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太阳能光伏并网发电系统的研究


合肥工业大学 博士学位论文 太阳能光伏并网发电系统的研究 姓名:赵为 申请学位级别:博士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:余世杰 2003.2.1

台肥工业大学博士学位论文

太阳能光伏并网发电系统的研究





在不久的将来,太阳能光伏利用的主要形式将是并网发电系统

。高性能的数 字信号处理器芯片(DSP)的出现,使得一些先进的控制策略应用于光伏并网的 控制成为可能。本文的主要研究内容有:
I.

使用MATLAB中的POWER SYSTEM BLOCKSETS工具软件建立了单相光伏并网发 电系统的动态模型,并进行了在开环和闭环两种情况下的仿真,给具体的硬 件设计提供了极为有效的帮助;建立了光伏并网发电系统逆变输出环节的小 信号模型,并使用MA.TLAB中的Simulink工具进行了开环和闭环状态下的仿 真。

2.MPPT(最大功率点跟踪)是光伏系统中经常遇见的问题。本文详细地分析了 常用的几种MPPT方案,并提出了几种新的MPPT方案。 3.为了使并网电流和电网电压同频、同相,需要使用锁相环技术。本文详细分 析了软件锁相环的原理,并结合实际系统给出了设计方案和软件流程图。 4.使用光伏并网发电系统对电网进行无功补偿和功率因数校正是未来光伏应 用的一个方向,本文仔细分析研究了使用光伏并网发电系统作为有源滤波器 的优点和运行特点。 5.孤岛效应是光伏并网系统应用中必须防止发生的故障现象,本文分析了使用 主动扰动方式进行防止孤岛效应的方案,并给出了仿真模型和结果。
6.具体并详细分析了基于DSP芯片(TMS320F240)的单相光伏并网发电系统的 控制设计思想,提供了软件结构和实验结果。

7.光伏并网发电系统的大规模使用必须和远程数据监控联系在一起,本文发展 了可供实用的光伏并网发电系统的测控系统的软件。 8.详细分析了光伏系统大规模推广的主要非技术障碍并提出对策:分析了光伏 系统在安装使用中的安全规范问题,同时结合数据分析了光伏并网发电系统 的经济运行、社会效益和环境效益。

关键词:光伏并网、DSP、TMS320F240、锁相环、太阳能、逆变器、MPPT、有源 滤波器、孤岛效应、数据采集

II

合肥工业大学博士学位论文

Reaseach

on

Grid-Connected Photovoltaic System
Abstract

In the future.one of the main utilization of solar energy will be the photovoltaic grid—connected

system.With

the

appearance

of

high—performance

Digital

Signal
can

Processor(DSP)chip,it
I.

is possible that some most advanced control strategies

be

used to the PV grid-connected system.The main research contents of this thesis include:
A dynamic model of the single phase grid—connected PV system is developed using

POWER

SYSTEM BLOCKSETS tool of the MATLAB.Some resultants of two

simulations for open loop and close loop

conditions

are

given in this dissertation.AII

those works provided considerable significance and concrete helps for designing the circuit hardware of the system.A mathematical model for sinail signal analysis of the inverter used ln PV grid connected systems is established.and two simulations based
on

this model for open loop and close loop conditions

are

also given in this

thesis by help of Simulink tooI of the MATLAB software. ¨.

MPPT(MaxImum Power Point Tracking)is

one

of the most important and well.known
are

problem for all PV systems.Some usually used MPPT designing

analyzed and

compared in the thesis.Besides,the author provides some new concepts of MPPT

with his own opinion.
III. For keeping the frequency and

phase

synchronous to the grid.a PLL(Phase Locked


Loop)is
IV.

necessary.A new concept of

SPLL(soft PLL)principle including
be
one

author’s

point of view is particularly analyzed. In the future.PV grid-tied systems

could

of the most important means for

improving the power factor of main grk:1.The author advantages and has

analyzed;ts performar}ce
as an

and APF

been

studied it's topological construction for using

(Active
V.

Power

Filter).

Islanding effect must be

prevented

in the

application

of the grid—connected PV

system.An acmve disturbing method developed by author for anti?islanding is also
given with some simulation resultants. V1. A

control

unit

based

on

DSP

frMS320F240)microchip
are

for

single

phase

grid-connected laboratory and in

PV system has been developed by author,The experiments in

Beijing

Gulou Station

considerable encouraging.

VII.For large scale utilization of grid—connected PV system the remote data acquisition will be very important.A modern concept of remote inspecting and corresponding software for grid—connected PV system is provided in this thesis.

VIII.Some non-technical obstacles of large-scale application of PV gdd-tied system are

analyzed.Corresponding suggestion of strategy for development with author’s point Of view are mentioned.The security of installation and operation。an economic,
sociaI and environment analysis with some examples
are

also given in this thesis.

Key words:Grid.connected

PV system。DSP,TMS320F240,PLL,Solar Energy,Inverter。MPPT,APF,Anti-islanding。Data Collection

独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,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——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作的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名:童乙吻

签字日期:弘.多年岁月2一日

学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解金胆王些塞堂有关保留、使用学位论文的规定,
有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和

借阅。本人授权盒月墨王些太堂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,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本授权书)


学位论文作者签名:赴为
签字日期:’码年r月2-日

翩躲杪

签字日期:“船厂月L目

学位论文作者毕业后去向:合肥工业大学能源研究所 工作单位:合肥工业大学能源研究所 通讯地址:合肥工业大学能源研究所 E.。mail..hut_zhaowei@263.net
单位主页:http:U www.hutenergy.com 电话:0551?2901428 邮编:230009

台腮羔业大学簿士学控论文

lll





葳矮士磷窕生毕救鹭蔽至今,三年辩毙匆舞瑟过。获碛_士研究生阶蔽算越, 我已经在含肥工业大学能源研究所学习工作了六年,我很想借博士论文完稿的机 会,袭迭我密衷麴谢意。


本论文是在导师余世杰教授的精心指导下完成的。三年来,从论文的选题、 谦蔻开展赢至论文完成的全过程巾都箨随着嚣筛的悉心指导。飙谴的身童,我深 深地感受到作为一名真正的科技工作者j舞应具备的崇高道德晶质、严谨求实的学 术律帮I、勤勉静工作态度和无私酌献身精神。这将是我一生的追求茸标。 感谢沈玉梁教授农本论文的完成过程中绘予的理论和实践指导。在课题进摆 中,他藐实的数理萋碥、灵活的憨维和积极躺创新精神使我获益鼠多。 感谢俺慧若教授、苏建徽所长和能源研究所的其他滋师褒论文宠或避程孛绘 予的无私帮助和指导。 本课题主要来澡予国家科技瓤“丸聂”、“+纛”科技攻美矮是。在谖题磷究 过程中,得到北京计科新能源技术公司王斯成老师、董路影老师、玉德邻老师和 冯建涛工稷魉以及该公霉遴多员工的攒导寒大力支持,在她表示衷心数感落。 本课题的进行过稔中,还得到了许多同学的帮助和支持。他们是能源研究所 戆歇麓名三、泛避进、寒潦程、正飞、汪海宁等耧溥±班彝冬蒋建文、帮海波等。 在这胆,我想要感谢所有给予我帮助的同学们。每天的朝夕相处,我们之间的发 谊帮荧爱怒我久生路上最菇宝贵煞财富。特别感谢汪进进阚学在论文完成过程中 提供的帮助。 最磊感谢我的家人,德{}j给我在耩种上的鼓麓和生活上静照颥,使我得戬顺 利完成本论文。



2003年2胃于念肥王业大学

合肥工业大学博士学位论文

VI

插图清单
图1.1

大气中C02含量的增长速度 2000年光伏并网发电占世界光伏产业总产值的比例
典型的屋顶光伏并网发电系统住宅布置
,4 5 6

图1.2 图1—3 图1-4 图2-1 图2.2

光伏屋顶住宅中的电路布置 不同功能的光伏并网发电系统相应的配置框图 采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图 定时控制的电流瞬时值比较方式原理图 跟踪实时电流的三角波比较方式的原理图 电压源电流控制模式下的单相并网系统逆变输出级等效电路示
意图

图2.3
图2-4 图2—5 图2—6
图2—7

9"坦他伯

逆变输出级PI反馈控制结构图 未加控制的逆变环节的动态性能 逆变输出环节进行PI校正后的开环波特图 闭环系统的阶跃响应曲线 未进行前馈补偿时扰动Unet输入的阶跃响应 带前馈补偿的并网逆变控制系统 扰动传递函数的阶跃响应 电流型单相光伏并网系统逆变输出级闭环状态下的仿真模型 电流型单相光伏并网系统逆变输出级开环状态下的仿真结果 电流型单相光伏并网系统逆变输出级闭环状态下的仿真结果 单个太阳电池单元的模型和外观 太阳能电池单元等效电路 太阳电池阵列的f-V特性举例 太阳电池阵列温度和日照强度之间的关系 不同温度下的l二V关系曲线图 不同温度下的P-V特性曲线
不同日照量下的l-v和P.V特性曲线

图2.8 图2.9 图2.10 图2—11 图2。12
图2.13

图2.14 图2.15 图3—1 图3.2
图3.3 图3-4

图3.5
图3.6 图3.7

图3—8

不同串联电阻对I.V和P-V特性的影响 太阳电池阵列的输出功率特性 降压型CVT式蓄电池充电控制器框图 功率回授控制法工作原理框图 扰动观察法程序流程图 扰动观察法可能发生误判的示意图
电导增量算法流程图

图3.9
图3.10 图3.11
图3.12 圈3.13 图3.14 图3.15

间歇扫描法的硬件结构 间歇扫描法的算法流程图 最大功率点附近可能出现的各种状况 滞环比较法中其他的排列方式 滞环比较法控制流程图 最优梯度法进行MPPT的搜索过程 不可调度式光伏并网系统模糊逻辑控制器构成图

图3.16 图3.17

图3—18
图3.19 图3.20

图弛1

似佰 仃侣 伯趁弱“幻孙拍打押孙勰约 {; ∽s;{: 弘 5;弘{ 5;”{ ∞

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图3.22 图3.23 图3.24 图3.25 图3—26 图4—1 图4.2 图4.3 图4-4
图4.5

各个输入和输出模糊变量的隶属函数图 采用Matlab6.1进行辅助设计时的模糊变量的定义界面 模糊逻辑控制规则设计例图 Matlab6.1在给定的输入条件下输出的反模糊化的数字结果举例 Matlab6.1中输入和输出关系的立体图 PLL基本结构图 PLL数学模型 软件锁相环SPLL的一般组成 光伏并网发电系统软件锁相环原理框图 并网软件锁相环程序流程 最优时间PLL算法示意图 有限脉冲响应PLL算法示意图 屯网正弦波电压转换成TTL脉冲信号的硬件电路

图4.6
图4。7

图4—8 图4.9
图4.10

电网电压和转换成的兀L脉冲信号波形
不同的T1PR值输出不同频率的信号示意图 捕捉中断服务子程序流程图 捕捉中断服务子程序流程图续 系统输出的电流波形和电网电压波形图 可能的有源电力滤波器的结构框图 并联型有源电力滤波器控制系统控制流程图 三相四线式并联型有源电力滤波器原理图 补偿电流指令信号的计算流程图

图4.11 图4—12
图4.13 图5.1

图5.2 图5.3

图5-4 图5.5
图5.6

三相四线系统有源滤波器仿真控制模型 补偿前的电网交流电压Vsa和交流电流Isa波形
补偿后的电网交流电压Vsa和交流电流Isa波形 孤岛效应发生时的系统供电状态 使用Matlab进行反孤岛效应仿真的框图
电网正常时,侦测频率于1次/sec下的侦测情形 电网断电时,侦测频率于1次/sec下的侦测情形

图5.7 图6—1
图6.2

图6.3 图6—4
图7.1

三级变换光伏并网发电系统框图 F240芯片控制功能模块结构图 逆变输出级拓扑结构图 系统逆变输出级控制流程圈 预测公式计算示意图 无预测控制时的并网输出电流波形 使用预测控制后的并网输出电流波形 主程序流程图 光伏并网系统输出级在并网运行模式下的输出波形 安装于北京大兴县别墅楼的光伏并网发电系统 安装于楼顶的太阳电池阵确J(5KWp)

图7-2

图7—3 图7_4
图7-5 图7.6 图7-7 图7.8
图7—9

图7.10 图7.11
图7-12

5KVA的并网逆变腔制光伏电源
F240与PC之间的串口电平转换电路 澳4控软件主运行界面和菜单 SCI模块中断服务子程序

图8-1 图8.2
图8.3

钔镗∞甜“铉弱钳∞{};"弱∞铊酩∞ 刀他陀犸"卧瓮:∞盯 5;引鸵g∞舛 ;g懈

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VIII

图9.1

光伏系统中的设备和系统接地示意图

110

—竖一.
表4.1 表6.1 表8.1

鱼!坚些查兰苎圭堂垡丝壅

表格清单
捕获中断服务予程序中的同步判断和动作流程
61

表8—2
表9—1 表9—2

Std.2000—929/ULl741对孤岛效应最大检测时间的限制 运行、故障数据库的字段定义 并网系统运行数据标识字母和含义对照表
美国、德国和日本的补贴和发电成本情况 单晶和多晶硅太阳电池组件在不同温度下的电压修正系数

IEEE

78 95
96 106

109



燕二兰簦鎏





第~章

绪?论

§1.1太阳能和光伏发电
'。'.'太阳能是人类能源利用的必然选择

§%源是人类经济及文化活动的动力来源。世弊文暖史上,人类不凝地扶是然赛索取,掇 求适含生存和发展所需的备种能源,能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社
会开始,纯嚣能源逐步残兔久类掰角琵深酌蔓要来源,这种状溅一壹延续至萃车技发达鳃现代 壮会。随着人类对能源需球的目监增加,化石能源的储量正B趋桔竭。全球资源专象们呼吁: 煤炭、石油簿可贵的化石赘源成该是留给子孙后代的“他工原料”,而不该程我们这代人手 中仅仅把它们作为燃料藤消耗殆尽。 此外,大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿 镑能澈,全氆器每炎产生约{{己缱温室效应气体,器经造成投为严重豹大气污染,疆l_i绘 出了避若千年来全球C02排放的迅速增长情况“1。

釜羞b越强醛荦爆¨

图1-1

大气中C02含量的增长速度

翅莱不拥控稍,温室效疰浆融纯掰极懿踩由,这霹黪馒海平蘧上辩蔻寒,霆分之一豹A

类生活空间将由此受到极大威胁。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化已经
形成一对十分突出的矛詹。它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战。 钵对以上馕猿,开发利用霹毳生g%源和备弛绿鲤能潞以实现可持续发展是人类必须采取 的措施。从能源供成的诸多因素考虑,太阳能无疑最符合可持续发展战略的蠼想的绿色能源。 垒球缝源专家稻认定,太鬻麓辫成为2i避筑最重簧熬能源之一“’。

1.1.2太阳能的主要利用形式和光伏发电的优点 太阳能和j用主蔡有光热利用、光伏利用和光化学利用等三种主要形式。我国低温光热利



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用己经具有可观的规模,它成本低、使用方便、安全可靠。已经为全国广大人民所接受。光 伏利用近期在世界范围内高速发展,我国光伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞,特别是
2002年在“西部大开发”战略的推动下,呈现出了一片繁荣景象。 光伏利用或光伏发电具有以下明显的优点:
夺 夺 夺 夺 夺 夺

无污染:绝对零排放——无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”:
可再生:资源无限,可直接输出高品位电能,具有理想的可持续发展属性: 资源的普遍性:基本上不受地域限制,只是地区之间有丰富与欠丰富之别: 机动灵活:发电系统可按需要以模块方式集成,可大可小、扩容方便; 通用性、可存储性:电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储; 分布式电力系统:将提高整个能源系统的安全性和可靠性,特别是从抗御自然灾害和战 备的角度看,它更具有明显的意义:

夺 夺

资源、发电、用电同一地域:可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用; 光伏建筑集成(BIPV—Building
一。
Integrated

Photovoltaics):节省发电基地使用的土

地面积和费用,是目前国际上研究及发展的前沿,也是相关领域科技界最热门的话题之

由于太阳电池的主要原料——硅的储量十分丰富,随着太阳电池研究的快速进程和转换
效率的不断提高以及其与其相关之系统技术的进展,发电成本已经呈现快速下降趋势。可以 预料,太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。

1.1.3全球光伏发电产业迅猛发展

由于太阳能光伏发电的诸多优点,其研究开发、产业化制造技术及市场开拓已经成为当 今世界各国,特别是发达国家激烈竞争的主要热点。80年代以来,即使在世界经济总体情况 处于衰退和低谷的时期,光伏产业一直保持以10%~15%的递增速度发展。90年代后期, 由于若干发达国家相继出台了明显有效的鼓励政策,太阳电池在世界市场范围内开始出现供 不应求的局面,更加速激励了光伏产业的迅猛发展。2000年全球光伏组件的产量达到 287.7MW,比上一年增长了43%(其中日本增长61%,达到128.6MW,德国增长50%, 美国增长23.3%),是全球增长率最高的产业(超过了IT产业和通信产业)“。。 以下列举的一些数据…可以说明光伏产业蓬勃发展的近况: 夺通过改进工艺、扩大规模,太阳电池组件的生产成本己开始大幅度降低。组件成本30年 来己降低2个数量级,2000年世界重要太阳电池组件厂商的成本均大约为2 5美元/Wp, 组件售价3.5美元IWp左右。2001~2005年期间单个生产厂商的规模生产能力预计可达 50一IOOMW/年。


当前地面应用最多的太阳电池有单晶硅、多晶硅和非晶硅三大类。目前单晶硅电池的实 验室摄高效率为24.7%(澳大利亚新南威尔士大学),多晶硅电池的实验室最高效率为
19

8%(澳大利亚新南威尔士大学),非晶硅电池的实验室最高效率(三结)为15.2%

(Uni—solar)。


1995年澳大利亚新南威尔士大学与太平洋能源公司合作,投资500万美元,计划用7

第~掌







笨冀重阕汗茇出薄膜彀漶匏产韭纯生产技术,计谶建立年产∞M谢静生产线。嚣报道,该
项目“可行性分析报傺”中指出.“薄腆太阳电池的成本可下降到1澳:迸/Wp以下”.这 样,太辩能光伏发电的成本将可与常规能源发电的低谷电价相比拟.同样。美阈、B本、
欧洲等其它发达墨家也正撰热紧滋舒摆芙懿磷究与发曩。8’

§{.2光茯并霸发奄系统的广阕前景
1.2.1并网发电魑太阳能光佚剃用的发展趋势

光伏发电有离嗣和并网两种工作方式.过去,由于太阳电池的生产成本居高不下,光伏
发电多数被耀予偏逡的秃电缝嚣,而且l;盂户弼及糟痰用的中小系统屠多,都耩于离翻型用户。 但是近年来-光伏产业及其市场发生了极大的变化,开始出边远农犍蛾区逐步囱城毒势嬲发 电、党伏建筑集成的方向快速迈进,太阳能已经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是 ’F一靛“替代能源”。 1998年7月6日~10 El在舆地利维也纳召开的“第二届国际太阳能光伏会议”上,有 关毙茯发窀豹论文熊313篇,箕串专门论述“光饫并网发电系统”的论文竟达161篇,占论 文总数的51。44%。由此也可窥觅一瑗,光伏共网发电系统的磺究已经残魏世界之熬点秘舞

簧,袭明太阳能并网发电技术已经进入了一个新的历史阶段,玄同时也是光伏发电领域研究
翡蔻沿‘”。 光伏发电的这种迅猛发展是必然的。只有进入电力系统的规模应用。才§E真正对于缓鳃 能源紧张和抑制环辘污染起到积极的作用.阍对,光伏产业的规模发展还将为社会捷供可观 的杜会就业枫会。

,。2。2嚣箨毙铰势耀发壤静凌麓窝琉状 光伏并嗣发电开始予80年代初,美国、积本、德国、意大利都为此作出了努力。按照当 砖认谈,建造的郝是较大型斡光扶蒡瓣瞧蛄,耀模扶{OO}鼢f戮'瓣W不等,震晨都戆致痔授瓷
的试验性电站。试验结果在发展相应的技术方面是成功的。但在经济性方面却并不十分令人 鼓舞,主要燕由于太阳电池成本过离,虽然篡有蠲箍的减捧等环境效益,僵箕发电成奉却很 难让电力公司接受。

90年代以来,圈外发达圈骞重新掀起了发展光伏并嗣系统的磷发商潮,这次的重点箨未
救在建遘大型共燃先扶鸯站方囊,嚣是弱蘩发展“屋臻必扶势瓣系统”。大嚣】试为,霪璜毙 伏并嘲系统不单独占地.将太阳电池安装在现成的腿顶上。非常适应太阳能能量密度较低的

特点,黼盈箕灵活佼和经济往都大大饿予大燮并网光茯电螭.有利于普及,有利于战备和能源
安全,所以受到7各厦的重视.

1993年.德嗣首先开始实施由政府补贴支持的“1000个光伏屋顶计划”。继而扩展为
“2000令悲铰曩瑗诗粼”,羁盼镧定了“霹褥生能源毫力供应法”,

规定光茯发毫豹上瓣电

价为每度电0.99马克(高予书规电价0.6马克/魔的电价)t极大地刺激丁光伏发电市场.目前



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德国光伏市场持续地处于迅速上升的态势,
户。

至2000年底实际安装的光伏屋顶总数已达27万

日本在光伏发电与建筑相结合方面已经做出了十几年的努力,1994年1月通产省宣布

“朝日七年计划”,计划至U2000年推广16.2万套太阳能屋顶住房,总功率达到185MWp;1997
年又宣布“七万屋顶计划”,日本政府的目标是到2010年光伏并网屋顶系统总容量达到 7600MW。日本光伏屋顶并网发电系统的特点是:太阳电池组件和房屋建筑材料形成一体, 如“太阳电池瓦”和“太阳电池玻璃幕墙”等,这样太阳电池就可以很容易地被安装在建筑 物上,也很容易被建筑公司所接受(IO}o 美国也是晟早进行光伏并网发电的国家之一,80年代初就开始实施PVUSA(PV utility ScaleApplication)计划,即作为规模公共电力应用的光伏发电计划,首批建造了IOOKW以

上的大型并网光伏电站4座,其中容量最大的为6MW(原计划为10MWp);1996年,美国能
源部又开始了一项称为“光伏建筑计划(PV-BONUS)”的实施步伐,共投资20亿美元,专门 用于开发新型光伏建筑集成材料、采光技术.光伏调峰电力装置及光伏组件用并网发电模块 等。1 997年6月,前总统克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划”,计划虱J201 0年安装1 00 万套太阳能屋顶,总装机容量为3025MWp,所产生的电力相当于3—5座大型燃煤电站,每 年可望减排二氧化碳35亿吨,相当于减少85万辆汽车的尾气排放。同时,通过该计划的实施 将使光伏发电的成本由1997年的22美分/度下降到7.7美分/度”1。 许多其他发达国家也都有类似的光伏屋顶并网发电项目或计划,如荷兰、瑞士、芬兰、 奥地利、英国、加拿大”’等。属于发展中国家的印度也在1997年12,q宣布到2020年将建成 150万套太阳能屋顶并网发电系统。 许多统计资料表明,近几年世界光伏并网发电市场发展迅速.光伏并网发电的装机容量 从1996年的7MWp已上升至U2000年140MWp。光伏并网发电在光伏行业中的市场比例也从 1996年的10%上升到2000年的50%。随着光伏并网发电系统技术的不断完善和经济性的提 高,其市场占有率将始终保持在50%左右。据比较权威的世界能源年鉴报道,2000年光伏并 网发电占世界光伏产业总产值的比例如图1-2所示。

图1.2

2000年光伏并网发电占世界光伏产业总产值的比例

在技术方面,专用逆变设备和相关系统的最佳配置涉及到多项技术。美国、德国、荷兰、
日本、澳大利亚等国家在光伏屋顶计划的激励下,许多企业和研究机构成功地推出了多种不

同拓朴结构的逆变器。据1998年世界可再生能源企业年鉴报道,世界上能提供屋顶光伏并网

第~章







簸务静金壁蠢经超避200家(我蓬帮窜发未有企监簸辫入)。其中寄辩美灞翡Trace、So穗穗x,
荷兰ECN和Mastervolt,H本的Kyocera、Fuji,澳大列亚的AEG,德国的Siemens,意大剃 晌Enel蒋,这些都明示着光伏并网发电系统产业已缀是世界范围内一个蓬勃发展的尚新技术 产业,它羊鞋光伏器传(主疆是太阳电漶)固聪势烈先光伏产业的耀大支拄, 谯光伏并网发电的行业标准方面,虽然现在还没有IEC(国际电工委员会)标准,但备 阐都籁布了栩应静试行标准,翔荧国SANDIA翟象实验室的光软并弼麓电系统标潦等。

总之,从能源刹展的凰际发展趋势来看,光伏发电最终掩以赣代能源的角色避八电力市
场,而并网发电将摄光伏发电进入电力日r场的必由之路。

1.2.3我国邋切需疆发展光伏并网发电技术

我国正娥在经济转轨翱蓬勃发展时期,但能源问题严峻,城市中由予大量使用化石能源,

环境持续恶化。2000年世界卫生组织(WHO)公布的世界上污染瑷严重的十个大城市中,中
潼占了,℃个,蒺串筑素藩予莽屯证“7。夫力绶屣兜後势弼发电将有转予罨晕瓣决这一溺戆。 国家有关领零部门已经开始给予足够重视,菌先是图家科技部已规划脊步骤地推进相关的科 技刨新研究、示范及其产业化进程。“八五”和“九五”期间把“光伏屋顶并两发电系统”

列入了“国家科技攻关计划”,在深圳期jE京分男《建成了100KWp、17K'V,,/p、7KWp靼5KWp
的光伏屋顶并网发电系统并成功地实现了并网发电。”1 鳓磊裁为壶,我霉巍捩势溺发奄麴关键技术及设备镄主要来套进霸,毽谣对麴毙基大麴 国内需要,脚踏实地地发展具有自我知识产权的相关高技术,进而实现其产业化,已是刻不 容缓的事。本文正是在这~恩怒的指爵下开耀了本领域肉韵一臻研究发展工作。

§1.3光伏并网发电系统的简单介绍

在量大谣广的光伏屋顶并网系统中,比较典型的户用结构约如豳卜3所示。

甏1-3典垄豹霪臻必扶势瓣发窀系统往患毒攀

图1—3所示的光伏屋顶并网系统的电路布置大都约如图1_4所示
光伏屋顶 接线盒

图1.4光伏屋顶住宅中的电路布置

图1-4中,逆变器是技术含量较高的关键部件。世界各大光伏系统公司都各有所长地推 出了各种主电路拓朴结构及不同控制方式、不同功率等级的产品,它们可以是阶梯波形输出 或全正弦波形输出,性能及效率指标相差悬殊。据德国汉诺威太阳能研究所报道,同样阵列 容量在同样气象条件下,由于采用了不同构造的逆变器,每年送向电网的发电量竟可相差一 倍之多。由此可见,系统技术对于光伏并网效果的重要作用。许多专家指出:太阳电池技术 和光伏系统技术之间的关系就如同彩色显象管研究与彩色电视机研究一样,或者如同计算机 芯片研究与计算机系统研究之间的关系一样,相辅相成,缺一不可。

§1.4本文所做的工作
本文对光伏并网发电系统中的核心问题进行了较为深入的理论分析和研究,通过使用 MATLAB软件建立了系统功率输出级的仿真模型。在理论分析的基础上开发研制了一套5KVA 的单相光伏并网发电系统,并且在实地安装运行。同时开发了基于VB 3.0的测控软件,并 在第九章详细地分析了光伏系统推广在国内所面临的非技术性障碍,提出合理性建议。本文 的创新点和工作重点可以总结如下:
(1)

使用MATLAB的POWER

SYSTEM

BLOCKSET工具进行系统仿真研究,对系统的整个实际

开发提供了有效帮助。同时使用小信号分析的方法建立了光伏并网系统的传递函数, 给整个系统的理论分析提供了依据。
(2)

如何提高太阳电池最大功率点跟踪(MPPT)的鲁棒性和快速性,作者一方面将目前常用 的方法加以总结,同时提出了几种新的方法,井给出了仿真结果。

(3)

如何在光伏并网系统中可靠,快速实现对电月电压的锁相环.是光伏并网系统中的一

簿一章







个技术难戆,律誊逶遘使用蔫牲缒豹DSP芯片T粥320F240实琥了软传锁糖环,毽在 快速响应方面有所欠缺:
(4)

使用光伏并网发电系统对电嗣进行_,邑功补偿和功寨因数校正是未来光伏应用的一个

方向,本文仔细分凝研究了使月光伏劳霹发电系绕作势弯源滤波器躲线点载运霉特 点。同时进行了羔相光伏并网系统作为有源滤波器进行工作时的运行状况仿真;
(5)

孤岛效应是光伏并网系统应用中必须防止发生的现象,本文分析了使用主动扰动方式 实现防止弧岛效或豹方察,劳绘出了访宾结果。

(6)

具体详细分析了基于DSP芯片(TMS320F240)的单相光伏并网发电系统的控制设计思

想,提供了软件结构和实验结槊;
【7j

光茯并弼笈电系统蘸大爝模使溺必须謦曩远糍数据簸控联系在~起,本文设计了一套可 实用的光伏并网发电系统的’钡l控系统的软件。

(8】

详细分析了光伏系统大规模推广的主鬻非按术障碍并提出对策,并分析了光伏系统在 安装使用申静安全规范潮蘧,麓时结合数据分析了光挟并网发电系统的经济效益、社 会效靛和环境效蕊。



合肥工业大学博士学位论文

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and Finland.”.April

—————————————J塞三鬟—鲞堡塑壅茎茎整坌篓翌簦墨筮堑
第二章
光伏并网发电系统的分类和信号分析



垮太阳电洼晦列产生鳇妻溅电馈送绘交流电潮,其闼§l羹的传递与交换霹弦蠢多秘方 式。光伏并网发电系统由于功能和性能要求的不同,其相应的配置和逆变器的拓朴结构也将
不簿。

本章将从不同的角度对光伏并嘲发电系统进行分类,通过分类可以更勰澡入她对光伏井 网发电系统的工作原理及结果进行研究和分析。

零章馊怒Matlab6.1=P的Power System 8lo。鹣蛙傍粪工其对典墼攀指是铰著弱系统避行
建模并进行仿真,同时建立了抟递函数对系统中小信号的特性进行了分析研究。

§2.1

光伏并网发电系统的分类

2。l。{可调发式窝苓霹遴度式

礴前常桶的光伏并两发电系统可以按照系统功能分为两类,一种为不禽蓄龟池环节的 “不可调度式光铰并网发电系统”;另一秘为禽有鬻电池缀的“可调度戏光快菇网发电系统”。 二者相应的系统配置如图2-l所示。

匿2-1(8)不霹调度式笼铰势嬲发电系统

甲茵 罢函



鹭争l(b)霹淄澄式兔铰著弼发奄系统 图2一l不同功能的光伏并网发电系统相应的配置框图

10

合肥工业大学博士学位论文

不可调度式光伏并网发电系统中,并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能转化为和电网 电压同频、同相的交流电能,当主电网断电时,系统自动停止向电网供电。白天,当光伏系 统产生的交流电能超过本地负载所需时,超过部分馈送给电网:其它时间,特别是夜间。当 本地负载大于光伏系统产生的交流电能时,电网自动向负载提供补充电能。

当电网故障或维修时,出于安全考虑,逆变器停止工作。而且必须使逆变器、电网和负
载三者电气断开,光伏并网系统不再向电网和负载提供电能。 可调度式光伏并网发电系统和前者相比,最大的不同处是系统中配有储能环节(目前通 常采用蓄电池组),蓄电池组的容量大小按具体糟要配置。可调度式光伏并网发电系统在功 能和性能方面较之不可调度式有若干扩晨和提高.主要表现在:
1.

核心逆变器一般由井网逆变器和蓄电池充电器两部分组成。其功能不仅是将太阳电池阵 列产生的直流电能逆变后输向电网,同时还经DC/DC变换后向蓄电池充电;

2.

系统中核心逆变器配备有主开关和重要负载开关。正常情况下,两者均闭合,当交流电 网断电时,核心逆变器断开其本身的并网发电主开关,但核心逆变器中按优先级别区分 的重要负载开关仍保持闭合,以便太阳电池阵列和蓄电池组提供的直流电仍能通过主逆 变器重要的交流负载供电,对重要交流负载丽言.系统兼具不间断电源(UPS一一
Uninterruptable Power

Supply)的作用。这对于诸如银行、医院、公共场所等重要负荷

甚至某些家庭用户来说是十分具有吸引力的:
3.

可调度系统不仅能向电网馈送同频同相的正弦波电能,而且还可作为电网终端的有源功 率调节器用于补偿电网终端缺乏的无功分量以稳定电网电压.同时亦可抵消有害的高次 谐波分量,对提高电能质量极有裨益;

4.

大功率可调度式光伏并网发电装置可以根据运行需要自由确定并网电流的大小.这有益 于电网调峰。电网负荷增加时,可以调度增加光伏并网发电装置的上网电流,有助于电
网的运行质量。

可调度式光伏并网系统在功能上虽似优于不可调度式光伏并网系统,但由于增加了储能 环节(目前主要为蓄电池,将来也可能逐步为制氢、燃料电池等新技术所替代),也带来了 若干严重的弱点.正是这些弱点使可调度式并网系统的应用规模当前还难与不可调度式相比 较,这是因为: 1.蓄电池组的寿命较短:目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常估计为5年,而光 伏阵列稳定工作的寿命则在25~30年左右,因此只有为数较少的场合使用可调度式光伏
并网系统;

2.蓄电池组的价格在目前仍相对昂贵; 3.蓄电池组较为笨重,需占用较大空间,如有漏液,则会泄漏出腐蚀性液体;此外报废的 蓄电池必须进行后处理,否则将会造成“铅污染”;

4.不可调度式光伏并网发电系统的集成度高,其安装和调试相对方便,可靠性也高。

2.1.2光伏并网系统逆变器的控制方式 光伏并网系统逆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

第二章光伏并两发电系统的分类和信号分析

'1

源电压控制和电流源电流控制四种方法。以电流源为输入的逆变器,其直流侧需要串联一大 电感提供较稳定的直流电流输入,但由于此一大电感往往会导致系统动态响应差[S,6 p因此 当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式. 逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制.市电系统可视为容量无 穷大的定值交流电压源。如果光伏井网逆变器的输出采用电压控制,则实际上就是一个电压 源与电压源并联运行的系统,这种情况下要保证系统稳定运行,就必须采用锁相控制技术以 实现与市电同步,在稳定运行的基础上,可通过调整逆变器输出电压的大小及相移以控制系 统的有功输出与无功输出。但由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制、 可能出现环流等问题,如果不采取特殊措施,一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式 不易获得优异性能”“。 如果逆变器的输出采用电流控制,则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压.即可 达到并联运行的目的。由于其控制方法相对简单,因此使用比较广泛。 综合以上所述原因,光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的控制方式。 2.1.3输出电流的控制方式


采用电流型并网系统时,输出电流的控制方式可分为以下几种类型 1.电流瞬时值比较方式 图2-2为采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图。图中将指令电流ic‘和实际并网电 流ic进行比较.两者的偏差A ic作为滞环比较器的输入,通过滞环比较器产生控制主电路 中开关通断的PWM信号,该pWM信号经驱动电路控制功率器件的通断,从而控制电流并网电 流ic的变化。

滞环比较器

叁 广r厂、 ,








PWII信{

图2-2采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图

这种控制方案具有如下特点:
夺 呤

硬件电路简单易控; 实时控制,电流响应快; 毋需斩波,输出电压中不含特定频率的谐波分量; 若滞环的宽度固定,电流跟随的误差范围是固定的,但电力半导体器件的开关频率 却是变化的。这将导致电流频谱较宽,增加了滤波器设计的难度,可能会引起间接 的谐波干扰。




二生——一一

鱼堕三些盔兰苎圭堂竺堡壅

2.定时控制的电流瞬时值比较控制方式

该控制方式原理如图2—3所示,它使用由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器。每个

时钟周期对△ic判断一次,使得P删信号至少一个时钟周期才会变化一次。该方式可以避免 器件开关频率过高的情况发生。不足之处在于:补偿电流的跟随误差是不固定的。

时钟信号I



图2?3定时控制的电流瞬时值比较方式原理图 3.跟踪实时电流的三角波比较方式

该控制方式原理如图2-4所示,它将指令电流ic+和并网电流ic的实时值进行比较,两 者的偏差△ic经放大器A后与三角波进行比较。以输出P吼信号。放大器A多采用比例或
比例积分放大器。

这种电流控制方式具有如下特点: 夺跟随误差较大; 夺软硬件相对复杂: 夺输出电压中含有主要与三角载波相同频率的谐波; 夺放大器的增益有限; 夺功率器件的开关频率固定地等于三角载波的频率{ 夺电流响应相对于瞬时值比较方式为慢。

图2—4跟踪实时电流的三角波比较方式的原理图

瞬时值比较方式和三角波比较方式各有优缺点.不能孤立地评价孰优孰劣,实际应用中 必须根据系统要求按需选择.“日本电气学会”的调查结果表明:两种方法在实际应用中大

攘二章竞技势瓣发奄系统瓣分类彝壤号分辑

13

体上备占一攀,基本榴当“。本文在蜜际使弼中采闱跟踪实对电流静三角波比较方式。
2.1.4单相和三相并网系统

按照并联电网类型的不同可分为单相光伏并网发电系统和兰相光伏并网发电系统。低压 三相嘏网又可分为三相三缓和至相西线两种。献控制基本原理看,三者并羌蒺异,只是在具 体实现时,三棺并网系统在控割器软联件的设计与戳造方露要求咚裹。

§2。2典型毫流型单相并隧系统逆变输出缀的小售号分析
虢下着熏进行电流墼单相光伏并嗣发电系统逆变输出级电避、电流的小信号分析研究。 2.2.1单相光伏井网系统逆变输出级

图2-5电压源电流控制模式下的单相并网系统逆变输出级等效电路示意图

嘲2—5所示为电压源电流控靠4模式下的单摆并网系绕逆变辕出级的等效电路霹意固。强 中L为滤波电感,RL为电感L和线路的等效串联电阻,U。m是电_网电压。ud为直流输入电
莲。

摹相交流电网UⅢ其有自融的幅值、频率和相位三要索参掇。通常逆变器的功率电路使 胡桥式电路,由此可将直流输入转换为交流输出,出于电感的滤波作用,可使输出波形较为

平潺。辑式逆变魄路的驱动信号采用单极性正弦脉宽调剿方式(SPWM。Sinusoidal
Width Modulation)推动,可以获得低失真、低谐波和高晶质的难弦输出电流波形。

Pulse

淹了使逆交器输出电流静频率霸穗谯与电阚嗣步,努绥采蠲镁穗环技术,在第疆章巾将 另作详述。男外,对应予可调度式和不可调度式光伏并网发电系统,其矗流输入电压Ud可 以是薷电池缀,也可以魑太阳电池阵列。为便于分析,本文在分析时都假定Ud的小信鼍扰

动爨麓均运丈手逆变器的调裁渡周期(10倍以上),在实际具钵系统审都因袭ut舞溃共鸯电 解电容而均可符合该一设定条件。这两种系统都涉及到太阳电池最大功率点跟踪(MPPT) 褥嚣,这将在本文第三章中详佟分析.

14

合肥工业大学博士学位论文

2.2.2逆变环节的传递函数 对于逆变器输出端电路,取电网电流为状态变量,有:

三鱼粤:u。一u。。一L。RL
口f

(2—1)

其中U。是未经滤波的逆变桥输出电压。 写成复数域形式为:

7一(5)2z了i(ua(5)-U.et(5))2 G3(s)(Uo(5)一u一(5))(2-2)
其中,G,(S)为滤波器传递函数。 忽略功率开关T1、T2、T3、T4及死区时间(DeadTime)的非线性影响,SPWM控 制方式下的桥式逆变环节可视为一个等效的线性比例环节,该环节的传递函数为:



G2(s)=£~

(2—3)

逆变级一般使用PI反馈控制方式,由式(2-2)、(2-3)及PI反馈控制原理可以得出并 网逆变系统的PI控制系统结构图,如图2-6所示。对控制系统而言,U。m为电网电压的扰动
输入,ic。为电流指令值。

图2-6逆变输出级PI反馈控制结构图 2.2.3开环逆变环节性能研究 首先讨论不对逆变系统进行任何控制的情况,此时逆变系统的传递函数可记为:

(2-4)

其中.‰。为逆变器放大倍数,L为逆变器滤波电感,RL为电感及交流进线等值电阻?

若取K一=15。L=0.008H,RL=2
特性(Bode图)如图2.7所示。

,则仿真所得阶跃响应曲线及对数幅频特性和对数相频 由阶跃响应曲线可以看出,不进行控制的逆变系统是一个

有差系统,存在原理性稳态误差,而且响应时间较长,约为0.02s。从波特图可以看出,该 系统不是一个最小相位系统。稳定性差。

第二章光扶茹瓣发毫蓉统熟努类翱嚣号势耩

{5

^∞p)o霉《蚤鬟

^∞粤v#8茬

FrecRJency(redlsec)

强2-7朱嬲控制的遵变环节钓动态佳能

2.2.4

PI调节器的设计及经Pl校正后的系统性能研究

根据以上分析,要获得较高质量的逆变系统就需要谶行控制。本文立足予刨赣,采甩了 常规的Pl茂馈控制与前馈控镯榴结台的复合控帝《方法。菌先对Pl反馈控制进行分析。PI调 节器的传递鼹数为:

G}(¥:—Kps+—K}


(2—5)

系统中该传递函数的各参数设计如下:&

G(班郫矽∽=她S。等2锵

.t

∞):郎州扯坠垫.互1。坠堕垫!(2-6)
st王一s+托f}

泣6’

型L—————————一
,L20_008H
l RL=2Q a=4s KpwM=15 Kp=0.4

全矍三些查堂苎圭堂垡堡苎

j1


\K==32

代入式(2—6),得校正后系统的开环传递函数为

G∽=等卷警
系统的闭环传递函数为:

(2-7)

o(∞:坐2::!坠±!!!!!!
、。

l+c昭(s)



2+34000s+.5400000

(2.8)

得如图2-8所示之系统开环伯特图:

(曰p)。p霍口罩上

^a∞已∞n霍

图2-8逆变输出环节进行PI校正后的开环波特图

—————————————苎三兰—垄垡茎旦!!皇墨簦堕坌耋塑堡量坌堑
闭环系统的阶跃响应曲线如图2-9所示:

!:

Time(see)

图2-9闭环系统的阶跃响应曲线
由图2-9.-f r见,加入PI调节后的系统性能得到了大幅度改善。上升时间约为0.18ms

比开环控制减少约110倍,稳态误差为0。

2.2.5

扰动U。砒对系统的影响及扰动补偿

1.不加扰动补偿环节时,扰动l/.。,的单位阶跃响应 由图2-6可见,扰动“,r对系统输出的影响可以式(2—9)表示

㈧=器啪)
扰动U。的传递函数G。0)可表以式(2—10):

(2.9)

姒加嚣=羔=再蒜‰丽
扰动作用下的误差为式(2-11):

(2-10)

删一啪)--羔蹦s)

(2.11)

二生————————————一鱼!!三些盔堂苎主堂焦堡壅
扰动虬。输入的阶跃响应曲线如图2-10所示

Time

Csec)

图2—10未进行前馈补偿时扰动Unet输入的阶跃响应

2.采用扰动前馈补偿及其效果

从补偿原理”、来看,前馈补偿实际上是采用开环控制方式去补偿可量测的扰动信号, 因此前馈补偿不会改变控制系统的特性:从抑制扰动的角度来看,前馈控制可以减轻反馈控 制的负担,反馈控制系统的增益可以取得小一些,这利于系统的稳定性。

图2一11

带前馈补偿的并网逆变控制系统

————————————■譬≥燮堡菱塑茎查薹鳖整坌鲞塑整兰坌羹
所示:

!!

甜馈矜嫠嚣静多#鼯逆变器撩销系统如图2-11掰示,她时,抗渤俸用下静谶差为式(2—12)

&o)=一L。。)=一皇奠塞警车掣【,。o)
I+翻olsl


(2:12)

龄G小卜志~七一去
取瓯(5)=一话J

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则Eo(s)29,从褥在璞论上选瓢了全{}偿的要求。为了便于蛾◇)巍DsP冀法上鹣实瑷。

则张班一k∽一蕊嘣s)(2-14)
‰鼢揣=
G3(s) 16s(1+aG(s))16(s2+34000s+5400000)
(2-{S)

扰动Unet(s》魄传递涵数便烟式(2-15)辑录

扰动传递函数GnH(S)对阶跃信号的响应如图2-12所示,可见晌巍速度缀无明熙改善, 健却非常明照地减小了趣调量。零文褒实际蓉线螅没谤孛,采用懿镶於偿瑟获褥了整壹}憨效
果。

T¨e(∞c)

强2“12

挽动传邂丞数的黢跋嫡&

§2.3典型电流型单相并网系统逆变输出级的Motlob仿真
为了对光伏并网发电系统重要观测点的电压和电流有直观的认识,本文采用Matlab
6.1

中Power System Blockset功能模块”“”,建立了电流型单相光伏并网系统逆变输出级在开

环状态和闭环状态下的仿真模型如图2—13,并实现了信号的动态观测。
开环状态下的仿真结果如图2--14所示,闭环状态下的仿真结果如图2--15所示。采用 该二模型,可以在给定系统不同参数和初始状态后,可随即获得一系列有意义的结果和波形。 由图2—14可以看出:


开环状态下,无论调制比K为O.8还是0.95,并网电流波形和电网电压之间有明显的相 位差:

> >

当调制比K为O.8时,输出电流的幅值明显低于K=0.95时的并网电流波形: 当直流电压固定时,增大K,不但可以改善并网波形,同时可以改变并网电流和电网电 压之间的相位差。仿真结果和实际样机的实验结果完全吻合。

由图2—15可以看出:
≯ 》

闭环状态下,并网电流的波形明显改善: 闭环状态下,设定指令电流和电网电压的角度差(滞后)为100,可以看出,并网电流 和电网电压之间仍然存在一定的相差;



闭环状态下,改变指令电流和电网电压的设定角度差,可以改变并网电流和电网电压之 间的实际相差,从而可以实现对电网的无功补偿。

§2.4本章小结
太阳能光伏并网系统可以分为可调度式和不可调度式两种,主要是由系统中有无蓄电 池组件来区别。两种系统在实际应用中各有优缺点,目前国外大量安装的为不可调度 式光伏并网系统,直接将太阳能有源逆变上网。
(2)

目前大多数光伏并网系统功率输出级采用电流控制方式,具体实现有以下方式:滞环 比较器的电流瞬时值比较方式、定时比较的电流瞬时值比较方式、跟踪实时电流的三 角波比较方式。三种方式各有千秋,本文选用第三种方案。

(3】

对典型电流型单相并网系统进行逆变输出级的小信号分析,建立了传递函数.分析了

系统开环、闭环状态下的波特图和阶跃响应,认为系统使用PI调节控制是可行的。
将电网电压信号作为系统的干扰信号加入,使用前馈控制的方法尽量消除电网电压对 系统动态性能的影响,取得良好的效果.
(4)

使用MATLAB6.1中的Power

System

Blockset工具箱建立光伏并网系统功率输出级的

动态仿真模型,得到系统在开环和闭环下,取不同调制比K时的仿真波形,与理论分 析和实验结果相吻合。说明该仿真模型具有良好的实用价值.

第二章光伏井网发电系统的分类和信号分析

21

图2.1 3

电流型单相光伏并网系统逆变输出级开环状态下的仿真模型

台肥工业大学博士学位论文



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图2-14

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电流型单相光伏并网系统逆变输出级开环状态下的仿真结果

圈2-15

电流型单相光伏并网系统逆变输出级闭环状态下的仿真结果

台肥工业大学博士学位论文

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第三章

太阳电池模型及最大功率点跟踪方法

第三章

太阳电池模型及最大功率点跟踪方法

所有光伏系统都希望太阳电池阵列在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能,这 也就在理论上和实践上提出了太阳电池阵列的最大功率点跟踪(MPPT一一Maximum
Power Point

Tracking)I'u1题。太阳能光电应用的日益普及、太阳电池的高度非线性和价格仍

相对昂贵更加速了人们对这一问题的研究。 光伏并网发电系统中由于阵列的功率等级一般较大,因此MPPT问题显得尤为重要。即 使在可调度式光伏并网系统中,光伏阵列虽有蓄电池组进行“稳压”,但要保证系统在充电 过程中一直保持高效率,在利用DC/DC装置实现充电时MPPT仍是不可或缺的环节。在不 可调度式光伏并网系统中,并网逆变器更加必须通过不断调整指令电流的大小以实现MPPT 控制。本文在讨论太阳电池模型的基础上,讨论了太阳电池阵列MPPT的多种实施方案并提 出了作者自己的方法和观点。

§3.1太阳电池的基本原理和电路特性
3.1.1太阳电池的基本原理和构造

太阳电池的基本特性和二极管类似,可用简单的PN结来说明,图3—1为太阳电池的单

元模型和外观【1】o电池单元是光电转换的最小单元,一般不单独作为电源使用。将太阳电池
单元进行串、并联并封装后就成为太阳电池组件,功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦,众 多太阳电池组件按需要再进行串、并联后形成太阳电池阵列,就构成了“太阳能发电机(Solar
Generator)”。

图3-1

单个太阳电池单元的模型和外观

理想PN结单元太阳电池的电流一电压(I一、,)的关系如式(3—1)所示m’7】

合肥工业大学博士学位论文

,=Io[exp(五.q些r-r_)-]
’盯”c);K是玻耳兹曼常数(’.38X10"23j./K);7-是绝对温度(_10。 这些因素,通常采用如图3-2所示之太阳电池等效电路P。q。
R。

…)

其中f为尸~结的电流(A);f0为反向饱和电流(A);V为外加电压(”;q是电子电荷(1.6x

实际上单元太阳电池还具有体串联电阻R和并联电阻尺n以及PN结电容等。考虑到



图3—2

太阳电池单元等效电路

实际太阳电池中的电阻等参数是分布参数,但在工程应用中处理为集总参数后,其分析 模型的精度仍足够准确,本文不考虑分布参数问题。通过二极管因子4以考虑等效电路中二 极管的非理想PN结,取值范围,—g”。由于太阳能的缓慢变化与器件的快速响应相比可以 忽略其变化,因此在分析系统时可以忽略结电容c『的影响。在如图设定的电压、电流方向下, 可得单元太阳电池的『-y方程为I”I:

Mt一厶H驾笋]-l}一半
3.1.2太阳电池,-y特性曲线 有强烈的非线性性质。

pz,

太阳电池阵列的『-y特性是系统分析最重要的技术数据之一口。“…,图3--3表明它具

图3-3

太阳电池阵列的kV特性举例

第三章

太阳电池模型及最大功率点跟踪方法

太阳电池阵列的几个重要技术参数12。’。。2q: 1.短路电流(bc): 在给定日照强度和温度下的最大输出电流 在给定日熙强度和温度下的最大输出电压 在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流 在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压

2.开路电压(、,o:
3.最大功率点电流(『m): 4.最大功率点电压(Vm):

5.最大功率点功率(Fw:

在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率,户岛;I。.圪

3.1.3太阳电池结温和日照强度对太阳电池输出特性的影响

由式(3-2)和等效电路可知B照强度和电池结温是影响太阳电池阵列功率输出的最重要 的参数,温度上升将使太阳电池开路电压V0下降.短路电流/,c则轻微增大口1”。如图3-5 所示:总体效果会造成太阳电池的输出功率下降,如图3-6所示。注意这里是指太阳电池结 温的变化,而不是指环境温度。太阳电池结温和环境温度的关系依赖于日照强度,见圈3.4[20‘ 2“。具体关系式如式(3-3)所示.
aT(‘C)

形一j…
I|j//
图3-4

.,,/

S(ⅣIml)

太阳电池阵列温度和日照强度之间的关系 (3-3)

T=L,+,。S

式(3-3)为根据实验拟合所得,其中T为电池温度(℃);Ta.,为环境温度(℃);S为日照 强度(W/m2);tc为根据阵列支架结构实验所得之系数(℃m2^/\,)。对于通常结构的支架。tc 的典型值为0.03l 23?2“。

图3.5不同温度下的I.V关系曲线图

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图3-6不同温度下的P.V特性曲线

日照强度在极大的程度上影响太阳电池阵列的输出电流。图3.7给出了不同日照强度下 典型的I-V和P—V特性。

图3—7不同日照量下的I-V和P?V特性曲线

3.1.4串联电阻的影响

太阳电池的串联电阻Rs所产生的欧姆损失(Ohmic Loss)也会对输出功率产生影响。本 文分析系统时,拓展定义串联电阻Rs为太阳电池阵列输出端至最大功率跟踪器之间的线路 等效电阻。由此,串联电阻越大则线路损失越大,系统的效率越低。根据式(3-2)可得出对应 三种不同大小的串联电阻,I-V、P-V特性曲线的参考图,如图3-8所示。显然Rs虽对太阳 电池的开路电压及短路电流并无影响,但却使太阳电池的输出功率明显下降。

第三章

太阳电池模型及最大功率点跟踪方法

图3-8不同串联电阻对I-V和P-V特性的影响

§3.2太阳电池最大功率点跟踪方法
图3-9为太阳电池阵列的输出功率特性P.V曲线,由图可知当阵列工作电压小于最大功 率点电压VMAX时,阵列输出功率随太阳电池端电压Vpv上升而增加;当阵列工作电压大于 最大功率点电压VMAX时,阵列输出功率随Vpv上舞而减少。MPPT的实现实质上是一个自


寻优过程[4-6]即通过控制阵列端电压Vpv,使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能 化地输出最大功率。

图3-9太阳电池阵列的输出功率特性 太阳电池阵列的开路电压和短路电流在很大程度上受日照强度和温度的影响,系统工作 点也会因此飘忽不定,这必然导致系统效率的降低。为此,太阳电池阵列必须实现最大功率 点跟踪控制,以便阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。本文针对于常用的MPPT 实现方法:定电压跟踪法、功率回授法、扰动观察法及增量电导法进行了仔细的分析并在这

基础上提出了几种改进方案:间歇扫描法、滞环比较法和最优梯度法和模糊逻辑控制法。
3.2.1定电压跟踪(ConltantVoltage Tracking.CVT)法

30

舍肥工业大学博士学位论文

仔细分析图3-7可以看出,在圈照强度较高时,诸曲线的最大功率点几乎分布于一条垂

直线的两侧,这说明阵列的最大功率输出点大致对应予某个德定电魇.这就大大简化了系统 MPPT豹控制设诗,即人们仅箨麸生产厂麓处获搏、,。。数据势使薅判的辏如电压钱位予Ⅵ。
值即可,实际上是把MPPT控制简化为稳压控制.这就构成丁cv-r式的MPPT控制。采用

CVT较之不带cv'r静耋接藕合工梅方式瑟有乖j襻多.瓣子一艘竞茯系统霹望获得多至20%
的电能。 但是这种跟踪方式忽略了温度对阵烈开路龟匿的嚣响,i;£单晶硅太阳电沲为街j,囊环境

瀑痰每舞寒1℃瓣,其歼路电蘧将-F降Voc?(O,35_越.45%)8 4’".。
为克服使用场所冬夏早晚、阴晴雨雾等环境温度变化给系统带来的影响,在cv"r的基 础上可戬莱用戳下凡种折衷解决办法:
々 夺

手j:调节方式:通过电位器手动按季节给定不同的V。。。-这是比较麻烦和粗糙的。 微处理器查询数据表格方式:事先将不同温度下测得的V。。德存储予EPROM中,实 酝运行对,徽处褒器逶_j建阵列土豹瀑发传感爨获取阵捌滋度,遴过查袭确定当藏的、‰。 值。

CVT控翩的优点是:
夺 夺

控制籀单,易实现,可靠性高: 系统不会出现振荡,有很好的稳定性:

夺霹浚方便逡遴过硬传实袋。 缺点是:
夺 夺

控制精度差,特别燕对予早晚和四季添差交纯剧烈爵奇地区} 必须人工于臻才能良好运行,要难于预料风、沙等影响。

采用CVT以实现MPPT控制,由于其良好的可靠性和稳定性,目前在光伏系统中仍被

较多傻焉。隧赘先茯系统控餐援米豹谤筹橇及微处理器纯,该方法逐濒被袈方法_}箩}替代。 图3-10为本文研发并实际使用的采朋电位器给定V。。以实现降压型CV'I"拽制的鬻电池
充电器控制框圈。



整3-10酶嚣壁CVT武饕毫潦竞电控裁爨棰銎
由图3-10可以蒲出,TL494、驱动电路和Buck交换嚣构成丁控制嚣的电流内环控制。

第三章

太阳电池模型及最大功率点跟踪方法

31

太阳电池的工作点电压通过RVl给定,调节RVl即可调节太阳电池的工作电压u。,当蓄电 池未达到过充电压给定值时,Ub等于0。此时太阳电池的工作点电压与U。相对应.知太阳 电池工作电压大于U口所对应的值,通过控制电路的自动调节作用,脉宽调制芯片TL494。输 出脉冲宽度增加.经驱动电路放大整形后.驱动Buck变换器的主功率器件,使其导通占空 比增加,蓄电池充电电流就变大,使太阳电池工作点回到与U口相对应的值上。如太阳电池 工作电压小于U口所对应的值,整个工作过程相反。这样,在蓄电池电压尚未达到过充电压 时,太阳电池就始终工作于最佳工作点上,保证蓄电池具有最大可能的充电电流. ~旦蓄电池达到或超过蓄电池过充给定值,ub就逐渐增加,此时,太阳电池的工作电压 U。由U口和Ub之和所对应的电压决定.也即是,太阳电池工作点由最大功率点向开路区方向 增加,太阳电池输出功率减小。蓄电池充电电流也就逐渐减小,直到蓄电池的自放电电流与 充电电流相平衡。 该Buck型CVT式蓄电池充电控制器在实际应用中取得了较好的效果,特别是在可靠性方 面。两台样机已经在现场连续工作三年,无任何故障。比较大的缺点是.U。的确定需要人为 判断和调节,缺乏准确性。 3.2.2功率回授控制法

功率回授控制法的原理是通过采集太阳电池阵列的直流电压值和直流电流值,采用硬件 或软件的乘法器计算出当前的输出功率P,籍由当前的输出功率P和上次记忆的输出功率P‘ 来控制调整输出电压值,其控制原理框图如图3.11所示伊’1q。 此种功率回授控制法,控制器宜先设计成单值控制模式,亦即仅以P-V曲线顶点右侧为控 制范围,这是因为在同一P值下阵列电压及电流值不唯一。这种方法的优点是实现较为方便, 但缺点是可靠性和稳定性均不佳,所以在实际应用中,较少采用。

图3-11功率回授控制法工作原理框图 3.2.3扰动观察法

㈣(perturb&observe

algorithms.P&O)t”。1 21是目前实现MPPT常用的方法之

一。其原理是先扰动输出电压值(UPv+△U),再测量其功率变化,与扰动之前功率值相比, 若功率值增加.则表示扰动方向正确,可朝同一(+△U)方向扰动;若扰动后的功率值小于 扰动前,则往相反(.△U)方向扰动。其过程描述如图3-12。此法的最大优点在于其结构简

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单,被测参数少,能被较普遍地应用于光伏系统最大功率跟踪控制。通过不断扰动使阵列输 出功率趋于最大,即令跟踪已达最大功率点附近,扰动犹不停止。其缺点是由于始终有±△ V的存在,在最大功率跟踪过程中将导致些微功率损失。 扰动观察法的优点有: 令模块化控制回路; 夺跟踪法则简明,容易实现。 缺点为:
夺 夺 夺

只能在阵列最大功率点附近振荡运行,导致部分功率损失: 初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响: 有时会发生程序在运行中的失序(“误判”)现象。

本文设计扰动观察法的流程图如图3-12所示。图中Upv+表示扰动方向与原UPv同方向; 而Upv一表示扰动方向与原Upv反方向。

图3-12扰动观察法程序流程图 扰动观察法运行程序可能失序(“误判”)的原因分析如图3?13所示。

第三章

太辩奄池攘型及最丈功率意彝踪方法

Vt¥l

鹭孓1 3扰动观察法可能发生诶刿螅暴意鹭

囱予在~天孛露照楚嚣雩瓤燮亿的,特翔怒在翠洗耱鸯云蕊天气。辫竣对予太羯瞧漶阵列 来说,其P-V曲线是不停变化的。当光伏系统使用扰动观察法进行MPPT时,假设系统已工 作在MPP蘸酣避,此对工作电压记为V。,阵列输出功翠记为P。。当电压抗动方向往右移 至V§,如果强照没毒变化,阵列输出功率为Pb>P。,控雉4系统工作正确。但假设臣照下降,

则对应u的输出功率可能为P—P。,系统会误判电压抗幼方向错误,从而控制工作电箧往

左移动酲刭魄熹。絮粱嚣熙持续下降,粥有霹靛斑现控籀系统不精谖翔,缆工俸电压不断
往左移动,对于并网系统来说,一方颢会使得并网功率下降,另一方蕊会由于直流侧电压的 下降而使得并网电流波形变差,宣至停止工作。对于这种由于日照影响造成的系统误判可以 避过搬大貔动鳇频攀靼减小拢劫的步妖来尽霹§§蟪溃躲。 此外,拄一般光伏并网系统中,最大功率跟踪多用于阵列后端的升压变换器(亦称“Boost

交换器”∥礴或酶蕊变换器国;称“Buck交捺器”)弼,戴辩可壹接控戮其输穗亳压毅潺蒂输
出功率.赖以获得扰动观察信号实现MPPT控制。在电流型的不可调度式光伏并网系统中, 阵列可直接通过逆变器将矗流电能转换为交流电能馈给电网,通常采用电流型输出方式。由 予电麴电压}£较稳定+太阳薄到最大绣率躁踩实瑗熬方法~般霹跬采取不龋撬动系统懿势网

输出电流的方法:即首先不断扰动系统的给定输出电流Iref,通过对实际并网输出电流‰的
采样,计算嬲系统输出功率P。I,把它和罩前的记忆功率P。0作沈较便可确定下一次lⅢ斡抗 劝方岛。通过这砖糨对简易的方法,丽撵可使光伏系统的工作点在阵列最大功率点辫近稳定 振荡远行。 3.2.4电导增量法

㈣(Incrementa|Conductance


Atgorithm)也是MPPT控制常用的算法之~111~

“。通过太阳电池阵列P-V曲线可知最大值点P。。处的勰率为零,所以有:

P船*矿?;(3-4)

等V=z+y?斋V=e


《∽


合肥Z业大学博士学位论文

坐:一三(3-6) dV F
式《3—6)即为簧达到煨大功率点的条件,即当输出电导的变化量等于辘出电导的负值时, 阵列工作于最大功率点。若不相等,则要判断dP/dV熄大于零或小予零。该控制方法的程序 漉羧鲡强3?14掰示;笺串,vn、ln受蕻硷溅豹电爨、宅滚僮,Vb、Ib走骚存德豁孛弱 旧侦。程序读进新值盾先计算与旧值之误差,再判断电压差值是否为零?(因后面做除法时分 母不得为零)若为零剐蒋判断电流蓑值是磷为零?若都为零刚装示阻抗一致,扰渤僮D值不 变。若电压差馕为零,电流麓值不为零,则表示照度菊变化,电流差值大予零0值增加; 电流差值小于零D值减少。再来讨论电压差值不为零时,式(3—8)是否成立将是关键{若成 立翔表示秘率麴线裁率为零(选最大葫率点》,羞逛导变诧量大}囊龟导毽,裂表示功攀基线 斜率为正,D慎将增加;反之D俊将减少。 此一跟踪法最大鹤优点,是当太陌电池上的照度产生交纯时,其输出端电箍能鞋平稳的 方斌追隧其变化,其魄区晃勘较扰幼观察法,j、。不过冀算法竣为复焱,虽在跟踪舷过程中需 花费相当多的时间去执行~D转换,这对微处理器在控制上会造成相当大的困难。

闺3.14电导增童算法流程翻

第三章

太阳电池模型及最大功率点跟踪方法

3.2,5间歇扫描法

间歇扫描法实现MPPT的核心思想是定时地扫描一段(一般为0.5~0.9倍的开路电压) 阵列电压,同时记录下不同电压下对应的阵列电流值,经过比较不同点的太阳电池阵列的输 出功率就可以方便地得出最大功率点。丽不需要一直处于搜寻状态。 控制原理硬件图如图3-15所示。这种间歇扫描方法测定所需要的时间只是毫秒级(5~ lOres).而定时扫描的时间间隔可以放宽至秒级。通过扫描计算出在该日照及温度条件下的

最大功率及其相应的电压V。并实时控制PWM的输出以使系统工作于与该V。相应的工作点
上。这种方法一般不会产生振荡,同时避免了其它各种方案需要由于搜索振荡引起的功率损 失。在太阳电池阵列容易产生遮挡的应用中,如光伏建筑、太阳能汽车、太阳能游艇等.这 种MPPT方案具有较高的应用价值。这种方案的最大缺点是在需要有连续输出的光伏系统中 无法应用,如光伏水泵、不可调度式光伏并网系统:同时该方法需要有较大的存储空间和运 算能力。

太陌电 池阵纠

负重

图3—15间歇扫描法的硬件结构 与图3—15相应的控制流程图参看图3?16:

图3.16间歇扫描法的算法流程图

台JET业大学博士学位论文 3.2.6滞环比较法原理

在扰动观察法基本设计思想中是两点比较。即目前的工作点与上一个扰动点比较,判断 功率的变化方向从而决定工作电压的移动方向,除了造成较多的扰动损失外,还可能发生

3.2.3所提及的误判。针对太阳日照量并不会快速变化的特点,多余的扰动可能带来较多的

损失。这里提出的滞环比较法(481,可在日照量快速变化时并不跟随著快速移动工作点他许
只是干扰或判读错误),而是在13照量较稳定时再跟踪到最大功率点,以减少扰动损失。其原 理详述如下:


.愈 入一



B八

、.c^√C

图3—17最大功率点附近可能出现的各种状况

考虑太阳电池P-V特性曲线,在曲线顶点附近任意取三点不同位置,所得到的结果可分 为图3—17所列五种情况。设定一个比较符号的运算变量Tag,C点与B点比较,若比B点 为大或相等,Tag=1;若比B点小,Tag=-1;而A点与B点相比时情况略有不同,当A点 比B点大或相等时。Tag=?1l A点比B点小时,Tag=1.当三点比较完之后,Tag=2.工 作电压扰动羞O值应往右边移动l而T.Q一-2。D值应往左边移动t当Tag=0即表示到达顶

点,D值将不改变。在A、B和C三点功率的检测上,先读取B点功率为立足点,增加一 △D读取C点功率.再减少两倍△D读取功率值当作A点.连续检测三点功率值后再比较 大小计算权位值。由权位僮来判定立足点应往C点够动,A点移动或不移动.但当照度正 在变化时.扰动D值我们所得到A,B、C兰点的位置与T-a值和圈3-17有所不同,如图
3.18所示.


;纱彤。y
廿

图3-18滞环比较法中其他的排列方式

由图孓18中我们知道,此三种排列方式在照度快速变化时可能会出现,但Tag值都为
零。即工作点并不会移动.滞环比较法的算法流程如图3-19所示。

Pa=Ia*Va:Pb=Ib*Vb:Pc=Ic^Vc

0 保存Pa、Pb、Pc

<童i>一一‰吼“h
L————~—-J

<:竺>N—Tag=Tag-1卜

/工\

扁i]
I_______L--?一J

<i>V一咿。c卜

<爹V一啦。a卜
匹习
图3—19


滞环比较法控制流程图

!坠————————一一

全丝兰些查堂苎主堂堡垒苎

Va、la、Da;Vb、Ib、Db:VC、Ic、Dc分别代袭A、B、C兰点位置的电压值、电流 值和抚动的D德。图3_19表示读取A、B、C兰点的电压、电流值,并计算其功率。Tag代 表AtB,C三点鲍丈小关系。当诗算黩三点勘率露,接著裁计算Tag蕊再刿鞭Tag藿,Tag= 2时D假增加:Tag=-2时D值减少;M=0时D值不变。

3.2.7基乎最傀梯度法的最大功率跟踪法

最优撵度竣是一嵇域攒度法穆糙die腿脱巍od)为基磁黪多维薏约束最恍诧趣题豹数毽
计算法。它的基本思想是选墩目标函数的负梯度方向(对于光伏系统,应选择正梯度方向) 作为每步迭代静搜索方向,逐步逶近函数鼢最小僵(辩于光伏系统,灸最大僖)。梯度法是 ~种传统盥被广泛运用于求取函数极值的方法,该方法运算簿单,肖著令人满意的分析结果

太毅电遗瓣P-V特性麴线霹援舞一菲线性蝤数。嚣最大功率缀踩法豹嚣瓣是要程P-V 特性曲线上求樗曲线的最大值。所以使用最优梯度法可以实现MPPT。 最速梯度滚的定义"掰如下: 若一欧式空闯n维遵数f(f:E”),势连续旦W微分一次,数Vf《x)存在且为一n维的列向 量(row vector),我们定义一n维的行向璧(column vector)g(x)=Vf(x)‘,为方便表承定义 §k为:

g(x胁V“猢‘
定义梯度法之叠代演算法如式(3-8)

(3.7)

Xn{=豫+。k’gk (3—8) 其中o k为~非负值的常数,搜寻晒数的最小点是沿蒋正梯度gk的方向搜寻。由太阳电池
之电气特性霹翔,若忽略串联电疆静效斑,可{{攀如下乏电压帮珐率之关系:

耻Iz-Ivr"[e《矧一t胁
PN是以电压V附撵为瞧一豹变繁,此射gk燕:

e。嘲

式(3?9)中,函数PPv(Vpv)为一非线性函数,盥为连续可一次微分函数,又式(3.伯)中函数

g;=g(K)=皇掣l哆,:琏

=Ia-let。H翥)寸k志ed等)k珞㈣
嘲式(3—10)可知,叠代算法可写成式(3-11)

咋酣+l=%蹦+嚷宰繇

f3.{1》

繁三章

太辩电涎攘整及鼍丈琏事蠡覆蹿方法

3罄

鸯PPv-Vp,,将经基缝强孛,霹激发现由予溃电燕有赛。故弱翊撵菠法予太粥电滟豹最大 功率点的跟踪上所搜寻到的最大功率点是全域的.

利用梯度法进行MPPT.保留了各种扰动观察法的各种优点.同时藉由一个类似动态的
扰动量可以改变在太阳能输出功率曲线上电熙的牧簸速度,熟鬻3-20掰暴。当工嚣轰燕擎 煨大功率点左侧时,电压以一较大的幅度增加,当工作点位于最太功率点附近时,豳于此时 籀率较夺,刘提供一较小豹扰动囊。爱之当王作点像予最大功率赢右侧蹲。彀压强一较大的 幅度减少,如此一来便可改善于最大功宰输出点附:i瞪振荡追逐的缺点.同时扰动观察法也囊 不错的响应遮率(其中o k=O.4).

V“)

——————’啦匿抗劫寡惠
(●)

¥∽

电压扰幼方向‘————一
曲)

罄3.2蚤聂傀撵度法遴簿MPPT豹接索避疆

合肥工业大学博士学位论文

3.2.8基于模糊逻辑控制的最大功率跟踪法

一、选择模糊逻辑控制方案的原因

自1965年,美国的伊朗裔自动控制理论专家扎德(L¨A.Zadeh)在加州大学提出了模糊 集合理论以来.模糊逻辑控制(FLC--一Fuzzy Logic Controller)得到了迅速的发展。FLC 在各种领域出人意料地解决了传统控制方法无法或难以解决的问题,并取得了令人瞩目的成 效。现在,人们己经明确地知道:模糊控制是目前在控制领域中所采用的三种智能控制方法 中最具实际意义的方法”“。 由于日照变化的不确定性、太阳电池阵列的温度的变化、负载的变化和太阳电池U—I曲 线的强烈非线性,所以固定太阳电池阵列的最大功率点是随着环境和负载的变化而时刻变化 的。针对这样的非线性系统,使用模糊逻辑控制方法进行控制,将会获得理想的控制效果。

二、在不可调度式光伏并网发电系统中使用模糊逻辑进行MPPT

基于模糊集合和模糊算法的模糊理论可以得出一系列模糊控制规则,可以由DSP十分 简明的执行。 模糊逻辑控制器的设计主要包括以下几项内容…1:
> > ≯ ≯

确定模糊控制器的输入变量和输出变量; 归纳和总结模糊控制器的控制规则; 确定模糊化和反模糊化的方法; 选择论域并确定有关参数。 本文在不可调度式光伏并网发电系统中实现MPPT的模糊逻辑控制器构成如图3—21所

示,各个部分的内容定义在后文详细叙述。

卜扣h_

暑∽,球

图3-21不可调度式光伏并网系统模糊逻辑控制器构成图

}一
△io∞

_1蔗∞}

咏{匾
i“t(K—1)

Matjab的模糊逻辑工具箱拓展了MATLAB对模糊逻辑系统的设计能力,已经成为运用

模糊手段解决工程问题的重要工具。模糊逻辑工具箱使得工程设计人员可以采用多种途径生
成和编辑模糊推理系统,如手工、通过交互式图形工具、通过命令行函数或基于模糊聚类或 自适应神经模糊技术自动实现。本文结台M atIab6.1中的模糊逻辑工具箱进行了辅助设计。

1.定义输入和输出变量:

通常控制总是用系统的实际输出量与设定的期望值相比较。得到一个偏差值E,一般还

第三章

太阳电池模型及最大功率点跟踪方法

41

需要根据该偏差的变化率EC来进行综合判断。 在光伏系统的MPP跟踪方面,文献(65】中使用了dP/dl和其变化量△dP,dl作为输入 变量。P和I是太阳电池阵列的输出功率和电流。这种方法的缺点是忽略了变流器PWM脉 宽的变化,该模糊控制方案具有较好的控制精度但动态性能较差。文献(66)中考虑到了 PWM脉宽的变化量,但使用了P和△P代替了dP/dl和其变化量/kdP/dl。该控制方案具有 较好的动态特性,但控制精度较差。? 考虑在光伏并网发电系统中的应用。本文定义了以下的FLC的输入量:dP/dl和其变化

量/kdP/dl以及△i。;输出为给定并网电流的变化值即△‰。输入和输出量的定义如式(3-12)
所示。 通常将输入变量范围人为定义成离散的若干级,所定义级数的多少取决于所需输入量的 分辨率。各个输入量和输出量的基本论域、模糊变量以及各个模糊变量的隶属函数。如图 (3-22)所示。 dP/dl的基本论域E={-8。-7,-6,-5.-4,-3,一2.一1,0,1,2,3.4,5,6.7.8),采用负大(NB),负tJ、(NS), 零(Z),正小(PS).正大(PB)5个模拟量来描述dPIdl。其它的各个输入量和输出量可参看图 (3—22)。图(3-23)为采用Matlab6.1进行辅助设计时的模糊变量的定义界面。

㈣ ㈣
=、● ,/

D一,





(3.12)

厂lI ,/、lIL 和∽蚋㈣ 器争啪似 等寺D域









图3-22各个输入和输出模糊变量的隶羼函数图

42

合肥工业大学博士学位论文

图3—23采用Matlab6.1进行辅助设计时的模糊变量的定义界面

2.模糊推理算法

在模糊理论中,模糊控制的推理方法有几十种不同,但是,在模糊控制中应用较多的只 有四种,它们分别是Mamdani推理.Larsen推理,Tsukamoto推理,Takagi.Sugeno推理。本 文采用Mamdani推理。该推理的模糊推理规则采用“if……then……”的语句格式进行定 义。 举例说明: “if(dP/dl
is

PB)and(△dP,dIis PB)and(△io
is

is

P)then(△lout

is

PB)”

如图3—24所示,“dP/dl

PB”意味着目前太阳电池阵列的工作点位于P.I曲线的左半部分
is

斜率较大的部分,所以大致上FLC的输出/',lout应该为正。考虑“io 的输出Alout为正,即并网输出功率加大;接着考虑“△dP/dl
is

P”意味着上次FLC

PB”,意味着的斜率变化为

正,即当前的斜率比上次的斜率有较明显的加大。从P.I曲线可以看出,如果曰照不变。在 曲线左半段,P增加,则斜率dP/dl是下降的,而目前斜率dP/dl反而上升,意味者当前的 日照有较大幅度的增加。为此,FLC的输出/Mout也应为较大的正值。所以△lout 细的模糊推理规则请参看本章附录。
is

PB。详

第三章

太阳电池模型及量大功率点跟踪方法

43

0 Iol 102

图3—24

模糊逻辑控制规则设计例图

3.精确输出量的反模糊化

在数字控制系统中,用于最终输出的控制量只能为一个精确量,而经模糊推理后得到的 模糊输出量及其相应的隶属度,所有隶属度不为0的模糊输出量对输出都起一份贡献。反模 糊化的目的就是必须求出能代表所有模糊输出量的作用的精确值。即在推理得到的模糊集合 中取出最能代表这个模糊集合的单值。该计算过程又称为反模糊判决(Defuz.zification)。 对于本文来说,FLC的输出应该是~个确定具体的△lolJI(k)提供给后级的并网电流输出 控制程序。该程序根据式(3-13)得出给定的并网电流,和实际的并网电流进行Pl调节,计

算出实际的PWM脉宽提供给功率器件驱动板。
反模糊判决可以采用不同的方法,用不同的方法所得的结果也是不同的。常用的方法有: 最大隶属度法.重心法,系数加权平均法和隶属度限幅元素平均法。本文采用重心法。其计 算表达式如下:

Aio“(女)=型1——一 ∑∥(p)

∑阻(Dj)?Df】
(3—13)

上式中J.1(Dj)为第j个模糊输出量的隶属度,即模糊推理的结果;Di为第i个模糊输出量 单点位置或中心元素的位置;n为所定义的系统输出模糊量的个数.本文n为5. 图3-25为Matlab6.1在给定的输入条件下输出的反模糊化的数字结果举例.其采用的就 为重心法。图3-26为使用Matlab6.1得出的输出和输入量之间关系的立体图示。 兰、结论

使用模糊逻辑控制进行光伏系统的MPPT.具有很好的动态性能和精度。有着十分广阔 的应用前景.本文的实际应用系统中,还没有使用该方法.在将来的研究工作中,一方面要 进行模糊控制表的离线方案的设计。节省单片机内部的存储空间。提高工作速度,实现实时

合肥工业大学博士学位论文

控制。另一方面,需要进行长时间的对比试验,进一步确定模糊控制的可靠性、快速性、高 精度等优点。

图3?25

Matlab6.1在给定的输入条件下输出的反模糊化的数字结果举例



j。
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×㈣厣鬲1Y附}厣赢门z∽吣冈i]
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图3-26

Matlab6.1中输入和输出关系的立体圈

第三章

太瓣电涟模型及纛丈功事点耀踩方法

§3.3本章小结
太阳电池的基本特性和二极管炭似,可用简单的PN结来说明。将太阳电池单元避彳亍 串、并联舞瓣装矮就成为太鞭嚷沲缀{簪,众多太阳电拖缀俘按糟再进行串、并联嚣形 成太阳电池阵列,就构成了“太阳能发电机(SolarGenerator)”;
(2)

太阳电沲阵列薛输出特健主要包捂扣V特性和P-V特性,窀{fj其有强烈的非线性性质。 特性曲线主簧受到日照强度、陴列温度和串联电阻的影响。其中,日照强度的影响是 首要的;

f3)

如何姥在同榉旦照、温度的条件下输出尽可能多的电能,在理论上和实践上提出了太 阳电泡阵列的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking。简称MPPT)同 题。太靼能光电应用的鄹益普及、太嘏电池的高度嚣线性羊拄玲格仍梗对昂贵更热遽7 人们对这一问题的研究。本文针对予常用的MPPT实现方法:定电滕跟踪法(CVT)、 功率圆授法,扰动观察法及增颦电导法进缮T仔缨蛇分砉晕并在这基础上提出了足势改 进方案:间歇扫描法、滞环比较法、最优梯度法和模糊逻辑控制法.众多的MPPT 实现方法务毒手教,黠予多秘方案,嚣要进{亍大羹缨致戆实验互作窝数据势凝。出于 本文时间有限。这将在以后的研究工作中加以深入开展。

合肥工业大学博士学位论文

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第三章

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50

台肥工业大学博士学位论文

第三章附录:

使用模糊控制方法实现MPPT的 模糊推理规则表

[1)

if(dP/dl is PB)and(AdP/dl

is

PB)and(Aio

is is is is

N)then(Alout
Z)then(Alout

is
is is

PS)
PS)

[2) [3) (4)

if(dP/dl if(dP/dl if(dP/dl

is is

PB)and(△dP/dl is PB)and(Aio

PB)and(AdP/dl PB)and(△dP/dI

is is

PB)and(Aio PS)and(Aio

P)then(△loul N)then(△lout

PB) z)

is

is

(5)if(dP/dlisPB)and(AdP/dl培PS)and(△iois z)then(AloulisPS)
(6】

if(dP/dl if(dP/dl
if(dP/dl if(dP/dl

Js is is is

PB)and(AdP/dl
PB)and(AdP/dl

is
is is is is

PS)and(Aio
Z)and(&io
is is is

is

P)then(Alout

is

PS)

[7) (8) (9)

N)then(/',lout z)then(Alout

is
is

Z)
PS)

PB)and(AdP/dl PB)and(△dP/dl PB)and(△dP/dl

Z)and(Aio Z)and(△jo

P)then(Alout is PS)
is

【10)if(dP/dl

is

NS)and(Aio

N)then(Alout

is

NS)

[11)if(dP/dlisPB)and(△dP/dlisNS)and(AioisZ)then(AloutisZ) (12)if(dP/dl (13)if(dP/dl (14)if(dP/dl
is is
is

PB)and(△dP/dl PB)and(AdP/dl PB)and(△dP/dl

is

NS)and(Aio NB)and(Aio NB)and(△io

is
is is

P)then(/',lout N)then(/',lout
Z)then(Alout

is

PS) NS) Z)

is is

is
is

[15)if(dP/dJisPB)and(Adp,dlisNB)and(AioisP)then(△Ioutis Z)
(16)if(dP/dl is PS)and(AdP/dl
is

PB)and(△io

is

N)then(Alout

is

Z)

(17)if(dP/dl is PS)and(AdP/dI is PB)and(Aio is Z)then(Alout is PS)

(18/Jf(dP,dI

is

PS)and(/xdP/dl

is

PB)and(Aio

is

P)then(/Mout

is

PS)

【19/if(dP『dI is PS)and(AdP『dl is PS)and(△io is N)then(Alout is Z)

[20)if(dP/dl

is

PS)and(△dP/dl

is

PS)and(Aio

is

Z)then(Alout

is
is

Z) Z)

(21)if(dP/dl is PS)and(AdP/dl is PS)and(/',io is P)then(/xlout
1221

if(dP/dl is PS)and(AdP/dl is Z)and(ZMo

is

N)then(Alout

is

z)

(23)H(dP/dl is PS)and(AdP/dl is Z)and(△io is Z)then(△lout is Z)

(24]If(d跗I is PS)and(/',dP/dl is z)and(zXio is P)then(z土lout is Z)
(25)if(dP/dl
is

PS)and(AdPIdl PS)and(AdPIdl

is is

NS)and(Aio NS)and(Aio

is

N)then(/Mout is NS) z)then(Alout
is

【26)if(dP/dl

is

is

z)

第三章

太辩电涎攘堑及曩夫功率点跟踪方法

51

f27)iffdl='/dlisPS)andf△dP/d!isNS)andf△tois p)then(△loutis刁
f 28)if《dP/dl is

PS)and≤△d踟l转NB)and《△io is N》then(△lout is NB》
PS)and(ZXdP/dl PS)and(△dP,dI
js is

f29)if(dP/dl (30)if(dP/dl

is
is

NB)and(△lo NB)and(△iq
is
is

is
is

Z)then(△lout is NS》 P)then(/klout
is is is is

Z)

f 31}if(dP/d!is (32j

z)and(/',dPtd!is PB)and(△io
is

N)then(,△lout z》then(&tout P)then《£xlout

NS) z) PS)

if栖P/d!is Z》and(ZXdP/dl
if

PB》and(ZXio

(331

fdPld!is劾and《&dPlcl|{s pB)and《△;o
is

is

(34)if(dPId|is z)and(△dPfdl (35】if(dPtdl
is

PS)and(△Io PS)arid(/',io PS】and(△io
is

is

N)then(△lout惜Z) is刁
is

z)and(ZXdPIdl

is
is

is z)then(Z∑lout is

(36)if(dP/dl is Z)and(/',dPIdl
{371

P)then(△lout

z)

if《dP/dl

is
is is is

z)and《z∑dPldl is粉and f△io
Z)and(AdP/dl Z)and(AdP/dl Z)and(AdP/dl
is is is

N》then{&lout z)then《/',lout P)then(&lout
is

is is is

z) z》 Z)
is

(38)if(dPldl (39)if(dP/dl

Z)and《,A,io Z)and(ZXio

is
is

(40)if(dP/dl

NS)and(△io

N)then(△lout

Z)

(41)if(dPldlisZ)and(△dP矧isNS)and(△,ois Z)then(Z、loutis z)
(42 3

if(dPldl is z)and《AdPtdl is NS)and{△沁is秘then(Z∑tout is z》

(43)if(dF'/dlisZ)and(,",dPldlisNB)and(/',iois N)then《△loutisPS)
e44)if(dP/dl 【45)if(dP/dl
is is

z)and《△dl:'/dl Z)and(Z∑dP/dl

is is

NB)and(△io NB)and(△io

is

Z)then(z▲lout P)then(z气lout

is

Z) NS)

is

is

(48)矾dP/dl is NS)a州(AdPtdl

is Pt3)and《△lo is N)then(z∑lout is NS)
is

(47}if翟P/d!{s NS)and(£xcIPtd!}s PB)and《f',io is鹚then(z生lout
(48}if《dP/dl
(49 j
is

z)
z)
NS)

NS)and(f\dP/dl

is

PB》and《△{o

is

P)then(&lout

is
is is is

if(dP/d[is NS)and(AdP/dl iS PS)and(△io is N)then(ZMout
is is is

(50]if(dP/dl

NS)and(AdPIdl

is

PS)and(△io

is

Z)then(/klout

Z) z)

(51)if(dPldl
f52j (531

NS)and(,",dP/dl is PS)and(△io is P)then(&lout

if瓣P/dl

NS)and《AdP/dl

is

z)and《/',io

is is

N)then(ZXlout is z》 Z)then(z%lout
is

if(dP/dl is NS)and(AdP/dl is Z)and(△lo

PS》

[54)if(dPIdl is NS)and(AdP/dl is Z)and(/',io is P)then(z▲lout is PS)
1551

if(dP/di

is

NS)and(AdP/dl

is

NS)and(Aio

is

N)then(&lout is z)

l弱)祷I群々d{诲NS)and{△d聊瞒{81,tS)and{氛轴诲萄讯晡t厶潮蕊协勘

52

合肥工业大学博士学位论文

(571”(dPfdl

is

NS)and(△dPfdl

is

NS)and(Aio

is

P)then(/',lout

is

PS)

(5 8]if(dP/dl is NS)and(AdP/dl is NB)and(Aio is N)then(/',lout is Z)

(59)if(dP/dl

is is is is

NS)and(Z∑dP/dl NS)and(AdP,dI NB)and(AdP/dl NB)and(AdP/dl NB)and(AdP/dl NB)and(/kdP/dl NB)and(Z∑dP/dl NB)and(/',dP,dl NB)and(ZXdP/dl NB)and(AdP/dl NB)and(/',dP/dl NB)and(/\dPIdl NB)and(Z∑dP/dl

is is is is

NB)and(/',io

is is is is

Z)then(&lout is PS)

(60】if(dP/dl [61)if(dP/dl (62)if(dP/dl (63)if(dP/dl (64)if(dP/dl (65)if(dP/dl
(66)if(dP/dl

NB)and(/kio PB)and(/kio PB)and(Aio PB)and(/',io PS)and(Aio PS)and(Zxio PS)and(/kio Z)and(Aio Z)and(ZXio Z)and(△io
is

P)then(£xlout N)then(/Mout

is is

PS)

NB)

Z)then(ZXlout is NS) P)thon(Alout N)then(&.10ut
is z) is NS)

is is
is is

is
Is js is is

is
is is

Z)then(/',lout is Z)

is P)then(Alout is Z)

(67)if(dP/dl [68)if(dP/dl (69)if(dP/dl (70)if(dP/dl
(71)if(dP,dI [72)if(dP/dl

is is
is

N)then(△lout

is

Z)

is
Is

is
is

Z)then(△lout P)then(△lout
is
is

is PS) is PS)
is is

is
is is

is
is

NS)and(△io NS)and(ZXio

N)then(/klout Z)then(Z∑lout P)thon(Alout N)then(ZXlout Z)then(ZXlout P)then(ZXlout

Z) PS)

NB)and(△dP/dI.8 NS)and(Aio NB)and(ZXdP/dl NB)and(AdP/dl NB)and(AdP/dl
is is is

is is is
is

is is
is is

PS) Z) PS)
PB)

(73】|f(dP/dl (74)if(dP/dl
(75)if(dP/dl

is
Js is

NB)and(zxio NB)and(△io NB)and(Aio

第霾章软佟镬辅环靛磺究及其在舞弼避变嚣串麴痊甥



第四章软件锁相环的研究及其在并网逆变器中的应用
簌必仗势阙发电系统中,淹了僳诞劳羁嗽溅帮壤阏壤医严壤羁攘、圈辎(廷鸯在功率调 节器中出于无功功率补偿的需要,才可控地实现一定的相位差),必须使用锁相环(PLL一一
Phase—Locked Loop)技术。PLL魏蜜现可班采用多种方案。本文按照光伏并网发嘏的要求。

对PLL的具体实珧,特别是基予DSP的软传PLL(SPLL)的其体实现进行了研究.黄先建 立了PLL的数学模型,继而以此为基础分析了它在备种工作状态下的控制性能及控制方法, 最爱遽过具体鹣软{牟骞熬实现了PLL。

§4+1锁稻环技术的发麓和应用
锁相环(PLL)是指能够自动追踩输入信号频率与相位的闭环控制系统。基于1932年 出DeBellescize斯捷出躲圈步捡渡蘧论,靛本人率先发表了对镁褶环概念豹摇述,毽莠来

日I起凿遍重视。壹楚1947年,锁相环才第一次被应用于电视接收机水平和獯直扫描的嚼步
技术。由于技术相对复杂及成本较高,当时盎要应用于太空领域。七十年代,髓著半导体及

楣关电路技术的发攫,逐灏出瑗了多孝孛攀片镶甥拜蕊篾,运灏降低了成本,必锁掇技术的进
步和发展提供了条件。 蘸著数字技术豹发袋,出瑰多种鼗字式PLL,弱翦高纂戒度的PLL瞧已程电瓿转速控制、 电网频率调攘、电力系统自动化、雷达技术、较为复杂的家用电器及其它一蹙高技沭领域中 得到广泛的斑用,在光伏并网发电系统中它嗣样具有十分重要的作用。

§4.2锁相环的工作原理及其数学模型
早期的PLL悬由一系列分立元件集合的模块。它实现多路信号相位移频率的相互跟踪。

简单蛾说,PLL是一个闭环反馈控制系统,守能使输出榴位和参考相位之间的相差减小到煨

夺。炎墼弱P注摹本缝稳掘强毒-{蹶添,它囊鉴撼器(P豁>,筇鼹澹渡器(tF)耧燕控强荡
器(VCO)组成㈨。当环路锁逝时,输出信号)(o的频率k和输入信号XI的频率《相等。

嘲4.1

PLL基本缝构图

其中鉴相器(PD)是一个信号乘法器。用来检测输入信号Xi和输出信号xo的相位麓,

环踌滤波器(阵)璃来捧翻PD输出驰嗓声和高频僖号部分,输密壹溅控铡信号绘嚣控撵荡
器(VCO)并赖以控制频率的糕低.当PLL稳定工作时t有以下等式成立:

皇L————————————一鱼!!三些查堂苎主堂堡堡奎
V。=Kd(只一Oo)
n:旦二墨


(4-1)



(4-2)

式(4—1)中oI、0 o分别为K、‰的相位,u.、u。分别为Xi:X。的角速度,满足积分
关系如一F:

只一眈=f(wf—wo)dt+K

(w=2矿)(4-3)

当PLL处于锁定状态时,PD呈线性, LF的输出电压正比于相位误差,滤去相位误差电 压u。后,PLL的数学模型如图4.2所示, 图中oi和o 0为输入、输出频率。

图4-2

PLL数学模型

图中F(s)为LF的传递函数。环路类型由传递函数中纯积分S项的次数决定。PLL至少 为l阶系统,因为VCO中固有一个纯积分s。如果LF含有一个纯积分,则PLL环路将是 II阶系统。由高增益有源滤波器组成的PLL可近似为一个JI阶系统,而采用无源滤波器则可 近似为I阶系统。 对常用无源滤波器,PLL闭环传递函数为:

对常用有源滤波器,有:

F∽2鬲鑫鬻‰
∥∽2瓦麓爱卷丽
J’+Z[:w乙s+w:

(44)

(4-5)

为便于分析,可将(4-4)、(4.5)写成:

∥∽=鼍《黔
Ⅳ-o):—0丝!±堡:
s‘+29'w.s+叫

(4—6)

(4-7)

式中,f为阻尼比,“0为无阻尼振荡频率。
由数学模型可见锁相环实质上是一个反馈控制系统,它与常规控制系统不同之处在于: 常规控制系统采集的是经传感器转换或直接从系统采集的电压或电流信号,而PLL采集的则 是相位信号?作者基于这种理解发展了以DSP为基础的软件锁相环(SPLL一一SoftPLL)。

第四章软件锁相环的研究及其在井弼逆变器中的应用



§4.3
4.3.1

软件锁相环的基本原理
模拟锁相环(APLL)、数字镇相环(DPLL)、混合锁相环(HPLL)及软件锁相环
(SPLLJ

大规模集成电路及微处理机的广泛应用,使得通信领域一些复杂的、灵敏的信号处理方 法能在数字领域付诸实施”’71。人们在发展模拟锁相环(APLL一--Anolog PLL)的同时, 致力于发展数字锁相环(DPLL一一DigItat PLL),但现有大多数锁相环方案是由模拟和数字 电路混合构成的,发展的趋势是把相位鉴定器、预定标器、可编程计数器,压控振荡器集于 一个单片IC以组成新一代的混合锁相环(HPLL一一Hybrid PLL)模块。 APLL、DPLL、HPLL都是以硬件方式实现锁相功能的,有着较为复杂的硬件电路,还 遇及~些硬件难以克服的难题,如直流零点漂移、器件饱和、必须初始校准等。基于以上原 因,软件锁相技术(SPLL)作为一种较新的研究课题越来越受到重视。过去由于受微机运行 速度的限制,软件锁相的上限工作频率较低(一般只能在lkHz左右),不能满足工程实践的 需要,但是8PLL的灵活性一直令广大研发人员生羡,随着微处理器速度的不断提高,SPLL 的实现成为可能。本文采用目前方兴未艾的电机控制专用数字信号处理器(DSP) TM¥320F240(下称F240),依靠其强大的运算功能,ns级的运算速度,实现了光伏并网专
用SPLL。

4.3.2

SPLL原理

SPLL的基本组成如图4—3所示,输入信号是经过整形的1HrL电平信号。鉴相软件可以 识别出软件计数器输出的取样信号相位与输入信号相位之间的相位差;环路滤波软件控制着 环路相位校正的速度与精度;PCC为可编程控制计数器,也可将其称为本地受控定时器。其 计数周期受环路滤波软件的控制。

图4.3软件锁相环SPLL的一般组成 由于周期(或频率)与相位之间满足简单的积分关系13】,而周期(或频率)的检测在技术上较 相位检测方便,因此在实际系统中往往取周期(或频率)为独立变量。

4.3.3

F240芯片的事件管理器模块(EV)和捕获单元“。

F240芯片的捕获单元可以记录捕获输入引脚上的电平转换。1、2、3、4四个捕获单元

都有一个相应的捕获输入引脚.每个捕获单元均可选择GP定时器2或3作为其时间基准.

台肥工业大学博士学位论文

当在捕获输入引脚CAPx上检测到一个设定的转换时。GP定时器2或3的值被捕获并存储 在相应的2级深度FIFO堆栈中。用户可自定义转换检测(上升沿,下降沿或两者均检测), 捕获操作不影响与任何GP定时器对应的任何GP定时器操作。从一个捕获输入的转换发生 到选定GP定时器的计数器值被锁入的延迟为3.5~4.5个CPU时钟周期。

4.3.4并网逆变器锁相原理

根据电流型并网逆变器原理。为使并网系统的有功功率输出达到最大,必须控制输出电 流的频率和相位与电网电压严格同步。 锁相环的实质就是以T『er和Ti。两个值作为参考输入和反馈输入,通过“锁相调节器” 使输出到TPR中的值与参考输入Trer保持一致。其原理框图如图4-4所示。

图4.4光伏并网发电系统软件锁相环原理框图 软件锁相的具体实现由输入信号硬件采样和锁相软件配合实现。锁相环的输入信号为电 网电压采样后通过硬件电路整形成的与其同步的TTL方波信号。将该方波信号送入F240的 CAPl引脚。F240内部软件为CAPl口分配一个计数时基,同时设定该时基为递增计数模 式.只捕捉TTL信号的上升沿,这样每个电网电压周期都会在00相位处使得F240产生一次 CAP中断。软件设定每次CAP中断时复位计数器为0重新计数,这样CAP中断检测出了
电网电压周期值和相位。

在F240中依靠EV(Event Manager)模块,通过软件设定SPWM载波周期寄存器TPR

的产生SPWM信号驱动功率器件输出并网电流,SPWM信号的周期和输出并网电流的周期
相等。由于SPWM信号由F240内部软件产生,所以F240明确了解并网电流的周期和相位, 这样软件锁相环中的反馈采样信号根本不需要任何硬件电路,在软件中直接调用即可。 这样在1=240的运行的鉴相程序中,明确获得了参考输入信号1k(电网电压周期)和反 馈采样信号Ti。(并网电流周期).即Trer和Th分别为锁相环的参考输入和反馈输入。 环路滤波程序即软件锁相算法,实现Ti。对T州的跟踪功能。环路滤波程序实时改变F240 中SPWM载波周期寄存器TPR的值,可以实现输出并网电流的相位实时跟踪电网电压相位 变化,从而达到相位跟踪的目的.在并网系统中.根据F240的EV模块产生SPWM波的原 理,EV模块及逆变器环节可理解为模拟锁相环中的压控振荡器。上述锁相过程可用流程图
表示如下:

图4-5井网软件锁相环程序流程



墨坚塞竺堡堡塑墅箜塑塞墨茎垄茎塑垄壅壁±塑鏖旦

!!

对于软件锁相环SPLL来说,CPU的运行频率对于锁相环的锁相精度具有决定性的影响. 分析如下:在F240中SPWM波产生时,用户可以自由定义SPWM波的载波频率,在实际 的系统中,设定载波频率为7.5KHz,即载波周期TPR为133.33p s。由于F240为数字系 统,所以TPR的最小调整幅度为一个时钟周期.当CPU时钟频率为20MHz时。TPR每增 加(或减小)1个单位,并两逆变器对应输出电流的周期将增加(或减小)7.5u s(150
x x



101 s=7.5p s),折合电角度为0.135’,误差仅为0.0375%.此即为该系统中SPLL

可能达到的最小相差。同理当CPU时钟频率为40MHz(此为F240的最高频率),SPLL 可能达到的最小相差为3.75 u s.可见,选择高速的CPU对于SPLL的精度具有重要影响。

§4.4

软件锁相环中各种环路滤波程序算法实现

研究实践表明,锁楣过程的超调量与锁相速度之间存在着矛盾,必须选择合适的算法, 它必须保证并网逆变器工作频率的稳定,又必须保证锁相过程的快速性。算法一实现了最小 超调量,但锁相速度却较慢,算法二实现了快速响应,但超调量过大(有时甚至达100%)。 算法三是二者的兼顾和综合,实践证明,这种算法具有比较合适的超调量和锁相速度.符合 工程实践稳定运行的要求。以下简述本文工作的几种算法及其结果。

1.算法一:逐次逼近算法

该算法的指导思想是:若误差(e=Tref-T.。)小于零,使TPR长度减1:反之。若误差 大于零,使TPR长度加1:如此反复调整后控制误差在一个极小的范围内来回摆动。该算法 的实质就是通过反复调整TPR,且每次调整量为1个计数长度,来使T1.渐次逼近TⅢ,它 实际上是一个以软件实现的简单比例调节系统。这种算法的缺点是锁相时间相对较长。举例 说,调整并网电流从50Hz变化为51Hz,需要的调整时间为52个中断周期,但其优点是超
调量为零。

2.算法二:最优时间PLL

图4-6示出了最优时间法的锁相过程。图(a)(b)分别表示输入和输出信号,图(c)表示调 节增量。当(a)的周期在t=tO时从T1变化到T2,(在PLL中一般都选择周期而不是频率 作为变量进行分析),Cb)跟踪(a).但Cb)对变化的响应有一个周期的误差,因为只有到 下一个中断t=tl时,PLL才能侦测出这个误差,按照最快跟踪的原则.在下一个中断t=t2 时PLL才补偿这个误差增量。

合肥工业大学博士学位论文

#式0忙t1

t=-t3

t=t4

(a)输入信号
。T1. .T2


T2

T2

(b)输出信号

图4坩最优时间PLL算法示意图 相应于图4—6的PLL锁相过程.其开环离散传递函数如下式所示:

㈤=兰

㈤8)

这种锁相调节器对输入信号的跟踪仅需2个中断周期,但实验及仿真结果表明,其超调 量达到了几乎100%,这将导致并网逆变器输出波形的剧烈震荡,可能会导致严重后果,因 此实际并网系统中不宣采用。显然,光伏并网发电的实践需要一个比较执中的PLL方案。

3.算法三:有限脉冲响应(FIR--Finite
V=t0

Impulse Response)PLL

t-=-t1

t'=-t3

辟t4

(a)输入信号

(b)输出信号

(c)鉴相器输出0

(d糯出愚期0





T1

(3T2.T1),2

T2

图4-7有限脉冲响应PLL算法示意图

——.至婴兰墼生墼塑至竺塑塞墨茎壅茎旦望奎墨±些查旦

!!

最优时间PLL表现出的超调量过大是由于追求最快响应造成的,从传递函数看.其中 没有积分环节,调整周期内超调量始终等于相位变化的幅值。可以预见,在传递函数中加入 积分环节后,可望减小超调量但响应速度会变慢。图4_7给出了这种分析的算法。图4.7(a) 给定的输入信号与图4-6(a)相同,图4—7(b)的输出信号在t=t3时实现了同步,锁相时 间为3个中断周期。 图4-7(d)是PLL最终输出的信号波形,在并网逆变系统中它就是电网电流波形,是 针对图(c)经补偿调整量后得出的。 记t=tl时刻为脉冲传递的起始,有:

喝硼一孕z-l
按中断周期序列得出图(d)的周期变化,有

(4.9)

孚也竿一掣小学小和一
写成脉冲序列的形式:

=竿,o,一半,o,…(4-10)
!堡二五2一至二五,一:


(4—11)





如亦似将式㈣(4-~11)兰兰』黑萝乘以积分传递函数
期变化过程.得开环脉冲传递函数:

耳1

以平滑图(d)所示之周

1—2

G(z、:


!!:=!
z(2z+1)(z—1)

(4—12)

处理说明:


如果系统对稳定性要求较高,可适当牺牲锁相速度,并可按与第三类算法类似的方法设 计具有4个或更多锁相周期的算法。作为实例,本文以下给出具有4个锁相周期的PLL
开环传递函数如下:

z。一4

(4。13)

(3—2z。+z一2)(1一Z-I)


对应PLL的数学模型(4-6)、(4—7),锁相调节器的设计可以简化为选择合适的的f和¨
以协调响应速度和调节时间之间的矛盾。

塑。

一一一

全!!三些奎堂堡圭堂垒笙奎

§4.5

基于F240芯片的软件锁相环

4.5.1电网电压信号采集电路 在进行并网变流和电网电压同步的过程中,F240需要采集电网电压信号的相位。由于 F240芯片只能采集"I-I'L信号,所以需要硬件电路辅助实现将电网正弦波电压信号转换成5V 脉冲信号,该脉冲信号和正弦波电压信号具有相同的过零点,即在正弦信号的过零点,产生 脉冲跃变。本文采用的相应硬件电路和实验波形如图4-8、4-9所示:

图4-8

电网正弦波电压转换成兀L脉冲信号的硬件电路

图4-8中TRANSl联结至屯网以采集AC220V电压信号,TRANSI为匝比约500:1 的变压器,采集后的电网电压经过信号的放大,至R33分成两路,一路和一2.5V基准电压叠 加.另一路反相后送至U3D,U3D的13脚的输出信号为与电网电压过零点对应、周期一致 的方波信号CAPl。CAPl信号送至F240的捕获引脚。图4.9为通过变压器采集的电网电 压波形和转换成的TTL脉冲信号波形。

160mV 600mV 40.0ms 20.0ms

Chl:电网电压(变压器采集)

Ch2:TTL脉冲信号

第四章软件锁相环的研究及其在并网逆变器中的应用

61

4.5.2具体软件同步算法分析

本文软件同步算法的基本思想是:电网电压的频率变化范围一般在49H卜5仆1z之间
事先可以设定并网电流的频率为50HZ。SPWM载波频率为7.5KHz,改变该载波频率将导 致并网输出电流频率的改变,所以不断调整SPWM载波频率(即调整SPMMM波载波周期寄 存器TPR的值)可以实现输出电流频率和电网电压频率一致。

该控制过程是依赖两个中断完成的:其一是SPWM载波周期定时器中断,另一是捕获
中断。前者不断地从一个正弦数据表格中依次循环读出表格数据,每次中断读出一个表格数

据D1,而在后者的每次捕获中断中检查当前由SPWM载波周期定时器中断读出的表格数据
所对应的电角度,本文按如下条件设定:


第一次捕获中断产生时,启动SPWM载波周期定时器中断,并且从正弦表格的第一个 数据,即零电角度的数据DATA开始读取。



捕获中断仅响应上升沿触发,即只在电网电压由负变正的过零点产生中断。

在第二次捕获中断产生时(J点),可能出现以下三种情况。如图4.10所示。


0 5



.0 5

厂\硪/- j躞j\肜-
表4.1

捕获中断服务子程序中的同步判断和动作流程 捕获中断服务程序开始

D1《DATA D3≥D4 D3《D4 D3≥枯10H

D1≥DATA

D3嫦10H
READY+I

D3≥D4

D3<D4

READY,同时判断READY是否

大于8,以决定是否输出SPWM波。
TPR.1 _.TPR

D1=D2

01≠D2 D1=DAl_A
D1≯DA_rA

返回

TPR+1

一TPR

返回

返回

TPR+1—,TPR

TPR-1一TPR

返回

返回

返回

返回

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捕获中断服务子程序中的同步判断和动作流程如表4-1所示。表中所列参数说明如下:
T:

电网电压的周期值,考虑到我国电网实情,该值一般在20ms左右。由此,可根据两次 捕获中断的时间间隔来排除“毛刺信号”产生的捕获中断.时间计时由定时器T2完成:

D1:本次捕获中断中SPWM载波定时器T1的周期定时中断所读出的正弦表格数据: D2=上次捕获中断中SPWM载波定时器T1的周期定时中断所读出的正弦表格数据;
DATA:
D3: D4:

正弦表格中的第1个数据,对应的电角度为0度: 本次捕获中断中DATA与D1的差值; 上次捕获中断中DATA与D1的差值:

READY=进入同步的记数器,记录D3小于某设定值的次数。本文设定该值为8:
TPR=

SPWM载波定时器的周期值。

关于表4—1的两点说明:


如果D3<16(对应于正弦表格0。的数据).则认为进入同步,同步计数器开始计数, 当连续CAPCOUNT次进入同步,则认为已经实现和电网电压同步,此时只要按照正弦 表格中固定角度的数据输出SPWM调制波.即可获得和电网电压同频同相的电流信号。 其中CAPCOUNT可以根据需要进行设定,本文设定为8次。该参数的主要作用是增强 SPLL的抗干扰能力。 当D1≠D2时,对TPR进行强迫调整,迫使D1的数据在第150个和第1个(即DA-rA) 正弦表格间不停变换以减小了调节量,增强稳定性。



本文基于F240的捕获中断服务予程序中的流程图如图4—11和图4.12所示。

第四章软件锁相环的研究及其在并网逆变器中的应用

63

图4.11捕捉中断服务子程序流程图

合肥工业大学博士学位论文

≮#I”◇
READT+I一Ⅺ岫7SLDW
捐同步标志寄存嚣O_.乳呻2





蜀;r’“



n定时嚣周期TIPR+I-.TIPR

K》 t,㈣TIPR+I一?,m


—芝>如 。9
Dl—D乞D3’.D4


Tl定时嚣周期的范围隈制



J l恢复状态寄存嚣,开中断l

—_1

T1定时罄周期TIPR-I--T1m





中断堪囵

图4—12捕捉中断服务子程序流程图续

4.5.3

实验结果

图4—13所示为电网电压波形和系统输出的电流波形。由图可以看出,本文方案具有较 好的效果,由安装于合肥工业大学科技楼顶和安装于北京大兴的光伏并网电站运行实践表 明,效果是令人满意的。

————————————羔竖兰塾堡塑塑墅塑塑塞墨茎垄苎塑望壅墨±盟壁旦

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△:

160mV @:600mY △.:40.Oms o: 20.Oms

r≮oi砖≮o。。二j:∥

,、_、三-.,黔。二.。.∥
朋.v。.。。。:。。
图4.13
、 1?50

V{:::晏s;ooo

系统输出的电流波形和电网电压波形图

Chl-输出电流波形Ch2-电网电压波形(变压器采集)

§4.6本章小结

为了保证并网电流和电网电压严格同频、同相(只有在功率调节器中出于无功功率补 偿的需要,才可控地实现一定的相位差),必须使用锁相环PLL技术。锁相环(PLL) 是指能够自动追踪输入信号频率与相位的闭环控制系统,其给定参考信号和输出反馈
信号是相位差。
(2】

PLL的实现可以采用多种方案,包括模拟锁相环(APLL)、数字锁相环(DPLL)、 混合锁相环(HPLL)及软件锁相环(sPLL)。

(3)

本文在实际的光伏并网系统中采用基于DSP芯片F240的软件方案实现PLL。即采用 软件锁相环(SPLL)。硬件电路包括使用整形电路将电网电压整形为同频同相的方波, 将方波的上升沿输入至F240的CAPl引脚以产生CAP中断。在F240的CAP中断服 务程序中,通过读入当前的SPWM表格位置来判断并网电流和电网电压的相位差, 再进一步调整TPR以消除相差.只有并网电流和电网电压的相位连续八次一致,CAP 中断服务程序才允许SPWM输出。

(4)

使用基于F240的SPLL方案,取得了良好的实际使用效果。

合肥工业大学博士学位论文

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无功功率补偿和谐波抑制

第五章

无功功率补偿和谐波抑制

通过第四章分析表明,在光伏并网系统中使用软件锁相环SPLL可以方便地进行软件设 定来调整并网电流和电网电压之间的相位差,这意味着可以通过光伏并网系统在向电网注入 有功功率的同时向电网注入无功功率,实现对电网的无功补偿。从谐波理论和既有的实践看, 只要通过软件设定可以实时调整并网电流的瞬时值,从而迅速改变并网电流的瞬时波形以实 现对电网的谐波对抗。这样,光伏并网发电系统从原理上说,既可用于向电网提供有功功率. 也可进行无功补偿、用作抑制谐波的有源电力滤波器(APF--一Active
解。
Power

Filter)等,

这是太阳能规模进入大电网的重要技术支撑。本章报告本文作者在本领域的工作成果和见

§5.1

无功功率补偿的含义及重要意义

在负载电流和电压中含有谐波时,按照目前公认的无功功率Q的定义应该是
Q 2Q1+Q2+Q3+… =∑Qk=∑UklkS Jn咖k

(5-1)

无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿11:。按照等值正弦波的 概念,功率因数x的定义为:

A=苦=Vi]l cos妒l一=粤cos妒l=vcos?pl
‘)

U』

(5.2)



,/

式(5—2)中,P为有功功率,s为视在功率,V=。%,即基波电流有效值和总电流有效值的
比,称为基波因数,而称coscpl为位移因数或基波功率因数。可以看出,这里的基波功率因 数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数决定的。总电流也可以看成由三个分量,即基 波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。 一般说,电网都带有大量感性负荷,如果输电线路较长,输电线路本身的分布电感将形 成可观的等效感性负荷,这些因素来往往严重降低电网的输电效率,它使电网,特别是电网 末梢的电压严重跌落,而且高低飘忽不定,甚至有时会损坏用电设备。目前大多数电力系统 及用户已经采取了一系列现代的技术措施在相当程度上补充了超前无功,它明显地:
夺 夺

提高了电力系统及负载的功率因数,减少了无谓的功率损耗; 稳定了电网受电端的电压,提高了供电质量和输电能力:

除对电网进行无源无功补偿外,目前电力系统已经在电网的合理地引入了相当数量的有 源超前无功补偿及谐波对抗设施,这又在很大程度上增强了电力系统提高供电质量的手段。 利用近若千年来迅速发展起来的电力电子及光伏并网系统技术可以做到在为电网注入绿色 电能的同时,将其延伸到用以向电网提供绿色无功补偿及谐波对抗,积累到一定份额后必将 会大大有益于提高整个电力系统的绿色性、可靠性及稳定性。因此本课题是当前许多发达国 家研究的重点,它具有明显的现实意义和较大的前瞻性意义。

合肥工业大学博士学位论文

§5.2谐波污染和谐波抑制
在公用电力系统中,近年来由于功率半导体器件的大量应用,使电力系统受到很大的污 染,尤其是在电力系统中运行的各种变流设备易产生大量谐波,是电力系统最大的污染源之 一,它影响到电力供应的品质,对连接在系统中其他的精密设备产生不良影响或者增加变压 器、旋转电机及电力线等设备的功率损失,甚至引起保护设备的误动作,而造成很大的损失, 甚至干扰到通讯系统及电脑系统的正常运作。随著工业用电的日益增加。谐波污染益加严重, 所以谐波问题的研究也就更趋重要与迫切。为了消除这些谐波.过去通常采用电容电感所组 成的被动式滤波器,但被动式滤波器有下列的缺点: (1) 每一组由电容电感器所组成的被动式滤波器,只能针对某一级谐波而设计:换言之,只 能消除该级谐波; (2) 针对某级谐波而设计的被动式滤波器,若负载电流谐波频率含有很多级数时,就必须设 计多组的被动式滤波器,这并不是一种很经济的做法;
(3)

被动式滤波器的体积与重量都很大,要占用较大空间; 无法同时达到改善功率因数的效果,再者如果系统架构改变或扩充时,原先的设计便不 再适合新系统;

(4)

(5)
(6) (7)

电源阻抗会严重影响其滤波特性; 一个低电阻的回路可能会造成额外的电流谐波产生; 可能会造成线路阻抗与被动式滤波器形成串联或并联共振,产生额外的谐波源或滤波电
流。

基于上述各项缺点,使用被动式滤波器来消除谐波,已非很好的解决方法。目前更多 的是使用可进行实时谐波补偿的有源滤波器”。。 由于有源电力滤波器的容量取决于其承受的电压和流过的电流。注入电路方式正是用电 感和电容构成注入回路,利用电感电容电路的谐振特性,使得有源电力滤波器只需承受很小 部分的基波电压,从而极大地减小有源电力滤波器的容量。 有源电力滤波器是一种可动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。其基本原理是 从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补 偿电流,从而使电网电流只含基波分量。其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功 补偿方法的缺点.能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的 影响,因而受到广泛的重视。目前使用的有源电力滤波装置主要为电压并联型。

§5.3并联型有源滤波器的工作原理
图5.1“。5所示为基本的并联型有源滤波器系统构成的原理图。图中,AC表示交流电 源,负载为谐波源,它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成,即指令 电流运算模块和补偿电流发生模块(由电流跟踪控制模块、驱动模块和主电路三个部分构 成)。其中。指令电流运算模块的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功功率等电流分

量。因此有时也称的为谐波和无功电流检测模块。补偿电流发生模块的作用是根据指令电流

蔓墨兰

墨塑鲨奎±!些塑鲨整塑型



运算援块德惑懿替偿夔滚懿指令信号,产生窦际瓣{}髅毫流。寰龟臻弱蓠均采蹋PWM交流
器。

瀚5—1掰示有源电力滤波器的基本工作原理趋:检测电源电流is和负载电流“经指令 电流运算模块计算得出补偿电流的摆令信号ic",该继号绞}}偿鼯浅发生摸块放大,缛出矜接 电流,补偿电流与负载中器补偿的谐波及无功等电流抵消。最终得到期望的电源电流。

圈5—1

可能的有源电力滤波器的结构框图

翱妇,强震要於偿爱戴象产生匏谐波电流鞋,毒澡电力滤波器检测出於德对象电流负载 电流iL的谐波分量i LhI将萁反极性后作为补偿电流的指令信号由补偿电流发生模块产生的补

偿电流ic.由补偿电漉发垒模块产生的补偿电流ic邵与负载电流中的谐波分量iLh大小相等、
方向棚反,因而两者相互抵消,使得魄源电溅is中只含基波,不舍谴波。这撵,裁达到了搀 制电源电流中谐波的目的。 鳃票要求舂滁建力滤渡器在於镶谐波静弱酵,於偿负载豹笼功功率,鄹只要程{}偿电流 的指令信号ic。中增加与负载电流iL的基波无功分量反极性的成分即可。这样,补偿电流与负 载电流.L中的谐波及无功成分相抵消,电源电流is等于负载电流iL的基波有功分鬣。

窭5-2势驳型毒源电力滤波嚣控剿系统控掰滤穗疆

台肥工业大学博士学位论文

圈5-2中,Gl(s)是指令电流运算的传递函数。当有源电力滤波器只补偿谐波时,它将输 入电流中的基波分量完全除去,而对于输入电流中的谐波分量,其放大倍数为.1。GA(s)是补 偿电流发生器的传递函数,可以看作一个时间常数很小的一阶惯性环节。 在这种控制方式中,指令电流信号主要来自负载电流,在其作用下。可对负载中的谐波 电流进行较好的补偿。而电源电流及校芷环节G(s)的作用主要是抑制HPF和电网阻抗之 间的谐振。因电源电流闭环并不承担补偿谐波电流的主要任务,所以G(s)的放大倍数不必很 大,这可以使系统具有较好的稳定性. 由图5—2可以得到系统的闭环传递函数,如下式所示“’.
b2s2+6ls2+bo
G c|ose=

~—生.!!!:±!!!±!!
L,j+1占3+盯2J2+口ls+ao
Ts+1
s3+a2s2+口Is+ao

鱼:刍垦。
1+GzG』G

J3+口2j2+qJ+口o

1+生.堕:±!!!±生,』堡
LFS+1

§5.4并联型有源电力滤波器的实现
以三相四线式并联型有源电力滤波器为例,其原理图如图5-3所示。图中定义了一些电 压电流符号及方向如下:Va、Vb、Vc为三相电源的相电压;isa、isb、isc、iso为三相及中

心线电源电流;iLa、iLb、iLC、iL0为三相及中心线负载电流:ica、icb、ice、ico为主动式电
力滤波器的三相及中心线补偿电流;Vdc为直流端电压。 主动式滤波器的目标在于针对任何波形的负载电流iLI、iLb、 iLc、iL0,动态地提供补偿

电流ica、icb、ice、ico,以使电源侧的电流isa、isb、isc成为纯正弦波波形。而使iso变 为零。同时进一步地补偿三相电源的无功分量,使此三相电源电流与电压同相位.获得单位
功率因数。

图5-3

三相四线式并联型有源电力滤波器原理图

第五章

无功功率补偿和谐波抑制

71

6.4.1常用的检测无功电流和谐波的方法

为了实时检测负载的无功功率和谐波分量,确定ica、icb、icc、ico的指令电流,有许 多方法。其中三相瞬时无功功率理论,在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应用。 目前有源电力滤波器中,基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多。 也可采用傅里叶分析的方法来检测谐波和无功电流””。这种方法根据采集到的一个电 源周期的电流值进行计算得到谐波和无功电流。缺点是需要~定时间的电流值,且需进行两 次变换,计算量大,需花费较多的计算时间。从而使得检测方法具有较长时间的延迟,检测 的结果实际上是较长时间前的谐波和无功电流,实时性不好。 以三相电路的瞬时无功功率理论为基础,补偿电流谐波的参考信号是将三相电压电流通

过转换矩阵m转成互相垂直的三相a.B或0一d.q座标系统,再将欲补偿的无功或谐波分量求
出,作为其欲补偿信号的指令电流ic’。该方法的实时性好,但常需要进行多次转换矩阵运算 处理,对微处理器的运算能力和运算速度有较高的要求,且在多次转换的过程中易造成许多 计算上的误差,影响其实际补偿效果。

5.4.2从能量角度出发的简易检测方法

有鉴于上述方法的缺点,可从能量的角度出发使用~种较为简便的补偿电流检测计算方 案”…。其基本原理叙述如下:从能量平衡观点来考虑,负载所消稀的平均功率由电源提供。 假设滤波器不消耗实功,只要测量出每相负载所消耗的平均功率便能计算出该相电源电流, 再将每一相电源的实际测量电源电流减去该相电源的计算电流,便可得出滤波器的每一相补 偿电流。由各相的平均功率平衡,可延伸至三相全部功率的总和平衡,如此不仅可消除备相 谐波电流且同时可以使得功率因数为一,更可达到平衡负载的作用,使三相电源输入电流为 正弦波且和电源同相,而峰值相同。

设三相电源电压为%=畋K6%J
三相负载电流为IL=0h f¨ fn J 三相电源电流为』s=p。。如f。J
则:Ps=Vs-J:,只=风?j;
要使三相负载所消耗总平均功率等于三相电源所提供的平均功率:
Ps=P,

(5—3) (5_4) (5—5) (5—6)

(5-7)

同时要使功率因数为1,故电源电流要和电源电压同相,在假设三相电压为平衡理想电压F, 可令Is=KVs。其中K为一常数。则有:

Ps=P,=Fs?(KVs)1
可解得

(5—8)

丘:曼 跆2 如:曼跆 Vs2

(5-9)

可得理想的电源电流Is为

(5—10)

三L—————————————一鱼!!三些查兰壁主堂垡笙壅
即可求得理想正确电源电流参考值。再将需进行补偿的负载谐波电流与此三相理想电源电流 Is相减,即可得到补偿电流参考值Ic。如式(5_11)所示:

‰赡2’4
Ic=IL—Is=

,一旦矿 ,一旦矿

(5—11)

‰珞2~

卜毒K
由以上的方式不仅可达谐波消除,且功率因数为1,更可作平衡负载的效果,使有源滤 波器的作用更完整?论文中采取三相总平均功率平衡模式来作为补偿电流指令信号的计算流
程图如图5-4所示。

图5-4补偿电流指令信号的计算流程图

具体举例说明如下,设三相平衡电压的电压波形为式(5—12),三相负载Loada、Loa曲、
Loadc不平衡且为感性负载。

器㈣



拙拙

(5-12)

采用MatLab的PowerSystem引ockset进行的仿真模块图和仿真结果如图5-5和图5。6 所示a通过仿真结果可以得出该补偿方案具有良好的效果。

——苎至兰垂垫垫奎!!堡塑堂垫塑型

!!

图5-5

三相四线系统有源滤波器仿真控制模型

图5-6

补偿前的电网交流电压Vsa和交流电流Isa波形

74

台BBZ-业大学博士学位论文

电嚼交流电压vsajI睃汽电流I,嫩形

图5-7

补偿后的电网交流电压Vsa和交流电流Isa波形

5.4.3

新方案的局限性

上述方案的成立条件是在假设三相电压为平衡理想电压的情况下,对于三相电压不对称 的电路gu--相电压不为正弦的波形分析比较复杂。在后续的课题中将继续对该问题进行研
究。

§5.5

国内发展光伏并网功率调节电站的广阔前景

使用光伏并网系统作为一种扩容方案~“光伏电站式功率调节系统”是目前世界范围
内刚刚萌芽的新技术,它特别适用于阳光资源比较丰富但又迫切需要扩容、无功补偿、谐波 抑制的地区。在该系统中,光伏并网系统作为有源电力滤波器(APF)来使用,对电网进行
各种补偿,主要包括:

夺只补偿谐波;
夺 夺 夺 夺 夺

只补偿无功功率,补偿的多少可以根据需要连续调节;
补偿二相不对称电流: 补偿供电点电压波动;

以上任意项的组合: 同时最大限度向电网提供有功功率。 在我国的边远及偏僻地区.有些区域及乡镇已架有380伏的简单小容量供电线路,但近

年来由于人口的增加及生产的发展,特别是家用电器的迅速增长,使原有的线路不堪负荷, 那里的电网和全国其它不少农村电网一样,显得过于虚弱。如果对那些地区的线路进行扩容 及改造,其费用也相当可观,特别是由于扩容的幅度并不大.就需要对改造的投资方案及其 经济性、先进性作出认真的评估。 澳大利亚“西澳电力公司”和位于佩斯的科廷工业大学已率先在这一领域内作出了可喜 的探索性工作,其效果显著并正受

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