畢業(yè)論文——光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　肅莆蚅蚃罿莆蒞衿裊蒅蕆蟻膃蒄薀袇聿蒃螂蝕肅蒂蒂羅羈蒁薄螈芀蒀蚆羃膆蒀蝿螆肂葿蒈羂羈膅薁螅襖膄蚃羀膂膄莂螃膈膃薅肈肄膂蚇袁羀膁蝿蚄艿膀葿衿膅腿薁螞肁羋蚄袈羇羋莃蟻袃芇蒆袆節(jié)芆蚈蝿膈芅螀羄肅芄蒀螇罿芃薂羃裊節(jié)蚅螅膄莂莄羈肀莁蒆螄羆莀蠆罿羂荿螁袂芁莈蒁蚅膇莇薃袀肅莆蚅蚃罿莆蒞衿裊蒅蕆蟻膃蒄薀袇聿蒃螂蝕肅蒂蒂羅羈蒁薄螈芀蒀蚆羃膆蒀蝿螆肂葿蒈羂羈膅薁螅襖膄蚃羀膂膄莂螃膈膃薅肈肄膂蚇袁羀膁蝿蚄艿膀葿衿膅腿薁螞肁羋蚄袈羇羋莃蟻袃

2、芇蒆袆節(jié)芆蚈蝿膈芅螀羄肅芄蒀螇罿芃薂羃裊節(jié)蚅螅膄莂莄羈肀莁蒆螄羆莀蠆罿羂荿螁袂芁莈蒁蚅膇莇薃袀肅莆蚅蚃罿莆蒞衿裊蒅蕆蟻膃蒄薀袇聿蒃螂蝕肅蒂蒂羅羈蒁薄螈芀蒀蚆羃膆蒀蝿螆肂葿蒈羂羈膅薁螅襖膄蚃羀膂膄莂螃膈膃薅肈肄膂蚇袁羀膁蝿蚄艿膀葿衿膅腿薁螞肁羋蚄袈羇羋莃蟻袃芇蒆袆節(jié)芆蚈蝿膈芅螀羄肅芄蒀螇罿芃薂羃裊節(jié)蚅螅膄莂莄羈肀莁蒆螄羆莀蠆罿羂荿螁袂芁莈蒁蚅膇莇薃袀肅莆蚅蚃罿莆蒞衿裊蒅蕆蟻膃蒄薀袇聿蒃螂蝕肅蒂蒂羅羈蒁薄螈芀蒀蚆羃膆蒀蝿螆肂葿蒈羂羈膅薁螅襖

3、膄蚃羀膂膄莂螃膈膃薅肈肄膂蚇袁羀膁蝿蚄艿膀葿衿膅腿薁螞肁羋蚄袈羇羋莃蟻袃芇蒆袆節(jié)芆蚈蝿膈芅螀羄肅芄蒀螇罿芃薂羃裊節(jié)蚅螅膄莂莄羈肀莁蒆螄羆莀蠆罿</p><p>　　本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題 目 基于TMS320F2812的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　學(xué)生姓名

4、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　學(xué) 院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 </p>

5、<p>　　完成時間 2012-5-20 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　英文摘要</b></p><p><

6、;b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的研究背景及意義</p><p>　　1.2 光伏發(fā)電在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景</p><p>　　1.2.2 國外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景</p><p>　　1.3 本文所做

7、的主要工作</p><p>　　第二章 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理</p><p>　　2.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成</p><p>　　2.1.1 光伏列陣</p><p>　　2.1.2 光伏并網(wǎng)逆變器</p><p>　　2.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略</p><p

8、>　　2.2.1 光伏列陣輸出特性</p><p>　　2.2.2 MPPT控制方法</p><p>　　2.3 逆變器的控制策略研究</p><p>　　2.3.1 電流跟蹤控制策略</p><p>　　2.3.2 電壓跟蹤控制策略</p><p>　　2.3.3 雙環(huán)控制策略</p>

9、<p>　　第四章 兩級式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工作原理</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的總體方案</p><p>　　3.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　3.2.1 前級（DC/DC）電路的工作原理</p><p>　　3.2.2 后級（DC/AC）電路的工作原理</p><

10、p>　　3.3 主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4 控制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4.1 TMS320F2812的介紹</p><p>　　3.4.2 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　第三章 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真建模</p><p>　　4.1 光伏列陣模塊仿真</p&

11、gt;<p>　　4.2 MPPT模塊仿真</p><p>　　4.3 PWM波形成模塊仿真</p><p>　　4.4 逆變器控制模塊仿真</p><p>　　4.5 逆變器跟蹤電網(wǎng)控制模塊仿真</p><p>　　第五章 總結(jié)與展望</p><p><b>　　5.1 總結(jié)<

12、;/b></p><p><b>　　5.2 展望</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是可以將太陽能轉(zhuǎn)換成電能并輸送到電網(wǎng)上的系統(tǒng)。近些年來，隨著能源緊缺與環(huán)境污染問題的日

13、益嚴(yán)重，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)成為各國研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。本文的目的就是要設(shè)計(jì)一套基于TMS320F2812的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　本文首先分析了國內(nèi)外光伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展。然后以單相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了全面的理論分析研究，包括對系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、參數(shù)的選擇、最大功率點(diǎn)跟蹤以及孤島效應(yīng)問題等方面作了詳細(xì)的分析和研究。設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的主電路和基于TMS320F2812的控

14、制電路。</p><p>　　本文對所設(shè)計(jì)的電路運(yùn)用Matlab_Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果證明本設(shè)計(jì)是合理的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽能 光伏并網(wǎng) 最大功率點(diǎn)跟蹤 孤島效應(yīng) DSP Matlab</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Grid-connected

15、 photovoltaic system is a set of system which can converts solar energy into electrical energy . Recently years,according to the problems of environmental pollution and exhaustion of energy sources become worse , the gri

16、d-connected photovoltaic system has been a hot spot that most countries research and develop . The purpose of this paper is to design a set of grid-connected photovoltaic system based on TMS320F2812.</p><p>

17、　　This paper first analyzes the status and development of photovoltaic power generation at home and abroad.Then the paper focuses on single-phase grid-connected system . The topology , control strategy , parameter select

18、ion of grid-connected photovoltaic system , Maximum power point tracking and island effect and analyzed and studied in detail . The paper designs main circuit and control circuit which based on TMS320F2812 .</p>&

19、lt;p>　　At the end of this paper the design of system simulation using Matlab_Simulink circuit, and the simulation result shows that this design is reasonable.</p><p>　　Keyword:solar energy;Photovolataic G

20、rid-connected;Maximum power point tracking;Islanding effect;DSP;Matlab</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　課題的研究背景及意義</p><p>　　能源是人類社會存在與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。目前的世界能源結(jié)構(gòu)是以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主體的結(jié)

21、構(gòu)。而化石能源是不可再生的資源，大量耗用終將枯竭，并且在生產(chǎn)和消費(fèi)過程中有大量的污染物排放，破壞生態(tài)與環(huán)境。為保證人類穩(wěn)定、持久的能源供應(yīng)和保護(hù)地球的生態(tài)環(huán)境，必須優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少化石能源的耗用，大力開發(fā)利用清潔、干凈的新能源和可再生能源。20世紀(jì)中葉以來，世界各國都在紛紛采取措施提高能源效率和改善能源結(jié)構(gòu)，以解決這一與能源消費(fèi)密切相關(guān)的重大環(huán)境問題，稱之為能源效率革命和清潔能源革命[1]。太陽能作為一種巨量的可再生能源，每天到達(dá)地球

22、表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)億萬桶石油燃燒的能量。開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽能，可以對環(huán)境不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少污染，太陽能既是近期急需的能源補(bǔ)充，又是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。不論是從經(jīng)濟(jì)社會走可持續(xù)發(fā)展之路和保護(hù)人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境的高度來審視，還是從特殊用途解決現(xiàn)實(shí)能源供應(yīng)問題出發(fā)，開發(fā)利用太陽能都具有重大戰(zhàn)略意義。</p><p>　　在現(xiàn)代社會所有的動力資源中，電能使用最方便，使用范圍最廣泛。電能的生產(chǎn)一般伴隨二氧

23、化碳、二氧化硫氣體排放，前者是地球溫室效應(yīng)氣體，后者是酸雨的成因，兩者對環(huán)境危害都很大。目前各種發(fā)電方式的碳排放率（g碳/（kW·h））：煤發(fā)電為275，油發(fā)電為204，天然氣發(fā)電為181，太陽能熱發(fā)電為92，太陽能光伏發(fā)電為55，波浪發(fā)電為41，海洋溫差發(fā)電為36，潮流發(fā)電為35，風(fēng)力發(fā)電為20，地?zé)岚l(fā)電為11，核能發(fā)電為8，水力發(fā)電為6[1]。由上述可見，以太陽能為代表的新能源和可再生能源是保護(hù)人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境的

24、清潔能源；它將逐漸減少和替代化石能源的使用，它的廣泛應(yīng)用是保護(hù)生態(tài)環(huán)境，走經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。</p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電即將太陽能轉(zhuǎn)化為電能饋送給電網(wǎng)，具有無枯竭危險(xiǎn)；清潔、安全、無噪聲：應(yīng)用范圍廣，不受資源分布地域的限制；易安裝，易運(yùn)輸，建設(shè)周期短：供電系統(tǒng)工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，其在緩解能源危機(jī)以及保護(hù)環(huán)境等方面都具有重大意義。目前，歐洲、美國、日本大規(guī)模推廣光伏并網(wǎng)發(fā)電的“屋頂計(jì)劃”，一方面以逐步

25、取代終將枯竭的常規(guī)化石能源；另一方面避免人類的生存環(huán)境繼續(xù)惡化[2]。我國也正在進(jìn)行西部太陽能發(fā)電工程，以改善西部生存條件和投資環(huán)境，促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展。</p><p>　　光伏發(fā)電在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　國內(nèi)光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景</p><p>　　中國的光伏發(fā)電市場目前主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村電氣化、通信和工業(yè)應(yīng)用以及太陽能光伏商品，包括太陽能路燈、

26、草坪燈、太陽能交通信號燈以及太陽能景觀照明等。由于成本很高，并網(wǎng)光伏發(fā)電目前還處于示范階段。光伏產(chǎn)業(yè)包括多晶體硅原材料制造、硅錠/硅片生產(chǎn)、太陽電池制造、組件封裝和光伏系統(tǒng)應(yīng)用等，還有一些與整個產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)，如各環(huán)節(jié)的專用材料制造、專用設(shè)備制造，專用檢測設(shè)備制造以及光伏系統(tǒng)平衡部件制造等。</p><p>　　2002年，國家計(jì)委啟動“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，通過光伏發(fā)電和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)（西藏

27、、新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西和四川）700多個無電鄉(xiāng)的用電問題，光伏用量達(dá)到15.5MWp。該項(xiàng)目大大刺激了光伏工業(yè)，國內(nèi)建起了幾條太陽電池的封裝線，使太陽電池的年生產(chǎn)量迅速達(dá)到100MWp（2002年當(dāng)年產(chǎn)量20MWp）。</p><p>　　為了促進(jìn)我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可再生能源中長期規(guī)劃提出的發(fā)展目標(biāo)，2007年國家發(fā)改委啟動了“大型并網(wǎng)光伏示范電站建設(shè)計(jì)劃”，加快解決日照資源豐富的西部八

28、省（內(nèi)蒙古、云南、西藏、新疆、甘肅、青海、寧夏、陜西）無電鄉(xiāng)用電問題，明確要求并網(wǎng)光伏示范電站建設(shè)規(guī)模應(yīng)不小于5兆瓦，同時明確了大型并網(wǎng)光伏電站的上網(wǎng)電價通過招標(biāo)確定。</p><p>　　圖1-1 中國太陽電池年產(chǎn)量和年裝機(jī)</p><p>　　自2002至2008年，中國大陸的太陽能電池組件的產(chǎn)能以每年3位數(shù)(即年增長率超過100%)的速度不斷增長。值得注意的是，中國2007年太陽能電

29、池/組件生產(chǎn)能力達(dá)到2900MWp，太陽能電池年產(chǎn)量達(dá)到1088MWp，超過日本和德國，已躍居世界第一大光伏電池生產(chǎn)國。2008年中國太陽能電池生產(chǎn)能力已達(dá)到5GWp，太陽能電池年產(chǎn)量達(dá)到2000MWp。但是生產(chǎn)的太陽電池98%以上用于出口。圖1和表3給出自1990年以來中國光伏市場的發(fā)展進(jìn)程。</p><p>　　表1 中國太陽電池年產(chǎn)量和年裝機(jī)比較（MWp）</p><p>　　截止到

30、2008年底，2008年中國太陽能電池生產(chǎn)能力已達(dá)到5000MWp，中國太陽電池的累計(jì)裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到140MWp。2008年全國電力裝機(jī)800GW，而光伏累計(jì)裝機(jī)只有0.14GW(140MW)，僅占全國全年裝機(jī)量的0.0175%。圖2和表4給出了自1990年以來中國光伏年裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)的現(xiàn)狀。中國2008年當(dāng)年光伏發(fā)電裝機(jī)量僅占全球當(dāng)年裝機(jī)容量的0.7％，與光伏電池生產(chǎn)大國的身份極不相符。</p><p>　　圖1

31、-2 中國的光伏年裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)</p><p>　　表2 中國光伏年裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)統(tǒng)計(jì)（MWp）</p><p>　　國外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景</p><p>　　自1839年發(fā)現(xiàn) “光生伏打效應(yīng)” 和1954年第一塊實(shí)用的光伏電池問世以來，太陽能光伏發(fā)電取得了長足的進(jìn)步，但是它的發(fā)展仍然比計(jì)算機(jī)和光纖通訊要慢得多。1973年的石油危機(jī)和20世紀(jì)90年代的環(huán)境污染

32、問題大大促進(jìn)了太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展。隨著人們對能源和環(huán)境問題認(rèn)識的不斷提高，光伏發(fā)電越來越受到各國政府的重視，科研投入不斷加大，鼓勵和支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策也不斷出臺。以1997年美國總統(tǒng)克林頓的“百萬太陽能光伏屋頂計(jì)劃”為標(biāo)志，日本還有歐洲的德國、丹麥、意大利、英國、西班牙等國也紛紛開始制定本國的可再生能源法案，刺激了光伏產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。</p><p>　　2000年以來，全球光伏產(chǎn)業(yè)連續(xù)6年以30%~~60

33、%以上的速度增長，2002年全球光伏電池產(chǎn)量為560MW/a，到2003年已高達(dá)750MW/a,增長了34%。2004年開始，德國對可再生能源法進(jìn)行了修訂，新的補(bǔ)貼法案促成了德國光伏市場隨后的爆發(fā)，隨之而來的是發(fā)達(dá)國家間新一輪的政策熱潮和全球光伏市場的更高速膨脹。2004年世界光伏電池年產(chǎn)量達(dá)到1256MW，年增長率高達(dá)68%，2005年產(chǎn)量達(dá)1818MW，增長率仍有45%（圖1-3），2006年，美國加州州長施瓦辛格提出了要在加州實(shí)施

34、“百萬個太陽能屋頂計(jì)劃”，在未來10年內(nèi)建設(shè)3000MW光伏發(fā)電系統(tǒng)的提案，這象征著美國光伏政策的新紀(jì)元的到來。正是由于歐洲、日本和美國強(qiáng)有力的政策推動，全球太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)市場才呈現(xiàn)出今天欣欣向榮的景象，太陽能光伏發(fā)電的前景無限光明。</p><p>　　圖 1-3 世界太陽能電池歷年產(chǎn)量</p><p>　　世界光伏發(fā)電的高速發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾方面：</p><

35、p>　?。?）光伏電池產(chǎn)量持續(xù)增長 </p><p>　　多年來光伏產(chǎn)業(yè)一直是世界增長速度最高和最穩(wěn)定的領(lǐng)域之一，1999~~2005年間，光伏電池產(chǎn)量以年均增長率超過40%的速度高速發(fā)展，太陽電池的產(chǎn)量從1999年的202MW增加到2005年的1818MW，增長了9倍。</p><p>　?。?）生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大 </p><p>　　

36、光伏產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭企業(yè)電池產(chǎn)量早已突破100MW，且有越來越多的企業(yè)已經(jīng)提出了建設(shè)年產(chǎn)1000MW電池生產(chǎn)線的目標(biāo)。</p><p>　　（3）光伏市場飛速膨脹 </p><p>　　不斷有新的國家出臺激勵光伏發(fā)展的政策。2004年德國補(bǔ)貼法修訂后，僅用了一年，即在2005年，德國市場年裝機(jī)容量便達(dá)到了837MW，占全球市場的57%，政府政策對光伏的激勵可想而知。而2006年，美國

37、加州正式出臺3000MW光伏安裝計(jì)劃，帶動美國其它各州也紛紛仿效。美國將成為繼日本、歐洲之后又一大的光伏市場。</p><p>　　（4）新技術(shù)不斷出現(xiàn)，電池效率不斷提高 </p><p>　　隨著自動化程度和生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，電池效率將由現(xiàn)在的水平（單晶硅16%~~18%，多晶硅15%~~17%）向更高水平（單晶硅18%~~20%，多晶硅16%~~18）發(fā)展。</p>

38、<p>　　鄧州市鑫園光伏電力開發(fā)有限公司與中科院聯(lián)手，最新研制成功利用宇宙光能發(fā)電，光能發(fā)電采用最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，每天可利用光能發(fā)電17小時。（市場現(xiàn)有的單晶硅、多晶硅太陽能電池只可利用8小時，且對環(huán)境存有污染）。</p><p>　　光能發(fā)電是當(dāng)今世界的尖端科技，將為全人類徹底解決“能源危機(jī)”“環(huán)境污染”和“可持續(xù)發(fā)展”等三大世界難題，將做出歷史性、跨世代的偉大貢獻(xiàn)，將為人類利用新能源、新技術(shù)方

39、面進(jìn)入一個嶄新的時代，引發(fā)一場世界科技革命，讓全人類過著健康、幸福、和諧的生活。</p><p><b>　　本文所做的主要工作</b></p><p>　　本文的目的是要設(shè)計(jì)一套基于TMS320F2812的單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)輸出的并網(wǎng)電壓為220V，系統(tǒng)輸出功率為0.2KW。本文對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究。本

40、文的主要工作重點(diǎn)總結(jié)如下：</p><p>　　1.分析了單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。分析了不同主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p>　　2.研究了最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT）的原理和方法，分析了目前常用的幾種MPPT方法的優(yōu)缺點(diǎn)，文中采用擾動法來實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤。</p><p>　　3.在分析了逆變器不同控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，

41、采用了電壓電流雙環(huán)控制的策略，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。</p><p>　　4.設(shè)計(jì)了基于DSP芯片TMS320F2812的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電路，包括系統(tǒng)的主電路、控制電路。對這些電路的工作過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對電路中的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。</p><p>　　5. 運(yùn)用Matlab/Simulink對系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行仿真，包括光伏列陣、最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制、PWM波形的產(chǎn)生

42、、數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)、電壓電路雙閉環(huán)控制。</p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理</p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成及分類</p><p>　　2.1.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成</p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，并且實(shí)現(xiàn)既向負(fù)載供電，又向電網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)

43、。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、控制器和繼電保護(hù)裝置組成。</p><p>　　光伏陣列是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要部件，由其將接收到的太陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能。目前工程上應(yīng)用的光伏陣列一般是由一定數(shù)量的晶體硅太陽能電池組件按照系統(tǒng)需要的電壓的要求串、并聯(lián)組成的。</p><p>　　并網(wǎng)逆變器是整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心，它將光伏陣列發(fā)出的電能逆變成220V/50Hz的正弦波電流

44、并入電網(wǎng)。電壓型逆變器主要由電力電子開關(guān)器件組成，以脈寬調(diào)制的形式向電網(wǎng)提供電能。</p><p>　　控制器一般由單片機(jī)或DSP芯片作為核心器件，控制光伏陣列的最大功率點(diǎn)的跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)電流的功率和波形。</p><p>　　繼電保護(hù)裝置可以保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全性。</p><p>　　2.1.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類</p>

45、<p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器要同時完成MPPT和并網(wǎng)電流控制的任務(wù)，即保證光伏陣列輸出功率最大化的前提下控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相；兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器只需進(jìn)行逆變控制，光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）由前級DC/DC變換器完成，并網(wǎng)逆變器通過控制DC/DC變換器的輸出電壓實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡，并網(wǎng)逆變器控制的任務(wù)是保證輸出

46、電流與電網(wǎng)電壓頻率、相位完全一致。</p><p>　　光伏陣列模塊工作點(diǎn)（MPPT）跟蹤控制</p><p><b>　　光伏陣列輸出特性</b></p><p>　　太陽能電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成, 它是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。太陽能電池電路模型見圖2-1。</p><p>　　（Iph ：光生電流,

47、正比于太陽能電池的面積和入射光的輻照度; ID：暗電流; Rsh ：旁路電阻; Rs：串聯(lián)電阻; RL：電池的外負(fù)載電阻; Uoc ：電池的開路電壓。）</p><p>　　圖 2-1 太陽能電池電路模型</p><p>　　輸出負(fù)載RL上電壓電流關(guān)系</p><p>　　式中 q k：電子電荷量及波爾茲曼常數(shù)；</p><p>　　A：太陽

48、能板的理想因數(shù), A=1.5；</p><p>　　T：太陽能板的溫度；</p><p>　　Iso ：太陽能板的逆向飽和電流，與T有關(guān)。</p><p>　　由光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型分析可知, 太陽能電池的輸出是一個隨光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖2-2為太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，即光照1 kW/m2,T=25e時的典型輸出特性。太陽能板的輸出開路電壓和輸出短

49、路電流的值由生產(chǎn)廠家給出[3]。</p><p>　　由圖2-2光伏電池輸出特性曲線可知, 光伏電池在輸出電壓較低時, 其輸出電流幾乎不變，可以看成一個直流恒流電源。光伏電池的P-U曲線是一個單峰值曲線，光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化而變化，在變化過程中存在一個最大值。</p><p>　　圖 2-2 太陽能電池典型輸出曲線</p><p><b>　　M

50、PPT控制方法</b></p><p>　　觀察光伏電池輸出功率特性P-U曲線可知, 太陽能電池有一個最優(yōu)工作點(diǎn), 叫做最大功率點(diǎn)(MPPT), 它取決于電池板溫度和光照大小, 不同的溫度和光照條件下太陽能電池有不同的最大功率點(diǎn)。即使在同一溫度和光照條件下, 由于太陽能電池的工作電壓不同, 也會使太陽能電池輸出功率不同。要使光伏電池盡可能地工作在最大功率點(diǎn), 需要使用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制。最

51、常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法有：恒定電壓跟蹤法(CVT)、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法[4]等。</p><p><b>　　1、恒定電壓跟蹤法</b></p><p>　　通過觀察光伏系統(tǒng)P-V關(guān)系曲線圖，發(fā)現(xiàn)在一定的溫度下，當(dāng)日照強(qiáng)度較高時，諸曲線的最大功率點(diǎn)幾乎都分布在一條垂直線的兩側(cè)，這說明光伏陣列的最大功率輸出點(diǎn)大致對應(yīng)于某一恒定電壓，這就大大簡化了MPPT的控制設(shè)計(jì)

52、，即人們僅需從生產(chǎn)廠商處獲得數(shù)據(jù)，并使陣列的輸出電壓鉗位于值即可，實(shí)際上是把MPPT控制簡化為穩(wěn)壓控制，這就構(gòu)成了CVT式的MPPT控制。采用CVT較之不帶CVT的直接耦合工作方式要有利得多，對于一般光伏系統(tǒng)可望獲得多至20%的電能。但這種控制方式忽略了溫度對開路電壓的影響，特別是在環(huán)境溫度變化比較大的場合，會產(chǎn)生較大的偏差，從而浪費(fèi)較大的電能。</p><p>　　CVT控制的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡單，易實(shí)現(xiàn)，可靠性高

53、；系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩，有很好的穩(wěn)定性；可以方便地通過硬件實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是：控制精度差，特別是對于早晚和四季溫度變化劇烈的地區(qū)；必須人工干預(yù)才能良好運(yùn)行，更難預(yù)料風(fēng)、沙等影響。</p><p>　　圖 2-3 采用CVT控制的控制流程圖</p><p><b>　　2、擾動觀察法</b></p><p>　　擾動觀察法的原理是在每個控制周期用較小的步長

54、改變太陽能電池陣列的輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減少，控制對象可以是太陽能電池陣列的輸出電壓或電流，這一過程稱為“擾動” ；然后，通過比較干擾周期前后太陽能電池陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過程，如果檢測到輸出功率減少，則改變“干擾”的方向。</p><p>　　當(dāng)擾動達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在其最大功率點(diǎn)附近的一個小范圍內(nèi)來回振蕩，從而導(dǎo)致部

55、分功率損失；其次，難以選擇合適的變化步長，步長過小，跟蹤的速度緩慢，太陽能電池陣列可能長時間運(yùn)行于低功率輸出區(qū)，步長過大，太陽能電池陣列在最大功率點(diǎn)附近的振蕩又會加大，跟蹤精度下降，從而導(dǎo)致更多的功率損失。</p><p>　　由上可歸納出擾動觀察法具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：①優(yōu)點(diǎn)：跟蹤方法簡單，被測參數(shù)少，傳感器精度要求不高，從而易于實(shí)現(xiàn)；②缺點(diǎn)：太陽能電池陣列只能在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致一定的功率損失；跟蹤步長對

56、跟蹤精度和跟蹤速度無法兼顧；在外部環(huán)境突然變化時會出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。所以，擾動觀察法適合于日照強(qiáng)度變化比較緩慢場合。</p><p>　　圖 2-4 擾動觀察法控制流程圖</p><p><b>　　3、電導(dǎo)增量法</b></p><p>　　由光伏電池的P-U曲線可以看出，在最大功率點(diǎn)處的斜率為零。通過簡單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)后如下：</p>

57、<p>　　求功率對電壓的導(dǎo)數(shù)：</p><p>　　達(dá)到最大功率點(diǎn)時有下式成立</p><p>　　最大功率點(diǎn)右邊時有下式成立</p><p>　　最大功率點(diǎn)左邊時有下式成立</p><p>　　上面推導(dǎo)表明當(dāng)太陽能電池陣列工作在最大功率點(diǎn)的條件是:輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值。若不相等，則要判斷大于零還是小于零，判斷其處

58、于最大功率的左邊還是右邊，然后決定下一步擾動的方向。</p><p>　　電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)是：在日照強(qiáng)度發(fā)生變化時，太陽能電池陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，而且穩(wěn)態(tài)的電壓振蕩也較擾動觀察法小。電導(dǎo)增量法的缺點(diǎn)是:太陽能電池陣列可能存在一個局部的最大功率點(diǎn)，這種算法可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定在一個局部的最大功率點(diǎn)，如同擾動觀察法一樣，增量電導(dǎo)法的變化步長也是固定的。電導(dǎo)增量法適合用于光強(qiáng)變化快速和緩慢的各種場合，但是

59、它對于控制器硬件要求相對較高，從而導(dǎo)致控制器的成本增加，因而并不適用小功率的光伏發(fā)電場合。</p><p>　　圖 2-5 電導(dǎo)增量法控制流程圖</p><p>　　光伏逆變器的并網(wǎng)控制策略研究</p><p>　　光伏逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行必須滿足：其輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相（功率因數(shù)為1），而且其輸出還應(yīng)滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求。這

60、些都依賴于逆變器的有效控制策略。光伏并網(wǎng)逆變器的控制一般分為2個環(huán)節(jié)：第1個環(huán)節(jié)得到系統(tǒng)功率點(diǎn)，即光伏陣列工作點(diǎn)；第2個環(huán)節(jié)完成光伏逆變系統(tǒng)對電網(wǎng)的跟蹤同時，為保證光伏逆變器安全有效地直接工作于并網(wǎng)狀態(tài)，系統(tǒng)必須具備一定的保護(hù)功能和防孤島效應(yīng)的檢測與控制功能。</p><p><b>　　并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　并網(wǎng)逆變器是整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的

61、核心部分。光伏并網(wǎng)逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制、電流源電流控制四種方式。以電流源為輸入的逆變器，直流側(cè)需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此大電感往往會導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)差，因此當(dāng)前并網(wǎng)逆變器普遍采用以電壓源輸入為主的方式。</p><p>　　按照輸入直流電源的性質(zhì)，可以將逆變器分為電流型逆變器和電壓型逆變</p><p>　　器[

62、17]，結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。</p><p>　　(a) 電流型逆變器</p><p>　　(b) 電壓型逆變器</p><p>　　圖 2-6 電流型、電壓型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　市電電網(wǎng)可視為容量無窮大的定值交流電壓源，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出可以控制為電壓源或電流源。如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)

63、實(shí)際上就是兩個交流電壓源的并聯(lián)運(yùn)行，這種情況下要保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，則必須采用鎖相控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)與市電電網(wǎng)同步。在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可通過調(diào)整并網(wǎng)逆變器輸出電壓的幅值與相位來控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢，并網(wǎng)逆變器輸出電壓值不易精確控制，系統(tǒng)可能出現(xiàn)環(huán)流等問題，同樣功率等級的電壓源并聯(lián)運(yùn)行方式不易獲得優(yōu)異性能。因此光伏并網(wǎng)逆變器的輸出常采用電流控制，此時光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上是交流電流源和電壓源的并聯(lián)

64、，只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網(wǎng)電壓，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。這種控制方式相對簡單，使用比較廣泛。</p><p>　　綜上所述，本文設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即電壓型逆變器。</p><p>　　2.3.2 逆變器輸出電流優(yōu)化控制</p><p>　　并網(wǎng)逆變器采用的電流控制是將逆變器輸出作為電流源，它與電網(wǎng)的并聯(lián)可看作電流源

65、與電壓源的并聯(lián)工作。并網(wǎng)工作中只需控制逆變器的輸出電流頻率、相位跟蹤電網(wǎng)電壓變化即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。</p><p><b>　　PI控制</b></p><p>　　PI控制采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)控制要求保證工作電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓的波形，所以電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)的設(shè)置以保證電流快速跟蹤為目的；電壓外環(huán)控制確保直流側(cè)電壓穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)處，使外界環(huán)

66、境發(fā)生變化時電路輸出仍然有最大的功率輸出，電壓外環(huán)控制一般采用比例積分控制。</p><p>　　設(shè)濾波電感和線路的等效電阻為，則有：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　對上式做拉氏變換，整理后可得到研究對象的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　（2-2）</b&g

67、t;</p><p>　　而脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以視為一階慣性環(huán)節(jié)，即：</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　其中，為逆變器增益，大小等于逆變電路的直流電壓利用率。為逆變器開關(guān)周期。當(dāng)逆變換環(huán)節(jié)處于高頻工作狀態(tài)時，開關(guān)周期非常小，可以近似為零，此時上式可簡化為：</p><p&g

68、t;<b>　?。?-4）</b></p><p>　　為了減小電網(wǎng)電壓波動對電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的干擾，可加入電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)，此時電流控制方式為前饋-反饋控制系統(tǒng)。這樣依靠反饋控制使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時準(zhǔn)確地控制被調(diào)量等于給定值，而在動態(tài)過程中利用前饋控制有效地減少被調(diào)量的動態(tài)偏差[38]。</p><p>　　PI控制算法采用雙閉環(huán)控制策略，電流內(nèi)環(huán)控制對于進(jìn)入系統(tǒng)的擾動具

69、有很好的抑制作用，改善了控制對象的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性；采用電壓外環(huán)控制確保直流側(cè)工作于最大功率點(diǎn)處，提高了能量的利用效率；加入前饋控制環(huán)節(jié)，與反饋回路取長補(bǔ)短，進(jìn)一步克服了電網(wǎng)電壓擾動對系統(tǒng)的影響。缺點(diǎn)是指令信號是電網(wǎng)電壓的基波正弦波，不是一個定值跟蹤系統(tǒng)，且指令信號中含有其他階次的諧波，僅采用PI控制是無法消除穩(wěn)態(tài)誤差的。</p><p><b>　　滯環(huán)控制</b>&l

70、t;/p><p>　　滯環(huán)控制是把正弦電流基準(zhǔn)值與輸出瞬時值比較得到的誤差量作為滯環(huán)比較器的輸入，其輸出用來控制逆變電路功率管的通斷。該控制方式選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)寬很重要，環(huán)寬越小，跟蹤誤差越小，但開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。該控制方式電路簡單、不用載波、電流響應(yīng)速度快，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量。但功率開關(guān)頻率隨負(fù)載電流的變化而變化，造成功率開關(guān)工作具有很大的不確定性，導(dǎo)致逆變器輸出電壓中諧波頻率隨開關(guān)頻率變化

71、而變化，從而給輸出濾波器的設(shè)計(jì)帶來困難。</p><p>　　圖 2-7 滯環(huán)控制框圖</p><p><b>　　3、重復(fù)控制</b></p><p>　　圖 2-8 重復(fù)控制框圖</p><p>　　逆變器的輸出電流發(fā)生變形常常是因?yàn)槟孀兤鞯牟皇芸刂茀^(qū)域以及電網(wǎng)頻率波動的存在。內(nèi)模控制原理其中的重復(fù)控制原理能比較好的

72、解決這個問題。在一個穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在著外部輸入信號模型，這就是內(nèi)?？刂??；趦?nèi)模原理的重復(fù)控制器具有良好的魯棒性與穩(wěn)態(tài)性能，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力電子波形控制中；重復(fù)控制器對于周期性指令信號可以獲得近乎無差的跟蹤特性，而對于外部周期性擾動以及當(dāng)控制對象與所建立模型失配，或參數(shù)因?yàn)榄h(huán)境等而發(fā)生變化等因素具有較好的抑制能力[42]。</p><p>　　重復(fù)控制器把給定信號和反饋信號的誤差作為控制指令，然后在

73、下一個周期時把該誤差信號與給定信號相加，以消除輸出電流中的諧波分量。</p><p>　　重復(fù)控制器包括周期延遲環(huán)節(jié)、低通濾波器和補(bǔ)償器，為一個基波周期內(nèi)的采樣次數(shù)。的作用是把當(dāng)前周期的誤差信號作為下一周期控制的輸入信號，以消除每個周期中重復(fù)出現(xiàn)的擾動。為取值介于0和1之間的常數(shù)，實(shí)現(xiàn)上一周期衰減的周期擾動信號和本周期出現(xiàn)的擾動信號進(jìn)行累加。是針對控制對象傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)的補(bǔ)償器，目的是使控制對象具有零相移、單位增益

74、的特性，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能[43]。</p><p>　　對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言，取值為逆變器開關(guān)頻率與基波頻率的比值，即載波比。控制對象的傳遞函數(shù)為：控制對象在中低頻段增益接近于0，為加快高頻衰減，優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)一個二階低通濾波器，截止頻率設(shè)計(jì)為幅值曲線拐角附近的頻率，阻尼比 設(shè)計(jì)為大于1的常數(shù)。為增強(qiáng)對周期性擾動信號的快速跟蹤能力，消除由于加入低通濾波器帶來的低頻段的相位偏移，設(shè)計(jì)超前環(huán)節(jié)，使系

75、統(tǒng)在中低頻段具有零相移的特性。</p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真建模</p><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simuli

76、nk已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。</p><p>　　本設(shè)計(jì)利用Simulink對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建模可分成若干個模塊：光伏列陣模塊、MPPT模塊、PWM波形成模塊、逆變器控制模塊、逆變器跟蹤電網(wǎng)控制模塊。</p><p>　　下面對各個模塊進(jìn)行仿真研究。</

77、p><p><b>　　光伏列陣模塊仿真</b></p><p>　　根據(jù)第二章所介紹的光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型可以推導(dǎo)得出任意光照強(qiáng)度G和光照環(huán)境溫度T條件下的硅太陽能電池非線性工程簡化數(shù)學(xué)模型公式, 利用Matlab/Simulink建立的光伏電池仿真測試模型如圖3-1。</p><p>　　圖 3-1 光伏電池仿真模型</p><

78、p>　　在建立的Simulink系統(tǒng)模型比較大或很復(fù)雜時，可將一些模塊組合成子系統(tǒng)，這樣可使：</p><p>　　模型得到簡化，便于連線；</p><p>　　可提高效率，便于調(diào)試；</p><p>　　可生成層次化的模型圖表，用戶可采取自上而下或自下而上的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　將光伏電池子系統(tǒng)模型進(jìn)行封裝形成光伏電池模塊。

79、對建立的光伏電池進(jìn)行測試仿真，給定光照強(qiáng)度G=1000，光照環(huán)境溫度T=25，觀察U-I曲線、U-P曲線，結(jié)果如圖3-2、3-3所示。</p><p>　　圖 3-2 光伏電池I-U曲線</p><p>　　圖 3-3 光伏電池P-U曲線</p><p>　　觀察圖像可知，輸出的I-U曲線和P-U曲線均達(dá)到要求。</p><p>　　由于單個

80、光伏電池電壓較小，達(dá)不到系統(tǒng)所需電壓，故將幾個光伏電池進(jìn)行串聯(lián)，形成光伏列陣，如圖3-4：</p><p>　　圖 3-4 光伏列陣模塊模型</p><p>　　運(yùn)行后的波形圖如圖3-5：</p><p>　　圖 3-5 光伏陣列輸出波形圖</p><p>　　3.2 MPPT模塊仿真</p><p>　　最大功率跟

81、蹤算法MPPT是應(yīng)用在并網(wǎng)系統(tǒng)的Boost升壓電路中，通過控制MOS管開斷，從而實(shí)現(xiàn)功率跟蹤。本文采用擾動觀察法，根據(jù)第二章算法流程圖，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，如圖3-6。</p><p>　　圖 3-6 擾動觀察法仿真模型</p><p>　　圖中，Cp為擾動步長。擾動步長太小，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后精度較好，但跟蹤時間長且系統(tǒng)動態(tài)性能較差； 擾動步長太大， 跟蹤時間雖縮短，

82、但到達(dá)穩(wěn)態(tài)后精度較差. 通過改變步長值（取值范圍為0.001~0.1），并對光伏系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，最終得出步長取0.01時仿真效果最為理想。</p><p><b>　　運(yùn)行后的波形圖為：</b></p><p>　　圖 3-7 擾動觀察法仿真圖</p><p>　　3.3 PWM波形成模塊仿真</p><p>　　采

83、樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。</p><p>　　本文產(chǎn)生PWM波運(yùn)用的是三角波比較方式，原理圖如圖

84、3-8所示。</p><p>　　圖 3-8 三角波比較方式原理</p><p>　　三角波比較控制方式將正弦電流基準(zhǔn)值與輸出瞬時值比較得到誤差量經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后送比較器，與三角波比較后得到的PWM信號去控制主電路功率管的導(dǎo)通與截止。該控制方式與電路跟蹤特性和PI電路參數(shù)有關(guān)，對于PI電路響應(yīng)快的系統(tǒng)，必須提高三角波載波頻率。三角波載波常使用三相三角波信號，以改善輸出電壓波形，該方法輸出電流

85、的諧波脈動比滯后比較器方式少，因此，常用于對諧波和噪聲要求較高的地方[6］。仿真模型圖如下圖所示：</p><p>　　圖 3-9 三角波比較方式模型圖</p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　圖 3-10 PWM波形圖</p><p>　　3.4 逆變器跟蹤電網(wǎng)控制模塊仿真</p&g

86、t;<p>　　光伏逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行必須滿足：其輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相（功率因數(shù)為1）而且其輸出還應(yīng)滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求。</p><p>　　在這里選擇雙閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)光伏逆變器的并網(wǎng)，并網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是控制全橋逆變電路的開關(guān)管的導(dǎo)通時間，從而來控制逆變輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同向。電流電壓雙閉環(huán)控制中其外環(huán)是電壓控制環(huán)，參考電壓是由一個正弦信號給定，通過這個信號

87、和實(shí)際輸出電壓的值進(jìn)行比較，將這個差值作為PI控制器的給定，接著將PI環(huán)節(jié)的輸出值，作為電流內(nèi)環(huán)的給定值同逆變電流的輸出值進(jìn)行較，然后再通過電流PI環(huán)節(jié)，利用PWM波產(chǎn)生器產(chǎn)生的開關(guān)信號去驅(qū)動開關(guān)管的導(dǎo)通，最后實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)?？刂颇Ｐ蛨D如圖3-11所示。</p><p>　　圖 3-11 雙閉環(huán)控制模型圖</p><p>　　最終，逆變器輸出電壓與電流波形如下圖：</p><

88、p>　　圖 3-12 逆變器輸出電流，電壓波形圖</p><p>　　兩級式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　系統(tǒng)的總體方案</b></p><p>　　根據(jù)實(shí)際情況，本論文選擇了無變壓器的兩級結(jié)構(gòu)，即前級DC/DC變換器和后級DC/AC逆變器，兩部分通過DClink連接。前級的DC/DC模塊采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，后級

89、的DC/AC逆變器采用逆變?nèi)珮驅(qū)崿F(xiàn)逆變，向電網(wǎng)輸送功率。系統(tǒng)的控制部分由以TMS320F2812為核心的控制單元完成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖 4-1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。光伏陣列輸出的額定直流

90、電壓為50-80V之間，通過DC/DC變換器轉(zhuǎn)換為DClink的直流電。后級的DC/AC逆變器，采用逆變?nèi)珮?，作用是將DClink直流電轉(zhuǎn)換為220V/50Hz的正弦交流電，實(shí)現(xiàn)逆變向電網(wǎng)輸送功率。DClink的作用除了連接DC/DC變換器和DC/AC逆變器，還實(shí)現(xiàn)了功率的傳遞。</p><p>　　前級DC/DC變換器，可選擇的形式有降壓式變換電路(Buck Converter)，升壓式變換電路(Boost C

91、onverter)，升降壓式變換電路(Boost-Buck Converter)，庫克式變換電路(Cuk Converter)等。</p><p>　　由于Buck電路的輸入工作在斷續(xù)狀態(tài)下，若不加入儲能電容，光伏陣列的工作時斷時續(xù)，不能工作在最佳工作狀態(tài)，加入了儲能電容后，Buck電路功率開關(guān)斷開時光伏陣列對儲能電容充電，使太陽能電池始終處于發(fā)電狀態(tài)，此時調(diào)節(jié)Buck電路占空比才能有效跟蹤最大功率點(diǎn)，因此儲能電

92、容對于利用Buck電路實(shí)現(xiàn)MPPT功能是必不可少的，然而在大負(fù)荷情況下，儲能電容始終處于大電流充放電的狀態(tài)，對其可靠工作不利，同時由于儲能電容通常為電解電容，增大了MPPT裝置的體積，使整個系統(tǒng)變得笨重。此外，后級DC/AC電路為了能得到正常的輸入工作電壓，前級的輸出電壓不能太低，而光伏陣列的電壓隨著日照等因素變動較大，其輸出電壓低時若通過Buck電路降壓，則逆變器無法工作，所以不采用Buck電路。</p><p&g

93、t;　　相比之下，Boost變換器可以始終工作在輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，只要輸入電感足夠大，電感上的紋波電流小到接近平滑的直流電流，因此只需加入通量較小的無感電容甚至不加電容，避免了加電容帶來的弊端。Boost電路簡單，功率開關(guān)器件的驅(qū)動設(shè)計(jì)方便，因此，選用Boost升壓電路[12]。</p><p>　　前級（DC/DC）電路的工作原理</p><p><b>　?。?）電路原理

94、圖</b></p><p>　　Boost電路的原理圖如圖3-2所示。Boost電路由開關(guān)管Q1，二極管D，電感L，電容C組成。Boost電路的作用是將電壓升壓，其中，是光伏陣列的輸出電壓，是Boost電路的輸出電壓。</p><p>　　圖 4-2 Boost電路原理圖</p><p><b>　　（2）工作過程</b></

95、p><p>　　在每個斬波周期內(nèi)，開關(guān)管Ql導(dǎo)通、關(guān)斷各一次。開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，等效電路如圖4-3(a)所示，流過電感L的電流為，在電感未飽和前，電流線性增加，電能以磁能的形式儲存在電感L中。此時，由于二極管陽極接在電源負(fù)極，二極管關(guān)斷，電容C只能向電阻RL放電，提供電阻電流。當(dāng)二極管關(guān)斷時，其等效電路如圖4-3(b)所示，由于流過電感的電流不能突變，電感L兩端的電壓極性改變，此時，電源和電感串聯(lián)，向電容和電阻供電。

96、簡言之，開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，二極管反偏，輸出級隔離，由輸入端向電感提供能量；開關(guān)管Q1斷開時，輸出級吸收來自電感和輸入端的能量。</p><p>　　圖 4-3 Boost電路的工作過程</p><p>　　根據(jù)上述分析，列出工作過程中的關(guān)系表達(dá)式如下：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　

97、式中，為開關(guān)管的開關(guān)周期；為占空比；為開關(guān)管的導(dǎo)通時間；為開關(guān)管的截止時間。整理后得</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?）工作原理</b></p><p>　　根據(jù)電感電流在周期開始是否從零開始，是否連續(xù)，可分為連續(xù)的工作狀</p><p>　　態(tài)或不連

98、續(xù)的工作狀態(tài)兩種模式。由于電路在斷續(xù)工作時，電感電流的不連續(xù)</p><p>　　意味著光伏陣列輸出的電能在每個周期內(nèi)都有一部分被浪費(fèi)了，而且紋波也會</p><p>　　大些。因此一般把Boost電路設(shè)計(jì)為連續(xù)導(dǎo)通的工作狀態(tài)。</p><p>　　后級（DC/AC）電路的工作原理</p><p><b>　?。?）電路原理圖<

99、;/b></p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器采用單相全橋逆變器結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖</p><p><b>　　4-4所示。</b></p><p>　　圖 4-4 單相全橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p><b>　　（2）工作原理</b></p><p>

100、;　　如圖4-4所示是單相全橋并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖，其中是電網(wǎng)電壓，是輸入的恒定的直流電壓，是逆變器的輸出電壓，是從逆變器輸出到電網(wǎng)的電流。為交流輸出電感，為直流測支撐電容，即前級Boost電路的輸出電容，T1~T4是主開關(guān)管，Dl~D4是其反并聯(lián)二極管。對四個開關(guān)管進(jìn)行適當(dāng)?shù)腜WM控制，就可以調(diào)節(jié)為正弦波，并且與電網(wǎng)電壓保持同相位。</p><p>　　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要求在并網(wǎng)逆變器的輸出側(cè)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1

101、，波形為</p><p>　　正弦波，輸出電流與網(wǎng)壓同頻同相，其控制策略與一般獨(dú)立的電壓型逆變器的</p><p>　　控制策略有所不同，如圖3-4中，每個開關(guān)器件上都反并聯(lián)一個二極管，起著</p><p>　　續(xù)流的作用。交流側(cè)電感的作用在于：</p><p>　　(1)有效抑制輸出電流的過分波動；</p><p>

102、　　(2)將開關(guān)動作所產(chǎn)生的高頻電流成分濾除；</p><p>　　(3)由于輸出電感的存在，輸出電流的基波分量在其上產(chǎn)生一個電壓，這樣，變換器的輸出電壓的基波和電網(wǎng)電壓之間將產(chǎn)生一個位移量，通過PWM控制開關(guān)器件使變換器的輸出電壓滿足上述的矢量關(guān)系，這樣在理論上可以實(shí)現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。</p><p>　　本論文采用脈寬調(diào)制方式，通過控制開關(guān)器件Tl~T4的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，實(shí)

103、現(xiàn)能量從并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)傳遞，達(dá)到輸出功率因數(shù)為l的目的。</p><p>　　圖 4-5 系統(tǒng)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p><b>　　控制電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本文前級DC/DC控制部分采用了擾動觀察法，在光伏組件正常工作時，以微小電壓波動不斷擾動光伏組件輸出電壓，在輸出電壓變化的同時，檢測輸出功率變化的方向，從而確定

104、下一步擾動方向，決定下一步輸出電壓參考值的大小。而后通過三角波比較法實(shí)現(xiàn)PWM控制。</p><p>　　后級DC/AC控制部分采用了電壓電流雙環(huán)控制電路。外環(huán)電壓環(huán)是理想輸出電壓360v，采樣到的輸出電壓與參考電壓比較作為PI調(diào)節(jié)器的輸入。由于電感電流等于濾波電容電流和負(fù)載電流之和, 所以取電感電流反饋, 這種反饋能使系統(tǒng)有很強(qiáng)的動態(tài)響應(yīng)和負(fù)載適應(yīng)能力。同時電感電流反饋直接反映了IGBT 管上電流的變化, 使得

105、該方案具與有快速的限流保護(hù)能力, 系統(tǒng)的可靠性得到了提高。使用DSP來產(chǎn)生PWM信號。DSP的PWM信號的產(chǎn)生過程是[l4]：為了產(chǎn)生PWM信號，使用一個定時器來重復(fù)PWM的周期，用一個比較寄存器來存放調(diào)制值。定時器計(jì)數(shù)器的值不斷地與比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)兩值匹配時，相關(guān)輸出產(chǎn)生從低到高(或從高到低)的變化。當(dāng)?shù)诙纹ヅ洚a(chǎn)生或周期結(jié)束時，相關(guān)引腳會產(chǎn)生另一個變化(從高到低或從低到高)。輸出信號的變化時間由比較寄存器的值決定。這個過程

106、在每個定時器周期按照比較寄存器不同的值重復(fù)，這樣便產(chǎn)生了PWM信號。</p><p>　　TMS320F2812的介紹</p><p>　　控制電路的核心器件采用美國Texas Instruments Incorporated(TI公司)的TMS320F2812DSP(簡稱2812)。這是TI公司推出32位定點(diǎn)DSP芯片，它不但運(yùn)行速度高，處理功能強(qiáng)大，并且具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備，便于接口

107、和模塊化設(shè)計(jì)，其性價比極高。它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合。選用2812符合本系統(tǒng)的要求。</p><p>　　TMS320F2812的主要資源配置如下[13-15]：</p><p>　　內(nèi)置振蕩電路和PLL電路；看門狗/實(shí)時中斷模塊；兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個事件管理器均包括如下資源：兩個16位通用定

108、時器；8個16位的脈寬調(diào)制通道，可以實(shí)現(xiàn)三相反相器控制、PWM的中心或邊緣校正、可編程PWM死區(qū)功能、對外部事件進(jìn)行定時捕獲的3個捕獲單元、片內(nèi)光電編碼器接口電路及中斷電路等。</p><p>　　CPU 內(nèi)核包括32位中央算術(shù)邏輯單元，16位×16位和 32位×32位的乘且累加操作，8個輔助寄存器；哈佛總線結(jié)構(gòu)，四級流水線；快速中斷響應(yīng)和處理能力；統(tǒng)一尋址模式，4MB 的程序數(shù)據(jù)尋址空間；高

109、效的代碼轉(zhuǎn)換功能，支持C/C++以及匯編語言；</p><p>　　豐富的片內(nèi)存儲器，包括 8K×16位的 Flash 存儲器、1K×16位的OTP型只讀存儲器、兩塊4K×16位的單口隨機(jī)存儲器（L0和L1）、一塊8K×16位的單口隨機(jī)存儲器（H0）、兩塊 1K×16 位單口隨機(jī)存儲器（M0和M1）；4K×16位根只讀存儲器（BOOT ROM）；<

110、/p><p>　　片外可擴(kuò)展高達(dá)1M的存儲容量，有編程等待狀態(tài)、讀/寫信號選通時序可編程及3個獨(dú)立的片選信號；</p><p>　　內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器具有16個模擬輸入通道。A/D 轉(zhuǎn)換器具有自動排序功能，有兩個對立的最多可選擇8個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器，雙排序器可在對立模式下工作，也可以級聯(lián)后組成最多可選擇16個通道的模式，可通過編程來選擇需要轉(zhuǎn)換的通道?？赏ㄟ^軟件、EVA、VEB 和外部引