太陽能光伏發(fā)電論文

太陽能光伏發(fā)電論文太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計摘要太陽能發(fā)電作為一種典型的新能源發(fā)電方式具有可持續(xù)開展和綠色環(huán)保兩大優(yōu)勢。在太陽能發(fā)電的眾多課題中，三相并網(wǎng)型光伏發(fā)電具有更高的實用價值和研究意義。本文重點分析研究了三相并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出一套可行的硬件選型和電路設計方案，并最終通過MATLAB仿真驗證了硬件系統(tǒng)設計的可行性。首先本文依次研究了三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列模塊、直流變換與最大功率點跟蹤控制模塊、逆變并網(wǎng)模塊，其中又涉及到光電幕墻的選用，以及直流變換電路、最大功率點跟蹤算法、逆變電路及其并網(wǎng)方式的比照選取。然后選定了三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式，將各個模塊選取的硬件整合，并配合外圍電路和CPU控制回路的設計，完成了三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的整體設計。最后對硬件系統(tǒng)在MATLABSIMULINK環(huán)境下經(jīng)行仿真初探，它運用了先進空間矢量脈寬調(diào)制的技術(shù)，驗證了本文設計的具體可操作性。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；最大功率點跟蹤；三相逆變并網(wǎng)；仿真ThedesignofsolarphotovoltaicpowergenerationsystemAbstractAsakindoftypicalgeneratingnewenergyway,solarpowerhasthesustainabledevelopmentandgreenenvironmentalprotectiontwoadvantages.Manyofthesubjectsinsolarpower,three-phasegridtypephotovoltaicpowersystemhashigherpracticalvalueandsignificanceoftheresearch.Thispaperfocusonthestudyofthree-phasegridtypephotovoltaicpowersystem,andputsforwardafeasiblehardwareselectionandcircuitdesignproject.FinallythispaperverifiedthefeasibilityofhardwaresystemdesignbyMATLABsimulation.Firstlythispaperstudiedphotovoltaicarraymodule,DCtransformationandthemaximumpowerpointtracking(MPPT)controlmodule,invertergridmodulesofthesolarphotovoltaicpowergenerationsystemsinturn.Italsoinvolvesthecomparativeselectionofphotoelectriccurtainwall,DCtransformcircuit,maximumpowerpointtrackingalgorithmandACgridway.Thenitselectedthesolarphotovoltaicpowergenerationsystemsstructure,andintegratetheselecthardwarederivefromeachmodule，andcooperatewithperipheralcircuitandCPUcontrolcircuitdesigncompletedsolarphotovoltaicpowergenerationsystemsmodeloveralldesign.FinallyitdidsimulationforhardwaresysteminMATLABSIMULINKenvironment.It’susedtheadvancedspacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM)technologythatverifiedthespecificdesigninthispaperismaneuverability.Keywords:Photovoltaicsystem;MPPT;Three-phaseinvertergrid;Simulation目錄摘要IAbstractII第一章緒論11.1光伏發(fā)電的背景及意義11.2國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電應用的現(xiàn)狀2世界太陽能光伏發(fā)電的開展現(xiàn)狀2國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電的開展現(xiàn)狀31.3課題主要研究內(nèi)容41.4本章小結(jié)5第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的概述62.1光伏電池技術(shù)6光伏電池的發(fā)電原理7光伏電池的分類及特點82.2光伏陣列之光電幕墻10光電幕墻特點10光電幕墻的工作原理11選用光電幕墻的優(yōu)越性112.3光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類12基于是否帶有儲能裝置的分類12基于是否與電力系統(tǒng)并網(wǎng)的分類142.4光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)方式16工頻變壓器絕緣方式16高頻變壓器絕緣方式17無變壓器方式172.5本章小結(jié)18第三章DC/DC變換與MPPT控制局部193.1最大功率點跟蹤的概述19最大功率點跟蹤的原理19最大功率點跟蹤研究的現(xiàn)狀213.2最大功率點跟蹤的算法22恒壓跟蹤法(CVT)22擾動觀察法(P&O)23電導增量法(INC)243.3DC/DC變換器26降壓式變換器(BuckConverter)26升壓式變換器(BoostConverter)27升降壓式變換器(Buck-BoostConverter)29庫克式變換器(CukConverter)303.4DC/DC變換器與MPPT的適用30適用于光伏MPPT的DC/DC變換器303.4.2MPPT在DC/DC變換器中功能的實現(xiàn)313.5本章小結(jié)33第四章三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變局部344.1光伏并網(wǎng)逆變器的根本構(gòu)成344.2光伏并網(wǎng)逆變器的分類364.2.1三相半橋式逆變器374.2.2三相全橋式逆變器384.2.3組合式逆變器的電路384.3光伏并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)的控制策略39電流滯環(huán)比較方式40定時比較方式41三角波比較方式42無差拍控制方式434.4本章小結(jié)47第五章三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件設計485.1三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路設計48三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)48三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)度方式495.2三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)設計495.3三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變電路設計505.3.1DC/DC電路設計505.3.2DC/AC電路設計515.4三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變外圍電路設計52控制電源的選擇52信號檢測電路53驅(qū)動和保護電路535.5三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的CPU控制回路設計555.5.1TMS320LF2407控制芯片簡介55選用TMS320LF2407芯片的原因565.6三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體設計585.7本章小結(jié)59第六章三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真606.1SVPWM的原理606.2SVPWM的算法626.3三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真初探646.3.1SVPWM的Simulink仿真64三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真66三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真波形686.4本章小結(jié)69結(jié)論與展望70附錄A71附錄B72參考文獻73致謝75第一章緒論1.1光伏發(fā)電的背景及意義隨著科學技術(shù)的不斷開展，人類進入20世紀后對能源的需求也不斷增長。與此同時，人們對保護環(huán)境的重要性也有了越來越明確的認識。由于化石燃料的枯竭環(huán)境的破壞所引起了溫室效應、全球變暖、農(nóng)林水產(chǎn)資源的減少等，如果再進一步惡化，人類就會收到大自然的警告，到時后果將不堪設想?，F(xiàn)在的世界能源構(gòu)成中主要的能源還是化石能源，包括石油、煤、天然氣，另外還有可再生能源核能、水能，其他的可再生能源只占微乎其微的小局部。傳統(tǒng)的化石能源是不可再生的，世界范圍內(nèi)開展可再生能源是解決能源危機的必經(jīng)之路。根據(jù)世界能源協(xié)會WE(WorldEnergyCouncil)(1TW＝1012W)，而到時候全社會能量總需求為26.3TW-33.0TW。由此可見，可再生能源在21世紀將會變成一種主要的新興能源。世界上現(xiàn)有的可再生能源主要是水能發(fā)電和地熱能，太陽能光伏發(fā)電和風力發(fā)電只占其中小局部，而水電和地熱能被繼續(xù)開發(fā)的潛力已經(jīng)微乎其微，在未來十五年之內(nèi)開展太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和風力發(fā)電技術(shù)就迫在眉睫。因此，無論是為了保證能源的供給，還是為了保護生態(tài)環(huán)境，開發(fā)利用取之不盡而又清潔的新能源已是大勢所趨[1]。在地球上所能利用能量的98.98%最初都來自太陽能。太陽能光伏發(fā)電的能源來源于取之不盡，用之不竭的太陽能，是資源最豐富的可再生能源。太陽能光伏發(fā)電是能源的高新技術(shù)，具有獨特的優(yōu)勢和巨大的開發(fā)利用潛力。太陽能發(fā)電不會給空氣帶來污染，不破壞生態(tài)環(huán)境，是一種清潔平安的能源，同時又具有在自然界不斷生成，并能從自然界得到有規(guī)律的補充，儲量巨大，取之不盡，用之不竭，是可再生的清潔綠色能源。充分利用太陽能有利于保持人與自然的和諧相處，能為中國一直追求的和諧社會作出巨大的能源支持。20世紀70年代，隨著能源危機的爆發(fā)，世界各國努力開展光伏發(fā)電技術(shù)，尤其是西方興旺國家更是重視研發(fā)。20世紀9年代以來一直以30%到40%的速度上升，2004年已經(jīng)到達60%的增長速度。可以預見，太陽能的開發(fā)利用必將在21世紀得到長足的開展，并終將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移中擔當重任，成為21世紀后期的主導能源。太陽能資源開發(fā)利用有如下優(yōu)點：(1)充分的清潔性。無須論證，太陽能是真正的無污染的可持續(xù)開展的綠色能源，這是其他任何能源都無法比較的；(2)絕對的平安性。并網(wǎng)電壓一般在220V以下；(3)相對的廣泛性。太陽能的分布范圍廣，對于絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用；(4)使用壽命長，易維護。光伏電池按目前的研發(fā)技術(shù)可使用20年以上，并且易于維護，不用二次投資；(5)利用靈活。既可以獨立于電網(wǎng)運行，也可以與電網(wǎng)并行運行。1.2國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電應用的現(xiàn)狀隨著科技的進步和環(huán)保意識的增強，清潔的綠色能源己逐漸受到了人類的重視。其中，太陽能無疑成為最受青睞的綠色能源。太陽能的應用領(lǐng)域非常廣泛，但最終可歸結(jié)為太陽能熱利用和光利用兩個方面。太陽能可以轉(zhuǎn)換成多種其它形式的能量，比方熱能、氫能、機械能、生物能、電能等等，由于電能是現(xiàn)代工業(yè)中最常用的直接能源，因此由太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能是太陽能利用中最具有前景的方式。1.2.1世界太陽能光伏發(fā)電的開展現(xiàn)狀20世紀90年代，由于太陽電池本錢的持續(xù)降低，太陽電池實行并網(wǎng)發(fā)電，建立太陽能電站已經(jīng)成為可，并在全世界范圍內(nèi)逐漸開展。近年來，與住宅屋頂相結(jié)合的太陽電池并網(wǎng)發(fā)電也成為重要的應用方向。美國、歐洲和日本先后制定了太陽能開展方案，由政府提供局部研究開發(fā)資金和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)扶持政策，眾多國家紛紛制定雄心勃勃的開展規(guī)劃，推動光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的開展。日本通產(chǎn)省第二次新能源分委會提出，2023年光伏發(fā)電裝機到達5GW；歐盟可再生能源白皮書及相伴隨的“起飛運動〞2023年的目標是，光伏發(fā)電裝機到達3GW；美國能源部國家光伏規(guī)劃的目標是，光伏發(fā)電裝機到達4.7GW；澳大利亞提出，2023年光伏發(fā)電裝機到達0.75GW。因此，世界光伏產(chǎn)業(yè)有了突飛猛進的開展，從1997年至2001年，年的平均年增長率達35.5%。2004年世界光伏電池組件的生產(chǎn)量到達1194MW，比2003年的744.26MW增長60.46%。到2004年底，世界光伏發(fā)電的累計裝機容量到達4330MW。近幾年各國可再生能源法的公布、快速開展的光伏屋頂方案、各種減免稅政策和補貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價格，為光伏市場的開展提供了良好的根底。光伏發(fā)電的應用領(lǐng)域?qū)⒅鸩接蛇b遠地區(qū)和農(nóng)村的補充能源向全社會的替代能源過渡。預計今后十年，太陽能光電工業(yè)將以20%～30%的速度增長，成為世界上最具開展前景的朝陽工業(yè)之一。1.2.2國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電的開展現(xiàn)狀中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀70年代起步，1980年以前，應用工程十分有限功率很小，光伏電池年銷售量不超過10KW。20世紀80年代后期，隨著幾條光伏電池生產(chǎn)線的引進，光伏電池價格大幅度下降，產(chǎn)量大大提高，應用領(lǐng)域不斷開辟市場大為拓展。90年代以來，改革開放的大好形勢為光伏技術(shù)的廣泛應用和市場開拓創(chuàng)造了有利條件，光伏電池用量每年在以20%以上的速度遞增。經(jīng)過30多年的努力，已迎來了快速開展的新階段。進入21世紀后，在“光明工程〞先導工程和“送電到鄉(xiāng)〞工程等國家工程及世界光伏市場的有力拉動下，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛開展。2003年底，中國光伏發(fā)電的累計裝機容量約達55MW。到2007年年底，全國光伏系統(tǒng)的累計裝機容量到達100MW，2023年太陽能電池的產(chǎn)量到達了2000MW雖然近幾年我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了巨大的進步，但是，與興旺國家相比還存在相當大的差距。首先，我國生產(chǎn)規(guī)模較國外比較小、產(chǎn)業(yè)鏈不完整，自動化水平低。其次，平衡設備薄弱落后，特別是并網(wǎng)逆變器和智能控制器差距更大。而且，專用材料的國產(chǎn)化程度不高，性能有待改良，光伏電池本錢價格尚高，標準標準也不夠健全。因此，我國光伏產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外市場上仍面臨著非常嚴峻的考驗[2]。1.3課題主要研究內(nèi)容(1)對光伏電池的工作原理及工作特性進行介紹，對幾種傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤(MPPT)控制算法和DC/DC轉(zhuǎn)換電路進行了研究、分析和比較，提出各自優(yōu)缺點。(2)對三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變局部做重點的分析，對DC/DC局部和DC/AC局部工作原理、電路選型與MPPT控制算法選取過程進行了詳細的分析，并注重對逆變局部做了仿真探究。(3)基于光電幕墻對三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進行設計，選用TMS320LF2407高速數(shù)字信號處理器，結(jié)合PWM控制技術(shù)對系統(tǒng)中逆變局部的開關(guān)器件進行開斷控制，從而實現(xiàn)與公共電網(wǎng)的并網(wǎng)，使其與公共電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相位。(4)基于硬件電路對三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)做了MUTLAB仿真初探，在SIMULINK平臺下實現(xiàn)了逆變并網(wǎng)模塊的構(gòu)建與仿真運行。其中采用了先進的SVPWM技術(shù)，使得逆變控制更加精確。最終對仿真波形進行分析比較，進而驗證了硬件電路的的可實行性。1.4本章小結(jié)本章主要介紹了光伏發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)外的開展和現(xiàn)狀，提出了本課題研究的目的和意義。光伏發(fā)電技術(shù)擁有節(jié)約能源、保護環(huán)境、促進可持續(xù)開展的優(yōu)勢，在克服光伏電池本錢問題后，逐漸成為替代火力發(fā)電的一種主要發(fā)電形式。第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的概述光伏(PhotoVoltaic)發(fā)電技術(shù)采用面積通常只有幾個平方厘米的半導體電池(晶片)。從物理方面來看，電池根本上可以看成是一個大面積的PN二極管，其結(jié)貼近頂面。電池的功能是將太陽光照射轉(zhuǎn)換為直流電，發(fā)電就是將大量的電池并成一個組件，將大量的太陽光照射轉(zhuǎn)化成所需的電能。與動態(tài)風力機不同，光伏機組是靜態(tài)的，不需要鞏固的高塔，也不會產(chǎn)生震動或噪音，也無需主動冷卻。2.1光伏電池技術(shù)各種不同材料的公共結(jié)被光子輻射照射之后，這兩種材料之間便產(chǎn)生了電動勢，這種現(xiàn)象就是光伏效應。這一現(xiàn)象是法國物理學Becquerel在1839年首次發(fā)現(xiàn)的。光伏電池可以將光能轉(zhuǎn)化為的電能直接加以利用。在1954年，貝爾實驗室制造了第一塊硅電池。光伏電池的物理機理與經(jīng)典的PN結(jié)二極管非常相似。當結(jié)吸收光時，吸收的光子轉(zhuǎn)換成材料的電子一質(zhì)子系統(tǒng)，并產(chǎn)生質(zhì)子流，分散在結(jié)中。電解液中的電子一離子對和固體半導體材料中的電子一空穴對都可能成為載流子，并產(chǎn)生了電動勢梯度，經(jīng)電場加速后與外電路形成環(huán)流。電功率即為電流的平方與電路電阻的乘積。剩余的光子功率那么轉(zhuǎn)換成電池的熱功率，升高電池溫度并散發(fā)。圖2.1光伏效應轉(zhuǎn)換光子能量圖2.2光伏的根本結(jié)構(gòu)光伏電動勢的來源是兩種相互絕緣的材料中電子的化學電勢差，稱為費米能級。當兩種材料結(jié)合到一起時，結(jié)就會到達一個新的熱動態(tài)平衡。這種平衡只有在兩種材料中費米能級相等的情況下才能實現(xiàn)。電子從一種材料流向另一種材料，直到兩者間建立了一定的電壓差，具有的電動勢與初始的費米能級差相等。這個電動勢驅(qū)動著光電流在光伏電路中流動。圖2.2給出了根本的電池構(gòu)造。結(jié)的兩面都有金屬電極，由于光子碰撞而引起的電流。頂面(被照射)上有一層由銀纖制成的薄薄的導電網(wǎng)格，既能手動電流，又能使光穿過。網(wǎng)格中導電纖維的間距是導電性能最大化和光阻擋最小化的折中。導電箔(焊接)電機覆蓋在底層(無光)外表和頂層的邊緣。除了根本的元件之外，構(gòu)造中還有集中增強特性。例如，電池的前面有防反射涂層，從而最大限度地降低反射，吸收經(jīng)可能多的光線；利用透明粘合劑，添加了一層玻璃外表作為機械保護。與交流發(fā)電技術(shù)相比，最重要的方面是輸送每千瓦時的電力的能源本錢。對于光伏發(fā)電，能源本錢主要依賴于兩個參數(shù)：光伏能量轉(zhuǎn)換效率和每瓦容量的投資費用?？傊?，這兩個參數(shù)標志了光伏電能的經(jīng)濟競爭力。光伏電池研發(fā)的主要目標是提高轉(zhuǎn)換效率和其他性能參數(shù)，以減少商業(yè)太陽電池和組件的本錢。次要目標是顯著提高產(chǎn)能，同時減少能源消耗和制造本錢，減少雜質(zhì)和缺陷。要到達這些目標，就要提高對光伏電池的根本物理特性的理解。為了生產(chǎn)出更高效，更低本錢的電池，研發(fā)在不斷地投入，目前市場上已經(jīng)有各種各樣的關(guān)于轉(zhuǎn)換效率的組件本錢的光伏技術(shù)。2.1.1光伏電池的發(fā)電原理太陽能光伏發(fā)電的原理主要是利用半導體的光生伏特效應。太陽能電池實際上是由假設干個PN結(jié)構(gòu)成。當太陽光照射到PN結(jié)時，一局部光被反射，其余局部被PN結(jié)吸收，被吸收的輻射能有一局部變成熱能，另一局部以光子的形式與組成PN結(jié)的原子價電子碰撞，產(chǎn)生電子空穴對，在PN結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)建電場的作用下，將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。這樣在PN結(jié)附近就形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。光生電場除一局部抵消內(nèi)建電場外，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生光生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應。如圖2.3所示。假設分別在P區(qū)和N區(qū)焊上金屬引線，接通負載，在持續(xù)光照下，外電路就有電流通過，如此形成一個電池元件，經(jīng)過串并聯(lián)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出電能，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換[3]。(a)平衡時(b)光照時圖2.3PN結(jié)光生伏特效應原理圖光伏電池的分類及特點如圖2.4所示，太陽電池根據(jù)其使用的材料可分成硅系太陽電池、化合物系太陽電池以及有機半導體系太陽電池等類型。硅系太陽電池可分成結(jié)晶硅系太陽電池和非晶硅系太陽電池。而結(jié)晶硅系又可分成單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池?；衔锇雽w太陽電池可分為Ⅲ-Ⅴ族化合物(GaAs)太陽電池、Ⅱ-Ⅵ族化合物(CdS/CdTe)太陽電池以及三元(Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ族)化合物(CulnS受：CIS)太陽電池等。有機半導體太陽能電池可分成色素增感型太陽能電池以及有機薄膜(固體)太陽電池等。根據(jù)太陽電池的形式、用途等還可分成民生用、電力用、透明電池、半透明電池、柔軟性電池、混合型電池(HIT電池)以及球狀電池等。太陽能電池太陽能電池色素增感太陽能電池硅半導體有機半導體結(jié)晶太陽能電池非結(jié)晶太陽能電池Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽能電池有機薄膜太陽能電池三元(Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ)化合物太陽能電池Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽能電池化合物半導體圖2.4太陽能電池的分類太陽電池的特性一般包括太陽電池的輸入輸出特性、分光特性、照度特性以及溫度特性，本文主要討論太陽能電池的電學特性即輸入輸出特性。太陽電池的種類多，大小不一。太陽電池到底有多大的能力能將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能，從以下的特性可以得知。圖2.5為太陽電池的輸入輸出特性，也稱為太陽電池的電壓-電流特性。圖中的實線為太陽電池被光照射時的電壓-電流特性，虛線為太陽電池未被光照射時的電壓-電流特性。圖2.5太陽能電池的U-I特性圖2.6U-I特性曲線和U-P特性曲線圖2.6顯示了在光照強度G=1000W/M2、環(huán)境溫度T=25℃時典型多晶硅光伏電池板的輸出U-I和U-P曲線。由圖2.6可得光伏電池主要參數(shù)：(1)開路電壓開路電壓為太陽能電池組件在負載電路開路情況下的端電壓，用符號表示。當不存在有效電場時，光伏效應只要靠PN結(jié)內(nèi)建靜電場提供。而內(nèi)建靜電場使光生非平衡電子和空穴各自向反向漂移，因而內(nèi)建靜電場越強，半導體材料兩端形成的光生電動勢就越高，開路電壓也就越高。(2)短路電流短路電流為光伏電池在外電路直接短路情況下流經(jīng)外電路的電流，用符號表示。光照強度決定了光伏電池激發(fā)的電子-空穴對數(shù)，即一定的光照強度下，其電子-空穴對數(shù)也是一定的，使得光電流人的特性像一個恒流源，不受外電路短路與否的影響。(3)最大功率點光伏電池輸出U-I特性曲線上，根據(jù)負載變化任何一點可以作為工作點。不同的工作點有不同的輸出功率，顧名思義，最大功率點就是在曲線上輸出功率的最大值對應的工作點，最大功率點對應的電壓和電流為最大功率點電壓和最大功率點電流。對最大功率點進行跟蹤，保證電池始終工作在最大功率點附近，能大大提高工作效率，進一步提高對太陽能的利用率。2.2光伏陣列之光電幕墻太陽能光電幕墻玻璃。它是用光電池、光電板技術(shù)，把太陽光轉(zhuǎn)化為電能，它關(guān)鍵的技術(shù)是太陽能光電池技術(shù)。2.2.1光電幕墻特點太陽能光電幕墻集合了光伏發(fā)電技術(shù)和幕墻技術(shù)，是一種高科技產(chǎn)品，集發(fā)電、隔音、隔熱、平安、裝飾功能于一身的新型建材，特別是太陽能電池發(fā)電不會排放二氧化碳或產(chǎn)生對溫室效應有害的氣體，也無噪音，是一種凈能源，與環(huán)境有很好的相容性。但因價格比較昂貴，光電幕墻現(xiàn)多用于標志性建筑的屋頂和外墻。這充分表達了建筑的智能化與人性化特點，代表著國際上建筑光伏一體化技術(shù)的最新開展方向。光電幕墻的工作原理設計光電幕墻需考慮電池、模板、導線和變壓器各個因素，各電池組成模板，各模板組成小分格，并通過導線連接，所有導線又組成一個PV變壓器。一個PV變壓器是一個封閉的幕墻局部，每套光電設備可由一個或多個變壓器組成。每套光電設備都先產(chǎn)生直流電，再由直流電轉(zhuǎn)變成交流電，并由電壓網(wǎng)傳輸，逆整流器再將230-400V的電壓轉(zhuǎn)變成頻率通常為50Hz的電能。晶體電池通過導線相互連通，并被接在大外表的模板上，這些電池被嵌入堅硬的樹脂玻璃中，導線可接在模板反面或玻璃邊緣。作為模板一個組成局部的非晶體是一個完整的平面，相互連通，被嵌入兩塊玻璃和透明度高的樹脂中。所有模板都可作為幕墻的建筑材料使用，這些模板極為鞏固，電絕緣性好，符合二級平安標準。采取這些措施后，即使發(fā)生失誤，在可觸摸部位也不會出現(xiàn)危險的電壓。光電模板具備抵御外界環(huán)境侵擾的能力，或在臭氧，或在酸雨，或在零下50攝氏度至90攝氏度的環(huán)境中，光電模板仍可使用幾十年，而且是極為美觀的造型材料。2.2.3選用光電幕墻的優(yōu)越性(1)節(jié)能：有效降低墻面及屋面溫升，減輕空調(diào)負荷，降低空調(diào)能耗。(2)環(huán)保：不需燃料，不產(chǎn)生廢氣，無余熱，無廢渣，無噪音污染。(3)實用：舒緩白天用電頂峰期電力需求，解決電力緊張地區(qū)及無電少電地區(qū)供電情況。(4)效果：玻璃中間采用各種光伏組件，色彩多樣，使建筑具有豐富的藝術(shù)表現(xiàn)力[4]。本文采用光電幕墻構(gòu)建三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列局部。2.3光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類根據(jù)負載的電源以及與電力系統(tǒng)的并網(wǎng)情況不同，我們將太陽能光伏系統(tǒng)分成多種多樣的形式。2.3.1基于是否帶有儲能裝置的分類從是否帶有儲能裝置來分，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)分為可調(diào)度式和不可調(diào)度式兩種(1)可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)圖2.7可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)帶有蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)。因為有蓄電池的存在，該類并網(wǎng)系統(tǒng)可控開關(guān)切換于多種運行方式，整個系統(tǒng)可起到能量調(diào)節(jié)器，有源濾波器和不間斷電源的作用。正常情況下，DC/DC級不僅向逆變級電路提供直流電源，同時還向蓄電.逆變級將直流電能逆變成交流電能送入電網(wǎng)。在電網(wǎng)負荷增加時，可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)運行需要，增加上由光伏電池和蓄電池共同起調(diào)峰作用。當電網(wǎng)失電時，裝置按優(yōu)先級別跳閘斷開不重要負載，光伏電池提供的直流電能仍通過逆變器為重要負載供電，起到了不間斷電源(UPS)作用。作為電網(wǎng)終端的有源無功補償器，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，同時亦可抵消有害波分量以提高電網(wǎng)質(zhì)量。雖然可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)配有儲能環(huán)節(jié)蓄電池，在功能和性能方面有假設干擴充和提高，但也帶來了假設干嚴重的缺點：①蓄電池組的壽命較短，目前免維護蓄電池在良好環(huán)境下的工作壽命通常估計為5～7年，而光伏陣列穩(wěn)定工作的壽命那么在25～30年左右。②蓄電池組的價格在目前仍相對昂貴，在整個系統(tǒng)中占到40%的投資。③蓄電池組需占用較大空間，對于用戶是難以接受的。④有潛在的污染，假設有殼體破裂，那么會泄漏出腐蝕性液體，且報廢的蓄電池必須進行后處理，否那么將會造成鉛污染。(2)不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)圖2.8不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)通過DC/DC變換器將太陽能電池產(chǎn)生的直流電能斬波成適于光伏逆變的直流電壓后，直接經(jīng)DC/AC變換成與電網(wǎng)頻率一致的交流電能送到電網(wǎng)。當光伏并網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能超過本地負載所需時，超過局部送給電網(wǎng)。而產(chǎn)生的電能缺乏以供本地負載時，由電網(wǎng)自動向負載補充電能。當光伏電池輸出功率低于某值乃至停止時，通過運行方式的改變，逆變器對可繼續(xù)對電網(wǎng)進行無功補償，而不用解列。當電網(wǎng)故障或維修時，只要電網(wǎng)失去電壓，逆變器立即停止工作，而通過跳閘裝置使逆變器、電網(wǎng)和負載三者電氣斷開，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不再向電網(wǎng)和負載提供電能。出于平安的考慮，這一點是必需的。一方面是出于對電網(wǎng)側(cè)檢修人員的平安考慮，在電網(wǎng)失電后，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)必須跳閘與電網(wǎng)隔斷開。另一方面，在設計不可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)時，是基于該系統(tǒng)作為一種節(jié)能裝置，作為電網(wǎng)的有效補充，其功率一般缺乏以帶全部的本地負載，如果電網(wǎng)失電后，該裝置不及時地與負載斷開，那么會出現(xiàn)嚴重過負荷的情況，對系統(tǒng)本身是極為不利的，有可能引發(fā)電氣火災事故。所以電網(wǎng)失電后，不僅是與電網(wǎng)斷開，還必需及時與負載斷開。本系統(tǒng)選用不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，主電路中不含有蓄電池環(huán)節(jié)。2.3.2基于是否與電力系統(tǒng)并網(wǎng)的分類從太陽能光伏系統(tǒng)是否與電力系統(tǒng)并網(wǎng)而言，就可將太陽能光伏系統(tǒng)分成獨立系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)。除此之外，還有混合系統(tǒng)以及小規(guī)模電源系統(tǒng)。(1)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)很明顯就是不與常規(guī)電力系統(tǒng)相連接而獨立運行的發(fā)電系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.9所示，一般由光伏電池電池陣列、直流變換器、儲能裝置、逆變器等局部構(gòu)成。通常建設在遠離電網(wǎng)的偏遠地區(qū)或者作為野外移動式便攜電源。圖2.9獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)(2)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電力系統(tǒng)連接在一起的光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏陣列先將太陽光照轉(zhuǎn)換為直流電，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)再將這些直流電換為符合入網(wǎng)標準的交流電，并與電網(wǎng)相連接。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.10所示，一般由太陽能電池陣列，直流變換器、逆變器以及相位同步控制能局部組成。目前，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要朝屋頂光伏系統(tǒng)和電站光伏系統(tǒng)兩大產(chǎn)業(yè)化開展。其中覆蓋建筑用于給空調(diào)和照明設備供電的光伏系統(tǒng)的一個突出特點是，輸出功率與峰值負載吻合得很好。在陽光充足的夏日，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)會產(chǎn)生更多的電力來配合用電頂峰。為了使光伏組件能更好的與建筑相結(jié)合，實現(xiàn)光伏建筑一體化(BIPV)，光伏屋頂可以延伸到光伏幕墻，光伏屋檐和光伏窗檐等。并網(wǎng)光伏電站占地面積較大，適合修建在沙漠，海濱等人煙稀少的地方。這種方式需要與高壓電網(wǎng)并聯(lián)，發(fā)電量較大，需要較大的前期投入，是大規(guī)模太陽能利用的一個重要方向，本文著力探究三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計與仿真模擬。圖2.10并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)(3)混合系統(tǒng)混合系統(tǒng)是指太陽能光伏系統(tǒng)與其他系統(tǒng)(如風力、集熱器、燃料電池等)組成的系統(tǒng)。混合系統(tǒng)主要適用于以下情況：即太陽電池的出力不穩(wěn)定，需使用其他的能源作為補充時；太陽電池的熱能作為綜合能源加以利用時的情況?；旌舷到y(tǒng)一般可分成現(xiàn)地電源混合系統(tǒng)、柴油機發(fā)電混合系統(tǒng)以及太陽光、熱混合系統(tǒng)。現(xiàn)地電源混合系統(tǒng)是指由太陽能光伏系統(tǒng)與風力發(fā)電、水力發(fā)電以及柴油機發(fā)電等組成的系統(tǒng)。住宅負載都市煤氣住宅負載都市煤氣燃料電池系統(tǒng)空調(diào)太陽能光伏系統(tǒng)電力負載空調(diào)負載熱水負載鍋爐圖2.11太陽能光伏、燃料電池混合系統(tǒng)2.4光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)方式工頻變壓器絕緣方式工頻變壓器絕緣方式采用工頻變壓器進行絕緣和變壓，具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能，電路簡單，變換只有一級，效率較高。其結(jié)構(gòu)圖如圖2.12所示。雖然主變壓器和濾波電感體積大，但是，采用低頻材料制造，因此本錢不高。由于電路中的半導體器件少，可適應比較惡劣的使用條件。開關(guān)頻率低，產(chǎn)生的電磁干擾小。一般工頻逆變不采用SPWM控制，輸出是矩波形，要經(jīng)過強有力的濾波措施，才能使輸出正弦波形畸變。這種方式的逆變器主要用于獨立型太陽光發(fā)電站。采用PWM逆變器產(chǎn)生工頻交流，再利用工頻變壓器進行絕緣和電壓變換。因為采用工頻，故變壓器比較笨重。圖2.12工頻變壓器絕緣方式結(jié)構(gòu)圖高頻變壓器絕緣方式高頻變壓器絕緣方式逆變器，就是在直流電源和逆變器之間參加了一級高頻電氣隔離變換器，用高頻變壓器來實現(xiàn)電壓比調(diào)整和電氣隔離，省掉了體積龐大的工頻變壓器，降低了音頻噪聲，其結(jié)構(gòu)如圖2.13所示。該電路由高頻逆變器、高頻變壓器、高頻整流器、PWM逆變以及輸入輸出濾波構(gòu)成。前置直流變換器先將輸入直流電壓變換成后置級所需的平滑直流電壓，再由后置逆變級變換成交流電并網(wǎng)。該結(jié)構(gòu)具有單向功率流、三級功率變換(DC-LFAC-DC-HFAC)、變換效率不夠理想等特點。另外，采用傳統(tǒng)的PWM技術(shù)還存在開關(guān)頻率升高時功率器件開關(guān)損耗和電磁干擾(EMI)問題，要采用濾波和屏蔽等抑制措施。圖2.13高頻變壓器絕緣方式結(jié)構(gòu)圖無變壓器方式為了進一步提高效率和降低本錢，己開發(fā)出太陽能發(fā)電站用無變壓器無絕緣方式逆變器主電路。其結(jié)構(gòu)電路如圖2.14所示，電路前局部為DC/DC升壓電路，后局部為工頻逆變電路。升壓電路可以和不同輸出電壓的太陽電池匹配，把太陽電池的輸出電壓升高到逆變所需的直流電壓，盡管由于天氣變化因素使太陽電池輸出電壓發(fā)生變化，有了升壓局部后，可以保證逆變局部輸入電壓比較穩(wěn)定。由于升壓電路提高了輸出電壓，這樣輸出電流也相應降低，可以減少逆變局部損耗。升壓電路還可以對輸入的功率因數(shù)進行校正。這種結(jié)構(gòu)直接禍合并網(wǎng)，省去了笨重的工頻變壓器，所以具有高效率、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點。但是由于電池板與電網(wǎng)之間沒有電氣隔離，對人身平安不利[5-6]。圖2.14無變壓器方式結(jié)構(gòu)圖2.5本章小結(jié)本章先后介紹了光伏電池的發(fā)電原理、分類以及其各項性能指標，并分析了光電幕墻作為本文構(gòu)建光伏陣列模塊的優(yōu)越性。隨后從是否帶有儲能裝置和是否與電力系統(tǒng)并網(wǎng)兩方面介紹了多種形式的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并進行了比照分析，其中本文將注重探究三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計與仿真，并將在后文中完成不可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件電路設計。最后簡單介紹了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路的三種構(gòu)成方式，為后文主電路硬件選型做鋪墊。第三章DC/DC變換與MPPT控制局部光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負載情況影響。根據(jù)太陽電池的工作原理，當光照強度，溫度等自然條件改變時，太陽電池的輸出特性將隨之改變，輸出功率及最大工作點亦相應改變。在實際的應用系統(tǒng)中，自然光的輻射強度及大氣的透光率均處于動態(tài)變化中，這就給光伏系統(tǒng)的應用帶來了困難。當環(huán)境溫度和光照強度一定的情況下，光伏電池的工作電壓是一個隨變值，但輸出電壓只有在一個適宜的值時，光伏電池才能到達最大輸出功率，此時光伏電池的工作點就被稱為最大功率點(MaximumPowerPointMPP)。而最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTrackingMPPT)就是指實時調(diào)整光伏電池的輸出功率，使之始終工作在最大功率點附近的過程。鑒于光伏電池的特殊性，需要設置其工作電壓和電流以找到最正確工作點。廣泛采用的電路類型為DC/DC變換，其中主要包括升壓式(Boost)、降壓式(Buck)、升降壓式(Buck-Boost)、庫克式(Cuk)。光伏系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵問題是最大功率點跟蹤算法問題，在目前提出的眾多的處理方法中，主要有恒壓跟蹤法(CVT)、電導增量法(INC)、擾動觀察法(P&O)、模糊邏輯控制法、滯環(huán)比較法等。下面對MPPT的這兩個關(guān)鍵問題進行詳細的研究分析。3.1最大功率點跟蹤的概述3.1.1最大功率點跟蹤的原理光伏電池的簡化的線性電路如圖3.1所示，上的功率為：〔3-1〕圖3.1簡化的線性電路圖對上式兩邊求導，因為U、都是常數(shù)，所以可以得出：〔3-2〕因為式〔3-2〕中=時，將有最大值，所以對于太陽能電池板簡化的線性電路，如果負載電阻等于電源內(nèi)阻，光伏電池板電源將有最大功率輸出。雖然DC/DC轉(zhuǎn)換電路和太陽能光伏電池均是強非線性的，但是它們在較短的時間里能夠被看作是線性電路。由簡化的電路圖3.1得出：=時，=兩端的電壓為U/2，是最大值。綜上可得，通過調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻始終讓光伏電池的內(nèi)阻與轉(zhuǎn)化電路的等效電阻保持相等，從而實現(xiàn)光伏電池發(fā)電的最大功率輸出，即光伏電池的MPPT。同樣的，在實際應用中，可以通過調(diào)節(jié)負載兩端的電阻電壓，來實現(xiàn)光伏電池發(fā)電的最大功率輸出。圖3.2最大功率跟蹤原理圖光伏電池最大功率跟蹤的原理如上圖3.2所示。負載電阻由實直線表示；等功率線由虛曲線表示；光伏電池的短路電流由表示；光伏電池的開路電壓由表示；光伏電池的最大功率點那么由表示。下面簡單介紹一下光伏電池最大功率跟蹤的原理：因為光伏電池電源直接與負載電阻相連，所以負載電阻也直接決定了光伏電池的工作點。由圖3.2可得光伏電池工作在M點時，光伏電池的輸出功率要比在最大功率點的輸出功率小得多。通過調(diào)節(jié)輸出電壓的方法，將負載電壓調(diào)節(jié)到處，使負載上的功率從M點移到N點。由于N點與光伏電池的最大功率點在同一條等功率線上，因此光伏電池此時有最大功率輸出。3.1.2最大功率點跟蹤研究的現(xiàn)狀隨著對最大功率點跟蹤的日漸關(guān)注，有很多先進的理論算法都能應用在最大功率點跟蹤上面，研究較多的幾種方法有模糊控，因為光伏發(fā)電系統(tǒng)為一個強非線性系統(tǒng)，太陽電池的工作情況也很難用精確的數(shù)學模型描述出來，模糊控制特別適用于復雜的非線性、數(shù)學模型未知的系統(tǒng)，因此采用模糊控制的方法來調(diào)節(jié)光伏電池的工作點是非常適宜的；人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制，適用于天氣多變的狀況，在這種惡劣的條件下有效地提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，比較好的跟蹤了最大功率；以上兩種方法國外學者研究較為深入，而國內(nèi)那么主要有優(yōu)化控制，優(yōu)化建模、求解；自適應控制，原有的控制算法均為固定步長尋優(yōu)，它們的缺點很大，難以到達理想的跟蹤控制效果，通過改良固定步長，加快了最大功率跟蹤的速度，提高了跟蹤的精度，也是最為實用的方法之一。而早期人們在實際的電力電子應用研究中那么是簡單的以不同的串并聯(lián)方式組合光伏電池片，可以通過改變光伏電池片的數(shù)量和串并聯(lián)方式，使光伏電池的工作點接近最大功率點，但僅是接近不可能真正的實現(xiàn)實時的最大功率跟蹤。而擾動觀察法(P&O)和增量電導法(INC)成為現(xiàn)階段兩種應用較為廣泛的光伏電池最大功率點跟蹤方法。根據(jù)擾動觀察法所制作的控制器易于硬件實現(xiàn)，光伏電池的被測參數(shù)少，但是其跟蹤性能和動態(tài)特性在時變的自然環(huán)境中比增量電導法差一些?？刂扑惴僭O要真正作用到光伏電池的最大功率跟蹤上，就必須將最大功率點跟蹤的算法與實際的DC/DC轉(zhuǎn)換器相連接，通過硬件控制實現(xiàn)光伏電池的最大功率點的跟蹤。其中有：具體的實現(xiàn)方法有將很小的正弦信號輸入到逆變器中以控制電路開關(guān)頻率的大小使光伏電池兩端的電壓隨之變化最終實現(xiàn)了最大功率點的跟蹤；還有將最大功率跟蹤的控制算法刷入單片機，用其控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的占空比以控制光伏電池陣列的輸出電壓從而實現(xiàn)了最大功率點的跟蹤；以上兩種方法均可以應用于實際自然環(huán)境中，沒有過多的應用條件要求，而在某些特定的自然環(huán)境中，光伏電池的最大功率點與電路中的開路電壓、短路電流等變量成線性關(guān)系，通過DSP控制電流、電壓的輸出值，從而實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。3.2最大功率點跟蹤的算法跟蹤的算法問題是研究最大功率點跟蹤的另一個關(guān)鍵，現(xiàn)今應用較廣的幾種算法包括：恒壓跟蹤法(CVT)、擾動觀察法(P&O)、電導增量法(INC)等。3.2.1恒壓跟蹤法(CVT)由圖3.3是不同光照強度下光伏電池P-V特性曲線。圖中可以看出，當溫度一定時，不同光照強度下，太陽能電池板的最大功率點幾乎落在同一根垂直線的兩側(cè)附近。因此，恒壓跟蹤(CVT)法即將最大功率線近似看成輸出電壓為常數(shù)的一根垂直線，使光伏電池板工作于某一固定的電壓。顯然，恒壓跟蹤法為一種近似的最大功率點跟蹤方法。圖3.3不同光照強度下光伏電池P-V特性曲線恒壓跟蹤(CVT)法的優(yōu)點是易實現(xiàn)、控制簡單、可靠性和穩(wěn)定性高；缺點是它忽略了結(jié)溫度對光伏電池開路電壓的影響，所以控制精度差，每當環(huán)境溫度升高1℃時，硅光伏電池的開路電壓下降(0.3%-0.45%)?，F(xiàn)在已出現(xiàn)一些經(jīng)過改良的CVT算法，比方手動調(diào)節(jié)電位器給定不同的電壓值，根據(jù)溫度查表改變電壓值等等。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)中數(shù)字信號處理技術(shù)的應用，CVT方法逐漸被取代。3.2.2擾動觀察法(P&O)圖3.4是擾動觀察法原理圖，首先測量當前光伏電池陣列輸出功率，當在原輸出電壓上增加一小電壓分量(士△u)時，輸出功率會發(fā)生變化，測量變化后的輸出功率并與之前測量的功率進行比較()，得出功率差△P。假設△P>0，說明光伏電池板工作于上坡段，即最大功率點尺的左側(cè)，需繼續(xù)增大工作電壓，從左邊向最大功率點靠近，保持原擾動的方向不變；假設△P<0，說明光伏電池板工作于下坡段，即最大功率點尺的右側(cè)，需減小工作電壓，從右邊向最大功率點靠近，加反向擾動；假設△P=0，電池板工作于最大功率點附近，那么保持原輸出電壓不變。此方法的優(yōu)點是原理簡單，易于實現(xiàn)；缺點是當光照強度變化較快時，容易產(chǎn)生誤判，使工作點越來越偏離最大功率點，導致控制失效。圖3.4擾動觀察法原理示意圖其算法流程圖如圖3.5所示：圖3.5擾動觀察法流程圖3.2.3電導增量法(INC)電導增量法也稱導納增量法，是根據(jù)最大功率點的電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓的一種方法。通過太陽能電池板的P-U特性曲線可得在最大功率點時有：又由功率計算公式得：進而可得：(3-3)即只要上式成立那么光伏電池板輸出到達最大功率點。所以通過判斷U與一哪的關(guān)系可判斷當前狀態(tài)是否到達最大功率點，判斷如下：(1)當時，在最大功率點處，參考電壓保持不變；(2)當時，在最大功率點的左邊，需要增大參考電壓；(3)當時，在最大功率點的右邊，需減要小參考電壓。圖3.6電導增量法流程圖其算法流程如圖3.6所示，在多種最大功率跟蹤方法中，電導增量法是跟蹤準確性較高的一種方法，快速變化的情況下，可以使系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，并且太陽能電輸出電壓擺動比較小，缺點是計算較麻煩。但是現(xiàn)在先進的DSP處已經(jīng)能滿足處理的要求，因此本文使用該方法作為實現(xiàn)的對象。本文選用此方法實現(xiàn)最大功率點跟蹤[6-7]。3.3DC/DC變換器DC/DC變換器，即直流斬波器，其工作方式是通過調(diào)節(jié)通斷比例(占空比)來控制輸出直流電壓的平均值。可調(diào)寬度的脈沖構(gòu)成該電壓的平均值，直流輸出電壓即為脈沖的平均值。使用恰當?shù)腖C濾波器將方波脈沖平滑成無紋波直流輸出，其中二極管起續(xù)流作用。按照功率開關(guān)器件中的電流或電壓的波形，可以將DC/DC變換分類方式區(qū)分為方波型和正弦型。前者是由于在穩(wěn)態(tài)運行中，此類開關(guān)變換器功率開關(guān)器件中的電流或電壓波形根本上是方波而得名；而后者是由于在穩(wěn)態(tài)運行中，此類變換器的電流或電壓波形根本上是正弦波而得名。變換器的結(jié)構(gòu)可分為如下四種：降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升降壓式〔Buck-Boost)、庫克式(Cuk)。3.3.1降壓式變換器(BuckConverter)圖3.7降壓式變換器電路圖圖3.7為Buck降壓式變換器。當IGBT元件V導通時，二極管VD截止，電源E向負載供電并向電感L儲存能量，此時，電感電流按指數(shù)曲線上升；當V關(guān)斷時，電感電流經(jīng)VD續(xù)流，近似為零，呈指數(shù)曲線下降，為使連續(xù)且脈動小，通常使L值較大。電流連續(xù)時，負載電壓平均值為：()(3-4)α為導通占空比，簡稱占空比或?qū)ū茸畲鬄镋，α減小，隨之減小，稱為降壓斬波電路，也稱BuckConverter。它在PWM中是最根本，最簡單的一種變換結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點是電路簡單，動態(tài)性能好。缺點是：①輸入電流的脈動會引起對輸入電源的電磁干擾，所以工程中常在電源和變換器之間參加一個輸入濾波電容；②穩(wěn)態(tài)電壓比始終小于1，只能降壓；③開關(guān)晶體管發(fā)射極不接地，使得驅(qū)動電路很復雜。3.3.2升壓式變換器(BoostConverter)圖3.8為升壓式變換電路，當IGBT元件V導通時，電源E向電感儲存能量，電感電流增加，二極管VD截止，電容C向負載R供電，此時=E。當V截止時，電感電流減小，釋放能量，由于電感電流不能突變，產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢左負右正，迫使二極管導通，并與電源一起經(jīng)二極管向負載供電，同時向電容C充電，此時，有能量守恒得：化簡得：()(3-5)由于，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路，也稱之為Boost變換器。其中，調(diào)節(jié)其即可改變。和導通占空比有如下關(guān)系：因此，式(3-5)可表示為：(3-6)圖3.8升壓式變換器電路圖V關(guān)斷V關(guān)斷VD導通V導通VD關(guān)斷ttiVT圖3.9電路連續(xù)導電模式下的穩(wěn)態(tài)波形Boost變換器適用于蓄電池電壓高而太陽能光伏輸出電壓低的情況。它的優(yōu)點是：①輸入電流連續(xù)，對電源的電磁干擾相對較?。虎陂_關(guān)晶體管發(fā)射極接地，驅(qū)動電路簡單。其缺點為：①輸出側(cè)二極管的電流是脈動的，使輸出紋波較大。②穩(wěn)態(tài)電壓比始終大于1，只能升壓。本文硬件電路逆變DC/AC局部選用此該變換器。3.3.3升降壓式變換器(Buck-BoostConverter)圖3.10升降壓式變換器電路圖圖3.10為升降壓式變換電路，該電路的根本工作原理是：當IGBT元件V導通時，電源E向電感L供電使其儲存能量，此時電流為，通過電感的電壓為；當V截止時，電感L中儲存的能量向負載R釋放，電源E不向電路提供能量。假設電容器C很大，可以形成一個恒定的輸出電壓。當電路進入穩(wěn)態(tài)后，一個周期內(nèi)電感L兩端電壓對時間的積分為零，即。當V導通時，；而當V截止時，，可得：所以輸出電壓為：()(3-7)Buck-Boost變換器綜合了以上兩種變換器的局部特點，既可升壓又可降壓，它的優(yōu)點為：①電路簡單；②電壓變比可從零變化至無窮大，也就是既可以升壓也可以降壓。缺點主要是①輸入、輸出電流皆有脈動，使得對輸入電源有電磁干擾且輸出紋波較大。所以工程上時常加有輸入、輸出濾波網(wǎng)絡；②IGBT的發(fā)射極不接地，使驅(qū)動電路較為復雜。3.3.4庫克式變換器(CukConverter)Cuk變換器是由美國加利福尼亞工學院的SlobodanCuk提出來的，其電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖3.11所示。此電路克服了上述三種電路Buck、Boost和Buck-Boost的缺點，又同時保存下了它們的優(yōu)點。此電路的特點是：①輸入、輸出皆沒有脈動，根本上是平直的，只在直流成份根底上附加一個不大的開關(guān)紋波；②電壓變比可在零到無窮大之間變化；③開關(guān)晶體管發(fā)射極接地，驅(qū)動電路簡單?？傊珻uk變換器的優(yōu)勢就在于用最少的元件獲得最理想的穩(wěn)態(tài)性能，因此有文獻稱之為最正確拓撲變換器[9-10]。圖3.11CuK電源變換器電路3.4DC/DC變換器與MPPT的適用3.4.1適用于光伏MPPT的DC/DC變換器Buck電路屬于串聯(lián)型開關(guān)變換器，又稱為降壓變換器。由于Buck電路是連續(xù)向負載供電、間斷從電源取電，因此需要在光伏電池板輸出端并聯(lián)儲能電容器以保證光伏陣列輸出電流的連續(xù)。然而在大功率情況下，儲能電容始終處于大電流充放電狀態(tài)，對其可靠工作不利，同時由于儲能電容通常為電解電容，使Buck電路無法工作在更高的頻率下，增大了MPPT裝置的體積，使整個系統(tǒng)變得笨重。Boost變換器屬于并聯(lián)型開關(guān)變換器，又稱升壓變換器。Boost變換器可以將輸出電壓升高變換，效率較高，且電路的結(jié)構(gòu)和控制比較簡單。但由于Boost電路的缺乏之處是其輸入端電壓較低，在同樣功率下，輸入電流較大，因而會帶來較大的線路損耗，但Boost電路具有獨特的優(yōu)點，亦是本文選用的設置方案。3.4.2MPPT在DC/DC變換器中功能的實現(xiàn)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC/DC變換器的主要作用是調(diào)節(jié)太陽能電池的工作點，使其工作在最大功率點處。由于外界環(huán)境如日照強度、溫度等等都會影響太陽能電池的輸出特性曲線，因此在不同的外界環(huán)境下，太陽能電池的輸出特性曲線都不同。而在恒定的外界環(huán)境下，太陽能電池的I-U輸出曲線固定，但是相對于不同的工作點，太陽能電池的輸出不同。因此，通過調(diào)節(jié)外電路的等效電阻，可以到達調(diào)節(jié)太陽能電池的工作點的功能。(a)太陽能電池等效輸出(b)太陽能發(fā)電MPPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3.12MPPT實現(xiàn)原理圖參見圖3.12，假設T是理想開關(guān)，根據(jù)電路分析根本原理，可以得到T在每一周期開、關(guān)兩個狀態(tài)的電路方程。其中：T導通時：T關(guān)閉時：(3-8)假設在一個開關(guān)周期，將開關(guān)的狀態(tài)量進行平均化處理，并用上劃線表示狀態(tài)平均量，那么有：(3-9)根據(jù)狀態(tài)空間平均法，可得上述方程式的狀態(tài)空間方程式為：(3-10)其中，α是占空比(0，1)上述方程中，的表達式中含有，因此方程是非線性的，最大功率點是該控制的平衡點。為簡化計算在最大功率點處進行線性化處理，即在其中、為最大功率點電壓和電流值，由上式可得：(3-11)其中，。在上式中，是狀態(tài)變量，而不是，當L和的值確定后，的改變主要由的變化決定。因此可知調(diào)整的大小可以改變氣的值，并導致功率對電壓的微分的改變。而根據(jù)前面的表達可知的大小可以通過改變占空比α來控制。因此，在上述條件下太陽能電池的工作點可以通過占空比α來控制，那么通過正確調(diào)整占空比α的大小就能實現(xiàn)識的控制，進而實現(xiàn)太陽能輸出的最大功率控制。3.5本章小結(jié)本章詳細介紹了最大功率跟蹤技術(shù)的原理，并對幾種傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤(MPPT)控制算法和DC/DC轉(zhuǎn)換電路進行了分析和比較，提出各自優(yōu)缺點。最后選取了適用于光伏MPPT的DC/DC變換器，并介紹了MPPT在DC/DC變換器中的實現(xiàn)方法，為后文仿真及硬件電路的選型做鋪墊。第四章三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變局部三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變局部是整個系統(tǒng)的核心所在，對其采用先進的控制技術(shù)可以有效地改良光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的性能。隨著電力電子器件的高頻化和微處理器運算速度的提高，特別是高性能數(shù)字信號處理器(DSP)的實現(xiàn)，使得一些先進的控制策略應用于光伏并網(wǎng)控制成為可能。本節(jié)通過對系統(tǒng)控制方案的比較分析，提出了適合于三相光伏并網(wǎng)逆變的控制方案。4.1光伏并網(wǎng)逆變器的根本構(gòu)成逆變器構(gòu)成如圖4.1所示，它主要由輸入斷路器、直流噪音濾波器(NFL)、電容電感(L，C)、DC/DC升壓器、DC/AC逆變器、LC濾波器、三相變壓器，交流噪音濾波器、電能表、接觸器、輸出斷路器等局部構(gòu)成。逆變器控制局部包括DSPCPU控制板、驅(qū)動檢測回路、儀表開關(guān)、控制電源等。各主要局部的具休功能及特點如下：圖4.1并網(wǎng)逆變器根本構(gòu)成圖(1)斷路器分別用于分斷直流輸入，交流輸出，為用戶提供平安保證。(2)噪音濾波器NFL：主要功能為濾除逆變器主回路開關(guān)器件在工作時產(chǎn)生的高頻電磁噪音和共模干擾，以保證并網(wǎng)逆變器在運行時不對電網(wǎng)中其它設備產(chǎn)生不良影響。(3)DC/DC升壓單元：〔詳見第三章3.3.2節(jié)〕L及IGBT功率器件構(gòu)成DC/DCboost升壓回路。通過控制該回路中IGBT功率器件的導通與關(guān)斷將光伏電池板輸出的低壓直流電升壓成高壓直流電，為DC/AC逆變器的工作提供前提條件。升壓回路通過脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)，可在直流輸入電壓大范圍變化的情況下保證高壓側(cè)直流的穩(wěn)定輸出，并同時實現(xiàn)MPPT控制功能。(4)DC/AC逆變單元是該并網(wǎng)逆變器的核心局部，根據(jù)CPU控制回路發(fā)出PWM開關(guān)信號控制三相IGBT功率器件的開通和關(guān)斷，實現(xiàn)將高壓直流電逆變成三相交流電，并將其平穩(wěn)送入電網(wǎng)的功能。(5)LC構(gòu)成低通濾波器，濾除DC/AC產(chǎn)生的開關(guān)電流諧波，使流入變壓器的電流為50Hz下的基波電流。(6)三相隔離變壓器HRGB(S)：三相隔離變壓器為△/Y接法，起隔離逆變器和電網(wǎng)的作用。由于有了變壓器的隔離，逆變器功率器件開關(guān)導致電位浮動所產(chǎn)生的漏電流，以及逆變器在控制中產(chǎn)生的微小直流電流均被有效隔離和抑制，從而不會對電網(wǎng)產(chǎn)生不良的影響。(7)交流接觸器：MC直接由CPU控制，通過MC的開閉實現(xiàn)并網(wǎng)系統(tǒng)的解列和并網(wǎng)。在系統(tǒng)停電或逆變器內(nèi)部出現(xiàn)故障時由CPU控制斷開，以隔離光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)，防止造成嚴重故障。(8)CPU控制回路：采用Tl公司的TMS320LF2407型DSP芯片，不但能夠滿足15kHz的三相電流瞬時統(tǒng)一控制快速響應要求，同時還能夠完成MPPT，故障保護等實時性，快速性要求很高的控制。由于能夠?qū)崿F(xiàn)二相電流統(tǒng)一控制，主回路結(jié)構(gòu)得到路斷路器分別用于分斷直流輸入，交流輸出，為用戶提供平安保證了簡化，大大降低了本錢。另外，通過屏蔽的RS232通信口，CPU控制回路可實現(xiàn)與顯示板和遠程控制計算機的通信。將并網(wǎng)逆變器的工作狀態(tài)，運行參數(shù)傳給顯示板和計算機，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳送，顯示和采集。(9)驅(qū)動檢測回路：負責逆變器主回路電壓電流等模擬信號的處理，及開關(guān)量的驅(qū)動傳送。另外，能夠?qū)崿F(xiàn)順時故障鎖定和硬件故障保護功能。在發(fā)生嚴重故障時能夠屏蔽掉CPU發(fā)出的PWM信號，保證IPM功能器件在故障期間不被誤觸發(fā)。(10)控制電源：為了適應太陽能發(fā)電的特殊要求，該逆變器控制電源應具備從50V至600V大范圍直流電壓變化情況下的穩(wěn)定工作能力即在光線很弱的情況下仍能保證逆變器控制系統(tǒng)的正常工作。4.2光伏并網(wǎng)逆變器的分類在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，對電網(wǎng)的跟蹤控制是整個并網(wǎng)逆變器的核心，它直接關(guān)系到系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量和運行效率，并網(wǎng)逆變器是系統(tǒng)的核心部件和技術(shù)關(guān)鍵。(a)電流源型逆變器(b)電壓源型逆變器圖4.2電流型和電壓型逆變器結(jié)構(gòu)圖并網(wǎng)逆變器是連接光伏陣列和電網(wǎng)的關(guān)鍵部件，按控制方式可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方法。以電流源為輸入的逆變器，其直流側(cè)需要串聯(lián)一個大電感來穩(wěn)定輸入的直流電流，此大電感往往會導致系統(tǒng)動態(tài)響應差，因此目前世界范圍內(nèi)大局部并網(wǎng)逆變器采用以電壓源輸入為主的方式。按輸入直流電源的性質(zhì)，可將逆變器分為：電流源型逆變器和電壓源型逆變器。公用電網(wǎng)系統(tǒng)可視為容量無窮大的定值交流電壓源，如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，那么實際上就是一個電壓源與電壓源并聯(lián)運行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，就必須采用鎖相控制技術(shù)以實現(xiàn)與公用電網(wǎng)同步，在穩(wěn)定運行的根底上，可通過調(diào)整逆變器輸出電壓的大小及相位以控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。由于鎖相回路的響應較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制及可能出現(xiàn)環(huán)流等問題，如果不采取特殊措施，很難獲得優(yōu)異性能。如果逆變器的輸出采用電流控制，那么只需控制逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同步，即可到達并網(wǎng)運行的目的。這種控制方法相對簡單，因此使用比較廣泛。本文硬件設計采用電壓源型電流控制逆變器結(jié)構(gòu)。按逆變器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)來分類，三相電壓型逆變器又可分為：半橋式逆變器、全橋式逆變器和組合式逆變器，下文將詳細介紹。4.2.1三相半橋式逆變器三相半橋式逆變器是三個單相半橋式逆變器的組合，其電路拓撲見圖4.3：該逆變器有如下特點：(1)如果兩個串聯(lián)的電解電容足夠大，那么可以保證中點電位不偏移，具有較強的帶不平衡負載的能力，但也大大增加了系統(tǒng)的體積和重量；(2)輸入直流電壓利用率較低，相同的輸出電壓時，三相半橋逆變器所需的直流輸入電壓為三相全橋電路的2/3倍；(3)與三相全橋逆變器相比，輸出電壓相同時，其輸入直流電壓和功率開關(guān)電壓應力要大。圖4.3三相半橋式逆變器4.2.2三相全橋式逆變器三相全橋式逆變器具有電路拓撲簡潔、易于控制、功率開關(guān)電壓應力低等優(yōu)點，可以采用諧振支路、諧振直流環(huán)節(jié)、諧振緩沖等逆變技術(shù)來實現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)，缺乏之處是的帶不平衡負載的能力較弱。其拓撲結(jié)構(gòu)見圖4.4。三相并網(wǎng)發(fā)電逆變器主要是并網(wǎng)發(fā)電，其負載為電網(wǎng)。公共電網(wǎng)可以視為一個理想的三相平衡負載，因此本文硬件設計選用此方式。圖4.4三相全橋式逆變器4.2.3組合式逆變器的電路組合式逆變器的電路結(jié)構(gòu)如圖4.5所示，它由完全相同的三個單相低頻環(huán)節(jié)或高頻環(huán)節(jié)逆變器星形聯(lián)結(jié)構(gòu)成，能同時實現(xiàn)單相和三相四線制供電。該電路結(jié)構(gòu)不但具有極強的帶不平衡負載能力，而且可以獨立控制，以實現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)、在線熱更換和N+1個模塊冗余技術(shù)，提高了系統(tǒng)可靠性。這種電路結(jié)構(gòu)的缺乏之處是元器件數(shù)多、本錢高，在本文設計中不予采用[11]。圖4.5組合式逆變器電路結(jié)構(gòu)4.3光伏并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)的控制策略圖4.6并網(wǎng)逆變器輸出的三相電流波形光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標：控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波，且與公共電網(wǎng)同壓、同頻、同相位。唯有滿足控制目標前方可并網(wǎng)。當給并網(wǎng)逆變器的控制局部提供了參考電流后，就需要一種適宜的PWM控制方式使并網(wǎng)逆變器的電流能夠快速跟蹤該參考電流。目前有多種PWM控制方式，例如電流滯環(huán)比較方式、定時比較方式和三角波比較方式。4.3.1電流滯環(huán)比較方式圖4.7電流滯環(huán)方式的結(jié)構(gòu)示意圖電流滯環(huán)比較方式是一個雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.7所示。其外環(huán)是直流電壓反應控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是交流電流控制環(huán)。將電壓調(diào)節(jié)器輸出電流幅值指令乘以表示網(wǎng)壓的單位正弦信號后，得到交流的電流指令，將它與實際檢測到的電流信號進行比較，當電流誤差大于指定的環(huán)寬時，滯環(huán)比較器產(chǎn)生相應的開關(guān)信號來控制逆變器增大或減小輸出電流，使其重新回到滯環(huán)內(nèi)。這樣，使實際電流圍繞著指令電流曲線上下變化，并且始終保持在一個滯環(huán)帶中。在這種方式中，滯環(huán)的寬度對電流的跟蹤性能有較大的影響，當滯環(huán)的寬度較大時，開關(guān)頻率較低，那么對開關(guān)器件的開關(guān)頻率要求不高，但跟蹤誤差較大，輸出電流中的高次諧波含量較大；當滯環(huán)的寬度小時，跟蹤誤差小，器件開關(guān)頻率提高，所以對器件的開關(guān)頻率要求高。所以電流滯環(huán)控制的缺點在于開關(guān)頻率不固定，有時會出現(xiàn)很窄的脈沖和很大的電流尖峰，給驅(qū)動保護電路以及主電路的設計帶來困難，對系統(tǒng)性能也有所影響。而且開關(guān)頻率不固定，濾波困難，對外界的電磁干擾也比較大。使用電流滯環(huán)比較PWM控制方法時，并網(wǎng)逆變器輸出三相電流如圖4.8。圖4.9為A相電流與參考電流的比較。本仿真中的滯環(huán)寬度為lA。圖4.8并網(wǎng)逆變輸出的三相電流波形圖4.9A相電流與參考電流的比較4.3.2定時比較方式圖4.10定時比較方式的結(jié)構(gòu)示意圖利用一個定時控制的比較器，每個時鐘周期對電流誤差判斷一次，PWM信號需要至少一個時鐘周期才會變化一次，器件的開關(guān)頻率最高不會超過時鐘頻率的一半。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.10所示。該方法缺點是電流跟隨誤差是不固定的。使用定時比較PWM控制策略時，三相并網(wǎng)逆變輸出電流如圖4.11所示。圖4.12為A相電流與參考電流的比較。從圖中可以看出定時比較控制策略在參考電流變化較快的地方，跟蹤效果不好。當載波頻率較低的時候，電流毛刺較大。圖4.11并網(wǎng)逆變輸出的三相電流波形圖4.12A相電流與參考電流的比較4.3.3三角波比較方式這種方式將電流誤差經(jīng)過比例積分放大器處理后與三角波比較，目的是將電流誤差控制為最小。該方式硬件較為復雜，輸出含有載波頻率段的諧波，電流響應比瞬時比較方式要慢。三角波比較方式主要使用在數(shù)字控制方式出現(xiàn)之前的模擬控制中，目前根本被淘汰，因此本文不再贅述[12-14]。4.3.4無差拍控制方式無差拍控制是近年來新開展的一種跟蹤精度高、動態(tài)相應快的數(shù)字控制策略，它最早于1959年由Kalman等人提出，直到1985年K.RGokhale在PESC年會上提出將無差拍控制應用于逆變器控制，逆變器的無差拍控制才引起了廣泛的重視。無差拍控制是根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和當前狀態(tài)信息推算出下一采樣周期的開關(guān)控制量，最終到達使輸出量跟蹤輸入量的目的。具體地說，每個采樣間隔發(fā)出的控制量，即輸出的脈寬控制量是根據(jù)當前時刻狀態(tài)向量和下一個采樣時刻的參考值計算發(fā)出來的。因此對運算的實時性要求很高。不失一般性，設連續(xù)系統(tǒng)方程：(4-1)其中，X為狀態(tài)向量，U為輸入向量，A、B為常規(guī)系數(shù)矩陣，時域解為：(4-2)設采樣周期為T，當T滿足香農(nóng)采樣定理，且T遠大于采樣轉(zhuǎn)換時間，且采樣保持器是零階時，系統(tǒng)離散化后為：(4-3)其中(4-4)對于PWM變流器，假設輸入變量可簡單的表示為：(4-5)其中△T(k)為第k次采樣時刻發(fā)出的脈寬控制量，E為直流側(cè)電壓。用給定參考狀態(tài)代替X(k+1)，那么式(4-4)可寫成：(4-6)求出脈寬量△T(k)，并在第k次采樣間隔時間內(nèi)作用于PWM變流器，即可在k+1次采樣時刻跟蹤上參考狀態(tài)。如果在第k次采樣時刻可以預測到第k+1次采樣時刻的參考狀態(tài)，那么采取以上算法后，在第k+1次采樣時刻的狀態(tài)恰好等于參考狀態(tài)，即所謂無差拍。采用無差拍控制計算量較大，但其開關(guān)頻率固定、動態(tài)響應快的特點受到了人們青睞，隨著高性能數(shù)字處理芯片(DSP)的出現(xiàn)，這種數(shù)字化的有廣泛的應用前景，十分適宜于太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字控制PWM控制方式。圖4.13三相光伏逆變并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖4.13是三相光伏逆變并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。圖中S1-S6是六個開關(guān)管，、、分別是三相光伏逆變器的第k次采樣時電流的瞬時值，L是逆變器的濾波電感。在系統(tǒng)運行時，下面回路電壓方程均成立：(4-7)如果定義三相逆變橋的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)為：1；m相逆變橋上橋臂開，下橋臂關(guān)斷0；m相逆變橋上橋臂關(guān)斷，下橋臂開將回路電壓方程離散化，設控制周期為T，第k次采樣電流參考值分別為，，，令，，，逆變橋三相開關(guān)占空比為。通?？刂祁l率到達數(shù)千赫茲，遠大于電網(wǎng)基波頻率50Hz，因此在一個控制周期內(nèi)，忽略三相電網(wǎng)電壓的變化。同時也忽略光伏陣列的端電壓的化。那么離散化后的方程為：(4-8)由于這三個電壓環(huán)路彼此并不互相獨立，環(huán)路電壓方程就只有兩個是獨立的，這里設定三相逆變橋上下橋臂的導通在一個控制周期內(nèi)是對等的，可以得到第一個方程為：(4-9)聯(lián)立式(4-8)、式(4-9)可以得到以下方程組：可以求解出k時刻用于控制三相逆變橋的PWM信號的占空比：按照上述公式計算出來的占空比來控制三相并網(wǎng)逆變橋就能夠?qū)崿F(xiàn)同步并網(wǎng)。在5kHz的控制頻率下，獲得的電流控制效果比定時比較方式好很多。采用基于Deadbeat的PWM控制時，光伏并網(wǎng)逆變器輸出三相電流如圖4.14。圖4.14無差拍PWM控制輸出的三相電流波形圖4.15為A相電流與參考電流的比較，從圖中可以看出，采用基于Deadbeat的PWM控制效果明顯好于前兩種方法[15-17]。圖4.15A相電流波形4.4本章小結(jié)本章先是介紹了光伏并網(wǎng)逆變器根本構(gòu)成及其各局部的功能。然后從三種不同的分類方式介紹光伏并網(wǎng)逆變器，其中著重介紹了按逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu)分類的三種逆變器電路，并由分析比較得出在本文硬件設計中選用電壓源型三相全橋式逆變器。最后對光伏并網(wǎng)逆變器常用的四種控制策略經(jīng)行了深入分析與比較，得出無差拍控制方式的優(yōu)越性。第五章三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件設計光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的硬件局部如圖5.1所示〔可見附錄A〕，主要由輸入斷路器、直流噪音濾波器、電容電感，DC/DC升壓器、DC/AC逆變器、LC濾波器、三相變壓器，交流噪音濾波器、電能表、接觸器、輸出斷路器等局部構(gòu)成。其中逆變器控制局部包括DSPCPU控制板、驅(qū)動檢測回路、儀表開關(guān)、控制電源、保護電路等。圖5.1三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模塊圖5.1三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路設計三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)結(jié)合第2.3節(jié)對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)的介紹，并考慮到光伏幕墻的特點，電能變換主電路不采用體積笨重的工頻變壓器方式，也不采用線路復雜的高頻變壓器方式，而是決定對無變壓器隔離逆變電路改良，在無變壓器方式的結(jié)構(gòu)中參加工頻變壓器來實現(xiàn)逆變器與電網(wǎng)的電氣隔離，這樣既可以保證較高的轉(zhuǎn)換效率，又可以在電氣平安上得到保證。其結(jié)構(gòu)如圖5.2所示。因為光伏陣列的直流電壓不會太高，一般在從二十幾伏到六十幾伏，在日照缺乏的早晚或是陰天電壓會更低，為了后一級逆變電路的正常工作，必需要進行升壓。本系統(tǒng)DC/DC級采用簡單實用的Boost升壓電路。該級電路有兩個功能：一是將光伏陣列的直流電壓升壓后送至后級逆變環(huán)節(jié)；二是由于光伏電池功率輸出的非線性，為了最大程度上利用光能，要在該級變換中實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT)的功能，通過調(diào)節(jié)占空比來實現(xiàn)。圖5.2改良后的無變壓器方式結(jié)構(gòu)圖5.1.2三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)度方式結(jié)合第2.2.1節(jié)對兩種是否帶有儲能裝置的兩種光伏并網(wǎng)系統(tǒng)分析比較，本系統(tǒng)選用不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，主電路中不含有蓄電池環(huán)節(jié)。圖5.3不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)5.2三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)設計首先對光伏陣列進行的參數(shù)選擇。由于本設計光伏陣列局部由光電幕墻來構(gòu)建，考慮到光電幕墻三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與獨立型發(fā)電系統(tǒng)的不同，在選擇太陽能電池板的種類、功率、數(shù)量時不是根據(jù)負載的大小，而是由建筑物迎光照的外表積來確定的。本文選擇的建筑物為辦公大樓，有效向光面外表積約為，選用LNGF-160，其技術(shù)參數(shù)如下：表5.1光伏電池的技術(shù)參數(shù)功率160W開路電壓44.06V短路電流4.85A工作電壓34.65V最大系統(tǒng)電壓1000V工作電流4.63A重量15.5kg電池尺寸125*125mm其次選擇三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：1.功率等級：10KW2.MPPT電壓范圍：80V-140V4.最大直流電流輸入電流：80A5.最大輸入功率：10KW7.最大并網(wǎng)電流：15A8.額定交流輸出功率：9KW9.并網(wǎng)電壓：380V；10.輸出額定頻率：(50士0.2)Hz11.DCLINK=517V士1%5.3三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變電路設計5.3.1DC/DC電路設計參見第3.3節(jié)，通過比照分析四種DC/DC變換器，本文選用升壓式變換器(BoostConverter)來構(gòu)建直流變換電路。Boost變換器可以始終工作在輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，只要輸入電感足夠大，那么電感上的紋波電流小到接近平滑的直流電流，因此只需參加容量較小的無感電容甚至不加電容，防止了加電容帶來的種種弊端。同時，Boost電路也非常簡單，且由于功率開關(guān)管一端接地，其驅(qū)動電路設計更為方便。且由于光伏陣列的直流電壓一般從二十幾伏到六十幾伏，為了便于下一級的DC/AC有著更好的逆變效率，在這里應考慮用升壓式變換電路如下列圖5.4所示。圖5.4升壓式變換電路5.3.2DC/AC電路設計本文選用三相電壓型全橋式電路為逆變器的主拓撲電路。三相全橋式逆變器具有電路拓撲簡潔、易于控制、功率開關(guān)電壓應力低等優(yōu)點，可以采用諧振支路、諧振直流環(huán)節(jié)、諧振緩沖等逆變技術(shù)來實現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)，缺乏之處是的帶不平衡負載的能力較弱。圖5.5逆變器的主拓撲電路考慮本文主要研究的是三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其負載為電網(wǎng)。公共電網(wǎng)可以視為一個理想的三相平衡負載。在DC/AC逆變模塊，通過空間矢量PWM控制技術(shù)(即SVPWM)產(chǎn)生的六路PWM信號來控制S1到S6六個IGBT型功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷，這樣就將直流電逆變?yōu)槿废辔换ゲ?20度的U、V和W交流電。該逆變器主回路結(jié)構(gòu)為電壓型逆變器。其工作的根本模式是但通過交流電感電容濾波器，及瞬時電流控制方法，實際上從外部來看，該逆變器可被看作為電流源，通過輸出端向電網(wǎng)輸送正弦波交流電。5.4三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變外圍電路設計5.4.1控制電源的選擇本設計中需要的電源主要有：(1)七路+24V：作為IGBT柵極驅(qū)動電源。(2)12V、-12V各一路：為控制系統(tǒng)的模擬集成電路提供電源，如運放等。(3)+5V電源：為控制系統(tǒng)數(shù)字集成電路供電。(4)+3.3V：為DSP系統(tǒng)供電。其中，+24V、+12V和-12V電源由開關(guān)電源提供。+5V電源+12V開關(guān)電源經(jīng)由7805轉(zhuǎn)換后提供。開關(guān)電源的設計采用TOPSwitch構(gòu)成單端反激式電路結(jié)構(gòu)。TOPSwitch是由美國PowerIntegration公司生產(chǎn)的將