单相光伏发电系统的并网控制仿真.docx

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单相光伏发电系统的并网控制仿真

摘要

纵观全球，经济的快速发展使得能源问题与环境问题日益凸显，然而新能源发电的发展，很有力地缓解了这些问题。

其中光伏发电已逐步形成规模化发展，全球各国这些年对光伏并网发电的发展做出了巨大的贡献。

光伏并网系统中的逆变器直接影响着并网效率以及输出电能质量的提高，因此，研究光伏并网逆变器对于光伏并网系统非常重要。

全文以建立单相光伏并网控制平台为目标，首先就光伏并网发电的研究背景及其发展现状做了简洁的陈述，接着就系统的分类和组成进行了简单的介绍；然后对本课题的主要研究部分即单相全桥式逆变电路和在单极性SPWM控制方式下的逆变电路的工作模式和工作时区在理论上作了深入浅出的分析，并用心领会其核心思想。

在完成了对上面相关理论的分析和研究之后，就在Matlab的仿真环境中先后搭建了单极性SPWM调制原理模型、单极性SPWM控制方式下的单相全桥式逆变电路模型和采用滞环控制的单相光伏并网系统模型。

通过对它们的仿真后得到了理想的波形结果，同时对波形进行了傅里叶分析。

关键词：

光伏并网发电；单相逆变器；单极性SPWM；仿真

Abstract

Throughouttheworld,therapiddevelopmentoftheeconomymakesenergyissuesandenvironmentalissueshavebecomeincreasinglyprominent,however,thedevelopmentofnewenergypowergenerationwhichisveryeffectivetoalleviatetheseproblems.AndPVpowergenerationhasgraduallyformedthescaleofdevelopment,inthepastfewyears,theworldcountrieshavemadeagreatcontributiontothedevelopmentofphotovoltaicgridconnectedpowergeneration.PVgridconnectedsystemhasadirectimpactonthegridefficiencyandoutputpowerquality,therefore,itisveryimportanttostudythephotovoltaicgridconnectedinverterforphotovoltaicsystem.

Thefulltextaimatestablishingthesingle-phasephotovoltaicgridconnectedcontrolplatform,firstofall,brieflystatetheresearchbackgroundanddevelopmentstatusofgridconnectedphotovoltaicpowergeneration.Then,introducebrieflytheclassificationandcompositionofthesystem;Andthenthemainresearchofthistopicisanalyzedintheory,whicharethesingle-phasefullbridgeinvertercircuitandtheunipolarSPWMcontrolmodeoftheinvertercircuitandtheworkingmodeandtheworkingtimezone.Andtograspitscoreidea.

Aftercompletingtheanalysisandresearchontheaboverelatedtheories,intheMatlabsimulationenvironmenthassetupaunipolarSPWMmodulationprinciplemodel,unipolarSPWMcontrolmodeunderthesingle-phasefullbridgeinvertercircuitmodelandtheuseofhysteresiscontrolofsingle-phasephotovoltaicgridconnectedsystemmodel.Afterthesimulation,theidealwaveformresultsareobtained,andFourieranalysisisusedforthewaveform.

KeyWords:

Grid-connectedphotovoltaicpowergeneration,Singlephaseinverter,UnipolarSPWM,Simulation

1绪论

1.1光伏发电技术研究的意义

1.1.1光伏发电的发展前景

人类社会的不断前进一直以能源为支撑，煤、石油、天然气等不可再生能源仍然是我们人类生活的主要能量来源，人类对能源的需求永远都不可能减少，反而只会越来越多。

而且火电、水电及核电是我们生活主要的电能来源。

全球不可再生能源储量的减少，对经济的发展和人类社会的进步造成了不可估量的影响。

改变我们的能源使用方式，开发利用清洁的可再生能源已迫在眉睫。

太阳能既是资源丰富的可再生能源，使用时无任何物质的排放，对环境无污染，开发与利用太阳能毋庸置疑，其利用方式中最典型、最实用的方式就是光伏并网发电。

尤其在近些年，光伏发电一直是持续快速稳步增长。

1.1.2国外光伏发电的发展现状

自上世纪末开始，世界上就已经有很多国家开始研究并发展“光伏屋顶发电系统”，尤其是一些发达国家在这方面做出了巨大的贡献。

可以说德国是世界上对光伏产业支持力度最大的国家，于2003年完成“10万屋顶发电计划”，在2011年的装机容量创下世界纪录，装机容量达到7.5GW。

美国一直致力于光伏发电的发展，是最早实现将太阳能转换为电能的国家，一系列与光伏发电相关的的新政策不断出台，实验研究也不断出现新成绩。

光伏发电在亚洲国家中的发展就属日本了，2004年之前对光伏产业的贡献一直处于世界领先地位，日本在2006年提出在2020年的光伏发电量要达到28GW，又在2011年“311大地震”后发电规模从1000万千瓦猛增到6800万千瓦。

2014年全球新增太阳能光伏发电38.7GW，累计安装量达到177GW；2015年全球光伏的新增装机容量达到了48.1GW到50GW，截止2015年末累计装机容量达到277GW。

1.1.3我国光伏发电的发展现状

国家计委于2002年启动“西部省区无电乡通电计划”，以便解决700多个无电乡的用电问题，到2005年底，建成721座光伏和风光互补电站，光伏用量达到15.5MWp。

2004年8月，在深圳国际园林花卉博览园建成我国首座兆瓦级并网光伏电站；次年8月底，在西藏羊八井建成直接与高压并网的千瓦级光伏电站并实现一次并网成功。

2007~2010年，国内的光伏并网发电成为发展主流，并网占比由2006年的5.1%增加至2010年底的80%；2009年启动“金太阳”和“光伏建筑一体化”示范工程。

2014年1月初，首个农民住宅小区连片屋顶“光伏发电村”实现并网成功，并且今年一季度全国新增光伏发电装机容量714万千瓦，在全国的光伏并网发电累计装机容量已经超过了5000万千瓦，同比增加超过了50%。

国家在政策上对光伏发电给与了大力的支持，就现阶段进行的“十三五”规划而言，国家把加快推进中东部地区分布式光伏发电和西部地区光伏电站的发展作为重点，力争形成规模化发展。

今年国家发改委、国家能源局下发了《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，其重点任务中的第七条就是高效太阳能利用技术创新，要求开展大型太阳能热电联供系统示范，实现太阳能综合梯级利用，研究设计开发智能化大型光伏电站、分布式光伏及微电网的应用。

由此可以看出，光伏发电一直是重中之重。

“渔光一体”也可以说是光伏并网发电的一种利用形式，它实现了将光伏新能源发电与水产养殖有机的结合，开创了“鱼、电、环保”三丰收的新型发展模式。

以江苏如东“渔光一体”一期示范基地为例，在光照较好时，它的日发电量能达到7.8万度，除去鱼塘所需要的电量后，将有95%的电能都被输送到附近的电网上。

1.2光伏并网逆变技术

光伏并网逆变系统是太阳能电池阵列发电单元与公共电网之间能量传输的主要调节通道，同时也是它们之间重要的的连接纽带。

在此系统中并网逆变器的调节作用后，太阳能电池阵列发出来的直流电能就被转换成了能与公共电网实现电压同频、同相位以及同幅值并网的交流电能，进而实现并网。

通过一定频率的调节逆变电路中各功率开关器件的通断状态，使得经过逆变电路后输出幅值相等而宽度不相等的连续脉冲，这种控制方式就是逆变控制中非常典型的PWM（脉冲宽度调制）控制方式。

SPWM控制是正弦波PWM的基本类型之一，具有控制灵敏、响应速度快等基本突出特点。

截至今日，研究出的控制逆变器输出的方法有很多，其中滞环电流控制有着很多其它控制方式无法比拟的优点，其控制下的并网逆变系统的响应速度较快，控制相对简单，尤其是这种控制方式对控制电路中的负载和电路参数的变化不是很敏感等。

1.3本文主要工作

绪论部分主要介绍了选题背景，分析了当今世界光伏发电产业的发展现状以及我国光伏并网发电的现状，同时介绍了逆变器的相关研究内容，最后给出本文的主要内容。

光伏并网发电系统部分就针对课题内容对光伏并网发电系统的分类、结构以及组成进行了简要的说明。

单相并网逆变器部分，首先对逆变器做了简单的选择，然后介绍了单相全桥式逆变电路的基本知识，最后介绍了单相逆变器的移相控制及其器件选择。

SPWM控制部分主要针对PWM和SPWM的控制原理进行了简单的说明，对在单极性SPWM方式控制下的全桥式逆变器进行了深入浅出的分析。

系统仿真及结果分析部分是在Matlab仿真环境中建立了需要仿真的相关模型，同时对模型的仿真结果进行了傅里叶分析，仿真结果鲜明地说明设计的并网仿真模型可以实现并网。

论文最后部分为结论与展望。

对本文所研究的课题内容进行了概括性的总结，同时对有待于完善和需要进一步深入分析和研究的方面进行了展望。

2光伏并网发电系统

2.1光伏并网发电系统的分类

2.1.1可调度式与不可调度式

进入21世纪后，全球的光伏发电全面快速发展，就目前全世界最常见的光伏并网发电系统而言，按照它们的整体系统功能可以分为两种类型：

一种就是整个系统中不含有蓄电池，这种类型的并网发电系统为不可调度式光伏并网发电系统；这种并网发电系统一般为较大型的光伏并网系统，其系统配置示意图如图2.1所示。

图2.1不可调度式光伏并网发电系统

另一种类型则刚好相反，整个系统中包含有以蓄电池组作为储能环节的储能系统，这种系统就是可调度式光伏并网发电系统。

这种系统最大的特点就是可以实现根据实际需要并入或退出公共电网，另外还具有一个很重要的功能，就是在特殊情况下可以做为备用电源使用，尤其是在公共电网电网意外停电时可以做到紧急供电，因此光伏建筑一体化就是这种并网系统的典型应用。

其系统原理图如图2.2所示。

图2.2可调度式光伏并网发电系统

2.1.2集中式发电与分布式发电

按照并网发电后供电方式的不同，光伏并网发电系统分为两类：

集中并网系统（电站）和用户布式并网发电系统。

其中分布式并网最主要的特点就是它与公共电网之间的电能交换可能是双向的。

太阳能电池阵列所发出的电能经过逆变作用后直接分配到用电负载上，出现电能多余或者不足的情况时，便通过联接的公共电网进行调节，必要时可以做到脱离公共电网而独立发电和运行。

集中式光伏并网发电系统的特点是规模大、输出相对稳定、发电效率相对较高，太阳能电池所发出的电能经过逆变和升压后直接送到公共电网，由公共电网实现统一调配向用户提供电能，因此这种并网发电系统与公共电网之间的电能交换是单向的，在白天太阳能电池发电能力最强的时候，恰好也是一天中用电的高峰期，正好可以做到为电网调峰。

戈壁滩、荒漠、海洋等这类型地区一般都拥有相对稳定的太阳能资源，在这些地区建设光伏电站，就采用这种方式实现。

2.2一般光伏并网发电系统的组成

由图2.1可以很清晰地看出，太阳能电池阵列与逆变系统便是不可调度式光伏并网发电系统的主要组成部分。

在这种系统中，太阳能电池阵列产生的直流电能，直经过了一次变换就被转换成了与公共电网相匹配的同频同相的交流电能，进过主配电开关调整后上传至公共电网，故而系统的整体运行稳定性相对较弱。

由图2.2可以看出，太阳能电池阵列、直流变换系统、储能部分（以蓄电池为主）、逆变系统等是可调度式光伏并网发电系统的主要组成部分，太阳能电池阵列一方面通过电池组的串并联产生直流电能，另一方面施加通过一定的控制作用，使其以受控的直流电能的形式存储在储能单元中。

当直流电能经过系统中的控制单元时，通过适当的追踪控制，就可以让太阳能电池阵列一直在最大功率点处工作。

紧接着经过逆变系统的控制作用，将流过逆变器的直流电能转换为与公共电网相匹配的同频同相的交流电能，进而对当地交流负载进行电能供给，同时还可以将剩余的交流电能与当地公共电网实现并网。

这种形式的光伏并网发电系统不仅可以实现不间断的对系统提供电能，同时还可以在一定程度上消除高次谐波，进而实现了对交流电能质量的改善。

除此之外，一般的光伏并网系统包括太阳能电池阵列、汇流箱、直流防雷配电柜、并网光伏发电系统逆变器、交流防雷配电柜、交流升压变压器、电网接入系统、监控及通讯装置、监控及通讯装置、防雷接地装置。

其中，太阳能电池阵列是整个系统的发电单元，并且是太阳能光伏并网系统的首要核心组成器件；一般在太阳能电池阵列发电单元与光伏并网逆变器之间增加了一定的直流汇流装置，通过此装置可以很清楚的检测到光伏电池板工作运行状态，并且经过汇流后还可以采集电流、电压、功率、防雷器状态、直流断路器状态、继电器接点输出等；直流防雷配电柜在整个系统中作用很简单，就是把从汇流箱输出的直流电能经过电缆接入到配电柜中进行再一次总的汇流，最后经过电缆接至系统中的并网逆变器中；说到并网逆变器，我们便会知道它的主要作用就是通过逆变作用后，把太阳能电池阵列发出的直流电能转换成并网所需要的交流电能；而变压器就是把从并网逆变器输出的低压交流电能经过电压转换后传输至电网的一种实用电气设备；监控及通讯装置在整个系统中起着很多比较重要的作用，比如通过它便实现了对发电设备的运行控制、电站的故障保护和数据采集维护等。

3单相并网逆变器

3.1逆变器的选择

光伏并网发电系统的核心就是逆变系统，在逆变系统的控制作用下，太阳能电池板发出的直流电经过逆变电路后输出的交流电才会是具有稳定质量的正弦波，同时又能与公共电网实现电压同频、同相位以及同幅值的并网，从而既可以向本地交流负载提供电能，又能向公共电网馈送电能。

图3.1并网逆变器

按照输入侧直流电源的性质，便可以将光伏并网逆变器分为电流型光伏并网逆变器和电压型光伏并网逆变器两类，它们的结构如图3.1（a）和3.1（b）所示。

前者的特征是在逆变过程中，经过电感滤波，直流电流基本恒定，逆变器直流侧相当于电流源，整个逆变器的直流侧则呈现高阻抗特性；而电压型并网逆变器的特征是在逆变过程中，因为经过了直流侧电容的滤波作用，所以进入到逆变系统的直流电流基本上恒定，更进一步说就是逆变器直流侧相当于一个电压源。

在光伏并网系统进行并网的过程中，如果将逆变器进行逆变后输出的交流电采用电压控制，则此时的公共电网系统就可以看作是容量无穷大的定值交流电压源，在这种方式控制下的整个系统，实际上就等于是一个小电压源系统与大电压源系统并联运行的系统。

在这样的系统下，要实现系统稳定运行的前提就是必须采用锁相控制技术，才能保证与公共电网同步运行。

但是在采用锁相回路后，系统的的整体响应速度就会变得比较缓慢，同时逆变器的输出电压值也不能得到精确的控制，如果锁相控制不能实现理想的控制，还有可能会出现环流等很多问题，此时若不快速采取特殊的保护或其他措施，那么即便是同样功率等级的电压源并联运行，也不会获得相对优异的性能。

相反如果将逆变器进行逆变后输出的交流电采用电流控制，这种情况下就只需控制逆变器的输出电流，便可以实现与公共电网电压同步跟踪，这样就简单、方便地达到了并联运行的目的。

由于这种采用电流控制的方法相对简单，因此在逆变系统的应用比较广泛。

如上所述，在本文中，光伏并网逆变器采用输入为电压源，而输出为电流源的逆变控制方式。

3.2单相全桥式逆变电路

如图3.2（a）所示电路图即为电压型全桥式逆变电路的工作原理图，全桥式逆变电路的直流输入电压为Ud。

为了得到较稳定的直流输入电流，在主回路的输入端连接了具有滤波和稳压作用的电容C。

图3.2单相全桥式逆变电路及电压、电流波形

当逆变电路中的负载只为纯电阻时：

在0≤t

电流波形如图所示3.2（c）所示。

当逆变电路中的负载只为纯电感时：

在逆变电路工作的第一个T/4期间中，功率开关管V4虽然处于断态，但由于电感中电流不能突然改变方向，此时即使给V1加上驱动信号，负载电流io也必须流过D1与V2形成通路。

直至io=0，V1才导通负载电流开始反向。

同样，V1接收到调制信号后处于断态状态时，负载电流也必须先要通过其他回路流通，直至io=0，V4才导通。

负载电流开始又一次反向。

电流波形如图所示3.2（d）所示。

当负载为阻感负载时，则其电流波形如图3.2（e）所示。

3.3单相逆变器的移相控制

在单相全桥式逆变电路中的负载为阻感负载时，我们通过使用移相的方法来实现调节逆变电路的输出电压脉冲宽度的方式称为移相调压。

如图3.3所示电路，功率开关V1和V4的栅极信号处于互补状态，同时V2和V3和的栅极信号也处于互补状态。

功率开关V2的基极信号比V1落后θ（0<θ<180°）。

更确切地说，就是功率开关V2和V3的栅极信号，已不再是分别和开光V1和V4的栅极信号处于同相位状态，而是相位向前移动了180-θ。

在这种情况下，阻感负载输出的电压u0就变为正负各为θ的脉冲，如图3.3所示。

图3.3移相调压波形

3.4单相逆变器的器件选择

逆变器技术的研究与发展永远离不开逆变器中各个功率器件及其控制技术的进步与发展，对逆变器控制技术和方法的选择，在很大程度上就直接决定了逆变器整体性能的优劣；而对逆变器主功率器件的选择，直接决定逆变器输出正弦波失真度的大小，进而决定了光伏并网发电系统在并网时对公共电网的影响程度。

很显然逆变器主功率元件的选择对整个逆变系统的工作性能相当重要。

除此之外，并网光伏发电系统中的逆变驱动电路主要是针对各个功率开关管的门极驱动，要使逆变驱动电路要得到较好的的PWM脉冲波形，则必须对驱动电路进行反复认真设计。

通过对光伏并网实例进行研究后，本文选用的逆变器为电压型逆变器，然而电压型的逆变器主要由电力电子开关器件组成，故单相逆变器的器件选择主要是对功率开关器件的选择。

很多实践经验告诉我们，功率场效应管（MOSFET）在小型低压光伏并网系统中有较好的控制效果，因为它在低压状态时，通态压降较低而它的开关频率较高，唯一的缺点就是随着MOSFET电压的升高，它的通态电阻也会随着增大。

因此，在大容量、高压光伏并网发电系统中的首选功率器件一般为绝缘栅晶体管（IGBT）；经过大量综合比对后，最后本文选用绝缘栅晶体管作为电压型逆变器的功率开关器件，以脉宽调制的形式向电网提供电能。

4SPWM控制

4.1PWM控制的基本原理

逆变电路中的PWM（PulseWidthModulation）控制就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，以等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）的技术。

其控制的基本原理是面积等效原理：

即冲量（指窄脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，它们的效果基本上相同，也就是说其惯性环节上的输出响应波形基本相同。

如图4-1（a）、（b）、（c）即为各种窄脉冲，虽然它们的形状不同，但是它们的冲量相同，（a）为矩形脉冲，（b）为三角形脉冲，（c）为正弦半波脉冲，它们的冲量（面积）都等于1，由面积等效原理可知，如果将它们分别加到具有惯性的同一个环节上时，那么它们的输出响应波形差不多相同。

（d）当加在其上的为单位脉冲函数δ（t）时，响应则为该环节的脉冲过度函数。

图4.1不同形状相同冲量的各窄脉冲

图4.2（a）中电压窄脉冲e（t）为R-L电路的输入，其输入量为图4.1中的窄脉冲，它的输出量为i（t），不同窄脉冲作用下的响应波形如图4.2（b）所示。

图4.2响应波形

如果将这些输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，从波形结果可以看出，在它们的上升阶段，脉冲形状不同时i（t）的形状也略有不同，而在下降阶段几乎完全相同。

如果所施加的脉冲越窄，则i（t）的波形差别也就越小。

与此同时，如果向电路周期性地施加上述这些脉冲，它们的响应i（t）也将会是周期性地。

将波形结果用傅里叶级数分解后将会看出，电路的各种输出在低频段的特性将非常接近，在高频段稍有不同。

4.2SPWM控制的基本原理

如图4.3（a）所示，对此正弦半波进行等宽分割N等份，这样就可以看成是由N个相连的脉冲宽度相等的脉冲序列所组成的波形，它们的宽度都等于，但幅值不等，它们的幅值按正弦规律变化。

如果把这样的脉冲序列利用N个等幅而不等宽的矩形脉冲代替，并且使矩形脉冲的中点和相应脉冲的的中点重合，同时使矩形脉冲和相应的脉冲面积相等，便得到了如图所示的PWM波形。

而SPWM（SinusoidalPWM）波形就是这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的波形。

图4.3用PWM波代替正弦波

4.3单极性逆变控制

4.3.1单极性逆变控制原理

如图4.4所示逆变电路就是以IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。

在这种形式的调制电路中，负载为阻感负载，当控制电路接收到调制信号工作时，功率开关中V1和V4的通态和断态处于快速互补衔接状态，V2和V3的工作状态也一样。

具体的控制规律为：

在控制电路的输出电压uo为正时，让开关V1一直处于通态状态，直到开关V4接收到调制信号从断态转变为通态时，而开关V2和V3在调制信号的作用下处于不断交替通断的状态。

由于电路负载中具有感性负载，它的电压超前于电流，使得控制电路在电压的正半周期间，电流有负也有正。

通常，在控制电路中负载电流为负的区间中，功率开关V1和V3便一直处于通态状态，然而由于负载电流io为负，所以此时负载电流将电路中的二极管D1和D3导通，负载电流io因为它们正向导通回到母线上，负载电压uo就等于直流电压Ud，即uo=Ud；功率开关V3接收到调制信号后处于断态状态，同时V2接收到调制信号后处于通态状态后，负载电流io经过开关V2和D1，从而形成续流，控制电路的输出电压uo为0。

图4.4单相桥式PWM逆变电路图4.5单相桥式PWM逆变电路

在控制电路中负载