目錄TOC\o"1-3"\h\u149781緒論 2205891.1課題背景 280531.2國內外研究現狀 3255881.2.1國外的研究現狀 356011.2.2國內的研究現狀 313571.3光伏并網逆變器的發展趨勢 4238431.4主要研究內容 4287292光伏逆變器主電路的設計與工作原理 594152.1光伏逆變器的基本結構 521512.2逆變器的拓撲分類 591142.3系統工作原理 6250812.3.1前級Boost升壓電路的工作原理 641982.3.2后級單相全橋逆變器的工作原理 8154112.4本章小結 9308483光伏陣列的最大功率點跟蹤 1055523.1光伏陣列的輸出特性 10215763.1.1光伏電池簡介 10288593.1.2光伏電池的工作原理 106723.1.3光伏電池的物理模型 1318953.1.4光伏電池的輸出功率 14146253.1.5光伏陣列的溫度特性和光電特性 15218733.2最大功率點跟蹤法的比較與分析 16222633.2.1電導增量法 17200203.2.2干擾觀測法 19142103.2.3固定電壓跟蹤法 2018443.2.4其他MPPT方法 23192573.3本章小結 2492284三相并網逆變器的控制策略 25123804.1并網逆變器的控制目標 25304044.2并網逆變器的原理 2547244.3并網逆變器控制策略的比較 2681534.4電流跟蹤控制方式的比較 2637764.4.1電流滯環瞬時比較方式 2649864.4.2三角波比較方式的電流跟蹤方式 2733124.4.3SVPWM電流控制方式 27219644.5SVPWM控制原理 28140564.5.1SVPWM的特點 2836384.5.2SVPWM的原理 28203154.6SVPWM的實現 29209814.6.1參考電壓所在扇區的判斷 29262354.6.2各個扇區開關持續時間的計算 31185844.7SVPWM控制的實現 3295064.8本章小結 3284655光伏并網逆變器的仿真 33271495.1恒定電壓法MPPT跟蹤的仿真實現 33175235.1.1固定電壓法MPPT跟蹤的仿真方法 3346425.1.2固定電壓法MPPT仿真 33234595.1.3固定電壓法MPPT仿真結果分析 34194295.2SVPWM控制的仿真 36101105.2.1SVPWM控制仿真方法 3660165.2.2SVPWM控制仿真電路 36264385.2.3SVPWM控制仿真結構分析 37245805.3本章小結 38100616結論 3916341參考文獻 4025153致謝 411緒論1.1課題背景隨著煤炭、石油等現有化石能源的頻頻告急和大量使用化石能源對生態環境造成嚴重的破壞，人類不得不盡快尋找新的清潔能源和可再生資源。本世紀初進行的一項有關世界能源儲量的調查中顯示：石油僅能被采39.9年，煤炭還可采227年，而天然氣也只能采61年。目前，世界范圍內的能源緊缺已經成為制約人類社會可持續發展的兩大重要因素之一，大力發展新能源已是迫在眉睫。新能源包括太陽能、風能、生物質能、水能、地熱能、海洋能等，而太陽能以其儲量巨大、安全、清潔等優勢使其必將成為2l世紀最有希望大規模應用的清潔能源之一[1]。專家預測，在今后的20-30年里，全球的能源結構將發生根本性的變化。自20世紀50年代，從太陽能電池的空間應用到如今的太陽能光伏集成建筑、光伏并網系統，世界光伏產業已經走過了半個世紀的歷史。由于太陽能資源分布廣泛、蘊藏豐富，光伏發電系統具有清潔、安全、壽命長以及維護量小等諸多優點，光伏發電被認為將是21世紀最重要、最具活力的新能源。在世界各國尤其是美、日、德等發達國家先后發起的大規模國家光伏發展計劃和太陽能屋頂計劃的刺激和推動下，世界光伏組件生產最近10年的平均年增長率為22%，最近5年的年平均增長率為35%，2005年已達到近800MW。可以看出,世界光伏產業呈快速發展勢態,成為世界發展最快的新興產業之一[2-3]。并網光伏發電已經成為光伏發電領域研究和發展的最新亮點。中國地處北半球，南北距離和東西距離都在5000公里以上。我國太陽輻射資源比較豐富，全國各地的年太陽輻射總量為2928~2333kWh/m，平均值為1626kWh/m。受地理、氣候等環境條件的影響，太陽輻射資源分布具有明顯的地域性，尤其在中國西北部，太陽能資源豐富，推廣大規模的太陽能應用具有得天獨厚的先天優勢。中國與同緯度的其他國家相比，與美國相近，比歐洲、日本優越得多，因而有巨大的開發潛能。但相對于蓬勃發展的世界光伏產業，中國太陽能光伏技術處于發展的初期階段，大多光伏組件廠家規模小，基礎設施和生產設備落后，產品質量總體水平比國外產品低，生產成本卻相對較高[4]。中國要實現太陽能光伏發電商業化的目的，還要消除制約發展的一些障礙。1.2國內外研究現狀1.2.1國外的研究現狀世界光伏發電正在由邊遠農村和特殊應用向并網發電和與建筑結合供電的方向發展，光伏建筑一體化及并網光伏發電前景廣闊。光伏發電已由補充能源向替代能源過渡。近幾年,世界光伏發電市場發展迅速。德日美是世界三個最大最主要的光伏應用市場。近10年太陽能電池組件平均增長33%，最近５年的平均增長速度超過40%，2004年比上一年增長61.2%，光伏發電已成為當今發展最迅速的高新技術產業之一。2004年世界光伏電池組件產量達到1200MW，其中日本生產610MW，歐洲320MW,美國135MW，其他國135MW。2004年世界光伏系統的總裝機容量超過4GW。現在世界實力大國都制定了雄心勃勃的光伏發電近期發展規劃：到2010年日本計劃累計裝機容量將達到5GWp，歐盟3GWp，美國4.7GWp,澳大利亞0.75GWp，印度、中國等發展中國家估計為1.5～2GWp。國外并網型逆變器已經是一種比較成熟的市場產品，例如在歐洲光伏專用逆變器市場中，SMA、Satcon、Siemens等眾多的公司具有市場化的產品，其中SMA占有歐洲50%的份額。1.2.2國內的研究現狀中國光伏發電產業于20世紀70年代起步,，90年代中期進入穩步發展時期。太陽電池及組件產量逐年穩步增加。到2005年底，中國光伏電池總產量超過250MW，光伏組件總產量超過400MW。中國光伏發電市場的發展為:90年代初期,光伏發電主要應用在通信和工業領域，包括微波中繼站、衛星通信地面站、程控電話交換機、水閘和石油管道的陰極保護系統等。從1995年開始主要應用在特殊應用領域和邊遠地區，逐步建立了較大型的光伏發電應用系統，建成各種規模的縣、鄉、村級光伏電站40多座,推廣應用家用光伏電源系統約15萬套。2000年以后,中國的光伏技術已步入大規模并網發電階段,開始建造100kWp級的光伏并網示范系統。由于我國光伏發電等再生能源發電技術的研究仍然處于起步階段，技術水平相對于國外還有一定差距。就并網型光伏發電系統的核心技術并網逆變器而言，合肥工業大學能源研究所、燕山大學、上海交通大學、中國科學院電工研究所等科研單位在這一方面進行了相關的研究，并且在“九五”、“十五”期間，國家科技部投入相當數額的經費進行科研開發工作。國內對并網光伏逆變器的研究比較多的采用最大功率跟蹤和逆變部分相分離的兩級能量變換結構。并網光伏發電系統在我國還沒有真正地投入商業化運行的應用，大多光伏組件廠家規模小，基礎設施和生產設備落后，產品質量總體水平比國外產品低，生產成本卻相對較高。并網光伏發電系統的核心并網型逆變器還主要依賴進口或者合作研究的方式獲得，因此掌握并網光伏發電系統的核心并網型逆變器技術對推廣并網光伏系統有著至關重要的作用。1.3光伏并網逆變器的發展趨勢隨著數字信號處理技術的應用以及先進的控制方法的提出，電力電子能量變換發生了巨大的變化。數字信號處理技術的應用有助于減少逆變器輸出的直流成分；提高開關頻率，減小濾波器體積；改善輸出波形，快速響應電網瞬態變化。先進的控制方法將有助于改善輸出波形質量，從而減小濾波環節的體積，提高系統的動態響應性能。因此，并網型逆變器的發展必將沿著數字化、高頻化的方向進行。太陽能同建筑結合起來，將房屋發展成自我循環式的新型建筑，是人類進步和社會科學技術發展的必然。光伏并網發電和建筑一體化的發展，標志著光伏發電由邊遠地區向城市過渡[5]。聯合國能源機構調查報告顯示，光伏建筑一體化將成為21世紀城市建筑節能的市場熱點，太陽能建筑業將是21世界重要的新興產業之一。隨著人類航天技術以及微波輸電技術的進一步發展，空間太陽能電站的設想可望得到實現。由于空間太陽能電站不受天氣、氣候條件的制約，其發展顯示出美好的前景，是人類大規模利用太陽能的另一條有效途徑。1.4主要研究內容本文深入比較了各種逆變器的拓撲結構，從原理上對光伏逆變器的結構進行分析，確定本論文設計的光伏電源并網逆變器由DC-DC和DC-AC這兩級能量變換環節構成。由于DC-DC環節和DC-AC環節相對獨立性，本文對這兩個環節分別進行詳細的研究和分析。對于DC-DC部分，首先深入分析太陽能電池工作特性，建立了基于物理機制的光伏陣列模型。通過比較了國內外提出的MPPT應用方法，采用了固定電壓法實現最大功率跟蹤，建立Boost電路進行了仿真，并獲得較理想的效果。對于DC-AC部分，參考了大量逆變器控制常用方法，決定采用電網電壓定向矢量控制方法[5]，在Matlab環境下利用Simulink建立仿真模型。2光伏逆變器主電路的設計與工作原理2.1光伏逆變器的基本結構光伏逆變器的主要功能是將光伏電池輸出的直流電能轉換成交流電能。一般由主電路和控制電路兩部分組成,本章主要介紹逆變器的主電路結構及其硬件設計。因為輸出交流電壓一般都比光伏電池的輸出電壓高很多,因此主電路一個DC/DC型的升壓電路,此電路即為逆變器的前級部分。經DC/DC電路的電壓,需要經過一個DC/AC型電路逆變,最后輸出交流電壓。綜上所述,逆變器主電路是由DC/DC、DC/AC兩種變換器聯合組成。其結構如圖2.1所示。圖2.1系統主電路結構圖2.2逆變器的拓撲分類按照逆變器主電路的拓撲結構分類有：半橋逆變器、全橋逆變器。半橋逆變器的結構簡單。但是電壓利用率較低。而且在同樣的開關頻率下電網電流諧波比較大。該電路的原理圖如圖2.2所示。圖2.2半橋逆變電路結構圖全橋逆變器的結構圖如圖2.3所示。電路要求較高的直流側電壓。但是結構簡單容易控制。圖2.3全橋逆變電路結構圖2.3系統工作原理2.3.1前級Boost升壓電路的工作原理Boost電路是由開關管Q、電感L、二極管D以及電容C組成。通過控制開關管Q的通斷將太陽能發電系統輸出的直流電壓升高。原理如圖2.4所示。圖2.4Boost升壓電路當開關管Q處在通態時，電源向電感L充電，充電電流基本恒定為I。同時電容C上的電壓向R供電。因為C值較大，基本保持輸出電壓為恒定值。當開關管Q處于斷態是，電源與電感L同時向電容C充電。同時向負載提供能量。如圖2.5所示。由于電感與電容的值都比較大。采用PWM脈沖信號對開關管進行控制。輸出電壓的值與PWM脈沖信號的占空比有關。采用負反饋控制可以使電路工作在電流連續穩定模式下。(a)開關管Q為通態（b）開關管Q為斷態圖2.5Boost升壓電路的工作過程如圖2.6所示的穩態波形為Boost電路在連續導電模式下產生的。其中為控制MOSFET開斷的PWM脈沖信號。圖2.6Boost電路連續導電時的穩態波形2.3.2后級單相全橋逆變器的工作原理圖2.7單相全橋逆變器的拓撲結構主開關器件采用絕緣雙極性晶體管（IGBT）的電箱全橋逆變器主電路圖如圖2.7所示。其中L為交流輸出電感。直流側設有前級Boost電路的穩壓電容，也可稱為支持電容。V1-V4是開關管IGBT。對四個開關管進行PWM控制就可以調節逆變器輸出電流與電網電壓同相位。2.4本章小結本章首先對并網逆變器的控制方式進行了確定。然后對前級DC-DC和后級DC-AC電路的結構進行了工作過程和原理的分析。進而確定了本設計光伏并網逆變器的總體結構。采用DC-DC的Boost電路模式和DC-AC的全橋逆變方式的兩級結構。3光伏陣列的最大功率點跟蹤光伏陣列的輸出特性在光照強度、環境溫度、和負載情況的影響下呈現出非線性特性。光伏電池的電壓輸出狀態在一定的光照強度和環境溫度下不是一直不變的。但是，其輸出電壓在光伏電池輸出功率為最高點時是一定的。這時輸出功率曲線的最高點就是此時此刻光伏電池所處在的工作點，即最大功率點（MaximumPowerPoint,MPP）。所以要想提高光伏發電系統的整體運行效率，就必須對光伏電池的工作點進行調整，讓它能夠一直處在最大功率點的附近。這一過程就是最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking,MPPT）[4]。3.1光伏陣列的輸出特性3.1.1光伏電池簡介因為太陽能是一種可再生輻射能源，所以能量轉換器就是使之變為電能的位移途徑。太陽能光伏電池就是能讓我們運用太陽能的可靠轉換器。現如今以硅為基底材料的硅太陽能電池被廣泛采用，其中投入應用最多的要屬單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。同時一種新型的光伏電池-薄膜光伏電池，它具有成本低、效率高、運行可靠性強等特點，已經成為了國際研究的核心。在未來的一段時間里太陽能光伏電池的發展將會朝著高效率的方向進行。改變其材料，如：采用新型納米技術的薄膜光伏電池能夠提升光、電轉換的效率。改變其結構，如：疊層和玻璃光伏電池結構能夠使接受太陽的表面增加，使其效率更高。3.1.2光伏電池的工作原理半導體PN結的光伏電效應是太陽能光伏電池工作的依據。物體內部的電荷分布會受到外來能量的影響而發生變化，電荷的方向性運動就相應的產生了電動勢和電流。這一效應就被稱作為光生伏電效應。同理當PN結受到外來光源的照射時，隨著電荷的方向性運動，會在其兩端產生電位差，這就叫做光生電壓。當PN結受到外來光源的照射時，就會產生電子--空穴對，載流子產生于PN結附近，但是由于沒有達到復合的條件所以就會到達空間電荷區。受內部電場的吸引，電子流入n區，空穴流入p區。由于電場始終存在，電子源源不斷的進入N區使得N區趨于飽和，同理P區的空穴也會趨于飽和，這時電子和空穴就會在電場內部產生一個與原有電場相反的光生電場。這個由電子和空穴形成的新電場在抵消了原有電場作用的基礎上，還使p區帶正電，N區帶負電，這時N、P區之間就會形成電位差產生電動勢，這個效應被稱作為光生伏特效應。當把能量加到純硅中時（比如以熱的形式），電子會因獲得能量而掙脫共價鍵脫離原子的束縛。一個電子的離開，相應的就會出現一個空穴。電子在脫離原子的束縛后，就變成了自由載流子，在晶格的周圍尋找新的空穴。它們的運動就產生了電流。有時可以通過兩種原子的混合，來降低電子逸出所需要的能量。如純硅原子和磷原子混合后，只要很小的能量就能使磷原子最外層的5個電子中的某個電子脫離原子的束縛成為自由載流子。當利用磷原子摻雜時，得到的硅被成為N型（“n”表示負電），太陽能電池只有一部分是N型。另一部分硅摻雜的是硼，硼的最外電子層只有三個而不是四個電子，這樣可得到P型硅。P型硅中沒有自由電子（“p”表示正電），但是有自由空穴。空穴實際是電子離開造成的，因此它們帶有相反（正）的電荷。它們像電子一樣四處移動。電場是在N型硅和P型硅接觸的時候形成的。在交界處，它們確實會混合形成一道屏障，使得N側的電子越來越難以抵達P側。最終會達到平衡狀態，這樣我們就有了一個將兩側分開的電場，如圖3.1所示。圖3.1P側和N側的電場分布圖這個電場相當于一個二極管，允許（甚至推動）電子從P側流向N側，而不是相反。當光以光子的形式撞擊太陽能電池時，它所產生的能量就可以讓電子-空穴對得到釋放。使一個電子掙脫所需要的能量通常為一個光子所攜帶的能量，當電子掙脫束縛一個自由空穴就會被留下。當電場的影響范圍包括這對電子-空穴時，電子將會在電場力的作用下向N側移動，而空穴就會像P側移動。當這種運動進一步增多時，電中性會遭到破壞，這時我們可以在PN結的外部連接一個回路，電子就會通過這條回路流回P側與空穴結合，相應的電子會在“回家”的途中實現我們所需要的能量轉化，如圖3.2所示。圖3.2電子-空穴對的產生和能量轉化只有達到一定的能量——單位為電子伏特（eV），由電池材料（對于晶體硅，約為1.1eV）決定——才能使電子逸出。我們將這個能量值稱為材料的帶隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，則多余的能量會損失掉。在電池頂部采用抗反射涂層，減少硅的反射損失圖3.3多層材料的太陽能光伏電池圖3.3所示是一種提高效率的方法：使用兩層或者多層具有不同帶隙的不同材料。帶隙較高的材料放在表面，吸收較高能量的光子；而帶隙較低的材料放在下方，吸收較低能量的光子。這項技術可大大提高效率。這樣的電池稱為多接面電池，它們可以有多個電場。短路電流——即外部回路中產生的與入射光能量成正比的光電流，它出現在外部回路短路的情況下。開路電壓即是在PN結兩端開路時，N區和P區的費米能級之間存在差值，這就形成了電位差稱之為開路電壓，這個數值可以通過測量而得到。由于此時p-n結處于正向偏置，因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定電位差的值。如上闡述：太陽能電池的基本原理和二極管類似。電池單元是光電轉換的最下單元，一般不做單獨的電源使用。將這些小單元進行串、并聯并封裝后就成為太陽能電池組件，功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至數百瓦，當眾多太陽能電池組件再進行串、并聯后就形成了太陽能電池陣列（PVArray）。3.1.3光伏電池的物理模型通過上面的介紹我們可以認為：一個表面積很大的PN結二極管就相當于一個太陽能電池。當光照強度為0時，常規二極管所擁有的特性就能在太陽能電池的特性中完全體現出來。若電壓方向由P區指向N區，電流就能夠流通。這可以用二極管的模型進行描述：如式3-1（3-1）公式中————；————；————；————；————；————；如圖3.4所示為理想太陽能電池模型[12]。一旦太陽能電池板受到光照，則會產生光生電流。圖3.4理想太陽能電池模型此時，公式3-2可以用來表示理想狀況下的太陽能電池。（3-2）式中，光生電流正比于光照強度，同時與環境溫度有關，見式3-3。（3-3）式中———；，——；———；———；通常，一個能夠持續產生可靠光生電流的電流源可以被看做為我們的太陽能光伏電池，一個跨接電阻以及一個正向電壓的二極管和它并聯在一起，進入負載的光電流將會通過一個串聯電阻，它的數值會受到太陽能電池電極等一些因素的影響。其等效電路如圖3.5所示。圖3.5太陽能電池等效電路等效電阻被用來表示表面復合以及耗盡區復合時生成的漏電流。現實中理想二極管的工作特性需要用理想因子來完善以實現對太陽能電池PN結工作特性的描述。綜上，單二極管模型就可以實現對太陽能電池工作特性的表達。所以太陽能電池電流的大小如式3-4。（3-4）式中———；———；———；當流入負載的電流為時，負載端電壓，就可以得到式3-5。（3-5）3.1.4光伏電池的輸出功率當被表述為負載電流，被表述為端電壓，結合圖3-5可得太陽能電池的輸出功率為式3-6：（3-6）由式（3-4），（3-5）和（3-6）可以得到式（3-7）圖3.6太陽能電池的特性曲線（3-7）根據式（3-7）可得太陽能電池負載特性曲線，如圖3.6所示。從圖中可以看出在特定光照強度下太陽能電池所輸出的電壓與電流之間的關系。當即太陽能電池組件被短路了，圖中就是短路后的電流；當即天陽能電池組件被開路，圖中所示的就是開路時的電壓。太陽能電池輸出功率可以表述為經過太陽能電池的電壓與電流的積。當太陽能電池的電壓上升時，根據公式可以看出輸出功率也會隨之上升；當電壓達到某一定值的時候，輸出的功率將不在上升達到最大值，若繼續時電壓上升，輸出功率會停止上升，反之開始下降一直到0。輸出功率降低到0時的電壓就是開路電壓。最大功率點即是輸出功率達到最高時的那一點；到達最大功率點時的電壓和電流分別為最大功率點電壓和最大功率點電流；這時的功率為最大功率。太陽能電池效率和填充因子作為比較太陽能電池的兩個重要參數。是太陽能電池輸出功率與投射到太陽能電池表面入射光之比，太陽能電池效率通常使用的是達到最大功率點時的效率。是最大輸出功率與與之的比[12]。太陽能電池的裝換效率與填充因子成正比。3.1.5光伏陣列的溫度特性和光電特性由式（3-4）和圖3.2所示的等效電路可以看出太陽能光伏陣列功率輸出會受到光照強度和電池結溫的影響。在光照強度不改變的前提下，光伏陣列的參數都會受到電池結溫變化的影響。如圖3.7所示。圖3.7太陽能電池溫度特性溫度的高低與太陽能電池的開路電壓成反比、與短路電流成正比。從總體參數來看，輸出功率的大小與溫度的高低成反比[6]。太陽能電池的光電特性如圖3.8所示。圖3.8太陽能電池的光電特性光照強度的強弱與開路電壓成正比，但是會達到飽和；其短路電流與光照強度的強弱也成正比。3.2最大功率點跟蹤法的比較與分析最大功率點跟蹤的目的是將光伏電池組件產生的最大直流電能及時的提供給負載，使得光伏系統的系統能量利用效率能夠得到盡可能的提高，但是作為實際中的應用系統，很難通過調節阻抗的方式來實現最大功率的輸出。在實際系統中，通過對光伏陣列當前輸出電壓和電流的檢測，獲得當前陣列的輸出功率，再與已經儲存的前一時刻陣列功率相比較，舍棄小的儲存大的，再檢測，再比較。如此不停地反復比對，即可使得陣列動態的工作在最大功率點上，控制框圖如圖3.9所示。圖3.9MPPT控制框圖最大功率的跟蹤實現實際上就是一個動態的尋優過程，從圖3.10可以看出當陣列最大功率點相應電壓處于負載特性與太陽能電池陣列特性的交點的右邊時，太陽能電池的工作電壓升高被視為MPPT的控制作用，而當陣列最大功率點相應電壓在交點的左邊時，使太陽能電池的工作電壓下降被作為MPPT的控制作用。光照強度和溫度會對太陽能電池陣列的開路電壓與短路電流造成很大的影響，系統工作也會因此不停地變動，著必然導致系統的效率降低。太陽能電池陣列必須實現最大功率點的跟蹤控制，以便于光伏陣列在任何日照下連續獲得最大功率的輸出。下面就對現有的一些最大功率跟蹤方法進行分析和比較，并根據光伏并網逆變器設計的實際情況選擇合適的控制方法。圖3.10MPPT控制過程3.2.1電導增量法電導增量法[5][13][14],(IncrementalConductance,IncCond)是MPPT控制方法中較為常用的算法之一。微擾觀察法利用對工作點參考電壓的調制，讓其值與最大功率點電壓無限靠近以達到對最大功率點的跟蹤。這種方式所存在的問題在于我們并不知道最大功率點的方向。電導增量法就能夠了解到工作點電壓和最大功率點電壓之間的聯系，回避了微擾觀察法存在的不足。其工作原理如下：假設太陽能電池的輸出功率為,最大功率點電壓為，由P-V特性曲線可知，當時，；當時，；當時，。：，可得：當時，；時，；時，；由于是分母，首先判斷是否為0.如果，則這一點就是最大功率點。無需調整。如果，電流變化量不為0，參考電壓可以依靠的征服來進行調整。若不為0，則依靠上述的與之間的關系來調整工作點電壓，從而實現最大功率跟蹤。圖3.11電導增量法的控制流程圖電導增量法所運用的改變控制信號的策略是經過比較光伏陣列的電導增量和瞬時電導來達到目標的。法控制精確，響應速度比較快，適用于氣候條件比較快的場合是這種方法的優點。同時由于對參數測量級別的要求相對較高、對系統反應速度快慢的要求也相對較高就使得系統中硬件的價值也隨之升高。圖3.11表示出了電導增量法的流程圖，其中、為傳感器檢測到當前光伏陣列的電壓、電流值，、為上一控制周期的采樣值。這種MPPT控制算法最大的優點就是光照強度變化時。光伏陣列的輸出電壓能以平穩的方式跟蹤其變化。3.2.2干擾觀測法干擾觀測法[9](Perturb&Observealgorithms,P&O)是目前實現MPPT的常用方法之一。它對于改變控制信號的依據是定時的通過勝過或者降低電壓，來測得氣候的功率變化方向，從而確定應該發出的控制信號。設為光伏陣列實時的輸出功率，為擾動之前的功率值，如果，即功率增加，就意味著擾動方向正確，可向同一（）方向擾動；反之，如果，反之往相反（）方向擾動。最大功率輸出點的動態保持就可以如此實現。在進行尋優的過程中，引入一個參考電壓，主要是為了讓不斷地跟蹤它，在尋優的過程中不斷的更新，使其逐漸逼近相應的整列最大功率點的電壓。圖3.12干擾觀測法實現MPPT過程如圖3.12所示是其比較詳細的控制算法框圖，每一周期調整后的數值存放在寄存器內。首先計算太陽能電池的輸出功率，并與上一周期的輸出功率比較，從而調整的大小。是太陽能電池的輸出電壓，在實際操作中可以由調整占空比來調整它的數值。很多光伏發電系統都會在光伏陣列輸出母線上并聯一個大容量的電容來沖淡輸出的濾波器，降低變換器件的開關諧波。但是在此方法中不需要，因為大電容會影響MPPT算法對天氣造成輻射強度波動的響應速度。圖3.13干擾觀測法控制流程圖擾動觀測法的優缺點總結如下：(1)其控制回路可以實現模塊化。(2)操作方法實現簡單，跟蹤方法不復雜。(3)要求傳感器的精度不需很高。缺點在于：(1)它的運行方式只是限制在最大功率點附近進行震蕩運行，這樣一定的功率損失是必然存在的。(2)在給定初始值和跟蹤步長后無法保證它的跟蹤精度以及速度。(3)“誤判”現象還是會發生在特定的情形下。3.2.3固定電壓跟蹤法光伏陣列是一種非線性電源，它的輸出區域是由恒定電流區域和恒定電壓區域組成，兩個區域交匯的那一點便是最大功率點。在不同的光照強度下，總存在著這么一個最大功率的輸出點。由于溫度和光照強度的變化將會改變這些恒電流和恒電壓區域。所以最大功率輸出點也就會隨之而改變：圖3.14忽略溫度效應時光伏電池的輸出特性與負載曲線在忽略溫度對光伏電池的干擾時，圖3.14表示出了其輸出特性。光伏陣列在不同輻射強度下的最大功率輸出點、、、和一直處在一個恒定的周圍。負載特性曲線在圖中以L顯示，、、、與是相對應的輻射強度下所匹配的工作點。可以看出，使用直接匹配時，光伏陣列的輸出比較小。由于當直接匹配出現錯誤時會帶來相應的損失，我們就可以采用恒定電壓（ConstantVoltageTracking,CVT）控制策略。通過一定的阻抗變換在光伏陣列與負載之間，讓系統能夠變為一個穩壓器。這時，工作點穩定在附近的難題就迎刃而解。從實現MPPT的DC-DC變換電路來看，常采用的基本電路有Buck型電路和Boost型電路，但Buck電路有一個最大的缺點是：輸入電流不連續。對于光伏發電系統來說，如果光伏陣列的輸出電流不連續，那么將會損失一部分能量。同時，從方便擴容方面來說，多數光伏陣列的輸出電壓都比較低，而大多數附負載都需要工作在更高電壓等級上，因此具有電壓提升功能和輸入電流能連續工作的Boost電路更多的用來作為光伏系統的最大功率點跟蹤器。圖3.15為Boost變換器的基本電路。圖3.15BoostDC-DC原理圖假設電路中所有的元件均為理想元件，電路從輸入到輸出的過程無功率損耗。由Boost電路輸入輸出的電壓關系可知：(3-8)式中D為開關管占空比。在大多數情況下，Boost電路的輸出接蓄電池或者逆變器的直流側，在相對較小的系統采樣時間內，Boost電路的輸出電壓變化很小，可視為恒定，故由式又可得：(3-9)通過式(3-9)知控制開關管的占空比就能找到光伏陣列在最大功率點處的電壓，從而讓光伏發電系統工作在最大功率點出。通過分析，建立光伏發電系統MPPT控制原理如圖3.16所示。Boost電路的輸出電壓送入MPPT控制器進行最大功率點跟蹤控制，實際簡化為與參考固定電壓比較器設定的電壓值進行比較，其差值作為反饋信號經過處理送入PWM生成器。PWM即脈寬調制波形由反饋信號與三角載波經比較器生成PWM波控制開關管的開斷時間。通過控制器輸出PWM波來改變開關管開斷時間，形成負反饋電路，使Boost電路的iU穩定于固定值，即光伏陣列的輸出電壓，使其與光伏陣列最大功率點所對應的電壓相匹配，從而使光伏陣列恒定輸出最大功率。MPPT控制及PWM波控制控制回路構成如圖3.17所示。圖3.16MPPT控制原理圖圖3.17MPPT控制及PWM波控制回路構成當輻射強度一定時，影響最大功率點的首要因素就是溫度。而溫度對固定電壓法控制策略的影響是存在的。當溫度變化較大時光伏陣列的輸出功率就會偏離最大功率點，那么就會出現功率損失。為了克服外界環境的影響，如：場合、季節、早晚時間及天氣情況和環境變化對系統造成的影響。在CVT控制算法的基礎上，采用以下折中的解決方法[14]：（1）手動調節方式：通過電位器的手動調節，按照季節的不同給定不同的，這種方法使用較少，需要人工維護。（2）根據溫度查表調節：事先特定的光伏陣列在不同溫度下測得的最大功率點電壓值存儲在控制器中。實際運行時，控制器根據溫度傳感器檢測到的光伏陣列溫度，通過查表來選取合適的。（3）參考電池方法：在光伏發電系統中增加一塊玉光伏陣列相同特性的較小的光伏電池模塊。檢測它的開路電壓，按照固定的系數來計算出得到當前最大功率點電壓，這種方法可以在近似CVT的控制成本下得到接近MPPT的控制效果。采用固定電壓控制方法的優點是：（1）；（2）。缺點在于：（1）；（2）。可靠和穩定是固定電壓法的有點。所以現在在太陽能發電系統中仍然在使用。隨著科學技術的發展，一些新的控制策略也隨著產生。比起傳統的技術更加可靠、穩定。3.2.4其他MPPT方法除了上述幾種常用的MPPT方法，模糊邏輯控制法、滯環比較法等都是可以達到跟蹤最大功率點的需要。但是實現的具體方法還是各有差別。（1）模糊邏輯控制[14]太陽輻射強度的不確定性、光伏陣列溫度的變化、負載情況的變化以及光伏陣列的輸出特性是非線性的，都是實現最大功率點跟蹤所需要考慮到的因素。模糊邏輯控制策略就克服了非線性系統歲帶來的干擾因素，實現較為良好的效果。DSP是模糊邏輯控制策略實現MPPT控制的關鍵，在對控制器設計時的內容有：確定模糊控制的輸入輸出量；歸納和總結模糊控制器的控制原則；確定模糊化和反模糊化；選擇論域確定有關參數。使用模糊邏輯方法進行光伏系統的MPPT控制，具有較好的動態特性和精度，應用前景十分廣闊。（2）滯環比較法[14]擾動觀測法中的擾動誤差和誤判現象在滯環比較法中可以得到有效的避免。由于控制意義上存在的快速變化不會出現在大自然中。所以，滯環比較發會在輻射強度達到相對的穩定時再跟蹤到最大功率點，這樣就能有效的降低擾動帶來的損失。3.3本章小結根據太陽能電池的外特性原理，并對常用的最大功率點跟蹤的方法進行了分析和比較。本設計采用固定電壓法對最大功率點進行跟蹤。4三相并網逆變器的控制策略4.1并網逆變器的控制目標控制和跟蹤是并網發電系統中逆變器的關鍵，電能的質量及運行效率很大程度上取決于它。本章主要研究對光伏并網逆變器的輸出電流的控制，使之跟電網的電流相位相同、頻率相等、幅值相等。4.2并網逆變器的原理把太陽能電池產生的直流電流轉換成頻率、相位、幅值相等的交流電，然后并網的裝置稱為并網逆變器。電網是其負載，可看成一個平衡的三相系統。下列用單相來具體闡述其原理：圖4.1并網逆變器運行電路原理圖如圖4.1所示，為逆變器輸出電壓，為電網電壓，為線路電壓，為串聯電抗器，為回饋電網電流。只有電網的電壓同相位于回饋電流的情況下回饋功率才為1。以為參考，則和同相位，其矢量圖如圖4.2所示。圖4.2并網逆變器運行電路矢量圖電網的電壓同相位于R兩端電壓，而的相位超前電抗器兩端的電壓。可得：（4-1）其中，為公用電網的角頻率。在實際電路中的幅值、相位和周期可由傳感器進行測量。實際中，我們要想獲取R值相當困難，只能通過電流負反饋來獲得回饋電流的相位。利用電流傳感器，可使電網電壓的相位與相同，從而實現功率因數為1的回饋電壓。4.3并網逆變器控制策略的比較并網逆變器輸出電流波形與電網電流同頻、同相、同幅后就可以進行并網。當給并網逆變器的控制部分提供了參考電流后，就需要一種合適的PWM控制方式使得并網逆變器的電流能夠快速的跟蹤該參考電流。目前有多重PWM控制方式。電網系統可視為容量無窮大的定制交流電壓源，光伏并網逆變器采用傳統的電壓控制系統，實際上是電壓源與電壓源并聯運行的系統，可以實現有源濾波和無功補償的控制。在實際中已經得到了廣泛的研究和應用，有效的提高了供電質量、進行光伏發電。隨著電網建設的發展以及對電能質量要求的提高，電壓控制策略的應用將不能滿足系統的要求，因此必須尋求新的并網控制策略。電流控制策略通過調整逆變器輸出電流跟蹤電網電壓，可以實現有源濾波和無功補償，并聯到大電網運行。由于其具有結構簡單、穩定性好等等優點，從而獲得了廣泛的應用。本文中采取電流輸出的控制方法。4.4電流跟蹤控制方式的比較在電流型輸出的并網系統中，有SVPWM電流控制、SPWM電流跟蹤方式、電流滯環瞬時比較方式等控制方法。4.4.1電流滯環瞬時比較方式電力滯環比較方式如圖4.3所示。其中，滯環比較器的環寬是，產生PWM信號的條件便是環寬小于實際并網電流和指令和實際并網電流的差值。電流的誤差跟有很大關聯，當保持恒定時，誤差范圍也保持不變，總之，越小就能使誤差值很小。圖4.3電流滯環比較方式示意圖電流滯環控制方式的控制方法簡單。電流跟蹤誤差的范圍與滯環寬度有很大關聯，即使開關頻率會不斷變化，從而令電流頻譜較寬，但滯環寬度與跟蹤誤差范圍都是固定的。它具有自動峰值限制能力，電流跟蹤精度高、動態響應快、不依賴負載參數和無條件穩定等優點。滯環控制方式可以達到實時控制，電流響應快，控制準確的效果。4.4.2三角波比較方式的電流跟蹤方式這種方法也可以稱為SPWM電流跟蹤方式，其控制原理如圖4.4所示。比較（并網電流）和（指令電流）就能得到兩者的差值，然后將其通過PI調節器后與三角波比較，輸出PWM信號。圖4.4三角波電流比較控制圖PI參數與此特性息息相關，在PI響應速度較快的系統中，改進輸出波形的方法之一便是增大三角波頻率。這種電流控制方法的特點：（1）電流受誤差的影響較大；（2）現實的條件難以達到軟件的要求；（3）輸出電壓會受到同頻率諧波的干擾；（4）載波頻率與開關頻率一致；（5）電流的響應速度較慢。4.4.3SVPWM電流控制方式空間矢量脈沖寬度調制SVPWM（SpaceVectorPulseWidthModulation）控制策略采用逆變器空間矢量的切換來獲取準圓形旋轉磁場，從而在不高的開關頻率的條件下，是逆變器的輸出獲得較好的性能[5]。常規的SPWM主將重點用于改進波形上，所以在不高的開關頻率下，難以產生較為完整的正弦波。即使開關頻率較高，由于電壓型逆變器的開關死區延時，降低了直流電壓的利用率，是的波形容易畸變。SVPWM相對于傳統的SPWM控制相比較，直流側電壓利用率有所提高，降低了開關頻率，可以進行更好的動態跟蹤。綜上所述，三角波調制方式的開關頻率固定，但是響應速度較慢。滯環調制采用瞬時值比較方式，用于其存在開關頻率不固定的缺點從而使得濾波器設計困難。基于SPWM控制的良好調制特性，本文采用SVPWM控制策略對光伏并網逆變器中的逆變部分進行控制。4.5SVPWM控制原理4.5.1SVPWM的特點三相逆變器空間電壓矢量PWM控制與傳統的SPWM控制相比具有以下突出的優點：(1)它的利用率較后者提高約15%。因此在相同條件下，可提高三相逆變器網測電壓設計。因此降低三項逆變器的電流，減少功率損耗，提升運行效率；(2)同等條件下，它的開關頻率相對較低，進而大幅減少開關帶來的功率損耗；(3)SVPWM控制的動態性能十分優秀，即便開關頻率很低，也能通過優化空間矢量對電流指令跟蹤。4.5.2SVPWM的原理三相電壓型逆變器結構如圖4.5所示。該電路輸出三相電壓為、、。V1到V6是6個功率開關管，、；、；、分別控制它們。圖4.5三相電壓型逆變器結構如果開通上半部分逆變橋的某一功率開關管，即a,b或者c為1時，則將自動關閉下半部分對應的功率開關，即，或為1或者為0，，，三相輸出電壓的波形很大程度上受此影響。逆變輸出的線電壓矢量，相電壓和開關變量矢量之間的廣西可以用一下兩個式子（4-2）和（4-3）來表示：（4-2）（4-3）式中，就是總線電壓，即電壓源逆變器的直流供電電壓。不難看出，因為開關矢量有8個不同的組合值（a，b，c只能取0和1），即逆變器的上半部分的3個功率開關管的開關狀態有8中不同的組合，故其輸出的相電壓和線電壓也有8中對應的組合。為了計算方便，將三相坐標轉換為。在此坐標中參考電壓矢量與輸出的相電壓對應的風量可有等式（4-4）來表示：（4-4）4.6SVPWM的實現4.6.1參考電壓所在扇區的判斷功率開關的狀態在逆變橋中有八種組合，因此，在坐標系中也有多組組合。對空間電壓參考矢量進行坐標分解可得其相應的子軸分量和。如圖4.6所示。圖4.6基本的空間矢量扇區圖令為軸與電壓矢量參考值的夾角，和是其在、軸的相應分量，判斷哪個扇區是和決定的空間電壓矢量所在區域，如圖4-6所示。由和可得電壓矢量的幅值，再考慮和的正負情況，作出判斷。但此方法由于包含非線性函數，進而計算相對復雜，因此實際中很少采用。下面來闡述一種相對簡單的判斷方法：結合圖4.6可得，要是參考電壓矢量處于扇區1中需要滿足的條件：，且有，此條件有表述為式（4-5）：且（4-5）使用式（4-5）進行計算，參考電壓矢量對其沒有影響，從而不需計算非線性函數，所以計算起來就容易的多。一下分析在其它扇區時的條件：當時，正切值tan是負值，可得在扇區Ⅱ的參考電壓矢量為：且（4-6）同理可以得到：且時位于扇區Ⅲ；且時位于扇區Ⅳ；且時位于扇區Ⅴ；且時位于扇區Ⅴ；上述條件下，所在的扇區可由邏輯運算來確定，此邏輯運算相對非線性計算來說簡單得多，對系統的響應速度的提高和進行仿真都很有意義。若進一步分析上述條件，又可以看出，，三式與0之間的關系可以決定決定參考電壓矢量所在的扇區，由此可定義式（4-7）：，，（4-7）再來定義，若，則A=1，否則A=0若，則B=1，否則B=0若，則C=1，否則C=0設N=4C+2B+A，則N與扇區數sector的對應關系如表4.1所示。表4.1N與扇區sector的對應關系N315462sector123556基本空間矢量和所形成的包圍扇區便是第一扇區，空間矢量和所形成的包圍扇區便是第二扇區，……基本空間矢量和所形成的包圍扇區便是第六扇區。4.6.2各個扇區開關持續時間的計算因為每個矢量具有不同的作用時間，因此我們可以合成一個等效的旋轉空間電壓矢量。在第一山曲終，將、、（零矢量）合成（參考矢量）：（4-8）（4-9）式中：、、分別為、和零矢量的作用時間；T為采樣周期。若圖4.7為參考電壓矢量圖。則軸分量和，基本空間矢量和相對應。圖4.7和，對應關系圖在圖4.7所示的情況中。基本空間矢量，所包圍的扇區為參考電壓矢量。因此可以用和兩個矢量就可以來表示。于是有下列等式：(4-10)(4-11)在式中,分別為在周期T內和作用的時間，則是零向量作用的時間。再由和與和的關系，在取，與周期T的相對值有如下等式：（4-12）（4-13）當位于其他扇區中是，同理可以求得各個矢量作用的時間。4.7SVPWM控制的實現光伏逆變器電路主要由逆變器主電路，反饋控制模塊和SVPWM控制信號產生三部分組成。SVPWM控制原理如圖4.8所示。圖4.8SVPWM控制原理圖4.8本章小結根據電流控制的優點，本文采用逆變器輸出電流控制方式。針對SPWM的不足采用了SVPWM的控制策略。并且詳細分析了SVPWM的控制原理以及SVPWM控制的特性并給出了SVPWM的實現方案。5光伏并網逆變器的仿真Matlab是一種用于數據可視化、算法開發、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互環境。利用MATLAB附帶的SIMLINK對需要分析的東西建模并仿真。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。其含有的PowerSystemblockset(電力系統模塊庫集)是此次建模仿真的重要部分。在本文中：逆變器的設計電路主電路由DC-DC環節和DC-AC環節組成，因為兩者的相對獨立性，本章分別對兩個環節進行仿真分析。5.1恒定電壓法MPPT跟蹤的仿真實現5.1.1固定電壓法MPPT跟蹤的仿真方法采用固定電壓法MPPT跟蹤大大簡化了系統MPPT的控制設計，即需要從模擬廠商所給定的最大功率對應電壓點數據將MPPT跟蹤控制簡化為穩壓控制。根據傅里葉變換原理，利用其正交性質，把不間斷電壓波形換算成為正余弦的基頻與倍頻的不同幅值的電壓波形。由于固定輸出電壓波形，更具計算公式，只需要確定各個頻率下的正余弦波形。本文中固定電壓法MPPT跟蹤的仿真光伏陣列根據傅里葉變化原理采用直流電源與多項倍頻與幅值的交流電源疊加而成，從而得到理想的光伏陣列模擬輸出電壓[5][10][11]。固定電壓法MPPT跟蹤主電路仿真采用傳統的Boost電路。為了穩定控制，在開關管兩端并入外部緩沖回路。對于固定電壓法MPPT跟蹤控制回路。主要采用負反饋的方法使電路達到穩定。引入參考電壓和設值穩定時PWM波的占空比對電路進行穩壓控制。固定電壓法MPPT跟蹤控制回路中，特別對載波波形進行設置，使得負反饋的響應速度增大。且由于電感溫流及電容的穩壓對電路的控制起到共同的作用，穩壓控制的效果調整到最好[10][11]。5.1.2固定電壓法MPPT仿真固定電壓法MPPT跟蹤的仿真電路利用Simulink搭建出的主電路如圖5.1所示。圖5.1固定電壓法MPPT仿真主電路設光伏陣列電源的輸出電壓為；載波周期；周期內斷態時間；DC-DC輸出環節電壓為。其中反饋回路的主電路如圖5.2所示。圖5.2反饋回路主電路5.1.3固定電壓法MPPT仿真結果分析模擬光伏陣列的輸出電壓波形如圖5.3所示。圖5.3模擬光伏陣列的電壓輸出固定電壓法MPPT所輸出的電壓波形如圖5.4所示。圖5.4固定電壓法MPPT所輸出的波形其中橫坐標表示時間T，縱坐標表示電壓U根據Boost電路的升壓公式：其中載波周期為；周期內斷態時間為；分別是光伏陣列的輸入和輸出點點。從仿真得出的兩幅圖中可以看出，固定電壓法MPPT跟蹤輸出電壓較好的進行了穩壓控制，得出了理想的仿真結果。5.2SVPWM控制的仿真5.2.1SVPWM控制仿真方法SVOWM控制的仿真主電路是由電壓源、三相全橋逆變器、三相變壓器、三相RLC負載、三相交流電壓源組成。SVPWM控制的仿真控制回路由三相交流電壓源電流測量器、相位幅值比較器、SVPWM控制波形產生器組成。在SVPWM控制的仿真主電路中：三相變壓器和三相RLC負載充當了咯波電路和慣性環節及其本身的角色，使得逆變器產生的波形接近于理想的正弦波。三相交流電壓源由于其相位、頻率以及幅值都是較為穩定的。就用來模擬無窮大電網系統，同時作為逆變器控制回路的參考電壓和電流的輸入參考值。SVPWM控制的仿真回路采用abc-dq變換得到的值，在進行參考比較，產生PWM控制波形。其中，反饋回路包括相位負反饋以及電壓幅值負反饋的閉環控制，從而得到穩定的仿真輸出。SVPWM控制的仿真電路主要通過對比仿真電網的相位發生突變而使SVPWM控制進行瞬時調整，事項電網側電壓與你鞭策同頻同相的仿真。5.2.2SVPWM控制仿真電路SVPWM控制的仿真電路模擬直流側電壓設置為425V、你變輸出線電壓為380V。PWM載波頻率為2000Hz。SVPWM控制的仿真電路如圖5.5所示：圖5.5SVPWM仿真控制主電路SVPWM控制回路如圖5.6所示：圖5.6SVPWM控制回路5.2.3SVPWM控制仿真結構分析由仿真模型顯示出