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1、光伏并网发电系统设计方案 题 目 ： 系（部） ： 光伏发电系 学科门类 ： 工科 专 业 : 光伏发电系统与应用 学 号 ： xxxxx 姓 名 ： xxx 指导教师 : xxx 20xx年xx月x日 摘 要光伏并网发电系统是可以将太阳能转换成电能并输送到电网上的系统。近些年来，随着能源紧缺与环境污染问题的日益严重，光伏并网发电系统成为各国研究和发展的热点。本文的目的就是要设计一套基于TMS320F2812的光伏并网发电系统。本文首先分析了国内外光伏发电现状与发展。然后以单相并网光伏发电系统为研究对象，对光伏并网发电系统进行了全面的理论分析研究，包括对系统的拓扑结构、控制策略、参数的选择、最
2、大功率点跟踪以及孤岛效应问题等方面作了详细的分析和研究。设计出系统的主电路和基于TMS320F2812的控制电路。本文对所设计的电路运用Matlab_Simulink进行系统仿真，仿真结果证明本设计是合理的。关键词：光伏并网；最大功率点跟踪；孤岛效应；DSP；Matlab ABSTRACTGrid-connected photovoltaic system is a set of system which can converts solar energy into electrical energy . Recently years,according to the problems of
3、environmental pollution and exhaustion of energy sources become worse , the grid-connected photovoltaic system has been a hot spot that most countries research and develop . The purpose of this paper is to design a set of grid-connected photovoltaic system based on TMS320F2812.This paper first analy
4、zes the status and development of photovoltaic power generation at home and abroad.Then the paper focuses on single-phase grid-connected system . The topology , control strategy , parameter selection of grid-connected photovoltaic system , Maximum power point tracking and island effect and analyzed
5、and studied in detail . The paper designs main circuit and control circuit which based on TMS320F2812 .At the end of this paper the design of system simulation using Matlab_Simulink circuit, and the simulation result shows that this design is reasonable.Keyword: Photovoltaic grid connected；Maximum p
6、ower point tracking；Islanding effect；DSP；Matlab 目 录绪论 .1第一章 光伏发电在国内外的研究现状 .2 1.1 本文所做的主要工作 .5第二章 光伏并网发电系统的结构和基本原理 .6 2.1 光伏并网发电系统的组成 .6 2.1.1 光伏列阵 .6 2.1.2 光伏并网逆变器 .6 2.2 光伏并网发电系统MPPT控制策略 .7 2.2.1 光伏列阵输出特性 .7 2.2.2 MPPT控制方法 .8 2.3 逆变器的控制策略 .11 2.3.1 电流跟踪控制 .12 2.3.2 电压跟踪控制 .13第三章 两级式单相光伏并网系统的设计及工作原理
7、 .16 3.1 系统的总体设计 .16 3.2 光伏并网发电系统的工作原理 .16 3.2.1 前级（DC/DC）电路的工作原理 .17 3.2.2 后级（DC/AC）电路的工作原理 .28 3.3 控制电路的设计 .20 3.3.1 TMS320F2812的介绍 .20 3.3.2 数字PI调节器的设计 .21总结 .25 绪论 能源是人类社会存在与发展的重要物质基础。目前的世界能源结构是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体的结构。而化石能源是不可再生的资源，大量耗用终将枯竭，并且在生产和消费过程中有大量的污染物排放，破坏生态与环境。为保证人类稳定、持久的能源供应和保护地球的生态环境，必须
8、优化能源结构，减少化石能源的耗用，大力开发利用清洁、干净的新能源和可再生能源。20世纪中叶以来，世界各国都在纷纷采取措施提高能源效率和改善能源结构，以解决这一与能源消费密切相关的重大环境问题，称之为能源效率革命和清洁能源革命1。太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大战略意义。在现代社会所有的
9、动力资源中，电能使用最方便，使用范围最广泛。电能的生产一般伴随二氧化碳、二氧化硫气体排放，前者是地球温室效应气体，后者是酸雨的成因，两者对环境危害都很大。目前各种发电方式的碳排放率（g碳/（kWh）：煤发电为275，油发电为204，天然气发电为181，太阳能热发电为92，太阳能光伏发电为55，波浪发电为41，海洋温差发电为36，潮流发电为35，风力发电为20，地热发电为11，核能发电为8，水力发电为61。由上述可见，以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地球生态环境的清洁能源；它将逐渐减少和替代化石能源的使用，它的广泛应用是保护生态环境，走经济社会可持续发展的必经之路。光伏并网
10、发电即将太阳能转化为电能馈送给电网，具有无枯竭危险；清洁、安全、无噪声：应用范围广，不受资源分布地域的限制；易安装，易运输，建设周期短：供电系统工作可靠等优点，其在缓解能源危机以及保护环境等方面都具有重大意义。目前，欧洲、美国、日本大规模推广光伏并网发电的“屋顶计划”，一方面以逐步取代终将枯竭的常规化石能源；另一方面避免人类的生存环境继续恶化2。我国也正在进行西部太阳能发电工程，以改善西部生存条件和投资环境，促进西部经济发展。第一章 光伏发电在国内外的研究现状国内光伏发电的现状及前景中国的光伏发电市场目前主要用于边远地区农村电气化、通信和工业应用以及太阳能光伏商品，包括太阳能路灯、草坪灯、太阳
11、能交通信号灯以及太阳能景观照明等。由于成本很高，并网光伏发电目前还处于示范阶段。光伏产业包括多晶体硅原材料制造、硅锭/硅片生产、太阳电池制造、组件封装和光伏系统应用等，还有一些与整个产业链相关联的产业，如各环节的专用材料制造、专用设备制造，专用检测设备制造以及光伏系统平衡部件制造等。2002年，国家计委启动“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏发电和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙古、陕西和四川）700多个无电乡的用电问题，光伏用量达到15.5MWp。该项目大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速达到100MWp（2002年当年产量20
12、MWp）。为了促进我国太阳能光伏发电产业的发展，实现可再生能源中长期规划提出的发展目标，2007年国家发改委启动了“大型并网光伏示范电站建设计划”，加快解决日照资源丰富的西部八省（内蒙古、云南、西藏、新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西）无电乡用电问题，明确要求并网光伏示范电站建设规模应不小于5兆瓦，同时明确了大型并网光伏电站的上网电价通过招标确定。图1-1 中国太阳电池年产量和年装机自2002至2008年，中国大陆的太阳能电池组件的产能以每年3位数(即年增长率超过100%)的速度不断增长。值得注意的是，中国2007年太阳能电池/组件生产能力达到2900MWp，太阳能电池年产量达到1088MWp，超过
13、日本和德国，已跃居世界第一大光伏电池生产国。2008年中国太阳能电池生产能力已达到5GWp，太阳能电池年产量达到2000MWp。但是生产的太阳电池98%以上用于出口。图1-1和表1给出自1990年以来中国光伏市场的发展进程。表1 中国太阳电池年产量和年装机比较（MWp）年度199019952000200220042005200620072008年产量0.51.553.3105020037010882000年装机0.51.553.320.3105102040截止到2008年底，2008年中国太阳能电池生产能力已达到5000MWp，中国太阳电池的累计装机已经达到140MWp。2008年全国电力装机
14、800GW，而光伏累计装机只有0.14GW(140MW)，仅占全国全年装机量的0.0175%。图1-2和表2给出了自1990年以来中国光伏年装机和累计装机的现状。中国2008年当年光伏发电装机量仅占全球当年装机容量的0.7，与光伏电池生产大国的身份极不相符。图1-2 中国的光伏年装机和累计装机表2 中国光伏年装机和累计装机统计（MWp）年度199019952000200220042005200620072008年装机0.51.553.320.3105102040累计安装1.786.631945657080100140 国外光伏发电的现状及前景自1839年发现 “光生伏打效应” 和1954年第一
15、块实用的光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对能源和环境问题认识的不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。以1997年美国总统克林顿的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志，日本还有欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙等国也纷纷开始制定本国的可再生能源法案，刺激了光伏产业的高速发展。 2000年以来，全球光伏产业连续6年以30%60%以上的速度增长，2002年全球光伏电池产量为560MW/
16、a，到2003年已高达750MW/a,增长了34%。2004年开始，德国对可再生能源法进行了修订，新的补贴法案促成了德国光伏市场随后的爆发，随之而来的是发达国家间新一轮的政策热潮和全球光伏市场的更高速膨胀。2004年世界光伏电池年产量达到1256MW，年增长率高达68%，2005年产量达1818MW，增长率仍有45%（图1-3），2006年，美国加州州长施瓦辛格提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划”，在未来10年内建设3000MW光伏发电系统的提案，这象征着美国光伏政策的新纪元的到来。正是由于欧洲、日本和美国强有力的政策推动，全球太阳能光伏发电系统市场才呈现出今天欣欣向荣的景象，太阳能光伏
17、发电的前景无限光明。图 1-3 世界太阳能电池历年产量 世界光伏发电的高速发展主要表现在以下几方面： （1）光伏电池产量持续增长 多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，19992005年间，光伏电池产量以年均增长率超过40%的速度高速发展，太阳电池的产量从1999年的202MW增加到2005年的1818MW，增长了9倍。（2）生产规模不断扩大 光伏产业的领头企业电池产量早已突破100MW，且有越来越多的企业已经提出了建设年产1000MW电池生产线的目标。（3）光伏市场飞速膨胀 不断有新的国家出台激励光伏发展的政策。2004年德国补贴法修订后，仅用了一年，即在2005年，德国市
18、场年装机容量便达到了837MW，占全球市场的57%，政府政策对光伏的激励可想而知。而2006年，美国加州正式出台3000MW光伏安装计划，带动美国其它各州也纷纷仿效。美国将成为继日本、欧洲之后又一大的光伏市场。（4）新技术不断出现，电池效率不断提高 随着自动化程度和生产技术水平的提高，电池效率将由现在的水平（单晶硅16%18%，多晶硅15%17%）向更高水平（单晶硅18%20%，多晶硅16%18）发展。 邓州市鑫园光伏电力开发有限公司与中科院联手，最新研制成功利用宇宙光能发电，光能发电采用最先进的生产工艺，每天可利用光能发电17小时。（市场现有的单晶硅、多晶硅太阳能电池只可利用8小时，且对环境
19、存有污染）。 光能发电是当今世界的尖端科技，将为全人类彻底解决“能源危机”“环境污染”和“可持续发展”等三大世界难题，将做出历史性、跨世代的伟大贡献，将为人类利用新能源、新技术方面进入一个崭新的时代，引发一场世界科技革命，让全人类过着健康、幸福、和谐的生活。1.1 本文所做的主要工作本文的目的是要设计一套基于TMS320F2812的单相光伏并网发电系统。系统输出的并网电压为220V，系统输出功率为0.2KW。本文对光伏并网系统的系统组成结构、工作原理、控制策略等方面进行了详细的分析和研究。本文的主要工作重点总结如下：1.分析了单相光伏并网发电系统的组成结构和工作原理。分析了不同主电路拓扑结构的
20、优缺点。2.研究了最大功率点跟踪控制（MPPT）的原理和方法，分析了目前常用的几种MPPT方法的优缺点，文中采用扰动法来实现光伏阵列的最大功率点跟踪。3.在分析了逆变器不同控制策略的优缺点的基础上，采用了电压电流双环控制的策略，对控制系统进行了数学建模。4.设计了基于DSP芯片TMS320F2812的光伏并网发电系统的电路，包括系统的主电路、控制电路。对这些电路的工作过程进行了详细的分析，对电路中的参数进行了计算。5. 运用Matlab/Simulink对系统的实现方案进行仿真，包括光伏列阵、最大功率点跟踪(MPPT)控制、PWM波形的产生、数字PI调节器的设计、电压电路双闭环控制。 第二章
21、光伏并网发电系统的结构和基本原理2.1 光伏并网发电系统的组成及分类 2.1.1 光伏并网发电系统的组成光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压的要求串、并联组成的。并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成220V/50Hz的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要由电力
22、电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。控制器一般由单片机或DSP芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。2.1.2 光伏并网发电系统的分类光伏并网发电系统有单级式光伏并网发电系统和两级式光伏并网发电系统。单级式光伏并网发电系统中，并网逆变器要同时完成MPPT和并网电流控制的任务，即保证光伏阵列输出功率最大化的前提下控制并网电流与电网电压同频同相；两级式光伏并网发电系统中，并网逆变器只需进行逆变控制，光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）由前级DC/DC变换器完成，并网逆变器通过控制DC/DC变
23、换器的输出电压实现系统功率平衡，并网逆变器控制的任务是保证输出电流与电网电压频率、相位完全一致。2.2 光伏阵列模块工作点（MPPT）跟踪控制2.2.1 光伏阵列输出特性太阳能电池是利用半导体光伏效应制成, 它是将太阳辐射能直接转换为电能的器件。太阳能电池电路模型见图2-1。a:（Iph ：光生电流, 正比于太阳能电池的面积和入射光的辐照度; ID：暗电流; Rsh ：旁路电阻; Rs：串联电阻; RL：电池的外负载电阻; Uoc ：电池的开路电压。）图 2-1 太阳能电池电路模型输出负载RL上电压电流关系 式中 q k：电子电荷量及波尔兹曼常数；A：太阳能板的理想因数, A=1.5；T：太阳
24、能板的温度；Iso ：太阳能板的逆向饱和电流，与T有关。由光伏电池数学模型分析可知, 太阳能电池的输出是一个随光照条件及温度等因素变化的复杂变量。图2-2为太阳能电池在标准测试条件下，即光照1 kW/m2,T=25e时的典型输出特性。太阳能板的输出开路电压和输出短路电流的值由生产厂家给出3。由图2-2光伏电池输出特性曲线可知, 光伏电池在输出电压较低时, 其输出电流几乎不变，可以看成一个直流恒流电源。光伏电池的P-U曲线是一个单峰值曲线，光伏电池输出功率随输出电压变化而变化，在变化过程中存在一个最大值。图 2-2 太阳能电池典型输出曲线2.2.2 MPPT控制方法观察光伏电池输出功率特性P-U
25、曲线可知, 太阳能电池有一个最优工作点, 叫做最大功率点(MPPT), 它取决于电池板温度和光照大小, 不同的温度和光照条件下太阳能电池有不同的最大功率点。即使在同一温度和光照条件下, 由于太阳能电池的工作电压不同, 也会使太阳能电池输出功率不同。要使光伏电池尽可能地工作在最大功率点, 需要使用最大功率点跟踪(MPPT)控制。最常用的最大功率点跟踪方法有：恒定电压跟踪法(CVT)、扰动观察法、电导增量法4等。1、恒定电压跟踪法通过观察光伏系统P-V关系曲线图，发现在一定的温度下，当日照强度较高时，诸曲线的最大功率点几乎都分布在一条垂直线的两侧，这说明光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电
26、压，这就大大简化了MPPT的控制设计，即人们仅需从生产厂商处获得数据，并使阵列的输出电压钳位于值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。采用CVT较之不带CVT的直接耦合工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可望获得多至20%的电能。但这种控制方式忽略了温度对开路电压的影响，特别是在环境温度变化比较大的场合，会产生较大的偏差，从而浪费较大的电能。CVT控制的优点是：控制简单，易实现，可靠性高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性；可以方便地通过硬件实现。缺点是：控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区；必须人工干预才能良好运行，更难预料风、沙等影响。图
27、 2-3 采用CVT控制的控制流程图2、扰动观察法扰动观察法的原理是在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减少，控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动” ；然后，通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减少，则改变“干扰”的方向。当扰动达到稳态后，光伏阵列的实际工作点在其最大功率点附近的一个小范围内来回振荡，从而导致部分功率损失；其次，难以选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区，
28、步长过大，太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大，跟踪精度下降，从而导致更多的功率损失。由上可归纳出扰动观察法具有以下优缺点：优点：跟踪方法简单，被测参数少，传感器精度要求不高，从而易于实现；缺点：太阳能电池阵列只能在最大功率点附近振荡运行，导致一定的功率损失；跟踪步长对跟踪精度和跟踪速度无法兼顾；在外部环境突然变化时会出现误判现象。所以，扰动观察法适合于日照强度变化比较缓慢场合。图 2-4 扰动观察法控制流程图3、电导增量法由光伏电池的P-U曲线可以看出，在最大功率点处的斜率为零。通过简单的数学推导后如下：44求功率对电压的导数：达到最大功率点时有下式成立最大功率点右边时有下式成立最大
29、功率点左边时有下式成立上面推导表明当太阳能电池阵列工作在最大功率点的条件是:输出电导的变化量等于输出电导的负值。若不相等，则要判断大于零还是小于零，判断其处于最大功率的左边还是右边，然后决定下一步扰动的方向。电导增量法的优点是：在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。电导增量法的缺点是:太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点，如同扰动观察法一样，增量电导法的变化步长也是固定的。电导增量法适合用于光强变化快速和缓慢的各种场合，但是它对于控制器硬件要求相对较高，从而导致控制器的成本
30、增加，因而并不适用小功率的光伏发电场合。图 2-5 电导增量法控制流程图2.3 光伏逆变器的并网控制策略光伏逆变器实现并网运行必须满足：其输出电压与电网电压同频同相同幅值，输出电流与电网电压同频同相（功率因数为1），而且其输出还应满足电网的电能质量要求。这些都依赖于逆变器的有效控制策略。光伏并网逆变器的控制一般分为2个环节：第1个环节得到系统功率点，即光伏阵列工作点；第2个环节完成光伏逆变系统对电网的跟踪同时，为保证光伏逆变器安全有效地直接工作于并网状态，系统必须具备一定的保护功能和防孤岛效应的检测与控制功能。 2.3.1 并网逆变器的结构并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心部分。光伏并网逆
31、变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制四种方式。以电流源为输入的逆变器，直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。按照输入直流电源的性质，可以将逆变器分为电流型逆变器和电压型逆变器17，结构如图2-6所示。(a) 电流型逆变器(b) 电压型逆变器图 2-6 电流型、电压型并网逆变器结构图市电电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，光伏并网逆变器的输出可以控制为电压源或电流源。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则光伏并网系统和电网实际上就是两个交流电
32、压源的并联运行，这种情况下要保证光伏并网发电系统稳定运行，则必须采用锁相控制技术实现与市电电网同步。在稳定运行的基础上，可通过调整并网逆变器输出电压的幅值与相位来控制系统的有功输出与无功输出。但由于锁相回路的响应较慢，并网逆变器输出电压值不易精确控制，系统可能出现环流等问题，同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。因此光伏并网逆变器的输出常采用电流控制，此时光伏并网系统和电网实际上是交流电流源和电压源的并联，只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。这种控制方式相对简单，使用比较广泛。综上所述，本文设计的光伏并网逆变器采用电压源输入、电流源输出的控制方式，即电压
33、型逆变器。2.3.2 逆变器输出电流优化控制并网逆变器采用的电流控制是将逆变器输出作为电流源，它与电网的并联可看作电流源与电压源的并联工作。并网工作中只需控制逆变器的输出电流频率、相位跟踪电网电压变化即可达到并联运行的目的。1、 PI控制PI控制采用电流内环，电压外环控制。电流内环控制要求保证工作电流快速跟踪电网电压的波形，所以电流内环PI参数的设置以保证电流快速跟踪为目的；电压外环控制确保直流侧电压稳定工作在最大功率点处，使外界环境发生变化时电路输出仍然有最大的功率输出，电压外环控制一般采用比例积分控制。设滤波电感和线路的等效电阻为，则有： （2-1）对上式做拉氏变换，整理后可得到研究对象的
34、传递函数为： （2-2）而脉宽调制环节和逆变环节的传递函数可以视为一阶惯性环节，即： （2-3）其中，为逆变器增益，大小等于逆变电路的直流电压利用率。为逆变器开关周期。当逆变换环节处于高频工作状态时，开关周期非常小，可以近似为零，此时上式可简化为： （2-4）为了减小电网电压波动对电流内环控制系统的干扰，可加入电网电压前馈环节，此时电流控制方式为前馈-反馈控制系统。这样依靠反馈控制使系统在稳态时准确地控制被调量等于给定值，而在动态过程中利用前馈控制有效地减少被调量的动态偏差38。PI控制算法采用双闭环控制策略，电流内环控制对于进入系统的扰动具有很好的抑制作用，改善了控制对象的动态特性，使控制系
35、统具有较好的鲁棒性；采用电压外环控制确保直流侧工作于最大功率点处，提高了能量的利用效率；加入前馈控制环节，与反馈回路取长补短，进一步克服了电网电压扰动对系统的影响。缺点是指令信号是电网电压的基波正弦波，不是一个定值跟踪系统，且指令信号中含有其他阶次的谐波，仅采用PI控制是无法消除稳态误差的。2、 滞环控制滞环控制是把正弦电流基准值与输出瞬时值比较得到的误差量作为滞环比较器的输入，其输出用来控制逆变电路功率管的通断。该控制方式选择适当的环宽很重要，环宽越小，跟踪误差越小，但开关频率越高，开关损耗越大。该控制方式电路简单、不用载波、电流响应速度快，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量。但功率开关频
36、率随负载电流的变化而变化，造成功率开关工作具有很大的不确定性，导致逆变器输出电压中谐波频率随开关频率变化而变化，从而给输出滤波器的设计带来困难。图 2-7 滞环控制框图3、重复控制图 2-8 重复控制框图逆变器的输出电流发生变形常常是因为逆变器的不受控制区域以及电网频率波动的存在。内模控制原理其中的重复控制原理能比较好的解决这个问题。在一个稳定的闭环控制系统中存在着外部输入信号模型，这就是内模控制。基于内模原理的重复控制器具有良好的鲁棒性与稳态性能，它已经被广泛应用于电力电子波形控制中；重复控制器对于周期性指令信号可以获得近乎无差的跟踪特性，而对于外部周期性扰动以及当控制对象与所建立模型失配，
37、或参数因为环境等而发生变化等因素具有较好的抑制能力42。重复控制器把给定信号和反馈信号的误差作为控制指令，然后在下一个周期时把该误差信号与给定信号相加，以消除输出电流中的谐波分量。重复控制器包括周期延迟环节、低通滤波器和补偿器，为一个基波周期内的采样次数。的作用是把当前周期的误差信号作为下一周期控制的输入信号，以消除每个周期中重复出现的扰动。为取值介于0和1之间的常数，实现上一周期衰减的周期扰动信号和本周期出现的扰动信号进行累加。是针对控制对象传递函数设计的补偿器，目的是使控制对象具有零相移、单位增益的特性，改善系统的动态性能43。对光伏并网发电系统而言，取值为逆变器开关频率与基波频率的比值，
38、即载波比。控制对象的传递函数为：控制对象在中低频段增益接近于0，为加快高频衰减，优化系统的动态响应特性，设计一个二阶低通滤波器，截止频率设计为幅值曲线拐角附近的频率，阻尼比 设计为大于1的常数。为增强对周期性扰动信号的快速跟踪能力，消除由于加入低通滤波器带来的低频段的相位偏移，设计超前环节，使系统在中低频段具有零相移的特性。第三章 两级式单相光伏并网系统的设计3.1 系统的总体设计根据实际情况，本论文选择了无变压器的两级结构，即前级DC/DC变换器和后级DC/AC逆变器，两部分通过DClink连接。前级的DC/DC模块采用Boost拓扑结构，后级的DC/AC逆变器采用逆变全桥实现逆变，向电网输
39、送功率。系统的控制部分由以TMS320F2812为核心的控制单元完成。系统的结构图如图3-1所示。图 3-1 光伏并网发电系统的结构图3.2 主电路设计光伏并网发电系统主电路的拓扑结构图如图3-5所示。光伏阵列输出的额定直流电压为50-80V之间，通过DC/DC变换器转换为DClink的直流电。后级的DC/AC逆变器，采用逆变全桥，作用是将DClink直流电转换为220V/50Hz的正弦交流电，实现逆变向电网输送功率。DClink的作用除了连接DC/DC变换器和DC/AC逆变器，还实现了功率的传递。前级DC/DC变换器，可选择的形式有降压式变换电路(Buck Converter)，升压式变换电
40、路(Boost Converter)，升降压式变换电路(Boost-Buck Converter)，库克式变换电路(Cuk Converter)等。由于Buck电路的输入工作在断续状态下，若不加入储能电容，光伏阵列的工作时断时续，不能工作在最佳工作状态，加入了储能电容后，Buck电路功率开关断开时光伏阵列对储能电容充电，使太阳能电池始终处于发电状态，此时调节Buck电路占空比才能有效跟踪最大功率点，因此储能电容对于利用Buck电路实现MPPT功能是必不可少的，然而在大负荷情况下，储能电容始终处于大电流充放电的状态，对其可靠工作不利，同时由于储能电容通常为电解电容，增大了MPPT装置的体积，使整
41、个系统变得笨重。此外，后级DC/AC电路为了能得到正常的输入工作电压，前级的输出电压不能太低，而光伏阵列的电压随着日照等因素变动较大，其输出电压低时若通过Buck电路降压，则逆变器无法工作，所以不采用Buck电路。相比之下，Boost变换器可以始终工作在输入电流连续的状态下，只要输入电感足够大，电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流，因此只需加入通量较小的无感电容甚至不加电容，避免了加电容带来的弊端。Boost电路简单，功率开关器件的驱动设计方便，因此，选用Boost升压电路12。3.2.1 前级（DC/DC）电路的工作原理（1）电路原理图Boost电路的原理图如图3-2所示。Boost电路由
42、开关管Q1，二极管D，电感L，电容C组成。Boost电路的作用是将电压升压，其中，是光伏阵列的输出电压，是Boost电路的输出电压。图 3-2 Boost电路原理图（2）工作过程在每个斩波周期内，开关管Ql导通、关断各一次。开关管Q1导通时，等效电路如图4-3(a)所示，流过电感L的电流为，在电感未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感L中。此时，由于二极管阳极接在电源负极，二极管关断，电容C只能向电阻RL放电，提供电阻电流。当二极管关断时，其等效电路如图4-3(b)所示，由于流过电感的电流不能突变，电感L两端的电压极性改变，此时，电源和电感串联，向电容和电阻供电。简言之，开关管Q1
43、导通时，二极管反偏，输出级隔离，由输入端向电感提供能量；开关管Q1断开时，输出级吸收来自电感和输入端的能量。图 3-3 Boost电路的工作过程根据上述分析，列出工作过程中的关系表达式如下： （3-1）式中，为开关管的开关周期；为占空比；为开关管的导通时间；为开关管的截止时间。整理后得 （3-2）（3）工作原理根据电感电流在周期开始是否从零开始，是否连续，可分为连续的工作状态或不连续的工作状态两种模式。由于电路在断续工作时，电感电流的不连续意味着光伏阵列输出的电能在每个周期内都有一部分被浪费了，而且纹波也会大些。因此一般把Boost电路设计为连续导通的工作状态。3.2.2 后级（DC/AC）电路的工作原理（1）电路原理图光伏并网发电系统的逆变器采用单相全桥逆变器结构，其拓扑结构图如图4-4所示。图 3-4 单相全桥逆变器的拓扑结构（2）工作原理如图4-4所示是单相全桥并网逆变器主电路结构图，其中是电网电压，是输入的恒定的直流电压，是逆变器的输出电压，是从逆变器输出到电网的电流。为交流输出电感，为直流测支撑电容，即前级Boost电路的输出电容，T1T4是主开关管，DlD