LCL型光伏并网逆变器控制方法研究

学校代号 10532 学 号 S12092007 分 类 号 TM464 密 级 公 开硕士学位论文三相光伏并网逆变器控制方法研究及装置研制学位申请人姓名 李泽斌培 养 单 位 电气与信息工程学院导师姓名及职称 罗安 教授学 科 专 业 电气工程研 究 方 向 电力系统及其自动化论文 提 交 日 期 2015 年 4 月 30 日学校代号： 10532 学 号： S12092007 密 级：公开湖南大学硕士学位论文三相光伏并网逆变器控制方法研究及装置研制学位申请人姓名： 李泽斌导师姓名及职称： 罗安 教授培 养 单 位： 电气与信息工程学院专 业 名 称： 电气工程论文 提交 日 期 ： 2015 年 4 月 30 日论文 答辩 日 期 ： 2015 年 5 月 17 日答辩委员会主席： 李欣然The Research and Development of Three-Phase Photovoltaic Grid-Connected Inverter By LI Zebin B.E. (Central South University) 2012 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering in Electrical Engineering in the Graduate school of Hunan University Supervisor Professor LUO An April, 2015 I 湖 南 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密□，在 ______年解密后适用本授权书。2．不保密 。( 请在以上相应方框内打“√” ) 作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日三相光伏逆变器的研制II 摘 要随着化石能源的日益衰竭和温室效应的愈发严重，各国政府都在努力改变能源消费结构，积极推进可再生能源产业的发展。其中光伏发电由于具有能量来源取之不竭、用之不尽，发电过程不会污染环境，系统适用范围广、运输方便等优点成为近年来人们研究的热点。但是太阳能电池的转换效率较低，它的输出功率也会随外界环境而发生变化，所以必须采用一定的控制策略使之始终工作在最大功率点处。此外，光伏阵列输出的是直流电能，因此需要利用并网逆变器将其转换为交流电能， 然后经过滤波器滤除其中的高次谐波后， 再将这些电能并入电网。本文以 “ 30kW 光伏并网逆变器的研制” 项目为依托， 在逆变器的控制技术、最大功率点跟踪策略以及装置研制等方面进行了深入研究。论文首先介绍分析了工频隔离型、高频隔离型、单级非隔离型以及多级非隔离型三相光伏并网逆变器这四种常用的光伏发电系统电路拓扑，从系统结构、装置成本和运行效率等方面进行比较，并结合本文的研究内容，确定选用多级非隔离型三相光伏并网逆变器作为主电路拓扑。然后根据输出滤波器的不同， 在三相静止坐标系中建立了 L 型和 LCL 型多级非隔离三相光伏并网逆变的数学模型，并对它们输出滤波器的滤波特性进行了分析和对比，为下一步逆变器控制策略的研究提供了理论基础。针对 LCL 型并网逆变器存在的谐振问题， 系统研究了并网电流反馈控制和逆变器输出电流反馈控制的控制模型与开环传递函数。在此基础上，提出了一种基于逆变器输出电流反馈和电网电压、电容电流前馈的准 PR 电流内环控制策略。接着，本文在简要介绍了恒定电压法、短路电流比例系数法、扰动观测法、电导增量法等几种典型的 MPPT 控制策略后，针对闭环 MPPT 控制方法存在的跟踪速度慢和功率震荡问题，结合太阳能电池的输出特性曲线和 Boost 升压电路的工作原理，提出一种新颖的 MPPT 控制方法。最后，对多级非隔离 LCL 型三相光伏并网逆变器进行了仿真分析，并研制了一台 30kW 的实验样机。仿真和实验结果表明本文所研究的控制策略能够使光伏阵列快速工作在最大功率点处，有效抑制 LCL 滤波器的谐振问题，减小电流内环的稳态误差，提高系统的功率因数和并网电流质量。关键词 ：光伏并网逆变器； LCL 滤波器；电流内环；逆变器输出电流反馈；准 PR控制；最大功率点跟踪硕士学位论文III Abstract With the increasing exhaustion of fossil energy and more serious greenhouse effect, governments around the world are trying to change the energy consumption structure and promote the development of renewable energy industries actively. The photovoltaic power generation has become the focus of research in recent years due to its inexhaustible energy source, environment-friendly power generation, wide applicability and convenient transportation. But the solar cell conversion efficiency is relatively low, and its output power also varies with the light intensity. So, we must use some control strategies to ensure that the photovoltaic array is always working at the maximum power point. In addition, because the energy output of photovoltaic array is DC power, only by using the inverter to turn it into alternating current and removing the high frequency harmonics with the help of filter can we transmit the power into the grid. Based on the “ Development of 30kW Photovoltaic Grid-connected Inverter” project, this paper discusses the control technique for inverter, maximum power point tracking control and device development deeply. Firstly, this paper analyzes various photovoltaic power generation system circuit topologies, such as power frequency isolated inverter, high frequency isolated inverter, single stage non-isolated inverter and multistage non-isolated inverter. And considering the system structure, device cost and work efficiency， this paper chooses the multistage non-isolated three phase photovoltaic grid-connected inverter as the main topology. Then, the mathematical models of grid-connected inverter with L filter and LCL filter are established in the three-phase static coordinate system. The filter characteristics of their output filter are also analyzed and compared to provide a theory basis for the research on inverter control strategy. For the resonance problem of photovoltaic grid-connected inverter with LCL filter, this paper studies the control models of inverter output current feedback and grid-connected current feedback, and investigates their open looptransfer functions. Based on the theoretical analysis, an inner current loop control strategy using inverter output current feedback and quasi-proportional-resonant control is proposed. After a brief introduction to several typical MPPT control strategies like constant voltage method, short circuit current proportional coefficient method, disturbance observer method and incremental conductance method, this paper analyzes the solar cell output characteristic 三相光伏并网逆变器控制方法研究及装置研制IV curve and the working principle of the boost circuit, then puts forward a novel MPPT control method to solve the slow tracking speed and power oscillation of closed-loop MPPT control method. Finally, the simulation model of multistage non-isolated three phase photovoltaic grid-connected inverter is built and a 30kW experimental prototype is designed to verify the above theories. Simulation and experimental results show that the control method researched in this paper could make the PV array work at the maximum power point quickly, suppress the resonance of LCL filter, reduce the steady-state error of inner current loop, and improve the power factor and grid-connected current quality effectively. Key Words: photovoltaic grid-connected inverter; LCL filter; inner current loop; inverter output current feedback; quasi-proportional-resonant control; maximum power point tracking 硕士学位论文V 目 录学位论文原创性声明 . I学位论文版权使用授权书 . I摘 要 . IIAbstract III第 1 章 绪论 11.1 选题背景及研究意义 11.2 光伏发电系统概述 21.3 国内外光伏发电的发展现状及趋势 51.4 本文的主要工作 8第 2 章 光伏并网逆变器的拓扑结构及数学模型 92.1 隔离型三相光伏并网逆变器 92.1.1 工频隔离型三相光伏并网逆变器 . 92.1.2 高频隔离型三相光伏并网逆变器 . 102.2 非隔离型三相光伏并网逆变器 112.2.1 单级非隔离型三相光伏并网逆变器 . 112.2.2 多级非隔离型三相光伏并网逆变器 . 122.3 三相光伏并网逆变器的数学模型 132.3.1 L 型并网逆变器的数学模型 . 132.3.2 LCL 型并网逆变器的数学模型 152.4 本章小结 18第 3 章 LCL 型光伏并网逆变器的控制策略 . 193.1 光伏并网逆变器的控制技术 193.2 LCL 型光伏并网逆变器的阻尼控制 . 213.2.1 并网电流内环控制模型 . 223.2.2 无源阻尼控制 . 233.2.3 有源阻尼控制 . 243.3 基于逆变器输出电流反馈的电流内环控制策略 263.3.1 逆变器输出电流内环控制模型 . 263.3.2 基于逆变器输出电流反馈的准 PR 电流内环控制策略 273.4 本章小结 31第 4 章 最大功率点跟踪控制 32三相光伏并网逆变器控制方法研究及装置研制VI 4.1 太阳能电池简介 324.1.1 太阳能电池的工作原理 . 324.1.2 太阳能电池的种类 . 334.1.3 太阳能电池的电气特性 . 344.2 最大功率点跟踪技术 364.2.1 太阳能电池的最大功率点跟踪原理 . 364.2.2 传统最大功率点跟踪控制方法 . 384.2.3 一种新型最大功率点跟踪控制方法 . 424.3 本章小结 . 43第 5 章 系统仿真与装置研制 445.1 系统仿真分析 445.2 三相光伏并网逆变器实验平台的搭建 465.2.1 主电路设计 . 465.2.2 控制电路板设计 . 505.2.3 系统软件设计 . 545.3 光伏并网逆变器的实验结果 575.4 本章小结 60总结与展望 61参考文献 63致 谢 67附录 A 攻读学位期间取得的研究成果 68硕士学位论文-1- 第 1 章 绪论1.1 选题背景及研究意义能源是现代化的基础和动力，近年来随着全球人口的不断增长和经济的快速发展，对能源供应的需求量也日益增加 [1-3] 。根据美国国家经济研究局（ NBER ）于 2013 年 4 月发表的 2014 年全球能源展望（ The global energy outlook 2014 ）估计，从 2010 年到 2030 年世界能源消耗量将增加约 50%。按国家来看，中国是世界第一大能源消费国， 2012 年一次能源消费总量为 2735.2Mtoe ， 同比增长 7.4% ；其次是美国，一次能源消费总量为 2208.8Mtoe ，同比下降 2.8% ；俄罗斯位列第三名，一次能源消费总量为 694.2Mtoe ，同比下降 0.6%；印度、日本和加拿大分别位列第四、第五和第六 [4] （参见图 1.1） 。2735.22208.8694.2 563.5478.2328.8050010001500200025003000中国 美国 俄罗斯 印度 日本 加拿大单位： Mtoe图 1.1 2012 年世界主要一次能源消费国而在当前的能源消费结构中， 主要还是依赖石油、 煤炭和天然气等化石燃料，它们占全球能源消耗总量的 80%以上。其中石油是世界主导能源，占全球能源消费总量的 33.1% ； 其次是煤炭， 占 29.9% ； 第三是天然气， 占 23.9% ； 核能、 水电、可再生能源等所占比例仍然不大（参见图 1.2） 。然而，地球上化石燃料是经历了上亿年的时间才得以形成，因此是不可再生资源。根据英国 BP 公司发表的一份关于全球能源统计报告显示，按照目前已探明的储量和全球对化石燃料的消耗速度计算，全球石油可供开采约 45 年，天然气约 60 年，煤炭约 164 年 [5] 。所以人类正面对着日趋严重的能源危机，如果不能解决能源发展的问题，势必会阻碍世界各国经济和人类社会的可持续发展。三相光伏并网逆变器控制方法研究及装置研制-2-煤炭29.9%天然气23.9%石油33.1%可再生能源1.9%水电6.7%核能4.5%图 1.2 2012 年世界一次能源消费情况与此同时，石油、煤炭和天然气等化石燃料的过度开发和消耗还造成了严重的生态环境污染问题。研究人员发现，因燃烧化石燃料而产生的二氧化碳排放量预计将在 2014 年达到 400 亿吨，比 1990 年增加 65% 。大气中不断上升的二氧化碳含量已经导致全球气候变暖、 冰山融化、 海平面上升、 沙漠化日益扩大等现象：在过去的 100 年里，地球的气温增加了 0.74 ° C；由于阿拉斯加和南极冰川的融化，全球海平面上升了 20 cm；全世界 100 多个国家荒漠化土地面积已达到 36 亿公顷，占陆地面积的 28%，而且还在扩大 [6-7] 。面对全球日益严峻的能源短缺和环境问题，逐步改变能源消费结构，开发利用可再生能源如风能、太阳能、燃料电池以及生物质能已成为世界各国保障能源安全，应对气候变化的必由之路 [8] 。1.2 光伏发电系统概述太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，太阳每秒钟辐射到地球上的能量达到惊人的 1.74× 1017W，相当于 500 万吨标准煤燃烧所释放出来的热量 [9] 。 目前全球人类每年能源消费的总和只相当于太阳在 40 分钟内照射到地球表面的能量。 与化石能源相比， 太阳能具有明显的优越性： 它没有燃烧过程，不产生温室气体、废渣和废水，因此是一种没有污染的清洁能源；太阳内部的热核反应足以维持 6× 1010 年， 相对于人类的生活而言， 太阳能可以说是取之不尽、用之不竭的；地球上无论任何地方都有太阳能，所以它的适用范围广，即可免费使用，又无需运输。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题已成为制约人类社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家开始实行“阳光计划” ，开发太阳能资源，寻求能源发展的新动力。光伏发电是一种简易而清洁的太阳能利用方式，它利用半导体 P-N 结上接受光照产生光生伏打效应为基础，直接将太阳能转化为电能 [10] 。光伏发电最早用在人造卫星上，一般民用是从 1994 年开始的，虽然只有短短 20 年的历史，可是发硕士学位论文-3- 展却非常迅速。它具有不污染环境、可靠性高、使用寿命长等特点，即能独立发电又能并网运行，因而受到世界各个国家和地区的欢迎，具有广阔的发展前景。光伏发电系统通常由太阳能光伏阵列、储能组件、光伏控制器、功率逆变器以及其他附属部件构成。按照本身结构的不同、系统运行情况、本地负载容量大小以及与电网的连接关系，太阳能光伏发电系统可以分为独立光伏发电系统（离网系统） 、并网光伏发电系统和混合型发电系统 [11] 。独立光伏发电系统是一种未与常规电网连接、供用户单独使用的发电方式。独立光伏发电系统主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊处所：在民用范围内主要用于边远的乡村、牧区、荒漠、高原、海岛，如农村照明、收听广播和看电视等基本生活用电；在工业范围内主要用于通信中继站、气象电台、空间电源等特殊处所。光伏阵列能量优化控制器 逆变器储能组件交流负载直流负载图 1.3 独立光伏发电系统结构示意图独立光伏发电系统的典型结构如图 1.3 所示，主要由太阳能光伏阵列、控制器、储能组件以及逆变器（直流负载不需要）构成。由于光照强弱和温度高低的变化，光伏阵列输出的电能是波动的，不能直接提供给负载使用，因此必须在光伏阵列和负载之间加入能量优化控制器，使光伏阵列工作在最大功率点处。为了使负载获得稳定的能量，独立光伏系统还要配备储能组件。当光伏阵列输出的电能大于负载需求时，可以将剩余的能量存储在储能组件中；当光伏阵列输出的能量不能满足负载需求时，储能组件作为补充能源向负载提供电能。光伏阵列在经过能量优化控制器和储能组件的共同控制后，输出稳定的直流电。该电能既可以直接提供给直流负载，也可以经过逆变器转换为交流电能提供给交流负载。光伏阵列能量优化控制器 / 逆变器交流负载 交流母线图 1.4 最小并网光伏发电系统结构示意图顾名思义，并网光伏发电系统就是与电网并联的光伏系统，是光伏发电最常见的使用形式，也是当今世界光伏发电的发展方向。它主要由光伏阵列、逆变器和控制器组成，其最小系统如图 1.4 所示。光伏阵列产生的直流电能经过并网逆三相光伏并网逆变器控制方法研究及装置研制-4-变器变换成符合电网要求的交流电，该电能除了供给交流负载外，多余的电能可以反馈给电网。但是，并网光伏发电系统作为一种分布式的发电系统会对传统的大电网产生一些不良的影响，如谐波污染、孤岛效应等。根据系统功能的不同，并网光伏发电系统可以分为不含蓄电池的“不可调度光伏并网发电系统” 和含有蓄电池组作为储能环节的 “可调度光伏并网发电系统”[12] ，两者的结构图分别如图 1.5 和图 1.6 所示。与不可调度并网光伏发电系统相比，可调度发电系统配有储能环节（通常采用铅酸蓄电池组） ，兼有不间断电源的功能，作为本地重要负载的后备电源。较大容量的可调度光伏并网发电系统还可以根据运行需要控制其功率输出，实现电网调峰功能。可调度光伏并网发电系统虽然在功能上优于不可调度发电系统，但是由于增加了储能环节，它存在着一些明显的缺点：蓄电池组导致系统成本增加；蓄电池的寿命较短，远远低于系统其他部件的寿命；废弃的铅酸蓄电池必须进行回收处理，否则将造成严重的环境污染。这些缺点是目前限制可调度式光伏并网系统广泛应用的主要原因。本地负载交流母线光伏阵列DC-DC 逆变器 公共负载保护和电能调控系统图 1.5 不可调度光伏并网发电系统配置示意图本地负载交流母线光伏阵列DC-DC 逆变器 公共负载保护和电能调控系统蓄电池组图 1.6 可调度光伏并网发电系统配置示意图混合型发电系统是指在光伏发电的基础上增加其他形式的发电系统，以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的发电不足，或者电池容量不足等因素带来的供电不连续。图 1.7 是一个典型的包含光伏发电和风力发电的混合分布式发电系统。通常情况下，白天日照强，夜间风多。风力发电与光伏发电具有很好的互补性，从而可以产生稳定的输出，提高系统的供电稳定性和可靠性；在保证正常供电的情况下，还可以大大减少储能蓄电池的容量；对混合分布式发电系统进行合理的设计和匹配，可以充分利用自然资源，基本上由风 /光系统供电，无需启动备用电源和备用发电机，以此获得良好的经济效益。硕士学位论文-5- 直流负载双向变流器交流负载光伏阵列DC-DC储能组件 DC-DC风力发电逆变器变压器保护和电能调控系统直流母线 交流母线保护和电能调控系统图 1.7 风光混合分布式发电系统结构图1.3 国内外光伏发电的发展现状及趋势自 1839 年法国物理学家爱德蒙 贝克勒尔首次发现光生伏特效应和 20 世纪50 年代世界上最早的实用型太阳能电池问世以来， 太阳能光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展与信息技术相比仍慢得多。 1973 年的石油危机和 20 世纪 90年代的环境污染问题，激发了人类对于光伏发电技术的研究热情，从而促进了太阳能光伏发电的进一步发展。对光伏发电投入力度最大的是德国。 1990 年德国联邦会议批准了《电力购买法》 ，并率先启动“一千个太阳能屋顶计划” ，即在居民住宅屋顶上安装容量为1~5kW 的光伏并网发电系统 [13] 。由此，德国的光伏发电产业开始起步。 1998 年10 月，德国政府又实施了“十万屋顶计划” ，该计划规定太阳能电站在公共电网中每发 1 kW h ，由政府补贴 0.574 欧分。 2000 年，德国政府推出上网电价制度（ Feed-In Tariff ） ， 规定可再生能源的发电量全部由电力公司以优惠的固定价格购买。在这一优惠政策的推动下，德国国内建设了很多以投资为目的的兆瓦级大型太阳能光伏发电站。 2004 年开始，德国又对《可再生能源法》进行了修订，明确不同应用种类和规模的上网电价以及上网电价的年降幅，促成了德国光伏装机量的大幅增长。 由于上述政策的激励， 德国的太阳能光伏发电装机容量从 1990 年的2MW 增加 到 2000 年 的 100MW ， 2005 年德 国 的光伏 发电装 机容 量已经达到928MW ，超越日本成为世界第一。现在，德国的光伏市场已经从探索阶段发展为繁荣的专业市场。日本早在 1992 年就发布由电力公司购买太阳能光伏发电系统剩余电量的相关规定，允许一般家庭安装的太阳能光伏发电系统与电力公司的电网相连接，超过自家用电的剩余部分由电力公司购买。 1994 年， 日本又设立了新能源财团 （ NEF ） ，作为国家对一般住宅用太阳能光伏发电系统补助金制度管理的窗口，向安装太阳能光伏发电系统的住宅提供一定的资金补贴。这一制度成为开启日本有计划普及三相光伏并网逆变器控制方法研究及装置研制-6-太阳能光伏发电系统新时代的开端，不断推动着日本太阳能光伏发电规模和市场的迅速扩大。 到 2004 年， 日本的太阳能电池产量和安装容量占到了全世界的一半。同年，日本新能源产业技术综合开发机构（ NEDO ）制定并发表了 2030 年的路线图（ PV2030 ） ，将开发光伏发电技术作为日本的长期战略方针，争取在 2020 年将光伏发电的成本由现在的 46 日元 /（ kW h）降到 14 日元 /（ kW h） ，在 2030 年降到 7 日元 /（ kW h） ，累计安装容量达到 102GW [14] 。通过 30 多年的努力发展，到目前为止日本已经成长为仅次于中国的全球第二大光伏市场。与欧洲和日本等一些发达国家相比，美国的太阳能光伏产业有些落后。美国前总统克林顿在 1997 年 6 月对国会所做的关于环境和发展的报告中提出 “百万太阳能屋顶计划” ，目标是到 2010 年前在 100 万个屋顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统 [15] 。 2006 年，美国加州提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划” ，在未来 10 年内建设 3000MW 光伏发电系统的提案，这象征着美国光伏政策新纪元的到来。 2008 年，美国的累计装机容量约为 1.15GW ，在短短的几年内成长为世界第三大市场。自奥巴马上台以来，美国政府前所未有的重视新能源产业发展，将新能源上升到国家战略层面并出台了一系列相关的鼓励政策，美国在光伏发电产业大有后来居上的势头。我国幅员辽阔，有着非常丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳能辐射约为 50× 1018kJ， 全国各地太阳年辐射总量达 335~837kJ/（ cm2 a） 。因此光伏发电技术在我国有着广阔的市场前景。 2002 年， 国家有关部委启动了 “西部省区无电乡通电计划” ， 这一项目的启动大大刺激了我国太阳能光伏产业的发展。2005 年， 我国的光伏电池总产量仅 150MW ， 而到 2006 年， 这个数字上升到 450MW左右， 2007 年总产量更加突破 1000MW ， 2008 年总产量达到 2.4GW 。目前，我国已经超越美国、日本和欧洲，成为全球最大的太阳能电池产业基地。表 1.1 2005 年 ~2013 年全球主要国家光伏新增装机容量（ MW ）2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 中国 5 10 20 40 160 486 2568 3630 12065 日本 291 287 211 226 484 992 1296 2464 6732 美国 86 98 167 297 438 929 1934 3260 3875 德国 928 845 1274 1956 3802 7199 7485 7604 3304 意大利 7 16 70 338 718 3849 7924 3556 1612 相对于太阳能电池产量的飞速发展， 我国的光伏发电应用市场起步较晚。 2007年尽管光伏发电系统的安装量达到了 20MW ，但与当年太阳能电池产量 1088MW相比，只占到 1.84% ，累计太阳能电池安装量还不到世界总量的 1%。近年来，我年份国家硕士学位论文-7- 国政府先后出台了《可再生能源中长期发展规划》 、 《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》和《能源发展战略行动计划（ 2014— 2020 年） 》等一系列的光伏扶持政策，积极培育国内光伏市场。 2013 年，在业内企业的不断努力下，我国太阳能发电市场规模持续扩张，新增装机容量为 12GW ，同比增长了 232% ，接近欧洲2013 年新增装机容量总和，中国首次超越日本和德国，成为全球最大的光伏市场[16] 。 我国的光伏发电产业已经进入了崭新的发展阶段， 正在成为全世界光伏技术、制造和应用市场中心之一。自 20 世纪 70 年代光伏发电开始在地面应用以来，在各国政府支持和技术进步的推动下，全球太阳能电池产量的年增长率已经连续 10 年超过 30% ，超越了信息技术（ IT ）产业，成为世界上发展最快的产业之一。到 2013 年年底，全球光伏市场的新增装机容量为 38.7GW ，累计装机容量达到 140.6GW 。从长远来看，随着能源危机和环境问题的日益凸显，以环保和可再生为特征的光伏发电正在给能源工业带来革命性的变化。根据欧盟委员会联合研究中心能源研究所（ JRC）的预测，到 2030 年太阳能光伏发电将占到世界总供电量的 10%以上；到 2040 年将占到总供电量的 20% 以上；到 21 世纪末占到总供电量的 60%[17] 。因此，光伏发电这种可靠、清洁的电力能源必将成为未来能源市场的主力军，引领整个能源产业的未来。5.5 7.1 9.916.5 24.242.571.3101.9140.60204060801001201401602005 年 2006 年 2007 年 2008 年 2009 年 2010 年 2011 年 2012 年 2013 年单位： GW图 1.8 2005~2013 年全球光伏累计装机容量虽然光伏发电在近些年发展迅速、前景光明，但目前主要依靠各个国家的政策扶持和财政补贴，各项技术仍不太成熟，在能源领域几乎没有市场竞争力。因此，光伏发电产业面临着机遇与挑战并存的局面，只有通过不断的技术创新和进步，降低光伏发电的成本、提高太阳能电池的转换效率、增强光伏发电系统的稳定性和并网安全性才能使之成为调整能源结构、减缓化石能源消耗、防止环境污染、应对全球气候变化、实现低碳能源转型、保证能源供应安全的必由之路。三相光伏并网逆变器控制方法研究及装置研制-8-1.4 本文的主要工作本 课 题 来 源 于 国 家 “ 973 ” 项 目 《 分 布 式 发 电 供 能 系 统 相 关 基 础 研 究 》（ 2009CB219706 ） 中的子课题 《微网及含微网配电系统的电能质量分析与控制》 ，并得到了“湖南省研究生科研创新项目： CX2014B130 ”的大力资助。文章从并网逆变器的拓扑结构及数学模型、电压电流双闭环控制策略、最大功率点跟踪控制、系统仿真与装置研制等方面对三相光伏并网逆变器进行了研究。全文一共分为五章，各章具体内容安排如下：第 1 章，绪论。介绍了光伏发电的研究背景及意义，概述光伏发电系统的工作原理与分类，并对国内外光伏发电的发展现状和趋势进行了简要介绍。第 2 章，光伏并网逆变器的拓扑结构及数学模型。对比分析了几种常用的三相光伏并网逆变器拓扑结构，确定选用多级非隔离型三相光伏并网逆变器作为本文的研究对象。 然后在三相静止坐标系中建立了 L 型和 LCL 型光伏并网逆变器的数学模型，并对它们输出滤波器的滤波特性进行了分析和对比，为下一步逆变器控制策略的研究提供了理论基础。第 3 章， LCL 型光伏并网逆变器的控制策略。 针对 LCL 型光伏并网逆变器存在的谐振问题， 建立和研究了电流内环的控制模型与开环传递函数。 在此基础上，提出了一种基于逆变器输出电流反馈和电网电压、电容电流前馈的准 PR 电流内环控制策略。第 4 章，最大功率点跟踪控制。从太阳能电池的工作原理和电气特性出发，简要介绍了四种传统的最大功率点跟踪控制方法。然后对光伏并网逆变器中的Boost 升压电路和太阳能电池的输出特性曲线进行了深入研究，并在此基础上提出了一种简单的变步长 MPPT 控制方法。与传统的 MPPT 控制方法相比，它具有动态响应速度快、算法简单和性能稳定的优点。第 5 章，系统仿真与装置研制。使用 PSIM9.0 对光伏并网逆变器的 MPPT 控制和电流内环控制方法进行了仿真分析，然后从主电路、控制电路和系统软件三个方面详细讨论了样机的设计方案。最后搭建了一台 30kW 的光伏并网逆变器样机，仿真和实验结果表明：本文所提出的 MPPT 策略能够使光伏阵列快速工作在最大功率点处，基于逆变器输出电流反馈的准 PR 电流内环控制方法可以有效抑制 LCL 滤波器的谐振问题，减小电流内环的稳态误差，提高并网电流质量，并确保系统的稳定运行。最后，对本文的研究内容进行总结，介绍了文章的创新和不足之处，并指出了下一步的研究方向和难点。硕士学位论文-9- 第 2 章 光伏并网逆变器的拓扑结构及数学模型逆变器也叫逆变电源，它是光伏并网发电系统的核心组成部分。其拓扑结构不仅对系统稳定、安全、高效的运行起着决定性的作用，同时也是影响整个装置运行寿命的主要因素。 本章首先介绍了几种常见的三相光伏并网逆变器拓扑结构，并结合工程实际，确定选用多级非隔离型三相光伏并网逆变器作为实验装置的主拓扑结构。 最后通过建立 L 型和 LCL 型逆变器的数学模型和控制模型， 详细讨论了这两种滤波器的滤波性能和输出特性，为后续的逆变器控制策略研究提供了理论基础。2.1 隔离型三相光伏并网逆变器根据有无隔离变压器，光伏并网逆变器可以分为隔离型和非隔离型逆变器。而根据隔离变压器的工作频率，隔离型逆变器又可以分为工频隔离型和高频隔离型。隔离型三相光伏并网逆变器使用变压器进行光伏发电系统与大电网之间的电压变换和电气隔离，具有技术简单成熟、安全性能良好、抗冲击性强、可靠性高等优点。与两电平逆变器相比，虽然三电平逆变器具有开关损耗小、输出电能质量好、直流侧电压利用率高等优点，