完整版单相光伏并网逆变器的研究40本科毕业论文41.docx
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完整版单相光伏并网逆变器的研究40本科毕业论文41
单相光伏并网逆变器的研究
轮机工程学院
摘要
能源危机和环境问题的不断加剧，推动了清洁能源的发展进程。
太阳能作为一种清洁无污染且可大规模开发利用的可再生能源，具有广阔应用前景。
并且伴随“智能电网”理论的兴起，分布式电力系统正日益受到关注，光伏逆变系统作为分布式电力系统的一种重要形式，使得对该领域的研究具有重要的理论与现实意义。
论文在分析光伏逆变系统发展现状与研究热点的基础上，探讨了光伏逆变系统的主要关键技术，对直接影响光伏逆变系统的工作效率以及工作状态的最大功率点跟踪控制、光伏逆变器控制等技术进行了详细研究。
为研究光伏逆变系统，本文建立了一套完整的光伏逆变系统模型，主要包括光伏电池模块，前级DC/DC变换器，后级DC/AC逆变器，以及相应的控制模块。
为了提高系统模型的准确性及稳定性，论文设计了一种输出电压随温度光照改变的光伏电池模型，提出了一种基于Boost升压变换器的最大功率点跟踪（MPPT）控制策略，并且将正弦脉冲宽度调制技术（SPWM）应用于逆变器控制。
最后在Matlab/Simulink软件环境下搭建了光伏逆变系统的整体模型，完成系统性的实验验证。
经过仿真实验验证，所提出的光伏逆变系统设计方案正确可行，且输出达到了设计要求，为进一步实现并网功能提供了条件，具有较高的实用参考价值。
关键词：
光伏电池；最大功率点跟踪；光伏逆变系统；正弦脉冲调制技术
ABSTRACT
Withintensifyoftheenergycrisisandenvironmentalproblems,thedevelopmentofcleanenergyhasgotapromotion.Thesolarenergyhasabroadapplicationbecauseofitsfriendly-environmentaladvantageandrenewableproperty.WiththepropositionoftheSmartGrid,DistributedPowerSystemhasearnedmoreattention.AsanimportantformofDistributedPowerSystem,photovoltaicinvertersystemisthekeyoftheresearchinthisfield.
ThispaperdiscussesthekeytechniquesofphotovoltaicinvertersystemonthebasisofanalysisofdevelopmentandresearchhotspotofPVinvertersystemandtraversesthemaintechniquessuchasmaximumpowerpointtracking（MPPT）whichhasadirectinfluenceonworkefficiencyandworkconditionandtechnologyofPVinverter.
InordertoresearchPVinvertersystem,thispaperbuildsanintegralmodel,includingPVbatterymodelandDC/DCconverterandDC/ACsinglephaseinverteraswellascorrespondingcontrolmodels.Inordertoimprovethevalidityandthestabilityofthesystem,thepaperusesaPVbatterymodelwhoseoutputvoltagechangeswithintensifyoftheilluminationandtherealtimetemperature.AndthispaperproposesacontrolmethodofMPPTonthebasisofBoostconverterandappliestheSinusoidalPWMinsinglephaseinvertercontrol.Atlast,wewillbuildanintegralPVinvertersystembyusingMatlab/Simulinksoftware,togetaverificationandvalidation.
Throughmanysimulationexperiments,theproposedphotovoltaicinvertersystemdesigniscorrectandfeasible.Andtheoutputindicatorsmeetthedesignrequirements.Thesystempavestheroadtothefurtherimplementandgridconnectionandhasahighpracticalvalue.
KEYWORDS:
PVbattery；maximumpowerpointtracking（MPPT）；PVinvertersystem；sinusoidalpulsewidthcontrol（SPWM）
单相光伏并网逆变器的研究
第1章绪论
1.1课题背景及意义
被誉为全球经济血液的能源是影响国家安全的重要因素之一，是人类社会运行和发展的基础物质条件[1]。
随着经济社会的快速发展，能源消耗急剧增长，能源危机也越来越引起人们的关注，能源危机是我国乃至全世界一个长久存在的严峻问题，它严重影响着经济的发展和环境的变化。
目前世界资源消耗在逐年递增，其特点可以用以下两点概括为：
一是发达国家放慢了对能源需求的速率，而发展中国家尤其是亚太地区的却加快了对能源消费的速率。
二是在不断走向多元化的世界能源消费结构的影响下，石油的消费早在50年前就超越了能源消费量最大的煤炭，且最近几年和天然气的消耗同呈现持续上升状态。
与此同时，能源消费结构也发生了变化，不再是单一的只依靠化石燃料，潮汐能、地热、风能等可再生新能源也相继被更多更广泛地开发利用[2]。
但全球能源的消费依旧是以不可再生的化石燃料为主，这导致化石能源枯竭来临的那一天日益临近，能源使用引发的生态污染也日益加重，这将是未来继续困扰人们的一大问题[3]。
有关数据表明，世界石油总储量约为1.15万亿桶，如不加以节制仅够利用41年。
且这种以不可再生的化石能源为主的世界能源消费结构带来的全球性的破坏力极大的能源环境问题，如酸雨、臭氧层破坏、海平面上升等，给我们的生活带来了很大的困扰。
人类面临着有限的资源和严格的环保约束，要想解决能源问题，唯一途径是借助科学的力量，将风能，地热能，潮汐能等可再生洁净能源成为能源消费结构的主导力量[4]。
我国现今正处于工业化、城镇化进程加快的时期，且正进一步扩大经济规模，对能源需求持续呈现大幅度上升趋势，但国内可利用资源相对短缺，这对能源供给形成了巨大的挑战，为缓解供求矛盾，石油天然气的需长期大量依赖进口。
如今国际局势风云变幻，我国在能源的依存等国家安全保障工作方面将面临着巨大的挑战[5]。
同时以煤为主的不可再生的能源结构在环境方面也给我国造成了很大困扰。
因此为了全面建成小康社会，应本着可持续发展的科学发展观，进一步开发、利用可再生能源尤其是太阳能,当务之急就是改变能源消费结构。
太阳辐射的能量中被地球最终接收的可达到5.4×1024焦耳，如果这些能量的十万分之一能转变为被人们方便利用的电能，就基本上能满足了目前全世界的用电需求[6]。
由此可见，利用太阳能来发电不仅可以缓解日益恶化的环境还可以从根本上解决现今能源危机。
从结构特征上看，太阳能光伏发电系统可以分为三种基本类型：
独立型、并网型和混合型光伏发电系统[7]。
现今的光伏发电系统的九成装机容量采用的是并网模式，并网式光伏发电系统与独立式相比降低了成本且可减少维护工作。
全世界并网式光伏系统年在世界范围内的年增长率可25-30%，可见并网式光伏发电系统是现今开发太阳能发电的发展方向。
逆变技术是光伏并网发电技术的核心[8]。
现今的并网逆变器还需更可靠性化、更效率化、更智能化。
并网逆变器性能的改进在提高系统的效率、增强能量转化的可靠性、延长设备的寿命、降低成本等方面体现至关重要的作用[9]。
1.2光伏并网逆变器技术简介
尽可能的减小能量的损耗且降低系统的成本，光伏并网发电系统采用了并网逆变器将太阳电池组件中产生的直流电转换成与电网相匹配的同频同相的交流电,并直接将交流电输入电网中,省去蓄电池储能和释放的过程,可充分利用光伏所发的电能。
并网逆变器在满足太阳能电池组件输出的电力与电网电力的电压频率等电性能标准一致中担任重要的角色[10]。
逆变器也可以称为逆变电源,它是通过控制半导体功率开关的接通和断开来将直流电转变为交流电的一种变流转置，逆变器及逆变技术的简单分类[11]如表1.1所示：
表1.1逆变器及逆变技术的简单分类
分类方式
类型
1
2
3
4
输出交流电相数
单相逆变器
三相逆变器
多相逆变器
输入直流电源性质
电压源型逆变器
电流源型逆变器
主电路拓扑结构
推挽逆变器
半桥式逆变器
全桥逆变器
输出交流电的频率
低频逆变器
工频逆变器
中频逆变器
高频逆变器
处于光伏阵列和电网中间的环节主要是用于服务用电户的光伏并网逆变器。
故光伏并网逆变器的技术研究是从光伏阵列、电网和用电户要求这三个方面来开展的。
首先，只有光伏阵列工作在最大功率点处或其附近，才能提高输出特性是呈非线性，输出功率随着日照强度和环境温度等外部环境变化而变化的光伏发电系统中的光伏电池的转换效率[12]。
而逆变器就应能使光伏阵列的输出电压逼近于最大功率点处的电压[13]。
其次，逆变器与电网直接相连，要符合国家电网的相关规定[14]。
根据国外推出的并网标准的相关规定大体总结为THF<5%、各次谐波含量≦3%、动态响应性能应良好、均应具备必要时能快速准确切断并网逆变器与电网的连接的防孤岛效应功能[15]。
但随着多逆变器广泛应用于光伏并网发电系统中，使防孤岛效应的难度有所提升，这将是未来开发多逆变器亟待解决的难题。
最后，逆变器要想普遍的推广开来，应尽量满足用电户在对逆变器选择方面的一些基本要求，比如安全保障、价格适中、转换率高、使用年限长等。
1.3光伏并网逆变器的国内外现状及发展趋势
光伏逆变器的市场最早在欧洲开辟，现如今光伏技术处于世界领先地位欧洲已具备了完善的光伏产业链和占据了庞大的市场。
其中在欧市场占有率≧50%，全球市场占有率≧33%的SMA是位于欧洲具有全球最早建立且规模最大的光伏逆变器生产企业。
下面就以SMA公司产品的发展为例子来简单介绍一下国外光伏逆变器的发展状况。
当前SMA公司上市的相关产品主要有组串逆变器，集中逆变器和多支路逆变器等三个系列，其中SB（SunnyBoy）系列以转换效率高，功率因数高，谐波失真低等特点被广泛应用。
多支路逆变器系列是最新产品，其优势为结构方面采用的是DC-DC变换和DC-AC变换两级独立能量变换结构,而且它的每一个相互间独立的支路又具有单独跟踪太阳能电池的最大功率点的功能[16]。
这些优势为节约电池成本和提高系统效率做了很大贡献。
Satcon公司开发的光伏逆变器也具有最大功率点跟踪功能主要应用于中、大功率范围。
Smiemens公司上市的逆变器结构采用的是由一个主逆变器和若干个从逆变器的组成的主从式的结构,可满足系统的容量要求，但灵活性差，系统扩展不便[17]。
现今国外的光伏并网逆变器产品的技术研发的重点主要是放在DC-DC变换的最大功率点和DC-AC变换的逆变部分上。
同时在扩大功率适应范围，增加系统的安全可靠性、提高系统扩展性、进一步完善的电路保护方面也有所改进。
与之相比，目前的国内市场规模小，虽说国内生产厂商众多，但专门生产这类逆变器的却不多。
国内企业虽已研究多年具备一定的规模和竞争力，但在核心技术、产品质量、生产规模上与国外企业相比仍具有很大差距[18]。
且我国光伏并网发电技术的研究起步比较晚，目前光伏并网逆变器在市场上基本没有国产的光伏逆变器。
一些大学和科研单位对光伏并网逆变器技术作了一定的研究，而且国家科技部也非常的重视逆变器的研究工作为项目研究拨出了相当大数额的经费。
国内对光伏并网逆变器的研究主要集中于最大功率点跟踪和逆变部分两级互相独立的能量转换结构[19]。
现已建立的光伏并网系统只是示范工程，其中的核心器件逆变器的获得仍主要依靠进口。
因此要发展我国的光伏并网发电产业，应从根本上解决核心部件的独立研发难题。
就国内市场而言，规模虽小，但未来光伏电站市场的巨大发展空间和发展潜力是不可估量的。
目前国内光伏逆变器的领导品牌主要是阳光电源、艾思玛、KACO等，其中合肥阳光电源公司生产的光伏逆变器在中国市场占据的份额≧70%，且通过代理渠道进入国内市场的国外企业多数由于售后服务提供难度大整体上在中国市场的占有率不高。
从技术方面来看，小功率逆变器的技术国内外基本处于同一水平。
但大功率并网逆变器上，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平还有很大的差距，仍需进一步发展。
1.4本文主要研究内容
论文选题结合工程实际，通过对光伏逆变系统的组成结构和主要关键环节的原理分析，在Matlab/Simulink仿真软件环境下建立光伏逆变系统的整体数学模型，对其关键的控制策略进行设计研究，并进行系统性的仿真实验分析，具体研究内容如下：
1.基于BOOST变换器的光伏电池最大功率点跟踪算法与实现方法研究
以Boost升压变换器为主要结构，建立能实现光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）控制的DC/DC变换系统的数学模型。
2.基于SPWM控制算法的光伏逆变系统仿真模型建立
建立以DC/AC变换和PWM调制策略为特点的正弦脉宽调制（SPWM）控制光伏逆变系统仿真模型；
3.光伏逆变系统的仿真实验与结果分析
通过具体应用系统的分析设计和模拟调试实验，验证系统建模和控制方法的可行性与正确性。
基于以上研究内容，本文主要分以下几章进行研究：
第一章，通过对国内外光伏逆变技术的发展现状和前景分析，给出光伏逆变系统所存在的问题与不足，并提出本论文所要研究的主要内容和工作计划。
第二章，分析光伏逆变系统的总体构成和工作原理，给出总体设计方案，分析了光伏电池，Boost升压电路，最大功率点跟踪算法，并网逆变器等主要模块的原理，为后文的研究工作打下良好基础。
第三章，提出了基于正弦脉宽调制技术的逆变器并网电流反馈控制策略，建立以DC/AC变换和PWM调制策略为特点的SPWM控制光伏逆变系统的数学模型；
第四章，在Matlab/Simulink仿真软件环境下，将光伏逆变系统各模块整合，对光伏逆变系统整体模型进行实验，验证系统建模和控制方法的可行性与正确性。
第2章光伏并网逆变系统分析
2.1逆变器拓扑结构
根据拓扑结构的不同，逆变器主要有半桥逆变电路，全桥逆变电路和带中心抽头变压器的逆变电路三种类型[20]。
为了保持直流侧串联的两个电容电压相等，半桥逆变电路一般通过添加两个等值电阻来实现，这种拓扑结构的逆变器应用于功率比较小的逆变电源中。
单相带中心抽头变压器逆变电路中的开关器件所承受的电压与全桥逆变电路相比提高了一倍，但是这种结构要求含有一个带中心抽头的变压器，使得电路的体积将会变大，另一方面也使系统的建设成本增加，另外，变压器对外漏磁带来的电磁干扰同样是一个不容忽视的问题。
全桥逆变电路开关管的工作电流比半桥型减小了一半，在功率比较大的逆变电源中得到了广泛应用。
因此本文选用了全桥逆变电路作为系统的逆变部分。
2.2并网逆变器输入方式
根据输入方式上的差别，并网逆变器主要有电流型和电压型两大类。
电流型并网逆变器结构如图2.1所示，其输入端串联了一个电感，作用为通过储能使输入端具有阻抗较高的特点，从而输入侧近似看作电流源。
电压型并网逆变器结构如图2.2所示，其输入端并联了一个电容，作用是通过储能使输入端具有阻抗较低的特点，从而输入侧近似看作电压源[21]。
图2.1电流型并网逆变器结构图图2.2电压型并网逆变器结构图
电流型并网逆变器对直流电压没有太多要求，低于并网侧电压峰值也可以工作，这种拓扑结构省去了中间采购DC/DC升压环节设备的开销，且采用电感使用寿命较长，工作性能稳定，可靠性比较高。
与电压型并网逆变器相比，直流侧串接一个电感而不是并联电容，逆变器输出端采用LC滤波器来滤除输出电流中的高频谐波。
开关管由可控器件与二极管串联组成，这种结构可以阻止反向电流通过，同时对于可控器件的耐压性也有很大提高。
在实际的光伏并网逆变系统中，电流型并网逆变器应用较少，这是因为光伏发电中大多数电源都属于电压型，逆变器输入级串联电感使得系统在建设成本和设备体积上都不如并联电容。
2.3并网逆变器的隔离方式
根据变压器的有无可将并网逆变器分为隔离型并网逆变器和非隔离型并网逆变器两大类，根据其工作频率的高低又可以将隔离型并网逆变器逆变器分为高频隔离型和工频隔离型[22]。
（1）图2.3为工频并网逆变器的结构图，太阳能电池产生的直流电能先通过DC/AC环节变为交流电能，再进入工频变压器经升压处理后进入公共电网，完成并网发电的目地。
电能是在变压器中实现的电压间匹配和与公共电网的电气隔离。
图2.3工频隔离型并网逆变器结构
工频变压器在图2.3所示的结构中是必需的，这就会增大逆变并网系统的尺寸和质量，并且变压器不可避免地会为系统带来损耗，这就降低了逆变系统的整体效率。
但系统和电网中间的隔离非常重要，工频变压器则顺利解决了这一问题，使得系统工作性能显著提高。
所以此结构常用于系统的整体功率比较大的场合。
（2）图2.4为高频并网逆变器的结构，太阳能电池产生的直流电能先通过DC-AC环节变为交流电，再进入变压器经过升压或降压处理，处理后的交流电能再经整流器做整流处理变成符合并网规范的直流电压，最终进入工频逆变桥逆变后并入公用电网。
图2.4高频隔离型并网逆变器结构
在图2.4所示结构中,直流电能一共要经过三级变换并入电网，这种结构对控制系统有着很高的要求。
从可靠性方面来分析，复杂程度的增高会使系统可靠性会随之降低，所以这种结构可靠性并不高。
而且每一级变换都不可避免的损失一部分能量，因此电能在三次变换处理之后，系统效率将会大打折扣。
此外，这种结构使所用到的器件数量增多，使得建设成本将会比较高。
（3）非隔离型并网逆变器是两级变换拓扑结构，其结构如图2.5所示，光伏电池输出的电能先进入Boost电路来提高电压，升压处理后的直流电能再经逆变器转换为交流电[23]。
图2.5非隔离型并网逆变器结构
与带有变压器的光伏逆变器相比，非隔离型并网逆变器使用了较多的电子器件，这就使得系统的整体体积小，建造成本低，工作效率高。
因此在功率比较小光伏发电场合中，此类逆变器应用广泛。
2.4并网逆变系统的方案及其工作原理
经过对2.3节中三种并网逆变器的比较，本文的光伏并网逆变系统决定采用无变压器的两级结构，如图2.6所示，前级DC-DC变流电路和后级的DC-AC逆变电路通过直流母线相连。
前级DC-DC变流电路，这种电路主要有半桥式、全桥式、推挽式和Boost式[24]，因为太阳能电池的输入电压较低，如果采用半桥式电路，开关管流经的电流将变大，输出电压太低；全桥式电路对控制系统的要求比较复杂，开关管的功率损耗较大，因此前一级电路采用结构简单，控制简便的Boost升压电路。
这种结构可以大大提高光伏发电系统的经济性。
电能通过后级DC-AC逆变电路实现逆变后进入电网。
直流母线的作用除了连接直流-直流变流电路和直流-交流逆变电路之外，还完成了电能的传递。
图2.6系统主电路拓扑结构
2.4.1光伏电池的原理及数学模型
太阳能电池是光伏逆变系统的关键部分，其模型搭建的成功与否关系到控制算法的可操作性。
在此将根据文献[25]中的分析来构建光伏电池仿真模型。
光伏电池的发电原理基于半导体材料的光伏效应，电池的输出特性随光照强度S和环境温度T变化而变化。
当接有纯阻性负载时，可得到如图2.7所示的光伏电池等效电路。
图2.7太阳能光伏电池等效电路
以下是本文构建的光伏电池数学模型[26]。
标准状况下，在已知光伏电池电压V时，可通过式（2.1）得到对应的电流：
（2.1）
式中：
（2.2）
（2.3）
（2.4）
（2.5）
（2.6）
其中，
——在标准状况下，光伏电池短路时的电流（A）；
——在标准状况下，光伏电池开路时的电压（V）；
——最大功率点的电流（A）；
——最大功率点的电压（V）；
——电流变化温度系数（）；
——电压变化温度系数（）；
、——在标准状况下，光照强度和电池温度的值，通常取为，；
——光伏电池的串联电阻（Ohms）；
在任意光照强度和环境温度Ta（℃）下，光伏电池温度Tc（℃）为：
（2.7）
式中，
S——光伏电池板面上的受到的光照强度（kW/m2）；
tc——光伏电池组件的温度系数（degw-1.m2），通常取为0.03；
Ta——环境温度（℃）；
Tc——光伏电池结温（℃）；
从以上公式看出，通过光伏电池上的总光照辐射量和光伏电池的工作温度可直接计算出此等条件下太阳能电池的最大输出功率点。
具体算法分析如下：
（2.8）
通过电导增量法，由取得极值处的条件dP/dV=0可以得出[27]：
（2.9）
通过牛顿法对式（2.9）迭代，从而得到与Pmax相对应的光伏电池电压Vmax：
（2.10）
当|Vk+1-Vk|<ε1时，Vmax=Vk+1。
式（2.10）中，Vk和Vk+1代表V的第k次和第k+1次迭代值。
ε1为迭次精度。
P′（Vk）和P″（Vk）代表第k次迭代下功率对电压的一、二阶导数。
将所得Vmax代入式（2-1），得Imax，
（2.11）
从而最大功率为
（2.12）
2.4.2前级Boost升压电路工作原理
Boost电路中通过控制开关管Q1的闭合与关断，光伏电池产生的直流电压经过升压处理由Vpv升高到Vdc，其原理图如图2.8所示：
图2.8Boost电路图
升压斩波电路的升压过程主要有两个部分，一个是充电过程，另一个是放电过程。
在图2.8所示的电路中，充电时，开关管Q1导通，电路相当于短路状态，这时光伏并网发电系统输出的直流电能流过电感。
由于太阳能电池输入升压电路中的是直流电，所以电能最初经过电感时，左边电路相当于断路状态，然后iL将保持一个相对稳定的速率线性增大，电感数值同这个速率有直接关系。
当开关管断开时，因为电感具备有电流保持的功能，流经电感的电流并不会立刻减小为0，而是会从充电完成时电流大小的值缓慢的减小到0。
电感会利用自身存储的电能对电容进行充电，电容两侧的电压增大至一个大于输入侧电压的水平。
Boost电路的升压过程也会结束，如图2.9给出了Boost电路的升压过程示意图，升压阶段从本质上来说相当于电感所
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