光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其控制研究

PAGEiv中文摘要光伏并網(wǎng)發(fā)電可以高效的利用太陽能這種綠色清潔能源，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究成為發(fā)展趨勢和熱點(diǎn)。本論文在分析了光伏并網(wǎng)發(fā)電國內(nèi)外進(jìn)展的基礎(chǔ)上，本文分析了單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。在分析了不同控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用電流跟蹤控制和電網(wǎng)電壓前饋控制的策略，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。設(shè)計(jì)并制作了基于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的硬件電路，包括系統(tǒng)的主電路、信號的采樣與處理電路、PWM及SPWM信號的隔離與驅(qū)動電路以及電源電路。對這些電路的工作過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對電路中的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，完成了硬件電路的制作與實(shí)驗(yàn)調(diào)試。研究了最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)的原理和方法，并采用電導(dǎo)增量法來實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤關(guān)鍵詞：太陽能并網(wǎng)發(fā)電PWMMPPTPAGEivABSTRACTGrid-Connectedphotovoltaictechnologyisagoodwaytomakefulluseofsolarenergy,whichisgreenandclearenergy.thegrid-connectedphotovoltaicsystemhasbeenahotspot.Basedontheintroduceofthecurrentconditionofgrid-connectedphotovoltaicsystem，thebasicfoundmentalofGrid-Connectedphotovoltaicsystemisanalyzed.Afteranalyzedifferentcontrolstrategy,currentfollowupamethodisused.Mathematicmodelisestablished.Furthermore,Grid-Connectedphotovoltaiccircuitisdesigned,includingmaincircuit,signalsampleandprocesscircuit,PWMandSPWMwavegenerationcircuitandorderdriverandsourcecircuit.Thesecircuitoperationfoundamentalisanalyzedindetail.Circuitmanufactionanddebugisfinished.maximumpowerfollowtechniqueisstuded,andconductionincrementmethodisadopted.KEYWORDS：solarenergy,Grid-Connected,PWM,MPPTPAGEiv-ii--PAGEi-目錄MACROBUTTONInsertCrossReference第一章綜述 11.1課題研究背景 11.2國內(nèi)外光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究進(jìn)展 21.2.1國外進(jìn)展部分 21.2.2國內(nèi)進(jìn)展部分 41.3本論文的研究思路 6第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 72.1硅太陽電池的性能特點(diǎn) 72.2太陽能電池的模擬技術(shù) 102.3電源變換器 112.4系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 132.4.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成 132.4.2光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 152.4.3PI控制算法 162.5最大功率點(diǎn)跟蹤算法 172.5.1最大功率點(diǎn)跟蹤方法 172.5.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 19第三章軟硬件電路設(shè)計(jì) 203.1PWM信號的生成方法 203.1.1用于生成PWM信號生成Saber模型 203.1.2PWM波形生成的軟件實(shí)現(xiàn)方法 223.2BOOST變換器模塊 233.3加入PI反饋控制器的Boost電路 273.4SPWM波形生成模塊 303.5橋式逆變器模塊 32PAGEiv-ii--PAGEi-3.6控制電路工作原理 343.6.1輔助電源設(shè)計(jì) 343.6.2IGBT與MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 343.6.3橋式MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 363.6.4反饋調(diào)壓電路設(shè)計(jì) 373.6.5arm微控制器及外圍電路 383.7軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 393.8PCB制作及成品圖片 42第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 454.1實(shí)測各種波形 454.2數(shù)據(jù)記錄 474.3結(jié)論 48第五章總結(jié)和展望 495.1全文的總結(jié) 495.2展望和后續(xù)的相關(guān)工作 49參考文獻(xiàn) 51發(fā)表論文和科研情況說明 53致謝 54第一章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]綜述PAGEiv-PAGE54--PAGEi-綜述課題研究背景在跨入21世紀(jì)以來，人類正面臨實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)己經(jīng)成為全球熱點(diǎn)問題。而能源問題將更為突出，不僅表現(xiàn)在常規(guī)能源的匾乏不足，更重要的是化石能源的開發(fā)利用帶來了一系列問題，如環(huán)境污染，溫室效應(yīng)等都與化石燃料的燃燒有關(guān)。目前的環(huán)境問題，很大程度上是由于能源特別是化石能源的開發(fā)利用造成的，人類要解決這些能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源[1]。國際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測，全世界煤炭只能用220年，油氣開采峰值位于2012年，并將在30~60年后消耗殆盡。據(jù)估計(jì)我國的煤炭只可開采80年，天然氣可開采30年，石油可開采20年。同有限的化石燃料能源相比，太陽輻射能預(yù)計(jì)在100億年里可保持近似恒定的輻射輸出，堪稱無限的能源。太陽能每秒鐘到達(dá)地球的能量高達(dá)80萬千瓦，如果把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率為5%，那么每年發(fā)電量可達(dá)千瓦時，相當(dāng)于目前全世界能耗的40倍。光子能量完全可以轉(zhuǎn)換成人類需要的能源，其中，光能轉(zhuǎn)換為電能是最為重要的一種轉(zhuǎn)化過程，這是因?yàn)殡娔苁且环N高級的能源形式，電能可以方便地轉(zhuǎn)換成熱能、動力能、化學(xué)能等各種形式的能源，從而滿足人類生活、生產(chǎn)的不同需要[2]。因此，在尋找和開發(fā)新能源的過程中，人們很自然的把目光投向了各種可再生的替代能源，光伏發(fā)電就是其中之一。相對而言，目前這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展還處在初期階段，到2030年之后將會有很穩(wěn)定和很高的增長率，會成為可行的電力供應(yīng)者。除此之外，與其它的能源相比，太陽能是一種理想的可再生能源，開發(fā)利用太陽能的主要途徑是光伏發(fā)電，它具有如下優(yōu)點(diǎn):無噪聲、無污染，能量隨處可得且取之不盡，不受地域限制，可以無人值守，建設(shè)周期短，規(guī)模設(shè)計(jì)自由度大等，這些優(yōu)點(diǎn)都是常規(guī)發(fā)電和其他發(fā)電方式所不能比擬的[3]。因此，開發(fā)利用太陽能己成為世界上許多國家可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略決策。光伏發(fā)電己經(jīng)在許多應(yīng)用領(lǐng)域都被證明在技術(shù)上是成熟的，在經(jīng)濟(jì)上是合算的。分析表明第一章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]綜述PAGEiv-PAGE54--PAGEi-，在目前光伏電站有效系統(tǒng)功率與輸電距離的比值小于100瓦/公里時，建光伏電站較常規(guī)電網(wǎng)延伸供電經(jīng)濟(jì)。因此，陽光發(fā)電是解決我國邊遠(yuǎn)地區(qū)和特殊領(lǐng)域供電的重要途徑。我國是個發(fā)展中國家，地域遼闊，有許多邊遠(yuǎn)省份和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前尚有約900萬戶、2800萬人口還沒有用上電，60%的有電縣嚴(yán)重缺電。一些地區(qū)的農(nóng)牧民，居住分散，遠(yuǎn)離電網(wǎng)，而且用電水平很低，平均年用電僅為120千瓦時，在10年甚至20內(nèi)都不可能靠常規(guī)電力解決他們的用電問題，光伏發(fā)電則是解決分散農(nóng)牧民用電的理想途徑，市場潛力十分巨大[5]。目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類:(1)離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)。這是一種常見的太陽能應(yīng)用方式，在國內(nèi)外應(yīng)用己有若干年。系統(tǒng)比較簡單，而且適應(yīng)性廣。只因其一系列種類蓄電池的體積偏大和維護(hù)困難而限制了使用范圍。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)用電負(fù)荷較大時，太陽能電力不足就向市電購電;而負(fù)荷較小時，或用不完電力時，就可將多余的電力賣給市電。在背靠電網(wǎng)的前提下，該系統(tǒng)省掉了蓄電池，從而擴(kuò)張了使用的范圍和靈活性，并降低了造價。離網(wǎng)和并網(wǎng)兩者混合系統(tǒng)，這是介于上述兩個方之間的系統(tǒng)。該方案有較強(qiáng)的適應(yīng)性，例如可以根據(jù)電網(wǎng)的峰谷電價來調(diào)整自身的發(fā)電策略。但是其造價和運(yùn)行成本較上述兩種方案高。從遠(yuǎn)期看，光伏并網(wǎng)發(fā)電將以分散式電源進(jìn)入電力市場，并部分取代常規(guī)能源;從近期看，光伏并網(wǎng)發(fā)電可以作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，解決特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如通信、信號電源，和邊遠(yuǎn)無電地區(qū)民用生活用電需求，從環(huán)境保護(hù)及能源戰(zhàn)略上都具有重大的意義國內(nèi)外光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究進(jìn)展國外進(jìn)展部分在國外，近年來太陽能光伏電源己開始由補(bǔ)充能源向替代能源過渡，并從偏遠(yuǎn)無電地區(qū)中火功率的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的方向發(fā)展。我國光伏技術(shù)雖然經(jīng)過40年的努力，已具有一定的水平和基礎(chǔ)。但是，與世界先進(jìn)國家相比仍有不少的差距。目前我國光伏產(chǎn)品的市場份額為:啟用光伏電源和獨(dú)立光伏電站占30%，通信領(lǐng)域占40%，鐵路、公路信號源、氣象臺站電源等其他工業(yè)領(lǐng)域占20%，各種民用商品占10%。隨著常規(guī)能源資源的有限性和環(huán)境壓力的增加，使世界上許多國家重新加強(qiáng)了對新能源和可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持。近幾年，國際光伏發(fā)電迅猛發(fā)展。世界光伏組件在過去巧年平均年增長率約15%。90年代后期，發(fā)展更加迅速，最近3年平均年增長率超過30%。1999年光伏組件生產(chǎn)達(dá)到200MW。在產(chǎn)業(yè)方面，各國一直通過擴(kuò)大規(guī)模、提高自動化程度、改進(jìn)技術(shù)水平、開拓市場等措施降低成本，并取得了巨大進(jìn)展。商品化電池效率從10%－13%提高到13%~15%，生產(chǎn)規(guī)模從1MW/年發(fā)展到5MW/年，并正在第一章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]綜述PAGEiv-PAGE54--PAGEi-向50MW甚至100MW擴(kuò)大;光伏組件的生產(chǎn)成本降到3美元/W以下[6]。發(fā)展中國家印度處于領(lǐng)先地位，目前有50多家公司從事與光伏發(fā)電技術(shù)有關(guān)的制造業(yè)，其中有6個太陽電池制造廠和12個組件生產(chǎn)廠，累計(jì)裝機(jī)容量約40MW[7]。國際光伏發(fā)電正在由邊遠(yuǎn)農(nóng)村和特殊應(yīng)用向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑結(jié)合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電己由補(bǔ)充能源向替代能源過渡。到目前為止，世界太陽電池年銷售量己超過60兆瓦，電池轉(zhuǎn)換效率提高到12%以上，系統(tǒng)造價和發(fā)電成本己分別降至4美元/峰瓦和25美分/度電;在太陽能利用方面，由于技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用規(guī)模越來越大，僅美國太陽能熱水器年銷售額就逾10億美元。太陽能熱發(fā)電在技術(shù)上也有所突破，目前己有20余座大型太陽能熱發(fā)電站正在運(yùn)行或建設(shè)。并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，從1994年后迅速發(fā)展，到2003年己占當(dāng)年太陽能發(fā)電設(shè)備市場的55%。其中比較突出的是美國，1997年提出的“百萬太陽能屋頂計(jì)劃”，按每戶3kw計(jì)算，計(jì)劃到2010年將在100萬個用戶屋頂上安裝共計(jì)3000MW的太陽能發(fā)電設(shè)備。德國1999年開始實(shí)施的10萬太陽能屋頂計(jì)劃，在2005年安裝共計(jì)300~SOOMW的太陽能發(fā)電設(shè)備。日本從1994年開始發(fā)展并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，到2004年已安裝58000套，到2008年要達(dá)到247600套，。日本為了發(fā)展并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，把它作為一種新的家用電器來對待，突破關(guān)鍵技術(shù)，降低成本。這其中包括把太陽電池的轉(zhuǎn)換效率提高到15%以上，發(fā)展新型的高頻變壓器絕緣方式或正激變壓器絕緣方式逆變器。據(jù)資料介紹，2005年日本太陽電池價格為140日元/W，并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備價格為370日元/W，發(fā)電成本為30日元/kW·h。2010年將分別下降為120日元/W，300日元/W和25日元/kw·h。2020年將分別下降為60日元/W，200日元/W和巧日元//kw。到那時完全可以和火力發(fā)電價格相競爭。然而，在開發(fā)太陽能技術(shù)的過程中，人們把大部分注意力都放在了如何提高光電池的效率上。但另一個不能忽略的重要問題是，如何設(shè)計(jì)將電池產(chǎn)生的直流電高效率地轉(zhuǎn)換成交流電的電路。為了在成本上與燃燒媒、石油等化石燃料的發(fā)電方式相競爭，提高逆變器每一個百分點(diǎn)的效率都是非常重要的。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要組成部分之一，80年代末日本學(xué)者.Nonaka等率先研制成功一種電流源型光伏陣列并網(wǎng)逆變器。這種并網(wǎng)逆變器較好地適應(yīng)了光伏電池類似電源的特性，取得了較好的性能。但由于采用了電流源逆變主電路，使主電路及控制復(fù)雜化，因而沒有得到很好的發(fā)展。90年代以來，隨著電力電子及控制技術(shù)的發(fā)展，電壓型PWM可逆變流技術(shù)越趨成熟。由于其優(yōu)越的雙向功率變流及其電流控制性能，使這類技術(shù)直接應(yīng)用于光伏陣列的并網(wǎng)發(fā)電，并獲得了網(wǎng)側(cè)正弦波電流特性，真正實(shí)現(xiàn)了“綠色”電能變換[8]。第一章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]綜述PAGEiv-PAGE54--PAGEi-隨著技術(shù)的不斷更新，控制電路中的調(diào)制技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，其中SPWM調(diào)制與滯環(huán)調(diào)制是目前逆變器中最常見的兩種調(diào)制方式，它們分別從數(shù)字通信的脈寬調(diào)制和Delta調(diào)制發(fā)展而來。通信中調(diào)制的目的是為了遠(yuǎn)距離傳輸信號，而在電力電子裝置中則是為了減小系統(tǒng)的體積、提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和降低輸出諧波含量。從改善輸出波形國內(nèi)進(jìn)展部分我國是以煤炭為主要消費(fèi)能源的國家。較之以油、氣為主的能源消費(fèi)主流方式，能源結(jié)構(gòu)很不合理。在相當(dāng)長的歷史時期，我國曾把發(fā)展能源、交通作為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展重點(diǎn)，對能源資源過度的開采和粗放型使用，不惜以環(huán)境污染作為代價，試圖突破能源和交通，致使我國現(xiàn)在的能源開發(fā)面臨著極大的挑戰(zhàn)。況且，我國太陽能資源非常豐富，與同緯度的其他國家相比，與美國相近，比歐洲、日本優(yōu)勢大得多，開發(fā)和利用太陽能資源對解決我國的能源問題有著很重要的作用。但是，我國太陽能光伏技術(shù)開始于20世紀(jì)70年代，開始時主要運(yùn)用于空間技術(shù)，而后逐漸擴(kuò)大到地面并形成了中國的光伏產(chǎn)業(yè)。目前我國已經(jīng)成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)和銷售國，產(chǎn)值突破100億元，技術(shù)水平也處于國際先進(jìn)行列。但在光伏工業(yè)和太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域與國外還有相當(dāng)?shù)牟罹唷Ｔ趪鴥?nèi)，光伏發(fā)電的應(yīng)用主要集中于農(nóng)村電氣化和離網(wǎng)型光伏產(chǎn)品。以前阻礙光伏推廣的最直接因素是政策和成本，但在氣候變化和能源短缺的背景下，太陽能發(fā)電越來越受到國家和投資者的重視。因而，1995年國家計(jì)委、科委和經(jīng)貿(mào)委就制定了《新能源和可再生能源發(fā)展綱要》。綱要明確提出了我國在1996年~2010年間新能源和可再生能源的發(fā)展目標(biāo)任務(wù)以及相應(yīng)的對策和措施。1996年9月，“世界太陽能高峰會議”提出了在全球無電地區(qū)推行“光電工程”的倡議時，中國政府立即做出積極響應(yīng)，制定并實(shí)施了“中國光明工程”的計(jì)劃。2005年3月，正式頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，并將于2006年開始實(shí)施。該政策的出臺，促進(jìn)了太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使太陽能光伏發(fā)電量上升到一個新的水平。截止到2006年，中國國內(nèi)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)為8萬千瓦，累計(jì)總投資40多億元人民幣，中國可再生能源計(jì)劃和國家送電到鄉(xiāng)工程，已利用太陽能發(fā)電為我國內(nèi)蒙古、甘肅、新疆、西藏、青海和四川等地共16萬無電戶解決了用電問題[8]第一章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]綜述PAGEiv-PAGE54--PAGEi-。但是，在過去30多年里，盡管光伏發(fā)電的成本由每度5美元下降到0.5美元左右，但是其成本仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)電價。又由于電力部門尚未正式接受光伏發(fā)電上網(wǎng)，并網(wǎng)型的光伏市場沒有真正啟動。根據(jù)專家的測算，到2010年我國并網(wǎng)光伏發(fā)電安裝量占光伏發(fā)電的20%，從2010年到2020年，中國光伏發(fā)電將會由離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)。2020年和2050年將分別上升至60%和80%目前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽電池發(fā)出的電能給蓄電池電，而蓄電池直接給負(fù)載供電，如我國西北地區(qū)使用較多的太陽能戶用照明系統(tǒng)及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但于負(fù)載直流電壓的不同(如12V、24V、48V等)，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性特別是民用電力，又由于大多為交流負(fù)載，以直流電力供電的光伏電源很難作為民品進(jìn)入市場。另外，光伏發(fā)電最終將實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，這就必須采用成熟的市場模今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流[9]。我國光伏應(yīng)用己經(jīng)進(jìn)行了許多研究，開發(fā)了各種光伏系統(tǒng)的控制器及逆變器，光伏水泵已形成一定生產(chǎn)能力，各種太陽能燈具已推廣應(yīng)用，各種級別的并網(wǎng)逆器己開始結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行研制。但是，光伏用的控制器、逆變器等關(guān)鍵平衡設(shè)從總體上說，技術(shù)性能不夠高，可靠性尚低，品種規(guī)格少，功能不多，與國外產(chǎn)品有不小差距，特別是并網(wǎng)逆變器和智能控制器差距更大。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分為可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)(帶少量蓄電池)和不可調(diào)度式并系統(tǒng)(不帶蓄電池)，后者由于沒有蓄電池，造價相對較低，但由于不能夠控制網(wǎng)時間，作為調(diào)峰使用效果較差，這類并網(wǎng)系統(tǒng)要求逆變器只有單一的并網(wǎng)工作式，當(dāng)電網(wǎng)失電時停止工作。國外開發(fā)可調(diào)度性并網(wǎng)系統(tǒng)的目的是電網(wǎng)調(diào)峰，雖帶有蓄電池，但其容量只要求滿足每天3到4個小時調(diào)峰，不如獨(dú)立光伏系統(tǒng)要求存儲量滿足3天使用，因此造價比獨(dú)立光伏系統(tǒng)大大下降。由于上網(wǎng)時間可以控制，可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰效果大大提高，深受電力部門的歡迎。可調(diào)度式并網(wǎng)系要求逆變器同時具有獨(dú)立工作和并網(wǎng)工作兩種模式，具有更大的靈活性，更容易電力部門作為電力調(diào)峰所接受。目前關(guān)于可調(diào)度型并網(wǎng)逆變器的研制方案大多是用80C9616位單片機(jī)配合D/A轉(zhuǎn)換和MOSFET功率模塊實(shí)現(xiàn)的。這種電路簡單實(shí)施，但所需的外圍電路較多，且功能簡單。第一章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]綜述PAGEiv-PAGE54--PAGEi-目前，逆變電源控制方式大多采用正弦波脈寬調(diào)制，即所謂的SPWM技術(shù)。控制電路大多采用模擬方法實(shí)現(xiàn)，模擬控制技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟，但其存在很以逆變電源數(shù)字化控制是發(fā)展的趨勢，是現(xiàn)代逆變電源研究的一個熱點(diǎn)。由于我國并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備還未形成規(guī)模生產(chǎn)，如何正確選定并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備用逆變器和控制器，提高并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，降低供電成是太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必須面對的一個重要課題本論文的研究思路本文分析了單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。分析了不同主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。在分析了不同控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用電流跟蹤控制和電網(wǎng)電壓前饋控制的策略，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。設(shè)計(jì)并制作了基于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的硬件電路，包括系統(tǒng)的主電路、信號的采樣與處理電路、PWM及SPWM信號的隔離與驅(qū)動電路以及電源電路。對這些電路的工作過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對電路中的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，完成了硬件電路的制作與實(shí)驗(yàn)調(diào)試。研究了最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)的原理和方法，并采用電導(dǎo)增量法來實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤。設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)如下：具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能：RS和RL在給定范圍內(nèi)變化時，使，相對偏差的絕對值不大于1%。實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制及數(shù)碼顯示；實(shí)現(xiàn)了輸出電壓可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍：AC12.3V-50V；（4）實(shí)現(xiàn)了輸出頻率可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍：30Hz-250Hz。（5）當(dāng)RS=RL=30Ω時，DC-AC變換器的效率≥60%。（6）當(dāng)RS=RL=30Ω時，輸出電壓uo的失真度THD≤5%。第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)硅太陽電池的性能特點(diǎn)太陽電池是一種對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如:單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化稼，硒錮銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，當(dāng)光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P一N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的的實(shí)質(zhì)是:光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。太陽能電池主要由下面的幾個部分組成[10]：基體材料：用于制備空間用硅太陽電池的基體材料為硅單晶，對材料的基本要求在GJB431-92中作了規(guī)定，其主要技術(shù)要求包括單晶制備方法、導(dǎo)電類型、基體電阻率、晶向、少數(shù)載流子壽命和位錯密度PN結(jié)，是構(gòu)成太陽電池的核心，制備PN結(jié)是制造太陽電池的關(guān)鍵，所謂PN結(jié)制備是在一塊具有確事實(shí)上導(dǎo)電類型的基體上再摻雜另一種不同導(dǎo)電類型的元素，形成一個勢壘區(qū)。這個區(qū)域稱為太陽電池的PN結(jié)。上下電極：在已制備PN結(jié)硅單晶上，制作一層金屬后，才成為一個可輸出電能的器件即電極。對N+P結(jié)構(gòu)的太陽電池而言，N+層為電池的光照面，其上制備上電極，與電池背面接觸的電極稱為下電極。采用鈦鈀銀三種金屬作為電極材料。電極的結(jié)構(gòu)中通常下電極為全覆蓋形式，而電池光照面上的電極設(shè)計(jì)要綜合考慮減少電極對電池的遮擋面積和由電極引起的串聯(lián)電阻。通常使用梳狀或王字形電極減反射膜，因?yàn)槿肷涞焦饬恋墓璞砻婀饽苡薪?/3被反射掉，為了減少對光反射損失，在光照面上要鍍一層多層減反射膜，來提高電池對光能的利用率。電陽電池的評價和判斷光照時性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)有4個主要的參數(shù)：短路電流、開路電壓、轉(zhuǎn)換效率和填充因子。當(dāng)受到光照時，光生電流流過負(fù)載，并在負(fù)載兩端建立起電壓，其等效電路如下：太陽電池可看成一個由一個能恒定產(chǎn)生光電流IL的電流源、一個與之相并聯(lián)第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-的處于正偏壓的處于正偏壓下的二極管和負(fù)載電阻三部分組成，太陽電池受光照后產(chǎn)年的光電流中一部分流過二極管，稱為正向電流ID，余下部分流過負(fù)載電阻，稱為負(fù)載電流I。在實(shí)際太陽電池中，存在串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh，其實(shí)際的等效電路如下：圖2－1中顯示的是常用的光照太陽能電池的電流一電壓特性曲線，如果太陽能電池(組件)電路短路，即U=0，此時的電流為短路電流Isc。如果電路開路，此時的電壓為開路電壓Uoc。太陽能電池(組件)的輸出功率等于流經(jīng)該電池的電流與電壓的乘積[11]。圖2－1太陽能電池的輸入輸出特性當(dāng)太陽能電池(組件)的電壓上升時，電池的輸出功率亦開始增加;當(dāng)電壓達(dá)到一定值時，功率可達(dá)到最大，這時當(dāng)阻值繼續(xù)增加時，功率將躍過最大點(diǎn)，并逐漸減少至0，即電壓達(dá)到開路電壓Uoc。電池輸出功率達(dá)到最大的點(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn);該點(diǎn)的功率，則稱為最大功率Pmax。溫度的變化會顯著改變太陽能電池的輸出特性。由半導(dǎo)體物理理論可知，載流子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而增大，因此，光生電流工L也隨溫度的升高有所增加。對于硅材料來說，電池的工作溫度每升高1℃，開路電壓約下降ZmV，大約是正常室溫時的0.55V的0.4%。隨著溫度的升高，電池的光電轉(zhuǎn)換效率會下降由若干太陽能電池組件或太陽能電池板按一定的機(jī)械和電氣方式組裝在一起稱為太陽能電池陣，它有固定的支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成直流發(fā)電單元。一般含有太陽電池電路、基板、連接架、壓緊及展開機(jī)構(gòu)等。按對日定向方式分為定向式和不定向式兩種。定向式太陽電池陣又分成單軸定向太陽能電池陣和雙軸定向太陽能電池陣。前者采用單軸轉(zhuǎn)動方式來跟蹤太陽，這種方式不能很精確的跟蹤太陽，為了盡可能跟蹤太陽可在安裝時預(yù)設(shè)一個安裝角；后者用兩根不同方向軸轉(zhuǎn)動來跟蹤太陽，可以更準(zhǔn)確的跟蹤太陽以獲得最大的輸出功率。一般應(yīng)用的太陽電池陣都是無聚光器式太陽電池陣，但在某些應(yīng)用中采用鏡子或透鏡來增加照射到太陽電池上的陽光，達(dá)到增加太陽能電池陣功率的目的，這種太陽能電池陣稱為聚光太陽電池陣[12]。第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi- 太陽電池陣的電性能設(shè)計(jì)主要包括單體太陽電池的選擇、太陽電池組件的研制和太陽電池陣的設(shè)計(jì)和組裝。單體太陽電池是組成太陽電池陣的基礎(chǔ)，正確合理選擇太陽電池對太陽電池陣的設(shè)計(jì)至關(guān)千重要。選擇太陽電池基本原則是選擇性能優(yōu)良、技術(shù)成熟、能批量生產(chǎn)的電池。太陽電池的關(guān)鍵參數(shù)是光電轉(zhuǎn)搗效率、抗輻照能力以及開路電壓和短路電流、填充因子等。按材料分主要有硅太陽電池和砷化鎵太陽電池兩種，硅太陽電池主要有常規(guī)硅太陽電池、淺結(jié)、密柵、背反射和背場背太陽電池。其中常規(guī)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率相對較低（10%左右），抗輻照性能好，技術(shù)和工藝相當(dāng)成熟，成本較低。背表面反射電池(BSR)轉(zhuǎn)換效率較高(12%以上)抗輻照性能好，在1MeV能量，累計(jì)通量電子數(shù)/cm2情況下，BSR硅太陽電池歸一化后最大衰減小于18%，對抗輻照性能有較高要求場合應(yīng)選BSR電池。背表面場太陽電池(BSFR)轉(zhuǎn)換效率14%以上，但耐輻照性能較差，電池性能衰減較快。砷化鎵太陽電池的轉(zhuǎn)換效率較高（19%－24%）、耐輻照、溫度特性好，由于目前工藝材料的限制，價格昂貴[13]。成本最低的鍺襯底砷化鎵太陽電池的價格大約是硅太陽電池的6倍以上，對于那些功率要求較大，又受布片面積限制的場合必須采用此類太陽電池。太陽電池的組件是組成太陽電池陣的基本單元，主要由整體電池、旁路二極管、隔離二極管組成。其中整體電池是將已選取的裸體電池加上抗輻射蓋片和連接條。蓋片的作用是提高太陽電池?zé)彷椛浔绢I(lǐng)，以降低太陽電池的工作溫度提高效率，常用的有熔融石英蓋片和摻鈰玻璃蓋片。太陽電池的另一個重要元件是互連條，它把單片太陽電池并聯(lián)或串聯(lián)起來。它可以簡單地由一根導(dǎo)線組成，但一般都用金屬網(wǎng)格和蝕刻或沖剪成形的金屬條構(gòu)成，它必須導(dǎo)電性能好、耐溫度交變、耐振動、沖擊性能好，可靠性高。太陽能電池陣那些受遮擋的電池可能會由于高反向電壓而受到過量加熱形成所謂熱斑，如果太陽電池在12分種或更長時間受到超過15V反向電壓，電池的功率會發(fā)生一定的永久性損失。安裝旁路二極管就可以限制這種有害高反向偏壓，避免出現(xiàn)熱斑，保護(hù)太陽電池陣，它安裝在太陽電池并聯(lián)條的兩端和太陽電池反向連接。當(dāng)太陽電池組件沒有受到遮擋時旁路二極管處于反向偏置；如果有電池被遮擋或破裂，流過該電池所在并聯(lián)條的電流就要受到限制，并聯(lián)條自動變成反向偏壓而旁路二極管成正向偏置。隔離二極管的作用是隔離太陽電池和母線的作用，因?yàn)槲词芄庹仗栯姵亟M件相當(dāng)于一串串聯(lián)在一起的二極管，它們以正向?qū)ǚ绞浇拥教栯姵仃嚨妮敵瞿妇€上，如果接到母線上所有并聯(lián)太陽電池不接隔離二極管未受光照太陽電池組件成為一個負(fù)載，將增加電池陣的功率消耗。太陽能電池陣的總體布局是要在布貼太陽電池的基板上盡可能多排列太陽電池組件以獲得大的輸出功率，并安排好太陽電池組件匯流條、導(dǎo)線的安裝位置。太陽電池陣的電纜質(zhì)量也很重要，它包第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-括電纜引線和接插件，使用銅導(dǎo)線，常用多股絞合線。太陽陣電池陣做為新能源已經(jīng)越越受到人們的重視太陽能電池的模擬技術(shù)[13]為了對電陽能電池陣進(jìn)行調(diào)試，需要太陽能電池的模擬技術(shù)，太陽能模擬器的作用有兩個。一個是模擬產(chǎn)生太陽電池陣的I－V輸出特性，另一個是動態(tài)改變I-V輸出特性。各分陣模擬器經(jīng)隔離二極管并接在一起，形成供電主母線，每個分陣模擬器由隔離數(shù)字接口、開路電壓D/A，短路電流D/A，曲線形成電路、功率輸出和過壓保護(hù)電路幾個部分組成。來自計(jì)算機(jī)或手控裝置的控制數(shù)據(jù)經(jīng)隔離數(shù)字接口電路鎖存后分別送到開路電壓D/A和短路電流D/A，它們輸出的模擬量分別代表了開路電壓和短路電流的大小，并控制曲線形成電路，產(chǎn)生需要的I-V曲線，改變送往數(shù)字接口電路的控制數(shù)據(jù)，就可改變I-V曲線，因此通過軟件編程可很容易實(shí)現(xiàn)對太陽電池輸出特性的實(shí)時模擬。曲線形成電路是根據(jù)設(shè)定開路電壓、短路電流值大小產(chǎn)生相對應(yīng)的I-V曲線，并在負(fù)載發(fā)生變化時，改變工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，曲線形成電路如圖2－2所示。圖2－2太陽能電池模擬器原理圖 A1開路電壓調(diào)節(jié)放大器，A2為短路電流調(diào)節(jié)放大器，A2的輸出電壓以電壓電流變換器控制輸出電流的大小，當(dāng)輸出電壓小于Vf1時A1輸出為負(fù)，二極管由于反偏而截止。輸出電流由Vf2大小決定，等于短路電流。隨著負(fù)載電阻的增大，輸出電壓Vo逐漸升高。當(dāng)Vo接近于Vf1時，A1輸出為正，二極管由于正偏而開始導(dǎo)通。這時A2的輸出電壓等于Vf2與二極管的電壓之差，輸出電壓開始減少，至使輸出負(fù)載電流按指數(shù)形式隨之下降。當(dāng)輸出電壓Vo增加到使二極管電壓等于Vf2時，輸出負(fù)載電流下降到零，這時輸出電壓Vo就等于開路電壓Voc。這樣利用二極管指數(shù)特性使電流減少量作為輸出電壓的函數(shù)，就可精確地模擬太陽電池陣的I-V特性曲線。第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-電源變換器常用的電源變換器有DC-DC變換器和DC-AC變換器兩種，DC-DC變換器有降壓型、升壓型、和降壓升壓型三種[14]。降壓型DC-DC變換器又稱串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器，圖2－3是這種調(diào)節(jié)器的原理圖。圖2－3降壓式DC－DC變換器原理圖當(dāng)控制信號為正半波時，晶體管T導(dǎo)通，續(xù)流二極管D因此反偏截止。輸入電源通過電感L向負(fù)載供電，并同時向?yàn)V波電容C充電，此時電感L處于儲能狀態(tài)。當(dāng)控制信號為負(fù)半波時，晶體管T截止。由于通過儲能電感L的電流不能突變，所以在它兩端感應(yīng)出一個左負(fù)右正的自感電勢，使續(xù)流二極管導(dǎo)通。此時儲能電感L便把原先儲存的磁能轉(zhuǎn)換成電能。降壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓為：（2－1）其中為母線電壓；Q為控制脈沖的占空比；Vin為輸入電壓。 升壓型調(diào)節(jié)器又稱并聯(lián)型開關(guān)調(diào)節(jié)器，它的原理圖如下圖2－4升壓式DC-DC變換器原理圖在圖2－4中，當(dāng)晶體管T導(dǎo)通時，輸入電壓全部加到電感L上并以電磁能的形式儲存在電感中，在此期間，負(fù)載由電容器C供電；當(dāng)晶體管T截止時，在電感L中的感應(yīng)電勢與蓄電池電壓疊加起來向電容C充電并給負(fù)載供電，從而在輸出端形成高于輸入的電壓。T導(dǎo)通期間，電感L上的電壓跳變的幅值與控制脈沖的占空比Q有關(guān)，Q愈大，導(dǎo)通時間愈長，Lr峰值電流愈大，儲存的能量也愈多，在晶體管截止期間的感應(yīng)電壓也愈高第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-（2－2）完成DC到AC的轉(zhuǎn)換需要用到逆變器，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是核心部分。其主要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送入電網(wǎng)。當(dāng)然也要有完善的并網(wǎng)保護(hù)功能，保證系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行。根據(jù)太陽能發(fā)電用逆變器分為以下幾種形式[15]:(l)工頻變壓器絕緣方式用于獨(dú)立型太陽能發(fā)電設(shè)備，可靠性高，維護(hù)量少，開關(guān)頻率低，電磁干擾小。(2)高頻變壓器絕緣方式用于并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備，體積小，重量輕，成本低。要經(jīng)兩級變換，效率問題比較突出，采取措施后，仍可達(dá)到90%以上，高頻電磁干擾嚴(yán)重，要采用濾波和屏蔽措施。(3)無變壓器非絕緣方式本來希望進(jìn)一步降低成本，從兩級變換變?yōu)閱渭壸儞Q，提高效率，使它成為并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備中更理想的逆變器，但是使用中出現(xiàn)一系列問題。無變壓器非絕緣方式逆變器不能使輸入的太陽電池與輸出電網(wǎng)絕緣隔離，輸入的太陽電池矩陣正、負(fù)極都不能直接接地。太陽電池矩陣面積大，對地有很大的等效電容存在，將在工作中產(chǎn)生等效電容充放電電流。其中低頻部分，有可能使供電電路的漏電保護(hù)開關(guān)誤動作。其中高頻部分，將通過配電線對其他用電設(shè)備造成電磁干擾，而影響其他用電設(shè)備工作。這樣，必須加濾波和保護(hù)，達(dá)不到降低成本的預(yù)期效果。(4)正激變壓器絕緣方式是在無變壓器非絕緣方式使用效果不佳之后開發(fā)出來的，既保留了無變壓器非絕緣方式單級變換的主要優(yōu)點(diǎn)，又消除無絕緣隔離的主要缺點(diǎn)，是到目前為止并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備比較理想的逆變器中、小容量逆變器主電路一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種，推挽電路，將升壓變壓器的中性插頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅(qū)動及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點(diǎn)是變壓器利用率低，帶動感性負(fù)載的能力較差。全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點(diǎn)，功率晶體管調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有續(xù)流回路，即使對感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會畸變。該電路的缺點(diǎn)是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅(qū)動電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共同導(dǎo)通，必須設(shè)計(jì)先關(guān)斷后導(dǎo)通電路，即必須設(shè)置死區(qū)時間，其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜下圖單相全橋逆變電路的原理圖，也稱為“H”第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-電路，，由兩個半橋電路組成。功率開關(guān)元件Q3與Q6互補(bǔ)，Q4與QS互補(bǔ)，當(dāng)Q。與Q。同時導(dǎo)通時，負(fù)載電壓Uo＝+Udc:當(dāng)Q;與Q。同時導(dǎo)通時，負(fù)載電壓Uo＝－Udc;Q3、Q5和Q4、Q6認(rèn)輪流導(dǎo)通，負(fù)載兩端就得到交流電能。控制功率功率元件的導(dǎo)通與截止的方法有方波調(diào)制和正弦波調(diào)制兩種方式，方波逆變器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但輸出的電能質(zhì)量較差，諧波分量大。隨著功率器件的發(fā)展，正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。采用SPWM控制使脈沖序列的寬度隨正弦波幅值變化而變化，經(jīng)過輸出端LC濾波器濾除高次諧波，得到正弦波交流電能圖2－5單相全橋逆變器原理圖系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是控制并網(wǎng)逆變器輸出為穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波電流，同時要求并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，因此必須采用合適的控制策略以達(dá)到上述的控制目標(biāo)。本文中的并網(wǎng)逆變器被設(shè)計(jì)成電壓型控制的電流源結(jié)構(gòu)，這樣并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)電壓。實(shí)際上就是一個交流電流源和電壓源的并聯(lián)。逆變器的輸出電壓幅值自動被鉗位為電網(wǎng)電壓，只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網(wǎng)電壓，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。光伏發(fā)電正常工作時就是通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，當(dāng)僅考慮基波頻率時，它可以被等效地視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，它通過電抗器并電網(wǎng)。其等效電路如圖2－6所示。第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-圖2-6光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等效電路其中Us為電網(wǎng)電壓，Ui為逆變器輸出電壓。X為連接電抗，將逆變器本身的損耗(自關(guān)斷器件的開關(guān)損耗)以及線路電阻用等效電阻R表示，則(Ui-Us)即為X和R上的電壓降，流過電抗器X和電阻R的電流可以由其兩端的電壓來控制，其電流應(yīng)與電網(wǎng)電壓同相，這個電流就是光伏發(fā)電裝置流向電網(wǎng)的電流I。要使光伏發(fā)電系統(tǒng)能輸出電流，則Ui必須大于Us，且逆變器本身提供了有功功充電路中的損耗，而電網(wǎng)電壓Us與電流I同相，因?yàn)榫€路中電抗器X的存在，使變器輸出電網(wǎng)電壓Ui與電網(wǎng)電壓Us不再是同相，而存在一個相位差σ，改變這個差，并且改變Ui的幅值，則產(chǎn)生的電流的相位和大小也就隨之改變，光伏發(fā)電裝入電網(wǎng)的有功功率也就因此得到調(diào)節(jié)。由(2-3)，(2-4)兩式子可得輸出有功功率改變(通過I的改變)時，輸出電壓的相角σ和Ui的變化規(guī)律為：（2－3）（2－4）

這樣得控制σ和Ui，兩個參數(shù)，可見間接控制實(shí)現(xiàn)比較困難，因此本設(shè)計(jì)采用電流直接控制的方式。直接電流控制，就是采用跟蹤型PWM控制技術(shù)，根據(jù)指令信號和實(shí)際供給電流之間的相互關(guān)系，得出控制主電路各個IGBT通斷的PWM信號，光伏發(fā)電系統(tǒng)就相當(dāng)于一個受控電流源。跟蹤型PWM控制方法采用三角波比較方式圖2－7PWM生成原理圖第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-圖2－7所示為三角波比較方式的原理圖。這種方式與其他用三角波作為載波的PWM控制方式不同，它不直接將指令信號i*與三角波比較，而是將廠與反饋電流i的偏差△i經(jīng)過放大器A之后再與三角波比較。光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型下面建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。并網(wǎng)逆變器輸出電流i，電網(wǎng)電壓us，逆變器輸出電壓UI，三者之間的相位關(guān)系，滿足矢量關(guān)系式:(2-3)只要滿足這種關(guān)系，輸出電流就要以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的同頻同相對逆變器輸出端電路，以逆變器輸出電流為狀態(tài)變量，可以得到(2-4)寫成復(fù)數(shù)域形式為(2-5)逆變器可以等效為一個小慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫作(2-6)其中Tp為小時間常數(shù)，Kp為逆變器增益，與PI調(diào)節(jié)器的最大限幅有關(guān)。PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：(2-7)其中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，KI=KPT圖2－8光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-PI控制算法數(shù)學(xué)PI控制是用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的PI控制，對于連續(xù)PI控制：(2-8)其中U1(t)為PI調(diào)節(jié)器的輸出量，e(t)是給定值與反饋值的誤差，Kp為比例系數(shù)，TI為積分時間。對上式進(jìn)行離散化處理，得到遞推PI算式：(2-9)其中：(2-10)整定過程即調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)，選擇采樣周期T，使得控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到要求。整定方法有兩類:理論計(jì)算和工程整定方法。理論計(jì)算要求已知各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，計(jì)算比較繁瑣;工程整定法是在實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來的方法，簡單、方便，工程實(shí)際中廣泛采用。試湊法是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行(如果允許的話)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，反復(fù)試湊參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PI參數(shù)。增大比例系數(shù)，一般將加大系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變差。增大界將減慢消除靜差的過程，但有利于減小超調(diào)，減小振蕩。在試湊時，可參考以上規(guī)律，對參數(shù)實(shí)行先比例、后積分的整定步驟。1)將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到許可范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，比例系數(shù)可由此確定。2)如果系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則須在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分時間界為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小(如縮小為原值的80%)，然后減小積分時間，使在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時間，以得到較好的控制效果。調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以有各種不同的搭配，用不同的整定參數(shù)有可能得到同樣的控制效果，只要被控過程主要指標(biāo)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求即可第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-最大功率點(diǎn)跟蹤算法最大功率點(diǎn)跟蹤方法峰值功率跟蹤方式是在太陽電池陣和負(fù)載間引入一個串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器，它通過調(diào)節(jié)太陽電池陣的工作點(diǎn)來滿足負(fù)載的需要，并在負(fù)載需要情況下，自動跟蹤太陽電池陣的峰值功率點(diǎn)，以獲得最大的輸出功率，由于在太陽電池陣和負(fù)載之間多了一個調(diào)節(jié)的環(huán)節(jié)，降低了功率傳輸效率，控制電較復(fù)雜，但功率調(diào)節(jié)方式是一個非耗散型電源系統(tǒng)，它嚴(yán)格按照負(fù)載的需求控制太陽電池陣的輸出功率，不產(chǎn)生過剩功率，采用峰值功率跟蹤器，可以最大程度利用太陽電池陣的輸出功率。峰值功率跟隨器可使太陽電池陣工作在最大功率點(diǎn)附近，充分利用太陽電池陣的輸出功率能力，在較短的時間內(nèi)，就使電池組處于滿荷電狀態(tài)，不僅如此，峰值功率跟隨器可使電源系統(tǒng)有較強(qiáng)的適應(yīng)瞬時脈沖負(fù)載的能力，減輕電源系統(tǒng)體積和重量。峰值功率跟蹤實(shí)際上是一種功率調(diào)節(jié)，而不是電壓調(diào)節(jié)，采用峰值功率跟蹤的目的是為了最大限度的利用太陽電池陣的能量，峰值功率跟蹤單元的輸出電壓是變化的。在最大功率點(diǎn)，dP/dI為零；在A區(qū)dP/dI為正，在C區(qū)dP/dI為負(fù)。峰值功率跟蹤器利用了dP/dI這一特點(diǎn)，控制太陽電池陣的工作電流從而使太陽電池始終工作在最佳工作點(diǎn)，保持太陽電池陣的最大輸出功率。最大功率點(diǎn)跟蹤方法（MPPT）的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個動態(tài)自尋優(yōu)的過程，通過對陣列當(dāng)前輸出的電壓與電流檢測，得到當(dāng)前陣列輸出功率，再與已存儲的前一時刻陣列功率比較，舍小存大，然后重復(fù)檢測和比較的過程，可使陣列動態(tài)的工作在最大功率點(diǎn)上。1電壓跟蹤法最簡單的方法是電壓跟蹤法。研究太陽電池特性可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度一定時，太陽電池的最大功率點(diǎn)幾乎落在同一根垂直線的兩側(cè)附近，最大功率點(diǎn)對應(yīng)的工作電壓相差不大，亦即只要保持太陽電池輸入出端電壓為常數(shù)且等于某一日照強(qiáng)度下相應(yīng)的最大功率點(diǎn)的電壓，就可以保證輸出在該溫度下的最大功率。把最大功率點(diǎn)跟蹤簡化為恒電壓跟蹤。為克服環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)影響：事先將特定光伏陣列在不同溫度下測得的最大功率點(diǎn)電壓存在控制器中，實(shí)際運(yùn)行是，控制器根據(jù)檢測光伏陣列的溫度，通過查表選取合適的Umax 電壓跟蹤法的具體的實(shí)現(xiàn)方式有線性分流和開關(guān)分流兩種。線性分流又有全太陽電流池陣線性分流和局部線性分流兩種。a全太陽電池陣線性分流，它由控制電路和分流調(diào)整電路組成?？刂齐娐房販y母第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-線電壓，將其與參考電壓進(jìn)行比較，放大母線電壓誤差，并用其輸出控制分流調(diào)整電路工作分流調(diào)整電路跨接在太陽電池陣輸出端，它根據(jù)誤差電壓的高低旁路掉一定的太陽電池陣的輸出，從而將母線電壓維持在希望的數(shù)值上，因些分流調(diào)整電路可以看作是負(fù)載的一部分，不過這個負(fù)載不是固定不變的，而是時刻根據(jù)母線上負(fù)載的變化而變化，以維持太陽電池陣的總負(fù)載不變。b步進(jìn)式局部線性分流太陽電池分為N個分陣，其中第一個分陣稍大些，用于精調(diào)。第一級分流電路工作在局部線性分流狀態(tài)，當(dāng)母線電壓升高，首先是第一級電路工作在局部線性分流狀態(tài)。當(dāng)母線電壓繼升高，第一級分流電路分流繼續(xù)分流直到飽和。第二級到第N級是開關(guān)分流的，當(dāng)?shù)谝患壱呀?jīng)飽和，且母線電壓又超過一定數(shù)值時第二級分流調(diào)整管導(dǎo)通，同時第一級分流管退回線性區(qū)。c模擬－數(shù)字分流調(diào)節(jié)器這種分流器與步進(jìn)式分流調(diào)節(jié)器相類似，也有一個專門的用于精調(diào)線性分流級和若干開關(guān)分流級，所不同的是開關(guān)分流級不是步進(jìn)的，而是由一個可逆計(jì)數(shù)器控制。當(dāng)母線電壓升高時，線性分流級開始分流，T1射極電位隨之提高，T1輸出同兩個比較器Ch和Cl相連，當(dāng)T1射極電位升高到一定程度，比較器Ch的輸出變?yōu)檎娢?，與門打開，時鐘脈沖使可逆計(jì)數(shù)器增加一個計(jì)數(shù)。當(dāng)母線電壓降低時，T1分流減少，T1射極電位降低，當(dāng)T1的射極電位降到一定程度時，比較器Cl輸出變?yōu)檎娢唬c門2打開，使可逆計(jì)數(shù)器減少一個數(shù)。d脈寬調(diào)制分流調(diào)節(jié)順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器在任何時刻也只有一級工作在調(diào)整狀態(tài)，其余各級不是飽和就是截止，工作在飽和狀態(tài)的分流級數(shù)數(shù)目和工作在開關(guān)狀態(tài)的精調(diào)級的占空系數(shù)由母線誤差電壓Ver決定，母線誤差電壓同每一級的鋸齒波電壓進(jìn)行比較，每一級鋸齒波電壓有一個不同的直流電平，鋸齒波電壓在母線誤差電壓以下分流級處于導(dǎo)通狀態(tài)，工作在開關(guān)狀態(tài)的精調(diào)級的占空系數(shù)由母線誤差電壓Ver和鋸齒波電壓的相交點(diǎn)確定，精調(diào)級實(shí)際上是一個脈沖寬度調(diào)制器。隨著母線電壓的變化，母線誤差電壓也發(fā)生變化，處在飽和狀態(tài)分流數(shù)目和以脈寬調(diào)制開關(guān)方式工作的精調(diào)級的占空比也發(fā)生變化，以維持母線電壓在一定范圍。2干擾觀測法第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-通過成比例的增加或者減少變換器的輸入電壓，移動操作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)靠近。這種方法常用于光伏能量系統(tǒng)中。當(dāng)日照隨時間變化不快時，是非常有效。雖然這種方法不能迅速跟蹤最大功率點(diǎn)，但是如果增加采樣時間，可以減少系統(tǒng)損失，而且使用該方法只需要兩個傳感器，減少了硬件個數(shù)和成本費(fèi)用。下面對經(jīng)典的擾動觀察法算法簡述如下:光伏系統(tǒng)控制器在每個控制周期用較小的步長改變光伏陣列的輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減小，控制對象可以是光伏陣列輸出電壓或電流，這一過程稱為“干擾”;然后，比較干擾周期前光伏陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過程，如果檢測到輸出功率減小，則改變“干擾”方向。這樣，光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點(diǎn)，最終在其附近的一個較小范圍往復(fù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。如果采用較大的步長進(jìn)行“干擾”，這種跟蹤算法可以獲得較快的跟蹤速度，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的精度較差，較小的步長則正好相反。較好的折衷方案是控制器能夠根據(jù)光伏陣列當(dāng)前的工作點(diǎn)選擇合適的步長，例如，當(dāng)己經(jīng)跟蹤到最大功率點(diǎn)附近時采用小步長。擾動觀察法的優(yōu)點(diǎn)是:跟蹤方法簡單，容易實(shí)現(xiàn);對傳感器精度要求不高。缺點(diǎn)是:只能在光伏陣列最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致一定功率損失;跟蹤步長對跟蹤精度和相應(yīng)速度無法兼顧;在特定情況下會出現(xiàn)判斷錯誤的情況3電導(dǎo)增量法根據(jù)光伏輸出伏安特性曲線，dP/dV是與輸出電壓值一一對應(yīng)的。其中P為光伏輸出功率，V為輸出電壓。其輸出功率P=IV，其中輸出電流。在最大功率點(diǎn)處，滿足下面的公式：dPdV因此，導(dǎo)納增量可以決定是否已到達(dá)最大功率點(diǎn)，從而在該點(diǎn)處停止對工作點(diǎn)的擾動。這就避免了最大功率點(diǎn)附近的振蕩。具體的算法過程是：首先用V(k)-V(k-1)來判斷，其值等于零則表示輸出特性不變，只需檢測電流變化來判斷功率變化方向。電流不變表示系統(tǒng)輸出特性不變，維持占空比不變；電流增加表示系統(tǒng)工作點(diǎn)朝最大功率點(diǎn)方向移動。當(dāng)V(k)-V(k-1)不等于零時，則可以利用上述公式條件判斷工作點(diǎn)落在最大功率點(diǎn)左側(cè)還是或側(cè)然后相應(yīng)調(diào)整占空比的值。理論上，該方法最終可以在最大功率點(diǎn)處穩(wěn)定運(yùn)行，但在數(shù)字處理上由于采樣時間存在，工作點(diǎn)可能會左右波動，采樣時間越短，波動越小。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖圖2－5第二章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第二章光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-示出了系統(tǒng)主電路和控制電路框圖。電源由12V蓄電池提供（該蓄電池能輸出10Ah的電能），此電壓經(jīng)過Boost電路進(jìn)行升壓，通過控制驅(qū)動IGBT的PWM波形的占空比，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，具體分析在后面闡述。DC-AC變換電路采用全橋變換電路。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，防止主電路對控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅(qū)動信號用光耦隔離，反饋信號用變壓器隔離，輔助電源用穩(wěn)壓集成快組成。IGBT過熱保護(hù)電路采用89℃圖2－8系統(tǒng)主電路和控制電路框圖第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-軟硬件電路設(shè)計(jì)PWM信號的生成方法用于生成PWM信號生成Saber模型Saber是基于SPICE的電路仿真軟件，為了完整的仿真光伏發(fā)電系統(tǒng)模型和計(jì)算和優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，需要建立PWM信號的Saber模型。PWM是具有一定占空比脈沖序列，主要涉及下面的兩個基本的Saber模塊：1rmposc模型：這是一個使用外部放電電阻的三角波生成模型ramposc模塊原理圖(b)輸出特性上圖為osc端口下圖為ct端口輸出圖3－1ramposc模塊的特性表3－1則顯示了rampose模塊的輸入和輸出端口的含義表3－1ramposc的輸入輸出端口模型參數(shù)功能描述信號類型enable使能控制數(shù)字rt提供輸入電流的外部電阻模擬ct外部電容模擬gnd參考地模擬rampose是用于生成周期性三角波的模型，電阻電壓保持Vrt，產(chǎn)生電流Vrt/R對電容進(jìn)行充電，當(dāng)達(dá)到Vhigh充電結(jié)束，然后電容放電到Vlow，osc輸出一個數(shù)字脈沖指示這段死區(qū)的時間。有兩種應(yīng)用模式：第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-外接電阻和電容，其頻率等于：f=vrt/(vchigh-vclow)/(R*C)指定freq和deadt兩個參數(shù)，則不接電阻和電容，如果deadt不指定，默認(rèn)的死區(qū)時間為：1/(300*freq)，仿真結(jié)果（上面是osc輸出，下面是rc端的輸出）：理想比較器模型(a)理想比較器的原理圖(b)模塊輸出特性圖3－2理想比較器的saber模型p_offset和m_offset兩個參數(shù)使得可設(shè)定補(bǔ)償電平，比較器模塊輸出電平為：(3-1)表3－2comp_l4的輸入輸出端口模型參數(shù)功能描述信號類型enable使能控制數(shù)字p正向輸入端模擬m負(fù)向輸入端模擬out比較器輸出端數(shù)字使用這兩個模塊可以構(gòu)成完整的PWM生成模型，首先用ramposc生成周期性的三角波波形，然后與輸入電平進(jìn)行比較，如果高于輸入電平，輸出高電平，否則輸出低電平，這樣使用輸入信號控制PWM波形的占空比，從而生成PWM波形，使用此模塊可以方便的進(jìn)行后面的反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-（a）PWM波形生成模塊PWM模塊生成波形圖，此時輸入電平為1.5V。圖3－3完整的PWM波形生成saber模型PWM波形生成的軟件實(shí)現(xiàn)方法本文使用DSP來產(chǎn)生PWM信號。DSP的PWM信號的產(chǎn)生過程是:為了產(chǎn)生PWM信號，使用一個定時器來重復(fù)PWM的周期，用一個比較寄存器來存放調(diào)制值。定時器計(jì)數(shù)器的值不斷地與比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)兩值匹配時，相關(guān)輸出產(chǎn)生從低到高(或從高到低)的變化。當(dāng)?shù)诙纹ヅ洚a(chǎn)生或周期結(jié)束時，相關(guān)引腳會產(chǎn)生另一個變化(從高到低或從低到高)。輸出信號的變化時間由比較寄存器的值決定。這個過程在每個定時器周期按照比較寄存器不同的值重復(fù)，這樣便產(chǎn)生了PWM信號。其第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-特點(diǎn)在于它的調(diào)制信號不是關(guān)于PWM周期中心對稱的，只可從脈沖的單邊變化每個脈沖的寬度;對稱PWM波形的特點(diǎn)在于調(diào)制脈沖是關(guān)于PWM脈沖中心對稱的。對稱PWM波形與非對稱PWM波形相比，具有的一個優(yōu)點(diǎn)是:在PWM周期開始和結(jié)束的時候，它有兩個持續(xù)時間相同的不運(yùn)行區(qū)域。BOOST變換器模塊BOOST變換器的別名又叫升壓變換器、并聯(lián)開關(guān)電路或開關(guān)型升壓穩(wěn)壓器。線路如圖2-2所示，由開關(guān)S、電感L、電容C組成。完成把電壓Vs升壓到Vo的功能。a）Boost電路原理圖b)由晶體管和二極管組成的Boost電路圖3－4Boost電路的原理圖Boost電路的工作過程是這樣的。當(dāng)開關(guān)S在位置A時,如圖3-3a）電流iL流過電感線圈L，在電感線圈未飽和前，電流線性增加，電能以磁能形式儲在電感線圈L中。此時，電容C放電，R上流過電流IO，R兩端為輸出電壓VO，極性上正下負(fù)。由于開關(guān)管導(dǎo)通，二極管陽極接Vs負(fù)極，二極管承受反壓狀態(tài)。所以電容不能通過開關(guān)管放電。開關(guān)S轉(zhuǎn)換位置到B時，構(gòu)成電路如圖3-3b)，由于線圈中的磁場將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持iL不變。這樣線圈L磁能轉(zhuǎn)化成的電壓VL與電源V，串聯(lián)，以高于V。電壓向電容C、負(fù)載R第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-供電。高于Vs時，電容有充電電流；等于VO時，充電電流為零：當(dāng)VO有降低趨勢時，電容向負(fù)載R放電，維持V0不變。圖3-5Boost變換器電路工作過程基本輸入輸出電壓關(guān)系的推導(dǎo)。設(shè)開關(guān)動作周期為Ts，D1為接通時間占空比，D2為斷開時間占空比，它們各自小于1，連續(xù)狀態(tài)時D1+D2=1。則閉合時間為：T1=D1Ts，斷開時間為：T2=D2Ts。在輸入輸出電壓不變前提下，當(dāng)開關(guān)S在圖3-2a）Ａ位置時，iL線性上升，其增益為：(3-2)開關(guān)在3-2a）B位置時，iL線性下降，其增益為：（3-3）由于穩(wěn)態(tài)時這兩個電流變化量絕對值相等，所以（3-4）使用saber建立Boost電路的saber仿真原理圖如下圖3-6所示圖3－6Boost電路的Saber仿真原理圖第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-圖3－7Boost電路的仿真結(jié)果圖3－7給出了Boost電路的仿真結(jié)果，其中最上面的圖是電感電流的變化，它近擬呈現(xiàn)線性的變化；中間的圖是節(jié)點(diǎn)Vx的電壓的變化；下圖是輸出電壓Vo?？梢钥吹诫姼须娏鞒尸F(xiàn)周期性三角波形態(tài)，在其上升段對應(yīng)電源對其注入電流的階段，而下降段則對應(yīng)，其與電源串聯(lián)共同對電容充電的過程。Vx節(jié)點(diǎn)通過開關(guān)管周期性的接地，而電容兩端的電壓則保持穩(wěn)定。掃描不同的電感的數(shù)值，其結(jié)果如圖3－8所示，三條曲線對電感分別為1uH,1.5uH，2uH。由于此逆變電源是按照200W設(shè)計(jì)的，其等效負(fù)載為200歐左右。電容取2uF，掃描電感數(shù)值為在1.5uH左右可以滿足要求。圖3－8掃描不同的電感的數(shù)值以求得最優(yōu)的電感數(shù)值第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-占空比25%（b）占空比50%占空比75%圖3－9PWM波形占空比與電路性能關(guān)系此電路的工作原理是用PWM的占空比來控制電壓的高低，圖3－9呈現(xiàn)了不同占空比下電路性能，其中最上面的圖是電感電流的變化，它近擬呈現(xiàn)線性的變化；中間的圖是節(jié)點(diǎn)Vx的電壓的變化；下圖是輸出電壓Vo。從中可以看到電壓與占空比呈現(xiàn)反比例關(guān)系，電路可以使用PWM控制電壓的升降。第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-加入PI反饋控制器的Boost電路在第二章中描述的PID控制算法，這里只使用積分和比例環(huán)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)總線輸入電壓的鎖定，對于一個典型的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，通常都是采用如圖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在自然界中大量的信號都是模擬信號，所以數(shù)字信號處理系統(tǒng)一般輸入為模擬信號xa(t)，模擬信號經(jīng)過抽樣處理得到離散信號xs(n)，再經(jīng)A-D量化得到數(shù)字信號x(n)，輸入到數(shù)字處理單元經(jīng)數(shù)學(xué)處理后輸入數(shù)字信號x(n)變換成輸出數(shù)字信號y(n)，輸出數(shù)字信號y(n)再經(jīng)過D-A變換和平滑濾波得到模擬信號ya(t)的輸出。數(shù)字控制電源系統(tǒng)一般由兩部分組成,一部分為數(shù)字處理器,另一部分為被控對象。數(shù)字處理器為離散部分,被控對象為連續(xù)部分,或者分別稱為數(shù)字部分和模擬部分。若要實(shí)現(xiàn)數(shù)字處理器對被控對象的控制,首先必須通過處理器內(nèi)部或外部擴(kuò)展的一功能模塊以一定的采樣頻率對系統(tǒng)的模擬輸出量進(jìn)行采樣,將該連續(xù)信號轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號,再經(jīng)過量化后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量,用于處理器內(nèi)部的運(yùn)算。而模擬控制系統(tǒng)的采樣是實(shí)時的、連續(xù)的。在數(shù)據(jù)處理上數(shù)字處理器對數(shù)據(jù)的處理是離散化的,數(shù)字處理器僅對各離散的采樣值進(jìn)行處理,而連續(xù)系統(tǒng)是基于連續(xù)信號的。隨著電源功能的逐步完善,數(shù)字處理器除了完成控制功能以外,還要能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)、顯示以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等各種功能。隨著功能的增多,所需要的處理時間就會相應(yīng)地增長,因此處理器的核心算法的處理頻率受到一定的限制,一般核心算法的處理頻率會小于電源的開關(guān)頻率,這使得數(shù)字控制難以做到實(shí)時控制。此外,為了實(shí)現(xiàn)對連續(xù)被控對象的控制,處理器內(nèi)部計(jì)算結(jié)果的離散化輸出必須轉(zhuǎn)化為連續(xù)信號。對于數(shù)字控制開關(guān)電源系統(tǒng),數(shù)字處理器的輸出環(huán)節(jié)一般為內(nèi)部或外部擴(kuò)展的功能模塊,它具有零階保持的功能,即在下一次輸出更新之前始終保持本次輸出值。 在第二章中描述了PI控制算法，其控制器表達(dá)式如下所示：（3-5）使用SaberZ域采樣模型可以建立如下的等效模型，使用限幅器限制信號強(qiáng)度不能超過一定數(shù)值以避免產(chǎn)生過度的反饋信號，使用Z域延時模塊以實(shí)現(xiàn)累加的功能。圖3－10表示了PI控制器的Saberz域模型的結(jié)構(gòu)圖。第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-圖3－10PI控制器的Saberz域模型由于數(shù)字控制系統(tǒng)由數(shù)字處理器和控制對象組成，而它們分別屬于數(shù)字部分和模擬部分，因此要對這兩部分分別建立仿真模型，然后再結(jié)合在一起進(jìn)行仿真。模擬部分的建模較為簡單，只需用仿真軟件中提供的模擬器件搭建好電路即可。數(shù)學(xué)控制部分相對復(fù)雜一些，需要考慮數(shù)－模接口和數(shù)據(jù)處理兩部分。其中數(shù)－模接口分為AD采樣和DA轉(zhuǎn)換，它們實(shí)現(xiàn)了功率部分和控制部分之間的接口。在對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析時可把AD采樣看成一個理想開關(guān)與一個比例項(xiàng)的串聯(lián)，它實(shí)現(xiàn)了連續(xù)域到離散域的轉(zhuǎn)搗，在仿真中可由模數(shù)轉(zhuǎn)搗接口a2z來實(shí)現(xiàn)。DA轉(zhuǎn)換具有零階保持功能，完成離散域到連續(xù)域的轉(zhuǎn)換。對于數(shù)學(xué)控制開關(guān)電源系統(tǒng)，數(shù)模轉(zhuǎn)換常常由數(shù)學(xué)處理器PWM功能模塊代替。因此可以根據(jù)數(shù)學(xué)處理器內(nèi)部PWM信號產(chǎn)生機(jī)理，將計(jì)算得到的控制量與一個固定開關(guān)頻率的三角載波相交截,從而得到驅(qū)動信號。圖3－11表示了完整的帶有PI控制部分的Boost升壓電路的原理圖。其中AD采樣環(huán)節(jié)由一個模數(shù)轉(zhuǎn)接口a2z實(shí)現(xiàn)。電壓基準(zhǔn)為一個z域給定信號，以上兩者的差值做為誤差項(xiàng)。然后分別由z域增益、加法器、比較器和延時等元件按圖連接方法構(gòu)成整個PI計(jì)算環(huán)節(jié)。最后PI計(jì)算的輸出分別成一個頻率為300kHz的三角波相交截，產(chǎn)生PWM輸出，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換接口z2a后變成電壓值，再通過壓控電壓源實(shí)現(xiàn)兩路信號的放大和電氣隔離。仿真電路中除了增益之外的大多數(shù)z域元件都需要一個z域采樣脈沖信號進(jìn)行控制，本例中采樣頻率設(shè)為50kHz。另外，三角波發(fā)生器由一個z域脈沖源來實(shí)現(xiàn)它的控制信號頻率應(yīng)為DSP芯片工作頻率32MHz.輸出三角波頻率為300kHz.第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-圖3－11帶有PI控制部分的Boost升壓電路的原理圖圖3－12帶有PI控制部分的Boost升壓電路的仿真結(jié)果圖3－12表示了帶有PI控制部分的Boost升壓電路的仿真結(jié)果。仿真此帶有反饋的電路需要注意所有恒壓電源應(yīng)采用線性電壓源，在一定延時后達(dá)到預(yù)定電壓，只有這樣電路才能收斂到特定的平衡點(diǎn)；同時注意在比較器的輸入輸出端增加10k的輸入和輸出電阻以使得電路能夠收斂。此電路的結(jié)果是把輸出電壓鉗制在參考電壓上這里取參考電壓為30V，圖中三條曲線分別為放大器負(fù)輸入端電阻R1為1k，10k，100k下的仿真結(jié)果從中可以看到R1為10k和100k時都能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速鎖定，而R1為1K時則不能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的鎖定。所以選擇R1=100k可以滿足設(shè)計(jì)的要求。由于采用了PI控制方法輸出電壓可以精確的設(shè)定在預(yù)設(shè)的電平上從而實(shí)現(xiàn)了升壓控制。第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-SPWM波形生成模塊正弦半波波形分成Ｎ等份，就可把正弦半波看成由Ｎ個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于Л／Ｎ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（沖量）相等，就得到圖3－13所示的脈沖序列。這就是PWM波形。可以看出，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。圖3－13PWM控制的基本原理示意圖對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的ＰＷＭ波形，也稱為SPWM（SinusoidalPWM）波形。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的,要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。以上介紹的是ＰＷＭ控制的基本原理，按照上述原理，在給出了正弦波頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，ＰＷＭ波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。但是，這種計(jì)算是很繁瑣的，正弦波的頻率、幅值變化時，結(jié)果都要變化。較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的ＰＷＭ波形。通常采用等腰三角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波形第三章MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc[XXXX...]第三章軟硬件電路設(shè)計(jì)PAGEiv-PAGE54--PAGEi-相交時，如在交點(diǎn)時刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合ＰＷＭ控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是ＳＰＷＭ波形。一般根據(jù)三角波載波在半個周期內(nèi)方向的變化，又可以分為兩種情況。三角波載波在半個周期內(nèi)的方向只在一個方向變化，所得到的ＰＷＭ波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性ＰＷＭ控制方式，如圖3-14所示。如果三角波載波在半個周期內(nèi)的方向是在正負(fù)兩個方向變化的，所得到的ＰＷＭ波形也是在兩個方向變化的，這時稱為雙極性ＰＷＭ控制方式，如圖3－15所示圖3－14