發(fā)布時間：2016-03-15 08:26

1  緒論 

1.1  課題研究的背景及意義 
自第一次工業(yè)革命以來世界的經(jīng)濟得到了快速發(fā)展，而經(jīng)濟的增長離不開能源的推動，然而，煤炭、石油以及天然氣這些都是不可再生的，總有一天它們會枯竭。在 21世紀就有人預(yù)測全球化石能源的可開采時間為 328 年，這些數(shù)據(jù)告訴我們，非可再生能源的儲量已經(jīng)是寥寥無幾了[1]。 化石燃料的燃燒會釋放很多的二氧化碳、二氧化硫，這會造成嚴重的環(huán)境問題，如最近幾年頻繁發(fā)生的厄爾尼諾現(xiàn)象，酸雨的形成，沙漠化日益擴大以及近年來霧霾的日趨嚴重，嚴重危害了地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡，使人類自己和其它生物都陷入了巨大的環(huán)境污染問題中。尤其是在最近的幾十年里，伴隨著全世界工業(yè)化的飛速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境遭到了前所未有的破壞[2]。 傳統(tǒng)能源的枯竭及其在使用中給生態(tài)系統(tǒng)帶來的環(huán)境污染成為了全球所面臨的重大難題，為了解決這些難題，全球都在尋找一種新的綠色可再生能源來補充或替代化石能源。目前常用的可再生能源有水力、太陽能、風力、潮汐能、生物質(zhì)能等。太陽能發(fā)電與傳統(tǒng)能源、地熱以及風力發(fā)電相比，太陽能發(fā)電具有許多獨特的好處[3]，大體可以概括為： （1）太陽能資源的無限性：太陽能輻射取之不盡、用之不竭； （2）發(fā)電原理比較先進：直接實現(xiàn)從光能到電能的轉(zhuǎn)換，沒有中間過程； （3）清潔環(huán)保：發(fā)電過程中不對環(huán)境造成污染； （4）維護管理：發(fā)電過程可以實現(xiàn)無人看守，易維護； （5）沒有機械旋轉(zhuǎn)部件：不存在機械磨損，無噪聲； （6）建造和拆卸特性：系統(tǒng)使用模塊化結(jié)構(gòu)，便于安裝、拆卸和擴大容量； （7）使用性能和時間問題：性能比較穩(wěn)定，使用周期可以達到數(shù)十年。
........

1.2  國內(nèi)外光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀 
1839 年，法國科學家貝克勒爾首次發(fā)現(xiàn) “光伏效應(yīng)”，使得光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展有了堅實的理論依據(jù)，成為太陽能利用歷史上的一大里程碑；1954 年，貝爾實驗室首次制成單晶硅光伏電池，其轉(zhuǎn)換效率為 6%。光伏發(fā)電技術(shù)在 20 世紀 70 年代的全球石油危機和 90 年代的環(huán)境污染問題的影響下有很大程度的發(fā)展。 為了盡快改變能源結(jié)構(gòu)，促進光伏市場的發(fā)展，近年來，各國均出臺一系列鼓勵的政策，使得光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展飛速。全世界在 1994 年累計光伏安裝量為 502MW，1999 年為 1150MW，2008 年飛速的增加到了 16GW，2009 年則達到了 23GW，在 2010 年幾乎達到了 40GW，每年可產(chǎn)生 50TWh 電能，2000-2010 年全球光伏市場安裝總量如表 1.1所示[5]。 上世紀 80 年代，美國首個完成了拋物面槽光伏發(fā)電站的建設(shè)，世界各國也相繼籌建太陽能發(fā)電廠，如：德國、俄羅斯、瑞士等；1990 年，德國首個推出了中小功率的并網(wǎng)計劃——“一千屋頂計劃”，而在 1998 年推出的“10 萬屋頂計劃”使其光伏產(chǎn)業(yè)有了更為廣闊的發(fā)展；1992 年，日本光伏發(fā)電系統(tǒng)和電力公司實行聯(lián)網(wǎng)政策，94 年和 97 年又分別實施“朝日七年計劃”和“七萬屋頂計劃”，截止到 2000 年，擁有個人太陽能發(fā)電設(shè)備的用戶達到了 7 萬戶左右；1998 年，意大利實行“全國太陽能屋頂計劃”，總?cè)萘?50MW；次年，菲律賓也開始實施太陽能計劃[6]。截至到 2011 年，世界光伏市場累計安裝總量已經(jīng)達到 45GW，其中歐洲占到 76%的份額，僅德國就占 44%的份額。 西方發(fā)達國家對光伏發(fā)電技術(shù)上的研究起步較早，對并網(wǎng)逆變器市場研究也較為成熟，2012 年度按市場份額排名前五位為德國的 SMA、奧地利的 Fronius、德國的 Kaco、美國的 Power One、瑞士的 Sputnik。 
........

2  雙級式并網(wǎng)逆變系統(tǒng)主電路研究

2.1  系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)的研究  
光伏并網(wǎng)單相非隔離型的雙級式逆變系統(tǒng)，綜合了沒有隔離變壓器帶來的能量損耗以及雙級式并網(wǎng)系統(tǒng)的前后級控制方法相互獨立實現(xiàn)、降低了系統(tǒng)控制過程的復(fù)雜度這兩大優(yōu)勢，本課題以雙級式逆變系統(tǒng)為研究對象，并對其控制算法進行研究。圖 2.1 為典型的光伏并網(wǎng)雙級式單相非隔離型逆變系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，由光伏電池、直流轉(zhuǎn)換電路、全橋型逆變電路以及濾波環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中，直流轉(zhuǎn)換電路采用具有升壓作用的 boost 電路，濾波環(huán)節(jié)采用 L 型濾波器。 在對光伏電池的研究過程中使用的是錦州新世紀石英玻璃有限公司生產(chǎn)的JNC300M6-72 型號光伏組件，光伏電池是用 12 塊這種型號的光伏組件所組成的，其連接方式為六串兩并。在標準的狀態(tài)下（即溫度 T 是 25℃，光照強度 S 是 1kw/s2），單個光伏組件的參數(shù)如表 2.1 所示。對于光伏電池的建模、輸入輸出特性的討論以及 MPPT算法的研究在第三章進行詳細的闡述，本章集中對其中直流升壓電路、全橋逆變電路與濾波環(huán)節(jié)的部分進行分析與參數(shù)設(shè)計。 光伏電池內(nèi)部的直流電，流經(jīng) boost 電路將其升壓后，轉(zhuǎn)變成較高等級的直流電壓供給逆變電路，逆變電路把它轉(zhuǎn)換為交流電，在經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)去除交流電中的高頻諧波，進而產(chǎn)生符合并網(wǎng)要求的高品質(zhì)正弦波。 
........

2.2  Boost 電路分析 
由上節(jié)可知，boost 電路可將由光伏陣列產(chǎn)生的較低電壓等級直流電轉(zhuǎn)化為高電壓等級的直流電，實現(xiàn)系統(tǒng) MPPT 的控制。本節(jié)就對 boost 電路的工作原理，以及為何能實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的 MPPT 控制進行簡單的理論分析。 并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的核心部分，并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)種類較多，所以，可以根據(jù)實際的需求及研究目的，選擇合適的并網(wǎng)逆變電路主電路拓撲結(jié)構(gòu)，可以提高整個并網(wǎng)系統(tǒng)的效率和性能。本小節(jié)將對并網(wǎng)逆變器的各種拓撲結(jié)構(gòu)進行分析，進而選擇本文采用的逆變器類型以及輸出控制方式。 逆變電路可按照直流電源性質(zhì)的差異劃分成兩種：以電壓源作為直流側(cè)的叫做電壓型逆變電路，以電流源作為直流側(cè)的叫做電流型逆變電路。電壓型光伏并網(wǎng)逆變電路的直流側(cè)需接一大電容，用以穩(wěn)定直流側(cè)電壓。電流型光伏并網(wǎng)逆變電路直流側(cè)需接一大電感，用以穩(wěn)定直流側(cè)電流。由于電流型逆變電路需要大電感，故該類型的電路體積較大、成本較高，并且由于大電感的存在會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，因此，在實際中應(yīng)用較少。 如圖 2.4 所示，單相逆變電路主要包括三種類型：半橋逆變、全橋逆變以及帶中心抽頭變壓器的逆變電路。 半橋逆變電路的結(jié)構(gòu)比較簡單，電路中所需的元件相對較少。其缺點是交流側(cè)輸出電壓的幅值僅為直流側(cè)輸入電壓幅值的一半，并且還要控制兩個電容器的電壓保持均衡。 
.........

3  光伏電池輸出特性及 MPPT 算法的研究..... 20 
3.1  光伏電池的工作原理及建模 ........ 20 
3.2  光伏電池輸出特性分析 .... 21 
3.3  最大功率點跟蹤原理 ........ 23 
3.4  幾種常用的最大功率點跟蹤算法 ...... 23 
3.4.1  固定電壓法....... 23 
3.4.2  擾動觀察法....... 24 
3.4.3  電導(dǎo)增量法....... 25 
3.5  變步長擾動觀察法的研究 ...... 26 
3.6  本章小結(jié).... 31 
4  單相光伏并網(wǎng)逆變器控制方法的研究 ......... 32 
4.1  光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標 ........ 32
4.2  逆變系統(tǒng)控制方案的設(shè)計 ...... 33 
4.3  單相光伏并網(wǎng)逆變電路的數(shù)學模型 ........ 34 
4.4  并網(wǎng)逆變器常用的控制方法 ........ 36 
4.5  并網(wǎng)電流控制器的研究 .... 37 
4.5.1 PR 控制器的分析 .... 38 
4.5.2  基于 PR 控制器的電流環(huán)控制 ...... 40 
4.6  本章小結(jié).... 40 
5  系統(tǒng)仿真分析....... 42 
5.1  變步長擾動觀察法的仿真分析 .... 42 
5.2  并網(wǎng)控制方法的仿真分析 ...... 45 
5.3  光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真分析 .... 46 

5  系統(tǒng)仿真分析 

根據(jù)第三四章對控制方法的研究，本章首先對前級直流升壓電路、后級逆變電路建模，分別驗證 MPPT 控制以及并網(wǎng)控制算法的控制效果。然后對將 MPPT 控制和并網(wǎng)控制算法同時應(yīng)用于整個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，通過對并網(wǎng)電流、直流母線電壓的仿真波形分析，驗證系統(tǒng)的整體控制效果。 

5.1  變步長擾動觀察法的仿真分析

標準狀態(tài)下 MPPT 算法的仿真波形圖如圖 5.2 所示，其中，圖（a）為兩種跟蹤算法的功率波形、圖（b）為兩種跟蹤算法的電壓波形、圖（c）為穩(wěn)定時刻的功率振蕩波形。由圖 5.2 可以看出，兩種控制方法均能跟蹤到系統(tǒng)的最大功率 3600W 處，并且在達到 MPP 后一直非常穩(wěn)定工作的此工作點附近。變步長擾動觀察法在 0.03 秒左右就能跟蹤到 MPP，而傳統(tǒng)的擾動觀察法在 0.09 秒左右才能跟蹤到 MPP。由于變步長擾動觀察法與傳統(tǒng)的擾動觀察法在 MPP 附近的擾動步長相同，均為 0.0001，因此在 MPP 處的振蕩相同，從圖 7（c）可以看出功率振蕩較小，最大和最小功率差小于 1W，跟蹤效果較好。 仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)的擾動觀察法和變步長擾動觀察法都能夠跟蹤到 MPP 處，且在 MPP 處功率振蕩較小，跟蹤效果較好，但是顯然變步長擾動觀察法能夠更加快速的跟蹤的 MPP。 

........

結(jié)論 

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭及其帶來的環(huán)境問題和生態(tài)問題的日益嚴重，可再生的清潔能源受到全世界的關(guān)注，其中，太陽能以其能量的無限性、清潔等特點成為研究的熱點。論文以非隔離型單相兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，，對系統(tǒng)的主電路、參數(shù)的設(shè)計、控制策略等進行了研究，其中涉及到的控制有前級 MPPT 控制、后級并網(wǎng)控制以及直流母線電壓的穩(wěn)定。論文主要工作與總結(jié)如下： 
（1）概述了光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究背景、意義以及不同分類方式下的光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，分析了各種拓撲結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)的組成、要實現(xiàn)的控制以及各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，并介紹了 MPPT 控制和并網(wǎng)控制常用的控制方法及其優(yōu)缺點。 
（2）對雙級式并網(wǎng)逆變系統(tǒng)主電路進行了研究。介紹了系統(tǒng)主電路的拓撲結(jié)構(gòu)，通過對 boost 電路、逆變電路的工作原理進行分析，給出了如何在 boost 電路實現(xiàn) MPPT控制以及選擇雙極性調(diào)制方式下的全橋逆變電路的依據(jù)。最后并對系統(tǒng)主電路的主要參數(shù)進行了設(shè)計。 
（3）對 MPPT 跟蹤算法進行了研究。對光伏電池的仿真曲線進行了分析，研究了光伏電池的強烈的非線性特征以及溫度和光照強度對輸出特性的影響。然后介紹了幾種常用的 MPPT 算法，分析了其控制過程及優(yōu)缺點。最后針對傳統(tǒng)擾動觀察法存在的優(yōu)缺點，采用了一種變步長的擾動觀察法，在 MPP 附近采用較小的擾動步長，在離 MPP 較遠處采用較大的擾動步長，這樣兼顧了跟蹤速度和精度。 
（4）對光伏并網(wǎng)控制策略進行了研究。明確了逆變系統(tǒng)的控制目標以及控制方案，采用雙環(huán)控制方案，電壓環(huán)用來穩(wěn)定直流母線電壓，電流環(huán)實現(xiàn)并網(wǎng)電流控制，并介紹了幾種常用的逆變器控制策略。最后，對電流環(huán)的控制器進行了設(shè)計，采用三角波控制方式，其中內(nèi)環(huán)控制器使用 PR 控制器。
.........
參考文獻(略)  

本文編號：34801