【太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的研究11000字（論文）】

太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的研究目錄TOC\o"1-2"\h\z\u168391引言 160312光伏電池與光伏發(fā)電系統(tǒng) 2167972.1光伏電池的基本原理 2275642.2光伏電池模型 2137032.3光伏發(fā)電系統(tǒng) 11322092.4MPPT控制技術(shù) 12311203光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng) 18301893.1單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與基本原理 18106793.2并網(wǎng)逆變器的控制方法 18278154基于MATLAB的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真 20159084.1仿真環(huán)境簡(jiǎn)介 2069654.2仿真模型搭建 21281864.3運(yùn)行結(jié)果與分析 2423312結(jié)論 2514185參考文獻(xiàn) 251引言現(xiàn)階段煤來(lái)說(shuō)炭資源是我國(guó)使用的主要能源，與其他能源相結(jié)合的方式構(gòu)成我國(guó)的能源使用結(jié)構(gòu)。但是煤炭燃燒嚴(yán)重破壞了自然生態(tài)環(huán)境，影響生物的健康。所以新能源發(fā)電是發(fā)展的必然，而太陽(yáng)能資源以他的優(yōu)越條件備受人們青睞比如它的豐富性，干凈無(wú)污染的特點(diǎn)[1]。社會(huì)的發(fā)展必然無(wú)法離開能源的支持，隨著社會(huì)的不斷向前發(fā)展能源的使用量也越來(lái)越大，能源的危機(jī)使人們不得不把目光放在豐富的太陽(yáng)能資源上來(lái)[2]。燃料資源逐年減少而社會(huì)生產(chǎn)需求則逐年增加，這種情況下發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)是最為明智的選擇，新能源產(chǎn)業(yè)首先解決了燃料資源短缺的問(wèn)題而且降低了污染物的排放。光伏發(fā)電與其他資源相比較擁有更多長(zhǎng)處:1.能量十分的巨大。2.綠色環(huán)保:太陽(yáng)能是十分清潔的新能源，可以通過(guò)光伏發(fā)電系統(tǒng)等，將太陽(yáng)光經(jīng)設(shè)備可有效而且快速地轉(zhuǎn)化為電能，在整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中既沒有燃燒，也沒有任何溫室氣體的排放及污染，光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用時(shí)間明顯增加，維護(hù)便捷。3.不受區(qū)域限制:我國(guó)擁有廣闊的土地資源，因而太陽(yáng)能資源十分豐富。光伏發(fā)展核心靠的是光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)，所以理論結(jié)合實(shí)踐才可以使光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展[5][6]。本課題主要在研究單相光伏并網(wǎng)逆變器的原理及應(yīng)用。光伏陣列和光伏逆變器作為并網(wǎng)系統(tǒng)大的主要構(gòu)成部分發(fā)揮著無(wú)可替代的作用，光伏陣列的作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，光伏逆變器的作用將電能與電網(wǎng)相連接。它們都決定著太陽(yáng)能的利用率。本論文想要實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究與仿真分析。2光伏電池與光伏發(fā)電系統(tǒng)2.1光伏電池的基本原理光電效應(yīng)的形成前提得有光照射在半導(dǎo)體材料上，光伏電池的輸出特性與二極管工作原理相差不大，可簡(jiǎn)單的用P-N結(jié)來(lái)解釋，如圖2-1所示。太陽(yáng)光是具有能量的，具有能量的部分是光子，當(dāng)照射半導(dǎo)體表面的具有能量的光達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生空穴電子對(duì)。電子顯負(fù)電荷，空穴顯正電，兩者總量相等。半導(dǎo)體吸收到光子后，在其表面會(huì)發(fā)生一些變化。電子會(huì)向N側(cè)轉(zhuǎn)移，從而N側(cè)為負(fù)極，空穴會(huì)向P側(cè)轉(zhuǎn)移，從而P側(cè)是正極。在半導(dǎo)體的兩端就產(chǎn)生了電勢(shì)差。此時(shí)在半導(dǎo)體的兩端加上導(dǎo)線，接上電壓表，就能檢測(cè)到有微小電壓，這就是光伏電池的原理。光生伏打效應(yīng)原理圖如圖2-1所示。半導(dǎo)體上P-N結(jié)處的點(diǎn)電荷移動(dòng)方向和電流方向如圖2-2,2-3所示。圖2-1光生伏打效應(yīng)原理圖圖2-2鏡片受光過(guò)程中電荷移動(dòng)圖2-3晶片受光后電流的形成2.2光伏電池模型光伏發(fā)電并網(wǎng)的重要組成部分是光伏電池，其仿真等效模型可以用等效電路來(lái)搭建，如圖2-4所示[16]。圖2-4光伏電池等效電路圖從圖2-4不難分析其工作原理，光強(qiáng)不變，感應(yīng)的光電流就是定值，因此把視為恒流源。其大小與太陽(yáng)能電板面積和太陽(yáng)光的入射角度有關(guān)。若用電壓表測(cè)量P側(cè)和N側(cè)兩端，可以測(cè)得電壓。負(fù)載兩端的電壓反過(guò)來(lái)又加入P-N結(jié)的兩端，就會(huì)產(chǎn)生電流Id他與Il的方向相反?？紤]到半導(dǎo)體材料和金屬電極都具有阻值，串一個(gè)電阻來(lái)等效。但實(shí)際上光伏電池串聯(lián)的這個(gè)電阻值很小，一般在1Ω以下。由于某種原因，半導(dǎo)體材料和金屬電極就會(huì)產(chǎn)生漏電流，這導(dǎo)致輸出電流降低。作為分流支路，用一個(gè)并聯(lián)電阻Rs?來(lái)等效。一般這個(gè)并聯(lián)電阻在一千歐姆以上[13]。由圖2-4可見，光伏電池輸出的電流為：Ι=Ι式（2-1）中，ΙdΙs?=IL可視為恒流源，Id為暗電流，在光伏電池是含有PN結(jié)，因此在一定條件下產(chǎn)生了二極管電流，暗電流反映了PN結(jié)自身電流總擴(kuò)散；Is?為經(jīng)旁路的漏電流[18]。由此可得光伏電池I?VΙ=IL表1等效電路各符號(hào)含義符號(hào)名稱符號(hào)含義單位I光伏電池輸出電流安培（A）ILPN結(jié)電流安培（A）IO反向飽和電流安培（A）V輸出電壓伏特（V）T絕對(duì)溫度開爾文（K）q單位電荷其值為k玻耳茲曼常數(shù)其值為A二極管理想常數(shù)1～2之間一般條件下，，，所以公式(2-4)中的項(xiàng)相對(duì)光伏電池輸出電流就小的很，所以此項(xiàng)忽略[19]。由于公式（2-4）是含的超越方程，求解出來(lái)很麻煩，要想利用該方程，就要對(duì)方程化簡(jiǎn)，得到光伏電池的簡(jiǎn)化模型。2.2.1光伏電池簡(jiǎn)化模型在實(shí)際應(yīng)用中，太陽(yáng)能電池板的參數(shù)是由生產(chǎn)商直接設(shè)置的。一般會(huì)提供4個(gè)標(biāo)況下參數(shù)，分別是、、和這4個(gè)參數(shù)。可以算出，因?yàn)椤９夥姵氐妮敵鎏匦郧€就是由這四個(gè)參數(shù)決定的，設(shè)置不同的參數(shù)值就可以模擬不同的輸出特性曲線[20]。由半導(dǎo)體器件的輸出特性推斷出,在光強(qiáng)，溫度時(shí)，得到光伏電池關(guān)系方程:Ι=ISC當(dāng)在最大功率點(diǎn)處，即Im=當(dāng)在開路點(diǎn)處，即U=U∞0=ISC又因?yàn)槌叵碌倪h(yuǎn)大于1，故進(jìn)一步化簡(jiǎn)式(2?6)可得：C1=將式（2?8）帶入式(2?7)中可消去C1C2=D=IS1=T1=T?dV=βT在上面的公式里：U代表光伏電池的輸出電壓值、I代表著光伏電池的輸出電流值；C1與C2為修正系數(shù)；Sref與Tref(Sref與溫度，S為實(shí)際光強(qiáng)，T為實(shí)際溫度；α為在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的電流溫度系數(shù)（A/℃）為在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下電壓溫度系數(shù)[21]。表2簡(jiǎn)化后I-U表達(dá)式各符號(hào)含義符號(hào)名稱符號(hào)含義單位Isc短路電流安培（A）Uoc開路電壓伏特（V）Um最大功率電壓伏特（V）Im最大功率電流安培（A）Pm最大輸出功率瓦特（W）Sref標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度1000W／m2Tref標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃α標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下電流溫度系數(shù)(A/℃)β標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下電壓溫度系數(shù)(V/℃)C1、C2修正系數(shù)無(wú)量綱系數(shù)最后，將、、和基于以上對(duì)光伏電池模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，根據(jù)公式2?5，在MATLAB/Simulink操作環(huán)境下搭建光伏電池各個(gè)模塊模型并進(jìn)行仿真分析。模擬了光伏電池在不同光照和溫度下輸出不同的I-U,P-U特性曲線[22]。下面對(duì)單塊光伏電板輸出伏安特性進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。2.2.2光伏電池在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下的仿真模型由以上簡(jiǎn)化的工程數(shù)學(xué)公式2?4至2?13可以在Matlab／Simulink環(huán)境下搭建出光伏電池模型。圖2?6是光伏電池封裝效果圖，圖2?7為光伏電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖2-6光伏電池封裝效果圖圖2-7光伏電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型光伏電池內(nèi)部又分為幾個(gè)單獨(dú)模塊，其中，修正系數(shù)模塊的封裝圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-8所示。圖2-8C1封裝圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖上方右側(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由公式2-8得到。C圖2-9C2封裝圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖上方右側(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由公式2?9得到S1封裝圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-10所示。圖2-10S1封裝圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖上方右側(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由公式2?11得到。模塊的封裝圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2?11所示。圖2-11T1封裝圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖上方右側(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由公式2?12得到。模塊的封裝圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2?12所示。圖2-12D封裝圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖上方右側(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由公式2?10得到。dv圖2-13dV封裝圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖上方右側(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由公式2?13得到。2.2.3影響光伏電池伏安（I?U）特性的主要因素并分析比較由式2?5可以得到光伏電池輸出I?U曲線，也就是伏安特性曲線[23]，如圖2-14所示。圖2-14光伏電池I-U伏安特性曲線使用上面搭建的光伏模塊從而對(duì)光伏電池進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)部參數(shù)的大小如下圖表3所示。表3光伏電池內(nèi)部參數(shù)設(shè)置符號(hào)符號(hào)名稱數(shù)值單位Im最大功率點(diǎn)電流4.55安培（A）Um最大功率點(diǎn)電壓17.25伏特（V）Isc短路電流4.75安培（A）Uoc開路電壓21.75伏特（V）Pm最大輸出功率78.48瓦特（W）圖2-15中的Ramp是一個(gè)斜率為1的斜坡函數(shù)發(fā)生器，加入該模塊的目的是來(lái)假定光伏電池的輸出電壓，該仿真開始時(shí)間為,結(jié)束時(shí)間為，這就模擬出了光伏電池輸出電壓范圍為。圖2-18是搭建的光伏電池模型，圖2?19為輸出特性曲線，圖2?20為輸出特性曲線。圖2-15光伏電池仿真模型圖2-16光伏電池I?U特性曲線從圖2?16的曲線可以總結(jié)，太陽(yáng)能電池板輸出的I和U是呈非線性的。光伏電池的輸出是非線性的，在一定程度上，輸出的電流可以為一個(gè)定值，但當(dāng)電壓值超過(guò)一定值時(shí)，輸出電流會(huì)很快降為0[19]。圖2-17光伏電池P-U特性曲線同樣，顯然圖2-17，在之前，太陽(yáng)能電池和在某種程度上呈線性關(guān)系。而在之后，隨的變大而迅速降低。還可以看出，T和S一定時(shí)，太陽(yáng)能電池曲線是單峰的，如圖2-17所示。不同光強(qiáng)下I-U和P-U曲線是要研究一個(gè)方向的即溫度T不變（T=25℃），僅改變光照強(qiáng)度S，得到I-U和P-U曲線，如圖2-18和圖2-19所示。其中，不同的光照強(qiáng)度分別設(shè)定為:S=1000W/㎡、S=900W/㎡、S=800W/㎡、S=700W/㎡。圖2?18不同光照條件下的I?U特性曲線圖2?19不同光照條件下的P?U特性曲線由圖2-18和圖2-19所知，保持輸出電壓U恒定，光照強(qiáng)度S越強(qiáng)，輸出電流值越大，當(dāng)光照強(qiáng)度S降低時(shí)，最大功率值會(huì)有所減小。同理，溫度T恒定下的I-U,P-U曲線也是一種研究方向。即保持光照強(qiáng)度，只改變環(huán)境溫度，同樣可以輸出一組I-U,P-U曲線。如圖2-20和2-21所示。其中，不同的溫度分別設(shè)定為：T=30℃、T=25℃、T=20℃、T=15℃。圖2-20不同溫度下I-U特性曲線圖2-20不同溫度下P-U特性曲線從圖2-20的特性曲線趨勢(shì)可以得出，當(dāng)電池溫度降低時(shí)，開路電壓線性減小，短路電流值也有所減小[24]。同樣，通過(guò)圖2-21的P/U曲線顯然得知，溫度對(duì)太陽(yáng)能電池板輸出有很大影響，光強(qiáng)不變時(shí)，溫度降低功率低，溫度升高功率高。和還會(huì)隨T發(fā)生微小變化。由以上輸出曲線還可以看出，影響太陽(yáng)能電池輸出的條件主要有兩個(gè)，即S和T。2.3光伏發(fā)電系統(tǒng)半導(dǎo)體本身有光電效應(yīng)，從而依靠這一特點(diǎn)就可以用來(lái)制造太陽(yáng)能發(fā)電板，從而可以實(shí)現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)化為電能。要想要生產(chǎn)電池板，就要找到合適的原材料，經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，晶體硅很合適。由于生產(chǎn)工藝的差異性，又分為單晶硅、多晶硅和非晶硅。為保證光伏電池輸出功率盡可能在最大功率點(diǎn)左右震蕩，又加上MPPT技術(shù)。再將其與逆變橋相連接，逆變出的電壓可以給不同的負(fù)載供電，如果電壓等級(jí)較大的情況下，還可以將其并入電網(wǎng)。一小塊電池板輸出的電壓肯定很小，在實(shí)際當(dāng)中，可以將多組電池板通過(guò)串并聯(lián)組成光伏陣列來(lái)進(jìn)行發(fā)電。光伏發(fā)電的研究在中國(guó)早已提上議程，在我國(guó)廣袤的土地上，太陽(yáng)能資源是非常豐富的，尤其是在新疆，甘肅，西藏等地區(qū)。這些優(yōu)勢(shì)都是促進(jìn)其發(fā)展的機(jī)遇。1光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)模式光伏集中式并網(wǎng)系統(tǒng)的主要是建立在偏遠(yuǎn)地區(qū)比如荒漠，距離負(fù)荷點(diǎn)的距離遠(yuǎn)但他的成本太高，一般是單向的，直接輸送給大電網(wǎng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的基本要求是，保證逆變器輸出的正弦波電壓的頻率和相位應(yīng)該與電網(wǎng)電壓的頻率和相位相同。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)有集中式并網(wǎng)，分布式并網(wǎng)這兩種系統(tǒng)方式。2光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在MATLAB/Simulink的仿真中搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)模型是可以減少仿真周期，降低成本，還可以有效提高準(zhǔn)確度。按照經(jīng)驗(yàn)分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)有兩級(jí)組成。前級(jí)是直流與直流之間進(jìn)行變換,后級(jí)是直流與交流之間進(jìn)行變換[12]，如圖2?22所示。前級(jí)的目的是為了提升直流電電壓等級(jí)，還加入最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)[13]，使其輸出功率保持最大。圖2-22光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.4MPPT控制技術(shù)太陽(yáng)能光伏電池就是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，由于受到外界的環(huán)境影響較大，比如溫度，光照強(qiáng)度等,因此它既不是恒壓源也不是恒流源[13]。對(duì)此我們還要熟悉MPPT的控制策略，并將其運(yùn)用到太陽(yáng)能電池板陣列當(dāng)中，使他始終保持光伏電池的輸出功率最大，提高利用率。2.4.1常見最大功率跟蹤算法的基本原理MPPT算法有很多種，最常見的有3種，分別是恒壓法(CVT)、電導(dǎo)增量法(INC)和觀察擾動(dòng)法(P&O)[1617]，其中:（1）恒壓法(CVT)是溫度和光照強(qiáng)度一定，光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓就恒定。因此，當(dāng)時(shí)，就能保證太陽(yáng)能電池板工作在處。此法還有個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它能簡(jiǎn)化控制電路。研究表明，最大功率點(diǎn)電壓與開路電壓之間具有一定關(guān)系，可以表示為Um=?UOC其中，開路電壓倍數(shù)，在0.71～0.78間取數(shù)，通常設(shè)為0.76。恒壓法簡(jiǎn)單易行，但適合環(huán)境能力差。因?yàn)槲覀冎車沫h(huán)境時(shí)刻發(fā)生變化，有些因素導(dǎo)致溫度發(fā)生突變，應(yīng)用恒壓法就不能及時(shí)地跟蹤最大功率點(diǎn)，這是因?yàn)楹銐悍ú皇峭耆饬x上的MPPT方法，達(dá)不到最優(yōu)控制。綜合上述分析，恒壓法適合場(chǎng)合比較單一，比如外界溫度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，控制精度不太高的場(chǎng)合[28]。如圖2-23為恒壓跟蹤法示意圖。圖2-23恒電壓跟蹤法示意圖（2）以擾動(dòng)觀察法為原理基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，得到電導(dǎo)增量法(INC)。通過(guò)比較P-U曲線的斜率和電導(dǎo)大小，發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。圖2-24為太陽(yáng)能光伏電池輸出特性曲線，將功率對(duì)電壓求導(dǎo)得到的就是斜率關(guān)系。圖2-24光伏電池輸出P-U特性曲線的斜率關(guān)系圖滿足的點(diǎn)是點(diǎn)。滿足的點(diǎn)處，斜率為正值，在點(diǎn)左側(cè)，需繼續(xù)向左加壓。滿足的點(diǎn)處，斜率為負(fù)，在點(diǎn)右側(cè)，需向右減壓。因此，確定太陽(yáng)能電池的點(diǎn)，顯然可以用這個(gè)公式來(lái)驗(yàn)證。滿足，表明目前斜率為0，此時(shí)處于點(diǎn)，不需改變輸出電壓值。滿足，此時(shí)斜率大于0，所以要發(fā)出升壓命令。滿足，此時(shí)斜率小于0，所以要發(fā)出降壓命令。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)很明顯，它能在光照突變條件下以平穩(wěn)的方式調(diào)節(jié)輸出功率，始終保持在點(diǎn)左右。如圖3-24為電導(dǎo)增量法流程圖。圖2-25電導(dǎo)增量法流程圖（3）擾動(dòng)觀察法(P&O)的跟蹤精度非常高,大量應(yīng)用于光伏發(fā)電當(dāng)中。當(dāng)溫度和光照強(qiáng)度不變時(shí)，太陽(yáng)能電池的P-U曲線有個(gè)峰值。先讓輸出電壓逐步增大，將功率P對(duì)U求導(dǎo)，判斷比較和0的大小關(guān)系。滿足，則可以判斷，此刻的功率點(diǎn)位于左側(cè)，所以繼續(xù)加壓。滿足，則可以判斷，此刻的功率點(diǎn)位于右側(cè)，所以需要減壓。通過(guò)不斷地檢測(cè)電流和電壓的瞬時(shí)值，進(jìn)行比較之后，發(fā)出是否有增減電壓的指令，從而使，此時(shí)達(dá)到的功率點(diǎn)就是輸出功率最大值點(diǎn)。通過(guò)以上算法原理分析：擾動(dòng)觀測(cè)法也有很多優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)單易行是該算法最大的優(yōu)點(diǎn)。但是，它也存在弊端，自尋優(yōu)搜索是它的控制思路，該算法對(duì)外界環(huán)境的變化是不能直接感應(yīng)到的，而是通過(guò)一個(gè)傳感器，將外界信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以此來(lái)判斷MPP點(diǎn)，從而實(shí)行對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，這樣，在MPP點(diǎn)附近就很容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生誤判現(xiàn)象[31]。圖2-25最為擾動(dòng)觀察法流程圖。以上敘述的3種常見的MPPT算法，它們的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)顯而易見圖2-26擾動(dòng)觀察流程圖2.4.2最大功率跟蹤算法MPPT中應(yīng)該包含光伏陣列、MPPT算法、PWM模塊和DC-DC變換電路這四個(gè)部分。本課題所采用的MPPT算法是擾動(dòng)觀測(cè)法(P&O)，光伏陣列是將圖3-6單個(gè)光伏電池模塊通過(guò)串并聯(lián)而形成的陣列；想實(shí)現(xiàn)光伏電池發(fā)出的功率保持在最大功率點(diǎn)處，還需要一個(gè)核心器件，那就是MPPT控制模塊，這個(gè)模塊的功能很明確，通過(guò)一定的MPPT算法控制，為Boost升壓電路提供所需要得占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制輸出信號(hào)對(duì)Boost電路MOSFET的驅(qū)動(dòng)控制[12]。2.4.3Boost升壓電路簡(jiǎn)介基本的Boost升壓電路如圖2-27所示。其中直流電壓由光伏電池輸出的電流與受控電流源連接提供直流電壓；本仿真光伏陣列輸出電壓約為85V,升壓后輸出電壓約為350V，電容值C1=680e?6F,電感值L=22e?6H,圖2-27Boost升壓電路基本原理圖升壓斬波電路中：UO=tontIO=I1?α式中為輸出電壓，為輸入電壓，為MOSFET管導(dǎo)通時(shí)間，為MOSFET管關(guān)斷時(shí)間，為輸出電流，為輸入電流，為占空比。顯然，這就是升壓的原理所在。為升壓比，輸出不同電壓值就是通過(guò)調(diào)節(jié)升壓比實(shí)現(xiàn)的。為升壓比的倒數(shù)，所以升壓比和導(dǎo)通占空比有種關(guān)系可表示為：，進(jìn)而，輸出電壓也可以寫作為：。因?yàn)檩敵鲭妷嚎烧{(diào)，因此，升壓斬波電路和降壓斬波電路一樣，都可以看作是直流變壓器。表4boost電路各元件具體參數(shù)元器件數(shù)值升壓前直流電壓約85V升壓后直流電壓約350V電容C1680e-6F電容C260e-6F電感L22e-6H可以假設(shè)，MOSFET管的支路已關(guān)斷許久，而且電路中都是處于理想狀態(tài)下的元器件，顯然，光伏電池的輸入電壓就等于電容C1和C2的端電壓?？赏ㄟ^(guò)充放電兩個(gè)過(guò)程來(lái)簡(jiǎn)單理解這個(gè)電路：充電時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，MOSFET支路被短接。此刻，輸入電流I也流經(jīng)L。二極管D是避免電流倒流的。隨著輸入直流電流的不斷增加，電感L會(huì)儲(chǔ)存一定能量。放電時(shí)，MOSFET截止，因有電感的存在，它會(huì)阻礙電流變化，所以，流經(jīng)電感L的電流I不會(huì)立刻衰減至零，它會(huì)由開始放電時(shí)的初始值緩緩衰減到0。但是MOSFET支路早就截止，電感L就開始給后側(cè)電容充電。電感L和電容C共同給端負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)提高電壓值目的。通過(guò)重復(fù)控制MOSFET支路通斷，可在輸出端得到高的直流電壓。如圖2-28為Boost升壓電路仿真模塊封裝圖，圖2-28為Boost升壓電路仿真的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖2-28Boost升壓電路仿真模塊封裝圖圖2-29Boost升壓電路仿真內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.4.4光伏電池最大功率跟蹤算法模型的搭建與仿真分析圖2-30是在MATLAB/Simulink中仿真出PWM模塊封裝圖，PWM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-31。圖2-30PWM模塊封裝圖

圖2-31PWM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖從MPPT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖不難理解，MPPT的工作原理是對(duì)光伏陣列輸出電流和電壓進(jìn)行采樣。實(shí)現(xiàn)采樣記錄數(shù)據(jù)，加入零階保持器和memory模塊。PWM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中，需要發(fā)出一個(gè)三角波載波信號(hào)，這就需要設(shè)置RepeatingSequence模塊內(nèi)部參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2-33為光伏電池最大功率跟蹤模型圖，圖2-34為Boost升壓電路升壓前后電壓對(duì)比圖。圖2-33光伏電池最大功率跟蹤模型圖2-34Boost升壓電路升壓前后電壓對(duì)比圖

3光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)3.1單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與基本原理光伏逆變器原件的作用是將光伏電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電并入到電網(wǎng)中，是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)倪x擇不但能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)，從而讓整個(gè)系統(tǒng)安全、可靠、高效的運(yùn)行，也能延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命，從而降低投資的使用成本。所以根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況合理選擇光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是十分重要的。根據(jù)系統(tǒng)中是否存在隔離變壓器，可將光伏并網(wǎng)逆變器劃分成隔離型和非隔離型兩大種，更詳細(xì)的分類如圖3-1所示。圖3-1光伏逆變器的種類單相光伏并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-2所示，主電路分為以下幾環(huán)節(jié)①光伏電池陣列②最大功率點(diǎn)跟蹤環(huán)節(jié)③單相全橋逆變環(huán)節(jié)④低通濾波器⑤電網(wǎng)⑥檢測(cè)電路⑦控制回路，從而實(shí)現(xiàn)逆變電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相，從而滿足并網(wǎng)條件。圖3-2單相光伏并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)涔夥孀兤骰驹恚汗夥⒕W(wǎng)逆變器是將光伏電池所產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電然后向電網(wǎng)供電的設(shè)備。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)控制的主要因素在于光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，它控制的目標(biāo)是:控制輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相并且穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波電流。3.2并網(wǎng)逆變器的控制方法3.2.1并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的作用是把光伏電池組件生成的直流電轉(zhuǎn)變成交流電，然后轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的交流電并入公共電網(wǎng)從而達(dá)到向電網(wǎng)供電的目的。圖3-3是逆變系統(tǒng)在正常工作的狀態(tài)下的等效電路圖，其中Uab作為并網(wǎng)逆變器輸出端的電壓，UUab=jwL+由上式3-1可知光伏逆變器并網(wǎng)矢量圖3-3，因?yàn)樵诓⒕W(wǎng)逆變器的輸出端存在濾波電感L，所以光伏逆變器輸出端的交流側(cè)電壓Uab與公共電壓Unet之間存在著相位差，因此要達(dá)到輸出端輸出電流I與電網(wǎng)電壓Unet同相的目的，公共電網(wǎng)電壓U3.2.2并網(wǎng)逆變器的輸出控制模式對(duì)并網(wǎng)逆變器的輸出控制來(lái)言，分為兩種主要控制：電流型和電壓型控制。電壓型控制模式的基本原理是把逆變器輸出電壓當(dāng)控制系統(tǒng)的受控量，從而用它來(lái)保證電網(wǎng)電壓與逆變器輸出的交流電壓信號(hào)達(dá)到同頻同相，這個(gè)時(shí)候受控電壓源就可以是整個(gè)光伏逆變系統(tǒng)，而且這個(gè)電壓源的內(nèi)阻很小;電流型控制模式的原理與電壓型控制模式相反，它這個(gè)控制系統(tǒng)的受控量是逆變器輸出端的電感電流，用它來(lái)保證電網(wǎng)電壓與逆變器輸出的交流電壓信號(hào)達(dá)到同頻同相，這個(gè)時(shí)候受控電流源就可以是整個(gè)光伏逆變系統(tǒng)就，而且這個(gè)電流源內(nèi)阻比較大。上面已經(jīng)著重分析了并網(wǎng)逆變器正常工作時(shí)的并網(wǎng)矢量圖和等效電路圖，如圖3-4所示，系統(tǒng)控制的關(guān)鍵量是光伏并網(wǎng)逆變器中逆變部分矢量圖中的電流I，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)電流控制的目的，主要有兩種方法:一種通過(guò)控制逆變器輸出端的電壓來(lái)間接控制IL,我們稱之為間接電流控制。另一種直接控制I（1）電流滯環(huán)控制把實(shí)際的指令電流信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，它們兩個(gè)的差值送入滯環(huán)比較器，從滯環(huán)比較器輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制逆變橋，其控制框圖如圖3-5所示。這種控制方法簡(jiǎn)單可靠，只要搭建模擬電路就可以使其實(shí)現(xiàn)。遇到開關(guān)管用了較高開關(guān)頻率時(shí)，收到很快響應(yīng)的速度，并且自身受負(fù)載及其電路參數(shù)的影響不大。但在設(shè)計(jì)滯環(huán)寬度多數(shù)采用固定的數(shù)值，這樣做的后果將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)PWM開關(guān)周期中，開關(guān)管頻率經(jīng)常改變，設(shè)計(jì)濾波器會(huì)比較困難，不會(huì)輕易獲得良好的濾波效果。圖3-5電流滯環(huán)控制原理圖（2）三角波比較控制將反饋電流信號(hào)與給定電流信號(hào)進(jìn)行比較，相較之后產(chǎn)生的誤差信號(hào)途經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出與高頻三角載波比較生成了PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其控制框圖如圖3-6所示。這種控制的方法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤，同時(shí)積分的引入使其產(chǎn)生電流相移，嚴(yán)重的影響了逆變器輸出的電能質(zhì)量，所以有的時(shí)候只能直接使用P調(diào)節(jié)器。但該方法下開關(guān)管的開關(guān)頻率相同，輸出電流的頻譜不會(huì)改變。圖3-6三角波比較控制原理圖4基于MATLAB的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真4.1仿真環(huán)境簡(jiǎn)介MATLAB是一種設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境，Simulink是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)在MATLAB下進(jìn)行的仿真工具，它可以基于MATLAB的功效下利用直觀的框圖舉行仿真和計(jì)算。Simulink的功效也在不斷強(qiáng)大，有強(qiáng)大且種類繁多的LPM，為轉(zhuǎn)化為它們對(duì)目標(biāo)的影響提供了便利。要想在Simulink平臺(tái)下搭建仿真模型，只需用鼠標(biāo)選中模塊并拖拽和連線所需的模塊就能畫出要做模型的圖畫，并對(duì)它用項(xiàng)目模型將特定于某一具體的影響。Simulink豐富的模塊庫(kù)可以分層次的設(shè)計(jì)模型，其仿真結(jié)果也更加一目了然。在經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如果太過(guò)于繁瑣，分析和編程的方式在這種情況下不能完成建模。此時(shí)Simulink程序利用其功能的完善與性能的優(yōu)越性，數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)就可以被方便快捷地建立起來(lái)。為了給MATLAB提供一種新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖編程與系統(tǒng)仿真專用軟件工具，Mathworks軟件公司在1990年推出了Simulink。它最為突出兩個(gè)新的的功能：Simu（仿真）與Link（連接）。在仿真平面的環(huán)境下，用戶程序的外表面就是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，也就是說(shuō)建模的時(shí)候你需要的控制系統(tǒng)模型可以在模型窗口上直接通過(guò)鼠標(biāo)“畫”出來(lái)，接下來(lái)利用Simulink，它可以提供輸入源模塊，這種模塊可以直接對(duì)結(jié)構(gòu)圖所描述的系統(tǒng)施加激勵(lì)，最后再利用Simulink提供的輸出口模塊，從而可以準(zhǔn)確的獲得系統(tǒng)的輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)或時(shí)間響應(yīng)曲線?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型就是在MATLAB/Simulink中的“Sim

Power

systems”基礎(chǔ)上搭建而成的。4.2仿真模型搭建根據(jù)系統(tǒng)模型，建立仿真模型。采用光伏電池模塊從而進(jìn)行模擬+++光伏發(fā)電的進(jìn)程，電壓峰值取311.5V，頻率為50Hz，假設(shè)設(shè)計(jì)逆變器的功率為10kW，可以得到并網(wǎng)電流峰值為7.5A。搭建的仿真模型如圖4-1所示，包括單相全橋逆變器、PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器、PI控制器、濾波電感。其中控制器設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的跟蹤,減小幅值偏差、相位偏差，增強(qiáng)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)的能力。仿真時(shí)采用的參i9數(shù)如下：三角載波頻率設(shè)為10kHz，設(shè)計(jì)濾波電感為30e-3H，串聯(lián)等效電阻0.01Ω，Kiq參數(shù)設(shè)置為20.681，Kp參數(shù)為0.898。圖4-1采用PI控制器的并網(wǎng)逆變器仿真模型如下圖4-2所示，仿真模型中的電感L的參數(shù)設(shè)置為30e-3H，等效電阻R參數(shù)設(shè)置0.01Ω。圖4-2電感L和等效電阻R的參數(shù)如下圖4-3所示，用交流電壓源模擬實(shí)際額電網(wǎng)電壓，其峰值為311V，頻率為50H圖4-3模擬電網(wǎng)電壓參數(shù)如下圖4-4所示，PI控制器中Ki參數(shù)設(shè)置為20.6815，Kp參數(shù)為0.8989。圖4-4PI控制器參數(shù)PLL鎖相環(huán)節(jié)設(shè)置如下圖4-5所示，圖4-5PLL鎖相環(huán)參數(shù)4.3運(yùn)行結(jié)果與分析設(shè)置仿真的時(shí)間為0.5s?？梢缘玫侥孀兤鬏敵龅腟PWM波形，如圖4?7所示。經(jīng)濾波器濾波后可以得到并網(wǎng)電流的波形圖，如圖4?8所示。圖4-7逆變器輸出SPWM波形圖4-8并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓如圖4?7所示，逆變器可以成功運(yùn)轉(zhuǎn)，在濾波器的作用下消除了諧波對(duì)并網(wǎng)電流的影響。由圖4?8并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓也保證了同頻同相，并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)輸送有功功率，達(dá)到了光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)目的。結(jié)論太陽(yáng)能發(fā)電一方面減少了環(huán)境污染，另一方面緩解了越來(lái)越緊張的能源危機(jī)，太陽(yáng)能發(fā)電的研究和發(fā)展具有重大意義。本論文深入了解了單相光伏并網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理。第一步了解了逆變器的幾種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而確立了本論文研究的方向，然后學(xué)習(xí)并且搭建了光伏電池的仿真模型學(xué)習(xí)了逆變器的控制SPWM技術(shù)，最后，利用光伏電池模型，構(gòu)筑光伏電池模塊，利用PI控制器，搭建并網(wǎng)逆變器的Simullink仿真模型，分析并得到了仿真結(jié)果。論文分析并研究得出結(jié)論:通過(guò)控制并網(wǎng)電流，從而可以達(dá)到對(duì)并入電網(wǎng)的交流電流與公用電網(wǎng)電壓頻率和相位都相同的目的。但由于本人的學(xué)識(shí)和能力水平一般，本研究的課題只做到對(duì)一些基礎(chǔ)理論知識(shí)的驗(yàn)證和分析，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，沒有搭建硬件設(shè)備，也沒有涉及到對(duì)仿真模型的優(yōu)化以及孤島效應(yīng)的研究等。在認(rèn)識(shí)到自己的不足之后，應(yīng)努力學(xué)習(xí)光伏并網(wǎng)的相關(guān)知識(shí)，希望有機(jī)會(huì)能系統(tǒng)的完成光伏并網(wǎng)的整個(gè)過(guò)程。參考文獻(xiàn)1徐溢秀.基于MATLAB的單相組串型光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文],杭州：杭州電子科技大學(xué),2017.2蘇倚.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的研究：[學(xué)位論文],大連：大連海事大學(xué),2018.3唐洪良,鄭軍,楊強(qiáng).直流微型電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù).電工電氣,2014(10):1-6.4袁樂,楊喜軍,唐厚君,盧廣震.單相光伏并網(wǎng)逆變器共模電壓抑制的分析.變頻器世界,2017(11):66-79.5A.E.Gorodetsky,V.L.Bukhovets,A.V.Markin,V.L.Voytitsky,T.V.Rybkina,R.Kh.Zalavutdinov,A.P.Zakharov,V.I.Zolotarevsky,I.A.Arkhipushkin,L.P.Kazansky.OntheChangeintheReflectanceofМо(111)MirrorsafterExposuretoD2–N2

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