雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器研究

1、電力電子與電力傳動(dòng)專題課課程報(bào)告雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器研究哈爾濱工業(yè)大學(xué)2014年7月雙級(jí)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(shì)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發(fā)展速度最快。隨著太陽利用技術(shù)的發(fā)展，太陽能的利用形式已從傳統(tǒng)的光-熱利用發(fā)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發(fā)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(duì)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，比較各優(yōu)缺點(diǎn)。并對(duì)兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器的前級(jí)和后級(jí)的控制方法進(jìn)行分析研究，比較各

2、控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；MPPT；逆變器；單周期控制0 引言當(dāng)今世界人口眾多，能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)非常重要的需求。無論是提高生活水平還是發(fā)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(chǎng)與石油的市場(chǎng)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，以及給全國不足14億的人口提供充足的、可靠的并且廉價(jià)的、

3、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。本土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(chǎng)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(duì)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。若按照能源的綜合估算，世界石油的儲(chǔ)備量大約為1200億噸。如果按照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(chǔ)總量大約在21世紀(jì)50年代左右被全部開采完

4、畢。全球的天然氣的存儲(chǔ)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(shì)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(duì)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)院的發(fā)展研究中心所做出的調(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)達(dá)到6.1億噸。而此階段我國國內(nèi)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(duì)海外石油

5、資源的依存度將將會(huì)繼續(xù)增加，至少達(dá)到55%，與美國基本一致。顯而易見，我國對(duì)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)發(fā)展。我國光伏發(fā)電的應(yīng)用市場(chǎng)目前處于起步階段，2010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)控制層面，與西方發(fā)迖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(jí)母線電壓不穩(wěn)定等，因此解決光伏并網(wǎng)逆變控制問題極為迫切。鑒于并網(wǎng)控制涉及到逆變器前級(jí)母線電壓調(diào)理、后級(jí)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、

6、拓?fù)渑c保護(hù)電路設(shè)計(jì)及控制策略分析等研究，確保光伏逆變無損并網(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 光伏并網(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)的工作原理比較簡單，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控制器?？刂破鞯囊粚?duì)輸出端接至蓄電池組，對(duì)其進(jìn)行充、放電保護(hù)控制，蓄電池組處于經(jīng)常性浮充狀態(tài)；控制器的另一對(duì)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，若為并網(wǎng)系統(tǒng)，則與電網(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

7、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)桕連，作為一種移動(dòng)式電源，主要用于給邊遠(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?，F(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)通常由三部分構(gòu)成:光伏陣列、逆變器和電網(wǎng)，如圖1.1所示。圖1.1 光伏并網(wǎng)系統(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

8、求最大的功率輸出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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(jí)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(jí)，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、串型、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(duì)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(duì)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(tái)并網(wǎng)逆變器，因而結(jié)構(gòu)簡單

9、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)抗熱斑和抗陰影能力差；(2)該結(jié)構(gòu)形式要求具有相對(duì)較高電壓的直流母線將DC/AC變換器和太陽能電池相連接，因而降低了安全性，同時(shí)也增加了系統(tǒng)成本；(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控制。雖然存在以上不足，但當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率等級(jí)不斷增大時(shí)，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出其輸出功率等級(jí)高的優(yōu)點(diǎn)，而且成本相對(duì)低廉。所以，該結(jié)構(gòu)特別適合發(fā)電功率相對(duì)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 I

10、ntegrated 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)，最大程度地提高了系統(tǒng)發(fā)電效率；(3)每個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行；系統(tǒng)擴(kuò)展和冗余能力強(qiáng)；靈活性好、可即插即用；(4)交流模塊式結(jié)構(gòu)沒有直流母線高壓；增加了整個(gè)系統(tǒng)工作的安全性。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(duì)較低。圖1.3 交流模塊式

11、結(jié)構(gòu)1.1.3 多支路結(jié)構(gòu)多支路結(jié)構(gòu)包括若干整流器和一個(gè)逆變器，其同時(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)湫问郊茨芸梢允拱l(fā)電效率提高，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)的主要發(fā)展趨勢(shì)。(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)各支路可獨(dú)立進(jìn)行MPPT控制，提高系統(tǒng)效率，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(duì)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)

12、計(jì)讓逆變效率提高，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(hào)、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)是目前比較流行一種光伏系統(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)湫问降陌l(fā)展方向。該結(jié)構(gòu)用控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的確定在不同環(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)，控制開關(guān)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)變成集屮式結(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)，控制

13、開關(guān)將實(shí)時(shí)改變PV陣列的串結(jié)構(gòu)，使不同規(guī)模的PV陣列與相同功率級(jí)別的DC/AC變換器連接在一起工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的逆變效率以提高光伏能量利用率，此時(shí)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為若干串型結(jié)構(gòu)同時(shí)并網(wǎng)工作。而這樣的串型結(jié)構(gòu)其功率等級(jí)是被控制開關(guān)實(shí)時(shí)改變的，而且每一個(gè)PV串有自己獨(dú)立的MPPT電路，所以可得到更高效率的功率輸出。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)換為達(dá)到并網(wǎng)要求電能的設(shè)備，是光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換能量和控制系統(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(jí)式、雙級(jí)式和多級(jí)式結(jié)構(gòu)。1.2.1單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單級(jí)式結(jié)構(gòu)如圖1.6所示，從圖中可以看出單級(jí)

14、式結(jié)構(gòu)只需一級(jí)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(jí)式逆變器的所有控制都要在一級(jí)電路中完成，這樣使整個(gè)逆變系統(tǒng)的控制比較復(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(jí)式結(jié)構(gòu)沒有升壓功能，為達(dá)到并網(wǎng)要求，要將太陽能電池組串聯(lián)起來，以提高光伏陣列輸入電壓等級(jí)，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。圖1.6單級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.2.2雙極式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙級(jí)式結(jié)構(gòu)是目前實(shí)際應(yīng)用最多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其基本原理是把光伏電池陣列輸

15、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)其結(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)目刂撇呗钥梢允股龎鹤儞Q器的輸入端電壓波動(dòng)很小，從而提高了最大功率點(diǎn)跟蹤的精度，同時(shí)還有驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡單的優(yōu)點(diǎn)。在DC/AC電路部分中實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)。整個(gè)電路由兩部分組成，控制功能分散到兩個(gè)功率環(huán)節(jié)中，從而使控制算法得到簡化。圖1.7 雙極式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.2.3多級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多級(jí)式結(jié)構(gòu)的基本思路

16、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)，使其控制目標(biāo)更加分散，控制算法復(fù)雜程度有所降低。一個(gè)基于Boost升壓電路的多級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?。如圖1.8所示。第一級(jí)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(jí)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(jí)為并網(wǎng)逆變電路，具有換相的作用。圖1.8基于Boost升壓電路改進(jìn)的多級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2 雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器及其控制策略研究2.1逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無變壓器的雙級(jí)式并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，即采用前級(jí)DC/DC變換器和后級(jí)DC/AC逆變器的主電路結(jié)構(gòu)。在控制策略上，前級(jí)采用改進(jìn)擾

17、動(dòng)觀察法的MPPT控制，其后級(jí)電路采用單周期控制。圖2.1 三相并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)框圖對(duì)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。2.2 并網(wǎng)逆變器控制策略研究雙級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括整流和逆變兩個(gè)部分，與單級(jí)式相比，雖然增加了一級(jí)機(jī)構(gòu)，但是MPPT控制與并網(wǎng)逆變功能分別放在兩個(gè)部分，其控制系統(tǒng)的算法相對(duì)簡單。而且MPPT控制便于實(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)可以提高逆變器輸入電

18、壓等級(jí)，使逆變效率提高。雙級(jí)式控制電路包括前級(jí)MPPT控制和后級(jí)輸出電壓、電流的控制。前級(jí)控制算法在前面已經(jīng)介紹，而后級(jí)控制方法主要有脈沖寬度調(diào)制(PWM)、空間矢量PWM控制、雙環(huán)控制、重復(fù)控制、單周期控制(OCC)等。主要介紹以下幾種方法，然后比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)選擇-種方法作為后級(jí)電路控制策略。2.2.1前級(jí)控制算法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控制技術(shù)是一個(gè)自尋優(yōu)過程，即通過控制光電池端電壓，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

19、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(duì)這些因素或做出檢測(cè)或做適當(dāng)補(bǔ)償，然后判斷出最大功率點(diǎn)，比較典型的算法包括擬合曲線法和恒定電壓法。自尋優(yōu)算法:則不需要直接檢測(cè)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(cè)到的光電池的輸出端電壓和電流數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)MPPT控制，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(duì)發(fā)電效率的要求越來越高，于是對(duì)MPPT技術(shù)的研究也越來越受到人們的重視，現(xiàn)在已取得了多種控制算法。本節(jié)首先對(duì)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進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，并把它作為逆變器前級(jí)

20、電路的控制算法。目前應(yīng)用較多MPPT算法主要有:恒定電壓法(CVT)、擾動(dòng)觀察法(P&Q)、增量電導(dǎo)法(INC)和滯環(huán)比較法等。(1) 恒定電壓法當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到一定值且環(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，然后把太陽能電池陣列的輸出電壓控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。 (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.

21、8左右。恒定電壓法具冇算法簡單、反應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)，然而該算法在控制時(shí)沒有考慮溫度的影響，在溫差較大環(huán)境時(shí)，恒定電壓法的控制精度不高，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控制，但是，CVT算法簡單、控制速度快，因此可以與其他方法進(jìn)行搭配使用。因而在實(shí)際應(yīng)用中，CVT算法大多用于控制精度不高的系統(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。圖2.2光伏電池P-U特性dP/dU

22、的變換特征INC算法具有控制精度高、控制平穩(wěn)和受外界影響小的優(yōu)點(diǎn)。但是，INC算法的控制算法復(fù)雜，且跟蹤速度緩慢，不能及時(shí)反映外界的變化對(duì)光電池的影響，從而帶來許多不良影響，帶來能量的丟失。(3) 擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)觀察法(P&0)是實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤常用的一種方法，其基本工作原理為: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(cè)得目前PV陣列功率輸出，若在原輸出電壓基礎(chǔ)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(cè)得，然后比較改變前

23、的功率就可得到功率的變化趨勢(shì)。若功率比上一次測(cè)得值大就按原來方向繼續(xù)擾動(dòng)。若減小則改變?cè)瓟_動(dòng)方向，其最后的結(jié)果是工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近來回振蕩，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動(dòng)觀察法具有控制概念清晰、簡單、被測(cè)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控制。值得注意的是，在P&0法電壓初始值及擾動(dòng)電壓步長對(duì)跟蹤精度和速度有較大影響。(4) 滯環(huán)比較法與P&0法相比較滯環(huán)比較法不會(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控制，這樣就可以降低能量的損耗；但滯環(huán)比較法對(duì)電流

24、、電等參數(shù)檢測(cè)要求比較高，對(duì)系統(tǒng)硬件的控制要求高，增加了發(fā)電成本。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所列的幾種情況。假設(shè)Tag為比較用的一個(gè)變量，比較C與B兩點(diǎn)，假如C點(diǎn)大于或等于B點(diǎn)，Tag值取1 ；反之，則Tag值取-1。若比較A、B、C三點(diǎn)后，Tag值取2，則電壓擾動(dòng)D值向右取值；若Tag值為-2，擾動(dòng)電壓值向左取值；若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

25、2.5 滯環(huán)比較法中其他的排列方式2.2.2后級(jí)控制算法(1) PWM控制脈沖寬度調(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”的控制方法。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，并通過控制逆變器開關(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控制電路結(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控制技術(shù)，其基本原理是利用正弦波作為調(diào)制波對(duì)三角波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生一系列按

26、正弦規(guī)律變化的等效PWM信號(hào)。根據(jù)信號(hào)控制的基本理論，其能量和正弦信號(hào)所包含的能量完全相等，然后放大此信號(hào)來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的通斷，最后在輸出端得到控制信號(hào)，如圖2.6所示；而且SPWM方法具有通用性強(qiáng)、控制性能好、可消除諧波、穩(wěn)定輸出電壓的優(yōu)點(diǎn)。圖2.6 SPWM調(diào)制電路(2) 空間矢量控制SVPWM是一種先進(jìn)的控制方法，它從控制交流電機(jī)的角度出發(fā)，以磁鏈軌跡為圓的目標(biāo)來形成PWM控制信號(hào)，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

27、控制方法主要有兩種:一種為恒頻SVPWM控制，其控制思想是先利用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，從而達(dá)到控制逆變器電流的目的；另一種是變頻SVPWM控制，其變頻需要通過滯環(huán)電流控制來實(shí)現(xiàn)，即為兩種控制方法的結(jié)合。電流偏差矢量給出最佳電壓矢量切換，使電流偏差值滿足小于滯環(huán)寬度這個(gè)基本控制條件。(3) 雙環(huán)控制雙環(huán)控制是指采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)同時(shí)控制的方法。進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，增加電流內(nèi)環(huán)控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)選擇采用電流峰值控制還是平均值控制。雙環(huán)控制的最大優(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)控制重復(fù)控制基本原理為:利用重復(fù)信號(hào)發(fā)生器，使前一個(gè)周期輸入信號(hào)在后一個(gè)周期重復(fù)出現(xiàn)，當(dāng)反饋信號(hào)與指令信號(hào)不重合時(shí)，控制量的幅值就會(huì)周期性的無限制的增加。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，反饋信號(hào)與指令信號(hào)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)控制擁有效果好、成本低、