光伏发电系统的单相并网逆变器研究

发布时间：2016-08-04 07:50

1 绪论 

1.1  引言 
伴随着我国社会主义现代化经济建设的全面向前推进，在经济快速、猛进地增长同时，我们国家也面临着前所未有的能源与发展的双重考验。能否平衡好发展与能源的关系，将直接影响我国未来经济的可持续发展。 现如今在中国，化石类不可再生能源的短缺、环境污染严重以及社会对于电能需求增大等问题尤为突出。根据科学家统计数据显示：按照目前的能源消耗速度来看，我国可开采的石油储量，将在二十年后耗尽，而煤炭是我国能源的主要形式也维持不下 100年[1,5,7]，并且石油、天然气、煤炭等能源是不可再生能源，如果消耗殆尽，不可能在短期内重新恢复相当储量。另外，不可再生能源的开发利用很容易给生态环境带来破坏，比如，煤炭的不充分利用导致大气雾霾的出现，同时，还会引起温室效应的发生。因此，开发新能源，实现我国能源的可持续利用迫在眉睫。 目前，可开发利用的新能源较多，像核能、风能、潮汐能、地热能等，都是现在，研究的热点新能源。这些新能源相比于传统的化石类能源都有着相当大的优势，但和太阳能比较起来还是有显著地缺点，如风能稳定性不好，发出的电能质量不够高；潮汐能利用起来不方便；地热能受到地域的限制；核能则一旦泄漏危害很大[6,7]；而太阳能不存在上述问题，它具有能量巨大，发电时不出现污染，在任何区域都能实现发电等特点，故人们认为太阳能发电是我国未来能源结构中，最具有发展潜能的能源形式。 单相并网逆变器作为公共电网侧与太阳能发电系统连接的中间环节，它对光伏发电系统能否顺利、高效地并网起着决定性作用。为了使太阳能发电系统高性能并入电网，则需对单相太阳能并网逆变器进行深入研究，，充分掌握单相并网逆变器在不同并网环境中的运行情况，从中提出合理地设计方案，最终实现单相并网逆变器高效运行。
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1.2  单相光伏并网逆变器的国内外研究现状及发展趋势 
控制技术以及电力电子器件的不断革新，促使单相光伏并网逆变器蓬勃发展。早在二十世纪五六十年代，伴随着世界上第一个晶闸管 SCR 的出现，人们可以通过功率器件产生正弦波的时代到来了[9]，这也为逆变器创造了发展条件；逆变技术的应用及发展是在七十年代，双极性晶体管 BJT 和可关断晶闸管 GTO 诞生之后；八十年代又陆续出现了功率场效应管、MOS 控制晶闸管等大功率器件，为大容量逆变器的研发开拓了平台[10]；九十年代控制技术在逆变器上得以应用，促成了逆变器的智能化进程；二十一世纪逆变器更是朝着高效率、高频化、高可靠性、高功率密度、智能化方向突飞猛进[8,13]。目前，国外光伏并网逆变器的发展已经达到比较成熟的水平，也产生出一些国际知名品牌，如：SMA、Sputnik、Sun  Power 等逆变器品牌，其中的 SMA 更是占到了最大的市场份额，据统计大概能占 49%以上[14,15,16]。下面将通过一些典型的国际知名品牌，来阐明目前国际研究光伏并网逆变器的现状。 在 SMA 的众多产品系列中，单条以及多条支路的光伏并网逆变器被应用的较为广泛。这两款产品有着共同的特点及优势它们分别是：效率高，功率因数能接近 1；谐波含量特别低；最大功率跟踪模块采用软件控制实现，使得系统的稳定性非常完美；在现实工作中，SMA 的这两款产品能自我优化调节，让系统始终处在最佳工作模式，同时，在工作状态指示上，它采用的是 LED 灯显示，操作者在操作时能更加直观的了解系统运行情况；独创的自诊断模式，随时随地发现系统故障，提醒工作人员尽快排除；在逆变器兼容性方面，做到极致，它可以任意串并联使用，方便了逆变器的扩充[17,26]。 
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2  单相光伏并网逆变器的基本原理及拓扑结构分析 

2.1  光伏并网发电的运行流程及工作原理 
光伏发电系统通常来说由光伏阵列、升压电路、全桥逆变电路、滤波器、蓄电池、保护电路、控制单元等组成如图 2.1 所示。图 2.1 框架的运行过程为：单相并网逆变器通电后，并网逆变器进入初试化阶段，经过几秒后初试化阶段结束，单相并网逆变器开始工作。首先，光伏矩阵发出的直流电会经过滤波处理后，送到升压电路上，同时主控电路根据采样电路采集回来的经滤波处理后的光伏矩阵发出的直流电，给出相应驱动信号控制升压电路 IGBT 的开断。此过程可将光伏矩阵输出的电压上升到 400V 的直流电，其次，主控电路经过相应计算后，会输出 PWM 信号来控制全桥逆变电路，这个阶段 400V 的直流电将变成 220V 的交流电。最后，主控电路还会对逆变器输出的交流电频率相位与电网电压的相位频率进行比较，依据它们的误差大小输出相应的 PWM 信号，最终使单相并网逆变器输出的电流和电网电压的频率和相位同步[37]。 
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2.2  单相光伏并网逆变器功率电路分析与选择 

光伏发电系统的运行，离不开光伏并网逆变器的设计，在光伏并网逆变器的设计过程中，需要充分考虑光伏并网逆变器的拓扑结构，以求设计出最高性价比的逆变器。 并网逆变器的拓扑结构层次不穷，并且不断更新变化中，是目前研究单相光伏并网逆变器的热点之一，但无论光伏并网逆变器拓扑结构如何多样，总体框架形式都可归纳为如下：并网逆变器依据是否电气隔离可以把它们分为：无变压器隔离型和变压器隔离型，在有变压器隔离型的并网逆变器中又可分：工频型和高频型，工频型变压器隔离单相并网逆变器的显著特点是，它很适用于大功率用电场合，因在网侧和并网逆变器之间有了工频变压器作为隔离电气，当大功率设备和电网出现故障时，工频变压器起到了很好的电气隔离效果，减少了单相并网逆变器的冲击，提高了光伏发电系统的安全性和整体稳定性，但因为有了变压器的存在，无形中增加了单相光伏并网逆变器的体积、设计成本以及模块的增多造成的系统效率降低等因素[38]，工频隔离型单相光伏并网逆变器如图2.3 所示： 

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3  电流输出型单相光伏并网逆变器的控制方案研析 .......... 21 
3.1  并网调控对象和方法 ........ 21 
3.2 SPWM 技术应用 ........ 22 
3.3  电流型跟踪控制技术 ........ 24
3.4  电流型跟踪控制数学建模 ........ 26
3.5  双闭环控制策略的调节器设计 ........ 29
3.6  锁相环 ........ 32 
3.7 Park 变换的基本原理及应用 ..... 33
3.8  本章小结 .... 36 
4  并网逆变器硬件设计 .......... 37 
4.1  系统控制硬件结构 .... 37 
4.2  主控单元 TMS320F28035 原理图及其功能 ........... 37 
4.3  主控单元 TMS320F28035 辅助电路设计 ....... 38
4.4  系统供电电源设计 .... 41 
4.5  驱动电路设计 .... 42 
4.6  采样电路设计 .... 44 
4.7  本章小结 .... 47
5  单相光伏并网逆变器控制方法仿真与验证 ...... 48 
5.1  光伏电池数学模型及仿真 ........ 49 
5.2  扰动观察法实现 MPPT 跟踪仿真 ........... 51 
5.3 boost 升压电路与 MPPT 相结合仿真 ....... 54 
5.4  三种滤波器的 Bode 仿真 ......... 56 
5.5 SPWM 仿真 ........ 57 
5.6  改进型 Park 变换与自适应滤波器相结合仿真 ....... 57 
5.7  改进型单相光伏并网逆变器仿真 .... 61 
5.8  软件算法设计 .... 62 
5.9  本章小结 .... 63 

5  单相光伏并网逆变器控制方法仿真与验证 

单相光伏并网逆变器装置在实际中的稳定运行是离不开单相光伏并网的控制策略的。以往传统的单相光伏并网逆变器装置由于控制策略不够完善，相应的控制系统稳定性普遍不高，导致单相光伏并网逆变器装置在并网输出交流电流信号时，不能完全的使得输出电流的频率与相位跟电网电压的频率与相位同步，造成了电网的瞬时冲击。新型的单相光伏并网逆变器控制策略由于结合了目前比较先进的模糊自适应锁相环控制技术和双闭环控制策略，输出电流和系统运行的稳定性都有较大程度的提高，而在电网电压跌落、谐波注入等非理想电网电压情况下，仍能够跟踪、锁定电网电压频率及相位，保证了单相光伏并网逆变器装置的稳定输出。 下面就如下仿真的步骤做一简要说明，第一步光伏电池数学模型及其仿真，是搭建单相光伏并网逆变器的基础，它的作用在于实现光能与电能的转换，此模块的能量输出直接受温度与光照的影响，因此，对光伏电池在不同温度与光照下的伏安特性进行仿真研究，能为进一步达到光伏电池最大功率点输出控制策略提供研究思路。第二步最大功率点输出策略的仿真，研究单相光伏并网逆变器的意义在于，能使逆变器的输出功率在任何时刻都保持在最大输出点，而本文设计的单相光伏并网逆变器定位在中小型功率逆变器上，在此类型的并网逆变器中，应用扰动观察法实现 MPPT 控制是众多控制策略中，反应速度最快、效率最高的一种方法，所以，对扰动观察法的 MPPT 控制仿真能说明选择此方案的可行性，同时，实现 MPPT 控制与 boost 升压电路的融合奠定理论仿真模型基础，第三步 MPPT 控制与 boost 升压电路相结合的仿真，本文采用两级式非隔离型拓扑结构，它与单级式结构的最大区别，就是在单相并网逆变器的硬件中加入了直流升压模块 boost 电路，要想在两级式结构的逆变器上实现 MPPT 跟踪，就必须将 MPPT 控制与 boost 升压电路结合起来进行仿真，观察因不同负载情况下，光伏电池的输出是否还能达到最大输出，只有这样才能在接下来的逆变环节，使逆变器的输出能量始终达到最大值，第四步逆变环节，这里的逆变环节采用了 SPWM 脉冲宽度调制技术，它是依据调节不同的占空比，来获得所需波形。
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结论 

本文首先对国内外单相光伏并网逆变器的研究现状以及未来的发展趋势做了详细地综述，然后对单相光伏并网逆变器的拓扑结构及运行特性进行研究分析，并在此分析的基础上设计了 BOOST、LCL 型滤波器的元器件参数；其次，本文研究了目前应用较为广泛的单相光伏并网逆变器的脉冲宽度调制控制方法，并对基于电压外环、电流内环的双闭环控制策略进行了改进，最后深入研究了同步旋转坐标变换锁相环原理，给出将park 变换与频率自适应滤波器相结合的控制方法来实现单相光伏并网逆变器的锁相，并运用仿真软件对上述控制方法进行了仿真。完成全部工作后得出如下结论： 
（1）LCL 型两级式非隔离型单相光伏并网逆变器数学理论证明是可行的。对典型的单相光伏并网逆变器几种拓扑结构进行了细致分析，总结它们的优缺点，最终设计出适合本论文研究方案的单相光伏并网逆变器两级式非隔离型拓扑结构方案。在逆变器的前级加入 boost 电路实现升压，后级则采用单相全桥逆变电路实现并网逆变功能。而在单相光伏并网逆变器的滤波上，为最大限度减少能量损耗，设计有阻尼滤波，通过 L 型、LC 型、LCL 型三种滤波器比较研究，应用具有较强谐波抑制功能的 LCL 型滤波器，并依据其约束条件完成对其参数的设计，还对该设计方案的电路运用 protel 软件进行硬件搭建模拟。据数学理论中的比较法分析，此方案的并网逆变器能大幅度提高工作效率。 
（2）改进型外环 PI、内环预测无差拍控制策略可有效针对稳定的电网电压进行同步跟踪。重点研究逆变器控制策略，就传统双闭环电流控制策略的缺陷，进行了深入研究。找出了一种外环采用 PI、内环采用无差拍的改进控制策略，并进一步提出预测型无差拍控制方案，通过 Simulink 软件仿真实验显示，应用此方案的单相光伏并网逆变器，能很好的实现逆变器输出电流与电网电压同步，同时解决了硬件延时效应问题。 
（3）自适应滤波器与 PARK 变换相结合的锁相环能快速、稳定、准确的实现非理想电网状态下的电网频率及相位锁定。为提高逆变器的跟踪和锁定精度，解决常规并网逆变器锁相环，因自身锁相自由度不足引起锁相误差的问题。深入分析研究了同步旋转坐标变换锁相环原理，提出一种频率自适应且基于改进型 park 变换的单相并网逆变器锁相环。经仿真实验说明，应用此方法的单相并网逆变器，在电压跌落、谐波注入等非理想电网电压情况下，仍能精确地跟踪、锁定电网电压频率及相位的优势。 
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参考文献(略)

本文编号：83063