雙級式光伏并網(wǎng)逆變器研究方案

1、電力電子與電力傳動(dòng)專題課課程報(bào)告雙級式光伏并網(wǎng)逆變器研究哈爾濱工業(yè)大學(xué)2022年7月雙級式光伏并網(wǎng)逆變器研究摘要:在當(dāng)今世界能源危機(jī)與環(huán)境污染加劇的趨勢下,太陽能因具有可再生和清 潔無污染的優(yōu)點(diǎn)受到人們的關(guān)注,更是被各國用來緩解環(huán)境污染的主要舉措, 而 且與其它清潔能源相比太陽能的開展速度最快.隨著太陽利用技術(shù)的開展,太陽能的利用形式已從傳統(tǒng)的光-熱利用開展到現(xiàn)在的光-電利用,光伏發(fā)電必將成為 未來最主要利用形式并得到迅猛開展. 而逆變器是實(shí)現(xiàn)光生電能向電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換 的重要器件.本文對光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和逆變器的拓?fù)溥M(jìn)行分析,比擬各優(yōu)缺點(diǎn).并對兩級式并網(wǎng)逆變器的前級和后級的限制方法進(jìn)行分析

2、研究,比擬各限制方法的優(yōu)缺點(diǎn).關(guān)鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；MPPT;逆變器；單周期限制0引言當(dāng)今世界人口眾多,能源是經(jīng)濟(jì)開展的一個(gè)非常重要的需求.無論是提升生 活水平還是開展經(jīng)濟(jì),都不能離開能源.而能源問題早就已經(jīng)不是能源的本身問 題,金融資本的市場與石油的市場高度的一體化, 使能源更加變得受人關(guān)注.有 關(guān)學(xué)者稱,能源革命的革命意義是比十年前的信息技術(shù)的革命意義更加的重大和 深遠(yuǎn),是有史以來最偉大的一種革命.能源革命已經(jīng)變成了全球共同關(guān)注的課題. 在能源和環(huán)境這兩個(gè)方面,我們國家面臨的挑戰(zhàn)是有史以規(guī)模最大并且最為嚴(yán)峻 的.為了給正在進(jìn)行的城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、機(jī)動(dòng)車化,以及給全國缺乏14億的人口提供充

3、足的、可靠的并且廉價(jià)的、清潔的和便利的能源,從規(guī)模上說,這比世 界上的任何一個(gè)國家的經(jīng)歷都要大很多. 外鄉(xiāng)的資源和能源的短缺,能源進(jìn)口的 快速增長,國際油價(jià)的高數(shù)字以及能源在生產(chǎn)和使用過程中所造成的極為嚴(yán)重的 污染,國內(nèi)的能源領(lǐng)域的復(fù)雜的市場化改革, 國際的能源的高地緣政治,以及全 球的氣候變化所產(chǎn)生的壓力,以上所有的因素都使中國正面對著將會(huì)比以往任何 一個(gè)國家所面臨的更加嚴(yán)重的挑戰(zhàn).目前人類生產(chǎn)和生活中大量使用的煤、石油和天然氣等化石能源正在以驚人 的速度減少.假設(shè)根據(jù)能源的綜合估算,世界石油的儲藏量大約為1200億噸.如果根據(jù)世界上石油的以每年33億噸的開采總額來進(jìn)行計(jì)算,世界上石油的存儲

4、 總量大約在21世紀(jì)50年代左右被全部開采完畢.全球的天然氣的存儲總量目 前為15萬兆立方米左右,如果以每年 2300兆立方米的開采總額來進(jìn)行估算, 在60年內(nèi)天然氣將會(huì)被開采耗盡.這也就意味著,目前人類大量使用的化石能 源將在21世紀(jì)上半葉迅速枯竭,而化石能源的枯竭勢必會(huì)導(dǎo)致世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)和 沖突的加劇.20世紀(jì)90年代初期,我國的能源還可以自給自足,但是,目前就 我國石油資源的對外依存度來說,我國僅次于美國,居世界第二位,約為50%, 中華人民共和國國務(wù)院的開展研究中央所做出的調(diào)查報(bào)告指出,截止到21世紀(jì)20年代,我國的石油需求量最少為 4.5億噸,最多將會(huì)到達(dá)6.1億噸.而此階 段我國國內(nèi)

5、的石油產(chǎn)量為1.8億噸到2億噸.這些數(shù)字意味著,我國對海外石油 資源的依存度將將會(huì)繼續(xù)增加,至少到達(dá)55%,與美國根本一致.顯而易見,我國對國外資源的持續(xù)增高的依存度已經(jīng)嚴(yán)重地威脅了我國的可持續(xù)開展.我國光伏發(fā)電的應(yīng)用市場目前處于起步階段,2022年我國新增的太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量約為500MW .到2030年光伏發(fā)電量可達(dá)1300億千瓦.但總 體而言,我國在光伏并網(wǎng)限制層面,與西方興旺國家相比還有較大差距, 具體表 現(xiàn)在PCC并網(wǎng)沖擊過大,電流畸變率大于8%及電壓畸變率大于4%過高、 前級母線電壓不穩(wěn)定等,因此解決光伏并網(wǎng)逆變限制問題極為迫切.鑒于并網(wǎng)控 制涉及到逆變器前級母線電壓調(diào)理、后級

6、濾波器、鎖相設(shè)計(jì)及孤島保護(hù)等一系列 相關(guān)問題,因此應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)建模、拓?fù)渑c保護(hù)電路設(shè)計(jì)及限制策略分析等研 究,保證光伏逆變無損并網(wǎng),開發(fā)具有中國特色的光伏并網(wǎng)逆變技術(shù),具有十分重要的意義.1光伏弁網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理比擬簡單, 太陽能電池方陣受太陽福照,將太陽福射能直接轉(zhuǎn)換為直流電能,這一過程相當(dāng)于直流發(fā)電器.方陣的輸出端, 經(jīng)過防反充二極管接至限制器.限制器的一對輸出端接至蓄電池組,對其進(jìn)行充、 放電保護(hù)限制,蓄電池組處于經(jīng)常性浮充狀態(tài)；限制器的另一對輸出端通過關(guān)向 直流負(fù)載供電,同時(shí)接至逆變器,將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向交流負(fù)載供屯, 假設(shè)為 并網(wǎng)系統(tǒng),那么

7、與電網(wǎng)并聯(lián).這樣就構(gòu)成一個(gè)完整的發(fā)電、輸電、供電系統(tǒng),與常 規(guī)發(fā)電裝置的發(fā)電、輸電、供電系統(tǒng)相似.1.1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)光伏系統(tǒng)按與電力系統(tǒng)的關(guān)系,一般可分為離網(wǎng)光伏系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)系統(tǒng).離網(wǎng)光伏系統(tǒng)不與電力系統(tǒng)的電網(wǎng)相連, 作為一種移動(dòng)式電源,主要用于給遙遠(yuǎn) 無電地區(qū)供電.光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的電M連接,作為電力系統(tǒng)中的一部分,可為電力系統(tǒng)提供有功和無功. 現(xiàn)在,世界光伏發(fā)電系統(tǒng)的主流應(yīng)用方式是 并網(wǎng)發(fā)電方式,通過電網(wǎng)將光伏系統(tǒng)所發(fā)的電能進(jìn)行再分配, 如供當(dāng)?shù)刎?fù)載或進(jìn) 行電力調(diào)峰等.光伏并網(wǎng)系統(tǒng)通常由三局部構(gòu)成 ：光伏陣列、逆變器和電網(wǎng),如 圖1.1所示.光伏四列PV圖1.1光伏并網(wǎng)系

8、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其中,光伏陣列主要由光伏組件組成,其應(yīng)用可以分為單個(gè)組件、組件串聯(lián) 及組件并聯(lián)等.眾所周知,光伏系統(tǒng)追求最大的功率輸出,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對發(fā)電功率 打著直接的影響：一方面,光伏陣列的分布方式會(huì)對發(fā)電功率產(chǎn)生重要影響；而 另一方而,逆變器的結(jié)構(gòu)也將隨功率等級的不同而發(fā)生變化.因此,根據(jù)光伏陣列的不同分布以及功率等級,可以把光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為以下幾種：集中式、交流模塊式、用型、多支路、主從和直流模塊式.通過分類我們可以更加 深入地對光伏系統(tǒng)的工作原理及結(jié)果進(jìn)行研究和分析.下面對幾種主要結(jié)構(gòu)來分 析.1.1.1集中式結(jié)構(gòu)集中式結(jié)構(gòu)如圖1.2所示,該結(jié)構(gòu)方式是光伏發(fā)電系統(tǒng)在 20世紀(jì)80年代

9、 中期普遍采用的結(jié)構(gòu)方式,一般用于lOkW 以上較大功率的光伏并網(wǎng)系統(tǒng),其主要優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)只采用一臺并網(wǎng)逆變器,因而結(jié)構(gòu)簡單且逆變效率較高.但隨 著一大批光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)施與投運(yùn),也發(fā)現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)形式存在以下缺點(diǎn).(1)抗熱斑和抗陰影水平差；(2)該結(jié)構(gòu)形式要求具有相對較高電壓的直流母線將DC/AC變換器和太陽能電池相連接,因而降低了平安性,同時(shí)也增加了系統(tǒng)本錢；(3)太陽能電池組的輸出特性曲線呈現(xiàn)雜亂的多波峰,單一的該結(jié)構(gòu)難以很好的完成MPPT限制.雖然存在以上缺乏,但當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率等級不斷增大時(shí), 該結(jié)構(gòu)表現(xiàn) 出其輸出功率等級高的優(yōu)點(diǎn),而且本錢相對低廉.所以,該結(jié)構(gòu)特別適合發(fā)電功 率相

10、對大的電站,因此,這種結(jié)構(gòu)仍然具有一定的運(yùn)用價(jià)值.圖1.2集中式結(jié)構(gòu)框圖1.1.2 交流模塊式結(jié)構(gòu)交流模塊式結(jié)構(gòu)(Module Integrated Converter , MIC),最早由 Kleinkauf 教授于20世紀(jì)80年代提出,交流模塊式結(jié)構(gòu)包括DC/AC變換器和PV組件集 成在一起作為一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)模塊,如圖1.3所示.交流模塊式結(jié)構(gòu)與集中式結(jié)構(gòu)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)無阻塞和旁路二極管,光伏組件損耗低；無熱斑和陰影問題；(2)每個(gè)模塊獨(dú)立MPPT設(shè)計(jì),最大程度地提升了系統(tǒng)發(fā)電效率；(3)每個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行；系統(tǒng)擴(kuò)展和冗余水平強(qiáng)；靈活性好、可即插即用；(4)交流模塊式結(jié)構(gòu)沒有直

11、流母線高壓；增加了整個(gè)系統(tǒng)工作的平安性.交流模塊式結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是：由于采用小容量逆變器設(shè)計(jì)；因而逆變效率 相對較低.圖1.3交流模塊式結(jié)構(gòu)1.1.3 多支路結(jié)構(gòu)多支路結(jié)構(gòu)包括假設(shè)干整流器和一個(gè)逆變器,具同時(shí)具有了集中式結(jié)構(gòu)與串型結(jié)構(gòu)的長處,該結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式包括串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種形式,如圖1.4所示.在20世紀(jì)末時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)大多使用了該型電路拓?fù)湫问?該拓?fù)湫问郊茨芸?以使發(fā)電效率提升,還可以節(jié)約投資資金,同時(shí)使整個(gè)電路靈活性提升,逐漸成 為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要開展趨勢.(a)串聯(lián)型(b)并聯(lián)型圖1.4多支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多支路結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：(1)各支路可44立進(jìn)行MPPT限制,提升系統(tǒng)效

12、率,從而解決了各支路之間 的功率失配問題.(2)能最大限度降低單個(gè)支路故障對整個(gè)系統(tǒng)的影響,具有良好的可擴(kuò)展性.(3)DC/AC變換器的集中設(shè)計(jì)讓逆變效率提升,且系統(tǒng)安裝靈活和維修方便.(4)多支路系統(tǒng)能很好地協(xié)調(diào)各個(gè)支路,逆變器額定功率不再受限.(5)適合具有不同型號、大小、方位、受光面等特點(diǎn)的支路的并聯(lián),適合于光伏建筑一體化形式的分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用.1.1.4 主從結(jié)構(gòu)主從結(jié)構(gòu)是目前比擬流行一種光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,如圖1.5所示,也是光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)湫问降拈_展方向.該結(jié)構(gòu)用限制開關(guān)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)確實(shí)定在不同環(huán)境 時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)湫问?目的是為了充分利用光照條件發(fā)電.當(dāng)光照條件不好時(shí),限制開關(guān)

13、讓全部的 PV陣列只與一個(gè)并網(wǎng)DC/AC變換 器連接,從而把電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變成集+式結(jié)構(gòu), 從而克服了逆變器輕載低效之不 足.當(dāng)光照條件的逐漸變好時(shí),限制開關(guān)將實(shí)時(shí)改變PV陣列的審結(jié)構(gòu),使不同規(guī)模的PV陣列與相同功率級別的DC/AC變換器連接在一起工作,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最 優(yōu)的逆變效率以提升光伏能量利用率,此時(shí)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為假設(shè)干用型結(jié)構(gòu)同時(shí)并 網(wǎng)工作.而這樣的用型結(jié)構(gòu)其功率等級是被限制開關(guān)實(shí)時(shí)改變的,而且每一個(gè)PV用有自己獨(dú)立的MPPT電路,所以可得到更高效率的功率輸出光伏海也電網(wǎng)圖1.5主從結(jié)構(gòu)1.2光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)是將太陽能電池輸出電能轉(zhuǎn)換為到達(dá)并網(wǎng)要求電能的設(shè) 備,是光

14、伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換能量和限制系統(tǒng)的核心.并網(wǎng)逆變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分 為三類:單級式、雙級式和多級式結(jié)構(gòu).1.2.1 單級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單級式結(jié)構(gòu)如圖1.6所示,從圖中可以看出單級式結(jié)構(gòu)只需一級能量變換就 可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變功能.因此,該電路結(jié)構(gòu)具有電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、器件 少等優(yōu)點(diǎn).但是,單級式逆變器的所有限制都要在一級電路中完成,這樣使整個(gè)逆變系統(tǒng)的限制比擬復(fù)雜；還要保證光伏陣列輸出電壓在任何時(shí)刻都高于并入電 網(wǎng)最大電壓值,但是單級式結(jié)構(gòu)沒有升壓功能,為到達(dá)并網(wǎng)要求,要將太陽能電 池組串聯(lián)起來,以提升光伏陣列輸入電壓等級,而這也帶來了光伏陣列輸出能量 的大量損失,進(jìn)而使光伏陣列輸出電壓降低,從而不

15、能保證輸出電壓一直處于高 于電網(wǎng)電壓,進(jìn)而帶來整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作.并網(wǎng)逆變器圖1.6單級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.2.2 雙極式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙級式結(jié)構(gòu)是目前實(shí)際應(yīng)用最多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 其根本原理是把光伏電池陣列 輸出的直流低壓通過升壓電路轉(zhuǎn)換為直流高壓, 再通過逆變器作用變換為交流電, 最后經(jīng)過處理后的電能并到總電網(wǎng)具結(jié)構(gòu)如圖1.7所示.逆變器包含了兩個(gè)部分:DC/DC電路和DC/AC電路,在DC/DC電路中實(shí)現(xiàn)升壓和最大功率點(diǎn)跟蹤, 升壓電路使光伏陣列工作在一個(gè)寬泛的電壓范圍內(nèi),因而直流側(cè)電池組件的電壓配置更加靈活；通過適當(dāng)?shù)南拗撇呗钥梢允股龎鹤儞Q器的輸入端電壓波動(dòng)很小, 從而提升了最大功率點(diǎn)跟蹤的精度,同

16、時(shí)還有驅(qū)動(dòng)相對簡單的優(yōu)點(diǎn).在 DC/AC 電路局部中實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng).整個(gè)電路由兩局部組成,限制功能分散到兩個(gè)功率環(huán) 節(jié)中,從而使限制算法得到簡化.圖1.7雙極式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.2.3 多級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多級式結(jié)構(gòu)的根本思路是實(shí)現(xiàn)光伏陣列與電網(wǎng)之間的能量解鍋, 降低逆變器 開關(guān)頻率.由于具有多個(gè)功率環(huán)節(jié),使其限制目標(biāo)更加分散,限制算法復(fù)雜程度 有所降低.一個(gè)基于Boost升壓電路的多級式并網(wǎng)逆變器拓?fù)? 如圖1.8所示.第一級的Boost電路起升壓作用以及實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤；第二級推挽電路控 制輸出電流波形為正弦半波,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)和光伏陣列的電隔離； 最后級為并網(wǎng)逆變電路,具有換相的作用.圖1.8基于

17、Boost升壓電路改良的多級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2雙級式光伏弁網(wǎng)逆變器及其限制策略研究2.1 逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無變壓器的雙級式并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu),即采用前級DC/DC變換器和后級DC/AC逆變器的主電路結(jié)構(gòu).在限制策略上,前級采用改良擾動(dòng)觀察法的 MPPT 限制,其后級電路采用單周期限制.就海駕TH中MPPT -梳4呻跖圖2.1三相并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)框圖K對于DC/DC 變換器的選擇,主要電路形式有降壓式變換電路(BuckConverter),升壓式變換電路 (Boost Converter),升降壓式變換電路 (Boost-BuekConverter),庫克式變換電路(Cuk Converter)等.2

18、.2 并網(wǎng)逆變器限制策略研究雙級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括整流和逆變兩個(gè)局部,與單級式相比,雖然增加了一級機(jī)構(gòu),但是MPPT限制與并網(wǎng)逆變功能分別放在兩個(gè)局部,其限制系統(tǒng)的算法 相對簡單.而且MPPT限制便于實(shí)現(xiàn),特別適合光伏陣列直流輸入電壓范圍大 的特點(diǎn),同時(shí)可以提升逆變器輸入電壓等級, 使逆變效率提升.雙級式限制電路 包括前級MPPT限制和后級輸出電壓、電流的限制.前級限制算法在前面已經(jīng) 介紹,而后級限制方法主要有脈沖寬度調(diào)制 PWM、空間矢量PWM限制、雙 環(huán)限制、重復(fù)限制、單周期限制OCC等.主要介紹以下幾種方法,然后比擬各 種方法的優(yōu)缺點(diǎn)選擇-種方法作為后級電路限制策略.2.2.1 前級限制算法

19、光伏電池的輸出功率是隨著外界環(huán)境的變化而變化的,為使其輸出始終處于穩(wěn)定的狀態(tài),人們提出了最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT技術(shù).MPPT限制技術(shù)是一個(gè) 自尋優(yōu)過程,即通過限制光電池端電壓,使光電池能在各種不同的日照和溫度環(huán) 境下智能化地輸出最人功率.最大功率跟蹤算法主要分為兩大類：非自尋優(yōu)算法和自尋優(yōu)算法非自尋優(yōu)算 法是要根據(jù)光伏系統(tǒng)外界環(huán)境的因素, 如光照和溫度等,對這些因素或做出檢測 或做適當(dāng)補(bǔ)償,然后判斷出最大功率點(diǎn),比擬典型的算法包括擬合曲線法和恒定 電壓法.自尋優(yōu)算法：那么不需要直接檢測光伏系統(tǒng)外界環(huán)境因素的變化,也不需 作溫度和光照條件的補(bǔ)償,而是根據(jù)直接檢測到的光電池的輸出端電壓和電流數(shù) 據(jù)

20、,實(shí)現(xiàn)MPPT限制,最典型的MPPT算法是觀察擾動(dòng)法和增量電導(dǎo)法.隨著光伏發(fā)電應(yīng)用的不斷擴(kuò)大,對發(fā)電效率的要求越來越高,于是對MPPT 技術(shù)的研究也越來越受到人們的重視,現(xiàn)在已取得了多種限制算法.本節(jié)首先對 于一些常用的算法進(jìn)行簡單的介紹, 然后著重介紹一種改良的擾動(dòng)觀察法, 并把 它作為逆變器前級電路的限制算法.目前應(yīng)用較多MPPT算法主要有:叵定電壓法CVT、擾動(dòng)觀察法P&Q、增 量電導(dǎo)法INC和滯環(huán)比擬法等.1恒定電壓法當(dāng)光照強(qiáng)度到達(dá)一定值且環(huán)境溫度保持穩(wěn)定時(shí), 圖中所示輸出特性曲線上的最大功率點(diǎn)(MPP)點(diǎn)始終在某一直線兩側(cè).因而,我們可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到一個(gè) MPP處的電壓參考值

21、,然后把太陽能電池陣列的輸出電壓限制在參考電壓值左 右,這樣就可以使太陽能電池陣列的輸出保持在MPP附近,即為恒定電壓法.而在恒定電壓算法中,通過分析可以得出,太陽能電池的輸出電壓Umpp與開路電壓Uoc之間存在如下關(guān)系.Umpp kiUoc(3-1)式中,ki取決于太陽能電池的輸入輸出特性,在實(shí)際應(yīng)用中ki為0.8左右. 恒定電壓法具有算法簡單、反響快速的優(yōu)點(diǎn),然而該算法在限制時(shí)沒有考慮溫度 的影響,在溫差較大環(huán)境時(shí),恒定電壓法的限制精度不高,不能有效跟蹤最大功 率點(diǎn).通過以上分析可以看出,CVT算法不能有效進(jìn)行 MPPT限制,但是,CVT 算法簡單、限制速度快,因此可以與其他方法進(jìn)行搭配使

22、用.因而在實(shí)際應(yīng)用中, CVT算法大多用于限制精度不高的系統(tǒng).(2)電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法(Incremental Conductance , INC)從光伏電池輸出功率隨輸 出電壓變化率而變化的規(guī)律出發(fā),推導(dǎo)出系統(tǒng)工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)時(shí)的電導(dǎo)和 電導(dǎo)變化率之間的關(guān)系,進(jìn)而提出相應(yīng)的 MPPT算法.輸出M率孫幺值圖2.2光伏電池P-U特性dP/dU的變換特征INC算法具有限制精度高、限制平穩(wěn)和受外界影響小的優(yōu)點(diǎn). 但是,INC算 法的限制算法復(fù)雜,且跟蹤速度緩慢,不能及時(shí)反映外界的變化對光電池的影響, 從而帶來許多不良影響,帶來能量的喪失.(3)擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)觀察法(P&0)是實(shí)現(xiàn)最大功

23、率點(diǎn)跟蹤常用的一種方法,其根本工作原理為:在正常條件下,光伏電池 P-V特性曲線是一個(gè)以最大功率點(diǎn)為極值的單峰值 函數(shù),這一特點(diǎn)為采用擾動(dòng)觀察法來尋找最大功率點(diǎn)提供了條件,而擾動(dòng)觀察法實(shí)際上采用了步進(jìn)搜索的算法,即從起始狀態(tài)開始測得目前PV陣列功率輸出,假設(shè)在原輸出電壓根底上再加一小的電壓擾動(dòng),PV陣列功率輸出也相應(yīng)發(fā)生改變, 此時(shí)把改變后的功率測得,然后比擬改變前的功率就可得到功率的變化趨勢.假設(shè) 功率比上一次測得值大就按原來方向繼續(xù)擾動(dòng). 假設(shè)減小那么改變原擾動(dòng)方向,其最 后的結(jié)果是工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近往返振蕩,其實(shí)現(xiàn)原理如圖2.3所示.圖2.3擾動(dòng)觀察法MPPT過程示意圖以上分析可知擾

24、動(dòng)觀察法具有限制概念清楚、簡單、被測參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn),因 此被普遍地應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的 MPPT限制.值得注意的是,在P&0法電壓 初始值及擾動(dòng)電壓步長對跟蹤精度和速度有較大影響.(4)滯環(huán)比擬法與P&0法相比擬滯環(huán)比擬法不會(huì)出現(xiàn)誤判和振蕩現(xiàn)象,可以實(shí)現(xiàn)在光照迅 速改變時(shí)保持工作點(diǎn)穩(wěn)定,而不立即改變.當(dāng)光照強(qiáng)度變換不大時(shí)再進(jìn)行MPPT 限制,這樣就可以降低能量的損耗；但滯環(huán)比擬法對電流、電等參數(shù)檢測要求比 較高,對系統(tǒng)硬件的限制要求高,增加了發(fā)電本錢.其具體工作過程如下,在光伏陣列的 P-U特性曲線的頂端左右任取三處不 同位置,可以得到如圖2.4所列的幾種#況.假設(shè) Tag為比擬

25、用的一個(gè)變量, 比擬C與B兩點(diǎn),假設(shè)C點(diǎn)大于或等于B點(diǎn),Tag值取1 ;反之,那么Tag值 取-1.假設(shè)比擬A、B、C三點(diǎn)后,Tag值取2,那么電壓擾動(dòng)D值向右取值；假設(shè)Tag 值為-2,擾動(dòng)電壓值向左取值；假設(shè) Tag取值為0,此時(shí)說明在最大值處,電壓 擾動(dòng)量為零.圖2.5所示為光照強(qiáng)度變化時(shí)的幾種情況,圖中改變電壓擾動(dòng)量D所得到的A、B、C三點(diǎn)的位置與Tag值和圖2.4有所不同.圖2.4最大功率點(diǎn)附近可能出現(xiàn)的各種情況圖2.5滯環(huán)比擬法中其他的排列方式2.2.2 后級限制算法(1) PWM 限制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是用一種參考波為“調(diào)制波,而以 N倍于調(diào)制波頻率 的正三角波或據(jù)齒波為“載波的限

26、制方法.由于采用線性變換的載波,因此載 波與調(diào)制波相交時(shí),就能實(shí)現(xiàn)把調(diào)制波等效為一組幅值相等、 寬度正比于調(diào)制波 函數(shù)值的矩形脈沖.所以,這種用開關(guān)量代替模擬量,并通過限制逆變器開關(guān)管 的通斷的技術(shù),就可以實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換為交流電,該技術(shù)即為脈沖寬度調(diào)制.采用PWM限制電路結(jié)構(gòu)簡單,諧波含量大大減小,且多為高次諧波,故能實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)；而SPWM是目前最為常見的PWM限制技術(shù),其根本原理是利 用正弦波作為調(diào)制波對三角波進(jìn)行調(diào)制,產(chǎn)生一系列按正弦規(guī)律變化的等效 PWM信號.根據(jù)信號限制的根本理論,其能量和正弦信號所包含的能量完全相 等,然后放大此信號來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的通斷,最后在輸出端得到限制信號,如圖

27、 2.6所示；而且SPWM方法具有通用性強(qiáng)、限制性能好、可消除諧波、穩(wěn)定輸 出電壓的優(yōu)點(diǎn). WWM書號J 油比擬圖2.6SPWM調(diào)制電路(2)空間矢量限制SVPWM是一種先進(jìn)的限制方法,它從限制交流電機(jī)的角度出發(fā),以磁鏈 軌跡為圓的目標(biāo)來形成PWM限制信號,以減小脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,改善電機(jī)性能.其主 要思路是通過不斷的切換空間電壓矢量以產(chǎn)生正弦輸出電壓波形.三相電壓型逆變器空間電壓矢量與參考電壓矢量分布如圖 2.7所示.圖2.7空間電壓矢量與參考電壓矢量分布目前的SVPWM限制方法主要有兩種：一種為恒頻SVPWM限制,其限制思想是先利用d, q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)產(chǎn)生空間電壓矢量指令, 然后使逆變器的8個(gè)空間電

28、壓矢量V0V7跟蹤在d、q坐標(biāo)平面中旋轉(zhuǎn)的參考電壓矢量 Vref,從而到達(dá)控制逆變器電流的目的；另一種是變頻 SVPWM限制,其變頻需要通過滯環(huán)電流 限制來實(shí)現(xiàn),即為兩種限制方法的結(jié)合.電流偏差矢量給出最正確電壓矢量切換, 使電流偏差值滿足小于滯環(huán)寬度這個(gè)根本限制條件.(3)雙環(huán)限制雙環(huán)限制是指采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)同時(shí)限制的方法.進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí), 增加電流內(nèi)環(huán)限制的目的就是能夠更加有效抑制電流的擾動(dòng)問題,同時(shí)值得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員慎重考慮的問題是電流內(nèi)環(huán)選擇采用電流峰值限制還是平均值限制.雙環(huán)限制的最大優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率恒定,便于系統(tǒng)的設(shè)計(jì).缺點(diǎn)是開關(guān)頻率較低時(shí), 電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,電流的動(dòng)態(tài)偏差會(huì)隨著電流變化率變化而產(chǎn)生波動(dòng).(1)重復(fù)限制重復(fù)限制根本原理為：利用重復(fù)信號發(fā)生器,使前一個(gè)周期輸入信號在后一 個(gè)周期重復(fù)出現(xiàn),當(dāng)反響信號與指令信號不重合時(shí),限制量的幅值就會(huì)周期性的 無限制的增加.當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),反響信號與指令信號重合,此時(shí)幅值偏差為零, 也不會(huì)產(chǎn)生相位滯后.因此,重復(fù)限制擁有效果好