光伏并網(wǎng)發(fā)電設(shè)計(jì)doc

1、揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院本科生課程設(shè)計(jì)題 目： 2kw并網(wǎng)發(fā)電正弦波逆變器 課 程： 現(xiàn)代電力電子技術(shù) 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)： 電氣0704 姓 名：指導(dǎo)教師： 史旺旺完成日期： 2011年3月1日目錄1光伏發(fā)電系統(tǒng)基本構(gòu)成及其工作模式32光伏電池的輸出特性及MPPT控制63光伏并網(wǎng)發(fā)電的主電路拓?fù)浼翱刂萍夹g(shù).144 2KW光伏并網(wǎng)發(fā)電硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)21第一章 光伏發(fā)電系統(tǒng)基本構(gòu)成及其工作模式1.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖如圖1一1所示，主要由光伏陣列、直流變換與控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)與逆變器四個(gè)部分組成。4(1)光伏電池陣列光伏電池是組成太陽能光伏發(fā)

2、電系統(tǒng)的最小單位，單個(gè)光伏電池功率較小，最大輸出功率不超過5佛8，為滿足不同等級(jí)負(fù)載供電需要，人們將光伏電池串、 并聯(lián)后統(tǒng)一封裝構(gòu)成光伏模塊(Ph。t。v。ltaiCM。dule，PV)，這是目前光伏器件 的主要存在及應(yīng)用方式，用戶可根據(jù)需要構(gòu)建10W到3OOW。的光伏模塊。因大功 率光伏模塊安裝、維護(hù)方便，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中200W。以上的光伏模塊更受 歡迎。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)中所需功率超過光伏模塊功率，則需要根據(jù)光伏發(fā)電系 統(tǒng)的功率要求，將同規(guī)格的光伏模塊串聯(lián)起來構(gòu)成光伏陣列 (PVArray)為系統(tǒng)提供更高的輸出功率和輸出電壓。圖l一1光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖(2)直流變換及控制系統(tǒng)直流

3、變換部分作用主要是把光伏陣列輸出電壓變換成能夠滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變器要求的電壓等級(jí)。同時(shí)由于光伏陣列輸出特性的特殊性，其輸出功率為日 照強(qiáng)度和模塊溫度的非線性函數(shù)，存在著最大輸出功率跟蹤 (Max1InumPower P。 intTracking，MPPT)問題。如果不加以控制直接用于給負(fù)載提供能量，則很 難有較好地發(fā)揮光伏模塊轉(zhuǎn)換效率。為此，控制系統(tǒng)除了完成對(duì)DC一DC變換和DC一AC變換所需的基本控制外，還需在DC一DC變換環(huán)節(jié)中增加MPPT控制，以實(shí) 現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出。具體內(nèi)容在第二章作詳細(xì)介紹。(3)逆變器光伏電池發(fā)出的只能是直流電，而包括電網(wǎng)然內(nèi)的許多用電場(chǎng)合需要交流電，因此D

4、C一AC逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它的功能是受控制 3系統(tǒng)控制，將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榕c交流電網(wǎng)或本地交流負(fù)載相匹配的交流電。該環(huán)節(jié)的 5指標(biāo)要求是變換的高可靠性和高轉(zhuǎn)換效率。目前我國(guó)在小功率逆變器上與國(guó) 外處于同一水平，但在大功率逆變器上差距較大仁3。(4)儲(chǔ)能系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)只有在白天有陽光時(shí)才能發(fā)電，而人們的一般用時(shí)間會(huì)在晚上，所以儲(chǔ)能單元(主要是蓄電池)可以在白天將太陽能儲(chǔ)存起來以供人們夜間 使用，同時(shí)也可作為交流電網(wǎng)斷電時(shí)不間斷電源(U。 interruptlblePowerSupply， UPS)的功能，為本地重要交流負(fù)載供電。這種包括蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的光伏 發(fā)電系統(tǒng)稱為“可調(diào)

5、度式光伏交網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”。盡管這種系統(tǒng)在功能上有很多的 優(yōu)點(diǎn)，如作為UPS、有源濾波、可根據(jù)運(yùn)行需要控制并網(wǎng)輸出功率以實(shí)現(xiàn)一定的 電網(wǎng)調(diào)峰功能等，但增加了儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)成本增加、蓄電池的壽命短、體積 笨重及必須回收處理等缺點(diǎn)極大地制約了可調(diào)度光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。所以目前這種形式應(yīng)用較少3，而用得較多的是“不可調(diào)度的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1一2所示，與“可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”不同的是它不含蓄 電池組儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。本文主要討論并實(shí)現(xiàn)的對(duì)象是對(duì)不可調(diào)度的光伏并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)。1.1.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式所謂光伏發(fā)電系統(tǒng)的“獨(dú)立運(yùn)行模式”是指遠(yuǎn)離電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。它通 常用作便

6、攜式設(shè)備的電源，向遠(yuǎn)離現(xiàn)有電網(wǎng)的地區(qū)和設(shè)備供電或者用于任何不想 與電網(wǎng)發(fā)生聯(lián)系的供電場(chǎng)合。該系統(tǒng)中，蓄電池作為儲(chǔ)能單元一般是不可缺少的， 它將日照時(shí)發(fā)出的剩余電能存儲(chǔ)起來供日照不足或沒有日照時(shí)使用，所以它屬于 可調(diào)度光伏發(fā)電系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1一4所示。雖然獨(dú)立系統(tǒng)的構(gòu)成分類有許多，但其基本原理都是太陽光輻射能通過光伏器件轉(zhuǎn)換成電能，再經(jīng)過能量?jī)?chǔ)存、控制、保護(hù)和能量變換等環(huán)節(jié)，最終提供給 負(fù)載直流或交流形式的電能，滿足用戶不同負(fù)載的要求。2.并網(wǎng)運(yùn)行模式在公用電網(wǎng)的場(chǎng)合，光伏發(fā)電系統(tǒng)可直接與電網(wǎng)連接，在系統(tǒng)容量足夠大而日照強(qiáng)度較大時(shí)，可將多余的電能回送給電網(wǎng)。所以該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的逆變器所輸出 的

7、交流電要求滿足并網(wǎng)的條件。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1一5。本文主要完成在并網(wǎng)運(yùn)行 模式下光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。具體過程在后續(xù)章節(jié)中將作詳細(xì)闡述。3.混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)所謂混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在光伏發(fā)電的基礎(chǔ)上增加一組發(fā)電系統(tǒng)，以彌補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境變化影響較大造成的陣列發(fā)電不足，或電池容量不足等因 素帶來的供電不連續(xù)。較為常見的混合系統(tǒng)是風(fēng)一光互補(bǔ)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如 圖1一6所示5 。在通常情形下，白天日照強(qiáng)，夜間風(fēng)多;夏季日照強(qiáng)、風(fēng)小;冬春季日照弱風(fēng)大。顯然風(fēng)能發(fā)電與太陽能發(fā)電具有很好的互補(bǔ)性，其優(yōu)點(diǎn)顯見:利用太陽能、 風(fēng)能的互補(bǔ)特性可以產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出，提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性;在保

8、證 供電情況下，可以大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量;對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì) 和匹配，可以基本上由風(fēng)/光系統(tǒng)供電，無須啟動(dòng)備用電源和備用發(fā)電機(jī)，以此 獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，風(fēng)/光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)存在一次性投資較大，并 需定期更換蓄電池等缺點(diǎn)。第二章 光伏電池的輸出特性及MPPT控制光伏電池輸出的電能的大小與其周圍環(huán)境條件有密切的關(guān)系，其輸出功率隨 太陽光照的強(qiáng)度和電池模塊所處的環(huán)境溫度的變化而變化，并存在最大功率輸出 問題。為此必須對(duì)光伏電池的輸出功率加以檢測(cè)與控制，以使其有最大的功率輸 出。本章主要分析光伏電池的工作機(jī)理和輸出特性;根據(jù)光伏電池物理機(jī)制的數(shù) 學(xué)表達(dá)式建立單個(gè)電池的電路仿真模

9、型及任意功率級(jí)的光伏陣列的仿真模型;并 在了解常用最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用雙模式最大功率點(diǎn)控制方法 進(jìn)行專門的實(shí)驗(yàn)，取得了較好的跟蹤控制效果。2.1光伏電池的工作機(jī)理 在自然界中，物體根據(jù)其導(dǎo)電能力和電阻率的大小分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三類，其中把電阻率在IOe一 310e+8Q.Cm左右的稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體有許 多的特性如摻雜特性、熱敏特性、光敏特性等，這些特性在現(xiàn)代電力、電子技術(shù) 中己得到極為廣泛的應(yīng)用。除此之外，半導(dǎo)體還具有很強(qiáng)的光伏效應(yīng)。所謂光伏效應(yīng)是指當(dāng)物體吸收光能后，其內(nèi)部能傳導(dǎo)電流的載流子的分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，由此產(chǎn)生電流和電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光伏電池是以半導(dǎo)體PN結(jié)

10、上接受太陽光照射產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換 器。當(dāng)光照射到表面時(shí)，部分光線被其表面反射，對(duì)發(fā)電不起作用;部分被電池 吸收，給電池加熱，產(chǎn)生電池的溫升:其它部分太陽光進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部，沖擊N 區(qū)和P區(qū)的價(jià)電子，使其得到超過禁帶寬度Eg的能量，從而脫離共價(jià)鍵的束縛， 形成非平衡狀態(tài)的電子一空穴對(duì)。這些被激發(fā)的電子一空穴對(duì)，部分復(fù)合后對(duì)外 不顯電性，屬于光伏電池能量損耗部分;剩下部分處于非平衡狀態(tài)的電子一空穴 對(duì)，在原PN結(jié)墊壘電場(chǎng)的作用下，把P區(qū)的光生非平衡少子電子拉入N區(qū)，同樣把N區(qū)的光生非平衡少子空穴拉入P區(qū)，從而形成一個(gè)與原墊壘電場(chǎng)Ei方向相反的光生電場(chǎng)Epv，如圖

11、2一1(b)所示。當(dāng)光伏電池的外部與負(fù)載接通后，就會(huì)形成電流，電流方向由電池的外部從P區(qū)流向N區(qū)。這就是光伏發(fā)電的基本機(jī)理。光生電壓可以由式2一1給出3，從式中可以看出，PN結(jié)的飽和電流越小， 光生電壓Up，就越大。式中:(2一1)(2一2)K一一波耳茲曼常數(shù)T一一電池絕對(duì)溫度q一一電子電量JPv一一光生電流密度Jsat一一二極管反向飽和電流密度J一一負(fù)載電流密度U一一光伏電池端電壓2.2光伏電池的輸出V一I特性為了更好地描述光伏電池的輸出V一工特性，考慮工程精度要求，圖2一2給出了實(shí)際使用的單個(gè)光伏電池的等效電路模型。在該模型中，光伏電池相當(dāng)于一個(gè)電流為工P、的恒流源與一個(gè)正向二極管并聯(lián)。圖

12、中的R，為串聯(lián)電阻，該值較 小，理想狀態(tài)下可以等效為O;RsH為旁路電阻，阻值相對(duì)較大，理想狀態(tài)下為無窮大。實(shí)際上希望RS盡可能小，而RsH盡可能的大。2.4最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)通過2.2節(jié)對(duì)光伏電池的輸出特性分析和實(shí)驗(yàn)仿真，已經(jīng)清楚地看到光伏電 池的輸出與環(huán)境條件的關(guān)系。所以，為了使光伏電池有更大的功率傳輸，必須實(shí) 時(shí)檢測(cè)電池的輸出功率，以及時(shí)調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大工 作點(diǎn)附近，即進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤 (MaximumPowerPointTraeking，MPPT)。目 前最大功率點(diǎn)跟蹤控制的方法有很多，較為常用的MPPT控制技術(shù)有恒壓法、擾 動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等8。2.

13、4.1常用MPPT控制技術(shù)1一恒電壓控制(Constantv。 ltageTraeking，CVT)根據(jù)2.2節(jié)分析，當(dāng)光伏電池的結(jié)溫不變的前提下，其輸出功率的變化隨電壓的變化情況如圖2一3(b)所示。當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，電池輸出的開路電壓 變化不大，最大輸出功率會(huì)隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，但在最大功率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的輸出電壓基本不變，為um，見圖中虛線，該值近似為電池開路電壓的0.76倍，。根據(jù)電池的這一特性，只要知道電池的開路電壓，即可得到最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工 22壓Um。這就是CVT法的理論基礎(chǔ)。實(shí)際控制時(shí)，只要以某一溫度下最大功率輸出對(duì)應(yīng)的工作電壓呱作為控制目標(biāo)，實(shí)際電池輸出電壓嘰與之比較，經(jīng)

14、P工調(diào)節(jié)后與三角波比較得到的P枷波去驅(qū)動(dòng)功率管，從而改變電池陣列的負(fù)載阻抗，最后使其工作在最大功率點(diǎn)上。 CVT控制框圖如圖2一20所示。這種控制方法控制簡(jiǎn)單，可靠性和穩(wěn)定性較高，但受工作場(chǎng)合季節(jié)、早晚時(shí)間、天氣情況及環(huán)境溫度變化的影響較大，實(shí)際使用時(shí)一般在CVT算法的基礎(chǔ)上采取一定的措施以補(bǔ)償這些影響。如手工調(diào)節(jié)給定電壓、軟件根據(jù)測(cè)量的環(huán)境溫 度查表得到給定等。另外根據(jù) 2.2.1節(jié)中光伏電池的V一工特性分析，同樣也可 以采用固定電流的方法實(shí)現(xiàn)最大功率控制。2.擾動(dòng)觀察法(Perturb&Observe，服O)擾動(dòng)觀察法是目前最常用的MPPT方法之一。根據(jù)圖2一7(b)可知，光伏電池

15、 的輸出工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)的左側(cè)，dP/dV>O，而在最大功率點(diǎn)的右側(cè)，在最 大功率點(diǎn)時(shí)，dP/dy=0。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，P&o法的控制過程為8川:首先初 設(shè)一個(gè)光伏電池工作電壓，然后通過調(diào)節(jié)功率管的占空比給光伏陣列輸出電壓周 期性的擾動(dòng)，例如使其增加，然后比較擾動(dòng)前后光伏的輸出功率，如果輸出功率 也因此增加，即dP/dV>O，說明光伏工作于最大功率點(diǎn)的左側(cè)，則應(yīng)在下一擾 動(dòng)周期繼續(xù)保持當(dāng)前的擾動(dòng)方向，增大光伏電池輸出端電壓;反之，若輸出功率 減小，即dP/dV<O，則說明光伏工作于最大功率點(diǎn)的右側(cè)，當(dāng)前擾動(dòng)方向?qū)⑹?工作點(diǎn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，所以應(yīng)改變擾動(dòng)方向，使光伏電池

16、輸出端電壓減小。經(jīng) 過反復(fù)的調(diào)整，最后使光伏電池的工作點(diǎn)逼近最大功率點(diǎn)。這種控制算法控制簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)參數(shù)檢測(cè)精度要求不高，控制效果在日照變化不是很劇烈的情況下能滿足光伏系統(tǒng)對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤的要求。但這種 算法存在以下缺點(diǎn):需要周期性的擾動(dòng)，且當(dāng)擾動(dòng)方向確定后，只能在下一個(gè)擾動(dòng)周期去影 響輸出電壓，這將導(dǎo)致光伏陣列的輸出在最大功率點(diǎn)附近振蕩，從而減 小系統(tǒng)的輸出效率;當(dāng)環(huán)境條件變化劇烈時(shí)有可能導(dǎo)致跟蹤失敗。3.電導(dǎo)增量法 (InerementalConduCtance)【2。通過圖2一6、圖2一7光伏電池的P一V曲線可知，最大功率點(diǎn)嶸:處的斜率 為零，即0，所以有dVIV一I+v竺=0dV

17、(2一10)(2一11)P一V汀1一V月“一d一口d也就是說，當(dāng)系統(tǒng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)變化量的負(fù)值時(shí)，光伏電 池工作在最大功率點(diǎn)。與P&O法相比8，增量電導(dǎo)法控制精確、跟蹤速度快;因其能較好地測(cè)定MPP，因而基本可以消除P&O法中因擾動(dòng)而產(chǎn)生的最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩現(xiàn) 象。但該方法對(duì)硬件的要求較高，特別是傳感器的測(cè)量精度要求較高，且系統(tǒng)的 響應(yīng)也應(yīng)足夠快才能滿足其控制要求，所以相應(yīng)的硬件成本也將提高。2.4.2雙模式MPPT控制技術(shù)MPPT控制方法很多，每種方法總有其一定的適用范圍，本課題小組在光伏發(fā) 電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，在綜合上述方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用了把固定參數(shù)法和

18、擾動(dòng)觀 察法的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的雙模式M即T控制方法作為系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 該法實(shí)現(xiàn)協(xié)PPT方便有效。1.雙模式MPPT控制的工作機(jī)理根據(jù)前面所述，固定參數(shù)法在光伏電池結(jié)溫變化不大的情況下，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度發(fā)生較大的變化時(shí)，能簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠地控制電池陣列獲得最大的功率輸出。 但由于電池的結(jié)溫、本身特性不穩(wěn)定，這種控制方法精度較差，電池效率不高; 而擾動(dòng)觀察法，相對(duì)控制精度較高，但因需周期性的擾動(dòng)而存在最大功率點(diǎn)附近 的功率振蕩現(xiàn)象，且系統(tǒng)的響應(yīng)速度和振蕩幅度的大小與所加擾動(dòng)量的大小有著 密切的系統(tǒng):擾動(dòng)量越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快但振蕩越大;減小擾動(dòng)量，可以較好地減小振蕩，但會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)速度下降

19、，且當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生劇變時(shí)易導(dǎo)致 MPPT 失敗。為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，結(jié)合固定參數(shù)法和擾動(dòng) 觀察法的優(yōu)點(diǎn):在光照強(qiáng)度變化較大時(shí)采用固定參數(shù)法進(jìn)行控制，避免擾動(dòng)觀察 法可能帶來的跟蹤失敗，而在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，進(jìn)行擾動(dòng)觀察，以達(dá)到較好的 控制精度。具體實(shí)現(xiàn)方法如下:如圖2一21所示，是光伏器件輸出功率、電流與輸出電壓的特性曲線，從圖可以看出，在B點(diǎn)，輸出電壓和輸出功率為零，此時(shí)光伏電池輸出處于短路狀態(tài)，輸出電流即為其短路電流。隨著輸出電壓的上升，輸出功率也隨之上升，但輸出 電壓上升到A點(diǎn)以前，光伏電池輸出電流近似等于短路電流，即電池表現(xiàn)為恒流 特性。當(dāng)電池工作點(diǎn)超過A點(diǎn)后

20、，輸出電流迅速下降，而電池輸出電壓與輸出功 率繼續(xù)上升，直到電池的最大功率點(diǎn)MP。然后，隨著輸出電壓的上升，電池的輸 出功率與輸出電流均迅速下降。因此，在MP左側(cè)并偏離MP一定距離點(diǎn)(如圖2 一21中的C點(diǎn))所測(cè)得電池的輸出電流近似為光伏陣列的輸出短路電流Isc。根 據(jù)2.2.1中分析，最大功率點(diǎn)時(shí)的電流近似為短路電流Isc的90%，即得到了固定 參數(shù)法所需要的目標(biāo)參數(shù)。以此為控制目標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)初步的最大功率跟蹤控制。 10但由于固定參數(shù)法的控制精度不高，所以當(dāng)達(dá)到這一控制目標(biāo)后，為使電池有更好的轉(zhuǎn)換效率，繼而采用擾動(dòng)觀察以提高控制精度。與傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法不 同的是，由于此時(shí)的擾動(dòng)只需考慮最大功

21、率點(diǎn)附近的穩(wěn)定性，因此擾動(dòng)步長(zhǎng)只需 根據(jù)最大功率點(diǎn)的穩(wěn)定性要求進(jìn)行選取。由于該步長(zhǎng)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法中的 擾動(dòng)步長(zhǎng)，因此穩(wěn)態(tài)時(shí)可有效降低系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象繃川。2.控制流程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)前面分析，圖2一22給出了雙模式MPPT控制策略的流程圖。首先判斷系統(tǒng)是否工作在最大功率點(diǎn)的左側(cè)，圖2一21中B一A一MP區(qū)間:若 砂/V>0且V>0，則系統(tǒng)工作在MP點(diǎn)的左側(cè)，否則工作在MP點(diǎn)的右側(cè)，并 改變功率管的占空比以使系統(tǒng)工作點(diǎn)移到MP的左側(cè)恒流區(qū);然后判斷工作點(diǎn)是否在M即附近，若是，則進(jìn)入擾動(dòng)觀察控制，若不是，則根據(jù)得到的短路電流，進(jìn)行固定參數(shù)法M即控制，判據(jù)為相鄰兩次電流

22、的采樣值 是否近似相等。若較接近，則當(dāng)前系統(tǒng)工作于恒流區(qū)，該電流值即為電池短路電 流，以此計(jì)算得到最大功率點(diǎn)電流工。，進(jìn)行固定參數(shù)法MPPT控制。若兩電流相 差較大，則系統(tǒng)已工作在M即附近，程序轉(zhuǎn)入擾動(dòng)觀察控制;上述過程不斷重復(fù)，直到連續(xù)兩次光伏系統(tǒng)輸出功率采樣誤差夕=0，此時(shí) 系統(tǒng)己工作在最大功率點(diǎn)。圖2一23給出了驗(yàn)證該控制方法的實(shí)驗(yàn)原理圖。圖中光伏器件PV由三塊相同 的光伏模塊串聯(lián)構(gòu)成，光伏模塊參數(shù)如下:開路電壓:21.OV最大輸出功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)輸出電壓:17.OV短路電流:4.ZA最大輸出功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)輸出電流:3.53A最大輸出功率:60w圖2一24給出了實(shí)驗(yàn)波形。圖中曲線1、2分別是光伏模

23、塊輸出電流及電壓曲 線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明短路電流結(jié)合小步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性 能，能較好地滿足MPPT控制要求13 。第三章光伏并網(wǎng)發(fā)電的主電路拓?fù)浼翱刂萍夹g(shù)于光伏模塊的輸出功率受外界環(huán)境影響較大，且光伏模塊輸出電壓低，實(shí)際應(yīng)用中需將光伏模塊串聯(lián)以獲得較高的電壓。但模塊特性的相異和所處環(huán)境不同，即使光伏發(fā)電系統(tǒng)所用模塊采用相同的產(chǎn)品，也不能使系統(tǒng)中全部光伏模塊工作在最大功率點(diǎn)，從而不能充分發(fā)揮光伏電池的效率，造成了資源的浪費(fèi)。因此研究性能優(yōu)良、能充分利用光伏電池輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是光伏并網(wǎng)發(fā)電需解決的關(guān)鍵問題之一。理想的發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該具有如下幾方面的特點(diǎn)仁間: 能較好地實(shí)現(xiàn)

24、DC一AC變換，產(chǎn)生高質(zhì)量的電能，以減輕電網(wǎng)的諧波污染; 能較好地給本地負(fù)載提供電能，以緩解日趨緊張的用電壓力，并還能向 電網(wǎng)輸送過剩電能，緩解電網(wǎng)壓力;較高的傳送效率和較低功耗;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較少的器件、緊湊的模塊設(shè)計(jì);能適應(yīng)較大的輸入電壓變化。當(dāng)前分布式發(fā)電系統(tǒng)中，按照電路變換的過程分為單級(jí)逆變器和多級(jí)逆變器。按是否帶電氣隔離又分為隔離型結(jié)構(gòu)和非隔離型結(jié)構(gòu)。3.1.1單級(jí)逆變器單級(jí)逆變結(jié)構(gòu)要求逆變器能同時(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT控制、逆變等多重控制。它的輸入端與光伏器件直接相連，通過單級(jí)逆變器將光伏陣列輸出的直流電直接轉(zhuǎn)換成 與電網(wǎng)同頻、同相、同幅度的工頻交流電。因它具有電路簡(jiǎn)單、元器件數(shù)少、高 效低功耗

25、及高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在滿足系統(tǒng)性能要求的情形下，單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)是首選26。圖3一1是傳統(tǒng)的帶工頻變壓器的單級(jí)逆變器。但由于工頻變壓器 大而笨重，因而在小功率分布式發(fā)電系統(tǒng)中逐漸被高頻變壓器或無變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所代替25。圖3一2是一種無隔離的單級(jí)逆變結(jié)構(gòu)，它把兩個(gè)相同的BOOST變換器的輸入 與直流電源并接，而負(fù)載跨接在這兩個(gè)變換器的輸出端。工作時(shí)兩BOOST電路輪 流工作輸出半個(gè)工頻周期的正弦調(diào)制波，而在負(fù)載上得到的是完整的工頻交流 電。因無工頻變壓器，所以需要有足夠的光伏輸入電壓，以滿足負(fù)載電壓或并網(wǎng)的需要，J，8。圖3一3是另一種帶隔離的單級(jí)逆變結(jié)構(gòu)圖，由兩個(gè)相同的BUCK一BOOS

26、T電路構(gòu)成。它用反激式變壓器T代替原來貯能電感，一方面這個(gè)反激式變壓器完成貯 能續(xù)流的功能，同時(shí)也起到輸入直流與輸出交流間的電隔離的作用。工作原理類似于圖3一2電路，兩BUCK一B00ST電路輪流工作，在負(fù)載獲得完整的工頻交流電。 通過上述分析可知，由于消除了低頻變壓器，這種單級(jí)變換器結(jié)構(gòu)形式緊湊簡(jiǎn)單、高效低耗，但這種拓?fù)涑Ｊ艿焦β?、輸入電壓的限制，且輸出電能質(zhì)量不高。據(jù)觀察25，在這種變換器中，流過主功率開關(guān)的電流通常是不連續(xù)的三角波， 而且，即使工作在連續(xù)電導(dǎo)模式 (eontinuou:eonduCtionMode，CCM)，通過功率管的電流也不能被控制?？紤]到系統(tǒng)的費(fèi)用和體積，這種拓?fù)洳?/p>

27、適合在大功率發(fā)電系統(tǒng)中使用，避免較大的峰值電流使功率開關(guān)管承受較大的電流應(yīng)力。因此在 大功率、寬輸入電壓的場(chǎng)合往往使用多級(jí)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3.1.2多級(jí)逆變器與單級(jí)變換器不同的是，多級(jí)逆變器并非直接把光伏輸出電壓送逆變器進(jìn)行逆變，而是在逆變的前級(jí)先將光伏輸出電壓進(jìn)行變換，使變換后的直流能滿足后 級(jí)逆變負(fù)載或并網(wǎng)的需要。所以多級(jí)逆變拓?fù)淇梢钥醋魇且粋€(gè)兩級(jí)變換結(jié)構(gòu)，它 15的第一級(jí)可以為DC一DC變換器，也可以是一個(gè)DC一AC一DC的變換器，主要用來完成光伏陣列的MPPT控制，并把光伏輸出電壓變換成能滿足逆變需要的直流電， 而第二級(jí)則把變換后的直流電進(jìn)行逆變輸出給負(fù)載或反饋給電網(wǎng)。電路框圖如圖 3一

28、4所示。之間的矛盾，其實(shí)現(xiàn)僅需適當(dāng)安排逆變器件的控制脈沖時(shí)序。圖3一8給出了倍頻 式SP惻控制信號(hào)產(chǎn)生原理圖。從圖上可以看出倍頻式PWM信號(hào)的產(chǎn)生比傳統(tǒng)方 式更加復(fù)雜，但本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于DSP來實(shí)現(xiàn)的，故并沒對(duì)硬件電路設(shè)計(jì) 有額外的要求。需要注意的是產(chǎn)生的PWM門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)與橋式逆變器中四個(gè)功率 管必須是對(duì)應(yīng)的，否則會(huì)導(dǎo)致逆變的失敗。圖3一8中的V:;、VgZ、與、Vg4四個(gè)驅(qū) 動(dòng)信號(hào)應(yīng)分別對(duì)應(yīng)圖3一5逆變器中的Q2、Q3、Q4和Q5。12.2逆變器反饋控制技術(shù)逆變器控制的分類中，按其輸入電源的性質(zhì)可分為電壓源型和電流源型;按控制對(duì)象或者反饋量的性質(zhì)又可分為電壓型和電流型。因此逆變器的控

29、制方式可 分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制的電流源電流控制四種 方式。而以電流源為輸入的逆變器，由于其直流輸入側(cè)需串一個(gè)大電感以提供穩(wěn) 定的直流電流輸入，大電感的存在往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差川。因此當(dāng)前所 使用的并網(wǎng)逆變器大部分以電壓源輸入為主。下面主要對(duì)電壓源逆變器的控制模 式進(jìn)行分析討論。1.電壓源電壓控制電壓型控制技術(shù)是以輸出電壓作為控制對(duì)象，其控制原理如圖3一9所示。將變換器輸出電壓V、:與基準(zhǔn)電壓相比較后得到誤差Ve，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與鋸齒波信號(hào) 相比較，產(chǎn)生占空比變化的P腳信號(hào)去驅(qū)動(dòng)變換器，這是電壓型控制技術(shù)的基本原理如果反饋采用輸出電壓的平均值與一個(gè)電壓平均值基準(zhǔn)

30、相比較進(jìn)行的控制叫做電壓平均值反饋控制;而如果反饋電壓為輸出電壓的瞬時(shí)值，與一個(gè)電壓瞬 時(shí)值基準(zhǔn)進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)的控制稱為電壓瞬時(shí)值反饋控制。這兩種控制策略中，電 壓平均值控制是恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是輸出可以達(dá)到無靜差，缺點(diǎn)為是響應(yīng)快 速性較差，而電壓瞬時(shí)值反饋控制策略是一個(gè)隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于積分環(huán)節(jié)存在的相位滯后，系統(tǒng)不可能達(dá)到無靜差，但相對(duì)平均值反饋控制，其快速性較好34。 總體來說，電壓型反饋控制設(shè)計(jì)和分析較為簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但當(dāng)輸入電源電壓、負(fù)載、功率電路元器件參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，只有等到輸出電壓 變化后才能起到調(diào)節(jié)作用，故其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。實(shí)際在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中較多 使用了電流型

31、控制策略35，具體分析見下一節(jié)。本文在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，在光伏 發(fā)電工作在獨(dú)立供電模式時(shí)，采用了電壓瞬時(shí)值反饋控制策略，控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3一10所示。具體實(shí)驗(yàn)情況及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見第五章。 172.電壓源電流控制電流型PWM控制技術(shù)是針對(duì)電壓型PWM控制技術(shù)的缺點(diǎn)發(fā)展起來的。這種控 制方式是在PWM比較器的輸入端直接用輸出電感電流信號(hào)與指令電流信號(hào)相比較 產(chǎn)生的誤差量去控制輸出脈沖的占空比，使輸出電感的峰值電流跟隨誤差電壓變 化。這種控制方式有效地改善開關(guān)管電源的電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率，也改善整 個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)36。電流型PWM控制技術(shù)又分為瞬時(shí)值電流滯環(huán)控制技術(shù)和電流三角波比較控制技術(shù)。圖3一H為

32、瞬時(shí)值電流滯環(huán)控制的原理圖。圖3一11指令電流i:與實(shí)際檢測(cè) 電流ic比較產(chǎn)生的誤差lc作為滯環(huán)比較器的輸入。若滯環(huán)比較器的環(huán)寬為2盯， 則ic在仁十AI一i:一AI范圍內(nèi)，呈鋸齒狀跟蹤指令i:。顯然滯環(huán)寬度對(duì)跟蹤性能有 較大的影響。環(huán)寬過寬時(shí)，開關(guān)動(dòng)作頻率低，但跟蹤誤差增大，輸出電流中的高次諧波含量也增大;環(huán)寬過小時(shí)，跟蹤誤差較小，但開關(guān)動(dòng)作頻率變高，甚至?xí)?超出開關(guān)器件的允許范圍，開關(guān)損耗也隨之增大。這種控制方式的特點(diǎn)是硬件電 路簡(jiǎn)單、電流響應(yīng)速度快，但對(duì)功率管的開關(guān)頻率要求較高，在同一開關(guān)頻率下 輸出電流所含的諧波分量較大，給濾波電路的設(shè)計(jì)帶來困難。電流三角波比較控制方式是較為常用的控制

33、方式之一，圖3一12給出電流三角波比較控制原理圖。該控制技術(shù)是將指令電流z:和輸出電流lc進(jìn)行實(shí)時(shí)比較產(chǎn) 生的誤差電流ic，經(jīng)P1調(diào)節(jié)后與三角波載波進(jìn)行比較產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 在這種控制方式中，功率開關(guān)的開關(guān)頻率是一定的，即為載波頻率，與滯環(huán)比較 控制相比，它輸出電流的諧波脈動(dòng)較小，輸出濾波器的設(shè)計(jì)也較方便。上一節(jié)主要分析了電壓源逆變電路的兩種反饋控制方式。在進(jìn)行光伏并網(wǎng)電時(shí)，逆變器的負(fù)載為公共電網(wǎng)，它可視為容量無窮大的交流電壓源，如果并 輸出采用電壓型控制，則實(shí)際上就是一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，這種 情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采用鎖相控制技術(shù)使輸出與市電同步，并 穩(wěn)定運(yùn)

34、行的基礎(chǔ)上通過調(diào)整逆變器輸出電壓的大小以避免環(huán)流的產(chǎn)生。但在逆變 器切入并網(wǎng)工作模式時(shí)，由于電網(wǎng)巨大的平衡作用，逆變器的輸出電壓等于電 電壓，因而對(duì)控制對(duì)象即逆變器的輸出電壓工作情況不可知，只能通過控制逆 器輸入直流母線電壓來控制逆變器，從而較難實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓對(duì)電網(wǎng)電壓 跟蹤，因而可能產(chǎn)生較大的環(huán)流;另外在日照變化較為劇烈的情況下，電壓型制方式也會(huì)因響應(yīng)速度較慢而影響逆變器輸出電能的質(zhì)量。如逆變器采用電流型 控制方式，則逆變器的輸出相當(dāng)于電流源，它與電網(wǎng)的并聯(lián)可看作電流源與電壓 源并聯(lián)工作，并網(wǎng)工作時(shí)只需要控制逆變器的輸出電流頻率、相位跟蹤市電電壓 的變化即可達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)行的目的。其控制方法

35、相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)電網(wǎng)或日照變化時(shí)對(duì) 外部響應(yīng)速度優(yōu)于電壓型控制方式川。因此本文在進(jìn)行光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)采用輸入電壓源、輸出電流源控制模式。考慮到電流三角波控制技術(shù)輸出濾波電路設(shè)計(jì)方 ，更能達(dá)到控制效果川，因而采用固定開關(guān)頻率的電流三角波比較控制技術(shù)來 實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電。其控制原理框圖如圖3一13所示。它是一個(gè)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)， 外環(huán)為輸出電壓瞬時(shí)值反饋控制，內(nèi)環(huán)為輸出瞬時(shí)電流的反饋控制。從圖可知， 電流控制的指令電流信號(hào)是由逆變器輸出電壓與期望正弦電壓基準(zhǔn)比較后產(chǎn)生 的誤差信號(hào)產(chǎn)生，該誤差信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)后與輸出檢測(cè)信號(hào)比較調(diào)節(jié)后再與三角波交 截得到PWM波去控制逆變器，經(jīng)濾波后即得到所需的正弦輸出。實(shí)現(xiàn)光伏并

36、網(wǎng)發(fā)電的一個(gè)最主要的技術(shù)指標(biāo)之一是確保逆變器輸出為單位功率因數(shù)，即需要使逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)中 光伏器件輸出功率、電網(wǎng)電壓及相位都是變化的，因此如何根據(jù)上述參數(shù)確定逆 變器輸出電流的參考信號(hào)是并網(wǎng)工作模式下一個(gè)關(guān)鍵問題。在實(shí)際工作中，電網(wǎng) 電壓頻率、相位變化較小，可以不作考慮(因?yàn)槿绻@些變化超過規(guī)定，系統(tǒng)將 會(huì)切換到獨(dú)立運(yùn)行模式);公共電網(wǎng)作為逆變器的負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定變化小也可不予 考慮;而光伏陣列的輸出功率與其所處環(huán)境日照強(qiáng)度、溫度的變化有很大的關(guān)系， 所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中我們主要考慮光伏陣列輸出電壓和電網(wǎng)電壓幅值變化對(duì)逆變 器控制的干擾。因此逆變器的指令電流信號(hào)應(yīng)隨

37、著光伏器件的輸出功率變化而不 斷調(diào)整。根據(jù)上述分析，圖3一14給出了實(shí)際光伏逆變并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖，與傳統(tǒng)電流控制方法不同的是由于逆變器輸出與電網(wǎng)連接，因此它的外環(huán)第四章 2KW光伏并網(wǎng)發(fā)電硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及電路參數(shù)4.1.1系統(tǒng)的構(gòu)成根據(jù)上述分析，本文實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu) 框圖。主要有以下幾個(gè)部分構(gòu)成：光伏電池陣列:用于實(shí)現(xiàn)光一電轉(zhuǎn)換;DC一DC高頻變換器:把光伏陣列輸出的電壓變換到逆變所需要的直流電壓; 逆變器和濾波器:把直流逆變成與負(fù)載或電網(wǎng)相匹配的工頻交流電;控制器:MPPT控制、逆變并網(wǎng)控制;檢測(cè)保護(hù):完成控制所需的電壓、電流、相位

38、、頻率待信號(hào)的檢測(cè)及過 載、短路、孤島等異常保護(hù)。4.1.2電路主要技術(shù)參數(shù)光伏陣列:光伏組件輸出額定電壓為48v，功率為2kw逆變輸出電壓有效值:22OVAC士5%逆變輸出電壓頻率:50Hz士0.5%4.2主電路拓?fù)溆嘘P(guān)系統(tǒng)的電路拓?fù)洌疚脑诘谌轮幸呀?jīng)說明并確定實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)形式。圖為2KW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路原理圖。該電路前級(jí)由dc-dc高頻電路組成;后級(jí)由三相全橋逆變電路將前級(jí)直流電壓逆變并經(jīng)LC濾波后得到工頻正弦交流電;逆變工作方式為并網(wǎng)工作模式，由繼電器SWI的控制實(shí)現(xiàn)。4.2.1主功率管的選擇目前，IGBT以其優(yōu)良的開關(guān)特性、較低的飽和壓降以及容易驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)在中小功率開關(guān)電源以

39、及逆變電源中占據(jù)了主導(dǎo)地位，因此本系統(tǒng)采用工GBT作為 功率開關(guān)器件。Igbt：FGL60N100BNTD 60A,1000V,IGBT 仙童. TO-264封裝Mosfet：FQP55N10 (100V/55A/155W/0.026歐姆/TO-220)4.3基于DSP的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前市場(chǎng)上用于控制的微處理器主要有51系列單片機(jī)、PIC系列、96系列 單片機(jī)以及高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP等。前面幾種單片機(jī)運(yùn)行速度較慢，或控制 精度不高，很難滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)字控制的要求。DSP是近幾年發(fā)展起來的高 速信號(hào)處理器，它以處理速度快、處理精度高(可為十六位或三十二位)以及完善 的外設(shè)很快在信息處理、

40、實(shí)時(shí)控制方面等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本文所研制的 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)是以DSP核心來實(shí)現(xiàn)的，控制芯片選用了Ti公司的TMS32OF2812，該系列DSP芯片是德州儀器公司專門為控制而設(shè)計(jì)的定點(diǎn)DSP，1.采用高性能靜態(tài)C朋S技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制的功耗;4OMHz的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力;2.基于TMS32OCZXXDSP的CPU內(nèi)核，保證了 TMS320LF2812DSP代碼與TMS32O 系列DSP代碼兼容;3.有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1.SK字的數(shù)據(jù)/程序RAM，544 字的雙口RAM和ZK字的單口

41、RAM;4.兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括:兩個(gè)16位通用定時(shí)器;8個(gè)16位有脈沖寬度調(diào)制(PWM)通道。并能夠完成以下功能:三相反相器控制;P姍的對(duì)稱和非對(duì)稱波形輸出;當(dāng)外部中斷輸入引腳出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉PWM通道; 可編程的PWM死區(qū)控制可以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖;3個(gè)捕獲單元;片 內(nèi)光電編碼器接口電路;16通道A/D轉(zhuǎn)換器。5.擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192K字空間:64K字程序存儲(chǔ)器空間;64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間;64K字1/0尋址空間。6.看門狗定時(shí)器模塊(WDT);7.10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間375ns，并且兩個(gè)通道既可工作于獨(dú)立方式也可以工作于級(jí)連方式?？蛇x擇兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)。8.控制器局域網(wǎng)絡(luò) (CAN)2.0模塊。9.串行通訊接口(SC工)模塊。10.16位的串行外設(shè)接口(SPI)模塊。n.基于鎖相環(huán)的時(shí)針發(fā)生器。12.高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GP10)。13.5個(gè)外部中斷(兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷)。14.電源管理包括三種低