2015我国太阳能发电及光伏逆变器行业发展概况分析【图】_中国产业信息网
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2015我国太阳能发电及光伏逆变器行业发展概况分析【图】
& & 一、可再生能源发展需求和太阳能利用 & &&太阳能是各种可再生能源中最重要、最丰富的基本能源。从2010年到2014年，太阳能发电累计装机容量占比分别为0.88%，1.39%，1.92%，2.53%，3.22%。占比逐年上升，主要是由于新能源发电技术水平不断提高、发电成本不断下降、上下游产业更加成熟、应用方式更加灵活多样等多种因素共同导致。& &&相关报告《》& &&二、太阳能发电技术概述& &&在太阳能光伏发电系统中，太阳能通过太阳电池组件的整流转化为直流电能， 再通过光伏逆变器中的功率变换及控制系统将直流电能转化为符合电网电能质量要求的交流电。光伏逆变器的可靠性、高效性和安全性直接影响到整个太阳能光伏发电系统的发电效率及运行稳定性， 是整个光伏发电系统中的关键设备之一。 & &&光伏逆变器主要由功率模块、控制电路板、断路器、滤波器、电抗器、变压器、接触器及机柜等组成，其发展过程依赖于电力电子技术、半导体器件技术和现代控制技术的发展。
发电方式 材料 优缺点 应用状况
光伏电池发电 晶硅 优点：技术成熟、转化率高（~20%）、 良品率高（95-98%） 缺点：污染较大 & 主流技术，整个市场需求约 90%。由于中 国晶硅和电池模组生产商的激烈价格竞争， 晶硅太阳能电池的价格不断下滑， 发电经济 性显著提高，成为光伏发电主流技术
薄膜 优点：薄膜电池用材料少、制造工艺简 单、耗能少、可大面积连续生产，弱光 响应性好，可以涂在建筑、玻璃表面 缺点： 设备投资较高、 良率较低 （60%） ， 转化率低（~13%） & & & 重要技术方案，整个市场需求约10%
聚光光伏发电 & 优点：用金属、玻璃替代半导体光伏面 板，降低成本，便利散热 & 美国、欧洲、澳大利亚示范项目 & &&三、世界光伏行业发展现状 & & 自 20世纪90 年代以来，出于节能环保、可持续发展等考虑，世界上主要的工业发达国家先后制定了扶持光伏发电发展的计划和政策， 光伏产业得到了迅速发展，市场已经较为成熟，工业发达国家的光伏逆变器生产企业也得到了快速发展。
年全球太阳能光伏发电累计装机容量年增长率单位：MW
年份 全球光伏发电累计装机容量 年增长率（%）
2009 23,185 46.33
2010 40,338 73.98
2011 70,469 74.70
2012 100,480 42.59
2013 138,833 38.17
2014 188,800 35.99 来源：欧洲光伏工业协会& & 《全球新年能源发展报告 2015》由上表可见，自 2009 年至 2014 年，全球光伏发电累计装机容量持续增长，未来全球光伏发电市场还将保持快速扩张，据欧洲光伏工业协会预测，在政策利& &&好的情况下，2018 年全球当年新增装机容量有望达到 69GW，累计装机容量将达到 430GW，是2010年累计装机容量的 333.85 倍。 & &&四、中国光伏行业发展概况 & &&伴随着全球对清洁能源、环境保护关注的不断增强，国内光伏产业在过去近十年中经历了一个快速发展阶段。从2009 年启动的&金太阳&和&太阳能发电建筑一体化&示范工程，到 2012年实施光伏发电补贴电价，中国光伏行业在补贴政策驱动下迎来高增长。2013 年至 2014 年，我国光伏产业严重依赖欧美市场的风险爆发，欧盟、美国对中国光伏产业提出反倾销和反补贴，使得我国光伏产业一度面临困境。但是，2013 年以来，中国以《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》国发[2013]24号文件为代表的光伏产业支持政策密集出台，配套措施迅速落实，中欧光伏贸易纠纷得以通过承诺机制解决；此外，我国的出口结构的优化给产业带来发展的转机， 出口市场逐步转向亚洲、 非洲及澳大利亚等等地区，我国光伏产业的市场空间逐步扩大。 年全国太阳能光伏发电累计和新增装机容量数据来源：欧洲光伏工业协会& &&2015 年 3 月 16 日，国家能源局以&国能新能[2015]73 号文&下发《关于下达2015 年光伏发电建设实施方案的通知》 。按照该通知中制定的规划，2015 年全国新增光伏电站建设规模从征求意见稿时的 15GW正式调整为 17.8GW。光伏产业的发展将保持良好势头。
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在产能利用率大幅回升的背景下，考虑到政府去产能目标依…
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太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。因此，太阳能的利用越来越受到人们的重视，成为利用最大的可再生能源，也是世界发展最快的行业之一。
基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、光伏发电控制器、逆变器和蓄电池组构成。其中，光伏发电控制器是光伏发电系统的核心部分。光伏发电系统的离网运行和并网运行时目前研究的两个主要方向，离网运行指的是系统未与公网相连接，主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、通信中继站、边防哨所等场合提供电源。并网运行系统是与公共电网相连接，共同承担供电任务，是目前太阳能发电进入大规模商业化发电的重要方向，也是当前世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。不过由于光伏发电受地理分布、季节变化、昼夜交替等诸多因素的影响，加上大规模使用时对占地面积有相当的要求，这对于需要实物系统进行测试实验的控制器研发场合是一大难题；高校科研教学则往往采取小功率光伏发电系统模拟光伏发电的实际运行情况，不过也无法方便解决并网运行相关的研究和实验要求。
远宽解决方案
对于在光伏发电系统研究中，对于硬件在环测试（HIL）——测试实际光伏发电控制器以及快速控制原型（RCP）——快速实现控制算法的需求，远宽能源提供光伏发电HIL与RCP的仿真平台。
& 光伏发电HIL平台
& 支持任意拓扑搭建
& 无需功率实物、不受环境影响，即可搭建有效与真实的科研实验环境
& 节省购买和维护设备的成本，创造安全可靠的实验环境
& 拓扑更改方便快捷，有效提高科研效率
& 光伏发电RCP平台
& 支持算法模型一键下载
&&代替传统DSP，从算法模型入手，减少学习成本，提高研发与测试的效率
& 在完成与仿真器的闭环调试后，可直接连接实际光伏发电逆变并网设备
1.&光伏发电HIL平台
光伏发电系统中含有电力电子元器件，与传统电力系统的实时仿真不同，需要有μs级的仿真步长才能准备仿真电力电子系统。远宽能源利用FPGA来来实现对光伏发电并网系统中电力电子变流器的实时仿真；如果研究对象系统中含有如无穷大、输电线路等交流网架的部分，可用CPU来实时仿真，仿真系统与被测的实际控制器通过实际信号连接构成闭环。使用基于FPGA或基于FPGA与CPU联合仿真的HIL平台来仿真光伏发电系统，可以方便地对光伏发电并网控制器进行各种工况的测试，尤其是电网故障工况的测试；另一方面，HIL平台能够方便地调整光伏电池的工作环境，能够方便地在实验室环境下完成相关的科研、测试与调试工作。系统架构如下图所示：
该平台适用于光伏发电并网的控制器在环测试与运行研究，详细案例介绍请参考页面底部的相关内容推荐。
2.&光伏发电RCP平台
光伏发电RCP平台用于并网控制侧，光伏发电并网控制的算法模型可以自动代码生成并下载到MT RCP控制器上，无需额外的编程工作，即可实时处理控制算法并发出控制信号控制仿真电路侧。仿真侧电路可以采用实物硬件，也可采用HIL仿真平台，将光伏发电并网的电路部分通过建模之后，下载到实时仿真主机中仿真运行，能够准确地仿真光伏发电并网系统的特性，并能够接受并网逆变的控制信号、将电路的电压电流模拟信号输出。整个系统能准确模拟光伏发电并网系统的特性，展示不同环境条件下光伏发电的特性以及并网算法的实现。系统架构如下：
该平台适用于光伏发电并网的控制算法的快速实现与理论研究，详细案例介绍请参考页面底部的相关内容推荐。
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光伏微型发电逆变器的设计
微型光伏发电逆变器的设计 摘 要目前，人类社会发展迅速，对能源的需求不断加大，能源危机和环境保护成了 21 世纪的主题。太阳能具有无限性，清洁性等特点，如果能加以利用，对人类以后 的发展和延续由很重要的意义。 在此背景下， 本设计基于 TMS320F240 对光伏发电并 网逆变器做出了分析和研究。 本设计首先介绍了国内外光伏发电的现状，分析了光伏发电的工作原理，然后对 主电路结构进行分析和选择， 最终确定前级采用 Boost 升压电路以及后级采用全桥逆 变电路， 逆变主电路采用无变压器绝缘的两级拓扑结构。 控制方法采用滞环反馈调节。 分析了太阳能电池的工作原理， 确定了采用扰动观测法实现最大功率点跟踪 （MPPT） 的方法。接着论述了孤岛效应的产生原因和危害，确定了采用周期性扰动正反馈频率 漂移(AFDPF)孤岛检测方法。对系统进行了软硬件的设计，最后利用 MATLAB 软件 对系统部分指标进行了仿真，满足了部分要求。本次设计能够部分解决地区供电难， 社会能源短缺问题，对社会发展和稳定有重大现实意义。关键词：太阳能，光伏并网逆变器，最大功率点跟踪，孤岛检测，MATLABIThe Design of Photovoltaic Inverter ABSTRACTAt present, the development of human beings growing demand for energy, the energy crisis and environmental pollution have become the theme of this century. In this background, this paper use the solar energy, based on TMS320F240 is designed 800 w miniature grid-connected photovoltaic inverter. At first, this paper analyzes the main circuit structure of system, before the final level using the Boost booster circuit, and the latter adopts full bridge inverter circuit working principle of inverter main circuit adopts the two levels of topological structure of transformer insulation. Then analyzed the working principle of solar cells, determines the disturbance observation method is used to achieve maximum power point tracking (MPPT) method. Then discusses the causes and harm of islanding, determines the periodic disturbance using positive feedback frequency drift island (AFDPF) detection method. Finally, the system hardware and software design, and on the part of the performance of the MATLAB simulation, to verify the part of the performance of the system. KEY WORDS: The solar energy， Photovoltaic grid-connected inverter， Maximum power point tracing，Island detection，MATLABII目 录前 言 ................................................................................................................. 1 第 1 章 绪论 ..................................................................................................... 2 1.1 微型光伏发电逆变器国内外研究动态 ............................................. 2 1.2 选题的依据和意义 ............................................................................. 2 1.3 基本内容和解决重点问题 ................................................................. 3 1.4 研究进度 ............................................................................................. 3 1.5 主要内容 ............................................................................................. 3 第 2 章 控制系统总体设计 ........................................................................... 4 2.1 光伏逆变系统的工作过程 ................................................................. 5 2.2 光伏并网逆变系统的性能指标和参数要求 ..................................... 6 2.2.1 逆变器性能指标 ....................................................................... 6 2.2.2 逆变器参数要求 ....................................................................... 6 2.3 光伏并网逆变系统的控制方案 ......................................................... 7 2.3.1 系统的整体控制方案 ............................................................... 7 第 3 章 控制系统硬件设计 ........................................................................... 10 3.1 控制系统的整体构成 ....................................................................... 10 3.2 控制系统中变量分析 ....................................................................... 10 3.2.1 变步长扰动观察法实现最大功率点跟踪 ............................. 10 3.2.2 孤岛效应及其检测方法 ......................................................... 12 3.3 控制系统中所用硬件设备的选择 ................................................... 13 3.3.1 Boost 电路设计 ........................................................................ 13 3.3.2 逆变电路设计 ......................................................................... 15 3.3.3 驱动电路的设计 ..................................................................... 17 3.3.4 控制电路的设计 ..................................................................... 18 第 4 章 控制系统的软件设计 ....................................................................... 19 4.1 MATLAB 简介................................................................................... 19 4.2 控制系统整体设计 ........................................................................... 20 4.3 DSP 锁相环节软件设计 .................................................................... 20 第 5 章 系统仿真 ........................................................................................... 22 5.1 电流跟踪型逆变器仿真 ................................................................... 22 5.2 光伏阵列的仿真 ............................................................................... 25 5.3 扰动观察法模型仿真 ....................................................................... 28III第 6 章 总结与展望 ....................................................................................... 31 6.1 本设计主要完成的工作 ................................................................... 31 6.2 控制系统的性能和优缺点 ............................................................... 31 6.3 控制系统设计过程中的技术难点 ................................................... 32 6.4 控制系统还需改进的地方 ............................................................... 32 谢 辞 ............................................................................................................... 33 参考文献 ......................................................................................................... 34 外文翻译资料 ................................................................................................. 36IV前 言本课题主要针对目前能源问题而设计，能源问题一直关乎人类生存和发展，是 人类能否延续下去的关键。目前资源短缺使得人类必须找到一种新的能源来替代， 同时环境污染也是重大问题。然而太阳能是最好的选择，其一清洁，其二取之不尽 用之不竭。如果能对其加以改造和利用，必然对人类的发展起着至关重要的作用[1]。 从 20 世纪 80 年代起中国开始研究了光伏逆变器， 现有特定的公司生产光伏发 电逆变器。我国光伏发电逆变器厂商普遍启动时间晚，所以在规模、结构、工艺、 做工、性能稳定性国外企业无法相提并论。不过国内龙头企业合肥阳光电源公司发 展迅速，在欧洲市场及国外其他大功率市场取得相当大的成绩。 本次设计分析微型光伏发电及并网工艺过程，主电路主要采用两级电路，前级 是 Boost 升压电路，后级为逆变电路。主要控制方式是滞环反馈控制，采用变步长 最大功率点跟踪方法实现太阳能光伏阵列最大功率电跟踪。最后在 MATLAB 中构 建了系统的仿真模型，验证了部分系统性能[2]。1第 1 章 绪论1.1 微型光伏发电逆变器国内外研究动态近年来，欧美各国如德国、美国、意大利以及中国光伏产业不断发展，光伏逆 变器在全球的销量与日俱争。 欧洲市场得天独厚， 成熟的技术使他们具有领先水平， 走在世界的前沿。全球光伏市场日渐兴起，欧洲大多数光伏逆变器厂家开始扩张。 具有先进半导体技术和工业基础的美国和日本在电路设计、自控设计设计方面 颇具实力， 他们依靠各自的品牌于光伏逆变器生产设计领域拥有很强的实力与优势。 国外主要逆变器厂商有：SMA、KACO、 Fronius、Siemens、 studer、Danfoss、Spwtick 等公司，其中 SMA、KACO、Fronius、Siemens 市场占有率达 70%，领军国家德国 SMA2009 年市场销售额占为 44%。 这使得传统厂商不得不开始扩充产能， 不断扩展 渠道，传统电气控制、自动控制控等工业巨头逐渐开始进入新能源市场。 从 20 世纪 80 年代起中国开始研究了光伏逆变器， 现有特定的公司生产光伏发 电逆变器。我国光伏发电逆变器厂商普遍启动时间晚，所以在规模、结构、工艺、 做工、性能稳定性国外企业无法相提并论。不过国内龙头企业合肥阳光电源公司发 展迅速，在欧洲市场及国外其他大功率市场取得相当大的成绩。 如今，虽然国内逆变器生产厂商比较多，但对于光伏发电逆变器的研究的厂家 却寥寥无几。合肥阳光电源股份有限公司、南京冠亚电源设备有限公司等企业的光 伏逆变器技术不断上升，产量不断提高，甚至成功研发了大型光伏逆变器。逆变器 的利率可高达 35%--40%，主要因为逆变器成本低、技术成熟、供应商少。以后投 资者的不断增加和大规模光伏系统电站的建立必然使得毛利率下降。 “金太阳工程” 在一定程度上激励国内商家的发展，给未来光伏器发展带来机遇与挑战[3]。1.2 选题的依据和意义21 世纪是能源危机的时代，能源问题是人类能否延续下去的关键。目前资源短 缺使人类必须找到一种新的能源来替代，同时环境污染也是重大问题。然而太阳能 是最好的选择，其一清洁，其二取之不尽用之不竭。如果能对其加以改造和利用，2必然对人类的发展起着至关重要的作用。 本设计对光伏发电逆变器的总体控制方案、主电路结构、器件选型、光伏太阳 能电池的最大功率点跟踪以及孤岛检测进行了深入研究。1.3 基本内容和解决重点问题本设计基于 TMS320F240 实现电路控制， 主电路采用无变压器绝缘的两级结构， 并且有最大功率检测与跟踪以及孤岛效应检测，研究分析了光伏发电并网逆变器， 最终输出与电网电压同频同相的正弦电流输出。 (1)分析微型光伏发电及并网工艺过程； (2)在分析工艺过程的基础上，设计系统整体控制方案，选择控制策略； (3)进行硬件电路设计，完成元器件参数计算和选型； (4)硬件电路仿真； (5)搭建硬件电路； (6)电路测试及调整。1.4 研究进度1-3 周：查找相关资料，设计整体方案，撰写开题报告。 4-5 周：控制方案设计，元器件参数计算和选型。 6-8 周：硬件电路的搭建、仿真和测试。 9-10 周：系统控制软件的设计及测试。 11-12 周：撰写毕业论文，答辩。1.5 主要内容本文主要内容分为六个部分： 一、绪论，介绍了本设计的来源和意义，概述了光伏发电的工作原理以及光伏 逆变的关键技术。 二、研究了并设计出了本系统的主电路结构――无变压器绝缘两级结构，分3析了逆变电路。 三、介绍了系统各个关键部分：升压单元、逆变单元、滤波单元、驱动单元、 控制单元等器件选型。 四、介绍了系统的软件设计。 五、给出本设计的光伏并网逆变器的仿真来验证部分性能。 六、主要对本次设计的性能指标做出了总结，说明了系统的优缺点以及需要 改进的地方。第2章控制系统总体设计42.1 光伏逆变系统的工作过程白昼，光伏电池组受到太阳光的照射，产生电动势，光伏阵列由数个太阳能电 池模块串联形成，它产生的电压应与系统所需要的输入电压相同。光伏系统主要分 为两类：并网系统和独立系统，并网系统就是要与电网连接，则太阳能产生的电流 要接入电网； 独立系统则不与电网相连接， 单独将太阳能产生的电流供给用电设备。 利用光生伏打原理，光伏发电系统将太阳能直接转换成电能。光伏发电系统主要由 由电池方阵和逆变器两部分组成。当有光照射太阳能电池板时，电池方阵产生电流 通过并网逆变器将电能输送到交流电网上。 光伏发电系统主要分为独立式和并网式。 独立式光伏发电系统远离电网， 适用于远离电网的地区用于不想接电网的用电场合。 光伏并网发电系统原理图如图 2-1 所示，图 2-1（a）是单级式并网发电系统原理图， 图 2-1（b）是两级式光伏并网发电系统原理图[4]。PV阵列并网 逆变器电网PV阵列DC DC并网 逆变器电网MPPT控制MPPT控制逆变器 控制（a）单级式光伏并网发电系统 统 图 2-1 光伏并网发电系统（b）两级式光伏并网发电系得出结论， 逆变器是光伏系统至关重要的环节， 影响系统效率和系统工作质量， 直接决定系统是否能够稳定运行。表 2-1 列举了独立式光伏发电系统和光伏并网发 电系统的各自特点，根据表格得出结论：并网发电系统相对于独立系统成本较低， 发电质量和效率高，是比较好的选择[5]。表 2-1 名称独立光伏发电与并网发电对比 描述5① ② 独立式发电系统 ③ ④ ⑤成本相对较高； 输出功率不稳定； 输出电能质量易受外界影响； 需蓄电池或风力发电机等设备作为系统补充 主要用于边远无电地区，用于发展中国家① ② 并网发电系统 ③ ④造价较低、发电成本较独立式低 10~20%； 电能供给较稳定； 无需其它能源补充设备； 发展不受地区的限制，发达国家应用较多2.2 光伏并网逆变系统的性能指标和参数要求2.2.1 逆变器性能指标 并网逆变器不同于普通的逆变器， 差别是并网逆变器要保证输出电压 （电压型） 或电流（电流型）与电网电压同步，这样才能符合给电网供电的标准。然而工频电 网的输出频率是变化的，所以逆变器的输出频率要随电网频率的变化而变化。与此 同时，功率因数也是一个需要考虑的问题。功率因数过低，电网会被注入谐波和无 功分量，线路负担加重，并且谐波会造成电磁辐射。为使生产高质量的电能，降低 污染，应尽量使逆变器的输出功率因数趋于 1。一般以下要求： （1）输出一个频率稳定度在±0.5％的正弦交流电。 （2）断电状况下逆变器自行切断。 （3）保证光伏阵列的最大功率点输出。 （4）提高效率，使效率在 85%以上。 （5）启动电流小，系统运行稳定。 （6）具有短路、过载、过压、欠压、声光报警保护功能[6]。2.2.2 逆变器参数要求 额定输出功率： PN ? 800W ； 输出单相交流电压： Uon ? 220V ；6输出单相交流电压： f N ? 50HZ ； 系统输入直流电压： Uin ? 100 ~ 170V 。2.3 光伏并网逆变系统的控制方案2.3.1 系统的整体控制方案 本设计采用电压源输入-电流源输出的控制方式，采用无变压器绝缘的两级结 构，前级为 DC-DC 升压单元，后级为 DC-AC 逆变单元，两部分由直流母线连接在 一起，图 2-2 为电压型逆变器原理图。 本系统中，光伏阵列输出直流电压范围是 100-170V，升压单元将其升至 400V。 后级逆变单元采用单相逆变桥，将电压转换为电流并将其输送给电网。主电路结构 图如图 2-3 所示。+V1V3udCu0V2V4-图 2-2 电压型逆变器原理图Ipv L1BOOST电路单相桥式逆变电路VDBa V1 VD1b V3 Ub VD3 L0C1 Upv V0C2Ua7~VD2 V4 VD4220V 50HzV2MPPT图 2-3 无变压器绝缘的两级逆变器无变压器绝缘两级式逆变器没有进行隔离，其体积小，效率高，成本低。然而 在一些要求隔离的场合并不适用。2.3.2 系统内部电路工作原理 （1）Boost 升压单元工作原理 如下图，Boost 升压单元电路由电源 E,二极管 D，开关管 Q，电感 L，电容 C 和负载 R 构成，实现对输入电压的升压。L DEQCR图 2-4 Boost 电路原理图图 2-5 是 Boost 电路工作原理：当开关管 Q 导通时，二极管 D 反偏，不能导通 输出与输入被隔离， 则输入端 E 向电感 L 提供电量。 开关管 Q 断开时， 二极管导通， 输入与负载 R 形成回路，负载 R 接收来自输入 E 和 L 的电量。8LLiRLEiLR ECiRLRiLC（a）Q导通，D关断（b）Q关断，D导通图 2-5 Boost 电路工作过程Boost 升压单元电路有连续和不连续两种工作状态，应该确定每个周期开始电 感电流从零开始以保证电路处于连续工作状态。为了保证系统的稳定性控制其导通 占空比在 D ? 0.88 之内[7]。（2）单相全桥逆变单元的工作原理 后级逆变单元电路为电压型单相桥式，全控型功率器件，其结构图如图 2-6 所 示。+V1U dcV3U0L0I gridC~U grid_V2V4图 2-6 单相桥式逆变器的结构图9第 3 章 控制系统硬件设计3.1 控制系统的整体构成本文设计的微型光伏发电并网逆变器的额定输出功率是 800W，输出单相交流 电压是 220V，频率是 50Hz。该系统以 TMS320F240 芯片作为核心控制部分，由光 伏阵列单元、升压单元、逆变单元、TMS320F240 控制单元、驱动单元、滤波单等 六部分组成。如图 3-1 所示为系统整体框图[8]。光伏阵列升压单元逆变单元滤波单元输出AC驱动单元控制单元图 3-1 系统整体框图3.2 控制系统中变量分析3.2.1 变步长扰动观察法实现最大功率点跟踪 为了实现光伏最大功率点的跟踪， 研究并确定了扰动观察法， 因为其控制简单， 控制效果良好。然而扰动观察法依然有不足之处，一是可能在最大功率点处功率震 荡现象较严重，二是光线变化过大最大功率点将无法跟踪。其中最重要的原因是这 种方法下电池输出电压的扰动量（步长）是固定值。步长直接影响了系统的动态响 应及稳定状况。若太大，则 MPPT 随环境变化速度较大，在最大功率点周围震荡幅 度也很大。若太小，震荡幅度减小很大，MPPT 响应速度骤减，外界环境对其影响 也微乎其微。 变步长扰动观察法实现最大功率点跟踪可以在保证精度的前提下，同时提高了 系统的响应速度。当光伏电池远离最大功率点时，使用较大的步长扰动，很快便可 以达到最大功率点。若光伏电池接近最大功率点，用小步长扰动的方法，可以有效 提高效率防止输出功率不稳定[9]。 图 3-2 是变步长扰动观察法的示意图，假设系统开始时光伏电池的 P-V 曲线是10图中曲线 1，若太阳能电池目前在 V1 处工作，离最大功率点较远，则系统以大步长 跟踪；若目前工作在 V2 处，距离最大功率跟踪点较近，系统以较小步长跟踪；若 目前工作在 V3，几乎处于最大功率点，系统将保持当前值，持续到下一个扰动周期 才会判断是否需要扰动；若外界环境变化过大时，如图 3-2 中太阳能电池特性曲线 从曲线 1 立刻转为曲线 2， 同时最大功率点从 MPP1 变至为 MPP2， 系统会以较大步 长直至跟踪到 MPP2。图 3-2 变步长扰动观察法示意图当系统工作时，对于太阳能电池的输出功率，最好多次采样求平均值，因为输 出功率会受到谐波以及采样精度等一系列因素的影响。取平均值可以有效的对太阳 能电池输出功率进行判断，确定准确的扰动方向。根据数据研究和分析，得出当太 阳能电池输出电压初始值为开路电压 0.76 倍时，便达到了最大功率点。 如图 3-3 为变步长扰动观察法流程图， 进入 MPPT 中断， 首先读取电流电压值， 计算出平均功率，ΔP 为功率振荡，若它大于 2W，就以 2V 步长进行扰动；若它小 于 0.5W 就以 0V 步长进行扰动；若它介于 0.5W 与 2W 之间，则 ΔV=2V*（ΔP/2W）[10]。11MPPT中断读取电流电压值 Up(k),Ip(k)计算平均输出功率值 P(k)=Up()k*Ip(k)计算平均功率差 ?P ? P ( k ) ? P ( k ? 1) Y?P ? 2W ?N Y?V ? 2V?P ? 0.5W ?N?V ? 2V ? ?P 2W?V ? 0?P ? 0 ?Y N?V ? ??VU ref (k ) ? U ref (k ? 1) ? ?VP(k ? 1) ? P(k )中断返回图 3-3 变步长扰动观测法流程图3.2.2 孤岛效应及其检测方法 （1）孤岛效应及其危害 光伏并网发电系统最大的特点是具有对孤岛效应的检测和防止的功能。孤岛效 应会给电网带来危害表现在，当电网供电中断时，逆变供电系统继续向电网供电， 就使得发电系统和它所带的负载不受控制，这样是比较危险的。下面是孤岛效应的 几条危害[11]。 ① 影响电力系统的正常运行； ② 对维修人员的安全造成威胁； ③ 输出电压和频率不受控制，损坏用电设备； ④ 光伏并网发电系统是单相供电，会造成三相系统缺相工作。12现在电力短缺，人类想尽办法把有限能量转化为电能送到电网，对电网是一种 安全性的挑战，所以反孤岛效应在今后的电网发展将必不可少。 （2）周期扰动 AFDPF 周期扰动的检测方法无疑提高检测的效率和质量。周期扰动检测就是在电网正 常运行下，为了平衡负载对扰动方向的作用，对逆变输出电压进行双向频率扰动。 图 3-4 为周期扰动控制流程图，图中有两个扰动信号 cf1，cf2。 开始工作时，两个 方向的扰动开始工作，比较电压频率大小。当一侧频率较大时，选择它并对其加正 反馈，这样逆变器输出频率很快达到报警值，保护电路被触发，电网和逆变器断开 连接[12]。开始施加扰动信号 cf1 , cf 2 Y N?f1 ? ?f 2增强cf1扰动增强cf 2扰动Ncf1k +1 =cf1k +?cf1f1 &fislandcf 2k +1 =cf 2k +?cf 2f 2 &fislandNY图 3-4 周期扰 图 3.3 控制系动 AFDPF 方法流程备的选择 3.3.1 Boost 电路设计 （1）电感的选取孤岛故障发现统中所用硬件设对于升压单元，最重要的控制其输出电压的稳定性，增加占空比可以使电压有 更高的增益，易于维持电压的稳定，实际中，一般使占空比 D&0.88。13U PV ? DTS ? (U PV ? Udc ) ? (1 ? D) ? Ts ? 0(3.1)式中：U PV 是太阳能电池输出电压，U dc 为 Boost 升压电路输出电压，TS 是开关 管开关周期， DTS 是开关管的导通时间，D 是 Boost 电路开关管的占空比，(1 ? D)TS 是开关管的截止时间[13]。 由式（3.1）得：U dc 1 ? U PV 1 ? D(3.2)本系统中，电池板的输入电压范围 100V-170V，Boost 输出电压 Udc ? 400V ， 由(3.2)可得Dmin ? U dc ? U PV max 400 ? 170 ? ? 0.575 U dc 400Dmax ?U dc ? U PV min 400 ? 100 ? ? 0.75 U dc 400所以本系统中 Boost 电路占空比 D 是 0.575-0.75。 要求最小输出功率为 20%，则电感大小为Lmax ?U PV DTs D(1 ? D)U dcTS D(1 ? D)2U dc 2TS ? ? ?I L 2I L max 40%PO（3.3）开关管工作频率过低输出波形干扰少，易于滤波，过高会增加损耗导致过热。 此系统选择频率 f=10kHz,D=0.575 时，Lmax ? 0.575(1 ? 0.575)2 ?
? 5.19mH 40% ? 800Lmax ? 5.19mH所以 L ? 6mH[14]。（2）开关管的选取 根据本论文的设计要求，IGBT 比较符合要求，它输入阻抗高，开关速度快， 大电流， 耐高压。 虽然 MOSFET 速度快， 导通电压低， 但对于大功率场合并不适用。 选择 IGBT 主要依据就是要保证开关时集电极发射极两级之间电压不能超过其 耐压值。其次最大集电极电流在工作过程中必须在安全电流去内，保证不会超过最14大允许功率。最后应考虑散热问题。电路中 IGBT 各个参数为：耐压 400V，电流 2A。可选用富士 1MBH60-100，参数：耐压 1000V，电流：60A[15]。 （3）二极管的选取 升压单元电路中二极管参数：耐压 350V，电流 2.8A。选用 DSE160-10A,参数： 耐压 1000V，额定电流：60A。 （4）输入电容的选取 假设电网电压和电网电流仅含有基波分量且同相， 则向电网提供的瞬时功率为：2 P O 是注入电网的平均功率， w 是电网角频率， t 是时 O (t ) ? 2P O ? sin (w ? t ) ，其中 P间。 为了使光伏系统对太阳能电池输出电压和输出电流的采样更加精确，设置输入 电容很有必要，减少了其他因素对逆变器造成的波动影响，减少了各部分之间干扰 的相互影响。输入电容选取 2 个 1mF/200V 的电容并联组成[16]。3.3.2 逆变电路设计 （1）滤波电感的选取 并网系统要求输出功率因数趋于 1，输出波形为正弦波，输出电流与电网电压 同步，所以，电感的选取非常关键，决定了一系列电路的性能。依据以下两条选取 电感： ① 电流的纹波系数 输出纹波电流电流大小由滤波电感直接决定，则V ?Ldi dt可得：?i ? ?TON0U L (t ) dt L0（3.4） 于是求得：D?U dc ? U g max U dc(3.6)从（3.4） 、 （3.5）可得：15L0 ?U g max (U dc ? U g max )T ?iU dc（3.7）在本系统中，U g max ? 2 ? 220 ? 311V ， I 0 ? 3.64 A ，Udc ? 400V ，开关管的工 作频率取 f ? 10KHz ，取电流的纹波系数为 0.15，则由式（3.7）计算可得：L0 ?311? (400 ? 311) ?100 ?10?6 ? 8.962mH 0.15 ? 3.64 ? 2 ? 400因 此 ， 要 保 证 实 际 电 流 纹 波 ?i ? 0.15I0 ? 0.546 A ， 则 滤 波 电 感 应 满L0 ? 8.962mH [17]。② 逆变器的矢量三角形关系 由逆变器的矢量三角形可得：UO ? jwL0 I0 ? U g（3.8）所以，他们的基波幅值满足：UO2 ? (wL0 I0 )2 ? U g 2（3.9）由 SPWM 理论可得：UO ? ?U dc其中，α 为调制比，且α ≤1，从而：U g 2 ? (wL0 I0 )2 ? Udc 2（3.10）（3.11）得到下式：L0 ? U dc 2 ? U g 2 wI 0（3.12）带入计算得： L0 ?4002 ? 2202 ? 292.1mH 2? ? 50 ? 3.64依上可得，滤波电感的取值范围是 8.962mH ? L0 ? 292.1mH 。实际应用中考虑 到体积、成本等一些因素，电感值一般只要稍大于下限值就行，上限值无需考虑[18]。 （2）开关管的选取16通常小容量低压系统，MOSFET 比较常用，因为它通态压降低，开关速率快。但 逆变器输出是有滤波电感的存在，电路电流处于连续状态，MOSFET 容易被烧坏。同 时，MOSFET 在大容量系统中通态电阻随电压升高而升高，降低了系统的效率。因此 在此选用 IGBT 作为开关元件。 本系统中， 因为器件会受到尖峰电压的影响， 所以对于 IGBT 由原来集射极耐压 400V 增加一定裕量变为 600V。缓冲电路选用 IMP，型号选用 6MBP20RH060，其耐压 值为 600V，耐流值为 20A,主要由六个开光管组成，具有驱动、保护、控制、逻辑等 功能。 （3）支撑电容的选取 与三相逆变器存在差别，并网逆变器需要将光伏阵列产生的直流电转化为电网 所需要的交流电，所以需要在 Boost 升压单元和逆变单元之间增加一个能量解耦环 节，也就是支撑电容，用它来实现电能的存储与解耦。同时在一定程度上对前后两 级起到隔离作用。前后两级输入输出功率相等时，系统达到平衡状态。 假设中间直流母线的 100Hz 电压纹波为 U rip ，单相逆变器的平均输入功率为' P i ? U dc I dc ，输入交流功率为 P i ? Udc I dc cos(2wt ) ，则可近似计算直流母线电容值为：Cdc ?Pi 2wU dcU rip(3.13)w ? 2? ? 50rad / s ， Udc ? 400V ， Urip ? 1% ? 400V ，则由 在本系统中， P i ? 800W ，（3.13）计算得：Cdc ?800 ? 796uF 2 ? 2? ? 50 ? 400 ?1% ? 4003.3.3 驱动电路的设计 对于驱动电路设计，考虑到门极开通时间和损耗与开通电压成反比。门极关断 时间和损耗与关断电压成反比。所以综合考虑最终确定门极开通电压值为+15V，关 断电压值为-5V-20V,选择富士公司的 EXB841 驱动芯片。 EXB841 芯片的典型应用电路如图 3-5 所示。 它的驱动频率高达 40kHz,能够驱动 300A/1200V 的 IGBT。 该芯片供电电压为 20V,开通偏压是 15V,关断偏压是-5V。 该芯17片本身设有过流保护，当 IGBT 短路，能够迅速切断电路，防止过电流损坏 IGBT[19]。控制电路印刷电路板ERA34 ? 101510mA62347uFIGBTEXB841 1 14 47uF 5 4RG绞线20V0V驱动信号TLP5214.7 k ?1/ 2W?隔离电源过流保护输出图 3-5 EXB841 典型的应用电路3.3.4 控制电路的设计 控 制 算 法 是 光 伏 并 网 控 制 电 路 设 计 中 最 重 要 的 部 分 ， 美 国 T1 公 司 的 TMS320F240 能够满足本设计计算量比较大，要实现比较好的性能的要求。它的特 点如下： （1）具有高性能静态 CMOS 技术，供电电压低至 3.3V，功耗低， 指令周期短， 控制及时性高； （2）具有大容量的程序存储器。 （3）可扩展外部存储容量大。 （4）拥有 40 个可单独编程或复用的双向 I/O 引脚。 （5）可以自由切换外设进入低功耗模式，降低功耗。 该系统通过 TMS320F240 进行最大功率点跟踪运算，逆变运算和对信号输出的 控制。通过两个事件管理器 EVA 和 EVB，依靠定时器下溢中断触发采样，完成对 占空比的计算。PWM 波形则通过高速 I/O 口输出。TMS320F240 控制板如图 3-6 所 示[20]。18直流电压 中间直 交流电压 和电流 流电压 和电流 模拟信号调理及 过压过流检测电路 保 护 信 号 LED DA电平 转换 整形 放大 时钟、 复位电路AD采样 PWM中断CPLD 片选 RAMTMS320F240 总线 I/O SCISPI数码管485通信实时时钟串行 E2PROM图 3-6 TMS320F240 控制板框图第 4 章 控制系统的软件设计4.1 MATLAB 简介19MATLAB 简称矩阵实验室 （Matrix Laboratory） ， 主要包括 MATLAB 和 Simulink 两部分，是美国 MathWorks 开发的商业数学软件，用于算法开发、数据分析和数值 计算，在当今软件领域处于领先水平。 MATLAB 功能强大，主要功能有矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建 用户界面、连接其他编程语言的程序等。应用领域广泛，主要应用于工程计算、工 程控制与设计、信号通讯处理、图像处理、信号检测与处理、金融建模与设计。主 要优点是其处理数据有效、快速、精细；其数据的格式易于与其他软件兼容，便于 以后对其控制特性进行研究与分析。4.2 控制系统整体设计太阳能光伏并网系统置换反馈控制，控制逆变器的输出电流与电网电压保持同 步。如图 4-1 为并网控制系统框图。给定 Uc* 电流+ IoPI 调节_滞环 控制逆变电路输出电流_增益图 4-1 并网控制框图控制过程：将实际检测得到的输出电流 Io 与给定电流相比较，经 PI 调节和滞 环控制，得到驱动逆变电路的开关信号，改变输出电流，然后不断进行反馈调节， 使输出电流趋于给定电流。4.3 DSP 锁相环节软件设计一般情况下，工频电网频率是 50 Hz，实际中上下有小的波动，一般不超过± 5Hz 都认为电网是稳定的。为了解决好这种问题，对并网电流实施检测和控制，主 要检测其频率和相位。 首先来检测电网电压的过零点，通过芯片中的 EVA3 和过零检测电路来实现。 若出现捕获单元控制寄存器 A 中 CAP3EDGE = 1 时，表示上升沿，当上升沿来临20时，同时被检测出来，则发生捕获中断，记录捕获上升沿的时间，把它作为基准正 弦波起始时间，同时将定时器 T1 的计数器寄存器 T1CNT 置零，就实现了同步锁 相。变量 m 用来记录定时器 T1 的中断次数，当下个上升沿来临时，比较 m 与载波 比 N，通过公式定时器周期 T' = T m/N，计算出新的载波周期，并赋给 T1，用来计 算下一周期的 SPWM 占空比，令载波比 N 不变，就可以调整载波周期值，同时使 调制波与电网电压同步。程序流程图如图 4-2 所示[21]。捕获中断 捕获上升沿 开始N Y初始化系统 控制模块清除中断向量定时器周期中断N Y计算载波周期 初始化捕获单元 M+1初始化 EVA模块将T1CNT置零 变量m赋零调用SPWM程 序开局全中断将载波周期值 赋给T1PR 返回循环等待中断返回主程序捕获中断定时器周期中断图 4-2 程序流程图21第 5 章 系统仿真5.1 电流跟踪型逆变器仿真电流跟踪型逆变器采用滞环控制，控制逆变输出电流与给定的误差稳定在一定 范围内，若超过一定值，则改变逆变器开关状态，改变输出电流，使输出电流稳定 在给定电流附近。图 5-1 为滞环控制仿真模型。C ontinuoustime Clock To WorkspaceDC 2 Voltage SourceUniversal Bridge+ gpowe rgui-ADC 1 Voltage SourceSeries RLC BranchUo Sine Wave PI(s) PI Relay To Workspace12uoMultimeterig Relay1 1 Io ig pulse1 To Workspace3 To Workspace2 Gain iopulse2pulse1 To Workspace4 pulse2图 5-1 滞环控制逆变器仿真模型To Workspace5打开 MATLAB，新建一个 model，在 simulink 中找出所有需要的模块，然后把 它们按照电路图连接起来。建立如图 5-1 的滞环控制的仿真模型。图上半部分为电 源与 单相桥臂组成的逆变电力电子仿真桥，负载为 RL。下半部分为滞环控制部分，22通过 Multimeter 测量模块测出负载输出的电压电和流，把输出电流与给定的正弦发 生波发生器产生电流相比较， 产生误差信号， 通过 PI 调节， 经过滞环控制参数调节， 进而控制仿真桥的开关，控制输出电流，不断循环进行反馈调节，减小输出电流与 给定的误差。给定电流波形如图 5-2。图 5-2 给定电流波形图 5-1 中 Relay 是滞环比较模块，其中有四个参数，switch on pointC阈值上 限，switch off point-阈值下限，output when on-阈值上限输出值，output when off阈值下限输出值。如果一信号阈值上限是 2，阈值下限是 1，阈值输出上限是 1， 阈值输出下限是 0。则当信号值大于 2 时，输出为 1，若下一个周期小于 2，仍大 于 1，则仍输出 1。直至信号输出小于 1，输出是 0。 根据上述规则，对参数进行设置，然后根据输出电流波形不断调整参数值， 最后设置出如下图的滞环参数值。23图 5-3 滞环模型参数调整与设置调整参数之后仿真出输出电流和电压的波形，如图 5-4，可以看出与给定电流 存在一定误差。x 10-3Ib: Series RLC Branch20-2024 Ub: Series RLC Branch6 x 108-81000-100 0 2 4 6 x 10 8-8图 5-4 滞环整定输出电流波245.2 光伏阵列的仿真首先在 MATLAB 中画出光伏阵列的仿真图，如图 5-5 。Clock RampUa G msx60i Ia TDisplay1000 ConstantIU GraphEmbedded MATLAB Function25 Constant1 Product PU Graph1图 5-5 光伏阵列仿真图图 5-5 中，msx60i 是光伏电池模块，Ua 是其输入电压，由 Ramp 斜坡 信号提供， G 是光照强度，通过 Constant 设置常数来控制， T 是温度，通 过设置常数调节。Product 此处表示输出电压与输出电流的乘积，即为光伏 模块输出功率。 Graph 模块用来显示输出波形。 初始设置运行时间为 50 秒， 光照强度 G=1000 ，温度 T=25 ，检测电流与电压、功率与电压的输出波形 如图 5-6 。25I-U 图 图 5-6 光伏模块输出波形图P-U 图通过改变光照强度的值可以得到一系列输出波形图，分别取 G=400 ， 600 ， 800,1000 ，保持温度 T=25 ，得出不同光照条件下输出波形图，如图 5-7 。26图 5-7 不同光照下光伏阵列输出波形图同时，通过常数设置改变温度值，分别取温度 T=25,25,45,55 ，保持光 照强度 G=1000 。得出不同温度下输出波形图，如图 5-8 。27图 5-8 不同温度下光伏阵列输出波形图由图 5-7 可以看出，温度不变，随光照加强，输出电流增加，输出功 率也增加，但在每条曲线上功率总有最大值，且其最大功率值对应的电压 基本相同。 由图 5-8 可以看出，光照强度不变，随温度升高，输出电流有一定的 增加，输出功率增大，且最大功率时，对应的输出电压基本相同。所以为 了保证电路实在最大功率点输出，只需要保证输出电压是对应的最大功率 时的输出电压即可。5.3 扰动观察法模型仿真当光照或者温度发生变化时，只要能追踪到能使输出到最大功率时的 电压，并通过改变 Boost 电路的占空比，使升压电路输出这个电压，就能 保持最大功率输出。如图 5-8 为扰动模型仿真图。Boost 电路通过改变占空 比来改变输出阻值， Ri ? R0 (1 ? D) 2 ，以此可以改变输出电压的大小 [22] 。28图 5-8 扰动模型仿真模块图29温度 T 保持 25 ，通过对 step 模块进行设置，设置光照初值为 800 ，终 值为 1000 ，光伏电池输出功率仿真曲线如下图。图 5-9 温度不变，光照增强输出功率曲线温度 T 保持 25 ，通过设置 step 模块的值设置光照强度，初值为 1000 ， 终值为 800 。光伏电池输出功率仿真曲线如下图。图 5-10 温度不变，光照减弱输出功率曲线由以上可知，无论光照增强还是光照减弱，扰 动系统总能保持最大功 率工作。30第 6 章 总结与展望6.1 本设计主要完成的工作本次设计在分析了当前光伏并网发电系统发展，介绍了并网发电系统 的原理的前提下，分析各种电路拓扑结构的优缺点，确定了一种结构简单， 成本低的 DC/DC 升压单元 + 全桥逆变的电路结构。与此同时，也确定了前 级实现 MPPT 控制，后级实现逆变的总体思路，并且对孤岛效应进行了分 析和检测。整个系统由光伏阵列、 DC/DC 升压单元、 DC/AC 逆变单元、 TMS320F240 控制单元、驱动单元、滤波单等六部组成。对每个单元进行 了设计并且进行了元器件的选择。最后，对设计的电路用 MATLAB 进行 了模拟仿真，验证了该光伏逆变器的一些性能，达到了预计的目标。6.2 控制系统的性能和优缺点本设计采用电压源输入 - 电流源输出的控制方式， 控制的性能指标主要 有两点：一是输出电流与电网电压同频同相，二是要求逆变器输出功率因 数接近 1 。由图 5-2 和 5-4 对比，可以看出由于对 PI 调节设计不完善，输 出电流与给定电流存在一定误差。由图 5-9 ， 5-10 输出功率的波形可以看 出，输出功率总能在最大功率点，可见满足要求。 该系统的有点是逆变器采用电压型逆变器即电压源输入、电 流源输出 的控制方式。可以实现有源滤波和无功补偿。采用无变压器绝缘的两级拓 扑结构，体积小，重量轻，但效率高且成本低。缺点是在某些要求隔离的 场合不适宜使用。316.3 控制系统设计过程中的技术难点该控制系统中应用的关键技术有光伏阵列最大功率点跟踪、孤岛效应 的检测与防止。首先分析了光伏电池的原理，排除了恒定电压法、间歇扫 描跟踪法等方法，最终确定了变步长扰动观察法来实现光伏最大功率点的 跟踪控制。扰动观察法控制简单且效果好。 为了实现光伏最大功率点的跟踪，研究并确定了扰动观察法，因为其 控制简单，控制效果良好。然而扰动观察法依然有不足之处，一是可能在 最大功率点处功率震荡现象较严重，二是光线变化过大最大功率点将无法 跟踪。其中最重要的原因是这种方法下电池输出电压的扰动量（步长）是 固定值。步长直接影响了系统的动态响应及稳定状况。若太大，则 MPPT 随环境变化速度较大，在最大功率点周围震荡幅度也很大。若太小，震荡 幅度减小很大， MPPT 响应速度骤减，外界环境对其影响也微乎其微。 变步长扰动观察法实现最大功率点跟踪可以在保证精度的前提下，同 时提高了系统的响应速度。当光伏电池远离最大功率点时，使用较大的步 长扰动，很快便可以达到最大功率点。若光伏电池接近最大功率点，用小 步长扰动的方法，可以有效提高效率防止输出功率不稳定。 同时介绍了孤岛效应的危害，提出用周期扰动 AFDPF 方法检测孤岛 效应。6.4 控制系统还需改进的地方本系统逆变器主电路采用的无变压器绝缘的两级拓扑结构没有采用工 频变压器进行隔离，对于某些要求隔离的场合并不适用。由于本人能力有 限，未能对本系统实体电路的安装调试，仅在 MATLAB 中进行了部分仿 真，验证了该系统的的部分性能，满足预计的目标。32谢 辞感谢老师在我的论文设计过程中给我的帮助，在论文选题、结构、 格 式上给了我很大的帮助，使论文真整体看起来整洁，内容上充实。特别是 在 MATLAB 仿真上老师给了我很大的指导和意见，使我能够做出正确的 仿真结果。 同时也感谢我的同学们，在软件的使用和论文格式的修改和改错方面 给了我很大的帮助。通过这次论文设计我学会了使用很多以前不会用的软 件如 VISIO 、 MATLAB ，也学会了整体思考问题与具体思考问题的方法。 最后再次感谢老师和我的同学们对我这次设计的帮助，希望我们在以 后能共同进步。33参考文献[1] 吴 春 华 . 一 种 新 型 光 伏 发 电 逆 变 系 统 的 研 究 与 设 计 . 电 力 电 子 技 , 2007,41 （ 11 ） :15-17 [2] 王磊 . 一种可 并网 光伏发 电逆 变器设 计 . 仪表技术 与传 感器 ,2012,1 （ 8 ） :22-24 [3] 康 秀 强 . 微 型 光 伏 并 网 逆 变 器 的 设 计 电 器 制 造 . 电 气 制 造 ,2013,1 （ 9 ） :30-33 [4] 高 文 祥 . 光 伏 微 型 逆 变 器 研 究 综 述 . 电 力 系 统 保 护 与 控 制 ,):147-155 [5] 李洋 . 光伏微型逆变器的研究 . 电子技术 ,):12-15 [6] 曹 勇 . 光 伏 发 电 逆 变 器 工 作 原 理 及 控 制 . 自 动 化 技 术 与 应 用 ,):119-122 [7] 秦 硕 . 光 伏 发 电 并 网 逆 变 器 设 计 . 太 原 科 技 大 学 学 报 ,):6-11 [8] 姜 子 晴 . 光 伏 并 网 逆 变 系 统 的 MATLAB 仿 真 研 究 . 微 计 算 机 信 息 ,):4-8 [9] 董密 . 光伏并网 发 电系统逆 变器的 设计 与控制方 法 . 电力系 统自动 化 ,):97-102 [10] 王兆安，刘进军 . 电力电子技术 [M].5 版 . 北京：机械工业出版社， ] 刘和平，严利平，张学锋等， 《 TMS320LF240xDSP C 语言开发应 用》 ，北京航空航天大学出版社，
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IEEE Translnd Electron, 2004, (3): 396-40335外文翻译资料 The Design of Photovoltaic InverterThe distributed generation system is the main form of new energy generation. For example, photovoltaic power generation, wind power, solar wind power generation system, etc..Solar energy as a clean energy, its reserves, no pollution Features much favored people. Domestic solar panel assemblies Processing years ranked first in the world, the current rapid PV power is entering Into the lives of ordinary people, due to the output of photovoltaic components for DC, through The DC required by the DC/DC chopper is often needed. The pressure is then transferred from the inverter unit of the grid connected inverter to the AC/DC inverter Transfer to AC power to the grid. As photovoltaic power generation system AC/DC conversion of the main modules, photovoltaic power grid inverter The optimized design of the hardware circuit of the hardware has a direct influence on the improvement of the power quality and the cost of the output. At present, the large-scale application of solar energy is mainly reflected in the photovoltaic hair. The photovoltaic system is the photovoltaic system and the PV grid connected system is the photovoltaic system. Developing trend. PV grid connected PV system is mainly composed of photovoltaic cells, Grid connected inverter, metering device and distribution system, etc.. System through Photovoltaic cell module converts solar energy into DC power, and then through grid connection The inverter converts the DC power into the same frequency and phase of the grid Sine wave current, a part to load power supply, surplus electricity fed into the grid, This type of photovoltaic grid connected PV system is mainly used for36photovoltaic power station and roof PV System. As the core of the roof photovoltaic system, the micro grid connected inverter The development of the industry is increasingly concerned. Common structures of photovoltaic grid connected power generation system mainly include centralized, A series of schemes, such as series, group and component, etc.. Centralized, string and In the series of systems, there are the series and parallel of the PV modules, so The maximum power point tracking of the system is for the whole series parallel PV array, no Each PV module in the system makes the utilization of single PV modules Low, and the ability to resist local shadow is poor.. Component type power generation system structure The micro PV grid connected inverter is connected with a single PV module and has the following advantages . 1) ensure that each PV battery assembly runs at the maximum power point,Strong local shadowing ability. 2) the integration of inverter and PV module can be realized. The expansion of the system is simple and convenient.. 3) the Distributed installation of micro grid connected inverter is easy to configure and can charge Different installation directions and angles. 4) the redundancy and reliability of the system are high , the failure of the individual module is not right. The whole system is affected. The island effect is due to the electrical fault, misuse or natural factor And other reasons caused the power grid interruption of the various users of the solar PV The phenomenon of grid connected inverter is still running independently. The key point of anti island effect detection is the detection of power network power.. Check The method of measurement is generally divided into passive detection and active detection method. Passive detection The method is judged by the constant detection of the output voltage and frequency of the system. The main voltage frequency detection method and voltage harmonics37are the main voltage frequency detection method. The active detection method is the active interference signal to the inverter When the island effect occurs, the active jamming signal will cause the system The instability of the system caused obvious deviation of the voltage or frequency of the system. Thereby off the inverter system. The active detection method including PQ perturbation method, Change impedance method and frequency offset method. Maximum power point tracking maximum power point tracking (MPPT) system is a kind of by adjusting electrical module, make photovolt aic panels can output more power to the electrical system to DC electric solar panels issued effectively stored in the battery, can effectively solve regular grid can not cover in remote areas and tourist areas of life and industrial electricity, does not produce environmental pollution. The output power of the photovoltaic battery is related to the operating voltage of the MPPT controller, and only the output power of the PV battery can have a unique maximum value only when the output power is at the most appropriate voltage. Current voltage to charge the battery, the output voltage of the solar battery board must be higher than the battery if solar panel voltage is lower than the battery voltage, then the output current will be close to 0. So, in order to be safe, the solar panels are manufactured at the factory, the peak voltage of solar panels (Vpp) is about 17V, which is set at the ambient temperature of 25 degrees C. When the weather is very hot, the peak voltage of solar panels will be reduced to about 15V, but in cold weather, the peak voltage of solar energy Vpp can reach 18V. Now, we turn back to the difference between MPPT solar controller and conventional solar controller. Traditional solar energy charging anddischarging controller is point like a manual gearbox, when increased the speed of the engine, if gearbox gear without a corresponding increase in words, is bound to affect the speed. But for the solar MPPT controller charging parameters are in the factory before set good, is to say, MPPT cont roller can38real-time tracking solar panels in the maximum power point, to show the maximum efficiency of solar panels. The higher the voltage, through the maximum power tracking, you can output more power, so as to improve the charging efficiency. Theoretically speaking, using solar energy generating system, MPPT controller will than traditional efficiency increased by 50%, but according to our practical tests, due to the impact on the surrounding environment and energy losses, finally the efficiency can al so increase 20% 30%. In this sense, the MPPT solar charge and discharge controller is bound to eventually replace the traditional solar controller. The main function of MPPT controller: detecting the main circuit DC voltage and output current, calculate the output power of solar array, and realize the tracking of the maximum power point.. Disturbance resistance R and MOSFET series together, under the conditions of the basic stability of the output voltage, duty ratio to change by the average current of re sistance, resulting in the current disturbance through duty of alters MOSFET. At the same time, current output voltage of photovoltaic cells will also change, by changes in output power of photovoltaic cells and voltage measurement before and after the disturbance, to decide a cycle of the disturbance direction. When the disturbance in the right direction solar energy panel output power increase, period continue to in the same direction perturbation, conversely, in the opposite direction of the disturbance. So, repeated the perturbation and observation to solar panel output reaches maximum power point. The traditional MPPT method is divided into open loop and closed -loop MPPT method based on different methods and criteria.. In fact, the impact of changes in the outside temperature, illumination and the load on the output characteristics of photovoltaic cells showing some basic rules, such as photovoltaic maximum power point voltage and photovoltaic battery open circuit voltage between exist approximate linear relationship , based on these rules, put forward some open-loop MPPT control methods, such as constant39voltage tracking method, the short circuit current proportional coefficient method and the interpolation calculation method . The closed-loop MPPT method is implemented by real-time measurement of the output voltage and current value of PV battery and the closed -loop control to achieve MPPT. The most widely used self seeking algorithm is the . And MPPT Method Observation Perturbation and Observation Metho d ， P&O and Conductance INC Incremental two kinds of are kinds of Perturbation.MATLAB is a combination of two word matrix& laboratory, meaning matrix factory (Matrix Laboratory). Is the high-tech computing environment, which is mainly faced by the MathWorks company of the United States of the scientific computing, visualization and interactive programming. It will be numerical analysis, matrix computation, scientific data visualization and nonlinear dynamic system modeling and simulation, many powerful function integrated in an easy to use Windows environment, scientific research, engineering design and the need for effective numerical many scientific fields provides a comprehensive solution, and in a great extent got rid of the traditional non interactive program design language (such as C, FORTRAN) edit mode, on behalf of the current international scientific calculation software of advanced level.40中文翻译 光伏发电逆变器的设计分布式发电系统， 是新能源发电的主要形式， 例如光伏发电、 风力发电、 风光互补发电系统等。太阳能作为一种清洁型能源，其储量大、无污染的 特点备受人们的青睐。国内太阳能电池板组件加工多年来排名世界第一， 目前光伏发电正快速进入普通人的生活，由于光伏组件的输出为直流，通 常需要经过 DC /DC 斩波电路得到所需的直流电压，然后由并网逆变器的 DC /AC 逆变单元将其转换为交流电输送到电。作为光伏发电系统中实现 DC /AC 转换的主要模块，光伏发电并网逆变器硬件电路的优化设计对提 高输出电能质量、节约成本有直接影响 . 目前太阳能的大规模应用主要体现在光伏发电系统，而光伏并网发电 系统是光伏系统的发展趋势。光伏并网发电系统主要由光伏电池组件、并 网逆变器、计量装置及配电系统等组成。系统 通过光伏电池组件将太阳能 转化为直流电力，再通过并网逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同 相位的正弦波电流，一部分给负荷供电，剩余电力馈入电网，这类光伏并 网发电系统主要用于光伏电站和屋顶光伏系统。 作为屋顶光伏系统的核心， 微型并网逆变器的开发越来越受到产业界的关注。 常见的光伏并网发电系统结构主要包括集中式、串式、组串式和组件 式等几种方案。集中式、串式和组串式系统中，都存在光伏组件的串联和 并联，因此系统的最大功率点跟踪针对整个串并联光伏阵列，无法兼顾系 统中每个光伏组件，使单个光伏组件利用率低、系统抗局部阴影能力 差。 组件式发电系统结构中采用微型光伏并网逆变器与单个光伏组件相连，具 有以下优点。 1 ）保证每个光伏电池组件均运行在最大功率点，抗局部阴影能力强。 2) 将逆变器与光伏组件集成，可以实现模块化设计，系统扩展简单方 便。 3) 微型并网逆变器分布式安装便于配置， 能够充分利用空间和适应不 同安装方向和角度。414) 系统冗余度和可靠性高，单个模块失效不会对整个系统造成影响。 孤岛效应是指由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断 供电时各个用户端的太阳能光伏并网逆变器仍独立运行的现象。 反孤岛效应检测的关键点是电网断电的检测。检测方法一般分为被动 检测法和主动检测法。被动检测法是通过不断检测系统的输出电压、频率 来判断是否产生孤岛效应，主要包括电压频率检测法、电压谐波检测法； 主动检测法是通过叠加主动干扰信号至逆变器输出，当发生孤岛效应时， 主动干扰信号将造成系统的不稳定，造成系统的电压或频率发生明显的偏 移，由此切断逆变系统。主动检测法主要包括 PQ 扰动法、更改阻抗法和 频率偏移法等。 最大功率点跟踪 ( Maximum Power Point Tracking ，简称 MPPT ) 系统是 一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系 统能够将太阳能电池板发出的直流电有效地贮存在蓄电池中，可有效地解 决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电，不产生环 境污染。 光伏电池的输出功率与 MPPT 控制器的工作电压有关，只有工作在最 合适的电压下，它的输出功率才会有个唯一的最大值。 给蓄电池充电， 太阳能电池板的输出电压必须高于蓄电池的当前电压， 如果太阳能电池板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近 0 。所 以，为了安全起见，太阳能电池板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压 （ Vpp ）大约在 17V 左右，这是以环境温度为 25° C 时的标准设定的。当天 气非常热的时候，太阳能电池板的峰值电压 Vpp 会降到 15V 左右，但是在 寒冷的天气里，太阳能的峰值电压 Vpp 可以达到 18V 。 现在， 我们再回头来对比 MPPT 太阳能控制器和传统太阳能控制器的区 别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转 速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但 是对于 MPPT 太阳能控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的， 就是说， MPPT 控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出 太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就 可以输出更多的 电量，从而提高充电效率。理论上讲，使用 MPPT 控制器的太阳能发电系42统会比传统的效率提高 50% ，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影 响与各种能量损失，最终的效率也可以提高 20%-30% 。 从这个意义上讲， MPPT 太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统 太阳能控制器。 MPP T 控制器主要功能：检测主回路直流电压及输出电流，计算出太 太阳能阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪。扰动电阻 R 和 MOSFET 串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变 MOSFET 的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动。同时， 光伏电池的输出电流电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出 功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳 能光能板输出功率增加，下周期继续朝同一方向扰动，反之，朝反方向扰 动，如此，反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。 传 统 的 MPPT 方 法 依 据 判 断 方 法 和 准 则 的 不 同 被 分 为 开 环 和 闭 环 MPPT 方法。实际上，外界温度、光照和负载的变化对光伏电池输出特性 的影响呈现出一些基本的规律，比如光伏电池的最大功率点电压与光伏电 池的开路电压之间存在近似的线性关系 ，基于这些规律，可提出一些开环 的 MPPT 控制方法，如定电压跟踪法，短路电流比例系数法和插值计算法 等。 闭环 MPPT 方法则通过对光伏电池输出电压和电流值的实时测量与闭 环控制来实现 MPPT ，使用最广泛的自寻优类算法即属于这一类 。典型的 自寻优 MPPT 算法有扰动观察法（ Perturbation and Observation Method ， P&O ）和电导增量法（ Incremental Conductance ， INC ）两种 。 MATLAB 是 matrix&laboratory 两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实 验室）。是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及 交互式程序设计的高科技计算环境。它将 数值分析、矩阵计算、科学数据 可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于 使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的 众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非 交互式程序设计语言（如 C 、 Fortran ）的编辑模式，代表了当今国际科学 计算软件的先进水平。4344
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