小功率光伏并网逆变器控制系统的设计

学士学位论文论文题目 小功率光伏并网逆变器控制系统的设计院 部 名 称 电气工程学院专 业 电气工程及其自动化班 级 学 生 姓 名 学 号 指导教师姓名 小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业 姓名 指导教师摘 要 随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，寻找一种储备大、无污染的新能源已经成为世界各国的重要战略计划。太阳能取之不尽用之不竭，可再生并清洁环保，无处不在、无需运输，最重要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能，已经得到了人类越来越广泛的应用。本文以最大限度利用太阳能、把高质量电能并入电网为主要目标，来研究和设计光伏并网逆变器，具有重要意义。本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率点跟踪（ MPPT）的方法。其次经分析小功率光伏并网选择了直流模块式结构的光伏并网系统，并网逆变器中的 DC/DC升压电路采用电压型高频链推挽式结构， DC/AC逆变电路采用全桥式逆变结构， 并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法，使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化，对并网逆变器起到了有效控制作用，经滤波器滤波后并入电网。最后利用 MATLAB中的 SIMULINK环境进行 DC/DC及 DC/AC电路仿真实验，实验结果验证了电流控制方法的可行性。关键词 最大功率点跟踪，并网逆变器，电流控制ABSTRACT With the growing energy shortages, looking for a new energy of environmental protection and pollution-free has become an important strategic plan for the world. Solar energy the inexhaustible, renewable and clean environmental protection, everywhere, no transportation, the most important is no monopoly and control any country may, has been more and more widely used. In this paper, the maximum use of solar energy and gridding high quality electricity into the main research goal to research and design photovoltaic grid-connected inverter, has important significance. This paper first discusses several methods based on output characteristic curve of the maximum power point tracking MPPT method. Secondly, after analyzing, low-power photovoltaic chooses the DC modular structure of photovoltaic pv grid system; the DC/DC booster circuit of Grid-connected inverter uses voltage mode high frequency link type structure; DC/AC inverter circuit adopts the full bridge inverter structure, and uses current control method to control the Grid-connected inverter, let the output current of grid inverter change by following a given current waveform and have a effective control of the Grid-connected inverter, then the output current will merge into the grid after filtered by the filter. Finally, does a simulation experiment of DC/DC circuit and DC/AC circuit by using the SIMULINK environment of MATLAB. The experiment results validate the feasibility of current control method. Key Words Maximum Power Point Tracking MPPT, Grid-connected inverter, Current control 目录1.绪论 1 1.1 课题研究背景及意义 1 1.2 国外光伏发电的研究现状 2 1.3 国内光伏发电的研究现状 2 1.4 本文的主要内容 3 2.光伏电池特性及最大功率点跟踪 4 2.1 光伏电池的基本原理及输出特性 4 2.1.1 光伏电池的基本原理 . 4 2.1.2 光伏电池的输出特性 . 7 2.2 光伏电池最大功率点跟踪方法 9 2.2.1 定电压跟踪法 . 9 2.2.2 短路电流比例系数法 . 10 2.2.3 扰动观察法 . 10 3.光伏并网逆变器的结构及控制 12 3.1 光伏并网系统的体系结构 13 3.2 光伏并网逆变器的拓扑结构 14 3.2.1 小功率光伏逆变器的设计考虑因素 . 14 3.2.2 小功率光伏逆变器的结构 . 15 3.3 光伏并网逆变器的控制 18 3.3.1 逆变器控制的选择 . 18 3.3.2 电流滞环跟踪控制并网逆变器的仿真模型 . 20 4.MATLAB 仿真结果及分析 25 4.1 逆变器 DC/DC 部分输出的结果及分析 . 25 4.2 逆变器 DC/AC 部分输出的结果及分析 . 25 结 论 28 参考文献 29 答 谢 30 1 1.绪论1.1 课题研究背景及意义目前，世界上煤炭、石油、天然气等传统能源频频告急，能源问题已经成为制约全球经济发展的主要原因，这也是最近南海争端的主要原因，有些国家为了取得能源争夺战的胜利不惜动用武器、发动战争。当人们把南海及地球上每个储能角落都开采尽的时候，还能去哪里开采所以新能源将逐渐代替传统能源，太阳能作为新能源之一以其独有的优势得到了全世界的广泛关注。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽用之不竭的，可再生并清洁环保，无需运输，最重要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能。 太阳能每秒辐射到地球表面的能量约 80 万 KW， 如果把到达地面上太阳能的 0.1转换为电能，转换率为 5，那么每年的发电量可达10125.6 kWh，等同于目前世界上能耗的四十倍 [1]。这几年来随着光伏产业及市场的飞速发展，光伏系统发电开始由边远山村无电地区向内地市区并网发电，同时推动了光伏建筑一体化发展。其中，光伏并网发电市场己经成为世界上光伏工业的最主要研究方向。虽然对现在来说，太阳能光伏发电的成本较高，但是对未来来说，随着科学技术的发展，以及其它传统式能源越来越少的情况下， 预计到 2030 年，新能源在总的能源结构中将超过 30，然而太阳能光伏发电在世界应用能源中也将超过 10，到 2100 年，新能源在能源结构中将超过 80，太阳能发电将超过 60。因此， 太阳能有着不可估量的发展前景 [2]。2 1.2 国外光伏发电的研究现状到 2004 年底日本己安装 20 万户太阳能屋顶， 其中仅在 2004 年里就安装了超过 5 万套户用光伏并网系统 [3]。截止到 2007 年世界上新装太阳能容量达到 2826MW，仅德国就占 47左右，西班牙占 23左右，美国占 8左右，日本同美国接近。 此外， 太阳能光伏发电产业在 2007 年期间融资增加了约100 亿美元，从而使得光伏产业的规模逐渐扩大。太阳能电力协会 Solar Electric Power Association ， SEPA近日的一项调查将太平洋煤气电力公司 Pacific Gas and Electric Company， PG 功率公差范围 3 选择 SFM200W-72型号的太阳能电池板如下图所示 7 图 2-2 SFM200W-72 型号太阳能电池板2.1.2 光伏电池的输出特性正常光照条件下，光伏电池的输出功率特性曲线是以最大功率点为极值的单峰值曲线，图 2-1 和式（ 2-2 ）给出的单二级管模型可以比较精确地描述其工作特性。光伏电池一般情况下，并联电阻 shR 比较大，串联电阻 sR 比较小。理想电路计算时可以忽略不计，因此可得到理想光伏电池的特性1eIII AKTqU0DscLL（ 2-3）由式（ 2-3）可得1IIIlnqAKTU0DLscL （ 2-4 ）式（ 2-3 ）和式（ 2-4 ）忽略了 shR 和 sR 的影响，虽然与其真实的光伏电池会有较小的偏差，但是在本质上同样能够表示光辐照度和温度的作用。由式 （ 2-3） 可知， 在外电路短路的短路试验即 LR 0 时， 输出的电流 LI等于 scI 。在开路试验，即 LR →∞时，测得光伏电池电压即开路电压 ocU 。由式8 （ 2-4）可计算出光伏电池的开路电压为IIlnqAKT1IIlnqAKTU0Dsc0Dcsoc （ 2-5 ）当光幅照度随着时间变化时，光伏电池的 ocU 与光幅照度的对数成正比。图 2-3 为保持光伏电池温度不变，光伏阵列的输出随辐照度和负载变化的 LI - LU 和 P- LU 特性曲线。 由该特性曲线可以看到开路电压 ocU 随辐照度图 2-3 光伏电池在相同温度不同光照强度下的 LI - LU 和 P- LU 特性的变化不明显，而短路电流 scI 则随光照强度有明显变化。 P- LU 特性曲线中的最大功率点功率 mP 随着光照强度的变化同样有明显变化。图 2-4 光伏电池在相同光照强度不同温度下的 LI - LU 和 P- LU 特性图 2-4 为保持照度不变，光伏阵列的输出随电池温度和负载变化的9 LI - LU 和 P- LU 特性曲线。 由该特性曲线可以看到开路电压 ocU 线性的随着温度的不断变化，短路电流 scI 也随着温度稍有变化。 mP 随温度的不断变化也有较大改变。注意其中指出的温度应为光伏电池本体的温度，而不是光伏电池环境的温度 [6]。2.2 光伏电池最大功率点跟踪方法随着外界条件的不同，光伏电池运行的最大功率点也不同。因此，需要对光伏并网发电系统中的光伏电池寻找最大工作点，从而能够将光能最大化的转换为电能。通过一些控制方法来实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪（ Maximum Power Point Tracking， MPPT）技术 [4]。2.2.1 定电压跟踪法定电压跟踪法，根据图 2-3 可以看出，当光伏电池温度不变时，光伏电池输出曲线上 P- LU 的最大功率点电压约为定值， 则定电压跟踪控制法的控制思路是通过一定方法控制光伏电池的输出电压恒定在 mppU 处，使光伏电池运行在最大功率点处。 mppU 与光伏电池的开路电压 ocU 之间存在近似的线性关系，即mppU oc1Uk （ 2-6 ）其中 1k 的值由光伏电池的特性所决定，一般 1k 的取值约为 0.8。定电压跟踪法控制的优点是易于实现，控制比较简单，可靠性较高，并且具有很好的稳定性 [7] 。 但是定电压跟踪控制的精度比较差， 尤其是温差变化较大的地区，需要人为的控制才能较好的运行。因此恒定电压控制常10 与其他闭环 MPPT方法组合使用， 先用恒定电压控制的光伏发电系统启动过程中使工作点的电压用最短的时间靠近最大功率点电压，然后在用其他闭环的 MPPT算法对最大功率点进行精确寻找。 该方法能够很好的降低在启动过程中寻找最大功率点造成的能量损耗，减少了不必要的浪费。2.2.2 短路电流比例系数法由图 2-3 可知，在辐照度超过某一直并且温度趋于不变时，光伏电池输出的曲线 LI - LU 最大功率点电流 mppI 与光伏电池的短路电流 scI 有近似的线性关系。即sc2mpp IkI （ 2-7）其中 2k 的值由光伏电池的特性所决定， 2k 通常取值约为 0.8。在应用中，可在光伏逆变器中附加有关的开关来控制功率，并通过周期性短路太阳能电池的输出端来测的 scI 。 该方法和恒定电压控制应用类似，由于测量 ocU 要将负载断开， 所以存在瞬时功率损失， 而测量 scI 比测量 ocU 更加复杂，因此该方法实际中较少应用 [8]。2.2.3 扰动观察法扰动观察法的原理 首先经扰动输出一个电压值， 根据公式 UIP 分别算出扰动前后太阳能电池板的输出功率，比较扰动前后功率值，若扰动后输出功率大于扰动前的功率，则说明本次扰动能够使太阳能电池板的输出功率增加，之后的扰动再往同样的方向扰动。若扰动后输出功率小于扰动11 检测 U、 I计算功率PUIPK ≤ pK-1UKUk-1 UKUk-1N YUrefUref △ U UrefUref- △ UNYUrefUref- △ U UrefUref △ UY N返回图 2-5 定步长扰动观察法的流程图前的功率，则说明本次扰动对太阳能电池板的输出功率不利，之后的扰动则反相的方向扰动。扰动观察法就是按上述的过程如此的反复扰动，从而使其电压的变化逐渐向太阳能电池板输出的功率最大点靠近。扰动观察法按每次扰动的电压变化量是否固定，可以分为定步长扰动观察法和变步长扰动观察法，定步长扰动观察法的流程图如图 2-5 所示。运用扰动观察法对 MPPT进行控制具有易于理解，控制方法简单， 测量参数较少，易于实现等优点。扰动观察法的不足之处在于扰动到最大功率点处会出现振荡现象，致使功率损失增加。因此，选择扰动电压的步长大小比较关键，步长较小时虽然可以有效地减小最大功率点处的振荡以及跟踪的速度也会降低，但是会使太阳能电池板长时间处于低功率输出状态 [9]。12 3.光伏并网逆变器的结构及控制光伏发电系统可以分为离网光伏发电系统和光伏并网发电系统 [2]。 离网光伏发电系统与电力系统的电网不相连，作为移动式电源，主要应用在边远无电地区。光伏并网发电系统与电力系统的电网连接，作为电力系统中的一部分， 目前， 全球光伏发电系统的主流应用方式是光伏并网发电方式，即光伏系统通过并网逆变器并入当地电网，通过电网将光伏系统所发的电能进行再分配。太阳能电池矩阵用电卖电 电网并网逆变器图 3-1 光伏并网发电系统图小功率光伏并网发电系统的并网点一般在电网的配电侧，也称作分布式发电系统，其特点主要如下1）并网点在配电侧；2）电流是双向的，可以从配电网取电，也可以向配电网发电；3）光伏电量主要直接被负载消耗，自发自用；4）分上网电价方式（双价制）和静电量方式（平价制） ；5） 大部分安装在建筑物上，安装功率受建筑物面积和并网点容量的限制，从 1kW到数千万不等。13 3.1 光伏并网系统的体系结构根据光伏电池的不同分布以及功率等级，则把光伏并网发电系统的体系结构分为六种 集中式、交流模块、串型、多支路、主从、和直流模块式[10]。在大功率等级应用中，集中式结构仍起主导性作用，多支路结构和主从结构也会被应用。在小功率应用中，交流模块是和直流模块式结构将得到很好的发展，串型以及多支路结构也会应用到其中。图 3-2 直流模块式结构图由于本文是小功率光伏并网系统，所以采用直流模块式结构，直流模块式结构是学者基于并联多支路结构思想与交流模块式结构思想相结合而提出的，直流模块式结构如图 3-2 所示。本文选择小功率光伏逆变功率为1KW， ，由于选择 200W的光伏电池板，则需要 5 个光伏直流模块。直流模块式结构的主要特点是每一个光伏直流模块具有独立的 MPPT控制电路，所以能够使每个光伏组件都工作在最大功率点上，最大限度地发挥了光伏组件的效率，且能量转化效率高，具有很高的抗局部阴影和组件电气参数失配能力。采用模块化设计，系统构造灵活，给系统的扩充提供14 了很大的灵活性，易于标准化，适合批量化生产，降低系统成本等。3.2 光伏并网逆变器的拓扑结构光伏并网逆变器是将太阳电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网的设备，是并网型光伏系统能量转换与控制的核心。3.2.1 小功率光伏逆变器的设计考虑因素小功率逆变器不同于传统大功率集中式逆变器，小功率逆变器区别于传统逆变器的特点，逆变器输入电压低、输出电压高，单块光伏组件的输出电压范围一般为 20～ 50V， 而电网的电压峰值约为 311V（ 220VAC） 或 156V（ 110VAC） ，因此，小功率逆变器的输出峰值电压远高于输入电压，这要求小功率逆变器需要采用具备升降压变换功能的逆变器拓扑；而集中式逆变器一般为降压型变换器，其通常采用桥式拓扑结构，逆变器输出交流侧电压峰值低于输入直流侧电压。小功率逆变器的设计考虑因素（ 1） 变换效率高 并网逆变器的变换效率直接影响整个发电系统的效率，为了保证整个系统较高的发电效率，要求并网逆变器具有较高的变换效率。（ 2）可靠性高由于小功率逆变器直接与光伏组件集成，一般与光伏组件一起放于室外，其工作环境恶劣，要求微逆变器具有较高的可靠性（ 3）寿命长光伏组件的寿命一般为二十年，小功率逆变器的使用寿命应该与光伏组件的寿命相当。（ 4）体积小小功率逆变器直接与光伏组件集成在一起，其体积越小15 越容易与光伏组件集成。（ 5）成本低低成本是产品发展的必然趋势，也是小功率逆变器市场化的需求。3.2.2 小功率光伏逆变器的结构图 3-3 高频型光伏并网逆变器结构图小功率光伏并网逆变器可分工频型并网逆变器和高频型并网逆变器。高频型并网逆变器与工频型并网逆变器不同之处在于应用了变压器，所以体积和质量可以较小，克服了工频型并网逆变器的主要缺点，虽然在并网系统中， 变压器将电能转化成磁能， 再将磁能转化为电能将导致能量损耗，随着器件和控制技术的改进高频型并网逆变器的效率也可做到很高 [11]。则本文采用高频型并网逆变器。高频型光伏并网逆变器的结构图如图 3-3 所示。将光伏并网逆变器分为电压型逆变器和电流型逆变器 [12]，其结构分别如图 3-4 （ a） （ b）所示16 C-dUDCACtUNL dLdI-dUDCACC tUN（ a）电压型逆变器结构图 （ b）电流型逆变器结构图图 3-4 并网逆变器结构图以电流源为输入的逆变器如图 3-4 （ b）所示，为了提供较稳定的直流电流输入则直流侧串联一个较大电感，但该电感可能会使系统的动态响应较差，目前市场范围内并网逆变器以采用电压源输入方式为主 [13]。所以本设计的小功率光伏并网逆变器采用电压源输入。电压型逆变器主要特点电压型逆变器的直流侧为电压源，或者并联一个大电容，所以电压基本稳定，等同于电压源 [14]。回路呈低阻抗状态。电力系统可视为无穷大容量的恒值交流电压源，如果采用电压型控制对光伏并网逆变器进行控制，则可以看成是电压源与电压源并联运行的电力系统，要确保该电力系统的稳定运行，就需要采用锁相环控制技术来实现光伏并网发电与电力系统同步。由于锁相环控制反应较慢、光伏并网逆变器输出的电压值难以准确控制、还可能有环流情况出现，必须采取一些其它措施，否则相同功率等级的电压源并联很难得到较好的并网效果。如果采用电流控制光伏并网逆变器，则只需控制光伏并网逆变器的输出的并网电流，令其跟踪给定的电流波形，从而达到了并网运行的目的。电流控17 制方法简单、易于实现、因此使用较为广泛。综上所述，本文设计的光伏并网逆变器采用电压型逆变器，并对电压型逆变器采用电流型控制方法。本文采用电压型高频链推挽式拓扑结构，拓扑结构如图 3-5 所示。图 3-5 是推挽式变换器和全桥逆变器组成的推挽式电压高频链小功率逆变器结构，其输出采用推挽升压电路，适用于低压场合，还满足直流式图 3-5 电压型高频链推挽式拓扑模块光伏系统的要求，而后级的全桥逆变器采用高频 PWM控制，并通过滤波电感接入 220V、 50Hz工频电网。此电路的缺点是功率开关耐压应力为输入电压的两倍，同时会出现偏磁现象。图 3-6 a 的为全桥式逆变电路， 其中 1S ～ 4S 是全桥式电路的四个桥臂，该桥臂是电力电子开关器件。当电力电子开关 1S ， 4S 闭合， 2S ， 3S 断开时，负载电压 0u 为正值； 当电力电子开关 1S ， 4S 断开， 2S ， 3S 闭合时， 0u 为负值，输出的波形如图 3-6b 所示。从而实现了电流的逆变，即把直流电能变换为交流电能，通过改变两对电力电子开关的导通与关断频率，就可以改变18 交流电能的频率。负载0i0u1S2S3S4SdUt0i0u1t 2t（ a）逆变器电路的示意图 （ b）阻抗负载时 0i 的波形图 3-6 逆变器及其波形3.3 光伏并网逆变器的控制3.3.1 逆变器控制的选择在逆变器的控制中通常采用电流型控制法，按输出电流的控制方式分类可以分为（ 1） 电 流滞环跟踪方式电流跟踪控制器的 PWM逆变器中最常用的为电流滞环跟踪控制如图3-7 为电流滞环跟踪方式原理图。 电流滞环跟踪方式是将给定电流 aI 和并网图 3-7 电流滞环跟踪方式原理图19 电流 netI 两者进行对比， aI 和 netI 的偏差 ΔI 通过滞环比较器的比较来控制逆变电路中开关通断的 PWM信号，该 PWM电压信号经驱动电路控制电力电子开关器件的导通与关断，进而实现了对并网电流 netI 的控制。电流滞环跟踪比较方式实时控制，响应较快，无需斩波，输出的电压不含特定频率的谐波。电流滞环跟踪控制的精度不但与滞环比较器的环宽有关，也与电力电子开关器件的开关频率有关。当滞环比较器的环宽较大时，可以降低电力电子开关器件的开关频率， 但电流波形有较多的失真， 从而谐波分量较大。滞环比较器的环宽较小时，电流的波形较好，却增大了电力电子开关器件的开关频率，甚至还能导致电流超调引起震荡，会增大跟踪误差。（ 2）定时控制的电流滞环跟踪方式图 3-9 定时控制的电流滞环跟踪方式原理图图 3-9 为定时控制的电流滞环跟踪方式的原理图。它是用由时钟定时控制比较器来控制的。时钟每经过一个周期就对 ΔI 判断一次，使得 PWM电压信号经过一个周期就改变一次。定时控制的电流滞环跟踪方式可以有效的避免电力电子开关器件的开关频率过高，其缺点为补偿电流跟随的误差是不固定的。（ 3）实时电流的三角波比较方式实时电流的三角波比较是将给定电流 aI 和实际并网电流 netI 进行实时值20 的比较， aI 和 netI 的偏差 I 经放大器 A后同三角波比较， 输出 PWM电压信号。实时电流的三角波比较方式跟随电流误差较大，输出的电压中含有与三角图 3-10 实时电流的三角波比较方式控制原理图载波相同频率的谐波，并且放大器增益受限，电流响应相对于电流滞环跟踪控制较慢。图 3-10 为实时电流的三角波比较方式控制原理图。本文设计的 DC/AC逆变器的工作目的是将升压至 311V的直流电变换成与电网电压的频率和相位相同的电压，使输出的交流电的波形为正弦波，输出的电能功率因数接近于 1。在这里我将会选择电流滞环跟踪方式对DC/AC逆变器进行控制， 因为这种控制硬件电路简单， 而却属实时控制方式，电流响应快，并且不需要利用载波，所以输出的电压波形中不含特定频率的谐波分量，稳定性也较好。3.3.2 电流滞环跟踪控制并网逆变器的仿真模型本文利用了 MATLAB 2010 中 SIMULINK 的 SimPower Systems功能模块建立了电压型单相光伏并网系统逆变器及其控制的仿真模型如图所示。（ 1） 单 相光伏并网系统逆变器的 DC/DC仿真模型本文中 DC/DC电路是采用推挽式电压型高频链逆变器的拓扑结构，它是将太阳能电池板输出电压 36V由 IGBT组成的推挽电路变为交流， 再由升21 压变压器升压到 220V 交流电，再由二极管组成的全桥式整流器整流为V2220 直流电。经 LC低通滤波器滤波后输出平滑的 V2220 直流。图 3-11 单相光伏并网系统逆变器的 DC/DC仿真模型图DC/DC仿真模型中的部分参数如下图 3-12、图 3-13 所示图 3-12 变压器参数选择图22 图 3-13 LC 低通滤波器参数选择图（ 2） 单 相光伏并网系统逆变器的 DC/AC仿真模型本文中 DC/AC电路是采用由 IGBT组成的全桥式逆变器把 V2220 直流电逆变为交流 220V（峰值电压 V2220 ） ，经 L 滤波后采用单相光伏并网方式并入电网（交流 220V，频率 50Hz） 。图 3-14 单相光伏并网系统逆变器的 DC/AC仿真模型图23 图 3-17 滞环比较器的参数选择图图 3-15 给定电流值与 L 滤波器参数选择图24 （ 3） 单 相光伏并网系统逆变器的并网仿真模型25 4.MATLAB 仿真结果及分析4.1 逆变器 DC/DC 部分输出的结果及分析本文中单相光伏并网系统逆变器的 DC/DC仿真输出的电压结果如下图4-1 所示。图 4-1 DC/DC 仿真输出的电压DC/DC仿真模型是将太阳能电池板输出电压 36V由推挽电路变为交流，再由升压变压器升压到 220V交流电，再由全桥式整流为 V2220 直流电。经 LC低通滤波器滤波后输出平滑的 V2220 直流。约 0.05s 后电压稳定，经观察显示输出的结果正确。4.2 逆变器 DC/AC 部分输出的结果及分析本文是由 5 个 200W太阳能电池板逆变组成的， 所以文中小功率光伏发电系统的功率等级为 1KW，则并网电流的有效值为 A4.545V220W1000 ，可