光伏并网逆变器的分析与研究

山东科技大学学士论文I 摘要针对全球范围内能源紧张的局面，开发利用太阳能越来越受到重视。太阳能光伏并网发电是太阳能利用的主要形式，具有广阔的发展前景。本文就是在此背景下，以光伏并网发电系统为研究对象，对并网逆变器的主电路拓扑、控制策略、最大功率点跟踪和孤岛效应做了详细的分析研究。同时对逆变器主电路的拓扑结构做了 MATLAB/Simulink 的电路仿真分析，讨论了个别参数对电路的影响。首先，本文介绍了国内外光伏并网发电产业的现状，并对光伏并网发电系统的组成结构、优缺点、发展趋势及光伏并网发电系统对逆变器的要求做了简单介绍，对光伏并网发电系统建立了总体认识。其次，讨论研究了逆变器主电路的拓扑形式，选择了无变压器的两级结构，即前级 DC/DC变换器和后级 DC/AC 逆变器。前级 DC/DC 模块采用 Boost 升压斩波结构，后级的 DC/AC 逆变器采用全桥式逆变，并向电网输送功率。再次，讨论确定了逆变器电流电压双闭环的控制方式，并最终确定了光伏并网发电系统的总体方案。应用 MATLAB/Simulink 中的工具箱搭建了整个系统模型，进行了仿真实验研究，验证了实现并网逆变的可行性。最后，我们知道孤岛效应问题关系到光伏并网发电系统的安全问题，本文阐述了孤岛效应产生的原因、对电网的危害和目前各种常用的被动和主动及外部孤岛效应的检测方法，提出了添加反孤岛效应保护的必要性。关键词：光伏逆变器，最大功率点跟踪，孤岛效应， Simulink 仿真光伏并网逆变器的分析与研究II ABSTRACT For the strenuous energy sources currently in the global scope,exploiting and utilizing the solar energy is paid more attention by many people than before.Photovoltaic(PV) generation, one important method of using solar energy, is very promising. Under this back ground, this paper bases on grid-connected PV system as research object and then does detail analysis from the main circuit topology of grid-connected system,control strategies, system parameters, anti-island effect as well as analysis. Firstly, the status of PV system home and abroad is introduced. The basic structure and types of the PV source, advantages and disadvantages, development trend, requirements on inverter are also presented. An over all under standing of the system is set up naturally. Secondly, this paper discusses the topology of the main circuit of the inverter and choose two stages transform structure, DC/DC converter with Boost topology structure and DC/AC inverter with full-bridge inverter. Then this paper discusses control mode of current-voltage double-loop and then determines the overall program of grid-connected PV system. Matlab/Simulink toolboxes are used to build the whole circuit model and the simulation study. Lastly, The paper analyzes the canses and effects as well as detection methods used now, such as passive and active and external islanding detection methods and add the anti-island protection is necessary. Key words: PV-inverter, MPPT, Islanding Effect, Simulink Smulation 山东科技大学学士论文III 目录1 绪论 11.1 光伏发电产业现状及发展 11.2 光伏并网发电系统概述 . . 32 光伏电池及最大功率点跟踪控制 82.1 光伏电池的工作原理及结构分类 . . 92.2 光伏阵列的输出特性 . 132.3 最大功率点跟踪控制 . 173 光伏并网逆变器 . 223.1 逆变器的拓扑结构 . 223.2 光伏并网逆变器工作原理 . 273.3 并网逆变器的控制与实现 . 303.4 光伏并网逆变器的仿真 . 374 光伏并网逆变器的孤岛效应与检测方法 . . 434.1 孤岛效应的产生与危害 . 434.2 孤岛效应常用的检测方法 . 445 结束语 47参考文献 48致谢辞 49附录 50附录 1 系统仿真图 . . 50附录 2 外文文献翻译 . . 51山东科技大学学士论文1 1 绪论1.1 光伏发电产业现状及发展在当今工业自动化社会中，电能起着十分重要的作用，人均消耗的电能量已成为衡量一个国家实力的重要指标。电力电子技术对节能、减小环境污染，改善工作条件，节省原材料，降低成本和提高产量等方面均起着十分重要的作用。因此，为了高质量，有效地使用电能，各种电能必须经过电力电子技术变换后，再用于工业和军事的需要。在新能源利用方面，电力电子技术在其发电与电能质量的控制中也占有重要地位，光伏发电就是电力电子技术应用最为广泛的一个领域，近年来迅速发展的光伏产业，也带动了电力电子技术的不断进步，随着世界对新能源发电的渴求，光伏并网发电规模将会更加迅速的扩大，应用面将更宽。光伏并网发电系统技术在多年地研究过程中己近成熟，但还是存在部分的技术难点，但这并不影响其在目前大电网中的推广应用，光伏并网发电技术的研究对完善并网技术和理论，进一步提高光伏发电效率，稳定电网电压和质量，都具有重要意义。1.1.1 世界光伏发电产业现况太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，被认为是当今世界最有发展前景的新能源技术， 各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。当前国际上对光伏发电的研究主要有两个方向，一个是光伏电池的研究，力求找到一种价格低、转换效率高的太阳能电池板材料；另一个研究热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变器件和光伏建筑集成应用系统等方面的研究。在世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起了大规模的国家光光伏并网逆变器的分析与研究2 伏发电计划和太阳能屋顶计划，在它们的刺激和推动下，光伏产业近几年保持着年均 30%以上的高速增长，许多企业和研究机构成功地推出了多种不同的高性能逆变器，并网光伏发电已经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。进入 21 世纪后，世界光伏发电系统更是得到了前所未有的发展， 2004年装机总量已达到 1200MW ， 比 2003 年同比增长 61%， 是全球发展最快的新能源。 近几年国际上光伏发电加速发展， 美国计划到 2010 年安装 1000～3000MW 太阳能电池，而日本计划到 2010 年安装 7600MW 太阳能电池。1.1.2 中国光伏发电产业现况中国于 1958 年开始研制太阳能电池，并于 1971 年成功地首次应用于我国发射的东方红二号卫星上。经过 40 多年的努力，中国的光伏发电技术已具有一定的水平和基础。到 2004 年底，已建成 10 多个初具规模的光伏电池专用生产厂，晶体硅光伏电池的生产能力约为 57MW，非晶体硅电池组件的年生产能力约为 10MW ，光伏电池组件的年生产能力在 150MW 以上。在光伏发电设备方面， 我国也取得了不小的进步。 “八五” 、“九五” 、 “十五” 期间开发出了独立光伏发电系统用的 10～ 100kW 的正弦波 DC-AC 逆变器，逆变效率大于 90%；研制出了一系列光伏专用的控制器和太阳模拟器等检测仪器；研制出了并网逆变器、智能控制器和光伏电站微机监控装置等设备。在光伏水泵系统、通信光伏电源系统、独立光伏电站、家用光伏电源系统、 光 -风混合发电系统、 小型并网光伏发电系统等系统技术方面，也取得了不少的研究成果和工程经验。虽然，我国的光伏产业已经取得了很多成就，但是，从总体上来讲，与国外发达国家相比还有很大差距。例如，存在的主要问题有：硅材料的紧缺；生产规模小，产业链不完整；技术水平低；控制器、逆变器等关键山东科技大学学士论文3 设备技术性能还不够高；成本价格高；标准规范不够健全等。1.2 光伏并网发电系统概述光伏并网发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型的发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。光伏并网系统分集中式和分散式两种，集中式并网电站一般容量较大，通常在几百千兆到兆瓦级，而分散并网系统一般容量较小，在几千瓦到几十千瓦，目前光伏并网系统大多为分散式的并网系统。而且光伏并网发电系统不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。在阳光充足时发出电能，通过逆变器向用户负载供电，同时与电网并联，多余的电能溃入电网。在阳光不充足或光伏发电量达不到使用量时，由控制部分自动调节通过电网给予补充。1.2.1 光伏并网发电的前景光伏并网逆变技术经过近几年的研究和发展，在技术上已近成熟，在电力电子技术先进的德国、日本、美国和加拿大等发达国家己有成熟的、技术先进的、性能优秀的产品问世，从小功率几十瓦到上百瓦、上千瓦的高频光伏并网模块，到高压大功率的光伏并网逆变电源，品种繁多，不仅如此，其功能也很完善，多机并联、独立后备与并网发电两用、多机组合群控、最大功率自动跟踪、孤岛效应防止、远程调度管理等。我国在光伏并网逆变技术方面的研究经过“九五”和“十五”的国家科技攻关，在基本理论和实用技术方面已经取得可喜成绩，在并网逆变的关键技术方面已有所突破，并具有自主知识产权，国内己有部分企业能够生产并网逆变样机产品，但在并网逆变技术的细节方面，与国外先进技术相比还有较大差距。例如，并网逆变系统的电磁噪声和电磁兼容性问题，国内相关研究并不多，但这一问题在并网逆变系统中却相当重要，要良好地予以解决在技光伏并网逆变器的分析与研究4 术上也相当困难。在并网逆变发电系统的最大功率跟踪方面，虽然国内研究报道较多，原理也相当简单，但真正能够实现性能指标优秀的光伏阵列最大功率跟踪还未能看见实际样机。在适应电网安全方面，对孤岛效应的识别方式和并网功率控制方式还缺乏详细的实验研究和标准制定。此外，光伏并网逆变器主电路的研究也较单一，适应面较窄。光伏并网发电系统不仅仅涉及到太阳电池和并网逆变技术，还涉及到系统的控制和优化问题，太阳能发电系统的总体发电效率除与太阳电池效率、逆变器效率和功率控制方式有关外，同时也与当地的纬度、气候、日照、和太阳电池阵列的倾角、方位角有关，提高光伏系统的全年总体发电效率是一个复杂的系统工程，它涉及到现代工程数学、现代控制理论、仿真技术、建模技术等多学科领域，多学科相互交叉，国外在经过多年的大量的光伏应用研究和运行统计的基础上，己经建立了完善的全球各地区气象年均日照和月均日照统计数据库，为光伏系统的优化设计和配套提供充分的依据条件，并研制成功专门的光伏系统优化设计软件包，为方便光伏系统的推广应用、节省设备投资、降低成本、提高系统的运行可靠性及供电的保证度等提供理论依据和优良设计工具。与孤立运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处。首先，不用考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了光伏发电的效率；再其次，省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。山东科技大学学士论文5 1.2.2 光伏并网系统的组成驱动电路PWM 控制器MPPTDC/DC 变换器太阳能电池i CT L电网PT电抗器图 1 光伏并网系统结构图光伏并网发电系统是指将光伏阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅值、同频、同相的交流电，并实现与电网连接的系统。 如图 1 所示，典型的光伏并网系统结构图包括：光伏阵列、直流—直流变换器、逆变器和集成的继电保护装置。其中：1.光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压的要求串、并联组成的。2.DC/DC 升压斩波变换器，可以在变换器和逆变器之间建立直流环。升压斩波器根据电网电压的大小用来提升光伏阵列的电压以达到一个合适的水平，同时 DC/DC 变换器也作为最大功率点跟踪器，增大光伏系统的经济性能。3.逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它向交流系统提供功率，将光伏阵列发出的电能逆变成 220V/50Hz 的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。光伏并网逆变器的分析与研究6 4.控制器一般由单片机或 DSP 芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。5.继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。1.2.3 逆变器在光伏并网发电系统中的重要性并网逆变器是并网光伏发电系统的核心部件和技术关键。并网逆变器和独立逆变器的不同之处是，它不仅可将太阳能电池方阵发出的直流电转换为交流电，并且还要对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步、电能品质等进行控制。具体功能如下 [3]: 1.自动开关 根据从日出到日落的光照条件，尽量发挥太阳能电池方阵输出功率的潜力，再次范围内实现自动开始和停止。2.最大功率点跟踪（ MPPT）控制 对跟随太阳能电池方阵表面温度变化和太阳辐照度变化而产生出的输出电压和电流的变化进行跟踪控制，使方阵经常保持在最大输出的工作状态，以获得最大的功率输出。3.防止单独运行 系统所在地发生停电，当负荷电力与逆变器输出电力相同时，逆变器的输出电压不会发生变化，难以察觉停电，因而有通过系统向所在地供电的可能，这种情况叫单独运行。在这种情况下，本应停了电的配电线中又有了电，这对于保安检查人员是危险的，因此要设置防止单独运行的功能。4.自动电压调整 在剩余电力逆流入电网时，因电力逆向输送而导致送电电压上升，有可能超过商用电网的运行范围，为保持系统的电压正常，运转过程中要能够自动防止电压上升。5.异常情况排解与停止运行 当系统所在地电网或逆变器发生故障时，及时查出异常，安全加以排解，并控制逆变器停止运转。山东科技大学学士论文7 1.2.4 光伏发电存在的问题光伏发电目前主要存在四大问题 [4]：1.光伏阵列发电效率低光伏发电最基本单元是光伏阵列，主要分类为：单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜光伏电池等。光伏发电效率指的是光能转化为电能的比率。一般来讲，晶体硅光伏电池的效率为 10%～ 15%左右，非晶体光伏电池效率是 5%～ 8%左右，薄膜光伏电池目前的转化效率仅为 2%～ 4%左右。由于光电转换效率太低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。并且由于对光电转换管理不利，真正太阳能的利用率只有 50%～70% 。因此，要大幅度提高光伏发电转化效率，必须从以下几方面着手：(1)在硅体里面增加其它元素，提高价能位置，从而形成更大的 P-N 结的空间电荷区，得到更大的输出电压。(2)增加受光面的折射度，让太阳光线能够在光伏电池板上多次来回折射，以最大程度地将光子能量转化为电子能量。(3)寻找对光感应更敏感的材料代替硅材料，以获得更大的光电转换效率。2.系统造价成本高由于光伏发电效率低，要发出足够的电则需要许多光伏电池板。 2003年单、双晶硅光伏电池组件的价格约为 36～ 40 元 /W，光伏发电系统价格约为 60～ 80 元 /W，相比于目前的火电和水利发电，光伏发电的成本约为后者的 6～ 20 倍。成本高是目前制约光伏发电市场快速发展的主要原因。3.发电运行受气候环境因素影响大光伏发电源直接来源于太阳照射，而地球表面上的太阳照射受气候的影响时有时无。另外，由于环境污染问题，特别是空气中的颗粒物灰尘降落在光伏电池板上，从而阻挡了阳光的照射，减少了光线的射入量，进而光伏并网逆变器的分析与研究8 减少了光电的转换。4.制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源硅是地球上各种元素中含量仅次于氧的元素，主要存在形式是 SiO2。从 SiO2变成单晶硅或多晶硅要经过多道化学和物理工序，其间，要消耗相当多的能量，这也是它们生产成本高的原因。制造非晶硅光伏电池所需的能耗少得多，人们正在为提高它的稳定性和工作寿命，降低它的内阻从而提高它的光电转换效率而不懈努力。总之，太阳能的利用正在成为世界电力发展的潮流之一，应用范围也不断扩大，市场迅速发展，产业已达规模化、自动化阶段，前景十分广阔。由于光伏发电的重要性，近十年来每年的光伏发电量以 20%～ 30%速度递增，截止 2000年底全世界光伏保有量已超过 1000MW。各国纷纷建立太阳能供电的“屋顶计划”，上万用户实现了光伏供电。目前我国也己在西藏、新疆等地建设较大的太阳能光伏电站，解决光照充足、电网达不到的边远地区用电问题。预计 2020 年前将建成 5 座兆瓦级阳光电站。还将推广应用总数为 78 万套用户光伏系统。由此可见，光伏发电系统还将具有更大的应用和发展空间。2 光伏电池及最大功率点跟踪控制光伏阵列输出特性具有非线性特性，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，就必须实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪。山东科技大学学士论文9 2.1 光伏电池的工作原理及结构分类太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是太阳能电池。下面从半导体知识开始来讨论太阳能电池是如何把光能转换成电能的。2.1.1 半导体的物理知识在自然界中，物体根据导电性能和电阻率的大小分为三类，电阻率在10-6～ 10-3Ω · cm 左右的称为导体，如金、银、铜、铁等；电阻率在 10-3～10-8Ω · cm 左右的称为半导体；电阻率在 10-8～ 1020Ω · cm 左右的称为绝缘体，如塑料、木头等。大部分半导体的特点在于其导电能力和电阻率对掺入微量杂质的种类和浓度十分敏感，具有对温度和光照等外部条件变化的热敏和光敏等特性。利用这些特性，人们制成了多种多样的半导体材料。目前得到广泛应用的半导体材料有硒、锗、硅、砷化镓、碳化硅等。其中以锗、硅材料的半导体生产技术最为成熟 [4]。为更好的了解光伏电池的工作原理，在研究它的结构和特性之前，首先要对半导体物理结构的基础知识有所了解。1.晶体结构日常所见到的固体分为非晶体和晶体两大类。非晶体物质内部原子排列没有一定的规律，断裂时断口也是随机的，如塑料、玻璃等；而晶体物质的外形呈天然的有规则的多面体，具有明显的棱角与平面，其内部的原子是按照一定规律整齐的排列起来的。然而有的晶体是由许许多多的小晶粒组成的，其中每个晶粒中的原子是按照同一序列排列，但在晶粒之间的排列却没有规则，这种晶体称为多晶体。但也有晶体本身就是一个完整的大晶粒，这种晶体称为单晶体。用于制造光伏电池的硅材料以及水晶和金刚石都属于单晶体材料。光伏并网逆变器的分析与研究10 2.共价键各种元素的原子结构都由带正电的原子核和带负电的电子组成。其中，最外层的电子受原子核的束缚力最小，称为价电子。多数半导体都是4 价元素，每个原子各有 4 的最外层电子。当半导体材料制成晶体时，原子之间靠的很近，原属于每个原子的价电子就要受到相邻原子的影响而改变其运动行为。相邻的原子各贡献一个价电子，形成这两个原子所共有的价电子对，围绕着两个原子而转动，从而构成了共价键结构（如图 2.1）。由于共价键中的电子同时受两个原子核引力的束缚，具有很强的结合力，致使自身没有足够的能量脱离公共轨道。因此在绝对零度和无外界激发的条件下，硅晶体中没有自由电子存在，只有在光照和高温等外部条件的激发下，才会有部分电子因获得动能而打破共价键成为自由电子，同时在这些共价键中留下等量的空穴。在半导体中，自由电子和空穴均可视为可运动的导电电荷，又成为载流子。具有这两种载流子是半导体不同于导体。绝缘体的特点之一。3.能带、价带和导带按照固体理论 ,晶体中的所有电子都具有一定能量，每个电子具有的能量对应于能量坐标上的一个能级，从低到高依次排列。晶体中大量电子能级分裂组成密集的能级带，称为能带。其中，价带能级最低，导带能级最高。当温度为绝对零度时，绝大多数固态物质的价电子都被“冻结”充满于价带中，所以又称为“满带”。价电子处于价带的物质呈现不导电的高阻状态。随着温度升高和光辐射的作用，这些原被冻结的束缚价电子接受了外界的能量，可跃迁到较高的能级中。处于导电状态的能级区域称为导带。导带与价带之间是禁带，按照量子力学的说法，物质的价电子是不能占据禁带中各能级的。因此，各种物质的内在结构不同，决定了它们各自的能带结构也不同。山东科技大学学士论文11 (1)导体 它们的价带与导带相连，价电子可以轻易进入导带，作为自由电子参与导电。如图 2.2(a) (2)绝缘体 它们的禁带宽度非常大，常温下，绝大多数价电子都被束缚在价带中，不能参与导电，只有当它们获得了比禁带宽度跟高的能量，才能跃迁到导带中参与导电。如图 2.2(b) (3)半导体 它则是介于上述两者之间的物质，它们的禁带宽度比较小。其特点是处于价带中的价电子只要获得超过禁带宽度的较大能量即可跃迁到导带中成为自由电子。导带中的电子和价带中空穴成为半导体中的两种载流子。如图 2.2(c) +4+4+4+4+4+4+4+4+4两个共用电子 共价键E价带导带E价带导带E价带导带Eg禁带 Eg禁带(a)绝缘体 (b)半导体 (c)导体图 2.1 硅晶体的共价键结构 图 2.2 绝缘体、半导体、导体的能带2.1.2 光伏电池的工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体 PN 结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简言之，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN 结时，就会在 PN 结的两边出现电压，叫做光生电压，使 PN 结形成回光伏并网逆变器的分析与研究12 路，就会产生电流。单晶硅的原子是按照一定的规律排列的，硅原子的最外电子壳层中有4 个电子，每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原子核的约束。它们在外来能量的激发下，如受到太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，同时在它原来的地方留出一个空位，即半导体物理学中所谓的“空穴”。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、稼、锢等杂质元素，那么就构成了空穴型半导体，简称 P 型半导体。如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，那么就构成了电子型的半导体，简称 N 型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成 PN 结，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。V 电流+++++++++---------+ -入射光+- 空穴电子图 2.3 光伏电池工作模型如图 2.3 所示，当太阳光照射 PN 结时，在半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，同时相应地便产生了电子一空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向 N 型区，空穴被驱向 P 型区，从而使 N 型区有过剩的电子， P 型区有过剩的空穴。于是，就在 P– N 结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使 P 型区山东科技大学学士论文13 带正电， N 型区带负电；于是，就使得在 N 型区与 P 型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接通外电路时便有电能输出这就是 PN结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理若把几十个数百便可获得输出功率相当可观的电能。2.2 光伏阵列的输出特性电池单元是光电转换的最小单元，将光伏电池单元进行串、并联并封装起来就成为光伏电池组件，功率从几瓦到上千瓦不等，把光伏电池组件按需要再进行串、并联后就形成光伏电池阵列。理论上说，光伏电池阵列的功率可以无限大。2.2.1 硅光伏电池的理想电路模型如果用 U 和 J 分别表示光伏电池的端电压和负载电流密度，由量子力学和半导体材料特性推导可知，光伏电池的电流密度可以用下式来表达：)1(0phph kTqUi eJJJJJ (2.1)不过由实验测得的光伏电池终端特性可知，为了达到工程要求精度，还需增加参数 Rs 和 Rsh，才可以推得单个光伏电池的电流特性方程。实际使用的等效电路如图 2.4 所示。I ph I d I shI LR sR sh U OC图 2.4 光伏电池等效电路模型光伏并网逆变器的分析与研究14 其中 Iph 为光生电流，且 Iph 的值正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。 Id 为暗电流，因为无光照下的硅型光伏电池的基本行为特性就类似于一个普通二极管，所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外电压作用下 P– N 结内流过的单向电流。它的大小反映出在当前环境温度下，光伏电池 P– N 结自身所能产生的总扩散电流的变化情况。 IL 为光伏电池输出的负载电流。 Uoc 为电池的开路电压，光伏电池的开路电压与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比，与电池面积的大小无关。 RS 为串联电阻，主要是由电池的表面电阻、体电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接接触电阻和金属导体电阻等组成，一般情况都小于 1Ω 。 Rsh 为旁路电阻，主要是由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所适应的 P-N结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻所组成，一般情况为几千欧姆。一个理想的光伏电池，因为串联的 RS 很小， Rsh 并联的很大，所以进行理想电路计算时，它们都可以忽略不计。因此在理想状态下，光伏电池的等效电路只相当于一个电流为 Iph 的恒流源与一个二极管并联。由此，可得到图 2.4 的等效电路图，其计算方程为：)1(expd AkTqUII do ( 2.2) shdSLocophshddph RUAkTRIUqIIRUIII }1])({exp[L ( 2.3) 其中 I0 是光伏电池内部等效二极管的 P– N 结反向饱和电流。它与该电池材料自身性能有关，一般是常数，不受光强影响。因此在理想形式下，（设 RS→ 0； Rsh→∞）的等效电路方程为：dL IIRUIIIphshddph (2.4) 山东科技大学学士论文15 2.2.2 光伏阵列的 I – V 和 P– V 特性曲线光伏电池的输出特性可以用曲线的形式表示出来，根据纵坐标的不同，分为 I– V 和 P– V 特性曲线，如图 2.5 所示。在一定条件下，光伏电池两端电压和电流的对应关系在直角坐标下形成一条曲线，叫做光伏电池的伏安特性曲线，即 I-V 曲线。可以看出，此 I– V 曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率输出问题，在本章中将对此问题进行研究。在 P– V 特性曲线中，可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出，跟 I– V曲线说明了同一个问题，为光伏电源控制方法的改进提供了途径。0.20.40.60.81.01.21.4000.20.40.60.80.90.2 0.4 0.6 0.8端电压电流输出功率IP100mW/cm^280mW/cm^260mW/cm^2Pmax图 2.5 光伏阵列的 I-V 和 P-V 特性曲线2.2.3 太阳照度对光伏阵列效 率 的影响太阳照度的单位是 W/m2，在大气层外其值最大，在地面由于受各种因素的影响，其值一般在 0 到 1 KW/m 2 之间变化。由图 2.5 可以看出，短路电流 ISC随着太阳照度的变化而有较大的变化，开路电压 Voc只是有略微光伏并网逆变器的分析与研究16 的变化。光伏电池的效率就会随太阳照度的变化而变化，但只是微弱的变化，它们的关系近似于对数关系。当光伏电池工作于最大功率点时，会具有相当好的“部分负荷特性”，即带低负荷的效率不会小于带额定负荷的效率，这是它的一个优点。在温度恒定的情况下，电池的理想效率随光强的增加而增加，这是因为短路电流随光强线性增加，开路电压随光强呈对数增加，而填充因数随开路电压增加而增加。实现效率增加的主要困难是在于高电流密度下串联电阻损耗的影响显得更加重要了。因为对一个给定的功率输出，电池的效率决定了所需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的效率是极其重要的。为了最大程度的利用太阳的照度，光伏方阵应尽量朝向赤道方向倾斜安装，其作用是可以增加方阵平面上接受到的太阳辐照量。对于光伏并网发电系统来说，属于夏天型负载，冬天的负载比较小。这种境况下，取方阵面上全年接受到最多的辐照量的角度为最佳倾斜角。2.2.4 温度对光伏阵列输出的影响光伏电池的温度特性如图 2.6 和图 2.7 所示。图 2.6 是以 25℃时光伏电池的输出为参考值，得出其输出随温度的变化情况。图 2.7是以 I– V 曲线的形式加以说明。如图 2.5 所示，随着光伏电池结温的上升，其最大输出功率不断下降。由公式 η =η MPP=PM/PS可知 ,其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池具有负的温度系数。从图 2.6 中可以看出，温度主要是影响光伏电池的端电压。在测量光伏阵列的电压电流，并计算其输出功率的时候发现一个现象。就是在夏季中午时候，太阳的辐照度达到最大值。按理说此时光伏阵列的输出功率是最大的，但是实际测的数据却显示其输出功率减小了。这个现象的产生是由于温度的变化。中午时候，虽然太阳的辐照度增加了，山东科技大学学士论文17 可是光伏阵列的温度由于受阳光照射而升至最高。从图 2.7 可以看出，随着温度的增加， PV 阵列输出的功率随之减小。太阳照度的增加使得 PV 阵列功率增加的部分，抵不上温度增加使得 PV 阵列功率输出减小的部分。从而从总的方面来说 PV 阵列的输出功率减小了。所以说，温度对于 PV 系统来讲是十分重要的检测量，能显著的影响系统。0.50.70.91.11.31.5-80 -40 0 40温度（ ℃）相对值% IscPmax80 120V oc相对灵敏度00.51.01.52.02.55 10 15 20端电压IPmax253.03.54.00℃25℃50℃75℃光伏电池温度I/AU/V图 2.6 光伏阵列输出变量 Pmax， Voc和 Isc 图 2.7 不同温度下光伏电池的特性曲线的相对值（对应于 25℃ ）与温度的关系图2.3 最大功率点跟踪控制并网逆变控制的基本目的是通过控制逆变器输出电压的变化，达到控制送入电网的电流的目的，从而实现并网发电。同时，控制太阳能电池板的输出功率，使其工作在最大功率输出状态 (MPPT)，提高发电效率 [11]。2.3.1 恒电压控制的原理与实现光伏阵列是一种非线性电源。其输出特性可以视为由恒电流区域与恒电压区域组成，这两块区域的交叉点就是最大功率点。因而在不同的光照强度下，光伏阵列都会存在这样的一个最大功率输出点，从功率角度上可光伏并网逆变器的分析与研究18 以将它们视为当前工况下的最优点。由于光照强度与温度的变化将会分别改变这些恒电流和恒电压区域，所以最大功率点也会随之变化。由前面的分析可知，当忽略温度效应时，硅光伏阵列的输出特性如图2.8 所示，光伏阵列在不同的光照强度下的最大功率输出点 a′ ,b′ ,c′ , d′ 和 e′总是近似在某一个恒定的电压值 Um 附近。假如曲线 L 为负载特性曲线，a,b,c,d 和 e 为相应光照强度下直接匹配时的工作点。显然，如果采用直接匹配，其阵列的输出功率比较小。为了弥补阻抗失配带来的功率损失，可以采用恒电压控制策略，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即阵列的工作点总稳定在 Um 附近。这样，不仅简化了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大功率输出点。因此，在一定条件下，恒电压控制策略不但可以得到比直接匹配更高的功率输出，还可以用来简化和近似最大功率点跟踪控制。但是，恒电压控制有很大的不足之处。因为一般的硅光伏电池的开路电压都会受到结温度的影响。在光伏阵列的输出功率随温度变化大的情况下，如果仍采用恒电压控制，那么就会产生比较大的功率损失。所以恒电压控制适用于一年四季温度变化不算大的地区。电流/AUm电压 /V曲线 2曲线 1负载 2负载 1BAB A电流/AL1000W/m^2 Pmax800W/m^2600W/m^2400W/m^2200W/m^2Umabcdeabcde电压 /V图 2.8 忽略温度效应时光伏电池 图 2.9 MPPT 算法分析示意图输出特性与负载匹配曲线山东科技大学学士论文19 2.3.2 MPPT 算法原理最大功率点跟踪控制的方法是实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样即使光伏电池的结温升高使得阵列的输出功率减少，系统仍然可以运行在当前工况下的最佳状态。如图 2.9 所示。假如图中曲线 1 和曲线 2 为两不同光照强度下光伏阵列的输出特性曲线， A 点和 B 点分别相应的最大功率输出点，并假定某一时刻系统运行在 A 点。当光照强度发生变化，即光伏阵列的输出特性由曲线1 上升到曲线 2。此时，如果保持负载 1 不变，系统将运行在 A′ 点，这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点。为了继续追踪最大功率点，应该将系统的负载特性由负载 1 变化至负载 2，以保证系统运行在新的最大功率点 B。同样，如果光照强度变化使得光伏阵列输出由曲线 2 减至曲线 1，则相应的工作点由 B 点变化到 B′ 点，应该将系统的负载特性由负载 2 变化至负载 1，以保证系统在光照减小的情况下仍然运行在最大功率点2.3.3 两种 MPPT 方法在诸多研究光伏阵列 MPPT 控制方法的文献资料中，可大致分为类，一类是通过周期性地增加或减少阵列电压来达到最大功率点的观察扰动法，另一类是通过瞬时静态电导与电导增量比较来快速定位最大功率点的电导增量法。1.观察扰动法微扰观察法由于其结构简单，且需测量的参数较少，所以它被普遍应用光伏电池板的最大功率点跟踪。就是要引入一个小的变化，然后进行观察，并与前一个状态进行比较，根据比较的结果调节光伏电池的工作点。通过改变光伏电池的输出电压，并实时地采样光伏电池的输出电压和电流，计算出功率，然后与上