小功率光伏并网逆变器控制系统的设计通信电子电子电气自动化_通信电子-电子电气自动化.pdf

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1、小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 1/34 学士学位论文 论文题目：小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 院(部)名 称:电气工程学院 专 业:电气工程与其自动化 班 级:学 生 姓 名:学 号:指导教师姓名:小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 I/34 小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 专业：姓名：指导教师：摘 要 随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，寻找一种储备大、无污染的新能源已经成为世界各国的重要战略计划。太阳能取之不尽用之不竭，可再生并清洁环保，无处不在、无需运输，最重要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能，已经得到了人类越来越广泛的应用。本文以最大限度利用太阳能、把高质量电能并

2、入电网为主要目标，来研究和设计光伏并网逆变器，具有重要意义。本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率点跟踪（MPPT）的方法。其次经分析小功率光伏并网选择了直流模块式结构的光伏并网系统，并网逆变器中的 DC/DC升压电路采用电压型高频链推挽式结构，DC/AC逆变电路采用全桥式逆变结构，并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法，使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化，对并网逆变器起到了有效控制作用，经滤波器滤波后并入电网。最后利用 MATLAB 中的 SIMULINK环境进行DC/DC与DC/AC电路仿真实验，实验结果验证了电流控制方法的可行性。关键词 最大功率点跟踪，并网逆变器，电流控

3、制 ABSTRACT With the growing energy shortages,looking for a new energy of environmental protection and pollution-free has become an important strategic plan for the world.Solar energy the inexhaustible,renewable and clean environmental protection,everywhere,no transportation,the 气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓

4、名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计

5、II/34 most important is no monopoly and control any country may,has been more and more widely used.In this paper,the maximum use of solar energy and gridding high quality electricity into the main research goal to research and design photovoltaic grid-connected inverter,has important significance.Th

6、is paper first discusses several methods based on output characteristic curve of the maximum power point tracking(MPPT)method.Secondly,after analyzing,low-power photovoltaic chooses the DC modular structure of photovoltaic(pv)grid system;the DC/DC booster circuit of Grid-connected inverter uses volt

7、age mode high frequency link type structure;DC/AC inverter circuit adopts the full bridge inverter structure,and uses current control method to control the Grid-connected inverter,let the output current of grid inverter change by following a given current waveform and have a effective control of the

8、 Grid-connected inverter,then the output current will merge into the grid after filtered by the filter.Finally,does a simulation experiment of DC/DC circuit and DC/AC circuit by using the SIMULINK environment of MATLAB.The experiment results validate the feasibility of current control method.Key Wor

9、ds:Maximum Power Point Tracking(MPPT),Grid-connected inverter,Current control 气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆

10、变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 III/34 目录 1.绪论 1 1.1 课题研究背景与意义.1 1.2 国外光伏发电的研究现状.2 1.3 国内光伏发电的研究现状.2 1.4 本文的主要内容.3 2.光伏电池特性与最大功率点跟踪 3 2.1 光伏电池的基本原理与输出特性.4 2.1.1 光伏电池的基本原理.4 2.1.2 光伏电池的输出特性.6 2.2 光伏电池最大功率点跟踪方法.8 2.2.1 定电压跟踪法.9 2.2.2 短

11、路电流比例系数法.9 2.2.3 扰动观察法.10 3.光伏并网逆变器的结构与控制 11 3.1 光伏并网系统的体系结构.12 3.2 光伏并网逆变器的拓扑结构.13 3.2.1 小功率光伏逆变器的设计考虑因素.13 3.2.2 小功率光伏逆变器的结构.14 3.3 光伏并网逆变器的控制.17 3.3.1 逆变器控制的选择.17 3.3.2 电流滞环跟踪控制并网逆变器的仿真模型.19 气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无

12、任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 IV/34 4.MATLAB 仿真结果与分析 24 4.1 逆变器 DC/DC部分输出的结果与分析.24 4.2 逆变器 DC/AC部分输出的结果与分析.24 结 论 2

13、7 参考文献 28 答 谢 29 气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤

14、波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 1/34 1.绪论 1.1 课题研究背景与意义 目前，世界上煤炭、石油、天然气等传统能源频频告急，能源问题已经成为制约全球经济发展的主要原因，这也是最近南海争端的主要原因，有些国家为了取得能源争夺战的胜利不惜动用武器、发动战争。当人们把南海与地球上每个储能角落都开采尽的时候，还能去哪里开采？所以新能源将逐渐代替传统能源，太阳能作为新能源之一以其独有的优势得到了全世界的广泛关注。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽用之不竭的，可再生并清洁环保，无需运输，最重要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能。太阳能每秒辐射到地球

15、表面的能量约 80 万 KW，如果把到达地面上太阳能的 0.1%转换为电能，转换率为 5%，那么每年的发电量可达10125.6kWh，等同于目前世界上能耗的四十倍1。这几年来随着光伏产业与市场的飞速发展，光伏系统发电开始由边远山村无电地区向内地市区并网发电，同时推动了光伏建筑一体化发展。其中，光伏并网发电市场己经成为世界上光伏工业的最主要研究方向。虽然对现在来说，太阳能光伏发电的成本较高，但是对未来来说，随着科学技术的发展，以与其它传统式能源越来越少的情况下，预计到 2030 年，新能源在总的能源结构中将超过 30%，然而太阳能光伏发电在世界应用能源中也将超过 10%，到 2100 年，新能源

16、在能源结构中将超过 80%，太阳能发电将超过 60%。因此，太阳能有着不可估量的发展前景2。气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电

17、流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 2/34 1.2 国外光伏发电的研究现状 到 2004 年底日本己安装 20 万户太阳能屋顶，其中仅在 2004 年里就安装了超过 5 万套户用光伏并网系统3。截止到 2007 年世界上新装太阳能容量达到2826MW，仅德国就占 47%左右，西班牙占 23%左右，美国占 8%左右，日本同美国接近。此外，太阳能光伏发电产业在 2007 年期间融资增加了约 100 亿美元，从而使得光伏产业的规模逐渐扩大。太阳能电力协会(Solar Electric Power As

18、sociation，SEPA)近日的一项调查将太平洋煤气电力公司(Pacific Gas and Electric Company，PG&E)列为美国顶级公共电力公司，因其 2011 年新增的太阳能发电系统数量。在 SEPA的 2011公共设施太阳能电力排名调查中，PG&E从 240 多家公共电力公司中脱颖而出成为年度太阳能兆瓦级类第一名。该公司连接了可以使所有消费者受益的 135MW 大型太阳能项目。这包括 PG&E 自有的扩张太阳能项目，全部完工后可以提供 250MW的清洁能源，足够满足 150000 个普通消费者家庭的能源需求。1.3 国内光伏发电的研究现状 光伏并网发电技术的研发对我国

19、来说起步较晚，光伏并网发电技术在近几年才得到我国的重视。据统计，我国光伏发电的产量到 2004 年才为 100MW 左右。国家科技部在“十一五”期间投入大量的经费对并网光伏发电系统进行研发。中国科学院电工所等单位在深圳园艺博览会建设的 1MW光伏并网电站以与上海交通大学太阳能研究所制定的上海 10 万个太阳能屋顶发展计划等项目的实施推动了我国光伏并网产业的快速发展。2010 年太阳能发电新增装机 40 万 KW，总装机为 70 万 KW。气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污

20、染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 3/34 赛诺国际 4.3MW的金太阳示范项目，以“合同能源管理”模式利用厂区内闲置屋顶采用用户侧并网方式建设总装机

21、容量为 4300KW的屋顶光伏电站，海南天能电力有限公司计划投资 6000 万元建设该项目，年均发电量约为 650 万 KWh。在国家能源局发布的“十二五“能源规划中，到 2020 年，我国太阳能将比目前增长 30 倍3。1.4 本文的主要内容 本课题的主要内容是选择合适的光伏并网逆变器和通过合适的控制方法确保逆变器的输出功率因数接近 1，从而输出最大的有功功率。主要工作概述如下：（1）对太阳能电池方阵进行简单的介绍，考虑到太阳能电池具有强烈的非线性特性，介绍几种最大功率点跟踪方法并进行分析。（2）本文小功率光伏并网系统发电功率选择 1kW，对小功率光伏并网系统的工作原理与电路拓扑进行了深入分

22、析，采用了双级式并网系统结构，并网逆变器中的 DC/DC升压电路采用电压型高频链推挽式结构，DC/AC逆变电路采用了全桥式逆变结构。（3）研究了并网逆变器的工作原理和控制方法，对并网逆变器的控制采用了电流控制方法，建立了并网逆变器的 MATLAB 仿真模型，并进行了 MATLAB 仿真研究。仿真结果表明所采用的控制方法增强了系统的稳定性，减小了输出电流的谐波含量，改善了输出的功率因数。2.光伏电池特性与最大功率点跟踪 光伏发电系统的效率由电池板的光电转换效率、MPPT效率和逆变器效率三气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆

23、变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 4/34 部分决定2，则高效率的 MPPT技术对光伏发电系统提高效率

24、有着十分重要的意义。2.1 光伏电池的基本原理与输出特性 电池泛指将除机械能以外的能量直接转换为电能的设备或器件，其特点之一是其中没有运动部件，因此具有噪声低的优点。光伏电池是利用光生伏特效应（Photovoltaic Effect）把光能转变为电能的器件，与其他电池类型不同，光伏电池本身不能像干电池、蓄电池、和燃料电池那样，事先将转换的能量存储起来，它只能把接收到的光能立即转换为电能。2.1.1 光伏电池的基本原理 光伏电池的光电转换最小单元是单体，单体半导体二极管，它是把杂质填入半导体形成的 PN 结5。当太阳能照射到半导体二极管上时，在该区间内产生电子空穴对，从而导致带电载流子数量增多，

25、这些带电载流子受到内建电场的吸引在空间电荷区内流动，在 PN结逐渐形成一个光生电场，其工作原理可以利用图2-1 的等效电路图来描述。图中LU是光伏电池的输出电压即负载电压,LI是光伏电池输出的电流即负载电流，LR是光伏电池的负载。气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先

26、讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 5/34 图 2-1 光伏电池的的等效电路图 图中，scI代表光子在光伏电池中激发的电流，这个量取决于辐射照度、电池的面积和本体的温度 T。显然，scI与入射光的辐照度成正比，而温度升高时，scI会略有上升，一般来说，12cm硅光伏电池在标准测试条件下的scI值约为 1630mA，当温度每升高 1时，scI值会增加 78A。V

27、DI为通过pn 结的总扩散电流，其方向与scI相反，其表达式为 VDI=0DI(AKTqEe-1)（2-1）式中 q 为电子的电荷，C19106.1；K为玻尔兹曼常数，J/K101.3823；A为常数因子；0DI为光伏电池无光照情况下的饱和电流。由式(2-1)可知其大小与光伏电池的电动势 E和温度 T等有关。根据图 2-1，可得到负载电流LI为 shsLLsLL0DscLRRIU1)AKT)RIq(U(eIII （2-2）式中sR为串联电阻，它主要是由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻组成，shR为旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内缺陷引起的。东莞市星火太阳能科技

28、有限公司的 SFM型号的太阳能电池板电力参数如下表所示：表 2-1 太阳能电池板电力参数 型号 SFM200W-72/5 SFM190W-72/5 SFM180W-72/5 峰值功率(Pmax)200 W 190 W 180 W 气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先

29、讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 6/34 峰值电压(Vmp)36.26 V 36.26 V 36.26 V 开路电压(Voc)43.2 V 43.2 V 43.2 V 峰值电流(Imp)5.52A 5.24 A 4.97 A 短路电流(Isc)6.07 A 5.77 A 5.46 A 电池片转换效率 17.8%16.9%16%太阳能电池板工作环境-40 C

30、to+85 C 最大系统电压 1000 V DC(IEC)/600 V DC(UL)二极管 3 by pass/6 by pass 正负公差-3/+3%测试标准（环境）:辐照度 1000 W/m2,环境温度 25 C,AM=1.5;功率公差范围:3%选择 SFM200W-72 型号的太阳能电池板如下图所示:图 2-2 SFM200W-72型号太阳能电池板 2.1.2 光伏电池的输出特性 正常光照条件下，光伏电池的输出功率特性曲线是以最大功率点为极值的单气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师

31、摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 7/34 峰值曲线，图 2-1 和式（2-2）给出的单二级管模型可以比较精确地描述其工作特性。光伏电池

32、一般情况下，并联电阻shR比较大，串联电阻sR比较小。理想电路计算时可以忽略不计，因此可得到理想光伏电池的特性：1)(eIIIAKTqU0DscLL （2-3）由式（2-3）可得 1)IIIln(qAKTU0DLscL （2-4）式（2-3）和式（2-4）忽略了shR和sR的影响，虽然与其真实的光伏电池会有较小的偏差，但是在本质上同样能够表示光辐照度和温度的作用。由式（2-3）可知，在外电路短路的短路试验即LR=0 时，输出的电流LI等于scI。在开路试验，即LR时，测得光伏电池电压即开路电压ocU。由式（2-4）可计算出光伏电池的开路电压为 )IIln(qAKT1)IIln(qAKTU0Ds

33、c0Dcsoc （2-5）当光幅照度随着时间变化时，光伏电池的ocU与光幅照度的对数成正比。图 2-3 为保持光伏电池温度不变，光伏阵列的输出随辐照度和负载变化的LI-LU和 P-LU特性曲线。由该特性曲线可以看到开路电压ocU随辐照度 气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本

34、文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 8/34 图 2-3 光伏电池在相同温度不同光照强度下的LI-LU和 P-LU特性 的变化不明显，而短路电流scI则随光照强度有明显变化。P-LU特性曲线中的最大功率点功率mP随着光照强度的变化同样有明显变化。图 2-4 光伏电池在相同光照强度不同温度下的LI-LU和 P-LU特性 图 2-4 为保持照度不变，光伏阵列

35、的输出随电池温度和负载变化的LI-LU和P-LU特性曲线。由该特性曲线可以看到开路电压ocU线性的随着温度的不断变化，短路电流scI也随着温度稍有变化。mP随温度的不断变化也有较大改变。注意其中指出的温度应为光伏电池本体的温度，而不是光伏电池环境的温度6。2.2 光伏电池最大功率点跟踪方法 随着外界条件的不同，光伏电池运行的最大功率点也不同。因此，需要对光伏并网发电系统中的光伏电池寻找最大工作点，从而能够将光能最大化的转换为气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问

36、题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 9/34 电能。通过一些控制方法来实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point

37、 Tracking，MPPT）技术4。2.2.1 定电压跟踪法 定电压跟踪法，根据图 2-3 可以看出，当光伏电池温度不变时，光伏电池输出曲线上 P-LU的最大功率点电压约为定值，则定电压跟踪控制法的控制思路是：通过一定方法控制光伏电池的输出电压恒定在mppU处，使光伏电池运行在最大功率点处。mppU与光伏电池的开路电压ocU之间存在近似的线性关系，即 mppUoc1Uk （2-6）其中1k的值由光伏电池的特性所决定，一般1k的取值约为 0.8。定电压跟踪法控制的优点是易于实现，控制比较简单，可靠性较高，并且具有很好的稳定性7。但是定电压跟踪控制的精度比较差，尤其是温差变化较大的地区，需要人为

38、的控制才能较好的运行。因此恒定电压控制常与其他闭环 MPPT方法组合使用，先用恒定电压控制的光伏发电系统启动过程中使工作点的电压用最短的时间靠近最大功率点电压，然后在用其他闭环的 MPPT算法对最大功率点进行精确寻找。该方法能够很好的降低在启动过程中寻找最大功率点造成的能量损耗，减少了不必要的浪费。2.2.2 短路电流比例系数法 由图 2-3 可知，在辐照度超过某一直并且温度趋于不变时，光伏电池输出的曲线LI-LU最大功率点电流mppI与光伏电池的短路电流scI有近似的线性关系。即 sc2mppIkI （2-7）其中2k的值由光伏电池的特性所决定，2k通常取值约为 0.8。气工程学院专业电气工

39、程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网

40、逆变器控制系统的设计 10/34 在应用中，可在光伏逆变器中附加有关的开关来控制功率，并通过周期性短路太阳能电池的输出端来测的scI。该方法和恒定电压控制应用类似，由于测量ocU要将负载断开，所以存在瞬时功率损失，而测量scI比测量ocU更加复杂，因此该方法实际中较少应用8。2.2.3 扰动观察法 扰动观察法的原理：首先经扰动输出一个电压值，根据公式UIP 分别算出扰动前后太阳能电池板的输出功率，比较扰动前后功率值，若扰动后输出功率大于扰动前的功率，则说明本次扰动能够使太阳能电池板的输出功率增加，之后的扰动再往同样的方向扰动。若扰动后输出功率小于扰动 检测U、I计算功率P=UIP(K)p(K-

41、1)?U(K)U(k-1)U(K)U(k-1)NYUref=Uref+UUref=Uref-UNYUref=Uref-UUref=Uref+UYN返回图 2-5 定步长扰动观察法的流程图 前的功率，则说明本次扰动对太阳能电池板的输出功率不利，之后的扰动则反相的方向扰动。扰动观察法就是按上述的过程如此的反复扰动，从而使其电压的变化逐渐向太阳能电池板输出的功率最大点靠近。扰动观察法按每次扰动的电压变气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污

42、要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 11/34 化量是否固定，可以分为定步长扰动观察法和变步长扰动观察法，定步长扰动观察法的流程图如图 2-5 所示。运用扰动观察法对 MPPT进行控制具有易于理解

43、，控制方法简单，测量参数较少，易于实现等优点。扰动观察法的不足之处在于扰动到最大功率点处会出现振荡现象，致使功率损失增加。因此，选择扰动电压的步长大小比较关键，步长较小时虽然可以有效地减小最大功率点处的振荡以与跟踪的速度也会降低，但是会使太阳能电池板长时间处于低功率输出状态9。3.光伏并网逆变器的结构与控制 光伏发电系统可以分为离网光伏发电系统和光伏并网发电系统2。离网光伏发电系统与电力系统的电网不相连，作为移动式电源，主要应用在边远无电地区。光伏并网发电系统与电力系统的电网连接，作为电力系统中的一部分，目前，全球光伏发电系统的主流应用方式是光伏并网发电方式，即光伏系统通过并网逆变器并入当地电

44、网，通过电网将光伏系统所发的电能进行再分配。太阳能电池矩阵用电卖电电网并网逆变器 图 3-1 光伏并网发电系统图 小功率光伏并网发电系统的并网点一般在电网的配电侧，也称作分布式发电系统，其特点主要如下：1）并网点在配电侧；气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种

45、基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 12/34 2）电流是双向的，可以从配电网取电，也可以向配电网发电；3）光伏电量主要直接被负载消耗，自发自用；4）分上网电价方式（双价制）和静电量方式（平价制）；5）大部分安装在建筑物上，安装功率受建筑物面积和并网点容量的限制，从 1kW到数千万不等。3.1 光伏并网系统的体系结构 根据光伏电池的不同分布以与功率等级，则把光伏并网发电

46、系统的体系结构分为六种:集中式、交流模块、串型、多支路、主从、和直流模块式10。在大功率等级应用中，集中式结构仍起主导性作用，多支路结构和主从结构也会被应用。在小功率应用中，交流模块是和直流模块式结构将得到很好的发展，串型以与多支路结构也会应用到其中。图 3-2 直流模块式结构图 由于本文是小功率光伏并网系统，所以采用直流模块式结构，直流模块式结构是学者基于并联多支路结构思想与交流模块式结构思想相结合而提出的，直流模块式结构如图 3-2 所示。本文选择小功率光伏逆变功率为 1KW，由于选择 200W气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小

47、功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制作用经滤波器滤波后并入电网最后利用中的环境进行与小功率光伏并网逆变器控制系统的设计 13/34 的光伏电池板，则需要 5 个光伏直流模块。

48、直流模块式结构的主要特点是每一个光伏直流模块具有独立的 MPPT控制电路，所以能够使每个光伏组件都工作在最大功率点上，最大限度地发挥了光伏组件的效率，且能量转化效率高，具有很高的抗局部阴影和组件电气参数失配能力。采用模块化设计，系统构造灵活，给系统的扩充提供了很大的灵活性，易于标准化，适合批量化生产，降低系统成本等。3.2 光伏并网逆变器的拓扑结构 光伏并网逆变器是将太阳电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网的设备，是并网型光伏系统能量转换与控制的核心。3.2.1 小功率光伏逆变器的设计考虑因素 小功率逆变器不同于传统大功率集中式逆变器，小功率逆变器区别于传统逆变器的特点，逆变

49、器输入电压低、输出电压高，单块光伏组件的输出电压范围一般为 2050V，而电网的电压峰值约为 311V（220VAC）或 156V（110VAC），因此，小功率逆变器的输出峰值电压远高于输入电压，这要求小功率逆变器需要采用具备升降压变换功能的逆变器拓扑；而集中式逆变器一般为降压型变换器，其通常采用桥式拓扑结构，逆变器输出交流侧电压峰值低于输入直流侧电压。小功率逆变器的设计考虑因素：（1）变换效率高：并网逆变器的变换效率直接影响整个发电系统的效率，为了保证整个系统较高的发电效率，要求并网逆变器具有较高的变换效率。（2）可靠性高：由于小功率逆变器直接与光伏组件集成，一般与光伏组件一起放于室外，其工

50、作环境恶劣，要求微逆变器具有较高的可靠性 气工程学院专业电气工程与其自动化班级学生姓名学号指导教师姓名小功率光伏并网逆变器控制系统的设计小功率光伏并网逆变器控制系统的设计专业姓名指导教师摘要随着环境污染和能源短缺问题的日益严重寻找一种储备大无污要的是绝无任何国家实施垄断和控制的可能已经得到了人类越来越广泛的应用本文以最大限度利用太阳能把高质量电能并入电网为主要目标来研究和设计光伏并网逆变器具有重要意本文中首先讨论几种基于输出特性曲线的最大功率压型高频链推挽式结构逆变电路采用全桥式逆变结构并对并网逆变器的控制采用了电流控制方法使并网逆变器输出的电流跟随给定的电流波形变化对并网逆变器起到了有效控制