基于Matlab的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書IIIIII摘要目前，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)是新能源發(fā)電領(lǐng)域中的一個非常重要的研究方向。本文以小功率單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為對象進行了研究設(shè)計，主要設(shè)計內(nèi)容包括工程用光伏電池仿真模型、光伏發(fā)電最大功率跟蹤模型、并網(wǎng)逆變器、并網(wǎng)濾波器和兩級式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制策略等，并基于理論指導(dǎo)進行了系統(tǒng)的仿真實驗。DC/DC變換電路原理及其優(yōu)、缺點進行了Boost升壓電路實現(xiàn)最大功率點跟蹤；對幾種常用的最大功率點跟蹤控LCLBoostMPPTDC/AC的逆變并網(wǎng)，成功實現(xiàn)了光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的建MPPT關(guān)鍵詞：最大功率跟蹤；并網(wǎng)逆變器；LCL濾波；光伏并網(wǎng)；孤島效應(yīng)AbstractCurrently,photovoltaic(PV)grid-connectedgeneratingtechnologybecomesaimportantresearchareainthefieldofnewenergypowergeneration. Thispaperfocusesonthelowpowersingle-phasePVgrid-connectedsystemanddoesalotofdesignwhichinvolvesPVcellsimulationmodel,maximumpowerpointtracking(MPPT)modelforPVgenerating,grid-connectedinerter,filterofgrid-connectedsystem,grid-connectedsystemoftwo-stagePVgeneratingandcontrolstrategies.Firstly,thesimulationmodelofPVcellisestablishedonthebaseofitsfundamentaltheoryandequivalentmodel,whichisusedtosimulateitsoutputcharacteristicsindifferentilluminationintensityandtemperature.ThepaperanalyzesstrengthensandweaknessesoftheDC/DCcircuitandchoosestheBoostcircuittorealizeMPPT.Andapower-detectionadaptivevariablesizeoftheincrementalconductancemethodis selectedtocontrolMPPT.Then,thegrid-connectedsimulationmodelisestablishedthroughitsresearchofthetopologicalstructureandcontrolmethod,andthecurrentclosed-loopcontrolmethodoffixedswitchingfrequencyisusedtorealizethenetworkvoltageoftrackingandthegrid-connectinginunitypowerfactor.TheLCLfilterwithdampingreducestheharmonicsinterferenceofcurrentefficiently,andtheTotalHarmonicDistortion(THD)canmeettherequestofpowersystem.Finally,coordinatedcontrolsystemoftwo-stagemakesthewholesystemreliably.ThepowerofPVarrayscanbethemaximumbyMPPTbasedonBoostcircuit,andtheDC/ACcircuitfeedsthepowerintotheelectricitygridsystem.ThewholesystemismodeledbyMatlab,andthetwo-loopvoltageandcurrentcontrolmethodisusedtothissimulationsystem.SimulationresultsshowthatthewholesystemcanrealizealowerTHDandunitypowerfactorgrid-connectedoperationwiththemaximumpowerofPVarrays.Besides,thesystemshowssatisfactorydynamicandstationaryperformances.ThispaperalsomakesadetailstatementonreasonsandharmofIslandingeffect.Keywords:PVcell;MPPT;Inverter;LCLfilter;PVgrid-connected;Anti-islanding目 錄緒論 1光伏發(fā)電并網(wǎng)研究的目的及意義 1光伏發(fā)電系統(tǒng)的概述 2國內(nèi)外光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展 2本設(shè)計的主要任務(wù) 3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 5光伏發(fā)電及最大功率跟蹤建模與仿真 6太陽能光伏電池的建模與仿真 6光伏電池數(shù)學(xué)模型的建立 7光伏電池Matlab仿真模型的建立 10光伏電池輸出特性仿真分析 11最大功率跟蹤算法的實現(xiàn)設(shè)計 12定電壓跟蹤法 14擾動觀察法 15電導(dǎo)增量法 16其它MPPT方法 17最大功率跟蹤算法的確定 19最大功率跟蹤主電路的設(shè)計 20DC-DC變換電路的選擇 21Boost變換電路主要參數(shù)的設(shè)計 26最大功率跟蹤建模與仿真 28仿真模型的建立及參數(shù)的確定 28仿真結(jié)果分析 29光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn)設(shè)計 31并網(wǎng)逆變器主電路的設(shè)計 31并網(wǎng)逆變器輸入輸出方式的確定 31并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的確定 33并網(wǎng)逆變器絕緣方式的確定 34并網(wǎng)逆變器控制策略設(shè)計 35并網(wǎng)逆變器控制目標 35輸出電壓型控制策略 36輸出電流型控制策略 36輸出濾波器設(shè)計 38不帶阻尼的濾波器 38帶阻尼環(huán)節(jié)的濾波器 41調(diào)制方式的確定 43并網(wǎng)逆變器的建模與仿真 44光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn) 46光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 46光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的建模與仿真 47光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島現(xiàn)象 49孤島效應(yīng)產(chǎn)生的原因及其危害 49孤島效應(yīng)的檢測標準 50總結(jié)與展望 52全文總結(jié) 525.2展望 53致謝 54參考文獻 55附錄 57河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書PAGEPAGE51PAGEPAGE501緒論光伏發(fā)電并網(wǎng)研究的目的及意義能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，世界化石能源的有限性和開發(fā)利用過程中引起的環(huán)境污染問題日益突出，已經(jīng)成為制約世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸，清潔的可再生能源的開發(fā)利用受到世界各國高度重視。太陽能作為一種巨量的可再生能源，以其清潔、安全的特點成為具有高度污染性化石能源的主要替代能源。太陽能的利用形式有很多種，其中光伏并網(wǎng)發(fā)電作為主要利用形式之一，受到人們的倍加關(guān)注。所以，在世界化石能源緊缺和環(huán)境污染嚴重的今天，深入開展太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究，對于緩解能源危機和加強環(huán)境維護、促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展都具有深遠而重大的理論和現(xiàn)實意義[1]。光伏發(fā)電具有許多優(yōu)點[2]，概括如下：排放，符合經(jīng)濟社會和諧、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。并網(wǎng)發(fā)電不用中間蓄能裝置，所發(fā)出的電能直接送入電網(wǎng)，相當(dāng)于把電網(wǎng)作為儲能裝置，與獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的比較，減少25%-30%可以提高系統(tǒng)的平均無故障時間，避免蓄電裝置二次污染。分布式建設(shè)，發(fā)供電就近就地分散，進退電網(wǎng)靈活方便，不僅有利于增強整個電并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以起到電網(wǎng)調(diào)峰作用。但是并網(wǎng)光伏發(fā)電也存在一些缺點[2]，比如同火電相比，目前并網(wǎng)光伏發(fā)電成本相對較高，在沒有國家支持的情況下，難以得到普及；其次，并網(wǎng)光伏發(fā)電受地理位置、溫度、光照強度等各種因素的制約相當(dāng)嚴重；再者，光伏電池的光電轉(zhuǎn)換的效率低下，因此對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率要求較高；此外，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計較為復(fù)雜，并網(wǎng)光伏發(fā)電具有巨大的市場潛力與廣闊的前景。因此，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究受到發(fā)中占重要地位。光伏發(fā)電系統(tǒng)的概述光伏發(fā)電系統(tǒng)(PV是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的是光生伏打效應(yīng)[3]。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[4]。它的景。太陽能水泵，在具備風(fēng)力發(fā)電和小水電的地區(qū)還可以組成混合發(fā)電系統(tǒng)，如風(fēng)力發(fā)電太陽能發(fā)電互補系統(tǒng)等。并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電是指太陽能光伏發(fā)電連接到國家電網(wǎng)的發(fā)電的方式，成為電網(wǎng)的補充，典型特征為不需要蓄電池。民用太陽能光伏發(fā)電多以家庭為單位，商業(yè)用途主要為企業(yè)、政府大樓、公共設(shè)施、安全設(shè)施、夜景美化景觀照明系統(tǒng)等的供電，工業(yè)用途如太陽能農(nóng)場。目前對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究，大多是針對中小型光伏并網(wǎng)電站或是對小區(qū)成套光伏屋頂，一般以單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象。此光伏并網(wǎng)系統(tǒng)也就是本文所稱的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)應(yīng)該是小功率，小體積，低噪聲，性能可靠。研發(fā)這種系統(tǒng)的目的，是為了推廣光伏技術(shù)產(chǎn)品進入千家萬戶。隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展，光伏電池的價格下降到適中位置，太陽能產(chǎn)品將以其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，成為一種廣為普及的太陽能利用方式。網(wǎng)絡(luò)均為單相系統(tǒng)，因此設(shè)計小容量光伏發(fā)電系統(tǒng)均從單相系統(tǒng)著手。國內(nèi)外光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展目前生產(chǎn)光伏電池的原料硅的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展較為緩慢和落后成為了制約光伏發(fā)電發(fā)展的一個瓶頸[5]。由于光伏電池的轉(zhuǎn)換效率還比較低，往往單片的光伏組件的輸出電陣列。光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要分為單級式和兩級式。兩級拓撲結(jié)構(gòu)一般由DC/DC變換器和DC/AC并網(wǎng)逆變器組成，前端的DC/DC變換器一般是比較常見的BOOST、BUCK-BOOST、CUK或者是推挽電路等，用來實現(xiàn)光伏電池輸出的最大功率DC/ACDC/AC電路，它同時實現(xiàn)最大功率跟蹤和并網(wǎng)控制。MPPT的或者變步長的導(dǎo)納增量法就能實現(xiàn)較高的精度，而且設(shè)計簡單，實用性強。光伏并網(wǎng)逆變器的輸出控制模式主要有電壓輸出控制和電流輸出控制電壓輸出控制型要求其輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位頻率同步，而且要求等幅值并網(wǎng)；而電流輸出控制型則只要求輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相由于控制逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相不但較為簡單而且性能優(yōu)良所以目前國內(nèi)外多是采用控制電流輸出的并網(wǎng)模式而控制系統(tǒng)的調(diào)制方式在單相系統(tǒng)中往往采用 SPWM調(diào)制，三相系統(tǒng)中則多采用SVPWM調(diào)制方式。IEEEStd.2000-929標準[6]UL1741標準[7]，系統(tǒng)必須應(yīng)滿足標準規(guī)定的要求。本設(shè)計的主要任務(wù)DC-DCDC-ACMatlab軟件進行建模仿真。論文的主要設(shè)計工作如下：1、研究分析光伏電池的基本原理與等效模型，并選擇其中一種適合工程研究分析所用的模型，仿真分析其在不同光照強度和不同溫度下的輸出特性。2Boost升壓電路實現(xiàn)最大功率跟蹤MPP增量法實現(xiàn)最大功率跟蹤的控制，并搭建仿真模型進行仿真實驗。3、研究光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)與控制方法，選擇合適的拓撲電路，搭建并網(wǎng)單位功率因數(shù)追蹤。41KW協(xié)調(diào)控制。對光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生孤島效應(yīng)的原因及其危害進行分析研究。2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計主要針對小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于小功率光伏電池板輸出的電壓比較低，達不到并網(wǎng)的要求，因此需要用到直流升壓電路將電壓升高；要想將光伏陣列發(fā)出的直流電并入工頻交流電網(wǎng)，必須將直流電轉(zhuǎn)換為與工頻電網(wǎng)同頻同相的交流電，因此需要因此需要使用濾波電路將諧波濾除，濾除諧波后的交流電才能達到并網(wǎng)的要求。DC/DC升壓電路、DC/ACDC/AC2-1所示。光伏電池陣列DC/DC升壓DC/AC逆變?yōu)V波電路工頻交流電網(wǎng)MPPT控制器并網(wǎng)控制器圖2-1光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)DC/DCBoostDC/DC升壓電路的控制實現(xiàn)光伏電池陣列的最大功率跟蹤，使光伏電池陣列始終工作在最大功率點處。DC/AC流中諧波的濾除，得到與工頻電壓同頻同相的電流，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。Matlab/SimulinkDC/DCDC/AC2-1構(gòu)進行連接，使各部分協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)。3光伏發(fā)電及最大功率跟蹤建模與仿真太陽能光伏電池的建模與仿真P++ + + + + ++++++++++++-----------N- - - - - - -P++ + + + + ++++++++++++-----------N- - - - - - -+ -+-++ +- -+-----------++++++++++++-- +++- --光生電 動勢 電池平衡時 b)光照時圖3-1光伏電池工作原理太陽能光伏電池的基本工作原理是利用光生伏特效應(yīng)使太陽輻射能在電池板上的3-1所示PN結(jié)構(gòu)PN型硅對電路是呈電中性的。當(dāng)太陽光照射到電池板上的PNPN結(jié)吸收，被吸收的能量除了轉(zhuǎn)換N型硅在具有足夠能量的光子作用PN結(jié)區(qū)附近，由于電子和空NPNPN區(qū)會有多余的電子，P區(qū)PNPN結(jié)對它們的牽引作用，進PN結(jié)內(nèi)電場方向相反的光生電場。光P區(qū)還是帶正電，N、N區(qū)之間產(chǎn)生光太陽電池多為硅材料太陽電池，其中包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽電池。光伏電池數(shù)學(xué)模型的建立太陽電池的等效電路如圖3-2所示[9]I不會隨著電池工作狀態(tài)的改變ph而發(fā)生變化，所以在光伏電池的等效電路中用恒流源來等效光伏電池。當(dāng)光伏電池連通負載RPNL結(jié)二極管，形成與光生電流方向相反的電流I，削弱了光生電流。其中R是構(gòu)成光伏電d s池的半導(dǎo)體電阻和電極電阻等電阻的和；R是漏電阻，指由于制作工藝原因?qū)е码姵剡卻h緣產(chǎn)生微裂痕等缺陷而引起金屬橋漏電，形成了這個旁漏電阻；R是電池與背面的電極s接觸及材料本身電阻的一個總等效阻值。Iph +

R Is+ +I IshdLRU R ULRL sh-- -圖3-2太陽能光電池等效電路根據(jù)光伏電池的等效電路可得：又由于：PN

??=??????(3-1)?????=??+?????? (3-2)????

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????(??+??????)?1 (3-3)??????根據(jù)以上式子可得光伏電池的I-U特性方程：????????=??

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????(??+??????)?1???+??????

(3-4)???? ??式中：I-光伏電池的工作電流（A）I-短路（光生）電流（A）phI-反向飽和電流（A）oq-單位電荷（1.6×e-19C）T-絕對溫度（K）

??????

?????U-光伏電池的輸出電壓（V）K-玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）n-二極管因子I-U公式(3-4)IIRR等這些參數(shù)不僅與電池自身有關(guān)，還與日照強度和溫度等ph o s sh外界環(huán)境也有關(guān)系，要確定這些參數(shù)十分困難。一般在工程上所用到的技術(shù)參數(shù)主要為光伏電池生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)，因此需要對公式(3-4)進行簡化，獲得適合工程應(yīng)用的實用化表達式。(3-4)(3-4)UI、oc scIUP等五個m m m復(fù)現(xiàn)光伏電池在任意日照和溫度條件下的輸出特性。RRR、sh s shRs是分別并聯(lián)、串聯(lián)在電路中的，因此在進行計算時則可以進行以下的近似[10]，即：R很大，使得(U+IR)/R遠小于光伏電池的電流，通常情況下可將該項忽sh s sh略，則：??=??????

?

????(????????)?1 (3-5)??????RI=I，則：??????s ph sc??=??????

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????(????????)?1 (3-6)??????此外，還需要考慮光伏電池處在最大功率點和開路狀態(tài)條件下電壓與電流的關(guān)系：??????光伏電池處于最大功率點時，U=U、I=I，則：m m????

=

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????(????????????)?1 (3-7)??????光伏電池處于開路狀態(tài)下時，U=U、I=0則：??????oc0=??????

?

*???????????1 (3-8)??????綜合以上對光伏電池數(shù)學(xué)模型的分析，可將(3-4)式簡化為(3-9)式，即：????????=??????

1?

???1 ???1 ??2??????由于常溫條件下?????1，因此可忽略公式(3-9)中的“??2????????1

=1???????

???????2??????

(3-10)由開路條件下的公式(3-8)，并把公式(3-10)帶入公式(3-9)，可得：??=???1??1???+

(3-11)2

??????IUUI就可以根據(jù)公式(3-10)sc oc m m和公式(3-11)得出C1和C2，最后的太陽能電池I-U曲線是由公式(3-9)確定的。由于光伏電池的輸出特性受光照強度和環(huán)境溫度的影響比較大，一般情況下，標準參考光照強度和溫度分別為：R=1000W/m2T=25℃。當(dāng)外界輻照強度和環(huán)境溫度ref ref發(fā)生變化時，必須考慮外界因素的變化對光伏電池特性的影響，需要加以改動光伏電池的模型來描述其在新環(huán)境下的特性曲線。對大量實驗數(shù)據(jù)進行擬合，可得到下面在工程應(yīng)用中已經(jīng)被證明具有足夠的精度的表達式：T=T+kSairT—PN結(jié)的溫度（℃；T—外界環(huán)境溫度（℃；airS—光伏電池陣列所接受的輻照強度（W/m2；

(3-12)—光伏電池陳列組件結(jié)構(gòu)方式與支架構(gòu)造的溫度系數(shù)（℃m2/W見的太陽電池陣列支架，可取k=0.03(℃·m2/W)。根據(jù)在標準參考光照強度和溫度下光伏電池的IUUI推算出在新的光照強sc oc m m度和溫度下光伏電池的I’、U’、U’、I’，再帶入公式(3-9)、(3-10)、(3-11)即可得到在sc oc m m新的光照強度和溫度下光伏電池的特性曲線。???=?(3-13)?S=???1 (3-14)??????????′=??

??1+????? (3-15)′????

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????????????1????????????+????? (3-16)??′=??

??1+????? (3-17)?? ??????????=?? 1????????????+????? (3-18)?? ??其中：a=0.0025/℃、b=0.5、c=0.00288/℃。根據(jù)公式(3-9)-公式(3-18)3-3I-U特性曲線，簡稱為伏安IU即為伏安特性曲sc oc線與電壓軸的交點。IscA W/I /PU/V

Uoc

U/V圖3-3光伏電池U-I曲線 圖3-4光伏電池P=UIP-U3-4所示。由P-UM(U)。最大輸出功m mMIU。當(dāng)達到最大功m m率點之后，隨著電壓的增大，輸出功率就會快速下降。Matlab仿真模型的建立圖3-5光伏電池的Matlab仿真模型 圖3-6光伏電池的電氣參數(shù)(9)(3-9)-公式Matlab/Simulink[17]S-functionMatlab3-5所示。只要輸入當(dāng)前光照強度與環(huán)境溫度，根據(jù)所接負載情況，圖3-5所示仿真模型會在250W3-63-7251000W/m2時，光伏電池在不同的環(huán)境溫度下的輸出特性曲線。1000w/m2800w/m2600w/m2400w/m21000w/m2800w/m2600w/m2400w/m2200w/m2s=1000w/m2s=800w/m2s=600w/m2s=400w/m2s=200w/m2200AWA/P/ 5/PI 10000 10 20U/V

30

00 10 20U/V

30 40I-U曲線 b)P-U曲線3-725℃時光伏電池的仿真特性曲線T=20℃T=0℃T=20℃T=0℃T=0℃T=20℃T=40℃T=60℃T=80℃200W A 5/ /P100 I00 5 10U/V

15

00 5 10U/V

15 20I-U曲線 b)P-U曲線3-8S=1000W/m2時光伏電池的仿真特性曲線光伏電池輸出特性仿真分析1、光伏陣列的輸出特性3-7可以看出，光伏陣列的伏安特性近似為矩形，當(dāng)工作點在最大功率點左側(cè)一個恒流源。根據(jù)相關(guān)文獻，恒壓源和恒流源的部分所占區(qū)域的比值大致為。光伏點的非線性的電源。2、光照強度對光伏陣列輸出特性的影響圖7可以看出，相同溫度條件下，光照強度變化時，開路電壓的變化幅度較小，而短路電流的變化幅度較大，這與理論分析想符合，也驗證了所建立的光伏陣列仿真模型的正確性。從圖中還可以看出光照強度越大，最大功率點處的電流越大，其最大功率點功率也越大，而其對應(yīng)的最大功率點電壓變化不大。當(dāng)光伏陣列的工作點偏移到最大功率點的右側(cè)時，如果工作電壓繼續(xù)增大，會出現(xiàn)光照強度越強發(fā)出的功率越小的現(xiàn)象，這種情況下顯然造成了相對更大的功率損失。因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)該盡量避免這種情況發(fā)生，在相對較小的電壓范圍內(nèi)進行最大功率點跟蹤。3、溫度對光伏陣列輸出特性的影響3-810.04%0.4%，最0.4%。而光伏陣列必須要接受太陽光的照射才能工作，同時其自身工作的過程也會發(fā)熱，因此必須要注意控制光伏陣列的工作溫度。最大功率跟蹤算法的實現(xiàn)設(shè)計+RiU-i+RiU-iRo電源+Uo-圖3-9簡單線性電路i i 圖中，U為電壓源，R為電壓源的等效內(nèi)阻，R為負載端的電阻，則負載上消耗的功率Pi i ??=??2??=(????)2

(3-19)?? ???????? ??i i 上式中，U、R均視為常數(shù)，則兩端對R求導(dǎo)，可得：i i ??????????

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????)3

(3-20)??????????

=0,即????=????時，負載端消耗的功率為最大值。對于一些電源內(nèi)阻不發(fā)生變化的供電系統(tǒng)，可以采用上述這種負載端電阻等于電源內(nèi)阻的簡便方法獲取最大功率的輸出。但在太陽能電池供電系統(tǒng)中，太陽能電池的等效內(nèi)阻不僅僅受日照強度的影響，而且還與外界環(huán)境溫度及其所帶負載大小的影響，因此其等效內(nèi)阻值處在不斷變化的狀態(tài)中，從而對太陽能電池供電的系統(tǒng)不可采用上述方法使所帶負載獲得最大的輸出功率。目前采用的方法是在太陽能電池陣列后級增設(shè)一個DC／DC變換器，通過控制DC／DC變換器中功率開關(guān)管的導(dǎo)通比來調(diào)整太陽能電池陣列，使其工作在最大功率點，從而實現(xiàn)對太陽能電池最大功率點的跟蹤控制。出電壓上，由光伏陣列的P-U特性曲線可知當(dāng)光伏陣列的工作電壓小于最大功率點電壓Umax時，光伏陣列的輸出功率隨陣列端電壓上升而增加；當(dāng)陣列的工作電壓大于最大功率點電壓Umax時，陣列的輸出功率隨端電壓上升而減小。稱光伏陣列的輸出功率電壓曲IPVUPVUPV-MPPT控制器+UPI+ref-三角載波線的最高點為最大功率點PowerIPVUPVUPV-MPPT控制器+UPI+ref-三角載波圖3-10最大功率控制圖MPPT的實現(xiàn)實質(zhì)上是一個自尋優(yōu)過程，通過對陣列當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測，率跟蹤的過程如圖3-10所示[9]：圖中Upv為光伏電源的實際輸出電壓，Uref為光伏電源在某一溫度下經(jīng)過最大功率跟蹤之后，最大功率點對應(yīng)的輸出電壓，將光伏電源實際的輸出電壓與Uref比較之后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)結(jié)果與三角波比較得到PWM脈沖，驅(qū)動功率器件導(dǎo)通與關(guān)斷，從而調(diào)節(jié)光伏電源的負載阻抗，以實現(xiàn)最大功率跟蹤。國內(nèi)外文獻提出了多種跟蹤方法[3][11][12]，可分為自尋優(yōu)和非自尋優(yōu)方法兩大類型。其中自尋優(yōu)方法主要包括擾動觀測法、導(dǎo)納增量法、恒定電壓法或短路電流法、寄生電要包括曲線擬合法等。本章針對常用的MPPT實現(xiàn)方法：定電壓跟蹤法、擾動觀測法、導(dǎo)納增量法等進行詳細的分析。定電壓跟蹤法定電壓跟蹤法[11][5](ConstantVoltageCVT)是最簡單也是最傳統(tǒng)的一種3-11所示。我們把不同光照強度下的最大UUm率點跟蹤控制。2502502001000w/m2200W150600w/m2W1505℃/P100/P10035℃200w/m250200w/m200

20U/

30

5065℃65℃0 10

U/

30 40 50圖3-11不同光照下CVT 3-12不同溫度下CVTCVTCVT顯，CVT沒有考慮溫度對最大功率點電壓的影響，在溫度變化的時候，如圖3-12所示，10℃時，其開路電壓下降率為0.35%～0.45%UmCVT有的溫度環(huán)境下完全的跟蹤最大功率。溫度對整個光伏陣列的輸出將會產(chǎn)生比較大的影響，如果仍然采用這種方法只能通過降低系統(tǒng)的效率來保證其穩(wěn)定性。U 另外一種類似于定電壓跟蹤法的開路電壓法，不是跟蹤恒定的電壓，而是跟蹤變的電壓由實驗驗證知U m o0.78(誤差±2%)78%作為最大功率點對應(yīng)的參考電壓，并在一定時間內(nèi)保持不變。優(yōu)點是不會產(chǎn)生在最大功率點附近的振蕩，并且結(jié)構(gòu)簡單，的開路電壓，這會導(dǎo)致光伏陣列無法持續(xù)供電。同時光伏陣列的Um/Uo并不總等于同一常數(shù)。因此，可以說該算法追蹤的穩(wěn)態(tài)誤差較大，能量轉(zhuǎn)換效率低，在實際應(yīng)用中正逐漸被其他MPPT方法取代。擾動觀察法讀取P，增加ΔU讀取P，增加ΔU1計算U，I2 2計算P2YP>P12N增加ΔU減少ΔU計算P2圖3-13擾動觀察法流程圖擾動觀察法[2][14]也稱為爬山法HillClimbing簡稱HC)“干擾”。然后通過比較干擾周期前后光伏陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的“干擾”方向進行“干擾”，如果監(jiān)測到輸出功率減“干擾”方向，這樣光伏陣列的實際工作點就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點，最終在其附近的一個較小范圍往復(fù)達到穩(wěn)態(tài)。算法流程圖如圖3-13。光伏陣列和負載之間的接口通常采用PWM型的DC/DC變換器和DC/AC占空比D的大小決定了光伏電池輸出功率P的大小。P-D的關(guān)系與P-V的關(guān)系相似，并且當(dāng)dP/dD=0與前一時刻的功率比較，從而決定占空比D的增減。這種方法直接把占空比D作為控制參數(shù)，只需要一個控制循環(huán)，從而減少了控制器設(shè)計的難度。電導(dǎo)增量法讀取讀取UI1 1讀取dINYdI>0？YdI IYdU U?dI=0？NNdU UdII?dI>0？Y NYNU=U+ΔUrrU=U-ΔUrrU=U+ΔUrrU=U-ΔUrr返回電導(dǎo)增量法

圖3-14電導(dǎo)增量法流程圖通過比較太陽能電池陣列的瞬時導(dǎo)抗與導(dǎo)抗的變化量的方法來完成最大功率點跟蹤的功能。光伏陣列的P-U曲線是一個單峰的曲線，在輸出功率最大點處，功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零，要尋找最大功率點，只要在功率對電壓的導(dǎo)數(shù)大于零的區(qū)域增加電壓，在功率對電壓的導(dǎo)數(shù)小于零的區(qū)域減小電壓，在導(dǎo)數(shù)等于零或非常接近于零的時候，電壓保持不變即可。分析如下：??=???? (3-21)將上式兩端對U求導(dǎo)，并將I作為U的函數(shù)，可得：????=??(????)=??+??

(3-22)所以得到以下三種情況：

????

????

????1)當(dāng)????=0時，即????

????????

=?????

時，??=????????；2)當(dāng)????

0????

?????

時，?? 3)當(dāng)????

0時，即

????????

?????

時，?? 于是我們便可以根據(jù)dI/dU與I/U之間的關(guān)系來調(diào)整工作點電壓而實現(xiàn)最大功率點跟蹤，算法流程圖如圖3-14所示。采用電導(dǎo)增量法進行光伏陣列最大功率點跟蹤控制，當(dāng)光伏陣列工作于最大功率點時，系統(tǒng)電路的功率開關(guān)管占空比就不會再變化，因此理論上這種方法處于最大功率點時是不存在振蕩的。對比于恒定電壓法、擾動觀察法，電導(dǎo)增量法跟蹤控制更加精準，響應(yīng)速度更快，且適合各種不同的環(huán)境。只是由于要計算光伏系統(tǒng)的瞬時電導(dǎo)與電導(dǎo)增量，對系統(tǒng)整體響應(yīng)速度以及采樣精度也有較高要求，這樣就會增加系統(tǒng)成本。MPPT方法間歇掃描法[2]這種方法是在定電壓跟蹤法的基礎(chǔ)上得來的，只是用定時的掃描儀代替了從廠商處得來的Um需要一直處于搜尋狀態(tài)。這種間歇掃描方法測定所需要的時間只是毫秒級，而定時掃描的時間間隔可以放寬實時控制PWM的輸出以使系統(tǒng)工作在與該Um相應(yīng)的工作點上。這種方法一般不會產(chǎn)生振蕩。模糊邏輯控制[14]由于太陽光照的不確定性、光伏陣列溫度的變化、負載情況的變化以及光伏陣列輸DSP比較方域并確定有關(guān)參數(shù)。使用模糊邏輯方法進行光伏系統(tǒng)的MPPT控制，具有較好的動態(tài)特性和精度，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。另外，模糊控制由于其自身理論還不夠完善，并不能適合所有應(yīng)用場合。目前在光伏系統(tǒng)MPPT控制具體應(yīng)用中，模糊控制仍處于研究階段。[12]滯環(huán)比較法可以避免擾動觀測法中的擾動誤差以及誤判現(xiàn)象。因為自然界中，光照強度并不會出現(xiàn)控制意義上的快速變化，因此，采用滯環(huán)比較法可以在光照強度快速變從而減小了擾動損失。[12]最優(yōu)梯度法是一種以梯度法（Gradientmethod）為基礎(chǔ)的多元無約束最優(yōu)化問題的數(shù)值計算法。它的基本思想是選取目標函數(shù)的負梯度方向（擇正梯度方向）作為每步迭代的跟蹤方向，逐步逼近函數(shù)的最小值（或最大值）析結(jié)果。電壓電流最大功率點參數(shù)電壓電流最大功率點參數(shù)?溫度圖3-15神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法MPPT控制實現(xiàn)過程示意圖出反應(yīng)。以一種基于神經(jīng)前饋網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制算法為例進行介紹。由于前饋系統(tǒng)是單圖3-15與隱含層中的所有神經(jīng)元相連接（圖中未畫出）所有神經(jīng)元相耦合（圖中未畫出）。建立前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，用反向傳播法對算法進行訓(xùn)練。反向傳播法僅需要輸入?yún)?shù)和期望輸出就可以對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的連接權(quán)的權(quán)重進行訓(xùn)練。反向傳播訓(xùn)練也稱為監(jiān)督訓(xùn)練，即先根據(jù)已有的輸入數(shù)據(jù)和期望輸出進行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)一定時間后，即可比較實際輸出和期望輸出的誤差，如果誤差不滿足要求，則繼續(xù)學(xué)習(xí)，直至誤差滿足要求。最大功率跟蹤算法的確定根據(jù)前面對最大功率點跟蹤方法的分析可知，相比其它尋優(yōu)方法，電導(dǎo)增量法有著顯著的優(yōu)點，如跟蹤準確度高、跟蹤速度快等。當(dāng)然它也有自身的缺點，如在控制步長的選擇上，也始終無法兼顧控制速度和控制精度。針對這個缺點，很多文獻提出了包括自適應(yīng)算法在內(nèi)的改進算法。P-U輸出特性(3-4所示)，當(dāng)光伏電池工作在最大功率點附近時，我們希望電壓的調(diào)節(jié)步長較小，能夠穩(wěn)定地達到最大功率點，如果步長過大，會引起在最大功率點附近的波動，產(chǎn)生較大的功率損失；當(dāng)光伏電池工作在遠離最大功率點3-4中可以看出，最大功率點附近波形較其它區(qū)域3-4中可以觀察到，光伏電池工作在最大功率點左右兩側(cè)的曲線并不是4：1。那么，顯然我們希望當(dāng)光伏電池工作在最大功率點左側(cè)的區(qū)域時能夠以較大的波動。所以，可以把左右兩個區(qū)域的步長比例關(guān)系暫定為4：1。值|dP/dU|是曲MPPT3-16所示。其中，B>A4：1為基礎(chǔ)，在仿真中進一步調(diào)整。A|dP/dU|、B|dP/dU|D1也有一定的比例關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗，一般取2~5，因此A|dP/dU|0.0002～0.0005P-U特性即可確定|dP/dV|ABA|dP/dU|、B|dP/dU|根據(jù)具體的仿真電路要有上下限幅值以保證仿真效果。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化檢測U(k)和I(k)dI=I(k)-I(k-1)dU=U(k)-U(k-1)dP=I(k)U(k)-I(k-1)U(k-1)Y|dP|<ε?NΔD=D1dP/dU>0?YNΔD=B|dP/dU|ΔD=A|dP/dU|NU(k)-U(k-1)=0?YdI/dU=-I/U?NI(k)-I(k-1)=0?NdI/dU>-I/U?ND=D+ΔDY YYYD=D-ΔDI(k)-I(k-1)>0?ND=D+ΔD保存U(k)、I(k)，k++返回圖3-16自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量算法流程圖最大功率跟蹤主電路的設(shè)計由前面的最大功率理論分析可知，在常規(guī)的線性系統(tǒng)電氣設(shè)備中，為使負載獲得最大功率，通常要進行恰當(dāng)?shù)呢撦d匹配，使負載電阻等于供電系統(tǒng)的內(nèi)阻，此時負載上就可以獲得最大功率。但在太陽能電池供電系統(tǒng)中，太陽能電池的內(nèi)阻不僅受日照強度的影響，而且受環(huán)境溫度及負載的影響，因而處在不斷變化中，從而不可能用上述簡單的方法獲得最大輸出功率。光伏陣列由于受太陽光照強度和環(huán)境溫度變化的影響，輸出電壓和輸出電流在不斷DC/DC變3-17DC/DC變換電路中功率開關(guān)器件的占空比，來調(diào)節(jié)外接使光伏電池工作在最大功率點，從而達到對太陽能電池板最大功率點跟蹤的目的。DC/DC變換器基本類型[23]有：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路。下面就這三種電路進行較為詳細分析[9]。EDCEDC/DCRo-圖3-17帶DC/DC的變換器電路DC-DC變換電路的選擇1、降壓斬波電路（Buck）平均直流輸出電壓低于直流輸入電壓的變換電路稱為降壓DC-DC變換電路，主要用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機調(diào)速。實際應(yīng)用的降壓斬波器由全控型器件（IGBT）極管和LC3-18SiSiLuLsUCiVDUo圖3-18降壓型DC-DC變換電路電感電流連續(xù)工作模式2形如圖3-19所示。StSttonoffOutsUiOtLOStit O t 1 2圖3-19電流連續(xù)模式下電路波形t=0時，驅(qū)動開關(guān)管導(dǎo)通，在ton區(qū)間內(nèi)二極管VD反偏截止，不起作用，電源能量加到電感、電容及負載上。電感儲能兩端呈現(xiàn)正向電壓uL=Ui-Uo。在該電壓作用下電感電流線性上升。=tt 時，開關(guān)管關(guān)斷，電感反電勢（左負右正）VD正偏導(dǎo)通，電感儲存的=1L 能量經(jīng)VD傳給負載，電感兩端電壓呈現(xiàn)負電壓u=-UL c 在整個工作過程中，電容電流iC為電感電流與負載電流之差，其平均值為零。電容電壓u與負載電壓uc 即1(2√??) 1可基本消除輸出電壓中的脈動由于LC低通濾波器的作用輸出電流的諧波含量比輸入電流的諧波含量小得多，為減小換流器對電源的諧波干擾，一需采用輸入濾波器?？梢钥闯觯O管VD為續(xù)流二極管，為釋放電感中的能量提供通道。oL推導(dǎo)電路的輸出電壓U即：oL?????)????=????(???????) (3-23)因而，降壓型電路輸出電壓為：??=??????=???? (3-24)??0<<1式中為占空比定義為開關(guān)導(dǎo)通時間與開關(guān)周期的比即D＝t/t由于 D ，0<<1onoff因此降壓型電路的輸出電壓不可能高于其輸入電壓，且與輸入電壓極性相同。i 0 ii 0若忽略所有元件的損耗，則輸入功率等于輸出功率，即P=P，UI=i 0 ii 0????=????=1

(3-25)???? 在連續(xù)電流方式下，可把降壓換流器看作一直流變壓器，其等效變比可通過調(diào)節(jié)占空比在0到1之間連續(xù)變化。電感電流斷續(xù)工作模式StSttonoffOstUioOLtOStiittO t ttt1 2 3圖3-20降壓型電路電流斷續(xù)工作時的波形當(dāng)處于斷續(xù)工作方式時，該電路在1個開關(guān)周期內(nèi)相繼經(jīng)歷3時的波形如圖3-20所示。電流連續(xù)的臨界條件為：?? 1????

(3-26)降壓型電路常用于降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓器、不可逆直流電動機調(diào)速等場合。2、升壓斬波電路（Boost）平均直流輸出電壓高于直流輸入電壓的變換電路稱為升壓型斬波電路，電路構(gòu)成如圖3-21所示。該電路也存在電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)兩種工作過程。iLiLVDL+UCiu Ss-Uo圖3-21DC-DC變換電路電感電流連續(xù)工作模式ttttonofftittOuOiLOiSO t t t1 2圖3-22升壓型電路電感電流連續(xù)工作時的波形2的波形如圖3-22所示。L 當(dāng)t=0時，驅(qū)動開關(guān)管導(dǎo)通，二極管VD存在電感中不能輸出，電感電流線性上升。兩端呈現(xiàn)正向電壓u=UL =當(dāng)tt時，開關(guān)管關(guān)斷，輸入的能量與電感儲存的能量一起傳給負載，電感兩端電壓=1L i o u=U-U，電感釋放能量，電感電流線性衰減。uL i o ????+????)??????=0 (3-27)由此可得輸出電壓與占空比的關(guān)系為：1=11

(3-28)由于0<D<1性相同。應(yīng)注意，D→1時，Uo→∞，故應(yīng)該避免D過于接近1，以免造成電路損壞。i o ii o若忽略所有元件的損耗，則輸入功率等于輸出功率，即P=P,i o ii o=1? (3-29)????在連續(xù)電流方式下，升壓換流器也等效于直流變壓器，只是等效電壓比始終大于1，且可通過控制開關(guān)的占空比來連續(xù)控制。電感電流斷續(xù)工作模式3工作時的波形如圖3-23所示。StSttonoffOtUsiUoUiOLtOStiiO tt t t12 3圖3-23升壓型電路電流斷續(xù)工作時的波形升降型電路中電感電流連續(xù)的臨界條件如下：?? (1?)

(3-30)???? 2o i o UU/(1UUo i o 3、升降壓斬波電路（buck-boost）升降壓型電路的結(jié)構(gòu)和工作波形如圖3-24感電流斷續(xù)兩種工作模式。S VD+u+us-UCiLiULo電感電流連續(xù)工作模式

圖3-24升降壓型電路的結(jié)構(gòu)升降壓型電路工作于電感電流連續(xù)模式時，電路在一個開關(guān)周期內(nèi)相繼經(jīng)歷2個開關(guān)狀態(tài)，此時電路的工作波形如圖3-25所示。L 當(dāng)t=0時，驅(qū)動開關(guān)管導(dǎo)通，二極管反偏截止，使輸入輸出隔離，輸入的能量存儲在電感中不能輸出，電感電流線性上升，兩端呈現(xiàn)正向電壓u=UL =當(dāng)tt時，開關(guān)管關(guān)斷，二極管正偏導(dǎo)通，電感儲存的能量傳給負載，能量不能從=1L o 輸入端提供，u=U，uL o ??????+????(1? )??=0因此，輸出電壓比與開關(guān)通斷的占空比間的關(guān)系為：

(3-31)=?1?(3-32)上式中等式右邊的負號表示升降壓電路的輸出電壓極性與輸入電壓極性相反，其輸出電壓既可以高于其輸入電壓，也可以低于輸入電壓。StSttonoffOtUsiUioOLtOStiiO t t t1 2電感電流斷續(xù)工作模式

圖3-25電感電流連續(xù)工作時的波形當(dāng)處于斷續(xù)工作方式時，升降壓型電路在一個開關(guān)周期內(nèi)相繼經(jīng)歷3個開關(guān)狀態(tài)，電路的工作波形圖如圖3-26所示。SttonSttonoffOuUsUtioiiOLtiOSt1 2圖3-26電流斷續(xù)時的工作波形電感電流連續(xù)的臨界條件：??

(1?)22

(3-33)升降壓型電路可以靈活地改變電壓的高低，還能改變電壓極性，因此常用于電池供電設(shè)備中產(chǎn)生負電源的電路，還用于各種開關(guān)穩(wěn)壓器中。由于太陽能電池的輸出特性與外界環(huán)境密切相關(guān)，這就導(dǎo)致太陽能電池的工作狀態(tài)極不穩(wěn)定，因此要在太陽能電池的輸出端加一個儲能電容，假設(shè)Buck電路工作在連續(xù)狀態(tài)下，由于儲能電容的加入，在Buck電路功率開關(guān)管斷開時，太陽能電池對儲能電容進行充電，使太陽能電池一直保持在發(fā)電狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)Buck電路功率開關(guān)管的導(dǎo)通比，可實現(xiàn)對太陽能電池的最大功率點跟蹤，因此，Buck電路實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤，其儲能電容是必不可少的。但是在負載端大負荷工作時，為了滿足功率需求，儲能電容會進行大電流充放電，減少其使用壽命。另外，在小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列輸出電壓一般達不到并網(wǎng)要求，需要進Buck并網(wǎng)式發(fā)電系統(tǒng)太陽能電池最大功率跟蹤控制時，不選用Buck降壓電路。與之相比，Boost升壓變換電路可以根據(jù)太陽能電池的變化保證電路系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)下；同時，Boost升壓電路體積小、重量輕、效率高，由于電壓抬升的作用，太陽能電池陣列的輸入直流電壓范圍可以很寬。故針對太陽能電池最大功率點的跟蹤應(yīng)選用Boost升壓變換電路。Boost變換電路主要參數(shù)的設(shè)計Boost升壓變換器是實現(xiàn)最大功率跟蹤控制的核心部分之一，Boost電路設(shè)計的是否合理將直接影響系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。通過改變功率管的占空比來跟蹤太陽能電池的最大功率點，使太陽能電池間接向負載供電，但是任何器件的功率損耗都會影響整個系統(tǒng)的跟蹤精度，因此，對于Boost電路元器件的參數(shù)選擇也是至關(guān)重要的，下面介紹主要參數(shù)的選擇方法[14]。1、儲能電感的L的確定Boost3-21L兩部分，其中電流紋波分量為：在忽略電路損耗情況下有：

???=????

????=?????? (3-34)????????????=????????

(3-35)Iin為電源Uin流出的平均電流，等于流入電感的平均電流，即Iin=IL，故由公式(3-35)得到：????=????????=????

(3-36)???? 1L oin o I≥I/IU/U=1/(-L oin o 和公式(3-36)推得：21(1 D)2?????? (3-37)2考慮到電感的飽和影響與減小功率開關(guān)管IGBT的電壓損耗和峰值電流等問題，這里取儲能電感L中的紋波電流為：?????=????????????=(1.4~2)?? (3-38)????因為Uo=T/(T-ton)Uin,由35式和38式可導(dǎo)出：????=????????????=??2(??????????)????

(3-39)??1.4???? (1.4~2)????2??????根據(jù)系統(tǒng)容量由公式(3-39)即可求出儲能電感參數(shù)的大小。2、濾波電容C的確定ooBoost3-21SC存儲電能為負載端供電，電流為(-I)SLD導(dǎo)通，此時儲能電感釋放出的電能一部分為負載供電，電流為Ioo當(dāng)開關(guān)管S觸發(fā)導(dǎo)通時，濾波電容C上的電壓降為：()??? =??????????()??SC上的電壓升為：

(3-40))=1∫???????? (3-41)??0電路處于穩(wěn)態(tài)時，電路中的能量是守恒的，由此可知，濾波電容的充電和放電的電壓升降的絕對值應(yīng)為等同的，即：)=) (3-42)由公式(3-40)可知：

??????????=??????

(3-43)???() ???()????輸出電容容量的大小將決定輸出電壓紋波的大小，為了滿足濾波電容的紋波電壓相對值要求，濾波電容的選擇應(yīng)滿足下面的式子：?? ??????

(3-44)o其中ΔU=kU，ΔU為輸出電壓的紋波值，k為系統(tǒng)要求輸出電壓紋波值的百分比，因此由公式(3-44)即可求出濾波電容的參數(shù)大小。o最大功率跟蹤建模與仿真仿真模型的建立及參數(shù)的確定Discrete,Ts=5e-006s.Step

T+i+S I s+i+V -

powerguiStep1

PV CCSv+

gIGBT

Diode- Ud=380VE0.01Constant

IU D Dmmppt PWM3-27Boost電路的最大功率跟蹤系統(tǒng)0Constant11DZero-OrderHold2

Saturation

>=0Switch

1pwmRepeatingSequence

1Constant圖3-28PWM產(chǎn)生模塊仿真模型圖1I1st-OrderFilter -uUnaryMinusAdd Switch3 02U1st-OrderFilter1

-C--C-

|u|Abs1>

Switch Switch4-C-Switch2Add1Product1Product3m

|u|AbsSubtract

Switch11D圖3-29自適應(yīng)變步長的電導(dǎo)增量算法仿真模型STP250S-201000WMPPT算法，利用Matlab/Simulink[17]Boost3-27該仿真系統(tǒng)可以劃分為四大模塊：光伏陣列模塊、Boost主電路模塊、最大功率跟蹤控PWMBoost主電路模塊中各3-13-29A=3.8410-5=15.36×10-5d/dV|=～30。圖3-28PWM模塊，根據(jù)最大功率跟蹤控制模塊參數(shù)的設(shè)置，其參數(shù)設(shè)置為：三f=20kHz0.00045D=0.0001～0.00045。表3-1 Boost升壓電路的仿真參數(shù)項目光伏陣列

參數(shù)U=149.6V，Ioc U=122.8V，I

=8.63A，=8.15A輸入濾波電容Boost輸出濾波電容Ud開關(guān)頻率

m m500uf5mH1000uf380V20kHz仿真結(jié)果分析1000800w 60040020000 0.5 1t/s

vU1.5 2

1501005000 0.5 1t/s

1.5 2a)光伏陣列輸出功率 b)光伏陣列輸出電壓9.598.5AI 87.570 0.5 1t/s

1.5 2c)光伏陣列輸出電流圖3-30光照強度發(fā)生變化時MPPT跟蹤效果1000800w600400200

150100vU5000 0.5 1t/s

01.5 2 0

0.5 1t/s

1.5 2a)光伏陣列輸出功率 b)光伏陣列輸出電壓1098A7650 0.5 1t/s

1.5 2c)光伏陣列輸出電流圖3-31環(huán)境溫度發(fā)生變化時MPPT跟蹤效果ode453-30為光照強度突然發(fā)生變化時的t=0時光照強度S=800W/m2t=1s時光照強度突變?yōu)镾=1000W/23-31MPPTt=0Tair=2t=1sTair=550.3s內(nèi)迅速時，系統(tǒng)能夠在0.2s降低了系統(tǒng)的功率損失，還為后續(xù)電路的逆變環(huán)節(jié)提供了穩(wěn)定的直流電壓。4光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn)設(shè)計并網(wǎng)逆變器主電路的設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理就是利用光伏電池把光能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)過直流升壓、逆變處理后供給人類日常生活使用，而并網(wǎng)逆變器的主要任務(wù)是將光伏陣列輸出的直流電逆變?yōu)榭刹⒕W(wǎng)輸送的交流電，并網(wǎng)逆變器的性能也直接影響著電能質(zhì)量，因而它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。并網(wǎng)逆變器輸入輸出方式的確定光伏并網(wǎng)逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方法[14]。L+CDCdUuL+CDCdUu(t)Nd-ACI Ldd+DCCUdu(t)N-AC電壓型逆變器圖 b)電流型逆變圖4-1按輸入直流電源性質(zhì)分類的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖1、電壓型逆變器理想的逆變器，從直流變到交流的功率總是一定的，沒有脈動，直流電壓波形和電流波形中也不應(yīng)該產(chǎn)生脈動。但在逆變器的實際電路中，逆變器功率PPCd；當(dāng)負載功率因數(shù)變化時，交流輸出電壓的波形不變，即交流輸出電壓的波形與負Cd成方波。在逆變器中，與逆變開關(guān)并聯(lián)有反饋二極管，交流電壓與負載無關(guān)，是方波。d)關(guān)管之間進行的e)可以通過控制輸出電壓的幅值和波形來控制其輸出電壓。2、電流型逆變器當(dāng)逆變器的逆變功率P的脈動波形由直流電壓來體現(xiàn)時，稱之為電流型逆變器，如圖34所示，直流電源是恒流源。電流型逆變器的特點如下[18]：Ld；載無關(guān)，交流輸出電流的波形，通過逆變開關(guān)的作用，被直流電源電感穩(wěn)流成方波。在逆變器中，與逆變開關(guān)串聯(lián)有反向阻斷二極管，而沒有反饋二極管，所以在逆(部分能量)。的。可以通過控制輸出電流的幅值和波形來控制其輸出電流。在逆變器與電網(wǎng)進行并聯(lián)運行時，電網(wǎng)可以認為是一個無限大的交流電壓源。如果并網(wǎng)逆變器采用電壓控制的方式，此時系統(tǒng)就相當(dāng)于兩個電壓源進行并聯(lián)運行。為確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定并網(wǎng)運行，就必須采用鎖相控制技術(shù)，使逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓同步，并在此基礎(chǔ)上通過調(diào)整逆變器輸出電壓的幅值及相位來調(diào)節(jié)其輸出電流的大小，進幅值和相位一致，以減小并聯(lián)環(huán)流的產(chǎn)生。而對于采用電流控制方式的并網(wǎng)逆變器，只需要控制逆變器的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，同時設(shè)定輸出電流的大小，就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的并網(wǎng)運行，其控制方法相對簡單，效果好，因此得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)以上分析，本文的光伏并網(wǎng)逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即電壓型逆變器。采用電壓型逆變主電路，同時可以實現(xiàn)有源濾波和無功補償?shù)目刂?，在實際中已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，可以有效地進行光伏發(fā)電、提高供電質(zhì)量和減少功率損耗，并且可以節(jié)省相應(yīng)設(shè)備的投資。并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的確定**uo直流電壓源按逆變器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)，主要有半橋逆變器、全橋逆變器和推挽逆變器**uo直流電壓源圖4-2推挽式逆變器電路拓撲圖+-單相半橋電路在輸入端只能產(chǎn)生兩種電平，因此采用脈寬調(diào)制的方法在輸入端生成的是雙極性的脈寬調(diào)制波，其幅值為直流電壓的一半。它結(jié)構(gòu)簡單，但主要缺點是直流側(cè)電壓利用率低，在同樣的開關(guān)頻率下電網(wǎng)電流的諧波較大。拓撲結(jié)構(gòu)如圖4-3+-+-圖4-3+-圖4-4單相全橋逆變器電路拓撲圖4-4簡單且易于控制。其不足之處是要求較高的直流側(cè)電壓值。并網(wǎng)逆變器絕緣方式的確定絕緣方式、無變壓器絕緣方式]1、工頻變壓器絕緣方式L+TT+LiLTL+TT+LiLTTCiLCCTTTT--電壓型 b)電流型2

圖4-5采用工頻變壓器絕緣的逆變器主電路圖4-6為采用高頻變壓器絕緣方式的逆變器的主電路。圖中變換分為三級，第一級為SPWM高頻逆變器，通過高頻變壓器后整流濾波成直流，再經(jīng)工頻逆變器，變?yōu)楣ゎl正弦波電壓輸出。L+ T T1 3C C1 2T T2 4-

工頻逆變器圖4-6采用高頻變壓器絕緣的逆變器主電路高頻變壓器比工頻變壓器體積小，重量輕，成本低。但是經(jīng)過多級變換，回路較為復(fù)雜，效率問題比較突出。由于有SPWM控制和周波數(shù)變換，輸出波形畸變小，不需要強有力的濾波，不過高頻電磁干擾問題嚴重，要采用濾波和屏蔽等抑制措施。3、無變壓器方式+T1T3L1L2C1C2T2T+T1T3L1L2C1C2T2T4-圖4-7采用無變壓器無絕緣的逆變器主電路逆變器無變壓器絕緣方式主電路比工頻變壓器絕緣方式復(fù)雜一些，比高頻變壓器絕緣方式簡單，仍然是兩級變換，效率高。沒有變壓器，體積小、重量輕、成本低，是目前比較好的一種主電路方式，因此本文選擇無變壓器絕緣方式的逆變器。并網(wǎng)逆變器控制策略設(shè)計并網(wǎng)逆變器控制目標ILUILUoUgridθUUUL oUIUL grid圖4-8并網(wǎng)逆變器電路原理圖 圖4-9并網(wǎng)逆變器電路矢量圖如圖4-8所示，Uo為逆變器電路輸出電壓，Ugrid為電網(wǎng)電壓，L為串聯(lián)電感，IL為并網(wǎng)電流。為保證功率因數(shù)為1，并網(wǎng)電流的相位就必須與電網(wǎng)電壓相位完全一致。以Ugrid為參考，I與U 同相位，電感兩端電壓的相位則落后電網(wǎng)電壓的相900，其矢量如L grid圖4-9所示。由圖可知由于存在濾波電感當(dāng)使并網(wǎng)逆變器輸出的電流與電網(wǎng)電壓同相位時逆變電路輸出電壓U與電網(wǎng)電壓U 間存在相位差：o grid??=????+(4-1)上式中為電網(wǎng)角頻率。在實際電路中，U 的頻率、相位與幅值都可以通過鎖grid相得到。并網(wǎng)電流的相位角參考相位為市電電網(wǎng)的相位。利用電流傳感器實時檢測I，L以確保I與電網(wǎng)電壓的相位一致，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)發(fā)電[18]。L輸出電壓型控制策略IIref+Ic-控制器Uref*+++-比較器SPWM信號IgUoI過零g相位調(diào)整Uref圖4-10輸出電壓控制原理圖4-10所示為輸出電壓控制原理圖。采用并網(wǎng)電流IU；g ref*同時電流I的過零用于改變U的相位來調(diào)節(jié)輸出電壓的相位，使輸出電流I與電網(wǎng)電壓g ref g的相位差為零，即同相，以實現(xiàn)其向電網(wǎng)輸出功率大小的調(diào)節(jié)。由于此控制算法較難實現(xiàn)，因此通常不采用此方法對并網(wǎng)逆變器進行控制[20]。輸出電流型控制策略1，即要求輸出控制方式和固定開關(guān)頻率控制方式。1）電流滯環(huán)瞬時控制方式[12][21]電流滯環(huán)瞬時控制方式控制示意圖如圖所示，其外環(huán)是電壓反饋控制環(huán)，內(nèi)環(huán)PI控制器輸出電流幅值指令乘以表示網(wǎng)壓的單位正弦信號后，得帶中。這種方式中，滯環(huán)的寬度對電流的跟蹤性能有較大的影響。當(dāng)滯環(huán)寬度較大時，開關(guān)頻率較低，對開關(guān)器件的開關(guān)頻率要求不高，但跟蹤誤差較大，輸出電流中的高次諧波含量較大；當(dāng)滯環(huán)寬度較小時，跟蹤誤差較小，器件的開關(guān)頻率提高，對器件的開關(guān)頻率要求較高。電流滯環(huán)瞬時控制方式有以下特點：A、控制方法簡單，實時控制，電流響應(yīng)快；B、沒有斬波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量；Uref+Uref+-PII*i*+PWM波-Isinwtigout固定開關(guān)頻率控制方式

圖4-11滯環(huán)瞬時控制方式拓撲圖4-12所示。這種控制方法與電流滯環(huán)控制的區(qū)別在于從電流誤差信號得到最終控制逆變器的PWM(SPWM)信號，控制功率器件的導(dǎo)通或關(guān)斷。由滯環(huán)瞬時控制方式控制簡單，控制效果較好。固定開關(guān)頻率控制方式的特點：A、跟隨誤差大；B、硬件實現(xiàn)相對復(fù)雜；C、輸出電壓中諧波量較少，含有與三角波相同頻率的諧波；D、開關(guān)器件的開關(guān)頻率固定的等于三角載波的頻率；E、電流響應(yīng)相對于電流滯環(huán)瞬時控制方式較慢。UUref+-PII*i*+-P+ PWM波-Usinwtouti三角波out圖4-12固定開關(guān)頻率電流控制示意圖改進固定開關(guān)頻率電流控制方式[14]Uref+-PIIUref+-PII*i*+-P+++ PWM波-Usinwtiout交流側(cè)電壓out三角波

圖4-13改進固定開關(guān)頻率電流控制示意圖不帶阻尼的濾波器光伏并網(wǎng)逆變器輸出濾波器的類型主要有：L型、LC型和LCL型，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖4-14所示[11]。L逆變器 電網(wǎng)逆變

LL1LL1L2逆變器C電網(wǎng)L型濾波器 b)LC型濾波器 c)LCL型濾波器圖4-14三種常見濾波器拓撲結(jié)構(gòu)L型濾波器對輸出電流紋波有很好的抑制作用，但是對于高頻開關(guān)紋波的抑制作用相對較弱。而且要得到較好的電流紋波抑制作用，選取的電感較大，體積大，成本也無優(yōu)勢。LC型濾波器較L型濾波器在抑制高頻開關(guān)紋波方面有一定改進，對電流紋波也有LCLCL型濾波器集合了L型濾波器和LC型濾波器的優(yōu)點。它較LC1??(??)= 1 1??(??2??1??2????1??2)

(4-2)BodeDiagram50M

0-50-100-150-20010

102

104

106Frequency(red/sec)圖4-15LCL型濾波器幅頻特性曲線圖4-15給出了LCL型濾波器的幅頻特性曲線圖。由圖可知，在低頻段，幅頻特性以-20dB/dec的斜率衰減，而在LCL型濾波器的諧振頻率后，LCL型濾波器的幅頻特性曲線的斜率變?yōu)?60dB/decLCL在諧振點上存在尖峰，因此需要加入阻尼以抑制尖峰。逆變器側(cè)電感L的作用主要是抑制輸出電流紋波，其取值主要由輸出最大電流紋波1max ΔI決定，一般取ΔI為額定電流的15%～25%，本文取20%max ?????????=20%×式中：P——逆變器額定輸出功率；oU——逆變器額定輸出電壓。單級性調(diào)制下，輸出電流紋波為：o

??

(4-3)???=????????(??)×??(??)

(4-4)??1

??????式中：U——逆變器直流輸出電壓；du(t)——濾波器電容兩端電壓；cd(t)——占空比；f——開關(guān)頻率。sw由于諧波電流在輸出的正弦電流峰值附近脈動最嚴重，此時在電感L1兩端應(yīng)用伏秒平衡原理得：????????? ))×??)×????? )×1???))×=0 (4-5)式中：T——開關(guān)周期。s將公式(4-5)帶入公式(4-4)得：???=???????????)×??????)×1

(4-6)??1

????

??????由公式(4-6)可知，當(dāng)u(t)=0.5U時，輸出電流紋波最大，即c d?????????=

????4??1

(4-7)則聯(lián)立公式(4-3)和公式(4-7)，可得：????1 4?????????

(4-8)L型濾波器電感上的總壓降不能超過電網(wǎng)電壓的10%此情況下，設(shè)電感L1L2上總壓降為U，則：L=????×× 1+2)式中：I——額定輸出電流；Lω——工頻角頻率。G設(shè)電網(wǎng)電壓為E，又由于G

(4-9)≤聯(lián)立公式(4-9)和公式(4-10)得：1+2≤

????

(4-10)(4-11)10????????不同文獻對電網(wǎng)側(cè)電感L2的取值不同，一般取L1/L2的比值在4~6之間較合適[11]。LCL型濾波器電容CLCL頻率等因素確定。當(dāng)逆變器側(cè)電感L1及電網(wǎng)側(cè)電感L2固定時，濾波器的諧振頻率隨著電容C的增大而減小，更有利于抑制高頻諧波，但是隨著諧振頻率的減小，輸出諧波電流在諧振頻率附近的低次諧波電流的幅值又會增大。由于電流控制器的帶寬要小于諧振頻率，隨著諧振頻率的減小，電流控制器的設(shè)計難度也隨之增大。而且隨著電容的增大，電容上吸收的無功功率也隨之增大，電容上的諧波電流增大，從而使逆變器的輸出電流增大后引起系統(tǒng)損耗的增加。所以，輸出電容C的選擇是綜合考慮以上幾種因素的折中選擇。為了使輸出的功率因數(shù)不會過低，一般選擇電容上吸收的無功功率小于額定輸出功率的5%，則：??≤5%×

??????????2??

(4-12)為了得到較好的濾波效果，濾波器的諧振頻率不能設(shè)置的過高；為了降低電流控制器的設(shè)計難度及低次諧波幅值，濾波器的諧振頻率也不能設(shè)置的過低。一般設(shè)置濾波器的諧振頻率大于10倍的電網(wǎng)基波頻率，小于1/2倍的開關(guān)頻率，即2≤≤1(4-13)2式中：f——電網(wǎng)基波頻率；Gf——濾波器諧振頻率。R由式LCL型濾波器的傳遞函數(shù)可得，其諧振頻率為：????=

1√??1??2

(4-14)則將公式(4-14)代入公式(4-13)

??1??2??(??)2≤??1??2≤(??)??1??2??

(4-15)帶阻尼環(huán)節(jié)的濾波器從LCL型濾波器的幅頻特性曲線(圖4-16)4-16加入阻尼電阻后，LCL型濾波器的傳遞函數(shù)為：????(??)= ????????1????[??2??1??2??????????(??1??2)(??1??2)]

(4-16)LL1L2C逆變器電網(wǎng)Rd圖4-16LCL濾波器公式(4-16)與公式(4-2)型濾波器是由一個積分環(huán)無阻尼狀態(tài)。振蕩環(huán)節(jié)在諧振頻率處等幅振蕩，不穩(wěn)定。而加入阻尼電阻后，LCL型濾波器是由一個積分環(huán)節(jié)、一個比例微分環(huán)節(jié)及一個振蕩環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比為：ξ=????×√(??1??2)??

(4-17)2 ??1??2M

500-50-100-150

BodeDiagram-200

102

104

106Frequency(red/sec)圖4-17LCL型濾波器的幅頻特性曲線由公式(4-17)s平面的負半平面移動，諧振尖峰減小，振蕩環(huán)節(jié)趨于穩(wěn)定。但是由于加入了一個比例微-40dB/dec4-17給出了加入阻尼電阻后LCL型濾波器的幅頻特性曲線。除了以上幾點，選取阻尼電阻時還應(yīng)考慮功率損耗等因素。為了既能達到良好的抑制高次電流諧波的效果，又能有效的減小諧波尖峰，同時兼顧阻尼電阻上的功率損耗，一般選取阻尼電阻為諧振頻率電容阻抗的1/3，即：= 1 3×2??????×??

(4-18)=1000W=220fsw=20kHz，1電網(wǎng)頻率f=50HzL=9.15mH，1G2電網(wǎng)側(cè)電感L=1.83mH，電容C=9.288uF，阻尼電阻R=5Ω。2d調(diào)制方式的確定umumutr-utrtttttut1u0ut20ut3u0ut40圖4-18SPWM調(diào)制方式原理圖正弦脈寬調(diào)制[22](SPWM)技術(shù)因其控制簡單、輸出諧波可控、響應(yīng)速度快，是目前4-18分別與兩個極性相反的三角載波utr和-utr的脈沖序列ut1、ut2和ut3、ut4，分別驅(qū)動全橋逆變電路中四個功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使逆變橋輸出電壓的脈寬也按正弦規(guī)律分布。相比于單極性SPWM調(diào)制方式，在此種倍頻調(diào)制方式下，逆變器的開關(guān)管在高頻工作狀態(tài)下會增加開關(guān)管損耗，但單極性倍頻SPWM關(guān)頻率fs下，逆變器輸出電壓的脈動頻率被提高了一倍，就會使得輸出電壓諧波含量削同時也降低了系統(tǒng)的體積以及工藝成本。因此，為了讓輸出電感工作在高頻狀態(tài)以減小體積、抑制諧波和提高系統(tǒng)效率，本文的逆變器采用單級性倍頻的SPWM調(diào)制方式。本文選擇開關(guān)頻率fs=20kHz，則逆變器輸出電壓的實際載波頻率fc=2fs=40kHz。并網(wǎng)逆變器的建模與仿真Discrete,Ts=1e-005s.本文選取額定功率P=1000W網(wǎng)系統(tǒng)中直流母線電壓為350~400V，因此本文以U=400V的直流電壓源模擬并網(wǎng)系統(tǒng)的直流母線電壓，以220V/50Hz的交流電壓源模擬無窮大電網(wǎng)。利用Matlab/Simulink[17]臺搭建并網(wǎng)仿真模型如圖4-19LCL具體參數(shù)如下：L1=9.15mHL2=1.83mHDiscrete,Ts=1e-005s.L1powerguiL1powerguiL2+i-DC/ACcontrolDC/ACC+gDCAv-+-BR圖4-19逆變器仿真模型1I2 -K-UGain1

PID(s)PIDControllerSaturation

>=RelationalOperator1>=RelationalOperator

1PWM圖4-20DC/ACControl模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-19中DC/ACControl4-20根據(jù)前面的分析，本文采用固定開關(guān)頻率的電流閉環(huán)控制算法，模塊中的輸入電流I作為I=P/U，可以確定該控制系統(tǒng)的額定基準電流的幅值I*=6.4283A，為了保證基準電流的相位與電網(wǎng)電壓相位相同，本文利用電網(wǎng)電壓uG作為控制系統(tǒng)的另一個輸入端來構(gòu)成基準電流i*，即i*(6.4283/311)uG。設(shè)置仿真時間t=0.1s，逆變器開關(guān)頻率為fs=20kHz，仿真類型采用離散類型，仿真算法采用系統(tǒng)默認的ode45，采樣頻率取為100kHz。分別對閉環(huán)反饋的電流為iL2和iL1時進行仿真。由于系統(tǒng)要求并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，如果直接采用并網(wǎng)電流iL2作為電流閉環(huán)的反饋電流，針對這個參數(shù)的LCL濾波器，