单相光伏并网系统设计大学论文.docx
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单相光伏并网系统设计大学论文
本科毕业设计（论文）
题目
单相光伏并网系统设计
学生姓名
学 号
教学院系
电气信息学院
专业年级
指导教师
职 称
副教授
单 位
辅导教师
职称
单 位
完成日期
201
年
6
月
10
日
摘要
能源是国家经济发展以及人类赖以生存和发展的重要物质基础，在当今能源紧缺的时代背景下，太阳能光伏发电的研究具有非常重要的战略意义。
本文从单相光伏并网系统的主电路结构，系统拓扑结构分析，重点分析了Boost升压电路和单相全桥逆变电路。
以及对可调度和不可调度方式的阐述。
本文重点设计了Boost升压电路的控制电路，即最大功率跟踪（MPPT）的设计。
介绍了光伏电池的特性，为后面的仿真做好基础。
对于MPPT分析了电导增量法和扰动观察法的优缺点，本文采用扰动观察法。
其次是后级并网逆变器的设计。
分别对逆变部分进行了分析，重点对逆变器的控制方法，电流滞环控制，SPWM电流控制，以及电压外环控制，锁相环技术，滤波器设计进行了详细分析。
最后是整个系统仿真。
由前面的分析得到前级带MPPT的Boost电路仿真模型及波形图，建立了后级的DC/AC并网的Matlab模型及结果。
最后运行整个系统，得到较好的并网效果。
关键词：
单相光伏并网设计；最大功率跟踪；扰动观察法；单相全桥逆变电路
Abstract
Energyisthenationaleconomicdevelopmentandtheimportantmaterialbasisforhumansurvivalanddevelopment.Intoday'senergyshortageerabackground,thestudyofsolarphotovoltaicpowergenerationhasaveryimportantstrategicsignificance.Inthispaper,themaincircuitstructureofsingle-phasephotovoltaicgridconnectedsystemisanalyzed,andtheBoostboostcircuitandsingle-phasefullbridgeinvertercircuitareanalyzedinthispaper.Aswellastheschedulingandnonschedulingapproach.
Inthispaper,wefocusonthedesignofthecontrolcircuitofBoostboostcircuit,whichisthemaximumpowertracking（MPPT）design.Thispaperintroducesthecharacteristicsofphotovoltaiccells,whichisthebasisofthesimulation.Theadvantagesanddisadvantagesoftheconductanceincrementmethodandthedisturbanceobservationmethodareanalyzed,andthedisturbanceobservationmethodisusedinthispaper.
Followedbythedesignoftherearstagegridconnectedinverter.Respectively,theinverterpartisanalyzed,focusingonthecontrolmethodoftheinverter,currenthysteresiscontrol,SPWMcurrentcontrol,aswellasthevoltageouterloopcontrol,phaselockedlooptechnology,filterdesignareanalyzedindetail.
Finally,thewholesystemsimulation.TheBoostcircuitsimulationmodelandwaveformdiagramoftheprestagebandMPPTareobtainedfromthefrontanalysis,andtheMatlabmodelandtheresultoftheDC/ACgridconnectedwiththebackstageareestablished.Atlast,thewholesystemisrun,andthebetterresultisobtained.
KeyWords:
Singlephasephotovoltaicgridconnecteddesign;maximumpowertracking;disturbanceobserver;singlephasefullbridgeinvertercircuit
1绪论
1.1本课题研究的背景及意义
在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，光伏利用成为世界各国争相发展的热点，光伏并网发电作为太阳能光伏利用的发展趋势，必将得到快速的发展。
随着化石能源持续大量的消耗以及地球生态环境的日渐恶化，世界各国都在积极的寻找一种可持续发展且对生态环境无污染的新能源[1]。
因此光伏并网发电技术已成为太阳能光电应用的主流。
所以大力开发光伏发电成为必然，而随之而来的的是并网技术的发展。
所以以后的发展方向，在于光伏的发电和并网上面。
太阳能光伏并网研究目前需要科研人员，大力开发，降低开发成本。
随着社会的进步，经济的发展，人们对能源有了更高的追求，需找新能源成了人类的难题。
太阳能以清洁，环保，用之不尽等优点收到人们的广泛关注，全球能源专家一致认为太阳能将成为21世纪最重要的能源之一，据欧洲JRC预测，到未来2100年太阳能在整个能源结构中占据百分之六十七的份额[2]。
1.2国内外发展现状
1.2.1光伏发电技术的发展
太阳能光伏发电技术的开发开始于1950年，光伏发电系统可以分为并网系统，离网系统和混合系统，其中光伏并网发电系统是家庭和商业最受欢迎的光伏系统。
逆变器将光伏阵列产生的直流电转换为交流电与地方电网连接。
到了晚上可以从电网够电。
太阳能光伏发电是一种可持续的能源代替方式，近年来得到很大发展。
1839年法国科学家Edmondecquerel第一次发现了光伏效应现象，发现某些特殊材料在阳光的照射下能够产生很小的电流；直到19世纪70年代，赫兹在固体硒材料上研究了光伏效应，很快这种光伏电池便被用作照相器材的测光装置；1954年，贝尔实验室的科学家们第一次用晶体硅材料制成了光伏电池；始于50年代的空间发展计划成为光伏发电技术的第一个主要应用对象，而且光伏技术的发展也成为整个空间技术发展计划的一部分，对光伏技术的发展起到了巨大的推动作用[3]。
近30年来，太阳能利用在研究开发，商业化生产方面有很快的发展，成为世界范围内新兴产业之一。
目前为止，国际上在太阳能的转换利用方面，存在着最为普遍的三种方式：
光-电转换，光-热转换和光-化学转换。
其中光-电转换的主要方式，光伏发电可直接将太阳的光能转换成电能，生产过程无污染不排放有害气体、资源分布广泛且开发容量大。
对电力系统可靠性支持性高等优点，现己成为太阳能利用的主要方式。
1.2.2单相光伏发电并网系统研究现状
当前关于小容量光伏发电并网系统的研究主要集中在如下几个方面：
（1）研究如何优化光伏阵列布置、光伏模块串并模择优、光伏主电路参数设计、功率模块选型、系统成本控制等，在这个层面上，提出并设计了可以自动跟踪实时光照变化的光伏阵列，提出了混合光伏阵列，专门研究了光伏主电路降低电感量的方法，介绍了当前光伏发电主流功率模块型号及特点，探讨了光伏发电效率定义及相关提高光伏发电整体效率的方法等，这些都对整个光伏系统的使用寿命、运行效率、可靠性等做出了贡献[4]；
（2）研究光伏并网系统主电路拓扑新结构。
除了当下通用的无变压器直接并网模式外，还有工频变压器并网、高频变压器并网、Z源阻抗型并网等。
针对当前使用最为广泛的无变压器带升压电路，直接逆变型式的光伏逆变器，其直流升压电路通常采用的拓扑，也出现了除经典Boost升压电路，还有诸如罗氏升压电路，Buck-Boost变换电路、双向斩波电路等。
（3）在控制策略方面进行深入研究。
光伏并网控制策略分为两个部分。
第一是DC/AC级的逆变控制。
光伏逆变器逆变环节的电流无差拍、电压外环-电流内环的双PI、模糊积分等控制方法，也都已得到工程实践的充分检验。
第二是DC/DC级的光伏最大功率跟踪（MPPT，MostPowerPointTracking）策略，功率匹配，曲线拟合技术，扰动与观察法等，电导增量法，功率预测法等也都各具优点，可以择优选择。
1.3单相光伏发电并网系统的调度方式
根据是否带有储能装置来分，光伏并网系统分为可调度式和不可调度式两种，并网方式如图。
图中电能转换的主电路结构采用的是无变压器方式。
（a）不可调度式光伏并网系统
系统通过DC／DC变换器将太阳能电池产生的直流电能斩波成适于光伏逆变的直流电压后，直接经DC／AC变换成与电网频率一致的交流电能送到电网。
当光伏并网系统产生的交流电能超过本地负载所需时，超过部分送给电网；而产生的电能不足以供本地负载时，由电网自动向负载提供补充电能；当光伏电池输出功率低子某值乃至停止时，通过运行方式的改变，逆变器可继续对电网进行无功补偿，而不用解列[5]。
当电网故障或维修时，只要电网失去电压，逆变器立即停止工作，必须通过跳闸装置使逆变器、电网和负载电气断开，光伏并网系统不再向电网和负载提供电能。
一方面是出于对电网侧检修人员的安全考虑，在电网失电后，光伏并网系统必跳闸与电网隔断开；另一方面，在设计不可调度式并网系统时，是基于该系统作为一种节能装置，作为电网的有效补充，其功率一般不足以带全部的本地负载，如果电网失电后，该装置不及时地与负载断开，则会出现严重过负荷的情况，对系统本身是极为不利的，有可能引发电气火灾事故[6]。
所以电网失电后，不仅是与电网断开，还必需及时与负载断开。
图1.1不可调度式
（b）可调度式光伏并网系统
系统带有蓄电池作为储能环节。
因为蓄电池的存在，并网系统可通过开关切换于多种运行方式，整个系统可起到能量调节器，有源滤波器和不问断电源的作用。
正常情况下，DC／DC级不仅向逆变级电路提供直流电源，同时还向蓄电池充电。
逆变级将直流电逆变成交流电并入电网。
当电网负荷增加时，可调度式光伏并网系统根据运行，增加电网电流，由光伏电池和蓄电池共同起调峰作用。
当电网失电时，装置按优先级别跳闸断开不重要负载，光伏电池和蓄电池组提供的直流电通过逆变器为重要负载供电，起到了不间断电源（UPS）的作用。
作为电网终端的有源无功补偿器，稳定电网电压，亦可抵消有害高次谐波分量以提高电网质量[7]。
图1.2可调度式
1.4并网系统的孤岛效应
孤岛效应是并网发电系统中都会出现的问题。
指当电网停电时，系统没有检测到电网停电状态，从而不能及时切断和电网的电气连接，而与本地负载一起构成电力公司无法控制的一个供电“孤岛”[8]。
此现象会对维修人员以及用电设备甚至电网产生很严重的影响。
当电网停电时，纵然大部情况通过被动的方法检测到，但是负载和系统完全匹配的时候时很容易发生孤岛效应。
主动的检测方法一般是通过定时改变输出信号，来达到对电网的干扰。
若电网正常供电时，干扰不会对电网产生明显的变动；若电网断电时，定时干扰会对系统输出端电压产生影响，通过监控输出端电压是否变化，就能判断电网是否断电。
1.5本文的主要内容
论文研究工作将从光伏系统并网系统的主电路，光伏并网系统的系统拓扑，光伏并网控制电路的设计，仿真模型搭建以及仿真结果。
具体内容如下：
第二章研究了单相光伏并网的主电路，以及系统拓扑结构。
并详细分析了Boost升压电路和单相全桥电路。
第三章详细研究了前级DC/DC控制电路的设计，包括光伏电池特性分析，以及两种最大功率点跟踪技术的方法对比。
本文选择扰动观察法。
第四章详细研究了后级DC/AC控制电路的设计，逆变部分分析，并网系统调度方式，逆变器的控制方法，电流滞环控制方式，电压外环控制，SPWM电流控制，锁相环技术，滤波器设计。
第五章进行了仿真模型的建立，对光伏电池进行了Matlab仿真；采用的扰动观察法，实现MPPT功能，并搭建了Matlab模型；脉冲宽度调制（PWM）的仿真板块；逆变环节的锁相环板块，PI环节板块等都进行了仿真，并达到预期的并网效果。
2单相光伏发电并网系统的原理分析
光伏发电系统通过升压电路和逆变电路，连接到电网上并实现并网发电。
分布式光伏并网发电日渐成为太阳能利用的主要方式之一。
但是由于光伏发电系统受温度、光照强度影响明显,所以光伏阵列不能持续工作在最大输出功率点，进而降低了能量的转换效率，系统的工作稳定性差，解决问题的关键系统是电力电子变换。
电力变换环节的两个功能，第一是实现太阳能电池最大功率点跟踪,第二个是实现逆变电路的正弦波输出和相位控制。
单相光伏并网系统设计的几个主要工作是，第一是确定主电路拓扑结构。
本文选用使用广泛的Boost升压电路和单相全桥逆变电路组成。
第二是控制策略的选择。
最大功率跟踪技术（MPPT），采用扰动观察法实现MPPT，并网控制策略。
2.1单相光伏发电并网系统的主电路结构
光伏并网系统的主电路结构主要有三种，如下列主电路所示。
2.1.1工频变压器隔离方式
工频变压器绝缘方式采用的是PWM逆变器产生工频交流，再利用工频变压器进行绝缘和进行电压变换。
工频变压器绝缘方式的主电路将光伏阵列的直流输出逆变为交流电后，通过工频变压器来实现并网；其中采用工频变压器使输入和输出绝缘，主电路和控制电路简单；为了追求效率、减少空载损耗，工频变压器的工作磁通密度选的比较低，因此质量和体积较大，约占逆变器的总质量的50%左右，该结构是最早的一种主电路形式，现在它的应用已经越来越少[9]。
图2.1工频变压器隔离方式
2.1.2高频变压器隔离方式
高频变压器绝缘方式的主电路，是由太阳能光伏阵列直流输入，经过高频逆变器转换成高频交流电压，经高频变压器变换电压后，再经整流电路转换成直流电，最终经过逆变器输出工频交流电。
其中采用了高频的DC/DC变换电路，所以可使装置小型化、可集成化、重量轻。
与工频变压器绝缘方式相比，电路的结构，控制方式比较复杂，因为经过两级的转换，所以系统的效率也有所下降。
该结构是20世纪90年代比较主流的主电路结构。
图2.2高频变压器隔离方式
2.1.3无变压器方式
无变压器方式想对小巧，重量轻，成本低，可靠性高，但是和电网没有绝缘。
本文采用此种方式。
在无变压器绝缘方式的主电路中，光伏阵列的直流输出经过升压斩波器升压到适当的电压值后，再通过逆变，实现交流输出。
其中升压DC/DC级部分可以适应较宽的直流电压范围，有利于光伏阵列实现最大功率输出，同时也保证了逆变部分输出电流相对稳定。
与变压器绝缘方式相比，由于无隔离变压器的绝缘方式除了具有体积小、质量较轻的特点外，还具有效率高、成本较低的特点；尽管没有采用变压器进行输入和输出绝缘，但是只要采用合适的措施，一样可保证主电路和控制电路运行的安全稳定性。
目前无变压器方式是主流的并网逆变器主电路结构。
图2.3无变压器方式
2.2系统拓扑结构
由于单相光伏发电并网系统一般是无变压器方式，主电路结构包括直流升压电路和单相全桥逆变单元的结构。
其拓扑结构的不同，集中体现在前级DC／DC斩波电路不同。
DC／DC斩波电路，又称DC／DC变换器，可以分为直接变换（无变压器）和间接变换（直流电压变为交流电压后，经变压器升压再变为直流电压）两种类型。
近年来，随着诸如IGBT模块封装、DSP系统集成、多电平技术等日趋成熟，从硬件或理论上解决了控制上的难点，而直接转换型DC／DC斩波电路，具有体积小、重量轻、成本低、效率高等优点，因而成为主流选择[10]。
Boost电路升压得到的电压，常用于将光伏阵列低直流电压等效为单相逆变桥直流侧电压，其具有结构简单，效率高，控制方便，可靠性高等优势。
所以得到了广泛的应用。
后级DC/AC的单相全桥逆变电路，对前级DC/DC的直流电压进行逆变，使其与电网同频同相，最后并入电网。
下面对两种主电路进行分别说明。
2.2.1Boost电路分析
DC/DC变换电路功能分为，降压变换电路（BuckConverter），升压变换电路（BoostConverter），升降变换电路（Boost-BuckConverter），库克变换电路（CukConverter）。
Buck电路工作在断续模式下，加入储能电容后，Buck电路功率开关断开时，光伏电池对储能电容充电，使光伏电池一直发电。
但是在大的负荷情况下，储能电感一直处于大电流充放电，不能可靠工作，而且储能电容为电解电容，增大了MPPT的体积。
后级DC/AC级的输入电压不能太低，光伏电池受光照，温度等影响，Buck电路在降低，逆变级无法正常工作。
本系统DC/DC级采用简单实用的Boost升压电路。
Boost电路始终工作在输入电流连续状态下，只要输入电感足够大，则电感上的纹波电流，小到接近直流电流。
此级有两个功能：
一是将光伏阵列的直流电压升压后送至后级逆变环节，二是光伏电池功率输出的非线性，通过调节占空比达到最大功率跟踪。
为了分析Boost斩波电路原理与特性，可将太阳能光伏阵列输出电压等效为直流电压源Upv，而将单相全桥逆变部分及其控制电路等效为负载Z，整个电路可等效为图2.4，通过PWM产生的信号控制开关管So的开关断时间，进而控制电感器件的充放电，由能量守恒定律可知，便可将Upv升压为Udc。
图2.4Boost电路等效原理图
假设Boost电路工作时电感L足够大，在保障电流连续的条件下，电容C足够大以此来稳定输出电压。
So导通和关断时，等效电路如下列图所示，其中电阻RD为二极管导通等效电阻。
图2.5开关管关断时等效电路图
（a）当So关断时，VD正向导通，Upv和L共同向C充电，并给逆变器负载Z提供能量，忽略二极管等效电阻RD，则电感电流满足：
（2.1）
图2.6开关管导通时等效电路图
（b）当So导通时，二极管阳极的电位为零，阴极的电位为直流侧电压，故VD反偏：
电容C给负荷供电，电流Idc为负值；电压源Upv对电感L充电，其充电电流为：
（2.2）
结合式（2.1）,（2.2）令一个开关管So开关周期T=Ton+Toff，则电感上电流如下图2.7所示（其中ILmax，ILmin分别为电感电流上下限值；D=Ton/T为开关管So占空比，改变工作时D值，可调整Boost升压电路的输出电压）：
图2.7Boost升压电路电感电流波形图
根据电路电流连续原则，开关管导通时间Ton内电感L电流增加量应等于其关断时间Toff内L电流减少量，即有：
（2.3）
解得Udc的表达式为，确定Boost升压电路升压特性满足：
（2.4）
2.2.2单相全桥逆变电路分析
后级的逆变电路采用单相全桥逆变电路，可以在较宽的输入电压范围内工作。
在这一级将前级的直流电通过PWM调制成与电网电压同频同相的交流电并入电网。
单相全桥逆变电路有4个桥臂，可以看成是由两个单相半桥电路组成。
把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替个导通。
图2.8单相全桥逆变电路
各IGBT栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2栅极信号互补，V3和V4栅极信号互补；V3的基极信号不是比V1落后180°，而是只落后（0<
<180°）也就是说，V3和V4的栅极信号不是分别和V2，V1的栅极信号同相位，而是前移了180°-
[11]。
输出电压UO就不是正负各为180°的脉冲，而是正负各为
的脉冲，各IGBT的栅极信号UG1~UG4及输出电压UO，输出电流io的波形如图2.9。
图2.9单相全桥逆变电路的移相调压方式
设在t1时刻前V1和V4导通，输出电压UO为Ud，t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，而因负载电感中的电流io不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流。
因V1和VD3同时导通，所以输出电压为零；t2时刻V1和V2栅极信号反向，V1截止，V2不能立即导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-Ud到负载电流过零开始反向，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，UO仍为-Ud；t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，V4不能立刻导通，VD4导通续流，UO再次为零，输出电压UO的正负脉冲宽度各为θ，改变θ，可调节输出电压[12]。
通过对前级DC/DC主电路Boost电路分析，以及后级DC/AC级主电路单相全桥逆变电路分析确定，为后面的控制电路设计打好基础。
3光伏电池的最大功率点跟踪方法研究
通常在工业产品研发开始的时候，第一对其进行仿真模型研究，因此在确定单相光伏并网发电系统拓扑结构后，需要进一步选择合适的系统控制方式。
其控制主要包括两个方面内容。
其一是将逆变器直流侧的直流电压变为与电网同频同相的交流电，从而实现电网并联，后级DC/AC单相全桥逆变控制策略；其二是将光伏阵列输出较低直流电压，通过Boost电路，升压来满足逆变需求的直流电压，主要是光伏最大功率跟踪（MPPT）技术。
3.1光伏电池特性分析
由于光伏阵列的最大功率点是一个变量，在日照强度、温度等条件变化时，其输出功率也在变化。
因而要对太阳能电池进行最大功率点跟踪（MPPT），以提高转换效率。
光伏电池的基本特性和二极管类似，等效电路如下：
图3.1光伏电池的等效电路
在忽略光伏电池内部的小串联电阻和并联电阻后，电流电压特性可表示为下式：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
其中，I和V分别为光伏电池的输出电流和电压，Ios为太阳能电池反向饱和电流，q为电子电荷，K为波耳兹曼常数，T为太阳能的绝对温度，Ki=0.0017为短路电流温度系数，
为太阳辐射度，Ig为光生电流，EGO为硅的能带，B=A=1.92为理想因数，Tr=
。
K为参考温度，Ior为参考温度下的饱和电流，Rsh为并联电阻，Rs为串联电阻。
光伏阵列的输出特性受到光照强度、环境温度的影响表现出非线性特性，可以用伏安特性（I-V）和功率电压（P-V）特性曲线来体现。
光伏电池的特性曲线如下图所示
图3.2光伏电池的I-V及P-V特性示意图
从太阳能输出的曲线可以看出，在温度和光照条件确定的情况下，输出曲线的电压和电流成反比关系，输出电压的增大而输出电流减小。
因此曲线上存在最大功率点Pm点。
太阳能电池是一个既非电压源，也非电流源的非线性直流电源，光伏电池的I-V输出特性及P-V输出特性如图3.2，具有强烈的非线性。
光照强度的不同对电池的短路电流影响较大，对开路电压影响很小。
太阳能电池的效率与温度有关，随温度上升，光伏电池开路电压下降，短路电流
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