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1、太阳能光伏并网逆变仿真太阳能光伏并网逆变器的研究物理与能源学院 新能源科学与工程专业 指导教师：摘要:随着社会不断发展，开发可再生能源越发重要，太阳能具有资源丰富、可再生且清洁等优点，是非常理想的可替代能源。本文选择三相光伏电压型并网发电系统，采用SPWM的输出控制方式，提高太阳能利用效率，电流谐波小，满足光伏并网发电要求；并利用Matlab的Simulink工具箱建立了太阳能光伏并网逆变仿真，验证了在太阳能电池输出电压出现阶跃激增或突降时，电流谐波小，系统保持良好的鲁棒性。关键词:三相电压型并网逆变器 光伏 SPWM 1引言11 研究背景能源危机是能源短缺或价格上涨的结果，甚至导致经济衰退，
2、如石油价格一路上升。目前能源匮乏、环境污染的现状使得无污染的、可再生的能源的发展变得举足轻重。太阳能，作为地球上最丰富的可再生能源，在过去的11亿年里，只消耗2%的能量，可以预测的是一种取不尽，用不完的能源。且随处可得，就地取用，因此对边远地区的发展很有优势，也不需要考虑运输问题，所需成本低。最重要的是，太阳能是一种无污染的、清洁的、安全的能源，不会像石油、核能产生废气、辐射，从而对环境造成损害，符合可持续发展的要求。图1 利用太阳能发电的优点太阳能技术可以分为光热技术、光生物技术、光化学技术、光伏技术四类。本次实验研究的就是太阳能发电技术，其优点如图1所示。随着科技不断发展，光伏发电技术也取
3、得了很大的突破，有广阔的发展前景和意义。12国内外光伏发电系统的发展现状根据欧洲光伏工业协会和太阳能光伏网的数据，欧洲占有其主要市场。2012年新增光伏装机的55%来自欧洲，约7.6 GW；其次是中国（5.0 GW）、意大利（3.4 GW）、美国（3.3 GW）和日本（2 GW）。对于累计装机，欧洲仍然全球领先，中国则紧跟其后，排名第二位。我国目前光伏发电的相关产业发展表现强劲，2013-2015年是发展迅猛的时期。在国家十三五期间，出台了很多政策扶持我国光伏产业，例如规划清洁能源、规范光伏的开发、开展光伏扶贫工程等等政策。光伏发电良好的应用远景也是其发展迅猛的因素之一。总之，光伏发电势头火热
4、，并且有很大的潜力。1.3光伏发电主要研究方向 逆变器是这几年来开的热点，它在整个系统中占着举足轻重的地位，其发展方向可以总结为以下几点：（1）逆变器的控制方式例如文献3中设计了一种新的输出控制方法，即采用基于前馈解耦空间矢量脉宽调制技术；文献2采用新的控制方式，即基于模糊PID控制的MPPT策略；文献4采用扰动观察法，是基于曲线扰动的。出现了很多新的、具有使用实用意义的方式。（2）逆变器的拓扑结构根据不同的条件，逆变器的拓扑结构是有许多不同的分类的。例如根据主电路的的不同可分为半桥逆变器、全桥逆变器；根据有无变压器作为隔离，可以分为隔离和非隔离结构；根据输出电流的相位的数量，分为单相式逆变器
5、、三相式逆变器和多相式逆变器。各种拓扑适用于各种不同的场合，实际运用中这些拓扑结构还可以相互搭配成各种不同的形式，以满足各种要求。（3）对于大型光伏发电系统应用的相关问题研究光伏发电技术在不断的发展中，也有许多新的问题不断出现，例如并联控制技术，大功率并网系统和局部电网之间相互会不会产生不良的影响等等。14 主要研究内容随着这项技术迅速的发展，不断在控制策略、拓扑结构的改进上取得成就。并网发电的要求就是能够输出符合并网要求的电流，即与电网电压有相同的频率和相位，并且谐波小，对系统污染小。因此，本文对进行了逆变器优化控制，采用SPWM方法，提高系统的功率，降低谐波含量。本文主要内容如下：1、 简
6、单介绍了当今能源背景、光伏发电优点、当今光伏发电产业近况、目前主要的研究方向；2、 分析光伏发电系统的分类，讲述通过并网型系统输出电流需要满足的要求；3、 对系统拓扑结构进行了设计，采取SPWM控制策略，以达到并网发电要求；4、 根据前文的设计建立了仿真模型，并进行了分析；改变电感值进行了多次实验，并进行了分析。2太阳能光伏发电系统2.1光伏发电系统的分类从不一样的角度切入，将太阳能发电系统分门别类的方式就有很多。凭借负载的差别，可以将太阳能光伏发电系统分为独立型光伏发电系统、并网型光伏发电系统、混合型光伏发电系统。2.1.1独立型光伏发电系统这个系统就是将获得的电能直接输出给负载。其特点是具
7、有蓄电池组，以提高系统运行的稳定性和可持续性，具有使用灵活、成本较低的优点。一般可以运用于为经济较不发达或者由于地形等原因电网没有办法达到的地区，例如偏远山村、通讯点等10。其运行结构框图如图2。图2 独立型光伏发电系统框架图2.1.2并网型光伏发电系统并网型光伏发电系统中最重要的就是逆变器，它可以将光伏电池的输出转换成达到所需要求的电能，通过控制逆变器与电力需求相匹配，然后输送到电网端。对于这个系统的研究是目前太阳能发电技术的主流趋势，受到了广泛的关注，也是本文研究的重点。它的结构如图3。图3 并网型光伏发电系统框架图2.1.3混合型光伏发电系统混合光伏发电系统，顾名思义，即是上述两种发电系
8、统相结合的组合。同时具有以上两种发电系统的优点，即既能够储存电能以备不时之需，也可将电流并入电网，得到广泛使用，在地点的选用上也有很大的灵活性。其结构如图4所示。图4 混合型光伏发电系统基本框架图2.2太阳能光伏发电系统的组成部分光伏发电系统的基本架构有光伏阵列、控制器、逆变器、滤波器、蓄电池组、电网等。其基本结构如图5所示。图5 太阳能光伏发电系统的构成 图中各部分的作用为：1.光伏电池阵列：其作用是将光能通过P-N结结构转换成电能，是价格最昂贵的组成部分；2太阳能控制器：它的作用是选择合适的PWM信号控制逆变器，使它输出符合要求的波形。3.逆变器：经过光伏电池输出的电流是直流电，是不能满足
9、发电要求的，而这个部分的作用就是将其转换为符合发电要求的交流电；4蓄电池组：其用处就是储备多余电能，以备不时之需。2.3并网逆变器在光伏发电系统中，光伏逆变器和控制器是其重中之重的部分，通常人们把光伏逆变器和控制器统称为逆变器。需要具备如下三个功能：（1）对逆变器输出的电流进行控制，使其输出的正弦波满足谐波小，与电网电压同频率、同相位，不产生污染。（2）实现直流侧输入电压的稳定控制，使其处于功率最大值，最大程度的利用太阳能，光伏电池价格高，这样使得太阳能电池板物有所值，从某种意义上来说也降低了系统的成本。（3）实现系统运行时的孤岛保护控制，防止发生孤岛效应以及其它各种保护控制，如过流，过压，欠
10、压等，提高系统的可靠性和稳定性。这样就保证系统的高质量，提高系统使用寿命，从而减少需要进行系统维护的机率，降低工作量，降低成本。图6 并网逆变器需符合的要求3 光伏系统拓扑结构的设计和控制技术分析光伏发电系统就是将太阳能通过光伏电池转换为电能，然后将电能转换为符合用户用电要求的电流，再输送到用户端的一整套设备。独立型的光伏发电系统，适用于分散的电网范围难以顾及的地区。因此，相对独立型光伏发电系统来说，并网型发电系统更具普遍适用性，它利用效率高，并且不具备成本高、需单独维护的储能设备，以及很多其他方面的优点，是现在社会中更具实用价值的发电系统。3.1并网逆变系统结构分析光伏并网逆变器据不同的条件
11、有很多种分类的方式，最常见的是根据输入直流电源的不同可以分为：电流型逆变器和电压型逆变器。3.1.1 电流型逆变器电流型逆变器就是在光伏电池输出侧串联一个比较大的电感，减小回路中的纹波电流。虽然提供了一个稳定的电流环境供系统运行，但同时也增大了系统的阻值，造成谐波电流大，破坏系统稳定性。其结构如图9所示。图9 电流型逆变器结构3.1.2 电压源型逆变器 电压型并网逆变器结构如图10所示，它则是在直流侧并联一个大电容来减小电压纹波，使电压稳定，采用这种方式的系统电流谐波比起电流型的小得多，更有优势，也因此得到比较普遍的运用。图10 电压型逆变器结构3.2系统的主电路结构设计现在人们对用电需求量的
12、要求越来越大，因此大容量的逆变器是研究热点，通常情况下大容量的逆变电路采用三相的形式。本文中，针对上文所提到的并网逆变器结构特点，以及本实验设计目的，结合目前社会发展所需的光伏发电系统的形式，本次实验选择三相电压型光伏并网发电系统。其结构拓扑图如图11所示。由图11可以看到，本文所选用的是三相电压型并网逆变系统。其中，光伏电池输出直流电，然后在系统中并联一个较大的电容C，给系统提供了平稳的运行环境。电流经过逆变器后输出的是交流电，然后系统采用了 L型的滤波器，起到调节电流谐波等调节电能质量作用。图中的主功率开关器件为T1-T6，即绝缘栅型双极性晶体管（IGBT），又选择了二极管（D1-D6）反
13、并联在T1-T6上。通过选取合适的控制信号来控制T1-T6，调节并网逆变器的输出电流，使其达到发电要求。图11 三相光伏系统的原理图3.3并网逆变系统工作原理一般来说，正常情况下三相并网系统都是出于平衡状态的。凭借文献14，我们发现其原理可以等同于单相系统的运行原理。其等效原理图如图12。图12 三相并网逆变器等效原理图其中，R代表系统等效电阻，L代表系统滤波器，Io代表达到要求的、最后并入电网的电流，U1代表逆变器端的电压值，U2代表电网两端的电压值。图13 三相并网逆变器中运行的矢量图为了实现系统功率因数为1的要求，U2和Io之间的相位差应为0。由此，构成的矢量图如图13所示。其中Ur是系
14、统等效电阻的电压值，而Uv则是系统滤波器的电压值。Ur与U2之间的相位差为0，Uv落后U2相位90。因此可得U1与各矢量间的数量关系如下：U1=I*（R+L）+U2 （式3.1）在实际的操作中，我们可以利用器具测量出U2的一些数据，例如幅值、相位和周期。而R值的测量则比较不容易，故需要通过电流负反馈的方法来获得馈入电流I的相位值。为了达到输出符合发电要求的电流的控制目的，U2和I的相位要相同。据此，将公共网络的相位设置为当前的基准相位。过程中应对I的值实时检测，判断有否达到发电要求，然后输出符合条件的电流。3.4并网逆变系统控制策略 逆变器的控制是指选择合适控制信号使逆变器输出符合要求的电流，
15、这一部分是非常重要的，对结果的影响是十分明显的。3.4.1输出控制的选择 据图 12所示的矢量关系可知，有2种输出控制的方法，第一种是通过控制电压来控制电流，也称间接电流控制，间接电流控制虽然操作简易，但其系统运行速度是比较慢的，并且控制精度不高，系统误差大，比较难以控制。第二种是直接去控制输出电流，也称直接电流控制，它通过锁相得到电网电压的相位，产生交流电流指令，通过反馈控制，使输出电流跟踪指令电流值，达到使输出电流跟踪电网电压的目的。这种控制方式实现起来控制电路相对简单、系统的动态响应速度非常，在实际应用中均采用直接电流的控制方式。现在常见的比较有优势的并得到普遍应用的控制方式有如下几种。其中PI控制方式是应用最普及的一类工程方法，优点多；滞环控制技术16是一种实时控制方式开关频率随机变化，产生间接的谐波电流，影像系统稳定；无差拍控制技术17鲁棒性较差，实时性强，对硬件的要求太高；定时控制方式缺点是当前电流跟踪误差不固定，控制精度不高。SPWM 电流跟踪方式，即正弦脉宽调制技术，是一种优点很多的控制方式。其原理就是将实际测得的逆变器主开关器件输出的电流波形与给定的参考波形进行比较，得出差别以后，再经过放大输送到比较器中，再与给定的参考三
