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1、应用于重庆多雾地区的三相光伏并网发电系统研究 重庆大学硕士学位论文学生姓名： 指导教师： 专业：电气工程学科门类：工 学重庆大学电气工程学院二O一四年五月 重庆大学硕士学位论文 中文摘要A Thesis Submitted to Chongqing UniversityIn Partial Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of Electrical EngineeringBy Supervised By： Major： Electrical EngineeringCollege of Electrical Engin
2、eering ChongqingUniversity, Chongqing, ChinaMay, 2014摘 要目前，国内外十分重视可再生能源的利用研究。太阳能光伏发电作为可再生能源应用的其中一个重要组成部分，具有安全、清洁、可再生等优点，得到了广泛的关注，是国内外正在积极探索并努力进行推广的热点技术。受光照强度、环境温度的影响，光伏电池在工作时其输出电压具有较大波动范围，其较明显的非线性特征，导致系统必须对光伏电池进行最大功率跟踪(MPPT)控制；光伏发电系统作为分布式发电系统的一类，其须向电网输送电能，由此需要对光伏并网发电技术进行研究。综上，针对应用于单级式光伏并网发电系统的最大功率跟踪
3、技术及光伏发电并网控制技术，本文进行理论和实验研究。本文首先建立了并网逆变器的状态空间数学模型，对并网逆变器进行理论分析。考虑到现有控制理论难以对三相并网逆变器的状态空间数学模型进行分析，由此，本文将采用LCL滤波的单相并网逆变器等效三相并网逆变器等效进行单独控制。并进一步对单相并网逆变器的开环特性进行分析。针对光伏电池最大功率跟踪控制须满足单级式三相光伏并网发电系统的要求，本文研究了多种光伏电池最大功率跟踪方法，从理论上详细分析了几种常用的最大功率跟踪方法，对各种方法的优缺点进行了比较。在上述研究基础上，本文提出了一种最大功率跟踪方法来满足单级式三相光伏并网发电系统，并通过仿真验证了该方法应
4、用于光伏发电系统对光伏电池的最大功率跟踪特性较好的改善。在对光伏电池模型、LCL滤波的单相并网逆变器数学模型、最大功率点控制的研究基础上，本文设计了一种并网控制器，并通过仿真验证了该控制器的有效性。本文将并网控制技术与光伏电池的最大功率跟踪控制相结合，提出了改善型最大功率跟踪方法在并网并网发电技术的应用。通过仿真验证了在三相光伏并网系统中本方案能够准确跟踪光伏电池最大功率点，同时实现系统并网。关键词：光伏发电；并网运行；最大功率点跟踪；可再生能源重庆大学硕士学位论文 目 录ABSTRACTAt present, attaches great importance to the research
5、 and utilization of renewable energy at home and abroad. Solar photovoltaic power generation of renewable energy applications as one of the important component, has the advantages of safe, clean, renewable, received extensive attention, both at home and abroad are actively exploring and trying to ma
6、ke hot technology promotion. The effects of light intensity, temperature, photovoltaic battery when its output voltage with large fluctuation range, photovoltaic cells with strongly nonlinear characteristics, the need for photovoltaic maximum power point tracking (MPPT); As a distributed power gener
7、ation system, the PV system energy fed into the grid, grid technology research needs of photovoltaic power generation. In this paper, the maximum power of the single stage grid connected photovoltaic system tracking technology and control technology are studied theoretically and experimentally.This
8、paper makes a theoretical analysis of three-phase grid connected inverters, the paper established the state space mathematical model of three-phase grid connected inverters. Due to the state space mathematical model of the three-phase grid connected inverter is not conducive to the analysis using th
9、e existing control theory, this paper based on the coordinate transformation, the equivalent three-phase grid connected inverter with LCL filter is two by using LCL filters single-phase grid connected inverter control alone. And further analysis of the loop characteristics of single-phase grid conne
10、cted inverter.For single-stage three-phase grid connected photovoltaic power generation system on the photovoltaic maximum power tracking control requirements, the maximum power point tracking photovoltaic cells are different, the common maximum power tracking method is analyzed in detail, the advan
11、tages and disadvantages of these methods. On this basis, propose a tracking method of maximum power for single-stage three-phase grid connected photovoltaic power generation system, the simulation results show this method can effectively improve the maximum power of photovoltaic cell tracking charac
12、teristics. Based on the LCL filter mathematical model of single-phase grid connected inverter, photovoltaic cell model, MPPT algorithm on the design of network controller, and the effectiveness of the controller is verified through simulation. According to the characteristics of single stage grid co
13、nnected photovoltaic cell, the maximum power tracking control and synchronization control are combined, using the improved the maximum power tracking method to achieve maximum power point of the photovoltaic cell tracking grid at. Through the simulation in the three-phase photovoltaic grid connected
14、 system in this scheme can accurately track the maximum power point, at the same time, the realization of parallel.Key Words: photovoltaic (PV) power generation; stand alone mode; grid-connected mode; maximum power point tracking (MPPT); renewable energy source重庆大学硕士学位论文 3三相光伏并网发电系统研究目 录摘 要3目 录61 绪
15、论81.1 课题研究的背景与意义81.2 光伏发电系统结构介绍及分类121.3 光伏发电系统控制目标151.4 本文主要研究内容162 并网逆变器模型研究182.1 逆变器状态空间数学模型182.2 逆变器控制目标研究232.3 逆变器脉宽调制（PWM）技术242.3.1 双极性正弦脉宽调制242.3.2 空间电压矢量脉宽调制技术262.3 本章小结273 光伏电池模型283.1 光伏电池原理及模型283.2 光伏电池方阵的参数和输出特性313.3 太阳电池的转换效率333.4 重庆地区日照数据343.5 本章小结394 光伏电池的最大功率点跟踪404.1 光伏电池的最大功率点跟踪介绍404.
16、2 定电压跟踪法404.3 功率反馈法424.3 扰动观测法434.4 增量电导法444.5 开路电压法464.6 三点重心比较法474.7 最优梯度法494.8 本章小结515 系统建模及仿真525.1 光伏电池仿真模型525.2 最大功率点跟踪仿真模型525.3 系统建模及仿真535.4 本章小结556 全文总结与展望566.1 全文总结566.2 后续研究展望56致 谢571 绪 论1.1 课题研究的背景与意义人们在关注能源危机的同时，更应该关注人类在利用能源过程中所产生能够污染了环境的有害物质和有害气体。这些有害物质使得自然灾害不断加剧，严重破坏了人类赖以生存的生态环境，并直接导致了地
17、球土地荒漠化、温室效应、酸雨等全球环境危机问题的产生。到2040年，全球的平均温度将会上升2-4摄氏度，并将大面积融化南北两极地的冰山，最终导致海平面大幅度上升，将淹没一些岛屿国家、沿海城市；另外，大气污染，其危害遍及全球，已成为全球化问题，与当前高速发展的经济与文明建设相比，一系列的世界环境危机问题显得尤为紧迫，如何在发展经济的同时，实现能源的可持续发展及保护环境是需人们急迫解决的问题。保护全球环境、保证能源的可持续供应是唯一途径，因此人类必须通过实施可持续发展战略，大力开展新能源的开发利用，摆脱对高能耗资源的依赖。世界上现有可再生能源具有可持续性、清洁、经济等优点，其包括太阳能、风能、地热
18、能、水力能、生物质能（包括生物燃料）等。其中太阳能光伏发电直接将太阳辐射能转换成电能使用，没有中间过程和机械运动，理论发电效率高，技术开发潜力巨大，是当前高科技创新领域中，最理想、最具有持续发展的可再生资源。太阳所发出的能量只有二十亿分之一被地球表面所接收，而这些能量是地球所需能量的3万倍还多，因此太阳能是取之不尽用之不竭，太阳能具有一次投资终身受益的经济优势、社会效益。长期以来，环保是人类发展的方向，因此如何高效利用太阳能一直是人类致力于研究的方向。晶体硅太阳能电池的转换效率在20左右，然而生物质能只有其10-30分之一，玉米转乙醇只有其50-100分之一。有业内专家统计，我国太阳能资源含量
19、约为2.1万亿千瓦，即便开发210亿千瓦也只占1，水电的3.78亿千瓦以及风能的2.53亿千瓦远落后于太阳能1。实践已经证明，光伏发电系统碳排放量几乎为零，在25年的运行发电期间，几乎没有任何排放（没有废渣、废料、废水、废气的排出，没有噪声污染）不会对人体和环境产生危害，是最适于当今环保型、快捷型的电力能源资源。因此，研究如何高效利用可再生能源，满足工业生产及人们生活的需求，具有重大的理论和现实意义。 到2030年，作为21世纪最重要及最具活力新能源的光伏发电，在世界总电力供应中的比例将达10以上，到2040年，将达30以上。光伏发电系统，根据与电网的关系，可为离网型光伏发电系统和并网型光伏发
20、电系统两大类。经过多年的发展，光伏发电在电力系统中所占的比例将越来越大，光伏发电技术也日渐成熟可靠，并逐渐从过去的小规模离网光伏系统，朝大规模并网方向发展。将光伏系统接入常规电网，实行并网发电是光伏发电进入大规模商业化应用的关键途径。据IMS最新公布的数据显示，2011年全球光伏装机容量将超过21GW，同比增长27。预计到2016年，全球并网的光伏电站容量将达到375GW。因此可以说，目前光伏发电领域科研的热点和主要方向是光伏并网系统。据报道，截至2012年全球有超过1000亿美元投资于新增可再生能源能力、制造工厂以及研究与开发。未来世界能源和电力的主要来源是光伏发电，在国际上，由于美国、日本
21、及欧洲强有力的政策推动，国际的光伏市场呈现一片欣欣向荣的景象，同时，世界各国近几年都加紧了光伏发电的发展进程。根据国际光伏组织的估算，至2030年，整个光伏产业的产值有可能突破3500亿美元（全球光伏发电装机容量将达到310GW），至2040年全球发电总量的15-20是光伏发电。比如，美国政府的光伏发电的发展规划：在2011年，南加州一个250MW光伏电站与公共土地输电线路的并网申请获得美国内政部(DOI)批准，同年，4.3MW项目在美国新泽西州建成并网，预计未来20年可向电网提供超过1亿度的清洁电力。近年，美国太阳能市场将呈现高速增长幅度，从2009开始，美国光伏市场以每年平均30的增长率增
22、长，增长了10倍达到5.5GW左右；日本早在1974年就制定光伏发电计划“阳光计划”成为世界太阳电池的生产大国，而后1994年提出朝日七年计划，2000年已推广16.2万套太阳能光伏屋顶，到2010年将安装7600MW太阳电池。计划到2030年，安装太阳能光伏发电容量达100GW；另外光伏发电强国法国，近几年光伏发电迅速发展。据报告称，法国截至2011年第二季度并网光伏安装量达147GW。除了3kW以下的系统，法国还有41的光伏系统安装量在33kW到2503kW。这意味着2503kW以上的电站仅占总安装量的26。法国大陆外地区的安装量达203MW，另有275MW等待并网；德国在1993年开始实
23、施由政府投资支持，由电力公司实施的“1000屋顶计划”，现在实际建成的屋顶光伏并网系统已经超过50003-5。在国内，始于70年代，我国太阳能光伏发电应用经过近几十年的快速发展，已经跻身于世界的前列。值得一提的是，中国作为光伏制造大国已经大步迈向光伏强国之路。“十二五”新能源专项规划中指出，到2020年光伏装机容量将达到50 GW。在未来的十几年中，我国光伏发电的市场逐渐由独立发电系统转为并网发电系统（包括沙漠电站和城市屋顶发电系统）。在政策的扶持下，我国太阳能光伏发电发展潜力巨大，家未来三年将投资200亿补贴光伏业，中国太阳能光伏发电又迎来了新一轮的快速增长，并吸引了更多的战略投资者融入到这
24、个行业中来。预计到2030年光伏装机容量将达40多个大型煤电厂，装机容量为100GW年发电量为1300亿千瓦时。我国大型太阳能电站建设标志性事件是2009年全国首个光伏电站敦煌10MW并网光伏电站在敦煌市太阳能工业园区开工。我国高原光伏发电也进入新的发展阶段，2011年7月6日，在全世界海拔最高的城市西藏日喀，日喀则地区第一座大型太阳能光伏电站并网发电，该电站投运后最大发电量30MW，建设总投资人民币8亿元，。2011年，在湖南湘潭，装机容量为20MW总安装面积约20万平方米的屋顶光伏电站屋顶光伏电站并网发电，该项目是全球最大总装机容量太阳能光伏电池发电系统。电站年总发电量近2500万千瓦时，
25、其产生的清洁能源等效为标准煤7800吨，可有效减排二氧化碳19000吨，可节约纯净水7800万升，可减少向空气中排放粉尘5300吨、二氧化硫580吨，具有良好的节能减排社会效益 2。然而，在我国的光伏产业已呈现出快速发展的趋势的同时，仍然有很多基本问题需要予以解决和完善，为光伏发电的推广和普及提供支撑。我国太阳能利用前景较好的地区占国土面积的2/3以上，主要集中在西部地区。与传统的集中发电，经长距离传输再分地区配送的大电网供电形式相反，基于光伏模块、风能或燃料电池等微源的分布式发电系统以及微电网系统尤其适合于虚弱电网末梢，如为远离城市、人口较为稀少的乡村、山区地区供电。自20世纪90年代以来，
26、随着对太阳能利用认识的加深和政策激励（如“西部省区无电乡通电计划”等），我国光伏发电技术在实际应用和产业化方面均取得很大进展。合肥工业大学能源研究所6-11、中国科学院电工研究所12,13、清华大学14-16、浙江大学17,18、中南大学19、北方交通大学20等等科研机构和高校致力于光伏发电技术领域的相关工作，在光伏水泵、光伏电站、光伏独立运行逆变器、光伏并网发电系统等的理论探讨和工程化应用等方面均进行了深入研究，取得很好的成果。以太阳能、风能、生物质能等为代表的可再生能源的利用，是人们寻求解决由于煤、石油、天然气等非可再生能源高速消耗而产生的能源危机的手段之一。光伏发电技术是太阳能利用的一种
27、主要形式，不论从国外还是国内来看，目前太阳能光伏发电技术尚处于积极探索和蓬勃发展阶段。未来是否能够成为可再生能源应用的主要方式，一方面有赖于其他能源利用方式的发展水平（风能、水力能，生物质能、地热能等）；而更重要的也取决于光伏系统自身（主要包含光伏电池和电能变换装置）的成本、转换效率、系统设计的合理性和可靠性、可实施和推广的难易程度等诸多因素。因此，研究光伏发电技术具有重要的现实意义。第一片实用型太阳能电池从验室生产出以来，光伏电池作为光伏发电系统中核心部件，人们一直在积极探寻可靠和合理的太阳能发电技术和应用方式。早期主要用于航空和军用的太阳能电池，提高抗辐射能力，提高转化效率及降低重量方面是
28、其研究重点。20世纪70年代中期以来，随着单晶硅太阳能电池，超薄单晶硅太阳能电池，商用薄膜太阳能电池的出现，太阳能光伏电池技术有了长足发展。 光伏电池的转换效率也开始成为人们研究的重要方向，澳大利亚新南威尔士大学在1985年给出的硅太阳能电池的效率在标准光照下效率超过20；美国斯坦福大学给出的数据是聚光条件下转换效率超过25；美国国家可再生能源实验室在1994年将太阳能电池实验室效率超过30。光伏发电技术在光伏技术的逐步完善，太阳能转化为电能的成本大为下降的前提下，开始在商用和民用领域得到推广应用。另一方面，许多国家在20世纪70年代爆发的石油危机后开始着手寻找可替代能源，并开始立法支持光伏技
29、术的推广应用。美国、前苏联及其他一些欧洲国家，也均在积极探索和尝试太阳能光伏发电新技术。如今日本、美国和欧盟等先进国家和地区已经将太阳能纳入能源储备战略4。可达到20-24转换效率的单晶硅太阳能电池是硅系太阳能电池中是转换效率最高的，在大规模应用和生产中占主导地位；多晶硅太阳能电池能够直接制造出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，制造过程简单、节约了电能和硅材料，降低了成本。在在一般居民使用领域中，非晶硅被广泛使用，它的生产成本远，生产工艺难度，远低于半导体材料。是制作柔软的大面积的太阳能电池的首选材料，非常适用于建筑物中不同情况下的安装环境，然而，其缺点是它的光伏转换效率远远低于结晶类半导体材料
30、，目前，在实验室理想状态下，各种太阳能电池材料的转换效率为：有机聚合物的效率为10.6、无机聚合物效率为101及染料敏化物效率为11.4。；在规模化应用中，多晶硅太阳能电池性价比最高，占市场份额70以上，其效率在13-16左右；据报道，CuInGaSe电池的转换效率已达到19.2，新兴的一种在薄膜太阳能面板上放置金属纳米粒子的方法，当光照入射后，金属纳米粒子对光进行散射，增加光吸收，从而提高效率，可能达到40-6020。基于纳米科技的研究正在兴起，此类材料理论上可大大提高效率，但离量产化还有一段距离。国家通过投资补贴、电价分摊、科技研究等各种政策、措施的推广，正在引导光伏产业不断向前发展。随着
31、光伏电池成本的不断下降，技术的日新月异，光伏发电已经进入了规模化的市场应用阶段，从1977年，我国太阳能电池发电成本高达200元/千瓦时，到上世纪80年代，光伏发电成本为40元/千瓦时-45元/千瓦时，再到2000年，我国自主的单晶硅光伏电池的发电成本升至42元/千瓦-47元千瓦时，非晶硅电池的发电成本平均为23元/千瓦时-25元/千瓦时；至2008年，我国光伏电池的成本降至10元千瓦时；至2010年底，我国光伏电池的发电成本已降到1元千瓦时左右，基本达到常规发电成本的价格。我国太阳能利用潜力巨大，理论储量每年可达1.7万亿吨标准煤。2000年，我国太阳能电池生产能力飞速增长，随着保定英利、无
32、锡尚德等一批本土光伏企业逐渐创立，已成长为光伏电池生产大国。太阳能电池产量占据全球60左右，但国内光伏发电市场规模很小，95的都出口以欧洲为主的海外市场。整体来看，我国光伏发电技术产业与发达国家还存在很大的距离，过快的发展已带来一系列问题：技术研发能力仍然是中国企业的软肋，产品可靠性低、配套技术还不成熟，主要依赖于进口；迫于成本的压力，国内光伏企业大多做多晶硅电池技术，发展缓慢。据欧洲光伏产业协会调研数据显示，在全球十大光伏市场中，我国是唯一一个位于“阳光地带”的国家，光伏发电潜力巨大。1.2 光伏发电系统结构介绍及分类由于空调和照明等设备供电峰值负载与光伏系统发电系统的输出功率相匹配，因此，
33、主要为空调和照明系统供电的屋顶光伏系统是光伏发电系统的发展。在阳光充足的好天气，并网系统会输出更多的电能满足高峰期用电。由光伏系统的安装面由房屋屋顶发展到房屋墙面、房屋屋檐、房屋窗檐，可使光伏电池更好地与建筑相融合，实现建筑与光伏发电系统的一体化。另外，未来并网发电系统的发展方向是由“边远无电地区”到“城市”，从“补充能源”到 “替代能源”，其将成为未来光伏发电的主流。并网发电系统供电稳定，既可给交流负载供电，也可与电网直接相连，当日照强度较强时，其可将剩余的电能向电网输送。在最大功率点跟踪技术控制下，光伏电池阵列可以始终工作在最大功率点上，所发出的全部电能都由电网接收，发电效率有很大提高；因
34、为系统无须蓄电池，因此系统生产成本较低，体积小，降低了蓄电池充放电的能量损耗以及由其带来的污染，同时省去了大量运行维护费用，上述优点都是并网发电系统的显著优势。光伏并网发电是目前最具潜力的新能源发电技术，成为我国光伏发电系统的主要发展方向，其中投资小、建设周期短、占地少的户用分散式联网光伏系统是当前光伏并网发电领域的主流技术。光伏发电并网逆变系统硬件系统由光伏电池及电力电子并网逆变器组成，光伏发电系统根据是否配有储能环节（如铅酸蓄电池组、超级电容等），可分为不可调度式和可调度式两类。图1.1为一种可调度式光伏发电系统的结构21。图 1.1可调度式光伏发电系统Figure 1.1 schedul
35、able photovoltaic power generation system下面就每个模块进行分别介绍：1、蓄电池：其具备充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出的特征，是整个光伏发电系统中的能量储存单元（一般为铅蓄电池）。在有太阳光照或光照强度较高时，光伏发电系统可将富余的电能储存在蓄电池中，以便在夜晚或阴雨天气时使用。2、光伏阵列：光伏电池片是光伏发电板的基本单元，其输出峰值功率大约只有IW，发出的电能难以满足实际供电的需要。为了将光伏电池的输出功率达到实际应用的水平，在实际应用过程中，可将每个光伏电池片单元串、并联，构成满足功
36、率需要的光伏组件，每个光伏组件作为一个单元。最后通过一定的工艺技术将每个光伏组件单元构成功率较大的光伏阵列。同时，这种光伏构件方式也可提高了材料的利用率，降低光伏电池在制作过程中，由于原材料比较脆所导致的缺角或蹦边。3、直流变直流控制单元：其作用是保证在直流输入电压大范围波动时能够输出稳定的直流电，其原理是通过控制回路中功率器件的导通与关断将光伏阵列输出的低压直流电升压为满足逆变器需要的高压直流电，其是实现最大功率跟踪控制的核心硬件。直交变换逆变器：是将系统中的直流电转化为可供负载使用或可并网的交流电，而光伏阵列输出的电压为直流电，不，需通过逆变器转换为交流电，直交逆变器是光伏发电系统的核心装
37、置。其原理是：通过调节输出脉冲PWM的占空比来控制电力电子开关元器件的开通与关断，进而调整输出电压，整个光伏发电系统的控制算法在此过程中实现。逆变器的效率将直接影响到整个系统的效率，因此光伏系统逆变器的控制技术就具有很重要的研究意义。4、控制器：其作用是保证光伏发电系统效率较高且运行稳定，其需对光伏电能储存、传输、逆变的整个过程进行实时调整、控制与保护。该控制器可实现最大功率点跟踪控制、充放电控制、逆变器驱动电路控制、故障保护等。控制器的硬件构架是检测交、直流的电压、电流等信号，输入到高速DSP数字信号处理器，加入相关算法，然后，DSP输出可变脉宽的PWM波，控制功率开关管的开通与关断，从而实
38、现最大功率点跟踪控制、充放电控制、逆变器驱动电路控制、故障保护等，最终实现对光伏电能储存、传输、逆变的整个过程进行实时调整、控制与保护。可调度式光伏发电系统设有储能装置，通过能量管理器控制输出能量，实现能量供给和负载需求间的平衡；可用于电网调峰，也可在交流电网断电时为本地重要交流负载供电，实现不间断电源（uninterruptible power supply， UPS）的功能。而不可调度式光伏发电系统不含储能装置，系统并网运行时可将光伏电池产生的超过本地负载所需的能量馈送给电网；若光伏电池的能量不足以给本地负载供电时，由电网向负载提供电能；但在系统独立运行时，若光伏电池能量不足，则不能满足本
39、地负载的供电需求。因为可调度式光伏发电系统控制复杂，并受到储能环节的限制，如蓄电池组的寿命、价格、体积等，目前占主流地位的仍是不可调度式光伏系统。但由于可调度式光伏系统可实现功率可控，大大增加了运行方式的灵活性，特别是在微电网系统中，光伏发电系统作为分布式发电的微源，其功率可调更是一个必然需求。因此，可调度式光伏发电系统在未来具有很好的发展前景。并网发电系统根据其硬件组成不同，可分为两种不同的构架模式：两级并网发电模式以及单级并网发电模式。两级并网光伏系统的组成部分有：由光伏电池组成的光伏阵列、交直流控制单元、储能单元、光伏并网逆变单元。第一级变换是将光伏电池阵列所产生的波动的直流电通过DC-
40、DC变换，将其变换成可控的直流母线电，并存储到储能单元中，或者提供给第二级进行变换。第二级变换是将将直流母线上的直流电逆变为交流电，以便为本地负载供电，或者将富余的电能输送到电网系统中。简单来说，其特性是光伏电池阵列所产生的电能需通过两级变换后，才能输入电网，对光伏电池阵列的最大功率跟踪是在第一级变换过程中实现。结构的示意图如图1-2所示，其主要图1-2两级并网光伏系统结构示意图Figure 1-2 2-level PV system network structure 单级并网光伏系统的硬件组成部分是：光伏电池阵列、并网逆变器。将最小光伏电池单元经过一定串联后得到光伏电池阵列，可使的光伏阵列
41、的直流电压提升到可满足直交变换器工作的水平。直交逆变器可将直流母线上的直流电直接逆变为可满足并网需要或负载所需的交流电。简单来说，其特性是光伏电池组件所产生的能量仅通过一次变换就转化成交流能量馈送到电网上。其所有控制算法包括对光伏电池阵列的最大功率跟踪都是在是在一级变换过程中实现。结构的示意图如图1-3所示。图1-3单级并网光伏系统结构示意图Figure1-3 Single-stage PV system network structure1.3 光伏发电系统控制目标并网逆变器是光伏发电系统的重要组成部分。根据对三相输出控制电流或控制电压，其控制方式又可分为电压控制模式和电流控制模式。从单纯控
42、制来说，电流控制方式具有控制算法简单软件程序实现容易，对扰动响应灵敏，输出波形畸变小，输出功率功率因素高等特点，但是在实际应用时，由于逆变器输出的是电流源是不能直接提供给一般居民普通用户使用，只能以并网的方式向电网输出电能。区别于电流控制方式，电压控制方式可使并网逆变器的输出电压源，电压源就可以直接提供给一般普通居民用户使用。尤其是在电网出现故障的情况下，可直接作为电压源供本地用户使用，保证本地居民用户的供电可靠性，实现光伏发电系统从并网发电方式到独立发电方式之间的自动切换。但是，电压控制方式的缺点是：1、输出电流易受电网中的谐波电压的影响，逆变器只有通过调节输出电压来控制输出波形的畸变程度，
43、无法通过直接控制，其电流的波形控制能力相对较弱。2、电压控制模式对系统的相位差调节较难，在电压控制方式下，光伏发电系统的输出有功功率同电网的能量交换通过逆变器输出电压的相位与电网电压的相位差进行调节。3、在单级式光伏并网系统中实现最大功率跟踪较为复杂。由于无法直接控制并网电流的大小，因而。在独立运行时，由于是将逆变器控制为一电压源，无法对输出功率进行调控，因此无法实现对光伏电池的最大功率跟踪。就目前而言，在对逆变器输出特性的控制上电流控制模式成为目前业界的普遍选择。由于光伏电池输出具有非线性特性，如图1.4所示。当环境温度、光强等外界条件不变时，需通过控制光伏电池的工作点来获取其最大功率输出，
44、最大程度地增加光伏能量转换效益；当环境温度、光强变化时，光伏输出曲线随之变化，也需通过控制改变光伏电池的工作点来追踪新的最大功率点。光伏发电系统通过最大功率点跟踪来实现功率控制。图 1.4光伏电池电流-电压，功率-电压特性及最大功率点MPPTFigure 1.4 PV current voltage relation, power - voltage characteristics and maximum power point MPPT1.4 本文主要研究内容本文研究了三相光伏系统并网控制技术。对光伏电池的最大功率跟踪(MPPT)以及并网逆变器的控制等光伏并网发电系统中关键控制问题进行了建模
45、仿真。首先，本文推导了采用LCL滤波的三相并网逆变器的数学模型；其次，本文通过对常规的MPPT控制策略进行详细的比及分析。最后，结合本文采用单级逆变器的拓扑结构，选择合适的MPPT控制策略，在三相并网逆变器的并网控制中实现了对光伏电池的最大功率跟踪。本文的主要内容是：(1) 第二章建立了采用LCL滤波器滤波的三相并网逆变器的状态空间数学模型。分析了单相并网逆变器状态空间数学模型，推导出逆变桥输出电压对并网电流的传递函数，将逆变器参数带入其中，得到逆变桥输出电压对并网电流的传递函数。由逆变桥输出电压对并网电流的传递函数的波特图可以看出空载时并网逆变器的特性较差，在高频时具有很高的谐振峰。(2)
46、第三章进一步的研究了光伏电池的输出特性，建立了数学模型，给出了日照数据，为后续并网控制系统设计打下了基础。(3) 第四章介绍了光伏MPPT的相关原理。并对常见几种MPPT算法进行了对比。根据单级光伏并网的特点，选择了增量电导跟踪算法作为本文并网控制器的控制策略。(4) 第五章在上述研究的基础上，利用Simulink搭建了三相并网逆变系统仿真模型，对整个系统进行了仿真。通过仿真证明了整个系统方案的可行性和有效性。2 并网逆变器模型研究2.1 逆变器状态空间数学模型作为光伏系统三相并网的控制的理论基础，本文对并网逆变器的数学模型进行推导及分析。为了并网逆变器控制器的设计提供理论依据，本章利用状态空
47、间的方法分析了实用型三相并网逆变器的数学模型，同时为了研究方便，本文利用坐标变换对三相逆变器的等效简化。下面就本文所研究的并网发电系统硬件构架进行介绍：直流母线电压在两级式光伏并网系统第一级DC-DC输出的高压直流母线，在单级式光伏并网系统中为光伏电池组输出端口的高压直流母线。L1为输出滤波电感，R为系统等效杂散电阻（包括死区效应等效阻尼电阻、线路杂散电阻与电感内阻），C为滤波电容，L2为并网电感。如图2-1所示。图2.1 LCL滤波三相并网逆变器Figure 2.1 Three-phase inverter with LCL filter本文定义L1电感电流iai，ibi，ici，电容电压caV，cbV，ccV以并网电流uai，ubi，uci为状态变量来建立采用LCL滤波的三相并网逆变器的状态空间数学模型，根据KVL，KCL定理可以列出a、b、c三相的状态方程因为阻抗源网络为一个对称网络，所以 （2.1）同理，可以得到另外两相的状态方程为： （2.2）其中， Va， Vb， Vc为发电系统的输出电压，ua，ub，uc为三相电网系统相电压。则经过整理可得采用LCL滤波器的状态方程为：（2.3）上式是一个9阶的状态方程，由此可知逆