单相光伏并网系统的MATLAB仿真研究硕士学位4889723.doc

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1、天津理工大学研究生学位论文 单相光伏并网系统单相光伏并网系统的的 MAMATLABTLAB 仿真研究仿真研究 （申请硕士学位）（申请硕士学位） Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for the Masters Degree The Study of grid-connected Photovoltaic system Based on MATLAB Simulation By Bian Ce Supervisor Prof. Wang Yun-liang January, 2014 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学

2、位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津理工大学 有关保留、使用学位论文 的规定。特授权 天津理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意

3、学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘要摘要 随着我国全年国内生产总值的不断提高，对不可再生能源的依赖明显过度。目前， 能源危机问题日益明显，所以，新型能源的应用受到了越来越多的重视。其中，太阳 能的可再生性以及清洁性等特点使其备受世界各国的关注，光伏并网系统也成为新型 能源开发领域的一个重点发展方向。本文从提高光伏系统并网稳定性的角度出发，对 光伏并网发电系统中的电池特性、逆变器控制策略、孤岛检测等问题开展了深入研究。 本文首先对光伏并网系统的背景及意义

4、进行了介绍，对光伏并网系统的构成及应 用进行了分析。之后，在 MATLAB/SIMULINK 环境下对模型进行了仿真，分析光强 和温度对其输出的影响。 然后，对目前常用的几种光伏并网控制策略进行了介绍，在进行比较后得出：使 用电网电压前馈和锁相环技术的复合控制效果更为理想，并且在 MATLAB 环境下的总 谐波畸变率更小；另外，研究了并网系统在孤岛效应下的影响问题，对常见的孤岛效 应检测方式进行了改进，缩短了反应时间，提高了并网系统的可靠性。 关键词：关键词：太阳能 光伏并网 MATLAB 仿真 逆变 孤岛效应 Abstract With the continuous improvement

5、of the annual gross domestic product (GDP), China has an excessive dependence on non-renewable energy obviously. The energy crisis has become increasingly apparent at present. So, the application of new energy has been more and more attention. Among them, solar energy has attracted many attentions o

6、f the world by its characteristics such as renewable and clean. Photovoltaic (PV) grid-connected system has become a focus in the field of new energy development. In order to improve the stability of the PV grid-connected system, this article has carried out in-depth study on the battery characteris

7、tics of PV grid-connected power generation system, inverter control strategy and the island detection problem. Firstly, this paper introduced the background and significance of PV grid system. The composition and application of PV grid-connected system are. Then the PV cell model was simulated in th

8、e MATLAB/SIMULINK environment, the effect of light intensity and temperature on the output was analyzed. Afterwards several kinds of PV grid-connected control strategies were introduced. After comparison we concluded that: the compound control strategy, which based on the combination of phase-locked

9、 loop (PLL) technique and feed-forward control of voltage, shows a better effect and the total harmonic distortion (THD) was reduced. In addition, the influence of grid-connected system has been analyzed under the islanding issues. The common way of islanding detection was improved. The reaction tim

10、e was reduced; the reliability of the grid-connected system was increased. Key words: solar power, PV grid-connected, MATLAB simulation, inverter, islanding - i - 目目 录录 第一章第一章绪论绪论 .1 1.1 本课题研究背景与意义 1 1.1.1 当今社会的能源现状.1 1.1.2 太阳能资源及特性.1 1.1.3 太阳能源的利用方式.2 1.2 光伏发电发展现状和前景 3 1.2.1 国外发展现状及前景 .3 1.2.2 国内发展

11、现状及前景 .4 1.3 本文研究的主要内容 6 第二章第二章光伏发电系统和光伏电池光伏发电系统和光伏电池 .7 2.1 光伏发电系统概述 7 2.1.1 光伏发电系统构成 .7 2.1.2 光伏发电系统分类及应用 .8 2.1.3 光伏发电系统的主要研究问题 .9 2.2 光伏电池的工作原理述 .10 2.3 光伏电池输出特性 .11 2.3.1 光伏电池等效电路 11 2.3.2 光伏电池的输出特性 13 2.4 光伏电池的建模与仿真研究 .15 2.5 本章小结 .19 第三章第三章光伏并网逆变器主电路研究与设计光伏并网逆变器主电路研究与设计 20 3.1 光伏并网逆变器拓扑结构 .20

12、 3.1.1 非隔离型并网逆变器 20 3.1.2 隔离型并网逆变器 21 3.2 并网逆变器的技术指标 .22 3.3 光伏并网逆变器主电路设计 .23 3.4 输出滤波参数设计 .25 3.4.1 调制方式的确定25 3.4.2 LC参数设计 .26 3.5 本章小结 .28 第四章第四章光伏并网逆变器控制策略的研究光伏并网逆变器控制策略的研究 29 4.1 并网系统的电流控制策略 .29 4.2 基于电网电压前馈和锁相环技术的复合控制策略 .30 4.2.1 电网电压前馈控制30 4.2.2 PI 控制 .31 - ii - 4.2.3 锁相环技术33 4.3 并网逆变器的仿真与分析 .

13、35 4.4 本章小结 .39 第五章第五章 光伏并网系统的孤岛效应检测光伏并网系统的孤岛效应检测 40 5.1 孤岛效应 .40 5.2 孤岛检测标准 .42 5.3 孤岛检测方法 .43 5.3.1 被动检测法43 5.3.2 主动检测法43 5.4 孤岛检测的仿真研究 .45 5.4.1 AFD 算法的具体实现 45 5.4.2 AFD 的仿真研究 46 5.5 本章小结 .50 第六章第六章 结论与展望结论与展望 51 6.1 工作总结51 6.2 未来工作展望51 参考文献参考文献 .52 发表论文和科研情况说明发表论文和科研情况说明 .55 致致 谢谢 .56 第一章 绪论 - 1

14、 - 第一章第一章绪论绪论 1.1 本课题研究背景与意义 现代社会，能源，作为一种必不可少的发展动力来源，一直被大量消耗着。从平 时生活中的水、电、气到人类所需求的娱乐、通信、交通都和能源保存着密切的联系。 而在当今社会科技飞速发展的前提下，现有能源已不能满足社会的需求。尤其石化能 源的不可再生性与开发、利用环节中所产生的污染问题日益严峻，已经成为了制约社 会发展的主要瓶颈。为了推进人类世界的发展，改变能源结构，开发利用新型能源成 为了解决未来世界对能源需求的必经之路。 而太阳能，作为一种接近无限量的新型能源，其在开发和利用的过程中具有清洁、 安全等特点，成为了不可再生能源的主要替代品1。开发

15、利用光伏能源的形式有很多， 其中光伏并网发电系统作为倍受人们关注的形式之一，应用领域十分广泛2。所以， 对光伏并网发电系统开展深入而广泛的研究，对于促进环境保护、解决能源危机以及 帮助人类社会经济的稳定发展等都具有重大而深远的意义3。 1.1.1 当今社会的能源现状 根据美国石油协会统计结果表明，整个地球上的原油可供给人类开采时间不超过 95 年，而且在 2050 年之前，全球的社会发展还是主要由煤炭支撑，以后的两三个世纪 里，这种资源也会面临消失，矿物化石燃料供应将面临枯竭4-6。同时，随着我国近几 十年工业化进度加快，将会使得能源消耗量持续增加，可以预见的是，我国将在不远 的未来面临传统能

16、源濒临枯竭的现实7-8。因此，我们应加快寻求新型替代能源的脚步， 尽快改善并扭转我国能源日益匮乏的状况。 在人类社会来到缺乏能源的时代，由于以往进行经济发展的时候使用了很多污染 性燃料，其生成的污染性气体等引起了许多不好的结果，例如一直加剧的世界气候变 暖、极低融化、酸雨的产生等一系列自然灾害，使得人类赖以生存的地球遭到严重的 破坏9。由此可见，在全世界传统能源日益减少的同时，生态环境的破坏后果却日益 突出。所以，在环境不断恶化和能源濒临枯竭的背景下，寻找没有污染的新型能源已 是迫在眉睫。 1.1.2 太阳能资源及特性 太阳能源是由太阳光的辐射传送到地球的，其中大概只有二十二亿分之一的能量 可

17、以到达地球范围，大概有 1.73106 亿千瓦。这中间再经过大气的吸收、反射，大约 会有百分之五十一到达地表，大概为 8.8105 亿千瓦。其中，可以到达陆地表面的能 第一章 绪论 - 2 - 量，仅剩百分之十，大约为 1.7105 亿千瓦。尽管所剩能量比如此之少，但是如果能 够把这些太阳能利用起来，仍然等同于全球目前消耗总能量的 3.5 万倍，可以说是取之 不尽、 用之不竭。 和煤炭、石油、天然气等燃料相比，太阳能源不仅总量丰富，而且在整个开发利 用的过程中也不会破坏现有的生态环境，它拥有以下几项主要优势10： （1）存在广泛。不一样的地理位置、不同的气候会对太阳能的辐射造成不同程度的 影响

18、，但是，太阳能源对于我们地球上的大多数地区都具有着普遍性，可以进行就地 取用。光伏能源利用前景相对较好的地区约占我国领土总面积的三分之二。 （2） 储量无限。太阳是一颗年轻的恒星，相比于人类存在的时间来讲，它可以供给 我们能量的时间基本上是无穷的，这样，就从根本上解决了传统能源的匮乏问题。 （3） 利用清洁。煤炭、石油等化石燃料的使用过程中，会放出很多有害物质，污染 环境。而在开发利用太阳能源时不会生成污染大气的物质，是比较理想的绿色能源。 （4） 利用经济。太阳能源的经济型需要从两个方面来看待。一是太阳能源就地可取， 无需“缴税” ，更可以接近负载，减少输配电网络的传输损耗。另一方面，虽然在

19、目前 的科技基础下，需要投入很大资金，但是随着科技的发展，相信在不久的将来，人类 能实现太阳能源的技术突破。 1.1.3 太阳能源的利用方式 太阳能源具有多种利用方式，主要类型有以下几种方式，见表 1-1 所示11。 第一章 绪论 - 3 - 表 1-1 太阳能源利用方式一览表 太阳能利用方式内容 发电 直接光发电光伏发电、光偶极子发电 间接光发电 光热动力发电、光热离子发电、热光伏发电、光热温 差发电、光化学发电、光生物电池（叶绿素电池）等 热利用 高温利用 （800） 高温太阳炉、熔炼金属等 中温利用 （200800） 太阳灶、太阳炉热发电等 低温利用 （120 0.16 （2）电网频率

20、太阳能系统接入电网时，其频率允许的变化区间是额定的 98.8%100.8%。我国 规定的工频电网的频率是 50Hz，所以，并网逆变器并入电网的频率波动区间在 49.4 50.4Hz。大于这个限度，并网系统则须从公共电网中断开，不同的电网频率对应的断 开时间如表 3-2 所示。 第三章 光伏并网逆变器主电路研究与设计 - 23 - 表 3-2 频率异常时光伏逆变器的切除时间规定 逆变器功率等级 频率范围/Hz 切除时间/s 50.4 0.16 30kW 49.4 0.16 50.4 0.16 49.847.5 0.161 30kW 47.5 0.16 （3）电压闪变 并网系统通过逆变器并入电网时

21、，造成的波动不可超过电网电压的5%。 （4）并网电流的谐波要求 并网逆变器输出的并网电流谐波应当符合 IEEE Std 929-2000 标准中的规定41，如 表 3-3。 表 3-3 并网逆变器并网电流的谐波限制 谐波次数 h （奇次） h35 总谐波畸 变率 （THD） 百分比/% 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 3.3 光伏并网逆变器主电路设计 如图 3-5，本文中选择了前级升压，后级逆变的拓扑结构。前级的控制是通过改变 开关管的占空比来改变光伏阵列的输出电压，并且实现对最值点的追踪，后级逆变电 路负责将前面传输过来的直流电转化成为与公共电网同频同相的交流电进行并网。在

22、该系统中，前级与后级是互不相干的，整个系统的灵活性较高。系统中，C1为直流侧 制程电容，也是前级 Boost 的输出电容，T2T5为主开关器件，均与二极管反并联， L2为交流输出电感，并且与 C2组成滤波环节。对逆变器的四个开关管进行合理的 PWM 控制，目的是为了让其输出电流以正弦波的形式输送给电网，并与公共电网电压 同频同相，这样就可以实现输出的功率因数接近于 1。 第三章 光伏并网逆变器主电路研究与设计 - 24 - L1 D2 L2 C2 D3 D4 D5 D1 电网UiUo DC/DC变换器DC/AC变换器 LC滤波器 C1 Ii Io T1 T3 T4 T5 T2 图 3-5 两级

23、式光伏发电并网系统等效电路图 （1） 主控开关的选择 主控开关的选择要做好，当下使用的有很多类型，其中 IGBT 既有 MOSFET 管的 通断速度快，输入阻抗高等优良性能特征，又具有阻断电压高与容量大的特点42；所 以在主控开关管的选择上将使用 IGBT。 （2） 逆变器工作方式的选择 输入分为电压源型与电流源型两种 如果把它视作电压源，则需要在系统中使用电容来进行能量保存。系统的直流侧 需要并联一个容量较大的电容来进行缓冲，由此来形成其阻值较小的特性，就是电压 源特性。 如果把它视作电流源型，则需要在系统中使用电感来储存无功，由此来形成其阻 值较大的特性，就是电流源特性。 由于后一种方式会

24、导致整个系统的动态响应变的过低，所以，大多数的并网逆变 器都是采用了前一种方法。 输出可控制为电压源或电流源 电压源控制模式是输出电压当成受控量，并网系统输出一个符合国家标准的电压 信号。如果选用此方法，同时，公共电网作为一个容量无穷大的电源。那么，两个系 统实际上是以并联的方式相结合。在这种情况下，就要对系统的输出电压实施很大力 度的监控。 不过，输出的电压的大小是不容易进行小范围调节的，而且锁相回路反应速度并不快， 以及该系统和公共电网之间也许会发生环流等原因，会致使该系统的失稳，从而引发 事故。基于此，光伏并网系统的输出模式通常都会调制成输出电流源。 调节成电流源型的模式是把输出的电流当

25、成受控量，并网系统发出一个符合国家 标准的电流信号，其等价于一个内阻值极高的受控电流源。逆变器输出的电压会被锁 定为与公共电网电压相等。其中加入不同的控制方式来达到并网电流和电网电压的相 位进行锁定，并使系统的功率因数达到 1 43。 所以，文章中选用了上述特性的并网逆变器为目标，将控制逆变器输出的电流为 波动较小的正弦波，并且与公共电网电压同频同相。 第三章 光伏并网逆变器主电路研究与设计 - 25 - 3.4 输出滤波参数设计 3.4.1 调制方式的确定 采用标准的正弦波作为 PWM 的调制波，即是正弦脉冲宽度调制，简称为 SPWM，该技术是目前应用较多的逆变控制技术之一。 SPWM 技术

26、从输出电压上分为单极性和双极性，单极性是指在每个开关周期内逆 变器的输出电压只有零电平和一个正或负电平，而双极性即是指在每个开关周期内的 输出电压波形都会表达为一正一负。相比较而言，单极性并不适用于半桥电路，而双 极性在半桥、全桥电路中都可以使用，他们的基波性能一致。但是，在线性调制下， 单极性 SPWM 更好。 由于要使系统的输出电感工作在高频环境以此来减小电感的体积、减小损耗、抑 制谐波、提高效率，所以在本文中选用了单极性倍频 SPWM 调制方式。其原理如图 3- 6，呈现为正弦的调制波要和另外的两个极性相对的三角波载波做对比，由此来产生两 对相位彼此互补的脉冲，对全桥逆变器的四个功率开关

27、管的导通及关断进行驱动，从 而使逆变器输出的电压脉宽也呈现正弦分布44。 本文中选择了开关频率为 fs=10kHz，所以逆变其输出的电压实际载波频率为 fc=2fs=20kHz。 第三章 光伏并网逆变器主电路研究与设计 - 26 - t t t t us uc t 0 0 0 0 0 ug3 ug2 ug1 ug4 +ud -ud uo u1 图 3-6 单极性 SPWM 示意图 3.4.2 LC 参数设计 LC 滤波器的参数设计定主要由该电路的载波频率 f c来确定。同时，为了减小损耗， 对流过滤波器的部分频率较高的电流必须进行控制。 首先作为低通滤波器的 LC 滤波器，高于其谐振频率的高次

28、谐波将会以-40dB/dec 进行衰减，而开关次谐波须被抑制，所以它的谐振周期在通常情况下是该电路的载波 周期的 5 到 10 倍，如下式11： （3-1） c 10 1 5 1 2 1 f LC 之后，根据已知，纹波电流为： （3-2） c od L f tD L tuU I 依照单极性 SPWM 原理，当开关频率远大于工频频率时，每个开关周期的占空比 第三章 光伏并网逆变器主电路研究与设计 - 27 - 为： （3-3） d o U tu tD 将（3-3）带入（3-2）可得： （3-4） dc ood L Uf tu L tuU I 由式（3-4） ，当时，IL可以取到最大值ILm，即：

29、 2 d o U tu （3-5） c d Lm 4Lf U I 所以，可以取： （3-6） Lmc d 4If U L 在较为理想的情况下，即在系统中各类干扰均被滤除后，输出的电压纹波最大值： （3-7） C2 1 c Lmom f IU 将式（3-5）带入式（3-7）得： （3-8） C8 c d om Lf U U 2 因此，为了达到限制电压纹波的效果，要求： （3-9） omc d 8Uf U LC 2 根据已经选取的电感值，再结合上式要求，便可以确定滤波电容的取值。 本文所设计的并网逆变器直流端输入电压为 360V，单极性倍频 SPWM 调制方式， 开关频率取 10kHz，变压器输出

30、的电压载波频率为开关频率的两倍。其结构如图 3-7。 第三章 光伏并网逆变器主电路研究与设计 - 28 - L C Ui Uo + + - - + + - - 图 3-7 LC 滤波电路结构图 电感电流纹波设为 20%额定电流，在逆变器输出为 220V/6.6kW 时，设计得到 ILm为 6A，由式（3-6）得，L7.5mH，取 17mH。在通常情况下，最低次高次谐波 要比输出低通滤波器的截止频率大十倍，由式(3-1)得 LC6.3210-9；令输出电压纹波 在 1.5%以下，由式（3-9）得 LC1.08510-8，所以，C1.096F，可取 10F。 3.5 本章小结 本章首先对太阳能并网

31、逆变器的电路结构进行了不同的分组与概括，并且对国际 上较为通用的光伏并网逆变器技术指标做了简单介绍，之后提出了本课题所使用的光 伏并网逆变器的电路拓扑结构，对所选电路拓扑结构的滤波参数设计方法进行了详细 的描述，并通过计算确定了实际取值，为后面章节的系统仿真奠定了基础。 第四章 光伏并网逆变器控制策略的研究制 - 29 - 第四章第四章光伏并网逆变器控制策略的研究光伏并网逆变器控制策略的研究 4.1 并网系统的电流控制策略 （1） 电流滞环比较控制 控制原理如图 4-1 所示。将公共电网的给定 i*和系统发出的 i 作对比，它们的差值 i 就是后面的滞环输入量。当 i 比给定的波动范围要大时，

32、滞环就会发出相应的 PWM 波形来调节开关管的闭合频率，以此来完成并网环节的调节45。 滞环比较器 + - i* i iPWM信号 图 4-1 滞环原理图 该调节方式的硬件部分相对来说简易可行，输出电流的响应时间也很短。只是其 功率器件闭合频率不能一直保持定值，所以，就造成了电流的波动较大，提高了其所 含有的高频谐波。 （2） 定时器对比控制 如图 4-2，若将电流滞环控制里的滞环比较器进行替换的是定时器对比控制，就是 采用这种方式的原理。在正常工作时，需要把各个周期所产生的 i 进行甄别。所以， PWM 发出的波形最快也得在一个周期之后出现改变45,46。这样就会让单位时间内电 子器件的闭合

33、次数减少，明显延长器件的使用寿命。 比较器 + - i* i i PWM信号 时钟信号 图 4-2 定时比较控制图 （3） 三角波比较控制 该控制方式原理图如图 4-3，将公共电网的给定 i*和系统发出的 i 作对比，它们的 差值 i 经过 PI 环后和三角波作对比，之后，产生 PWM 驱动信号。 第四章 光伏并网逆变器控制策略的研究制 - 30 - 比较器 + - i* i i PWM信号 三角波 PI + - 图 4-3 三角波比较控制图 该控制方式的不足是：其功能完成起来难度更大、会出现与载波具有一样频率的 谐波，而系统的动态响应速度相对而言会更差 46。 4.2 基于电网电压前馈和锁相

34、环技术的复合控制策略 在之前概括的一些比较普遍的基本控制方式之外，也存在几种数字控制方式。比 如：重复控制、无差拍 PWM 控制、数字 PID 控制等。在它们之中，数字 PID 控制的 使用更为普遍，因为它具有参数的易于整定等优势。除此以外，各个控制方案的运用 比较少见，主要是因为它们通常比较繁杂，难以完成其功能。 在此论文里，选择了基于 PI 的调节方式，并且融合了电网电压前馈控制减小公共 电网的不稳定，以此来优化并网系统输出的波形。内环部分规定系统发出的信号可以 很快的锁定电网电压的相角、频率，是太阳能并网系统整定里最为重要的一部分，本 文采用了锁相环技术对电流进行控制；而在控制系统中加入

35、电网电压前馈控制可做到 有效抵抗干扰。 4.2.1 电网电压前馈控制 一般的并网系统控制结构如图 4-4 所示47。 G3(s)G2(s)G1(s) ic*+ - PI调节逆变器 Us UN + -ic 滤波器 图 4-4 未加电压前馈的并网系统图 本系统属于有源逆变。因此，该系统不可避免的会因为电网系统其他部分的变化 而产生相应的波动，此时，系统输出的并网电流就会发生畸变。 由图 4-4 得，电网电压不稳定（例如由 UN变为 UN+u）时，则系统并网电流变 化量iC为： 第四章 光伏并网逆变器控制策略的研究制 - 31 - (4-1) usGsGsG sG i 321 1 c 1 即当电网电

36、压突变时，将会使系统失去稳定性。为了消除电网电压的不稳定对系 统的影响，有两种方式可供选择： （1）式(4-1)可看出，若使 且，则可将u 对系统造成的影响基本消除； 1 321 sGsGsG sGsGsG 321 （2）在并网系统中加入电网电压前馈补偿。图 4-5 为具有电网电压前馈补偿的系 统框图。 G3(s)G2(s)G1(s) ic*+ - PI调节逆变器 Us UN + -ic 滤波器 G4(s) 电压前馈 + + 图 4-5 电压前馈并网控制系统结构框图 系统加入补偿后，有： (4-2) sGsGsGsGsUsisGsGGsisi*1421Nc 321 c c s 如果令，则式(4

37、-2)中等号右边的部分可以消除，从而先出电网电压突 sG sG 2 4 1 变对系统造成的影响。 方式(1)虽然能够在理论上消除电网电压不稳定对系统造成的影响，但是其要求系 统的开环增益过大，导致系统稳定裕度很小，并且会伴随着产生电磁干扰等不良后果。 方式(2)在原理来说，是属于选用了开环的特性来补偿检验到的不稳定波形，因此 无法使系统的特性得到改变。在抑制扰动方面，该控制方式能够有效的使系统的影响 范围降低，这样可以降低整个系统的不稳定性。所以，从实际运行的角度出发，选取 在并网系统中加入电压前馈的控制策略可以更好的改善控制效果。 4.2.2 PI 控制 从上文可知，由于本文引入了电网电压前

38、馈的控制策略，对公共电网的电压对逆 变环节的影响进行了补偿，因此，可以对电流的控制环节进行简化，简化成一个不含 有电网电压扰动的控制系统，如图 4-6。 第四章 光伏并网逆变器控制策略的研究制 - 32 - Gpi(s)Ginv(s)GT(s) Iref+ - PI调节逆变器滤波器 Igrid 图 4-6 简化的等效控制框图 系统本身开环传递函数： (4-3) RsLT K sG 1 1s pwm pwm 1 在加入 PI 控制器之后的开环传递函数为： (4-4) RsLsT K s KsK sG 1 1 pwm pwmip 为了获取最佳的性能效果，本文将控制系统设计成为一个二阶系统，使用“二

39、阶 最佳工程设计法”对控制器的 PI 参数进行整定48，二阶闭环系统传递函数一般形式为： (4-5) 21 2 2 1 1 1 TT sTsT s 依照自动控制原理，要让该系统的输出拥有良好的动态特性，就是使系统的输出 量能够迅速、全面的锁定特征值。由此，可求出二阶系统最佳开环传递函数是49： (4-6) sT2sT2 s 11 1 2 1 1 1 令 PI 控制器的传递函数为： (4-7) s K s K K s KsK sG i i p ip pi 1 1 要让并网逆变器中的时间常数KP/Ki能够被 PI 控制器抵消，可设： 第四章 光伏并网逆变器控制策略的研究制 - 33 - (4-8)

40、 L R K K i P 此时，控制系统的开环传递函数是： (4-9) s1 s 1 1 1 1 1 1 ss pwm pwm pwm pwm i i p 1pi T KK R R L s R sT K s K s K K GsGG i 将式(4-6)和式(4-9)对比，可得： (4-10) ipwm 1 KK 2 R T (4-11) pwm1 2 2 1 TT 可解得： (4-12) pwmpwm i T2K K R (4-12) pwmpwm p T2K K L 由上式可得经过校正的系统闭环传递函数： (4-13) 122 1 s1 s s pwm 22 pwm sTsTG G G* P

41、、I 参数的整定建立在控制系统函数模型的基础之上，传统的模型的参数设定仅 仅可以提供部分帮助，并不能对其全面依赖。在现实中进行操作时，必须单独再进行 部分的更改。 4.2.3 锁相环技术 （1）锁相环的工作原理 光伏并网发电系统为了实现并网电流和电网电压的高度同频同相，势必要在其中 加入锁相环环节，其作用可调节并网系统输出的电流频率、相位，使其和电网电压保 持在同步锁定状态50。如图 4-7，为锁相环基本结构框图。它包括鉴相器(PD)，环路 滤波器(LF)和压控振荡器(VOC)51。 第四章 光伏并网逆变器控制策略的研究制 - 34 - 环路滤波器 LF 鉴相器 PD Ui 压控振荡器 VOC

42、 UoUeUd 图 4-7 锁相环结构框图 实际上 PLL 是一个闭环反馈控制，它可以使系统输出相位实时跟踪参考相位，在 锁定后，输出的信号和频率与其输入值相等。鉴相器(PD)可以检测 Ui与 Uo的相位差， 环路滤波器(LF)可以抑制鉴相器产生的噪声信号，之后输出一个直流信号给压控振荡 器(VOC)并使其控制所得信号频率。当锁相环系统稳定时，可得到等式： (4-14)cdio(-)Uk (4-15)ciov(-)/Uk 上式中 i、o分别为 Ui、Uo的相位；i、o分别为 Ui、Uo的角速度。它们的数 学关系为： (4-16)ioio(-)dtk （2）并网逆变器锁相原理 电流型并网逆变器是

43、为了使光伏并网系统的有功功率达到最大输出，因此必须严 格控制系统输出电流符合国家标准。其原理框如图 4-8 所示，以 Tref和 Tin两个量作为 系统的参考输入值和反馈输入值，通过锁相调节器是整个系统的输出值与 Tref相等。 Tref 比例 Tpr 限幅锁相调节器 Tin 限幅 图 4-8 光伏并网系统锁相环框图 第四章 光伏并网逆变器控制策略的研究制 - 35 - 4.3 并网逆变器的仿真与分析 图 4-9 为并网逆变器的仿真模型全图，其中 pll subsystem 为锁相环系统，并且为 了降低公共电网电压波动带来的影响，采用了电网电压前馈控制策略，相应的参数设 置如下：直流输入端电压

44、为 360V，交流电网电压为 220V，f=50Hz，电感 L=17mH，R0.01，C=10F，开关频率 fk=10kHz，Ki80，Kp300。 公共电网电压经过一个零阶保持器和经过 PI 调节的电流的误差信号相互作用，以 此来达到减小电网电压的波动对并网电流的扰动影响。 图 4-10 中上面的波形为并网电流波形，下面的波形为电网电压波形，可以看出， 并网电流可以完全跟踪电网电压。其并网电流的谐波畸变率为 1.04%。 另外，搭建了没有加入电压前馈控制的系统作为对比，其波形图如图 4-12 所示， 基本与图 4-10 相同，但是，图 4-11 为加入电压前馈控制的频谱图，其并网电流的谐波

45、畸变率为 1.04%；图 4-13 为没有加入电压前馈控制的频谱图，其并网电流的谐波畸变 率为 1.20%，可以明显看出，采用电网电压前馈控制与锁相环技术的复合控制策略所 能达到的效果更好。 图 4-9 基于电网电压前馈控制以及锁相环技术的复合控制仿真模型图 第四章 光伏并网逆变器控制策略的研究制 - 36 - 图 4-10 采用电压前馈控制的并网电流仿真波形图 图 4-11 采用电压前馈控制的频谱图 第四章 光伏并网逆变器控制策略的研究制 - 37 - 图 4-12 没有采用电压前馈控制的并网电流仿真波形图 图 4-13 没有采用电压前馈控制的频谱图 对系统中各项参数进行调整对比后发现，PI

46、D 参数以及电容参数在一定范围内的 调整并不会使并网波形产生较大影响，只会对其谐波畸变率产生一定的变动。但是， 滤波电感的调整则会对并网电流产生极大的影响，图 4-14 为 L=2mH 的情况下并网电 流的仿真波形，图 4-15 为 L=50mH 的情况下并网电流的仿真波形。明显看出，电感的 取值对并网电流的纹波有明显影响，电感过小，电流的纹波较大，电感过大，电流波 形会产生严重的畸变，谐波含量非常高，相位也会出现偏差。上述两种情况均会对公 共电网产生严重的污染，所以，电感 L 的选取是非常重要的。通过前面章节的理论计 算取得其选取范围，但是在实际系统中还需要根据需要进行调整。 第四章 光伏并

47、网逆变器控制策略的研究制 - 38 - 图 4-14 L取值过小时并网电流波形 图 4-15 L取值过大时并网电流波形 第四章 光伏并网逆变器控制策略的研究制 - 39 - 4.4 本章小结 本章首先对并网系统的电流控制方案做出了分类概述。之后，提出了一种基于电 网电压前馈和锁相环技术的复合控制策略，并建立了系统的仿真模型，对于相关参数 进行了设置，成功的实现了并网，在仿真的结果中对于电压前馈控制的有无进行了对 比，明显得出，采用复合控制策略的并网系统输出的并网电流谐波畸变率更低，性能 更好。 第五章 光伏并网系统的孤岛效应检测 - 40 - 第五章第五章 光伏并网系统的孤岛效应检测光伏并网系

48、统的孤岛效应检测 本系统将太阳能电池输出并经过升压的直流电，进行换流成交流电，来使整个系 统平稳运行。同时，为了保证系统的正常运行还需要一系列的保护措施，如短路故障， 器件过热，电网过电压、欠电压故障保护等等。此外，作为分布式发电装置之一的光 伏并网系统同样存在一个基本问题，就是在特殊故障状态的保护，即是孤岛效应保护。 5.1 孤岛效应 孤岛现象(Islanding)是指当公共电网断电时，分布式发电装置仍向附近用电装置进 行供电，以至于出现一个电网无法掌控的自供电孤岛41。这种现象可能会对将这些负 载作为断开处理的检修人员造成极大的危险，孤岛本身也有对负载产生损坏的可能， 这也是负载在正常并网时变得复杂化，另外，处于孤岛的链接设备也会因为其供电不 能达到相应的电能质量而受损52,53。所以，在光伏并网系统中，孤岛现象被认为是最 关键的问题之一。 图 5-1 是逆变器侧的孤岛检测测试电路，由 Haberlin 提出，并且，在 IEEE Std 929-2000 标准中作了规定。图中 P 和 Q