光伏并网发电系统逆变器的研究-solarbe文库

资源描述：

淮北师范大学信息学院2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究系别电子信息系专业电子信息科学与技术学号 20081852047 姓名任杰 _ 指导教师宗桂林指导教师职称讲师2012 年 5 月 10 日淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究I 光伏并网发电系统逆变器的研究任杰淮北师范大学信息学院 235000 摘要光伏并网发电系统与光伏独立供电系统是光伏系统技术中的重要应用领域，其适宜于不同的应用场合，两者的有效结合即将并网发电功能与独立逆变供电功能集于一体，可以进一步拓展其应用范围并简化结构和减少投资。本文在对并网逆变和独立逆变技术研究的基础上，根据其结构和控制的特点，成功实现并网发电与独立供电的系统集成，下面是本文所做的工作。1. 能够完成独立逆变、并网逆变、 SPWM 整流充电、太阳电池充电等工作模式的切换与控制。2. 独立逆变的控制策略的选择，包括输出电压控制方式的选择。并且分析了死区对输出波形的影响和补偿方式。3. 对光伏并网逆变中输出电流的控制策略做了分析比较，本文采用了前馈加反馈的复合控制策略，使系统的稳定性和快速性都满足要求。4. 采用以负载获得功率的变化代替传统的以光伏阵列输出功率的变化来进行最大功率跟踪的控制策略，实现了光伏阵列的真正最大功率点跟踪（ TMPPT）。关键词并网逆变；独立逆变； SPWM 整流；孤岛效应；最大功率跟踪淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究II Research on Inverter Photovoltaic Grid-connected Generation System Ren Jie HuaiBei Normal University College of Information, 235000 Abstract The solar energy especially photovoltaic usage are increasingly important because of the shortage of energy. As the main form of photovoltaic usage, photovoltaic generation includes the single and grid-connected which usually assembled separately. So the critical point of this paper is how to combine the two different form of photovoltaic generation into one inverter. The main study of this paper as follows 1. to complete the function of single invert, grid-connected invert, SPWM charging and charging by solar array separately and switch the different modes. 2. to choose an appropriated control strategy, including the mode of voltage control. The influence and compensation of dead-time is analyzed. 3. to compare and analyze the control of current in grid-connected inverter. Anhybrid control with forward feed and feedback is adapted in this paper, and the results of stability and fast response are satisfied. 4. to achieve the true maxim power point trace of solar array by adapting an improved MPPT control which trace the load power instead of the power of solar array. Keywords single invert; grid-connected invert; SPWM charging; islanding effect; TMPPT淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究III 目次1. 绪论 . 11.1 太阳能的利用形式 . 11.2 太阳能光伏技术的发展 . 11.3 光伏并网发电系统的广阔前景 . 21.4 光伏发电系统概述 . 32. 并网逆变器电路结构的分析 . 52.1 并网逆变器的拓扑 . 52.2 并网逆变系统 /独立供电系统的工作原理 . 63. 太阳能电池特性及其最大功率跟踪控制 . 103.1 太阳能电池工作特性 . 10 3.2 最大功率跟踪的理论基础 . 12 4. 光伏并网逆变器的控制及实现 . 144.1 并网逆变器的控制目标 . 14 4.2 并网逆变器的输出控制模式 . 14 4.3 并网逆变器的 SPWM 技术 . 15 结论 18参考文献 19致谢 20淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究1 1. 绪论1.1 太阳能的利用形式太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源，是指太阳能的直接转化和利用具有可持续性。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。太阳能的利用主要有以下三种形式1. 太阳能的热利用1 太阳能热水器； 2 太阳能建筑； 3 太阳能热发电。2. 太阳能的光化学利用太阳能的光化学利用主要是指太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换（如染料敏化纳晶半导体薄膜太阳电池等）等方面的新技术，其中令人看好的能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。3. 太阳能的光伏利用是太阳能利用的主要形式，主要分为五类独立发电系统、并网发电系统、光电光热结合系统、风光互补系统、专用系统。以上形式中光化学转化在自然界中以光合作用为主要存在形式，人类不能很好的利用；光热利用由于受到能量传输不方便因素的影响，一般只能就地使用，而光伏利用体现在光伏发电上，它是以电能形式表现，在存储、传输、通用性等方面都有着很大优势，随着半导体工业的发展，蓄电池成本的降低和使用效率的提高，太阳能的光伏利用必将成为一种重要的能源利用形式。1.2 太阳能光伏技术的发展由于太阳能光伏发电技术的重要性，在研究开发、产业化制造技术及市场开拓方面成为世界各国特别是发达国家激烈竞争的主要热点。 80 年代以来，即使世界经济总体情况处于衰退和低谷时期，光伏技术一直保持以 10-15的递增速度发展。 90 年代后期，世界市场出现了供不应求的局面，发展更加迅速。 1997 年世淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究2 界太阳电池光伏组件生产 122MW ，比 1996 年增长了 38（ 1996 年 88.5MW ），超出光伏界专家最乐观的估计。以下的一些具体数据说明了目前太阳能光伏技术的发展情况通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施降低成本，大幅度地降低了太阳电池成本。三年来，世界的光伏组件的生产成本降低了 32以上，第一次降到 3美元 /Wp 以下，国际市场光伏组件售价在 4 美元 /Wp 左右。这种趋势还在继续发展，预测 1999 年生产成本可降到 1.79 美元 /Wp。目前地面应用最多的太阳电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅三大类，转换效率一般可达 12左右。目前，以晶硅材料为基础的高效电池和薄膜电池是基础研究工作的热点课题。澳大利亚新南威尔士大学高效单晶硅电池效率已达 24.4，美国、日本、德国的高效电池效率也达到 23以上。1995 年澳大利亚新南威尔士大学与太平洋能源公司合作，投资 500 万美元，计划用 7 年时间开发出薄膜电池的产业化技术，然后建立 20MW 生产线。可行性分析指出，电池成本可下降到 1 澳元 /Wp 以下，其发电成本可与燃煤发电相比。此项工作在美国、日本、欧洲也在加紧进行。 [1]1.3 光伏并网发电系统的广阔前景1. 并网发电是太阳能光伏利用的未来主流光伏电池发电有离网和并网两种工作方式。过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，所以光伏电池多用于偏远无电地区的中小功率离网用户。但是，太阳能光伏市场近年来发生了很大变化，开始由边远农村地区逐步向并网发电以及和建筑结合的常规发电方向发展，开始由补充能源向替代能源过渡。第二届国际太阳能光伏会议于 1998 年 7 月 6 日 -10 日在奥地利维也纳召开。此次会议中光伏应用的论文一共 313 篇，其中并网发电系统（包括系统技术、建筑集成、电力系统） 161 篇，占论文总数的 51.44。光伏并网发电系统的快速发展代表太阳能发电技术进入了一个新的历史阶段，具有革命性的意义，它标志着光伏发电从补充能源的地位开始向大能源过渡、向替代能源过渡。 [1]2. 并网发电系统在国际上的应用光伏并网发电系统主要用于输电线路调峰电站以及屋顶光伏系统。目前，已经有不少发达国家开始实施太阳能光伏发电屋顶计划日本、德国先后实施了千座和万座光伏屋顶计划。已经完成了数千座太阳能光伏发电的屋顶计划，系统总装机超过了 100MW 。其中德国的西门子太阳能公司在慕尼黑建成了 1MW 的世界淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究3 上最大的太阳能光伏发电屋顶系统。3. 我国目前迫切需要发展光伏并网发电系统尽管我国研制太阳能电池始于一九五八年，中国的光伏技术经过四十年的努力，已具有一定的水平和基础，但是，与世界先进国家相比仍有不小的差距。 90年代以前，我国边远地区的光伏发电市场主要由国家扶贫项目和双边或多边援助项目支撑。 90 年代以来，随着边远地区经济发展和农牧民收入水平的提高，边远地区的光伏发电市场也开始向商业化发展。根据世界银行 /全球环境基金可再生能源商业化项目准备研究过程中的资料显示，我国西部地区经营太阳能光伏发电系统的各种公司和团体由 80 年代的不足 10 家，发展到 1997 年底的 50 多家，其中大多数公司以商业化赢利为目的。这从侧面表明，我国的光伏发电技术已经具有了一定的市场潜力和市场吸引力，但是主要的技术仍来源于国外，其中，太阳能并网发电技术更是刚刚起步。 “九五” 期间，国家科委开始将太阳能屋顶并网发电系统列入国家科技攻关计划，企业界已经在深圳和北京分别建成了 100KWp、17KWp 和 7KWp 的光伏发电屋顶系统并成功的实现了并网发电。我国地域广大，人口众多，正处在经济转轨和发展时期，能源问题突出而紧张；另一方面，有近 7000 万人口生活在无电地区，光伏发电的潜在市场是非常巨大的。同时我国具有丰富的太阳能资源，太阳能并网发电的前景广阔。本课题就是在这样的背景下提出的，目的是开发出安全可靠、经济性好的光伏并网发电系统，为我国的光伏发电事业提供有力的技术支持。1.4 光伏发电系统概述太阳能光伏发电系统的典型结构框图见图 1，其主要由以下四部分构成。 [2] [3]直流控制系统逆变器负载光伏阵列储能系统图 1 光伏发电系统典型结构框图1. 光伏电池阵列光伏电池是组成太阳能光伏发电系统最基本的单位。但是单体光伏电池发出的电能很小，而且是直流电，在大多数情况下很难满足实际应用的需要。为了获得足够大的发电量，需要将单体光伏电池连接成电池组件，再由电池组件组合连淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究4 接成为太阳能光伏阵列。2. 储能系统太阳能发电系统只是在日间有阳光的时候才能发电，但是一般来说，人们主要在夜间大量用电，这样系统中就需要有储能单元将白天所发出的电能储存起来供夜间使用。3. 逆变器光伏电池阵列所发出的电能是直流电，但是大多数用电设备以交流供电为主，所以系统中需要逆变单元将直流电转换为交流电供负载使用，逆变器的效率将直接影响到整个系统的效率，因此光伏系统逆变器的控制技术就具有重要的研究意义。4. 直流控制系统在电能从光伏阵列到储能单元，再到逆变单元间的传输和交换过程，为了保证系统的高效与安全运行，还需要直流控制系统对整个过程进行调整、保护和控制，如最大功率点跟踪控制技术。淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究5 2. 并网逆变器电路结构的分析2.1 并网逆变器的拓扑针对并网逆变技术的现状和发展趋势，具体比较逆变器结构拓扑如下，根据输入输出隔离变压器的类型可以分为低频环节并网逆变、高频环节并网逆变以及非隔离型并网逆变。 [4]2.1.1 低频环节并网逆变1. 电路结构低频环节并网逆变器结构如图 2 所示，该电路结构由工频或者高频逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成。LC滤波器LC太阳能电池或者蓄电池工频或高频逆变器工频变压器滤波器电网图 2 低频环节并网逆变器电路结构2. 拓扑族低频环节并网逆变器可以由方波、阶梯波合成、脉冲调制等逆变器来实现。其中拓扑族包括半桥式、全桥式等电路，如图 3 所示。a 半桥式 a 全桥式图 3 低频并网逆变器拓扑族这类低频环节并网逆变器具有电路结构简洁、双向功率流、单级功率变换、高效率、变压器体积和重量大、音频噪音大等特点。2.1.2 高频环节并网逆变1. 电路结构淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究6 高频环节并网逆变器电路结构如图 4 所示，该电路结构由高频逆变器、高频变压器、整流器、极性反转逆变桥以及输入、输出滤波器构成。LC滤波器高频逆变器高频变压器滤波器整流器电网工频逆变桥图 4 高频环节并网逆变器电路结构2. 拓扑族高频并网逆变器拓扑族包括单管正激式、双管正激式等电路，见图 5 图 5 高频并网逆变器拓扑族这类电路具有高频电气隔离、结构简洁、单相功率流、三级功率变换、直流变换级工作在 SPWM、工频逆变桥功率开关电压应力低且为 ZVZCS 等特点。2.1.3 非隔离型并网逆变对于非隔离型并网逆变通常是需要通过无变压器隔离的 DC/DC 变换器将很低的输入电压变换为高压输出供逆变桥使用，电路如图 6 所示。DC/DC逆变器直流升压变压器滤波器图 6 非隔离型并网逆变结构2.2 并网逆变系统 /独立供电系统的工作原理淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究7 2.2.1 主电路拓扑结构分析并网发电 /独立供电系统是一种将有源逆变与无源逆变结合于一体的逆变装置，除了需要两种不同的控制策略外，还需要两套不同主电路拓扑结构，但是发现这两种逆变主电路的不同之处在于滤波环节不同，实际上可以通过对滤波参数进行整合折中，选用相同的滤波参数以满足需要，这样就能省去一套滤波装置，从而可以一机两用。本文采用了单相拓扑结构来实现两用功能。三相与单相实现原理一样，只是控制上要复杂些。系统主电路的拓扑电路如图 7 所示。图 7 系统主电路的拓扑结构2.2.2 系统的工作原理1. 前级 Boost 电路的工作原理1 电路原理图Boost 电路由开关管 Q1，二极管 D，电感 L，电容 C 组成，完成将太阳能电池输出的直流电压场 V 升压到 dcV ，其原理图如图 8 所示图 8 Boost 电路图2 工作过程淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究8 当开关管 Q1 导通时，二极管反偏，于是将输出级隔离，由输入端向电感器供应能量，当开关管 Q1 断开时，输出级吸收来自电感器和输入端的能量。如图 9所示图 9 Boost 电路的工作过程3 工作原理根据电感电流在周期开始是否从零开始，是否连续，可分为连续的工作状态或不连续的工作状态两种模式。由于电路在断续工作时电路，电感电流的不连续，就意味着太阳能输出的电能在每个周期内都有一部分被浪费掉了，而且纹波也会大些。因此电路的参数的选择应让电路工作在连续导电的模式下，如图 2.9 所示图 10 Boost 电路连续导电时的稳态波形2. 后级单相全桥逆变器的工作原理1 电路原理图如图 11 所示为以绝缘栅双极性晶体管 IGBT 为主开关器件的单相全桥逆变器主电路图，其中 NL 为交流输出电感， dC 为直流侧支撑电容，也即前级 Boost 淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究9 图 11 单相全桥逆变器的拓扑结构电路的输出电容， T1、 T4 是主开关管 IGBT ， D1、 D4 是其反并联二极管，对四个开关管进行适当的 PWM 控制，就可以调节输出电流 tiN 为正弦波，并且与网压 fiV 保持同相位，达到输出功率因数为 l 的目的。它是由两个桥臂并联组成的，因此这种桥式拓扑，仍属于升压式结构。其启动的先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，而欲使电感电流能按照给定的波形和相位得到控制，必须保证在运行过程中，直流侧电压不低于电网电压的峰值，否则，续流二极管将以传统的整流方式运行，电感电流不完全可控。淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究10 3. 太阳能电池特性及其最大功率跟踪控制3.1 太阳能电池工作特性1. 太阳能电池的极性 [5]太阳能电池一般制成 P /N 型结构或 N /P 型结构，其中，第一个符号，即P 和 N ，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；第二个符号，即N 和 P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用的半导体材料的特性有关。在太阳光照射时，太阳能电池输出电压的极性， P 型一侧电极为正， N 型一侧电极为负。2. 太阳能电池的电流电压特性 [6]太阳能电池的电路及等效电路如图 12（ a）、（ b）所示。其中， LR 为电池的外负载电阻。当 0LR 时，所测的电流为电池的短路电流 SCI ， SCI 值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大， SCI 值越大。同一块太阳能电池，其 SCI 值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时， SCI 值略有上升，一般温度每升高 1℃， SCI值约上升 78uA。当 LR 时，所测得的电压为电池的开路电压 ocV 。太阳能电池的开路电压，与光谱辐照度有关，与电池面积的大小无关。当入射光谱辐照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比；环境温度升高时，太阳能电池的开路电压值将下降，一般温度每上升 l℃， ocV 值约下降 2～ 3mV。 DI二极管电流为通过 PN 结的总扩散电流，其方向与 SCI 相反。 SR 为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接触电阻所组成。 ShR 为旁漏电阻，它是由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起的。一个理想的太阳能电池， SR 很小，而 ShR 很大。由于 SR 和 ShR 是分别串联与并联在电路中的，所以在进行理想电路计算时，它们都可以忽略不计。图 12 太阳能电池的电路及等效电路图此时流过负载的电流与输出电压关系淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究11 ][ DshscshsshL IRVIRRRI3-1 实验证明1 /0 AKTqVD eII 3-2 其中 0I 是太阳能电池在无光照时的饱和电流， q 为电子电荷， K 为波尔兹曼常数， A 为二极管曲线因素，称 p-n 结理想因子。结合公式 3.13.2可得shSDAKTqVscl RRIVeIII ]1[ /03-3 考虑理想情况，当 sR → 0， shR →∞， Al 时1 /0 KTqVSCL eIII 3-4 当 LI 0 时，可以得到太阳能电池的开路电压10IIInqkTV scoc3-5 根据式 3.4和 3.5可做图，就可以得到太阳能电池的电流电压关系曲线。这个曲线，简称 I V 曲线或伏安曲线。图中，曲线 a 是二极管的暗伏安特性曲线，即无光照时太阳能电池的 I V曲线；曲线 b 是电池受光照后的 I V 曲线，它可由无光照时的 I V 曲线向第四象限位移 scI 量得到。经过坐标变换，最后即可得到常用的光照 I V 曲线，如图13 所示。mpI 为最佳负载电流， mpV 为最佳负载电压。在此负载条件下，太阳能电池的输出功率最大。在电流电压坐标系中，与这一点相对应的负载，称为最佳负载。评价太阳能电池的输出特性，还有一个重要参数，叫做填充因数 FF。它与开路电压、短路电流和负载电压、负载电流的关系式为scocmpmpIVIVFF3-6 3. 太阳能电池的光电转换效率太阳能电池的光电转换效率用 η 表示，它的含义是太阳能电池的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率之比。淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究12 图 13 太阳能电池的 I-V 曲线太阳能电池的光电转换效率，主要与它的结构、 PN 结特性、材料性质、电池的工作温度、放射性粒子辐射损坏和环境变化等因素有关。计算表明，在大气质量为一定值的条件下测试，单晶硅太阳能电池的理论转换效率可达 25． 12％；目前实际制出的常规单晶硅太阳能电池的转换效率一般为 12％～ 17％；高效单晶硅太阳能电池的转换效率为 18％～ 20％。3.2 最大功率跟踪的理论基础分析图 14 所示的线性电路I1RoR oV-图 14 太阳能电池简单的线性电路图中， iV 为电压源电压， iR 为电压源的内阻， 0R 是负载电阻。负载消耗的功率为020020 RRRVRIPiiR3-7 方程 3.7中， iV ， iR 均是常数，对 0R 求导，可得300200 RRRRVdRdPiiiR3-8 令00dRdPR ，即iR 0R 时， 0RP 取得最大值。淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究13 由此，可以看出，对于一个线性电路，当负载电阻和电源内阻相等时，电源输出功率最大。虽然太阳能电池和 DC DC 转换电路都是非线性的，但是在其工作点附近很小的范围内，可以将它们看作是线性电路。因此，只要调节 DC DC转换电路的等效电阻，使它始终等于太阳能电池的内阻，就可以实现太阳能电池阵列的最大功率输出，也就是实现了太阳能电池的最大功率跟踪。以上仅仅从理论上进行了分析，但在实际中存在一些问题。因为在电路中测量电阻要比测量电压复杂很多。由图 14 可以看出，当 iR 0R 时，负载 0R 电阻两端电压 0V iV /2。因此，可以调节 0R 两端的电压使之等于 iV /2，即 0V iV /2。，电源同样有最大功率输出。图 15 中，实直线为负载电阻线，虚曲线为等功率曲线， SCI 为太阳能电池的短路电流， ocV 为太阳能电池的开路电压， mP 为太阳能电池的最大功率点。 mV ， mI分别为太阳能电池在最大功率点运行时对应的电压和电流。图 15 为调节负载电压实现太阳能电池的最大功率跟踪示意图，由图可以看到，当只考虑太阳能电池时，其最大功率运行点为 mP mV ， mI 。若将太阳能电池通过变换器与负载连接，图 15 调节负载电压实现太阳能电池的最大功率跟踪太阳能电池的工作点则由负载限定。当负载不可以调节时，结合负载特性和太阳能电池特性，使太阳能电池运行在 A 点。当负载可以调节时，由图可知，太阳能电池在 A 点的输出功率小于在最大功率点的输出功率。通过调节输出电压，将负载电压调节到 V R0 处，使负载上的功率从 A 点移到 B 点。而 B 点与太阳能电池的最大功率点在同一条等功率线上，因此太阳能电池此时有最大功率输出。淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究14 4. 光伏并网逆变器的控制及实现4.1 并网逆变器的控制目标光伏并网系统是将太阳能电池板发出的直流电转化为正弦交流电，从而向电网供电的一个装置，它实际上是一个有源逆变系统。 [7] 并网光伏逆变器的控制目标为控制逆变电路输出的交流电流为稳定的、高品质的正弦波，且与电网电压同频、同相。因此选择并网逆变器的输出电流 outI 作为被控制量，并网逆变工作方式下的等效电路和电压电流矢量图如图 16 所示，其中 netU 为电网电压、 outU 为并网逆变器交流侧电压， outI 为电感电流。因为并网逆变器的输出滤波电感的存在会使逆变电路的交流侧电压与电网电压之间存在相位差 θ ，即为了满足输出电流与电网电压同相位的关系，逆变输出电压要超前于电网电压。图 16 逆变器并网工作时的等效电路和电压电流矢量图4.2 并网逆变器的输出控制模式目前，逆变器的输出控制模式主要有两种 [8] 电压型控制模式和电流型控制模式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量，系统输出与电网电压同频同相的电压信号，整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源；电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标，系统输出与电网电压同频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。本文所采用的是电流型控制模式，将并网逆变器的输出电流作为被控制量。上一节己经讲述了逆变器并网工作时的等效电路和电压电流矢量图，如图 16所示，并网逆变器中逆变部分控制的关键量是矢量图中的 outI ，根据矢量图可知，可以通过对输出电压的控制完成对 outI ，的控制，或者直接对 outI ，进行控制，完成对交流侧电流、功率因数的控制。因此，根据电流控制方法的不同，可以将电流控制方式分为以下两种控制模式1. 间接电流控制幅相控制基于稳态的电流控制方法，根据稳态电流向量的给定、 PWM 基波电压向量淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究15 的幅值和相位，分别进行闭环控制，进而通过 SPWM 电压控制实现对并网电流的控制。该控制策略虽然简单且不需检测并网电流，但动态响应慢，存在瞬时直流电流偏移，尤其是瞬态过冲电流几乎是稳态值的两倍；从稳态向量关系进行电流控制，其前提条件是电网电压不发生畸变，而实际上由于电网内阻抗、负载的变化以及各种非线性负载扰动等情况的存在，尤其是在瞬态过程中电网电压的波形会发生畸变。电网电压波形的畸变会直接影响着系统控制的效果，因此间接电流控制方法控制电路复杂、信号运算过程中要用到电路参数、对系统参数有一定的依赖性、系统的动态响应速度也比较慢。2. 直接电流控制通过运算求出交流电流，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制，使其跟踪指令电流值。根据直接电流控制的概念，对于并网型逆变器来说为了获得与电网电压同步的给定正弦电流波形，通常用电网电压信号乘以电流有功给定，产生正弦参考电流波形，然后使其输出电流跟踪这一指令电流。该控制方式具有控制电路相对简单、对系统参数的依赖性低、系统动态响应速度快等优点。4.3 并网逆变器的 SPWM 技术正弦脉宽调制技术 SPWM 技术，即用所期望得到的正弦波作为调制信号，三角波作为载波，当三角波与正弦波相交时，用交点来控制开关管的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于正弦曲线函数值的矩形波。根据调制电压极性的不同，正弦脉宽调制方式可分为两种双电压极性调制和单电压极性调制 . [9][10] 双极性调制是指两桥臂交叉对应的开关管 T1 和 T4， T2 和 T3 分别组成一组，同时开通或关断，两组开关互补导通。这样在逆变器的输出端就可以得到极性交变的电压脉冲，这种控制方案就称为双极性调制，如图 17 所示。由于双极性调制的输出电流变化率比较大，外界的干扰较强，所以本文采用了单极性调制方式。单极性调制是指四个开关管用四个不同的信号控制，其中 T1 和 T2 的控制信号由一正弦参考波与三角波相比较产生， T3 和 T4 的控制信号由与前一参考波相位相差 1800 的正弦参考波与三角波相比较产生，如图 18 所示。采用单极性调制方式时，系统逆变电压的极性在正弦波的半个周期内保持不便，在开关切换时，逆变输出电压先变为零，电流通过主电路回路续流，当下一个定时周期到来时，开关状态发生改变，重新输出电压。这样，调制脉冲电压在一个正弦波半周内始终为一个极性，输出逆变电压有零电压的过渡，所以系统输出电流的变化率较小。此外，与双极性调制方案相比，单极性调制的优点是谐波分量小，易于消除，对淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究16 外部设备的谐波干扰减小；每次开关管开通或关断时，电压变化的幅度是双极性调制的一半，因此开关管所受的开关应力小。图 17 双极性 SPWM 调制方案图 18 单极性 SPWM 调制方案如图 18 所示，由参考波 trU 与三角波载波 tcU 两者的交点决定主开关管 T3，T4 的导通时刻。当 trU tcU 时， T4 管导通，结合主电路图，此时图中 B 点电压为零；当 trU tcU 时， T2 导通， A 点电压为零；当 - trU tcU 时， T1 导通， A 点电压为 dU ，由此得到 A 点电压波形如图 19b所示，则逆变器交流侧的输入电压波形toU taU tbU ，图 19d所示即为由 SPWM 得到的单极性脉冲电压的波形。系统由于采用的是单极性调制方式，并网逆变器同一桥臂的上、下两个功率器件交替通断，处于互补的工作方式。每半个基波周期内逆变电压方向不变，极性在“零”和“正”之间跳变，原理如图 19 所示。从图中可以看出 aU 和 bU 在一个基波周期内矩形脉冲数目相同，但 oU 在一个基波周期内的脉冲数是 aU 和 bU淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究17 的 2 倍，也就是说输出电压脉冲的频率是开关频率的 2 倍，产生了倍频现象。因此，单极性调制的倍频现象能使逆变器输出电压的脉冲数倍加，这有利于减小系统谐波，减少对外部的干扰。图 19 单极性正弦脉宽调制波形淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究18 结论太阳能作为一种无污染的可再生能源将是下世纪人类能源利用的重要来源。作为太阳能光伏利用的主流方向并网发电越来越受到人们的重视。光伏并网发电是太阳能利用的发展趋势，因此本文对其核心部件并网逆变器进行了理论分析与研究，主要内容可总结如下1 分析了并网逆变器的电路结构，针对单相光伏并网系统的特点，选择了适合于本方案的电路结构。电路中光伏阵列通过升压电路 DC/DC 将直流电压升高再经逆变电路 DC/AC 直接并网，而不是通过工频变压器或高频变压器并网。所以该电路结构体积小，噪声低，成本低，便于研究，有利于并网技术的深入研究。（ 2 研究光伏并网逆变器的工作原理及控制策略，分析逆变器系统的应用特点。针对所要设计的系统确定逆变器的拓扑结构，从光伏并网系统的结构简单、易于维护方面考虑，选择不可调度式并网逆变器，并从并网系统的主电路拓扑、控制策略等几个方面做了详细的分析。3 阐述了并网型逆变器的控制目标，总结了几种逆变电路的控制方法，并用结构框图的形式进行了对比分析。本文采用了基于 SPWM控制的电流输出控制的算法，该方法具有开关频率固定、物理意义清晰、实现方便的优点。光伏并网发电系统是未来太阳能光伏利用的主流方向，所以开发出经济性好，稳定性高，性能优越的并网系统是一个摆在我们面前的紧迫课题。淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究19 参考文献[1] 王斯成 ,董路影．我国太阳能光伏发电市场发展与国际挑战．第五届全国光伏技术学术研讨会论文集 , 1998, 30-34 [2] 中国电工技术学会．电工高技术丛书第二分册太阳能光伏发电 [M] ．北京机械工业出版社 , 2000 [3] Richard J Komp ．实用光伏技术 [M] 乔幼药译．北京北京航空航天大学出版社 , 1987 [4] 陈道炼． DC-AC 逆变技术及其应用 [M] ．北京机械工业出版社， 2003 [5] 苗建勋，李水泉，石发旺等．太阳能电池基本特性研究 [J] ．大学物理实验 , 1996124， 23-25 [6] 徐林，崔容强，庞乾骏．对太阳电池 I V 曲线进行拟合的数论方法 [J] ．太阳能学报 , 2000214， 160-164 [7] 黄俊，王兆安．电力电子变流技术 [M] ．北京机械工业出版社， 2002 [8] 汪飞．可再生能源并网逆变器的研究 [M] ．浙江浙江大学出版社 , 2005 [9] 吴守箴，臧英杰．电气传动的脉宽调制技术 [M] ．北京机械工业出版社， 1999． 5 [10] 张占松，蔡宣三编著．开关电源的原理与设计 [M] ．北京北京电子工业出版社， 1998． 6淮北师范大学信息学院 2012 届学士学位论文光伏并网发电系统逆变器的研究20 致谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师宗桂林老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，宗老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了宗老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是她广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢