三相光伏并网逆变器设计.docx

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三相光伏并网逆变器设计

摘要

由于光伏发电具有的优点，如灵活、洁净以及广泛应用，是目前最有优势的微源。

太阳能绿色可持续，是众多研究学者公认的新型替代资源，因此对光伏发电技术进行研究时十分必要的。

本文主要研究对象是逆变器，首先通过查找相关文献了解目前光伏行业的最新发展动态以及光伏并网技术所遇到的问题。

然后针对这些问题，提出了理论解决办法，对控制系统的结构和逆变器的选型进行了详细的介绍，最后搭建了MATLAB仿真模型，验证理论分析的正确性。

关键词:

光伏发电；并网逆变器系统；控制策略

ABSTRACT

Becauseoftheadvantagesofphotovoltaicpowergeneration,suchasflexibility,cleanlinessandwideapplication,itisthemostadvantageousmicro-sourceatpresent.Greenandsustainablesolarenergyisrecognizedasanewalternativeresourcebymanyresearchers,soitisnecessarytostudyphotovoltaicpowergenerationtechnology.Themainresearchobjectofthispaperistheinverters.Firstly,thelatestdevelopmentsofthephotovoltaicindustryandtheproblemsencounteredinthephotovoltaicgrid-connectedtechnologyarefoundoutbysearchingtherelevantliterature.Then,aimingattheseproblems,theoreticalsolutionsareputforward.Thestructureofthecontrolsystemandtheselectionofinvertersareintroducedindetail.Finally,thesimulationmodelofMATLABisbuilttoverifythecorrectnessofthetheoreticalanalysis.

Keywords:

PhotovoltaicPowerGeneration;Grid-connectedInverterSystem;ControlStrategy

第1章绪论

1.1研究背景及意义

人们对太阳能的利用可以追溯到很久之前，现今，伴随着科技的快速发展，世界各国对能源的需求越来越大，由于常规的能源资源有限，他们就把目光转移到了光伏发电方面。

所以，光伏发电迎来了发展的高潮，趋向于满足现代社会对能源的依赖。

就我国光伏行业的发展来看，将来会有更多的光伏设备进入到千家万户，进入到祖国各地来为居民服务。

光伏产业的发展必将会造福人类。

习总书记也说过，宁要绿水青山不要金山银山，从国家层面也是对光伏寄予了很大的希望。

进入二十一世纪以来，世界经济的规模在不断扩大，世界人口也在稳步增长，与之相反的是能源储备却在逐年减少。

工业4.0更是推动着科技在向前发展，但是，人们也逐渐认识到，社会快速发展的过程中也带来了一系列问题，比如空气质量、全球气候的变化，这些都对人类健康高质量的发展有着不利影响。

地球作为人类的母亲，为科技的进步和人类的进步提供了强有力的支持，如若一味坚持原有资源的使用，将会对地球造成不可修复的损伤。

综上，我们需要发展新的能源结构，比如太阳能、风能等清洁型能源。

太阳能储量丰富，并且没有任何副作用，因此研究人员开发出了一种能够吸收太阳能进而转化为电能的电池片来实现对太阳能的有效利用。

1.2光伏发电的发展现状

利用光伏来进行发电在被投入使用以后，发展的相当迅速，尽管遭遇了两次较大的金融风暴，仍然处于增长阶段。

有报告显示，截止到2018年，全球光伏发电装机容量约为89.365GWp，与前一年度相比，增加了9.36%左右。

在这些容量中，中国所占用的比重高代55%，出口总量长期位于国际领先行列。

欧盟在之前发布了他们的能源战略规划，我们可以很直观的看出，世界许多国家都已经把光伏发电这一技术作为未来的能源发展方向。

从地理位置来看，由于我国特殊的地理位置，太阳能资源较其他国家较为丰富。

有关数据表明，在适合利用太阳能的地区每年的辐射量都在5000MJ／m2以上，吧这些辐射量如果全都换算成煤炭资源来实现的话，相当于2.4×104亿吨。

从政府相关报告中可以直观的认识到光伏产业在我国发展的势头很劲，其主要形式有两种，一种是太阳能电站式，一种是分布式的。

第2章光伏电池的特性研究

2.1光伏电池的工作原理

太阳能电池片产生电流的原理是利用了半导体PN结的“光生伏特”机理。

当有太阳光照射到电池片的时候，其内部原有的电荷平衡状态就会被打破，正负电荷相互移动聚集在一起，这样电池片内就会生成一个电动势。

对于PN结而言，在遇到太阳光的照射之后，内部会产生电子和空穴，这样它的物理环境就有了一丝微小的变化，从而形成感应电场。

在电场的作用下，电子和空穴向相反的方向各自移动，最终形成一种动态平衡过程，在P极聚集的是正电荷，N极聚集的是负电荷，这样就产生了电动势。

如果在其外边连接上一定的负载，就会有电流产生。

具体工作原理过程如图1所示。

图1光伏电池工作原理示意图

2.2光伏电池的等效电路

图2光伏电池的等效电路图

通过相关文献的介绍，可以知道光伏电池的电流表达式一般为：

（2.1）

式中：

V是太阳能电池阵列输出的电压，I为输出电流，Iph为光生电流，I0为二极管反向饱和电流，

和

分别是串联电阻与旁路电阻。

n为二极管特性因子，k为玻尔兹曼常数，T为光伏电池的温度。

2.3光伏电池数学模型的简化

由前文光伏电流表达式可以看出，如果严格按照这一公式来对光伏发电的特性进行研究，所需要的工作量是很大的。

为了便于分析，本文对该公式进行了一些简化，前提是要保证改动后的效果与真实情况的误差在一个允许的范围内。

由于串联的电阻阻值远小于旁路电阻阻值，所以就能够把

省略掉。

（2.2）

在太阳能电池处于开路状态时

，

，所以

（2.3）

在太阳能电池处于最大功率状态时有

，

，就可以得到

（2.4）

通过上述计算能够得出本文所使用的简化数学模型为：

（2.5）

其中

为短路电流：

（2.6）

（2.7）

在实际工作中，外界自然环境是动态变化的。

考虑到光伏电池独有的特性，容易受到太阳光强度和温度变化的扰动。

为了准确反映实际情况，需要对建立的数学模型进行修正，以满足不同条件下的光伏特性曲线。

对于特定的太阳光强度和温度参数，利用他们来构造光伏特性在多种环境下的特征曲线是利用了以下的公式来进行计算。

（2.8）

（2.9）

（2.10）

（2.11）

（2.12）

（2.13）

式中：

T为温度值，S是光照强度。

=0.0025/

=0.5

=0.00288/

=25

，

=1000w/

。

根据上述所有的简化和计算，就能够得到不同光照和温度工况下的光伏电池数学模型

第3章光伏发电MPPT控制技术研究

3.1元器件的选择

目前，太阳能的光伏发电并网技术一直在改进，一直在朝着高效率、智能化方向发展。

为了能够将系统工况保持在效率最高点，人们进行了各种控制方法的研究，其中有一项技术叫做MPPT。

这种控制方法通过改变系统中的等效阻抗来完成对其运行电压进行控制，采用这种控制方法的优点是，它能够有效弥补外界环境和系统内部阻抗对系统造成的不良影响，从而使得系统一直工作在最佳工况，即功率最大。

具体原理如图3所示：

图3最大功率跟踪点原理示意图

从图中可以看出，曲线1所表示的是光照强度不变，温度动态变化时的曲线走向，曲线2所表示的是温度不变，光照强度动态变化时的曲线走向。

由图中交叉点可以看出，当光照强度不变，温度发生变化时，最大功率点由A转移到了

，但是它不是这个系统功率最大的点，所以就需要将负载由1调整到2，最大功率点就调整到了交点B，此时系统的功率达到最大值。

3.2MPPT控制方案的选择

当前有很多衍生出来的MTTP控制方法，他们各自有优缺点，使用最多的有扰动观察法、恒定电压法、电导增量法等。

本文对电导增量法和扰动观察法进行简单介绍，并选择出适合本文的控制方法。

一、电导增法

这种方法的原理是判断电导的变化率，根据其变化率数值大小，来对系统进行调整。

具体做法是，判断电导的变化率是否为零，如果是，那么此时系统就工作在最大功率工况，如果不是，就需要对系统工作电压进行调整，使其满足系统的最佳工作状态需求。

由

，对该等式两端同时对v求导得：

因此可以由上式分析得，当

>0时，光伏电池工作点位于波峰的左侧，需要增加电压来向右移动；当

<0时，系统的工作点位于波峰右侧区域，此时我们需要减小系统的工作电压来使工作点向左边的波峰靠拢；当

=0时，此时系统的工作点在峰值处，此时须固定工作电压。

借助对功率点的监测调整，可以始终保持光伏电池工作在最佳状态。

根据输出电流值和电压值的大小调整工作电压，当电压的变化数值为零时，如果电流数值有变化，就表明有不利外界因素对系统产生了影响。

上述调整系统是利用改变电流数值大小来实现对工作电压的调整。

在系统中电流变化值为正时，就需要增大工作电压数值，电流变化值为负时，就需要减小工作电压数值。

还有一种情况是当电流变化值为0，即不发生变化时，就得采用改变占空比的方法。

具体实施过程如下，首先需要判断的是电导的变化量和负电导的数值大小，如果大于，就需要增大系统的占空比，反之则需要减小。

综上对于不同的情况下，实时保存电压和电流值，然后一直往复循环进行对比。

因此增量电导法的优势很明显，跟踪准确，精度也高，能够准确判断出外界环境发生的变化，从而采取相应的措施进行调整。

二、扰动观察法

这种控制方法是采用一直循环对比前后两次扰动的差值，从而进行相应的调整。

它也是利用调整电压大小，进而改变系统的输出功率，接下来就是对前后两次的功率数值进行比较，如果功率数值比上次较大就说明趋势是正确的，继续坚持前面的扰动措施，如果较小，就需要调整扰动措施向相反方向调整。

3.3本文所选择的方法

上述两种方法中，可以明显的看出扰动观察法控制起来相对简单，对硬件规格的要求也低，但是它的精度和跟踪速度较差，不能有效满足系统的设计要求。

因陈此，综合上述分析，本文决定采用扰动观察法来实现PV系统的MPPT控制。

如图4是本文搭建的PV-MPPT仿真模块，起始时设定温度为25℃，光照强度为1000W/m2，但为验证其在外界环境变化时的跟踪能力，设定了一定的外界干扰，设定仿真时间为0.3s。

图4PV-MPPT仿真模型

第4章三相并网逆变器的控制技术

4.1并网逆变器系统的结构

并网逆变器是光伏发电系统与微电网系统之间的重要接口装置，它的好坏对于系统的正常运行以及整个系统的性能都有着重要的影响。

所以，选取合适的逆变器以及相关的设计电路是非常重要的。

系统整体运行结构图如下所示。

图5系统的整体运行结构框图

4.2并网逆变器选择

逆变器根据其输入侧电源形式的不同可以分为电压型和电流型这两种类型。

采用电流逆变器时，在它的直流侧串联一个参数值较大的电感，利用大电感具有的稳定电流作用，给系统提供一个相对稳定的直流电流。

这样做容易产生一个问题，那就是当串联的电感较大时，会产生多余的能量损耗，另一方面也影响了系统的动态响应能力，所以一般使用的是电压型逆变器。

在它的直流侧会并联一个参数值较大的电容，保证系统具有稳定的电压，它的特点是灵活性和经济性较好，效率也高，同时还可以并联更多的电容来对系统进行扩容，应用广泛。

但是它也有一个相对条件，就是要求输入电压数值大于电网电压数值，由于本文研究的光伏发电系统数值较小，容易受到外界环境影响产生波动，所以需要在系统的前级接入直流调压电路DC-DC，这样才能够满足逆变器的要求。

根据其输出侧的控制方式不同可以分为电压控制和电流控制两类，使用电压控制方式时，逆变器系统和电网系统的幅值、频率和相位都相等，和并联的效果一样，这种情况下，逆变器系统相对于电网而言，阻抗值很小，它的电压数值和电流数值受到市电电压的影响，电网电压发生变化时，逆变电压也相应的发生变化，降低了电能质量，在偏差较大时甚至会有环流产生，造成一定的经济损失和人员安全问题。

所以，本文选用电流控制方式，使得逆变器和电网电压的频率、相位都保持一致，这种控制方式便捷高效，稳定信号，输出的电能质量也较高。

根据逆变方式的不同可以把逆变器分为组合逆变器、半桥逆变器和全桥逆变器。

组合逆变器的结构复杂，是由三个完全一相同的单相逆变器组合起来的，稳定性较好，但是成本也相对较高。

其他半桥和全桥都是采用的三相逆变器，其中半桥形式的需要在直流输入侧接入两个较大参数的电容来提高系统的负载能力，与全桥相比，在输出相同的交流电时，所需要的输入直流电压会比较大，造成能源转换率低。

所以，本文选择三相全桥式并网逆变器。

4.3系统总体方案

综合上述论述及本课题实际情况，本文采用两级式三相全桥电压型逆变器，本系统的主电路结构如图6，PV系统接BOOST电路将直流电压升至400V，并在前级DC-DC电路中通过控制开关管的关断实现光伏发电的MPPT控制，然后通过后级DC-AC将直流电逆变为与市电同频同相的正弦交流电，再经过滤波并入大电网。

图6主电路拓扑

4.4并网逆变器系统模块搭建

搭建的微电网并网逆变器系统的仿真模型如图7。

直流电压用直流电源模块代替。

系统采用恒功率控制，设置有功功率输出为1KW，无功功率为0，运行时间为

，在

时设置负载变化，模拟实际中的用电负荷突变，观察电流跟踪及功率输出情况。

图7并网逆变器系统的仿真模型

第5章仿真结果与本文总结

5.1光伏并网逆变系统仿真结果

从仿真结果可以看出系统输出功率的变化趋势基本上是随着光照的变化而改变的，通过逆变器以后，电压输出和电流输出能够满足并网要求。

图8电网电压及电流波形

（a）电压波形

（b）电流波形

图9逆变器输出电压电流波形

图8是从大电网中输出的u、i波形图，因为想看清楚波形的变化，所以只放大了其中一相的波形曲线，并且将它放大了25倍，波形曲线中可以发现当时间在0.1s的时候，改变负载的大小，大电网中输出的u、i波形也随之发生变化，电流的变化比较小，是十分微小的变化，可以看出很快就变成稳定的状态了。

图9是电网在并网时候的逆变器输出的u、i波形曲线，其中图（a）可以看出并网逆变器输出的u跟电网中输出的u幅值大小、相角都差不多，可以验证这个逆变部分的正确性，同时，从图（b）中也可以明确的看出它们的波动很小，并且在很短的时间内就可以恢复到稳定的一个运行的状态中，所以，这个系统的模块是正确的。

图10频率输出波形

图10所示的波形图是f的波形变化过程，能够得出系统运行时候的频率维持在50hz左右，与国家规定的相一致。

图11输出的功率波形图

图11给出的是P、Q变化的波形，从图中能够看到0.05s的时候系统中的有功已经达到了1kw，无功是0的状态持续运行，并且当时间达到0.1s的时候，突然增加一个负荷然后迅速的再减小，可以看到P、Q的调节也很快，验证了该控制部分的合理性。

5.2MPPT仿真结果

如图12是搭建出来的PV-MPPT仿真部分，初始的温度设置成25℃，当光照研强研度达到1000W/m2的时候，目的是检验一下外界的温度发生改变时的跟踪效果，仿真的时间设置成0.3s。

图12PV-MPPT仿真模型

（a）光照强度变化图

（b）输出功率波形图

图13不同光照下的波形图

图13（a）中的温度维持在25度左右，光照的强度设置的是0到0.1s的时候是1000W/m2，0.1到0.2s的时候是600W/m2，0.2到0.3s的时候是800W/m2。

（b）图中看到的是相研应的研波研形图，能够发现，在光照强度改变的时候，该跟踪系统可以很快的变到最大值，验证了理论的合理性。

（a）温度变化情况

（b）输出功率波形情况

图14不同温度下的波形图

图14（a）中设置的光强是研1000W/m2，同时，它的温度在0到0.1s的时候是25度，在0.1到0.2s的时候是40度，在0.2到0.3s的时候是30度，（b）图则是它相是应研一个的一个输出功研率的情况，所以，在改变温度的情况下，系统能够快速的变成最大功率，符合理论的研究。

从这些仿真的分析能够得知：

扰动法可以非常好的观察到波形的变化情况，也可以很明显的看出控制的效果，当外界的温度或者光照发生改变时进行很好的追踪，并且最终维持在一个点，与本文中的理论是一致的，也证明了仿真模块的正确性。

5.3全文总结

本文的题目是三相光伏并网逆变器的设计，其中并网部分的设计是该设计的核心。

本文主要的目的是研究所设计的三相光伏并网逆变器在电网并网系统中是否发挥出了应有的作。

首先从光伏电池的特性入手，分析了其工作原理，然后搜集了相关的文献资料，绘制其等效电路图。

由于该系统的数学模型较为复杂，为了能够顺利的进行仿真，对其模型进行了适当的简化，然后利用简化的模型在MATLAB中顺利的完成了仿真。

利用好MTTP控制技术，就能设计出良好的三相并网逆变器，因为MTTP控制技术在很多场合都已经得到了实际的应用。

参考文献

[1]刘振亚.全球能源互联网[M].北京:

中国电力出版社,2015.

[2]刘文,祝斌.微电网关键技术研究综述[J].电力系统保护与控制,2012，（14）152-155.

[3]国家能源局.微电网管理办法.

_2.html,2017.

[4]周宇,李先允.光伏并网逆变器检测方法分析与检测系统研究[J].南京工程学院学报:

自然科学版,2015,

（1）:

42-48.

[5]刘立群.分布式风光互补系统控制与最大功率跟踪控制策略研究[D].上海：

上海交通大学,2011.

[6]景皓.光储微电网系统并网控制策略研究[D].北京:

华北电力大学,2012.

[7]Stvens.J.DevelopmentofsorcesandatestbedforCERTSmicrogridtesting[J].In:

Proceedingsof2004IEEEPowerEngineeringSoeietyGeneralMeeting.Denve,CO,USA,2004,2032-2033.

[8]A.Bertani,C.Bossi,F.Fornari,S,Massuecoetal.AMieroturbineGenerationSystemforGridConnectedandIslandingOperation[J].PowerSystemsConfereneeandExposition,2004,IEEEPES,2004,10

（1）:

360-365.

[9]赵杰.微电网系统建模及其保护方案的研究[D].内蒙古:

内蒙古科技大学，2014.

[10]张中.含分布式发电的微电网并网的电压稳定性分析[D].兰州：

兰州理工大学，2013.

[11]JohanDriesenandFaridKatiraei.DesignforDistributedenergyresources[J].IEEEpower&energymagazine.May-june2008（6）,30-40.

[12]国家能源局.2014年光伏产业发展情况.

454.htm,2015.

[13]郑世松.太阳能光伏并网逆变器及孤岛检测技术的研究[D].济南：

山东大学，2012.

[14]王卫鑫.基于DSP具有主动谐波抑制功能的并网逆变器设计[D].沈阳:

沈阳工业学,2016.

[15]新华网.十三五规划.

16.

[16]国家能源局.国家电力示范项目管理法.

161122_2319.htm,2016.

[17]杨兆银.两级式单相光伏并网与有源电力滤波的同一控制[D].南京：

江苏大学,2012.

[18]赵基建.基于DSP的智能化光伏并网逆变器设计[D].广州：

广东工业大学，2014.

[19]KjacrSB,PedersenJK,BlaabjergF.AReviewofSingle-PhaseGrid-ConnectedInvertersforPhotovoltaicModules[J].IEEETransaetionsOnIndustryApplications,2005,5（41）:

1292-1306.

[20]冉岩.基于DSP的太阳能并网逆变器的设计[D].黑龙江：

哈尔滨工业大学，2013.

[21]翟秀静,刘奎仁,韩静.新能源技术[M].北京：

电子工业出版社.2009:

55-60.

[22]杨亮.基于Matlab-DSP光伏发电系统的研究及其实现[D].郑州：

中原工学院,2012.

[23]舒杰,傅诚,陈德明等.高频并网光伏逆变器的主电路拓扑技术[J].电力电子技术，2008,42（7）:

79-82.

[24]叶满园,崔浩杰,宋桂智,潘涛,韩祥鹏.三相CHB多电平光伏并网逆变器功率平衡控制策略研究[J/OL].电力系统及其自动化学报:

1-7[2019-04-26].https:

//doi.org/10.19635/ki.csu-epsa.000212.

[25]徐波,陈昌旺.基于虚拟电阻的三相无变压器光伏并网逆变器漏电流抑制方法[J].电测与仪表,2019,56（02）:

64-69.

[26]牛雅馨,孙丽颖.基于改进自适应backstepping的三相光伏并网逆变器控制器设计[J].辽宁工业大学学报（自然科学版）,2018,38（06）:

359-363+367.

[27]崔浩杰.三相CHB多电平光伏并网逆变器功率平衡控制策略研究[D].华东交通大学,2018.

[28]贾铎.弱电网环境下光伏并网逆变器电流环控制方法研究与设计[D].西安理工大学,2018.

[29]崔寒松,张帆,段春明,陈鹏.光伏并网逆变器的仿真模型建立[J].科技创新导报,2018,15（18）:

27-28.

[30]冯楚游龙.补偿不平衡负荷的三相四线光伏并网逆变器研究[D].湖北工业大学,2018.

[31]高锋阳,杜强,乔垚,强国栋.逆变器侧电流反馈的LCL型三相光伏并网逆变器解耦控制[J].电力系统保护与控制,2018,