察法控制算法ⅧＰＴ仿真结果图。由图３．１４和３．１５可知，改进的扰动观察法比之前未改进的扰动观察法更快跟踪到最大功率点，而且没有超 调量，跟踪效果稳态性能较好，功率振荡也相当的小，比较有实用价值。所以 改进后的扰动观察法具有良好的光伏电池最大功率点跟踪作用。图３．１６所示为 光伏阵列的改进型扰动观察法控制算法ＭＰＰＴ仿真结果图，此光伏阵列是由十３０第３章太塑堂堂垡墨奎垫奎盛堡堕堇查箜婴窒 ―――――――＿――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一合后，其输出功率会有一定的损失。一―――块相同型号的光伏电池板串联起来的。从图中可以看出，多片光伏电池板的组芝＆静嚣图３．１４单片光伏电池扰动的观察法控制算法ＭＰＰＴ仿真图，，。／’ｒ／｝｛一｝――一第３章太阳能光伏最大功率点跟踪技术的研究――――――――――――――――――――――――――――――――二＿＝二二二＝－二＝二二二：：：＝：芝 ＆褂霄图３．１６光伏电池阵列改进扰动观察法控制算法ＭＰＰＴ仿真图３．４本章小结太阳能光伏电池的最大功率点跟踪（ⅧＰＴ）是光伏并网发电系统的重要部分，本文首先从光伏电池的工作原理着手，得到光伏电池的输出特性。在分析 太阳能光伏的简易线性电路的基础上得出最大功率点的跟踪原理，接下来分析 介绍了几种常见的ＭＰＰＴ技术，比较了各自的优缺点，为了更好的跟踪光伏电池的最大功率点，本文在常用的ⅧＰＴ技术基础上进行了改进，采用了一种比较先进的方法：改进的扰动观察法――变步长扰动观察法，对这种改进后ＭＰＰＴ方法作了详细介绍，最后通过Ｍａ廿ａｂ／ｓｉＩｎｕｌｉＩｌｋ进行仿真，验证了该方法的正确性。３２第４章单相并网逆变控制技术研究第４章单相并网逆变控制技术研究４．１单相并网逆变器的总体概述并网逆变器是整个光伏并网系统最为核心的部分，它一般以全桥形式的应 用最为广泛【ｌ…。把光伏阵列输出的直流电压馈送到电网的过程中，按照光伏并 网逆变器的结构可以把其拓扑结构分为两类：单级式逆变器和双级式逆变器。 单级式逆变器如图４．１（ａ）所示，它是ＤＣ．ＡＣ环节中同时实现两个功能，即 ＭＰＰＴ控制和逆变并网控制；双级式逆变器如图４．１（ｂ）所示，它是在ＤＣ－ＤＣ 电路和ＤＣ．ＡＣ电路中分别实现ＭＰＰＴ控制和逆变并网控制。单级式逆变器具有结构简单的优势，但是控制方法比较复杂；而双级式逆变器结构对ⅧＰＴ和逆变并网环节采取单独控制，其互不影响，控制相对简单，工作效率较高，所 以本文采用的是单相双极式逆变器。（ａ）（ｂ）图４．１光伏并网逆变器的拓扑结构３３第４章单相并网逆变控制技术研究光伏并网逆变器主要分为电流源输入和电压源两种输入方式【２２１。由于输入 为电流源的电流型逆变器需要在直流侧串联大电感，用来稳定直流侧电流的输 入，但是由于电感线圈的体积一般较大，动态响应也较差，这样就会使系统的 响应速度变慢，所以光伏并网逆变器一般采用电压源作为输入电源。如果逆变 器的输出采用电压控制方式的话，逆变器的输出电压受到电网的影响比较大， 使其难以控制，而采用电流控制，可以方便的控制输出电流使其符合并网的要 求，即与电网电压保持同频同相，这样就可达到逆变并网的目的。综合以上分 析，本文采用单相双极式电压源电流控制方式逆变器，即电压型输入，电流型 输出的控制方式。 单相逆变器的控制目标：控制逆变器输出的单相正弦交流稳定电流与电网 电压同频同相，并且保证输出电流的高品质，尽可能使谐波减少。所以控制系 统需要控制的是逆变器输出的电流，如图４．２所示为一个简化的逆变器输出电 流与电压之间的矢量关系，其中Ｌ。为控制目标，即逆变器输出电流，Ｕ耐为电网电压，虬埘为逆变器输出电压。逆变器的输出需要进行滤波，一般采用的是电感，所以输出电流与输出电压之间有一个口角，要使逆变器的输出电 流符合并网要求，即同频同相，因此要使电网电压预先滞后于并网逆变器的输 出电压【２３１。Ｉ，吒，Ｕ删图４．２并网逆变等效电路与电压电流矢量图４．２并网逆变电流跟踪控制方式４．２．１常用单相并网逆变电流控制方式通过上一节的分析可知，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、３４第４章单相并网逆变控制技术研究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［２舢３２１。 （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，其控制效果很不理想。所以，ＰＩ控制在系统要求不是很高的场合比较有 使用价值ｐ引。 （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 主用用来改善波形质量，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 制效果不理想ｐ４Ｊ。 （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【３５１。 （４）ＳＰＷＭ控制方式这种方式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 或比例积分调节。ＳＰＷＭ控制方式控制结构简单易于实现，系统稳定性较好， 应用十分广泛【３６Ｊ。 上述介绍了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，所以在实际应用中比 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，并在此基础上作相应 的改进，下节内容将详细介绍此控制方法。第４章单相并网逆变控制技术研究４．２．２本文采用的单相并网逆变电流控制方式（１）单相并网逆变器的数学模型 本文逆变系统采用的逆变器是全桥拓扑结构，其结构如图４．３所示，主要 有直流侧、单相全桥以及ＬＣ滤波电路三部分构成，其中Ｌ。、Ｃ２分别为逆变器 的输出滤波电感与滤波电容，Ｒｌ为线路上的综合电阻（包括电感串联等效电阻、 开关管通态电阻等）【３７】。卜图４．３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ＵＬ（ｔ）和电容电流ｉｃ（ｔ）的表 达式：㈨＝三掣川∽一州沪㈨挑）－Ｃ掣吲沪讹）ｏ（４．１）将式（４．１）转化为状态方程：［搿］＝吉１ Ｒ， 三酬＋０一二Ｃ ｏ１土￡降）］ ｌ ｆ。（ｆ）Ｊ（４．２）上再将上式（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： ㈧３，㈣＝而击丽㈨一矗‰以ｓ）＝Ｇ。订Ｕｆ（ｓ）一ｋ胁（ｓ）３６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：第４章单相并网逆变控制技术研究ｚ．（ｓ）：盟：下堕生。（４．４）』。（ｓ）ｓ‘ＬＣ＋麒ＬＣ＋ｌ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４．４所示。由于综合电阻Ｒ１的阻值比较小，可以忽略，所 以逆变器的主电路就相当于一个二阶振动环节。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 当的加大系统的阻尼。图４．４单相全桥逆变器的主电路等效框图分析上图可以得知，在ｆｏ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：强器。五而舞ｕ＠ｈ２弱州叩＋扣１＋惫㈠５，（２）单相并网逆变电流的控制方式 由于在前级ＤＣ―ＤＣ控制中已经实现最大功率点的跟踪，并且输出了稳定的 直流电压，然后输入逆变器。那么在后级ＤＣ―ＡＣ的逆变过程中，只需要把这个 稳定的直流电逆变成符合并网要求的交流电，而在前面章节当中，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，即可实现 逆变并网的目的。并网电流的控制系统如图４．５所示。３７第４章单相并网逆变控制技术研究图４．５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，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：三型箸＝ｕ。一ｕｇ―ｏ嵋 出‘ｇ…（４．６）。式中ｑ为并网系统的输出电压，Ｕ；为电网电压，ｏ为逆变器输出的并网电流， 蜀为等效电阻。将式４．６作拉氏变换后可得：Ｌ耐２ｚ了｝百（ｕｉ―ｕｇ）＝Ｇｓ（ｓ）（ｕｚ―ｕｇ）‘４?７’式中Ｇ３（ｓ）是滤波器的传递函数，Ｇｓ（ｓ）２瓦÷万。逆变器可以等效为一个小惯性环节，其传递函数为：Ｇ：∽２乏萧式中．ｊ｝一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∽８，∞）：丝（４．９）所以并网系统的开环传递函数是：第４章单相并网逆变控制技术研究Ｇ∽＝Ｇ１（咖Ｇ：∽螂）＝半。缶‘击∽㈨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比较大，此时，并网电流关于电网电压的表达式为：砸）＝羔％ｓ）（４．…为了消除或减小电网电压对并网电流的影响，我们在上述并网电流控制系 统中作适当的敌讲。即加入申．网审。乐前馈补偿婪詈，缸图４．６所示。图４．６改进型并网电流的控制系统图在加入电网电压前馈补偿之后，并网电流关于电网电压的表达式则为：～ ”’（４．１２）ｍ）：业訾掣％ｓ）１＋Ｇ’ｆｓ）式中Ｇｔ（ｓ）为加入电网电压前馈补偿后的开环函数，若Ｇｇ（ｓ）＝一虿ｂ，则Ｊ『（ｓ）的值为零，说明加入电网电压前馈补偿后可以减小或消除电网电压对 并网电流的影响【３８１。４．３单相逆变系统仿真分析通过分析上述逆变系统，首先采用ＳＰＷＭ控制方式，由于这种控制方法有 一定的弊端，并网电流受电网电压的影响比较大，所以改进了ＳＰＷＭ控制方法， 在此基础上加入了电网电压前馈补偿装置，能有效的减少甚至消除并网电流受 电网电压的影响。利用Ｍａｔｌａｂ／ＳｉｍｕｌｉＩｌｌ（工具对并网逆变系统进行仿真，并对结果进行分析。３９第４章单相并网逆变控制技术研究４∞３∞２∞，∞Ｏ薄．．：｛藤豁： 二锻：』 二弧● ‘Ａ嵫Ｕ＼。。’’’’｛’｝。’。ｌ。 ：Ｊ ｝?ｏ－－?－…●●ｏ‘ｏ｛ｆ＼ｙｌ――、！＼ｙｆ／―、、！ｌ季一∞霉ｌ口Ｉ＾）ｌｕ番毫３０一∞２∞３∞州门≥门门二：：ｒＯ Ｏ．０１ 口．０２ ０．０３ Ｏ．０４ 臼。０５ Ｏ．０６ ０．０７ Ｏ．Ｄ８ Ｏ．０９ Ｏ．１４∞ｔｊｍｅ（ｓ》图４．１０未加电网电压前馈补偿的逆变并网仿真结果￡Ｖ（静氆档４Ｉｏ＾）ｌｕ譬Ｊｎｕ伽唰ｓｌ 图４．１１加了电网电压前馈补偿的逆变并网仿真结果由以上仿真图，图４．１０为未加电网电压前馈补偿的逆变并网仿真结果，图４０第４章单相并网逆变控制技术研究４．１１为加了电网电压前馈补偿的逆变并网仿真结果。分析此仿真结果可知，采用加入电网电压前馈装置的逆变输出波形和未加电网电压前馈时逆变输出波形 两者都能够保持逆变输出电流和电网电压同频同相，但是加入了电网电压前馈 装置的逆变输出并网电流畸变更小，具有更好的性能。４．４本章小结本文首先介绍了并网逆变器中逆变电路的选择，对逆变并网的控制目标进 行了研究，确定了控制目标是并网电流。然后对单相并网系统的几种常用并网 电流控制策略作了简单的研究和理论分析，由于ＳＰＷＭ控制方式控制效果较理 想，所以采用了ＳＰＷＭ控制方式，并在基础上进行了改进，即加入电网电压前 馈补偿装置，有效的减小了电网电压对并网电流的影响。由于逆变器的控制目 标是并网电流，要保证输出电流与电网电压同频同相，实现并网的目的，最后 采用Ｍａｔｌ ａ．ｂ／ｓｉｍｕｌｉＩｌｌ（进行仿真验证。４１第５章孤岛效应检测与保护第５章孤岛效应检测与保护５．１孤岛效应检测系统所谓孤岛效应是指在太阳能光伏并网发电系统中，若市电由于人为切断或 电网故障而停止向本地负载供电，而光伏发电系统仍处于工作状态，使本地负 载处于局部供电的状态，即与周围负载构成一个自给供电的孤岛现象【３９】。由于 电力系统中的线路因线路或设备检修等情况而停止供电的情况是普遍存在的， 所以孤岛效应现象在光伏发电系统中也是可能存在的一个问题，在太阳能光伏 并网发电系统中应该要考虑产生孤岛效应的现象。在孤岛效应发生之后，假设 检测设备未能检测到孤岛，将会产生以下一些危害【４０】：比如危及人身安全、电 网保护开关、电压和频率不稳定等等。５．１．１孤岛效应产生的原因分析如图５．１所示为并网发电系统孤岛检测结构框图，图中由Ｒ、Ｌ和Ｃ组成 光伏逆变器的等效负载。光伏系统在正常工作以及发生孤岛效应时的功率流向 在图５．１中也标示出来了，其中Ｐ和Ｑ分别为：光伏并网逆变器输出的有功功 率和无功功率；△Ｐ和△Ｑ分别为：逆变器向电网提供的有功功率和无功功率；‰：负载上消耗有功功率；Ｑ剃：负载上消耗无功功率；Ｕ：逆变器输出电压；Ｕ。：电网电压；ＰＣＣ：电网端与客户端的公共耦合点。 在光伏系统输出的功率和负载所消耗的功率处于平衡状态时，此时光伏发 电系统提供的电流刚好供负载所需，所以当市电因故障或检修而断电，而逆变 器输出端的电压以及频率并不会马上发生变化，此时，系统可能无法判断出市 电是否有断电，孤岛效应的现象便出现。若市电断开时，光伏系统不能准确、 快速的检测出电网的断电状态，并脱离电网，那么光伏系统就会向周围负载继 续供电，即所谓的孤岛。４２第５章孤岛效应检测与保护图５．１并网发电系统孤岛检测结构框图下面根据图５．１并网系统孤岛检测示意图，分别讨论电网侧断路器Ｓ打开 和关闭的情况： （１）当开关Ｊ５ｒ闭合时，光伏并网系统工作于正常状态下，并网逆变器的输 出除供本地负载使用外还与电网相连。由图中功率流向可得：尸＝‰＋印＝竿＋肚Ｑ＝‰＋△Ｑ＝（寿一嚷ｃ）×％。＋△Ｐ国。厶９ 。㈣，，（５．２）式中国。为电网电压的角频率。 上述式子表明，当逆变器输出的有功功率小于本地负载所需，那么不足的 部分将由电网来补充；当逆变器输出的有功功率大于本地负载所需，那么超出 的部分将馈送给电网。 （２）当开关ＪＳｒ断开时，说明市电处于断电状态，光伏并网系统将工作于孤 岛状态，那么逆变器输出功率全部供给本地负载，又开关断开前后Ｐ和Ｑ基本 不变，由此可得：尸＝‰＝字Ｑ＝Ｑ删＝（七一ｑｃ）∽２ 毗Ｌ式中＠为逆变器输出电压的角频率。＠３，（５．４）４３第５章孤岛效应检测与保护 由式子（５．１）和（５．３）口］得：竺：ｌ一鬈 一一－一＿－－＿＝一尸（５．５）Ｉ、、ｌＵ。‘由式子（５．２）和（５．４）可得：竺×缉：望二丝±垒；（５．６）咚昕Ｑ＋Ｑｃ×詈普式中Ｑｃ为谐振电容ｃ的无功功率，其值为Ｑ＝哝×ｃ×％２，由于负载Ｌ、Ｃ会发生谐振，那么并网逆变器将在谐振的状态下工作，谐振角频率满足关系国：１／√历。通过（５．５）和（５．６）又可得：堕×竺一丝：（乓一１）×堡＋堕一１ Ｐ∞ｇ（５．７）Ｑ、∞；。Ｑ∞ｇ由式（５．６）和（５．７）可知，并网逆变器工作在孤岛时，它输出有功和无功 功率的大小受并网逆变器输出电压和频率的影响，由于并网逆变器输出功率全 部供给本地负载，所以有△Ｐ＝０，△Ｑ＝０，则式子（５．７）可以转化为如下式子：（堕一１）×（丝×（旦＋１、＋１：ｏ∞ｇ（５．８）Ｑ∞ｇ通过上述分析，当∞，＝∞。时，光伏系统逆变器输出的功率和负载所消耗的 功率处于平衡状态。在发生孤岛效应时，并网逆变器输出电压和频率没有发生 变化，即电网端与客户端的公共耦合点ＰＣＣ处状态不会发生变化。反之，会发 生变化。因此，是否发生孤岛效应可以通过检测逆变器输出电压和频率的变化 来反映。而在电网端与客户端的公共耦合点ＰＣＣ处状态不会发生变化的情况 下，无法检测到孤岛是否发生，因此，需要寻求更为高效的孤岛检测方法。５．１．２常用孤岛效应的检测方法由于光伏并网系统中产生孤岛效应对整个系统有极大的影响，所以孤岛效 应的检测与防止对光伏并网系统有及其重要的作用。为此，必须选取合适的孤 岛检测方法，目前，检测孤岛效应的方法主要分为两类：被动式检测法以及主 动式检测法［４１。４２１。第５章孤岛效应检测与保护１、被动式检测方法 被动检测是指通过并网逆变器的检测功能检测到电网的一些状态量是否变 化，依此判断系统是否出现孤岛效应现象。当电网断电时，如果并网逆变器的 输出量发生变化，比如：电压幅值、频率、相位等，可判别出发生了孤岛现象， 然后采取相应的孤岛保护措施，而当本地负载功率与光伏系统逆变器的输出功 率完全匹配时，就很难检测到那些状态量的变化了，难以达到孤岛保护的作用。 被动式检测方法主要有：电压、频率检测法；相位检测法；谐波检测。 （１）电压、频率检测法 在光伏并网系统中，通过欠压、过压、欠频、过频等故障保护装置来检测 电压、频率的变化来判断是否产生孤岛效应。但这个方法有个弊端就是：当本 地负载功率与光伏系统逆变器的输出功率完全匹配时，在电网断电后，逆变器 输出电压和频率的变化很小，此时电压、频率检测法存在很大的检测盲区。 （２）相位检测法 相位检测法通过检测逆变器输出电流与电网电压之间的相位差是否发生变 化，从而判断孤岛效应是否产生。由于光伏发电系统在正常工作情况下，逆变 器的输出电流与电网电压必须保持相位一致，所以可以通过逆变器输出电流与 输出电压之间的相位差来判断是否大于一定的阀值，如果超过一定的阀值，说 明孤岛效应发生，则逆变器停止工作。 （３）谐波检测 谐波检测法是通过检测电网电压中谐波的变化情况来判别孤岛效应是否产 生，当谐波含量超过一定阀值的情况下，说明孤岛效应产生了，逆变器停止工 作。 ２、主动式检测方法 主动式检测方法是指在逆变器在正常工作工程中，逆变器输出一个很小的 周期性扰动信号，然后检测电网的变化情况，如果扰动量的累积超过并网标准 的规定，就可以检测出电网出现故障，说明孤岛效应发生。在出现孤岛效应时， 在本地负载功率与光伏系统逆变器的输出功率完全匹配的情况下，逆变器输出 的扰动信号可以打破功率平衡的状态，因此可以检测出电压、频率发生变化， 判断孤岛效应的发生。常用的主动式检测方法主要有：输出功率扰动法、输出 频率扰动法、输出相位扰动法【４３１。 （１）输出功率扰动法４５第５章孤岛效应检测与保护输出功率扰动法的原理是通过对逆变器输出有功功率进行周期性扰动，看 逆变器输出电压的幅值是否受到影响，如果发生孤岛效应，有扰动功率的存在， 那么输出电压幅值就会发生变化。 （２）输出频率扰动法 输出频率扰动法和输出功率扰动法的原理相类似，就是对逆变器输出电压 的频率进行周期性扰动，看逆变器输出电压的频率是否受到影响。一般在电网 为停电的情况下，检测不出频率的波动；当电网停电时，就能检测出频率的扰 动，在经过一定时间频率的扰动后，频率偏差就会加大最终超出正常范围，此 时说明孤岛效应发生了，必须停止逆变器继续工作。 （３）输出相位扰动法输出相位扰动法与输出频率扰动法的原理比较相似，只是输出相位扰动法是对并网逆变器输出电压的相位进行扰动。５．１．３本文采用的孤岛效应检测法由以上分析与介绍，并结合文献【４４】可知，在电网停电后，并网逆变器输 出端电压角频率与其输出有功功率和无功功率有如下关系：国≈志?ｃ南邶 舭五ｉ’‘面＋１）＠９， ¨９’式中国为逆变器输出的角频率，Ｐ和Ｑ分别为逆变器输出的有功功率和无 功功率，Ｑ。为负载的品质因数。在电网正常工作情况下，逆变器输出电压的频 率是比较稳定的，在有干扰信号的情况下，也能够保持频率在并网标准允许的 范围内。在产生孤岛现象情况下，如果Ｑ为负时，表明此负载是容性的，并网 逆变器输出端的频率将下降，在此时施加一定的频率扰动，那么频率将继续下 降，在负载上就会形成一个正反馈的过程，这个正反馈可以使得频率加速下降， 直至频率下降到小于正常范围，这时，可以检测出孤岛效应已经发生；如果Ｑ 为正时，与Ｑ为负时相反，那么此负载是感性的，并网逆变器输出端的频率将 增加，在此时施加一定的频率扰动，频率就会继续增加，在负载上就会形成一 个正反馈的过程，这个正反馈可以使得频率加速增加，直至频率增加到超出正 常范围，这时，也可以检测出系统处于发生孤岛效应状态下；如果Ｑ为零时， 说明负载处于谐振状态下，在此时施加一定的频率扰动，会使工作于谐振情况第５章孤岛效应检测与保护下的频率低于或高于正常频率范围，那么就可以检测出孤岛效应。 从式（５．９）的分析可知，要检测出孤岛效应，必须准确判断出频率变化的 方向，然后使扰动信号的方向与频率变化方向一致，形成正反馈。频率变化的 方向是通过前后两次检测并网逆变器输出电压频率的差来决定的，这个过程可 以利用控制器ＤＳＰ的捕获功能来实现。所以本文采用的检测方法正是采用这种 利用频率差而实现正反馈一个检测过程，所谓频率差正反馈孤岛检测法。５．２孤岛效应检测的建模与仿真分析为了验证本文采用的频率差正反馈孤岛检测法，利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌ址仿真平台搭建了孤岛效应检测的数学模型，并结合Ｍａｎａｂ的Ｍ语言编写了孤岛检 测的Ｓ函数模块。孤岛效应检测的数学模型如图５．２所示。图５．２孤岛效应检测Ｓｉｍｕｌｉｋ仿真模型４７第５章孤岛效应检测与保护图５．３频率差正反馈孤岛检测仿真结果由图５．３的仿真结果所反映的可知，在光伏并网逆变系统工作于良好状况 下，频率信号扰动对逆变器输出电流的干扰影响不大；当电网停电时，将产生 孤岛效应，干扰信号的扰动对系统的输出电流影响非常明显，由仿真结果可以 看出，该方法有效的检测出孤岛效应，并且检测检测孤岛效应的时间很短。所 以本文采用的频率差正反馈孤岛检测法具有实用性。５．３本章小结光伏并网系统中，因电网断电可能使光伏系统产生一种孤岛效应的现象， 由于孤岛效应具有一定的危害性，为了防止孤岛效应的现象的产生，本文分析 了几种常用的检测孤岛的方法。根据系统的实际特点，本文采用频率差正反馈 孤岛检测法，这种方法对孤岛效应的检测效果较为理想，文章对该方法的工作原理做了详细的分析，最后通过Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌ址进行孤岛效应的仿真，验证了频率差正反馈孤岛检测法的有效性。４８第６章光伏并网系统的硬件和软件设计第６章光伏并网系统的硬件和软件设计６．１光伏并网系统设计指标１、并网输出功率：１０００Ｗ； ２、逆变后输出并网电压范围：２２０Ｖ±５％： ３、ＤＣ．ＤＣ变换后直流母线电压额定值：４６０Ｖ； ４、光伏电池输出电压范围：１８０Ｖ～４５０Ｖ； ５、电网电压频率范围：５０ ６、开关频率：２０ｋＨｚ； ７、并网电流谐波畸变率：Ｔ｝Ｄ＜５％； ８、输出功率因数：ｃｏｓ矽＞Ｏ．９８。 假设单个光伏电池板模块的相关电气参数为：开路电压为４２．４８Ｖ，短路电 流为３．２１Ａ，最大功率点时所对应工作电压为３５．２８Ｖ，最大功率点时对应输出 电流为２．８４Ａ，则单片光伏电池的最大输出功率约为ｌＱｏＷ，要构成最大输出功 率为１０００Ｗ的光伏阵列，可以由十块相同型号的光伏组件模块串联起来。Ｈｚ±０．５％；６．２系统硬件部分参数的设计光伏并网系统的拓扑结构中，用到多个开关管，常用的开关管有ＭＯＳＦＥＴ 和ＩＧＢＴ。一般来说，ＩＧＢＴ的电流处理能力比较高，它的电流是ＭＯＳＦＥＴ的两 倍，在大电流的作用下，ＩＧＢＴ可以具有更低的导通电压，也就是说ＩＧＢＴ的导 通损耗比ＭＯＳＦＥＴ小；但是ＭＯＳＦＥＴ的开关速度比较高，所以它的开关损耗 比ＩＧＢＴ更小，另外，功率ＭＯＳＦＥＴ的热稳定性也比较好，在小功率电子设备 中运用广泛，但其导通特性比较差，在高电压的情况下，容易使ＭＯＳＦＥＴ发热 而烧坏。总的来说，ＩＧＢＴ适合于低开关频率大电流场合；ＩＧＢＴ适合于高开关 频率小电流场合；另外，ＭＯＳＦＥＴ器件成本更高。ＩＧＢＴ的开关特性较优良、 容易驱动，而且饱和压降也很低等优点，在中小型功率逆变电源和开关电源中 倍受青睐。综合考虑，本系统所用的开关器件选用ＩＧＢＴ。４９第６章光伏并网系统的硬件和软件设计６．２．１前级ＤＣ．ＤＣ电路参数设计依据图２．３所示的ＤＣ．ＤＣ变换电路进行参数分析： １、电感参数的选择 Ｂｏｏｓｔ电路在整个工作过程中，工作电流Ｌ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Ｂ００ｓｔ电路必 须使工作电流在连续情况下。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： ＵＤ丁＝（Ｕ０一Ｕ）（１一Ｄｒ）（６．１）式中，Ｕ为太阳能电池板的输出电压，乩为直流侧输出电压，即直流母线 的电压，Ｄ为占空比；丁为开关功率管的开关周期，Ｄ丁为开关功率管的开通 时间，（１一Ｄ丁）为开关功率管的关断时间。于是，由上式整理可得：虬＝尚电压增益为：＠２，４＝争＝击等，可得： Ｚ＝只㈤３，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 率守恒原理知太阳能电池板的输出功率与电路后级负载Ｒ上所消耗的功率相（６．４）式中只为太阳能电池板的输出功率，￡后级负载Ｒ上所消耗的功率，即输 出功率，又只和￡可以有如下式子得到： Ｐ＝∽‘ ￡＝乩Ｌ则有：（６．５）（６．６）生：ｌ―Ｄ』，（６．７）第６章光伏并网系统的硬件和软件设计式中‘为电池板输出的平均电流，Ｌ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，而这个过程又是随线特性所以电感电流存在纹波量三冬，于是可得：口。ｕ，：三鱼：＞△ｆ，：型‘ｄ。 ‘Ｌ（６．８）式中△ｆ，为电感电流的纹波电流。 定义电感电流的纹波系数刁，为：仇２子』，△ｆ，（６．９）式中ｔ为电感上的平均电流，它与‘是相同的即Ｌ＝‘。 由上述式子可得：三：！！：型坌丝三７７ｊ只Ｌ＝――――――――――；一（６．１０） ＬＯ．１Ｕ Ｊ式中，￡为输出功率。由式（６．１０）可知，在其他条件不改变的情况下，当Ｄ＝妄时，三能够得到最大值，则：三～：！堕 ｋ２蒜三≥厶。（６．１１） ∞＿Ｄ为了满足纹波电流在额定条件下的要求，则：（６．１２）系统的最小占空比为：见访小篑小舞一ｏ．咙取７７，≤２５％。根据系统参数的设计，只＝１０００∥，Ｕ＝４６０矿。＠ｍ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，在本系统中选择合适的开关管频率：如果开关管的开关频率过高时，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第６章光伏并网系统的硬件和软件设计的损耗与发热；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厂＝２０Ｋ舷，则丁＝５０驸，于是可得：三。。，：坐型业：６．２７ｍ日Ｌ一２１聂砸聂而矿２ｏ?ｚ ７ｍ爿（６．１４） ∞?１４’由于三≥厶眦，所以取三＝７棚。２、电容的选择 电容Ｃ为支撑电容，并联于两级变换之间电容Ｃ除了输出滤波外，还具有 储能的作用，假设纹波电流都会流经电容，全桥逆变电路可以等效成纯阻性电 路，中间电压稳定在４６０Ｖ【４５１。由式（６．３）、（６．７）可知：△虬＝竽由式（６．４）、（６．１５）可得：（６．１５）△ｕ＝筹设电容电压的纹波系数为：㈨㈤铲等则有，㈨㈣ｃ≥墨孥仉晖（６．１８）本系统中设仉＝１％，Ｄｍ戤＝Ｏ．５，￡＝１０００矽，丁＝５０淞，则代入（６．１８）得：ｃ≥！ＱＱＱ兰Ｑ：！兰！Ｑ萋！Ｑ二：１１８胪０．０１×４６０２。（６．１９）因为在实际电路中，后级逆变电路要从这个支撑电容中获得能量，另外也 不能完全把全桥逆变器当作是纯电阻性电路，所以中间支撑电容的要留有一定 的裕量，选取１０倍以上的容量。因此这个支撑电容可以选择２２００ｕＦ／５００Ｖ。３、开关管的选择第６章光伏并网系统的硬件和软件设计根据电路中所承受的最大电压和最大电流，对于ＩＧＢＴ开关管的选取可以 取耐压为６００Ｖ耐流为４５Ａ的管子，所以选择ＩＧＢＴ开关管的型号为２０Ｎ６０ｃ３。 二级管的选取同样必须符合电路中所承受的最大电压和最大电流，同时二 极管还必须符合低通态压降和快速恢复特性，因此选择ＢＹＶ２９）【－６００，其主要 参数为耐压６００Ｖ和耐流１８Ａ。６．２．２后级ＤＣ．ＡＣ逆变电路参数设计依据图２．４所示的ＤＣ．ＡＣ逆变电路进行参数分析： １、滤波电感的选择 由于并网系统要求，在单相全桥逆变器的输出侧能够输出功率因数为ｌ、 与电网电压波形同频同相为正弦波电流。逆变器输出滤波电感在单相全桥逆变 器中起着关键性的作用，电感值的取值是否合适将直接影响电路输出波形的质 量。在逆变器侧输出滤波电感的两端将产生纹波电流，它对输出波形的影响比 较大。因此对电感值的选取应考虑电流的纹波系数。 根据电感的基本伏安特性可得：△ｆ＿Ｐ丝‰３（６．２０）Ｌｆ其中乩（ｆ）为电感两端的电压，在输出电压的峰值附近，也就是乩＝Ｕ一时，此时纹波电流最大，假设开关管的开关周期为丁，占空比为Ｄ，则：△ｆ＿‰Ｌｆ（６．２１）在电感工作稳定情况下可得：Ｕ一．ＤＺ＝（Ｕ０一Ｕ。毅）（１一Ｄ）丁 式中％为前级Ｂｏｏｓｔ电路的输出电压。由式（６．１５）、（６．１６）可得：（６．２２）三，：匕型！竺查＝缘磐墼堡Ｊ（６．２３）越Ｕ赴本次设计中，取Ｕ。。＝√２×２２０＝３１１ｙ，Ｌ＝１０么，ｕ出＝４６０ｙ，开关管的工作频率为／＝２０比眈，取电流的纹波系数‘＝０．１，则代入式（６．２３）可得：第６章光伏并网系统的硬件和软件设计三，：坐坐竺掣攀二一５．０４聊日。（６．２４）１０×０．１×４６０因此为了保证电感电流实际纹波△ｆ≤ＩＬ，则电感选取三，≥５．０４，＇ｚＨ。 又由逆变器输出电压的矢量关系可以得到：乩＝／越ｒ厶＋乩则有式（６．２５）可知，它们的幅值满足如下关系：（６．２５）眈＝以＋（础，Ｌ）２根据正弦调制理论可得，（６．２６）‰＝口％式中口为调制比，其值为小于等于１。 将（６．２７）代入（６．２６）得，（６．２７）暖≥晖＋（础，Ｌ）２于是，可以得到，（６．２８）三，≤型咝二盟。（６．２９）酬”代入数据计算得：三，≤１０７．９ｍ日（６．３０）所以，综合考虑选取滤波电感的取值范围为：５．０４聊日≤三，≤１０７．９，，ｚ日。但 是在实际设计的时候，必须考虑到电感体积和成本的因素，一般情况下选取比 电感的下限值稍微大一点，所以三，取为１０聊Ｈ。 ２、开关管的选择 在选用功率开关管ＩＧＢＴ的时候要适当应考虑电压应力、电流应力和热应 力等因素，在并网逆变电路正常工作的过程中，流过功率开关管ＩＧＢＴ的峰值 电流和输出侧滤波电感的峰值电流是相同的，所以为了保证功率开关管ＩＧＢＴ 的负荷和安全工作，应当适当提高功率开关管ＩＧＢＴ的电流额定值，即给予足 够的裕量。本系统中直流输入侧的最大电压为４６０Ｖ，再根据前面电路分析中的 电流情况，选取功率开关管ＩＧＢＴ的耐压值为６００Ｖ、耐流值为４５Ａ，所以本系第６章光伏并网系统的硬件和软件设计统选择型号为２０Ｎ６０Ｃ３的功率开关管ＩＧＢＴ。６．３光伏并网系统硬件设计６．３．１基于ＤＳＰ的主控单元设计１、微处理器的选择与介绍 微处理器是整个控制系统的核心，它能快速采集到相关数据并完成相应控制算法的计算，然后输出ＰｗＭ驱动开关管以控制整个系统。光伏发电并网系统的控制应有较高的精度和快速性，有助于提高系统输出动、静态性能，这对 微处理器的运算速度和精度提出了更高的要求，如具有高速处理能力的数字信 号处理器芯片（ＤＳＰ）。本文采用的是ＴＩ公司生产的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７芯片作为 核心控制器，ＴＭＳ３２０ＬＦ２４Ｑ７芯片是ＴＭＳ３２０Ｃ２０００系列ＤＳＰ中一款。这款控 制器在控制领域的性价比极高、功耗低、运算精度高和速度快等优点，此芯片 具有的特点【４６Ｊ： １）采用的制造工艺为高性能静态Ｃ}