摘要：能源和環(huán)境問題已經(jīng)是當(dāng)今社會(huì)人類發(fā)展所要面對(duì)的兩個(gè)重大挑戰(zhàn)，單純依靠“節(jié)能減排”已經(jīng)不可能解決能源短缺和環(huán)境問題。太陽能這種可再生能源，對(duì)能源戰(zhàn)略有相當(dāng)重大意義，吸引了諸多國(guó)家的關(guān)注。兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)作為發(fā)電的重要供電形式，今后一定會(huì)推廣的很廣泛。本文以兩級(jí)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究目標(biāo)，進(jìn)行仿真與設(shè)計(jì)。

分析了光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型和常用的最大功率跟蹤（MPPT）控制手段，提出了非對(duì)稱模糊控制法以及雙模式控制法，建立了光伏電池和不同MPPT控制方法Matlab/Simulink 仿真模型，并仿真研究了光伏電池的輸出特性。分析比較了兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路，確定了前級(jí)Boost 升壓電路、后級(jí)單相全橋逆變電路結(jié)構(gòu)以及二級(jí)功率變換整體控制方案，并進(jìn)行了主電路參數(shù)選擇計(jì)算。并網(wǎng)逆變器采用電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙閉環(huán) PI控制，給出了控制系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算的詳細(xì)過程。分析和設(shè)計(jì)了基于 DSP 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件方案，給出了部分硬件電路和軟件流程。

給出了仿真模型和運(yùn)行結(jié)果，驗(yàn)證了前級(jí)實(shí)現(xiàn) MPPT 跟蹤和升壓功能、后級(jí)并網(wǎng)使輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻率同相位，表明了方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：光伏電池;MPPT;并網(wǎng)逆變控制;仿真;DSP

1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究

1.1引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要研究的對(duì)象是把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，這種發(fā)電方式和化石燃料的燃燒相比較起來具有環(huán)保性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電的研究也得到了進(jìn)一步的進(jìn)展，太陽能發(fā)電方式成為了人們重點(diǎn)研究的對(duì)象，這種發(fā)電方式不僅價(jià)格便宜，而且對(duì)于資源的消耗也是最低的。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用范圍越來越廣泛，尤其是在很多大型企業(yè)的工廠當(dāng)中，可以起到節(jié)約資源的效果，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在未來的發(fā)展前景也是一片光明，所以，這篇論文主要的研究對(duì)象就是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為 MPPT 研究對(duì)象。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理及組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式主要包括兩種。第一在發(fā)電的過程當(dāng)中不需要使用蓄電池就可以進(jìn)行發(fā)電。第二種發(fā)電方式具有獨(dú)立性，主要的功能就是為偏遠(yuǎn)的山區(qū)提供電能，但是這種發(fā)電方式一定要運(yùn)用蓄電池。對(duì)以上兩種發(fā)電方式進(jìn)行討論，可以發(fā)現(xiàn)使用并網(wǎng)發(fā)電方式的價(jià)格比較便宜，并且這種發(fā)電方式的操作比較簡(jiǎn)單，對(duì)于日后的維修也起到了方便的作用。這篇論文主要是把光伏發(fā)電系統(tǒng)作為研究對(duì)象進(jìn)行MPPT研究。

太陽能的發(fā)電方式包括很多種，主要的基本原理是把光能轉(zhuǎn)化為電能。這篇論文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要就是利用太陽能板吸收光能，產(chǎn)生電能供給用戶使用，光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成如下所示。

（1）光伏電池：主要的能量來源;

（2）控制器和電能存儲(chǔ)：存儲(chǔ)電能的裝置;

（3）變換環(huán)節(jié)：電能變換環(huán)節(jié)。

1.2.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)工作原理

光伏發(fā)電的基本原理是把太陽能光源照射在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，當(dāng)把電源的開關(guān)打開，就會(huì)形成電流。

光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電方式主要包含以下兩種：

（1）光—熱—電轉(zhuǎn)換方式主要是依靠太陽能吸收大量的熱進(jìn)行發(fā)電，把光能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生大量的蒸汽，在這個(gè)過程當(dāng)中主要是依靠電動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱能的轉(zhuǎn)化。其次是把熱能在轉(zhuǎn)化為電能，這種轉(zhuǎn)化方式雖然操作簡(jiǎn)單，但是與火力發(fā)電方式相比較起來卻存在著很多的缺點(diǎn)，電能的利用率比較低，價(jià)格也比較昂貴，一般這種方式發(fā)電使用的成本是火力發(fā)電的五倍之多。

（2）光—電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光伏效應(yīng)，把太陽能直接吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，這個(gè)過程要運(yùn)用太陽能電池，使用的主要器件是半導(dǎo)體二極管。發(fā)二極管主要是吸收太陽能光，在把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。在電能的轉(zhuǎn)化過程中，會(huì)使用大量的電池，把多個(gè)電池串聯(lián)起來產(chǎn)生較大的功率。如今使用太陽能發(fā)電的轉(zhuǎn)化方式應(yīng)用較為廣泛，因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)化方式的成本低、環(huán)保、持久性。太陽能在世界上的資源比較豐富，作為可持續(xù)發(fā)展資源而得到人們的關(guān)注。太陽能發(fā)電方式和其他火力、核能發(fā)電方式比較起來，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1引言

光伏發(fā)電方式的基本原理是把太陽能轉(zhuǎn)化出人們利用的電能，光伏發(fā)電當(dāng)中最終的裝置就是光電池，光電池在發(fā)電過程中扮演著重要的角色。光電池的制作材料非常的特殊，這種材料會(huì)產(chǎn)生一種光效應(yīng)，這樣就可以進(jìn)行發(fā)電。在日常生活當(dāng)中使用的光伏電池是由多個(gè)電池組成的，眾多電池串聯(lián)在一起，這樣就會(huì)提升發(fā)電的效率。多個(gè)電池之間形成一個(gè)光伏陣列，可是外界條件的改變會(huì)對(duì)光伏發(fā)電的效率產(chǎn)生很大的影響，因此必須要減少外界因素的抑制條件，實(shí)現(xiàn)功率的最大轉(zhuǎn)化。

2.2孤島檢測(cè)技術(shù)

對(duì)孤島檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入的探討，這種技術(shù)必須要及時(shí)的監(jiān)測(cè)出孤島的出現(xiàn)：（1）首先孤島方式的建立必須要對(duì)孤島的方案進(jìn)行考慮，實(shí)施孤島檢測(cè)技術(shù)。（2）其次反孤島方案也要能及時(shí)的監(jiān)測(cè)出孤島的存在，這樣就會(huì)減少不必要的人員傷亡。局部孤島方案存在的方式主要包含兩種，第一就是被動(dòng)方式，這種方式的基礎(chǔ)是把質(zhì)量作為基礎(chǔ)條件，但是這種方式會(huì)存在著一個(gè)不能檢測(cè)到的區(qū)域?yàn)镹DZ。另外一種方式為主動(dòng)形式，這種方式主要是對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)做周期性得運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而判斷孤島的發(fā)生情況，主動(dòng)檢測(cè)方式最大的特點(diǎn)就是可以減少不能檢測(cè)到的區(qū)域。

對(duì)于這篇論文研究的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)來說，逆變器的反應(yīng)孤島方式可以分為兩種，第一種為被動(dòng)式的鼓搗檢測(cè)方法，這種檢測(cè)方法主要是依靠電網(wǎng)斷電的時(shí)候引起電路發(fā)生的不平衡現(xiàn)象，對(duì)于電力系統(tǒng)當(dāng)中的頻率、相位數(shù)值都會(huì)造成很大的影響。被動(dòng)式的檢測(cè)方法，這種方法比主動(dòng)方法最大的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)就是可以在盲區(qū)的地方檢測(cè)到，如果被動(dòng)和主動(dòng)方法集合起來共同使用，更會(huì)提高檢測(cè)方法的可靠性。第二種檢測(cè)方法為主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法，這種方法會(huì)受到公共點(diǎn)的干擾，對(duì)其他的參數(shù)值產(chǎn)生很大的變化，最終起到檢測(cè)的效果。使用被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法主要包含以下幾個(gè)參數(shù)值主動(dòng)頻移反孤島策略（AFD 方案）、基于正反饋的主動(dòng)頻移法（Sandia 頻移法）和滑模頻率偏移法等。

2.3并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)

這篇論文選取的并網(wǎng)逆變器控制主要分為兩個(gè)部分，后級(jí)逆變器和前級(jí)逆變器兩種。兩級(jí)變壓器之間是通過直流母線電容連接在一起的，雙級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)由DC/DC和DC/AC兩級(jí)電路組成，直流變交流的任務(wù)由 DC/AC完成，其中直流是由DC/DC

把光伏電池輸送到一定的電壓增大到定值電壓供給的。但是對(duì)于DC既要升壓的過程，也要完成MPPT的基本條件。對(duì)于MPPT是要改變DC/DC 電路中開關(guān)管的開斷頻率來完成的。

2.4并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

2.4.1前級(jí) DC/DC 電路

這篇論文主要的研究并網(wǎng)電路系統(tǒng)是由兩部分電路構(gòu)成的，分為轉(zhuǎn)路和控制電路兩部分，并網(wǎng)電力控制系統(tǒng)最大功率點(diǎn)主要是由DC/DC 部分完成。本篇論文的研究主要包括兩種電路系統(tǒng)，經(jīng)?？匆姷闹饕蠦uck電路和Boost電路。

2.4.2后級(jí)單相逆變器

本篇論文主要的研究對(duì)象是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)主要的核心器件為逆變器，逆變器在電氣系統(tǒng)當(dāng)中扮演著重要的作用，逆變器和工作功率具有很大的關(guān)系，選擇適合的拓?fù)浼澳孀兛刂扑惴ǎ@樣可以減少并網(wǎng)電流諧波，會(huì)使得光伏并網(wǎng)電流的濾波以及并網(wǎng)電流精確控制很容易實(shí)現(xiàn)。

（1）逆變器的分類及選擇

逆變器的分類可以根據(jù)不同的類型進(jìn)行分類。輸入端的變壓器可以分為電流逆變器和電壓型變壓器。主要得結(jié)構(gòu)圖為圖1所示。如果根據(jù)控制類型可以劃分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制。因?yàn)殡娏黝愋偷哪孀兤鞅仨氁B接上一個(gè)電感，這樣才可以保持電路色平穩(wěn)性能，這樣會(huì)對(duì)電路帶來很大得影響。逆變器的功能特點(diǎn)也具有很多，不但可以完成逆變的任務(wù)，而且還可以有源濾波和無功補(bǔ)償，可以為電路提供更多的電能、價(jià)格也便宜、減少了損耗情況。因此，在實(shí)際生活的應(yīng)用當(dāng)中，一般都會(huì)采用逆變器的工作結(jié)構(gòu)。

觀察上述逆變器電壓結(jié)構(gòu)圖可以發(fā)現(xiàn)，大電網(wǎng)和交流電壓源具有很多相同的地方，逆變器的變壓器可以當(dāng)做把兩個(gè)電壓源串聯(lián)起來使用。假設(shè)在實(shí)際生活中要使用這種技術(shù)，鎖技術(shù)和大電網(wǎng)之間必須要保持一致的狀態(tài)。如果電路系統(tǒng)順利的進(jìn)行，對(duì)電路當(dāng)中電壓和相位值進(jìn)行改變就可以對(duì)有功和無功進(jìn)行調(diào)整。逆變器電壓在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中也含有很大的缺點(diǎn)，當(dāng)電路處于鎖相，就會(huì)極大的降低電路的工作效率。因?yàn)殡妷翰荒芗皶r(shí)的控制，可能會(huì)造成電路存在著很大的風(fēng)險(xiǎn)。

如果以上討論的不足問題不能得到即使的改進(jìn)，將會(huì)降低電路的效率。如果電路的選擇使用電壓電源進(jìn)行控制，此時(shí)在電路當(dāng)中就會(huì)產(chǎn)生并網(wǎng)系統(tǒng)。這種方法的操作也比較簡(jiǎn)單，操作起來也很容易理解，在實(shí)際生活當(dāng)中，使用的范圍也比較廣泛。半篇論文選取的就是逆變器為電壓源電流控制型。

2.4.4 系統(tǒng)控制方案

（1）兩級(jí)功率變換整體控制方案比較

本篇論文并網(wǎng)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為兩級(jí)功率變換系統(tǒng)。這兩種控制系統(tǒng)可以分為前后級(jí)兩種。兩級(jí)控制的方法有很多本篇論文并網(wǎng)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為兩級(jí)功率變換系統(tǒng)。這兩種控制系統(tǒng)可以分為前后級(jí)兩種。兩級(jí)控制的方法有很多種，但是要保證這兩種設(shè)計(jì)順利的進(jìn)行，包含以下幾種方法。

1.DC/DC 獨(dú)自完成 MPPT 任務(wù)，DC/AC 采用雙閉環(huán)控制原理保證電路當(dāng)中電壓和電流的順利進(jìn)行，即DC/DC 和DC/AC這兩個(gè)系統(tǒng)都是處于獨(dú)立的狀態(tài)。

2.如果采用DC/AC并網(wǎng)電流的大小完成DC/DC的MPPT任務(wù)，此時(shí)還需要的任務(wù)條件是控制電壓和電流的穩(wěn)定。

3.可以采用中間直流母線電壓控制前級(jí)DC/DC占空比完成設(shè)計(jì)的MPPT任務(wù)。

對(duì)上述幾種方法進(jìn)行討論，不難發(fā)現(xiàn)采用第一種方法是最簡(jiǎn)單的，并且這種方法的操作過程也比較簡(jiǎn)單，計(jì)算得結(jié)果最準(zhǔn)確，誤差比較小。然而另外兩種操作方法使用的是采樣并網(wǎng)輸出電流的值。這兩種方法普遍存在著一個(gè)缺陷，就是會(huì)受到外界條件的影響。假設(shè)當(dāng)太陽光得光強(qiáng)變?nèi)?，后?jí)輸出功率就會(huì)增大，因此，就會(huì)需要在電容內(nèi)部存儲(chǔ)的能量進(jìn)行補(bǔ)充，如果直流母線電壓大幅度的下降，就會(huì)導(dǎo)致后級(jí)DC/AC就難以正常運(yùn)行。

3 單相光伏并網(wǎng)逆變控制分析

光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：控制DC/AC電流與電網(wǎng)電壓的頻率、相位一樣，還要保證諧波少、畸變率小，是個(gè)運(yùn)行平穩(wěn)的正弦波。本章主要分析的就是后級(jí)DC/AC 的控制策略。

3.1 后級(jí)并網(wǎng)控制方案分析

本文后級(jí)控制方式是電壓源電流控制，它的理論依據(jù)是：將逆變器輸出電流作為控制目標(biāo)，來達(dá)到系統(tǒng)保持單位功率因數(shù)的目的。若大電網(wǎng)受到擾動(dòng)，電壓就會(huì)受到波動(dòng)，這時(shí)因?yàn)椴捎秒妷涸措娏骺刂菩偷哪孀兤骶哂懈咦杩剐?，所以逆變器輸出電流不?huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)擾動(dòng)而受太多的干擾。

3.1.1 并網(wǎng)逆變電流跟蹤控制方案比較

電流控制的經(jīng)典框圖如圖2所示?？刂颇繕?biāo)是逆變器輸出電流。并網(wǎng)運(yùn)行逆變器跟不并網(wǎng)運(yùn)行逆變器的區(qū)別是，大電網(wǎng)是一個(gè)有源負(fù)載，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成一定的干擾。為了能盡量減少干擾的存在，通常都會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)添加前饋補(bǔ)償控制，圖2中，Unet就是擾動(dòng)信號(hào)，F(xiàn)（s）是前饋補(bǔ)償，如若Gn（s）設(shè)計(jì)合理，便可以實(shí)現(xiàn)Unet通過Gn（s）對(duì)系統(tǒng)的輸出起補(bǔ)償功能，來消去Unet所帶來的干擾。

電流內(nèi)環(huán)控制也有好幾種控制方法，下文簡(jiǎn)單介紹了三種通常經(jīng)常用的電流控制手段，這三種方式的電流控制都能讓電流實(shí)現(xiàn)它所需要的規(guī)定大小、頻率和相位，也都能保證電流能平穩(wěn)快速運(yùn)行。

3.2 逆變器并網(wǎng)試驗(yàn)仿真分析

后級(jí)逆變器電流環(huán)仿真模型如圖3所示。圖4和圖5分別是逆變器輸

出電流和電壓波形。

結(jié)論

迄今為止，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，世界能源的需求量也在不斷的增加，我國(guó)也面臨著能源的危機(jī)。世界各國(guó)都已經(jīng)對(duì)能源投入了大量的人力和物力，主要的目地就是防止大量石油燃料資源的污染。這篇論文主要研究的對(duì)象是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)能源的研究具有重大的影響意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.2015 年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào).;http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201602/t20160229_1 323991.html，2016-02-29

[2] 李雷，楊春.我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展策略研究.中外能源，2012，17（4）：28-37

[3] 宋玉萍.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用.華北電力大學(xué)（北京），2011

[4] 江林.分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的國(guó)內(nèi)外政策分析與啟示.江蘇電機(jī)工程，2013，（03）：66-68

[5] 楊金孝，朱琳.基于Matlab/Simulink光伏電池模型的研究.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，（24）：192-194+198

作者簡(jiǎn)介：

葉遠(yuǎn)龍 1987.4.14;山東;歌爾股份有限公司;職稱：工程師;研究方向：電子產(chǎn)品測(cè)試 工廠（企業(yè)）信息化;團(tuán)隊(duì)管理

（作者單位：歌爾股份有限公司）