光伏并网逆变器控制策略的研究

题 目： 光伏并网逆变器控制策略的研究光伏并网逆变器控制策略的研究摘 要世界环境的日益恶化和传统能源的日渐枯竭，促使了对新能源的开发和发展。具有可持续发展的太阳能资源受到了各国的重视，各国相继出台的新能源法对太阳能发展起到推波助澜的作用。其中，光伏并网发电具有深远的理论价值和现实意义，仅在过去五年，光伏并网电站安装总量已达到数千兆瓦。而连接光伏阵列和电网的光伏并网逆变器便是整个光伏并网发电系统的关键 。本文通过按主电路分类、按功率变换级数分类和按变压器分类的三大类划分逆变器的方法分别介绍了每个逆变器电路的拓扑结构。之后本文首先介绍了国内外并网逆变器的研究状况以及相关并网技术标准， 比较了当前主流的控制技术。 然后 ,详细的阐述了光伏并网发电逆变器系统的整体设计和各单元模块的设计 ,其中包括太阳能电池组、升压斩波电路、逆变电路和傅里叶变换。在简要介绍了系统的结构拓扑和控制要求之后， 论文重点研究了基于电流闭环的矢量控制策略，阐述了其拓扑结构、工作原理及运行模式。为了深入研究控制策略，分别建立了基于电网电压定向的矢量控制和基于虚拟磁链定向的矢量控制。 最后， 本文针对几种产生谐波的原因， 对 L 、 LC、 LCL三种滤波器进行了比较分析。最后，本文对光伏并网的总系统进行了 MATLAB 仿真，由于时间的限制，只做出了通过间接控制电流从而达到控制有功无功公功率的仿真。关键词 ： 光伏并网，逆变器电路拓扑，电流矢量控制，谐波PHOTOVOLTAIC (PV) GRID INVERTER CONTROL STRATEGY RESEARCH Abstract World deteriorating environment and the increasing depletion of traditional energy sources prompted the development of new energy and development. Solar energy resources for sustainable development has been national attention, solar countries have contributed to the severity of the introduction of the new energy law developments. Among them, the photovoltaic power generation has profound theoretical and practical significance, only in the past five years ， the total installed photovoltaic power plant has reached thousands of megawatts. Connected PV array and grid PV grid-connected inverter is the whole key photovoltaic power generation system. Based classification by main circuit and the power level classification and Division of three categories classified by transformer inverter of methods each inverters circuit topologies are introduced.This article introduces the domestic and foreign research on grid-connected inverters and related technical standards for grid-connected, compared the current mainstream technology.Then detail a grid-connected photovoltaic inverter system design and the modular design, including solar arrays, chop-wave circuit, inverter circuits and Fourier transform. Briefly introduces the system topology and control requirements, this paper focuses on the current loop-based vector control strategies, describes the topological structure, working principle and its operating mode.In order to study the control strategies were established based on power system voltage oriented vector control based on virtual flux-oriented vector control.Finally, for several reasons for harmonic, l, LC, LCL compares and analyses the three types of filters. Keywords: Photovoltaic, inverters circuit topologies, current vector control, harmonic目录1 绪论 . 错误！未定义书签。1.1 光伏发电并网逆变器的研究目的背景及意义 . . 错误！未定义书签。1.2 光伏发电并网逆变器的国内外研究概况 . 2 2 并网逆变器 . 32.1 逆变器作用及结构 . . 32.2 并网逆变器的发展 3 2.3 并网逆变器分类及拓扑 52.3.1 按主电路分类 . . 5 2.3.2 按功率变换级数分类的拓扑结构 . . 6 2.3.3 按变压器分类的拓扑结构 . . 7 2.4 光伏并网逆变器控制技术 . . 9 2.4.1 常规控制 9 2.4.2 智能控制 . 10 3 并网逆变器各部分设计 . 123.1 太阳能电池板 . 12 3.1.1 光伏电池数学模型和输出特性 . 13 3.2 DC-DC 变换器 15 3.3 DC-AC 逆变器 . 17 3.3.1 逆变技术的应用及基本原理 . 17 3.3.2 单相半桥逆变电路 . 18 3.3.3 单相全桥逆变电路 . 19 4 并网逆变器的控制策略 . 21 4.1 并网逆变器的控制策略分类 . 21 4.1.1 间接电流控制 . 21 4.1.2 直接电流控制 . 22 4.2 基于电流闭环的矢量控制策略 . 23 4.2.1 同步坐标下并网逆变器的数学模型 . 24 4.2.2 基于电压定向的矢量控制（ VOC） . . 26 4.2.3 基于虚拟磁链定向的矢量控制（ VFOC） . 29 4.3 并网逆变器产生的电流谐波分析 . 33 4.3.1 低次谐波产生原因 . 33 4.3.2 三相并网逆变器输出滤波器的对比分析 . 34 5 并网逆变器的 MATLAB仿真 . . 355.1 总仿真图 35 5.2 太阳能电池板部分 . 35 5.3 升压斩波电路部分 . 38 5.4 逆变部分 38 总结 41 参考文献 42 致谢 431 绪论水利电力学院 1 1 绪论1.1 光伏发电并网逆变器的研究目的背景及意义随着全球环境污染与能源紧缺问题的日益严重， 寻找新能源已经是各国不得不面临的现实。 进行光伏发电并网逆变器控制系统的研究对于解决全球日益面临的能源危机有深远的意义，不但可以在技术上进一步取得完善，取得工程经验，而且可以确定其经济的可行性，光伏发电只有进入电力规模的应用，才能真正对于缓解能源紧张和抑制环境污染起到积极作用，光伏发电并网逆变器控制系统研究的重点应该放到并网发电的经济政策研究和具有商业化前景的实用技术上。光伏并网发电的大规模推广除了节约能源与减少环境污染外，还能够刺激光伏工业的迅速壮大，达到能源可持续性发展的目的，同时还可以提供大量的就业机会。要实现光伏并网发电，光伏并网逆变器是关键。目前，独立光伏电站所用的逆变器相对较成熟，并已大规模应用，但并网逆变器技术相对落后，国外的并网逆变器价格高昂，在国内推广应用十分困难。为了实现自主研发生产，国内一些企业与高校正开始做相关方面的研究，且均为示范系统，还没有实现产业化，为推动光伏并网发电系统的普及应用，自主研发光伏并网逆变器控制系是我们长期致力于研究的课题 ]1[ 。我国正处在经济转轨和蓬勃发张时期，但能源问题严峻，城市中由于大量使用化石能源，环境持续恶化。 2000 年世界卫生组织（ WHO ）公布世界上污染最严峻的十大城市中，中国占了八个，其中北京居于第七位。大力发展光伏并网发电将有助于今早解决这一问题。国家有关领导部门已经开始给予足够重视，首先是国家科技部已规划有步骤地推进相关的科技创新研究、示范及其产业化进程。 “ 八五 ” 和 “ 九五 ” 期间把 “ 光伏屋顶并网发电系统 ” 列入了 “ 国家科技公关计划 ” ，在深圳和北京分别建成了一些光伏屋顶并网发电系统的示范工程。到目前为止， 我国光伏并网发电的关键技术及设备仍主要来自进口， 但面对如此巨大的国内需要，脚踏踏实实地发展具有自我知识产权的相关高技术，进而实现其产业化，已是刻不容缓的事情。在光伏并网发电系统中，其具体目的表现为：（ 1）实现高质量的电能转换，将太阳能光电转换组件阵列产生的直流电转换成 220V 、 50Hz 的单相、正弦波，其电流和电压的畸变率均小；（ 2） 实现系统的安全保护要求， 如输出过载保护输出短路保护、 输入接反保护、 直流过压保护、交流过压和欠压保护、 “ 孤岛 ” 保护及装置 ]1[ 。光伏发电并网逆变器的研究就是如何将光转换为电能， 本课题着重研究其新的发展方向， 更为方便的利用太阳能解决发电问题是我们今后长期发展的课题，也是世界今后大体走向。太阳能光伏并网发电工程的实际效果看出，采用太阳能光伏发电技术，对太阳能并网发电的推广应用在技术是可行的，经济上是可取的，对社会环保和人类可持续发展更是具有深远的影响和重要意义。光伏并网逆变器控制策略的研究水利电力学院21.2 光伏发电并网逆变器的国内外研究概况目前国外光伏并网你变气产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单机能量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围，控制电路主要采用数字控制，注意系统的安全性、可靠性和扩展性，具备有各种完善的保护电路。国内对并网逆变器的研究比较多的采用最大功率跟踪， 逆变部分相分离的两级能量变换结构， 而且市场产品的种类还相对单一，系统构建死板，光伏并网发电系统在我国还没有真正投入商业化运行的应用，目前所建广发并网系统均为示范工程。作为光伏并网发电系统核心环节的并网型逆变器还主要依赖进口或者合作研究。在众多分布式发电功能技术中， 太阳能产业是全世界公认的最有前途的能源产业， 世界各国都将光伏发电作为发展的重点。美国政府最早制定光伏发电的发展规划，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装是已达到 3000 兆瓦以上，连续三年光伏产业均以高于 30%的年增长率上升；新任总统奥巴马更是把发展大规模分布式太阳能光伏发电作为其新能源的重要组成提上议程。日本也早在 1974 年就开始执行 “ 阳光计划 ” ， 1992 年电力公司收购光伏发电系统与电力制度开始实施， 1994 年提出 “ 朝日七年计划 ” ， 到 2000 年已完成 16.2 万套太阳能光伏屋顶计划， 1997年又宣布 7 万光伏屋顶计划，到 2010 年安装 7600 兆瓦太阳能电池。德国 1990 年提出 1000 屋顶发电计划， 1998 年进一步提出 10 万屋顶计划。到 2007 年 5 月为止，全球已建成容量超过 5 兆瓦的光伏电站 10 座，容量在 2 兆瓦以上的瓜葛菲电站超过了 50 座，目前已经运行的容量最大的太阳能并网电站为 2008 年安装与西班牙的 olmedilla, 装机容量为 60 兆瓦 ]2[ 。2 并网逆变器水利电力学院 32 并网逆变器2.1 逆变器作用及结构在很多场合， 都需要提供 220VAC 、 110VAC 的交流电源。 由于太阳能的直接输出一般都是 12VDC 、24VDC 、 48VDC 。为能向 220VAC 的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC 逆变器。其控制目标是 :控制输出与电网电压同频同相的稳定髙质量的正弦电流。逆变器的结构按逆变方式可以粗略分为两类：其一 DC-AC-AC ；其二 DC-DC-AC 。前者先将蓄电池中的 12V 直流能量逆变成低压 12V 50Hz 交流能量，在经过工频变压器，最后升压变换为220V/380V 交流电能并入电网中。然而这种逆变器结构由于采用工频变压器，工频变压器由于工作频率低电磁转换效率低，如果逆变并网器功率提高工频变压器体积将非常庞大。后者则是先将蓄电池中的直流能量，通过高频直流逆变装置从 12V 变换为直流母线中 400V 直流电压，再从直流母线中的 400V 直流电斩波形成 50Hz 交流电向电网中提供有功。图 1 常见的两种逆变器结构2.2 并网逆变器的发展随着微电子与信息技术的发展，应用速度快速发展。对电源品质的要求越来越苛刻。但在某种程度上全世界均面临电力供应不足或不稳定的威胁， 由于公共电网无法保证提供高品质的稳定电源，而逆变并网器能够根据电网情况，动态调节有功无功，因此逆变并网器将成为电力系统不可或缺的设备。光伏并网逆变器控制策略的研究水利电力学院4新型功率器件的应用及其控制技术的发展推动了并网逆变技术的发展。最初的并网逆变技术只需通过并网逆变器将电能送入电网即可，而随着用电质量要求的提高，并网逆变技术开始考虑提高进网电能的质量以及整个并网逆变器的安全稳定可靠运行。通常情况下，电网可视为无穷大的交流电压源，因此并网逆变器通常设计成电压源型输入电流源型输出， 连接到电网相当于交流电流源和交流电压源的并联， 不存在两个电压源并联的环流问题。并网逆变器的输出电压即公共点 （ Point of Common Connection, PCC ） 的电压被箝位为电网电压， 通过控制进网电流从而控制送进电网的功率。当电网发生故障时，有时候甚至要求并网逆变器能提供无功功率，支撑电网电压的恢复。逆变器根据波形的不同可分两类：一类是方波逆变器，另一类是正弦波逆变器。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的 40－ 60％，不能带感性负载。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好 ]3[ 。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电， 因为它不存在电网中的电磁污染。总括来说， 正弦波逆变器提供高质量的交流电， 能够带动任何种类的负载， 但技术要求和成本均高。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于 50 年代的水平，将逐渐退出市场。微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台，传统的逆变技术需要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成，然而随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从 8 位的带有 PWM 口的微处理器到 16 位单片机，发展到今天的 32 位 DSP 器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等先进的控制算法在逆变领域得到了较好的应用 ]1[ 。总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展，进入二十一世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展 [2]。为此本设计方案采用 DC-DC-AC 结构能有效提高效率、 同时由于采用高频直流升压技术使逆变并网器体积更小，安全性能大大提高；并针对动态系统的试验问题提出了利用 Simulink 的参数估计功能，使理论模型根据实验数据进行数值参数估计，从而达到理论模型充分接近实际实验环境；同时应用 SPWM技术降低对电网的谐波污染到最低；而基于模型设计的嵌入式开发理念，更为逆变并网器的开发试探了一条稳定迅速的开发方式。2 并网逆变器水利电力学院 52.3 并网逆变器分类及拓扑并网逆变器作为并网系统中的重要组成部分之一， 由于其功率等级的不断增大， 并网逆变技术得到了深入细致的研究，主要的研究方向在于拓扑结构、控制策略、滤波方式等。光伏并网逆变器是根据其所采用的控制算法 ,将太阳能电池所产生的直流电逆变成为符合电网要求的工频交流电并配送至电网的关键设备 ,作为光伏并网发电系统能量转换的核心 ,其是否能够高效稳定的运行 ,对并网发电系统乃至整个配电网都有着举足轻重的意义。2.3.1 按主电路分类并网逆变器的拓扑结构按主电路结构分主要分为如下几种： 推挽式逆变器、 半桥式逆变器和全桥式逆变器，其结构如图 2。(a) 推挽式逆变器电路结构拓扑图(b) 半桥式逆变器电路结构拓扑图光伏并网逆变器控制策略的研究水利电力学院6 (c) 全桥式逆变器电路结构拓扑图图 2 按主电路分类的拓扑结构图 2(a)中所示的推挽式逆变结构比较简单，两个二级管 D1 和 D2 可以共同驱动，但二级管必须承受 2 倍开关电压的直流电压，因此只适用于直流母线电压比较低的地方。此外，逆变器的利用率相对较低，要驱动感性负载较困难。图 2(b)中所示的半桥式逆变结构同样比较简单， 但缺点是直流侧的电压利用率较低， 在频率相同的情况下输出电压的谐波含量比较高，且电压不能调整，一般应用在输出功率小，直流侧电压要求比较高的情况下。图 2(c)中所示的全桥式逆变结构简单， 易于控制。 相对于半桥式逆变结构， 虽然多了两个功率开关元件，但耐压要求确只有其一半，在输出电压相同的情况下，半桥式逆变结构的输入电压是全桥式的两倍。因此，单相全桥式逆变结构多用于大中功率的逆变器中。2.3.2 按功率变换级数分类的的拓扑结构并网逆变器按照在光伏并网发电系统中功率变换的级数分类，一般可以分为单级式变换（ Single-Stage Inverter ）和多级式变换（ Multiple-Stage Inverter ）两种，如图 3。（ a）单级式2 并网逆变器水利电力学院 43 (b) 多级式图 3 按功率变换级数分类的拓扑结构图 3（ a）所示的为单级式并网逆变器结构图，它仅仅只用一级功率变换就将光伏发电系统发出的低压直流电转换成与系统同步的高压交流电，具有电路结构简单、元器件较少、可靠性高和高效低功耗等许多优点。随着电力电子技术和数字信号处理技术的快速发展，单级式逆变结构较难控制的问题正逐步的得到解决，在满足并网系统性能整体要求的前提下，其成为了越来越多的光伏并网逆变系统设计的首选。图 3（ b）中给出多级式并网逆变的三种结构，分别是 DC-DC-AC 型、 DC-AC-DC-AC 型和DC-AC-AC 型。 在光伏并网逆变器的实际应用中， DC-DC-AC 型是一种比较常用的类型， 它由前级DC-DC 直流变换器和后级 DC-AC 逆变器两部分构成。 DC-DC 直流变换器的作用主要有两个， 一个是将光伏发电系统输出的电压升高；另一个是作为并网发电时的最大功率跟踪器，实现光伏电池的功率最大化，提升运行效率。本文以此型作为设计仿真。