太阳能光伏并网逆变器的分析与研究.docx

摘要全球高污染严重的大环境下太阳能作为一种高效无污染且可持续发展的新能源，受到了世界各国的广泛重视。能源危机和环境问题的不断加剧，推动了清洁能源的发屣进程。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I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。光伏并网逆变器是太能电站系统当中的光伏并网发电系统(GCPSjgrid-ConneCtedPVgenerationSyStem)的核心部件。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。控制器的硬件结构主要由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件构成：通过直流一直流升压斩波变换器，可以在变换器和逆变器之间建立直流环、升压斩波器根据电网电压的大小用来提升光伏阵列的电压以达到一个合适的水平，同时直流-直流变换器也作为最大功率点跟踪，增大光伏系统的经济性能，逆变器用来向交流系统提供功率：继电保护系统可以保护光伏系统和电力网络的安全，并且本文给出了软件方面的流程图。结果表明本装置的软硬件设计合理，系统运行可靠，达到了预期的效果.关键词太阳能：光伏并网技术：逆变器第1章绪论太阳能作为一种而效无污染且可持续发展的新能源，受到了世界各国的广泛重视.太阳能的能量是来自于太阳内部连续不断的核聚变。在地球表面上太阳光的辐射强度为1367kmm2.我们生活的这个地球的赤道周长为4000Okm.所以我们大概可以计算出，地球可以获得173000TW的能量。人类维持生存需要这些能量。太阳能的一种重要利用形式就是太阳能光伏发电，我们利用太阳电池把能量从光能变为电能，伴随着现代科技的进步，光伏发电在我国以致于全世界内有很大的发展前途。太阳能电池工作的原理是利用半导体具有的光伏效应，就是在太阳光的照射下会产生光电压的现象。1954年美国的贝尔实验室首先发明出了以PN结为基本结构具有使用价值的晶体硅太阳电池，从此以后太用电池在太空领域技术中就得到了应用，现在在地面也逐渐得到推广应用。1.1课题研究的背景世界大部分国家能源短缺,无法满足经济发展的需求：而且煤、石油等化石能源的利用会产生严重的温室效应，污染环境。这一系列问题都促使可再生能源在全球范围内的发展。从目前世界各国的能源战略决策来看，大规模的开发利用可再生能源已成为未来世界各国能源战略的重要组成部分10根据欧洲、日本等能源机构预测，2020年，光伏发电将占到全球发电量的1%,2040年将占到全球发电量的21$,2050年左右，太阳能将成为全球主力替代能源（1.同核能、风能、化石能源等发电技术相比，光伏发电具有我自身的优势，可如纳为如下几点：1）先进性的发电原理：直接由光子转化为电子，中间没有其他过程和机械运动，具有简洁的发电形式。2）太阳能资源的无限性和分布特性：太阳能取之不尽、用之不竭，可以再生和洁净环保；太阳光无处不在，不需运输，最最揖要的是没有任何国家能过将共垄断和控制。3）太阳能没有资源短缺跟耗尽问题：用到的主要的硅材料储存丰富,在地壳上出了氧元素之外的第二多的元素，多达26%4）光伏发电同大自然的关系：无燃烧的过程，无温室气体、废气和废水的放出，环境友好，可以称作真正的绿色发电。5）使用性能和寿命的问题：已经经过应用和实践了卜几年：光伏发电有比较稳定的性能，还有较长的使用寿命。6）维护和管理问题：可实现无人化且维护成本低。1.2 课题研究的意义光伏并网发电系统一般由光伏阵列逆变器和控制器部分组成。逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部件，它完成控制光伏阵列最大功率点运行和向电网注入正弦电流两大主要任务。逆变器要与电网相连，必须满足电网电能质量、防止孤岛效应和安全隔离接地三个要求。首先，电网对逆变器的要求：为了避免光伏并网发电系统对公共电网的污染，逆变器应输出失真度小的正弦波。而影响波形失真度的主要因素之一就是逆变器的开关频率。依据IEEE-929和U1.1741标准，所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的功能。为了保证电网和逆变器安全可钻运行,逆变罂与电网的有效隔离及逆变器接地技术也十分重要。其次，光伏阵列对逆变器的要求：由于日照强度和环境温度都会影响光伏阵列的功率输出，因此必须通过逆变潞的调节使光伏阵列输出电压趋近于最大功率点输出电压，以保证光伏阵列在最大功率点运行而获得最大能源.最后，用户时逆变器的要求；成本低、效率与可靠性高、使用寿命长。因此，对逆变器的要求通常是：具有合理的电路结构，严格筛选的元冷件备输入直流极性反接、交流输出短路、过热过我等各种保护功能。具有较宽的直流输人电压适应范围.由于光伏阵列的端电压施负载和I照强度而变化.因此逆变器必须能在较宽的直流输人电压范围内正常工作，且保证交流输出电压的稔定。1.3 本课题的研究内容（D了解光伏并网发电系统的基本结构：包括光伏阵列及一体化框架、直流配电单元、逆变单元VSR、交流配电单元和计量单元、安全和保护系统。在光伏阵列的输出端和电网侧三相四线制市电输入端，装设r避宙装置，以确保系统的安全可靠运行。(2)阐述光伏并网逆变器的原理和作用：原理：光伏并网逆变器具有将太阳能电池发出的直流电转化为和电网电压同频同的相交流电的功能，光伏并网系统常常被设计成电压源输入、电流源输出的控制方式，并网系统实际上就是一个交流电流源和电压源的并联，通过控制并网电流与电网电压的相位同步，同时也可通过调整并网系统输出电流的大小及相位来控制系统的有功输出和无功输出5。作用：实现高质量的电能转换：将太阳能光电转换组件阵列产生的直流电转换成220V、50HZ的单相、正弦波交流电：其电流和电压的畸变率均小于册。实现系统的安全保护要求：如输出过教保护、输出短路保护、输入接反保护、电流过压保护、交流过压和欠压保护、“孤岛”保护及装置自身保护：自身保护有功率模块保护和过热保护。“孤岛”保护是当逆变电源并网运行时，若电网突然断开，在某一负荷下逆变器输出发生自激振荡“孤岛”效应产生，逆变电源将自动关闭，并显示相关故障信息4。(3)分析并网逆变器的分类、拓扑结构及R控制方式；分类和拓扑结构：低频环节并网逆变器：低频环节并网逆变器是早期光伏发电系统采用的逆变器它由工频或高频逆变器工频变压器以及输入、输出滤波器构成：其拓扑结构包括推挽式、推挽正激式、半桥式、全桥式、多重接加式等电路。高频环打并网逆变器；高频环节并网逆变器由高频逆变器、高频变压器整流器、极性反转逆变桥以及输入、输出渔波器组成：其拓扑结构包括单管并联交错单管正激式、正激式、推挽式、双管正激式、推挽正激式、并联交错双管正激式、半桥式、全桥式等3。控制方式：为了实现控制光伏阵列最大功率点运行及将太阳能电池产生的直流电转换成交流电并输入公共电网，就需要对电流及功率进行控制，电流的控制通常采用各种优化的PWM控制策略，而功率的控制则主要通过最大功率点跟踪来实现(4)选取多转换级带高频变压器的逆变器结构和最大功率控制方法进行仿真瞪证，并对波形进行分析和研究。第2章光伏并网逆变器概述2.1 光伏并网系统率跟踪的DeDC变换器及DC-AC交直流逆变器组成，完成了将太阳能电池阵列输出的直流电变换为交流电，经过交流滤波后把正弦波流电送入电网的工作过程。光伏并网系统结构图如图2-1。图2-1光伏并网系统结构图系统采用两级式设计，二者相对独立，由直流理线电压产生联系：前级DC-DC变换器为升压斩波器，采用BoOSt结构，将光伏电池(PV)电压变换到稳定的直流母线电压，并通过MPPT控制调节DeDC变换器的占空比来调节光伏阵列的输出功率，实现最大功率点的强踪。后级DC-AC逆变器的主电路结构为单相全桥逆变电路，为输出电流受控的电压型有源逆变器，逆变器的输出侧呈现受控电流源特性，其中开关器件采用绝栅双极型晶体管(IGBT),开关管的栅极驱动信号来源J-TMS32()1.F2407产生的SpWM波经驱动电路后的信号。IX：/AC逆变主电路维持DC1.ink中间电压稔定并将电能转换成220V.50Hz的正弦交流电。最终通过交流1.C滤波电路迪除高频分成,把与电网电压同顺和同相的并网逆变器输出的正弦电流并人电网，当系统检测到外部故障时，可立即将DcDC变换器与DOAC逆变器从电路中切除,实现逆变器的可靠隔离和保护.2.2 光伏并网逆变器的原理逆变器由IGBT等功率开关器件构成,控制电路使开关元件有一定规律的连续开通或关断，使输出电压极性正负交替,将直流输入转换为交流输出。光伏发电系统中逆变器一般使用脉冲宽度调制PwM方式来实现,将矩形波的交流电转换为正弦波交流电。图1为并网逆变器的主电路拓扑结构，由于太阳能电池-一般是电压源，因此逆变器的主电路采用电压型，在与外电网相联时，为电压型电流控制方式,系统通常是两级功率结构：直流变换环节、逆变环节构成.图2-2并网逆变器主电路拓扑图2.3 光伏并网逆变器的分类及拓扑结构为了能设计出符合上述要求的并网逆变器，多数人都集中于研究逆变器的拓扑结构及控制方法.逆变器的拓扑结构有很多种，常用的是全桥结构.根据采用隔离变压器的类型，并网逆变可分为低频环节、高频环节以及非隔离型并网逆变.(1)低频环节并网逆变器低频环节并网逆变器是早期光伏发电系统采用的逆变器.它由工频或高频逆变器、1.频变压器以及输入、输出泄波器构成,其电路结构见图2-3。太阳能电池工频或高频逆变器图2-3低环节并网逆变涔电路结构由这个结构不难看出，它是1个班级逆变系统，即把太阳能电池的直流电逆变成工频低压交流电，再通过工频变压器升压成220V.50Hz的交流电并入电网或供负栽使用。其拓扑结构包括推挽式、推挽正激式、半桥式、全桥式、多就叠加式等电路，以全桥式为例，其拓扑结构见图2-4。图27低频环节并网逆变器拓扑结构这种逆变器的优点在于，电路结构简洁，所用元器件少，损耗小，转换效率高，容易控制。但是，系统成本高，且变压器体积和重量大，噪声也比较大，因此，其注定要被高频逆变器所取代。(2)高频环节并网逆变技术高频环节并网逆变器由高频逆变器、高频变压器、整流器、极性反转逆变桥以及输入、输出港波器组成，其电路结构见图2-5。图2-5高频环节并网逆变器结构图太阳能电池从这个结构不难看出，直流电经过高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，经高频整流滤波电路得到高压直流电，再由工频电路实现逆变“它主要包括两部分：a）前级为1个直流变换电路，其功能在于将光伏阵列输出的直流电压变为较高的直流电压，并跟踪光伏电池输出最大功率点：b）后级是工频逆变环节，它将直流电变换为交流电并输入电网。共拓扑结构包括单管并联交错单管正激式、正激式、推挽式、双管正激式、推挽正激式、并联交错双管正激式、半桥式、全桥式等，我们以全桥式为例（见图2-6）。图2-6JS城环止并由逆变器拓扑结构这种电路由于采用了高频变压器的隔离方式,因此，具有体枳小、重室轻的优点.且它利用变比调节电压增益的方式,能够满足最大功率的跟踪和直流电压输入范围的要求。2.4 最大功率点的跟踪基本原理线性电路原理如图2-7。图7中负载上的功率为:(2.1)图2-7简单的线性电路将式对分求导，因为V、R都是常数，所以可得：也引42>时优+凡丫当丸=R,时，P时有最大值。对于线性电路来说,当负载电阻等于电源内阻时，电源有最大功率输出。虽然太阳电池和DC-DC变换电路都是强非线性的，但在极短的时间内，可认为是线性电路.因此,只要调DC-DC转换电路的等效电阻使它始终等于太阳电池的内阻,就可实现太阳电池的最大功率输出，也就实现了太阳电池的最大功率点用踪。从图2中可以看出，当Ro=R.时，两端的电压是髯这表明若R两端的电压等于雾2Pp,同样也是最大值因此在实际应用中，通过调节负载两端的电压实现太阳电池的殷大功率点跟踪.2.5 孤岛效应的检测及控制逆变器直接并网时，除了应具有施本的保护功能外，还应具备防孤岛效应的特殊功能.从用电安全与电能质量考虑,孤岛效应是不允许出现的孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器，由此引出了对于孤岛效应进行检溯控制的研究.孤岛效应的检测般分成被动式与主动式。被动式检测是利用电网监测状态（如电压、频率、相位等）作为判断电网是否故障的依据。如果电网中负载正好与逆变潴输出匹配，被动法招无法检测到孤岛的发生。主动检测法则是通过电力逆变器定时产生干扰信号，以观察电网是否受到影响作为判断依据，如脉冲电流注入法、输出功率变化检测法、主动频率偏移法和滑模频率偏移法等”们在实际并网逆变器中部仃所应用，但也存在若各自的不足。当电压幅值和频率变化范围小于某一值时，频率偏移法无法检测到孤岛效应，即存在“检测盲区。输出功率变化检测法虽不存在“检测自区”，然而光伏并网系统受到光照强度等影响，共光伏输出功率随时在波动，对逆变器加入仃功功率扰动，将会降低光伏阵列和逆变系统的效率。为了解决这个问题，光伏并网的有功和无功综合控制方法经常被提出来。随着光伏并网发电系统进一步的广泛应用当多个逆变器同时并网时，不同逆变器输出的变化非常大，从而导致上述方法可能失效。因此，研究多逆变冷的并网通信、协同控制已成为其孤岛效应检测与控制的研究趋势。第3章系统的总体设计概述3.1 主电路的设计逆变擀控制方式可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制。在此采用逆变器电压源输入、电流源输出的控制方式。整个主电路的拓扑方式采用两级级联，前级DCQC变换器与后级DeAC逆变器，通过中间直流电压相连。图3T示出整个系统的结构图。图3-1系统结内图前级DGDC电路采用BOoM电路，通过MPPT算法控制实现最大功率输出，提高太阳能电池的转换效率：后级DaAC电路实现输出电流与电网电压同频同相当系统发生故障时，逆变器保护装置会及时起动，将逆变器从电网中断开。整个控制部分由TMS32OF2812协调完成，工作原理如图3-2所示。图3-2逆变器的工作用理图3.2 控制装置系统的硬件设计实现最大功率点跟踪控制，需要将DC-DC变换涔接到太阳电池输出与负载之间，分别测量太阳电池和IXM转换电路输出的电压和电流，再通过APD转换将数字信号输入到单片机经分析运第后输出PWM脉冲以控制DC-DC转换电路中的开关管。本文设计的系统中，对太阳电池输出电压和DC-DC转换也各输出电压的测量，都选用了高性能差动放大器。在对DeDC转换电路输出电流进行测量时，采用测量取样电阻两端电压的方法，运放则选用高电压可编程增益差动放大器。该集成放大器的差动增益由外部电路设班单片机选川AvR系列单片机AT1.inyQ1.该单片机具有4通道IO位APD转换、频率15OkHZ、8位高速PWM输出1-1°3. 3控制装置系统的软件设计ATtiny151.在对测量出来的电压和电流进行计算时，需要自行编制乘法、除法子程序。由于DC2DC转换是通过单片机输出的PWM控制开关管实现的，因此在程序中最终是对PWM输出的占空比进行调节。主程序的流程如图10所示。图10主程序流程图实际上PWM输出不能无休止的调节,当太阳电池的输出很小时,系统应停止工作，直到太阳电池的输出恢灾到一定值，再继续工作。其中,在计算?-卜.由于ATIinyI51.没有除法指令，因此需要调用除法子程序.3.4安全性能设计光伏并网系统需要与配电网并联运行。所以，本逆变器在安全设计方面，不但要考虑操作者的人身安全和逆变器本身的故障保护，还要兼,顾对电网系统的保护0另外，当由于太阳能供电的不稳定性或操作人员的误操作造成系统处于非正常状态时，系统应可靠保护并具有自恢总能力。这些在木逆变器的设计中都作了全面的考虑。(1)对异常电网条件的响应通过对电网电压进行实时监测，实现对过压、欠压等电网电压异常情况的监测，并可以设定电压高限、电压低限和电压异常消除后再并网的延迟时间等参数。通过对电网频率进行实时监测,实现对过频率、欠频率等电网频率异常情况的监测，并可以设定频率高限、频率低限和频率异常消除后再并网延迟时间等参数.针对人身安全和设备安全的最大隐患“孤岛”现象，特别采用了被动式和主动式两种检出方式，完全满足有关标准中反“孤岛”的相关要求.被动式检出方式：(2)直流电流分量检出和抑制在SEE-IO4中采用J'专门的直流分量检出【可路。针对直流电流分址相对于逆变器输出的交流电流总量非常小的特点,通过硬件回路和软件控制算法相结介的方法检测直流分量的大小。通过直流分量抑制控制使直流分量小于国际标准规定的05%。一旦由于意外情况造成直流分量超过1%时，系统自动进入保护状态。(3)装置自身保护本装置设计了多种自我保护功能,对操作者人身安全和产品自身的可苑性提供r完善的保护措施：启动自检、直流输入极性接反、输出交流过电流、输入输出健浪涌抑制、过热保护、直流接地和交流漏电流保护。第4章控制器控制策略与分析光伏并网发电系统中的逆变器需要对电流和功率进行控制，逆变器输出电流主要采用各种优化的PWM控制策略，对给定的电流波形进行跟踪；功率的控制则是通过对太阳能电池最大功率点的跟踪实现。4. 1最大功率跟踪MPpT最大功率点跟踪是当前采用较为广泛的一种光伏阵列功率点控制方式.从对光伏电池的分析可以看出，光伏阵列输出特性具有非观性特征，并口其输出受环境温度、光照强度的影咱，在一定的外部条件下，光伏电池可以工作在不同的输出电乐，但只有在某一电压值除输出功率才能达到最大¢3这时光伏电池的工作点称之为最大功率点。为了充分发挥光伏电池的效能，提高系统的整体效率.对光伏电池的输出进行最大功率点跟踪就十分必要.4.2并网控制逆变SS并网运行的主要控制目标是逆变器输出止弦波电流与电网电压在频率、相位上同步，并且能实时跟踪电网参数的变化，且电流的总畸变失真要低，以减小对电网的谐波影响，使并网系统的有功功率输出达到最大，功率因数近似为1.目前，逆变器交流输出的控制方法可分为：电压控制方法和电流控制方法.由于电压控制不能使系统同时保证响应速度和稳定性的要求,所以我控制通常采取电流控制方式,电流控制方式乂可分为间接电流控制和直接电流控制.(D间接电流控制(4.1)间接电流控制以电压矢量图为基础，基波电压向量Ur由图4表示,它表示出了逆变器的输出电压Us、输出电流1N以及电网电压UN之间的关系。利用控制手段使逆变器的输出电流1N始终和电网电压UN同向,使输出功率因数为1.对输出电流的控制包括何值捽制和相位控制，设逆变器输出功率为P.由图11的三角函数关系可知tH11=可见在电感数值和电网电压确定的条件下，依据给定的功率，可以确定超前角度B.即可以确定逆变器控制信号的相位。输出电压满足1=%S夕42)对于SPWM逆变器来说，输出电压基波满足从而调制比可得一几%"4)通过实时改变调制Ihn根据式可以达到倒懒出三U.幅值，并最终调整并网电流i的目的。图H电压矢录图(2)直接电流控制目前有多种控制方式,它们都是PWM非线性控制方法，主要有财时值滞环比较方式、定时比较方式和三角波比较方式.图5所示的瞬时值滞环比较方式,把电流参考值与实际输出电流相比较，.差经过滞环比较产生控制逆变桥各开关管通断的PWM信号，去触发或关断主电路功率开关器件，使输出电流圈绕音给定的正弦波电流作锯肉形变化，从而控制电流的变化。这种方式硬件电路衡单具有电流跟踪精度高峋应速咬快、鲁棒性强等优点.如果逆变洪的开关器件有足够的开关频率，则逆变器的输出电流就能很快地网节其幅值和相位，使逆变器的输出电流得到IsUA质的动态控制。但是缺点也很明显，即电力半寻体开关频率是变化的，使滤波器设计困难。尤其是当电流变化范围较大时，一方面，在电流值小的时候固定的滞环宽度会使电流相对误差过大。图12电流滞环控制框图定时比较方式是利用一个定时控制的比较器，每个时钟周期对电流误差判断一次，PWM信号需要至少一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。缺点是电流跟随误差是不固定的。图6所示的三角波比较方式，将指令信号与反饿信号比较后得到的电流误差，经过放大器A之后，与三角波进行比较，目的是将电流误差控制为最小,放大器经常采川P1.调节器。这种方法可以视为SPWM法和瞬时值滞环比较法的组合，综合J，二者的优点。但该方法跟踪误差较大，开关频率固定，跟踪速度较慢，输出含有与三角波相同频率的谐波，电路结构比较史杂。图13三角波比较框图目前，在逆变控制技术中，模拟控制技术还占有相当重要的地位。但是，随若微处理器和数字信号处理器的发展,数字电路硬件成本的不断降低，出现了许多新的控制方法，数字化PWM控制方式具有更加广泛的应用前景，相继出现了无拍差PWM技术，滑模变结构控制法，或熨控制方式，瞬时值反馈控制技术，它们在传统方法上仃了很大进步，有若各自的优势，但同样有各自的局限性.(3)反邠岛控制孤岛现恩是指当电网由于电气故障或自然因武等原因中断供电时，光伏并网逆变器仍然向电网输送电能，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛，称之为孤岛效应0。光伏并网发电系统中孤岛的发生会产生严重的后果，对用户的用电设备和检修人员的安全造成重大危害.孤岛发生时，若孤岛中的电压和频率超出允许的范围，可能会对用户的设备造成损坏：电网的掠电可能使光伏发电系统过载运行，易被烧毁；与光伏发电系统相连的线路仍然带电，对检修人员造成危险。所以当电网停电后，必须立刻中止系统对电网的供电，防止孤岛效应的发生。第5章光伏并网逆变器的仿真与研究5.1系统的主电路模型选取500组光伏电池组件串联和100o组光伏电池组件并联，环境温度为300K.光照强度为100OW/叫电网电压为220V、50HZ交流电，中间直流母线电压为450V,仿真时间为0.4s,利用上述光伏阵列模型进行光伏并网仿真实验,图5为光伏并网逆变器的仿真模型，如下。4426rrj图14为光伏并网逆变器的仿真模型5. 2仿真结果与分析图15前级DC-DC波形图WWWWVWVWWVwi图16后级DGAe波形图图15为光伏阵列输出电压、输出电流和输出功率图即前缀DC-DC波形图,图16为中间直流母线电压、交流储电流、有功功率图和交流侧电压电流图即后级DC-AC波形图。由图15可以看出光伏阵列输出功率始终处于最大功率处，说明前线生大功率眼踪算法控制良好：图16中的中间直流母线电压桧定在450V左右，电网电流桧定后始终保持与电网电压同频同相,实现了单位功率因数，所以网RJJ的有功功率基本等于光伏阵列的输出功率。