大功率光伏逆變器建模與控制

畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕任務(wù)書(shū)〔2023屆〕設(shè)計(jì)題目大功率光伏逆變器建模與控制學(xué)院名稱繼續(xù)教育學(xué)院專業(yè)〔班級(jí)〕2023級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化姓名〔學(xué)號(hào)〕宋玉〔2023816019〕指導(dǎo)教師王付勝目錄英文摘要 HYPERLINK2英文摘要31緒論４1.1光伏并網(wǎng)逆變器概述４1.1.2光伏產(chǎn)業(yè)崛起的背景及意義４1.1.2光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)的作用與開(kāi)展歷程４1.1.3光伏并網(wǎng)逆變器的分類５1.2國(guó)內(nèi)外開(kāi)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)６1.2.1國(guó)外開(kāi)展現(xiàn)狀６1.2.2國(guó)內(nèi)開(kāi)展現(xiàn)狀６1.2.3開(kāi)展趨勢(shì)６1.3PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介７1.3.1PWM控制的根本原理７1.3.2SVPWM控制簡(jiǎn)介８1.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容與意義８1.4.1課題的主要研究?jī)?nèi)容８1.4.2課題的意義９2三相光伏并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型及坐標(biāo)變換原理９2.1三相光伏并網(wǎng)逆變器在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型９電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及建模假定條件９2.1.2三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型９2.2同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換(dq變換)原理與方法９2.2.1dq坐標(biāo)與三相靜止坐標(biāo)的關(guān)系圖１０2.2.2dq坐標(biāo)變換的方法１０2.3三相光伏并網(wǎng)逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型１０3三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略１０3.1三相并網(wǎng)逆變器的開(kāi)環(huán)控制１０3.1.1無(wú)源逆變的模型及仿真１０3.1.2有源逆變的模型及仿真１１3.1.3SVPWM的根本原理與算法實(shí)現(xiàn)１１3.2三相并網(wǎng)逆變器的閉環(huán)控制１５3.2.1閉環(huán)控制模型的建立１６3.2.2PI電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)１６3.2.3MPPT控制的根本原理與控制方法１７3.2.4閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析１９4結(jié)論２２4.1全文總結(jié)２２4.2尚待完善的工作２２謝辭２３參考文獻(xiàn)２４中文摘要：隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化工業(yè)的開(kāi)展，能源短缺和環(huán)境污染，已經(jīng)成為制約人類社會(huì)健康開(kāi)展的兩大重要因素。新能源的開(kāi)發(fā)與利用愈來(lái)愈受到重視，太陽(yáng)能以其清潔環(huán)保、蘊(yùn)藏豐富等優(yōu)點(diǎn)逐步得到了開(kāi)發(fā)利用。光伏并網(wǎng)逆變器作為太陽(yáng)能利用中主要的能量變換裝置，是目前研究和開(kāi)展的重要環(huán)節(jié)。本文在分析三相光伏并網(wǎng)逆變器工作原理的根底上，設(shè)計(jì)了并網(wǎng)逆變器的主電路和控制結(jié)構(gòu)。首先，概述了光伏發(fā)電的意義以及我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的國(guó)內(nèi)外的開(kāi)展現(xiàn)狀及前景；介紹了PWM控制技術(shù)的原理:介紹了本課題的來(lái)源及其主要研究的內(nèi)容。接著，建立三相光伏并網(wǎng)逆變器在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)分析三相靜止坐標(biāo)系〔a-b-c〕、兩相靜止坐標(biāo)系〔α-β〕和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系〔d-q〕之間的變換原理和方法,從而建立起三相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。隨后，介紹三相并網(wǎng)逆變器的控制策略，以開(kāi)環(huán)控制為根底，分別建立無(wú)源逆變和有源逆變的模型，分析其原理和在matlab軟件中的仿真結(jié)果；同時(shí)詳細(xì)介紹SVPWM控制原理和計(jì)算方法，建立起SVPWM控制模塊，從而進(jìn)一步建立雙閉環(huán)控制模型，對(duì)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的id，iq分別進(jìn)行控制，詳細(xì)介紹電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的整定方法，分別對(duì)其參數(shù)進(jìn)行整定，分析MPPT控制器的工作原理，得出最終的系統(tǒng)模型，在軟件中實(shí)現(xiàn)仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。最后，對(duì)三相光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，闡述已達(dá)成的目標(biāo)和尚待完善的工作。關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)逆變器；SVPWM；雙閉環(huán)控制；dq坐標(biāo)變換英文摘要：Alongwithmarketeconomyandmodernindustrialdevelopment,theenergyshortageandenvironmentalpollution,hasrestrictedthehealthydevelopmentofhumansociety,woimportantfactors.Newenergydevelopmentandutilizationofsolarenergy,moreattentionwithitscleanenvironmentalprotection,richgraduallygottheadvantagesofexploitation.Photovoltaic(pv)gridinverterassolarenergyutilizationofenergyconversiondevicesmainatpresent,itistheimportantlinkofresearchanddevelopment.Basedontheanalysisofthethree-phasephotovoltaic(pv)gridinverter,thebasicprincipleofdesignthegridinverterthemaincircuitandcontrolstructure.First,summarizedthesignificanceandphotovoltaicenergyphotovoltaicindustryathomeandabroadinthedevelopingsituationandprospects;IntroducestheprincipleofPWMcontroltechnology,;Introducedthistopicsourceandthemainresearchcontents.Then,establishthree-phasephotovoltaic(pv)gridinverterindifferentcoordinatesandfocusesonanalyzingthemathematicalmodelofthethree-phasestaticcoordinatesystem(a-b-c),two-phasestaticcoordinatesystem(alphabeta)andtwophaserotationcoordinatesystem(d-q)betweentransformprincipleandmethodToestablishthethree-phasestaticcoordinatesystemandtwo-phasemathematicalmodelofrotatingcoordinates.Subsequently,introducethree-phasegridinvertercontrolstrategy,withtheopen-loopcontrolestablishedrespectivelyforthefoundation,passiveandactivevsimodel,andanalyzesitsinverterinthematlabsoftwareprincipleandthesimulationresults;MeanwhiledetailedintroductionSVPWMcontrolprincipleandcalculationmethod,establishesSVPWMcontrolmodule.Furtherestablishdoubleclosed-loopcontrolmodel,Ontwo-phaserotatingcoordinateid,iqseparatelycontrol，thedetailedintroductionofeletriccircuit.andthePIadjuster,settingmethodofitsparametersweresetting,Analysisoftheworkingprinciple,MPPTcontroller,thesystemmodel,obtainthefinalrealizationinsoftwaresimulation,andtheresultsareanalyzedindetail.Finally,thethree-phasephotovoltaic(pv)gridinverterdesignprocessweresummarizedinthispaper，Alreadygoalofthiswork.Astoperfectthemonk.Keywords：Photovoltaic(pv)gridinverter;SVPWM;Closedloopcontrol;Dqcoordinatetransformation1緒論1.1光伏并網(wǎng)逆變器概述1.1.2光伏產(chǎn)業(yè)崛起的背景及意義能源是人類社會(huì)存在和開(kāi)展的重要物質(zhì)根底。人類社會(huì)的可持續(xù)開(kāi)展必然需要與之相適應(yīng)的能源體系作為保障。而目前世界的能源結(jié)構(gòu)是以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主體結(jié)構(gòu)?；茉词遣豢稍偕哪茉?，大量耗用終將枯竭。多年來(lái)，依賴大量不可再生能源的消耗來(lái)?yè)Q取人類社會(huì)的快速開(kāi)展，已經(jīng)造成了嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題。長(zhǎng)此以往，這必將給人類文明的前景蒙上一層陰影。因此，大力開(kāi)展清潔的可再生能源已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為一種清潔、無(wú)噪聲的可再生能源越來(lái)越受到人們的青睞。光伏產(chǎn)業(yè)的迅速崛起對(duì)緩解能源的短缺、生態(tài)的破壞、環(huán)境的污染以及對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)開(kāi)展都有著極其重要的意義。1.1.2光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)的作用與開(kāi)展歷程據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中，接近99%的安裝容量為并網(wǎng)應(yīng)用，這是因?yàn)椴⒕W(wǎng)應(yīng)用相對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)有本錢(qián)低和免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)是當(dāng)今開(kāi)展方向，全世界并網(wǎng)式光伏系統(tǒng)年增長(zhǎng)率約為25-30%。并網(wǎng)逆變器作為光伏電池與電網(wǎng)的接口裝置，將光伏電池的電能轉(zhuǎn)換成交流電能并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)上，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，現(xiàn)代逆變技術(shù)為光伏并網(wǎng)發(fā)電的開(kāi)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)和理論支持。并網(wǎng)逆變器正朝著高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向開(kāi)展。并網(wǎng)逆變器性能的改良對(duì)于提高系統(tǒng)的效率、可靠性，提高系統(tǒng)的壽命、降低本錢(qián)至關(guān)重要。并網(wǎng)逆變器性能的改良對(duì)于提高系統(tǒng)的效率、可靠性，提高系統(tǒng)的壽命、降低本錢(qián)至關(guān)重要。逆變器技術(shù)開(kāi)展歷程逆變器技術(shù)的開(kāi)展始終與功率器件及其控制技術(shù)的開(kāi)展緊密結(jié)合，從開(kāi)始開(kāi)展至今經(jīng)歷了五個(gè)階段：第一階段：20世紀(jì)50-60年代，晶閘管SCR的誕生為正弦波逆變器的開(kāi)展創(chuàng)造了條件；第二階段：20世紀(jì)70年代，可關(guān)斷晶閘管GTO及雙極型晶體管BJT的問(wèn)世，使得逆變技術(shù)得到發(fā)展和應(yīng)用；第三階段：20世紀(jì)80年代，功率場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵型晶體管、MOS控制晶閘管等功率器件的誕生為逆變器向大容量方向開(kāi)展奠定了根底。

第四階段：世紀(jì)90年代，微電子技術(shù)的開(kāi)展使新近的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、多電平變換技術(shù)、20重復(fù)控制、模糊控制等技術(shù)在逆變領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用，極大的促進(jìn)了逆變器技術(shù)的開(kāi)展；

第五階段：21世紀(jì)初，逆變技術(shù)的開(kāi)展隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的進(jìn)步不斷改進(jìn)，逆變技術(shù)正朝著高頻化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向開(kāi)展。1.1.3光伏并網(wǎng)逆變器的分類光伏并網(wǎng)逆變器可以按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、隔離方式、輸出相數(shù)、功率等級(jí)、功率流向等進(jìn)行分類。按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類，目前采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：全橋逆變拓?fù)?、半橋逆變拓?fù)?、多電平逆變拓?fù)?、推挽逆變拓?fù)?、正激逆變拓?fù)?、反激逆變拓?fù)涞?，其中高壓大功率光伏并網(wǎng)逆變器可采用多電平逆變拓?fù)?，中等功率光伏并網(wǎng)逆變器多采用全橋、半橋逆變拓?fù)?，小功率光伏并網(wǎng)逆變器采用正激、反激逆變拓?fù)?。按照隔離方式分類包括隔離式和非隔離式兩類，其中隔離式并網(wǎng)逆變器又分為工頻變壓器隔離方式和高頻變壓器隔離方式，光伏并網(wǎng)逆變器開(kāi)展之初多采用工頻變壓器隔離的方式，但由于其體積、重量、本錢(qián)方面的明顯缺陷，近年來(lái)高頻變壓器隔離方式的并網(wǎng)逆變器開(kāi)展較快，非隔離式并網(wǎng)逆變器以其高效率、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)也逐漸獲得認(rèn)可，目前已經(jīng)在歐洲開(kāi)始推廣應(yīng)用，但需要解決可靠性、共模電流等關(guān)鍵問(wèn)題。按照輸出相數(shù)可以分為單相和三相并網(wǎng)逆變器兩類，中小功率場(chǎng)合一般多采用單相方式，大功率場(chǎng)合多采用三相并網(wǎng)逆變器。按照功率等級(jí)進(jìn)行分類，可分為功率小于1kVA的小功率并網(wǎng)逆變器，功率等級(jí)1kVA~50kVA的中等功率并網(wǎng)逆變器和50kVA以上的大功率并網(wǎng)逆變器。從光伏并網(wǎng)逆變器開(kāi)展至今，開(kāi)展最為成熟的屬于中等功率的并網(wǎng)逆變器，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化批量生產(chǎn)，技術(shù)趨于成熟，光伏并網(wǎng)逆變器未來(lái)的開(kāi)展將是小功率微逆變器也即光伏模塊集成逆變器和大功率并網(wǎng)逆變器兩個(gè)方向并行。微逆變器在光伏建筑集成發(fā)電系統(tǒng)、城市居民發(fā)電系統(tǒng)、中小規(guī)模光伏電站有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，大功率光伏并網(wǎng)逆變器在大規(guī)模光伏電站，如沙漠光伏電站，等系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。按照功率流向進(jìn)行分類，分為單方向功率流并網(wǎng)逆變器和雙方向功率流并網(wǎng)逆變器兩類，單向功率流并網(wǎng)逆變器僅用作并網(wǎng)發(fā)電，雙向功率流并網(wǎng)逆變器除可用作并網(wǎng)發(fā)電外，還能用作整流器，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量和負(fù)載功率因素，近幾年雙向功率流并網(wǎng)逆變器開(kāi)始獲得關(guān)注，是未來(lái)的開(kāi)展方向之一。未來(lái)的光伏并網(wǎng)逆變器將集并網(wǎng)發(fā)電、無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波等功能與一身，在白天有陽(yáng)光時(shí)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，夜晚用電時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波等功能。1.2國(guó)內(nèi)外開(kāi)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)1.2.1國(guó)外開(kāi)展現(xiàn)狀近幾年，隨著西班牙、德國(guó)、美國(guó)、日本對(duì)本國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的政策扶持，全球光伏發(fā)電逆變器的銷售額逐年遞增，光伏發(fā)電用逆變器進(jìn)入了一個(gè)快速增長(zhǎng)的階段。但目前全球光伏逆變器市場(chǎng)根本被國(guó)際幾大巨頭瓜分，歐洲式全球光伏市場(chǎng)的先驅(qū)，具備完善的光伏產(chǎn)業(yè)鏈，光伏逆變器技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。SMA是全球最早也是最大的光伏逆變器生產(chǎn)企業(yè)〔德國(guó)市場(chǎng)占有率達(dá)50%以上〕，約占全球市場(chǎng)份額的三分之一，第二位是Fronius。全球前七位的生產(chǎn)企業(yè)占領(lǐng)了近70%的市場(chǎng)份額。1.2.2國(guó)內(nèi)開(kāi)展現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)光伏并網(wǎng)逆變器市場(chǎng)規(guī)模較小，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)逆變器的廠商眾多，但專門(mén)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器制造商并不多，但是不少國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)在逆變器行業(yè)已經(jīng)研究多年，已經(jīng)具備一定的規(guī)模和競(jìng)爭(zhēng)力，但在逆變器技術(shù)質(zhì)量、規(guī)模上與國(guó)外企業(yè)仍具有較大差距，目前具有較大規(guī)模的廠商有合肥陽(yáng)光、北京科諾偉業(yè)、北京索英、志誠(chéng)冠軍、南京冠亞、上海英偉力新能源科技等企業(yè)。目前這些企業(yè)用于光伏系統(tǒng)的產(chǎn)量呈逐年上升的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模雖然較小，但未來(lái)光伏電站市場(chǎng)的巨大開(kāi)展空間和開(kāi)展?jié)摿o國(guó)內(nèi)企業(yè)帶來(lái)開(kāi)展的歷史機(jī)遇。目前國(guó)內(nèi)光伏逆變器主要被陽(yáng)光電源、艾思瑪、KACO等品牌所占領(lǐng)，國(guó)外企業(yè)多數(shù)通過(guò)代理渠道進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，由于售后效勞提供難度大整體市場(chǎng)占有率不高。2023年統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，合肥陽(yáng)光電源公司占據(jù)70%以上的光伏逆變器市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)重點(diǎn)光伏工程大功率產(chǎn)品幾乎全部選用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。從技術(shù)方面來(lái)看，國(guó)內(nèi)企業(yè)在轉(zhuǎn)換效率、結(jié)構(gòu)工藝、智能化程度、穩(wěn)定性等方面與國(guó)外先進(jìn)水平仍有一定差距，目前我國(guó)在小功率逆變器技術(shù)上與國(guó)外處于同一水平，在大功率并網(wǎng)逆變器上，大功率并網(wǎng)逆變器仍需進(jìn)一步開(kāi)展。1.2.3開(kāi)展趨勢(shì)從技術(shù)層面來(lái)講，大功率并網(wǎng)逆變器和小功率并網(wǎng)逆變器是未來(lái)的兩個(gè)主要開(kāi)展方向，其中小功率光伏并網(wǎng)逆變器——微逆變器是最具開(kāi)展?jié)摿褪袌?chǎng)應(yīng)用前景的開(kāi)展方向，高頻化、高效率、高功率密度、高可靠性和高度智能化是未來(lái)的開(kāi)展方向。從市場(chǎng)層面來(lái)講，國(guó)外光伏企業(yè)起步早、技術(shù)成熟，在市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位，國(guó)內(nèi)下游光伏系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模仍較小，但未來(lái)的開(kāi)展?jié)摿薮?，使得眾多?guó)際光伏企業(yè)紛紛搶灘國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)近幾年開(kāi)展勢(shì)頭迅猛，占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主要份額。未來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)將是眾多光伏并網(wǎng)逆變器企業(yè)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。1.3PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介PWM〔PulseWidthModulation〕控制技術(shù)就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形〔含形狀和幅值〕。1.3.1PWM控制的根本原理脈寬調(diào)制〔PWM〕控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。按一定的規(guī)那么對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果根本相同。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果根本相同。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形根本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，那么它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。

根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來(lái)代替正弦波，通過(guò)對(duì)矩形波的控制來(lái)模擬輸出不同頻率的正弦波。

例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于∏／n，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦局部面積〔即沖量〕相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形.1.3.2SVPWM控制簡(jiǎn)介SVPWM是近年開(kāi)展的一種比擬新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件組成的特定開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形?？臻g電壓矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM不同，它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得理想圓形磁鏈軌跡。SVPWM技術(shù)與SPWM相比擬，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。SVPWM的理論根底是平均值等效原理，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通過(guò)對(duì)根本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來(lái)得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分屢次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過(guò)逆變器的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比擬結(jié)果來(lái)決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM波形。1.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容與意義1.4.1課題的主要研究?jī)?nèi)容本課題研究的三相光伏并網(wǎng)逆變器，是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的重要組成局部，主要由主電路和控制電路兩局部組成。主電路局部采用三相電壓型PWM逆變電路，控制電路主要包含雙閉環(huán)控制模塊〔電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)〕、DQ坐標(biāo)變換模塊和SVPWM控制模塊。本課題主要利用MATLAB的SIMILINK系統(tǒng)仿真軟件，建立了三相并網(wǎng)逆變器的仿真模型，構(gòu)成雙閉環(huán)，對(duì)這些模塊的根本原理進(jìn)行詳細(xì)分析和參數(shù)整定〔如PI調(diào)節(jié)器參數(shù)整定〕。直流變換側(cè)參加電流環(huán)為光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法提供電流數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)跟蹤功率的最大輸出值，盡可能提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，并保證并網(wǎng)運(yùn)行具有穩(wěn)定可靠的鎖相功能。1.4.2課題的意義本課題設(shè)計(jì)的三相光伏并網(wǎng)逆變器，應(yīng)使輸出電流為良好的正弦電流波形，并于電網(wǎng)電壓根本同相位，具有實(shí)時(shí)控制、電流響應(yīng)快、輸出電壓電流波形不含特定次諧波等優(yōu)點(diǎn)。2三相光伏并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型及坐標(biāo)變換原理2.1三相光伏并網(wǎng)逆變器在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及建模假定條件常用的三相電壓型PWM逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.1所示,其中ea、eb、ec為電源三相電動(dòng)勢(shì),ia、ib、ic表示逆變器三相輸出電流;ua、ub、uc為逆變器輸出相電壓;L為交流側(cè)濾波電感,C為直流側(cè)濾波電容，Vdc為直流側(cè)電源電壓，開(kāi)關(guān)器件由可控器件IGBT組成。為簡(jiǎn)化分析且又不脫離電路的實(shí)際工作情況,在推導(dǎo)以便其的數(shù)學(xué)模型之前,特做如下假設(shè):(1)電網(wǎng)為三相對(duì)稱的理想電壓源;(2)三相回路等效電阻和電感相等;(3)網(wǎng)側(cè)濾波電感L是線性的,且不考慮飽和;(4)忽略分布參數(shù)影響;(5)忽略開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通壓降和開(kāi)關(guān)損耗。2.1.2三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型不考慮逆變器變換損耗,忽略高頻分量的影響，根據(jù)基爾霍夫定律,2.2同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換(dq變換)原理與方法在ABC坐標(biāo)系中,需要控制的網(wǎng)側(cè)電流均為時(shí)變交流量,因而不利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此通過(guò)坐標(biāo)變換將三相ABC靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系。經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后,三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系中的基波正弦變量將轉(zhuǎn)化成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中直流變量。另外，兩相坐標(biāo)系的d軸q軸互相垂直,因而沒(méi)有磁的耦合;僅此兩點(diǎn)就會(huì)使數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單許多,利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。2.2.1dq坐標(biāo)與三相靜止坐標(biāo)的關(guān)系圖坐標(biāo)系的定義基準(zhǔn)不同,電氣量的表達(dá)式及坐標(biāo)變換的結(jié)果也就不一樣。在此以IEEE的定義標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn),即以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榛鶞?zhǔn),abc三相靜止坐標(biāo)逆時(shí)針排列、彼此相差,dq坐標(biāo)逆時(shí)針同步旋轉(zhuǎn)(以角頻率ωθ同步旋轉(zhuǎn))、d軸與a軸的夾角為θ、q軸位于在旋轉(zhuǎn)方向上比d軸超前的位置上。dq坐標(biāo)與abc三相靜止坐標(biāo)的關(guān)系。2.2.2dq坐標(biāo)變換的方法坐標(biāo)變換通常有等量變換和等功率變換兩種方式,所謂等量變換是指坐標(biāo)變換前后電氣量的通用矢量相等,而等功率變換那么是變換前后功率保持不變。本文采用等量dq變換法來(lái)建立三相VSR的數(shù)學(xué)模型。將d軸定向于A軸旋轉(zhuǎn)θ角度后的矢量方向上,q軸與之垂直,如圖2.2所示。定義d軸與電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量e同相,那么d軸方向的電流分量id為有功電流,d軸落后于q軸,因此q軸方向的電流分量iq為無(wú)功電流。初始條件下,令d軸與a軸重合。2.3三相光伏并網(wǎng)逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型式中為電感電流矢量;為逆變器橋臂輸出電壓矢量;為電網(wǎng)電壓矢量;L為每相濾波電感。整理后可以得到三相并網(wǎng)逆變器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后,所控制的變量id,iq均為直流分量,簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。并網(wǎng)有功分量由id控制,無(wú)功分量由iq控制,控制id和iq,就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功分量和無(wú)功分量的控制。3三相光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略3.1三相并網(wǎng)逆變器的開(kāi)環(huán)控制三相并網(wǎng)逆變電路是以無(wú)源逆變電路為根底而衍生的，本節(jié)內(nèi)容先研究分析無(wú)源逆變的模型及仿真，再進(jìn)而研究有源逆變的模型及仿真結(jié)果。3.1.1無(wú)源逆變的模型及仿真利用matlab軟件搭建的三相無(wú)源逆變電路的模型如下：給定直流電源電壓Vdc=600V，交流側(cè)R=2Ω，L=2mH,給定的三想調(diào)制波信號(hào)為：與計(jì)算所得出的結(jié)果根本一致，說(shuō)明了理論分析的正確性。3.1.2有源逆變的模型及仿真 在無(wú)源逆變電路的根底上，建立有源逆變電路模型， 以電網(wǎng)電壓電動(dòng)勢(shì)矢量為參考。分以下四種情況進(jìn)行討論分析(1)電流矢量滯后電動(dòng)勢(shì)矢量，此時(shí)電壓矢量端點(diǎn)位于圓軌跡A點(diǎn)，交流側(cè)呈電感特性。(2)電流矢量與電動(dòng)勢(shì)矢量，此時(shí)電壓矢量端點(diǎn)位于圓軌跡B點(diǎn)，交流側(cè)呈電阻特性，如下圖：〔3〕電流矢量超前電動(dòng)勢(shì)矢量，此時(shí)電壓矢量端點(diǎn)位于圓軌跡C點(diǎn)，交流側(cè)呈電容特性當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)在圓軌跡AB和BC上運(yùn)動(dòng)時(shí)，逆變器工作在整流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收有功，而在AB上時(shí)還要吸收感性無(wú)功功率，BC上時(shí)吸收容性無(wú)功功率。在B點(diǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變器控制。 當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)在圓軌跡CD和DA上運(yùn)動(dòng)時(shí)，逆變器工作在有源逆變狀態(tài)，此時(shí)逆變器向電網(wǎng)傳輸有功，而在CD上時(shí)還要向電網(wǎng)傳輸容性無(wú)功功率，DA上時(shí)向電網(wǎng)傳輸無(wú)功功率。在D點(diǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變器控制。 在交流側(cè)等效電阻很大的情況下，可以快速地得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的三相輸出電流波形。但是在實(shí)際應(yīng)用中，假設(shè)交流側(cè)等效電阻很大，那么在交流側(cè)有功功率的損耗也會(huì)很大，使逆變效率大大下降，這也是開(kāi)環(huán)控制的弊端所在，所以必須進(jìn)一步采用閉環(huán)控制。3.1.3SVPWM的根本原理與算法實(shí)現(xiàn)空間電壓矢量脈寬調(diào)制〔SVPWM，SpaceVectorPulseWidthModulation〕，也即正弦磁通的一種PWM調(diào)制方法，以逆變器在不同開(kāi)關(guān)模式下所產(chǎn)生的磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，獲得更優(yōu)的運(yùn)行特性。實(shí)踐和理論證明：與直接利用正弦脈寬調(diào)制〔SPWM〕技術(shù)相比擬，SVPWM在輸出電壓中的電流都產(chǎn)生更少的諧波，對(duì)于電壓源逆變器直流供電電源的利用效率也有一定的提高。3.1.3.1SVPWM根本原理三相電壓源型逆變器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3.3所示，其主要由六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件組成，對(duì)于任一組橋臂來(lái)說(shuō)，其上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是互補(bǔ)的，因此逆變器的工作狀態(tài)可以只用三個(gè)上橋臂功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)描述。此三相有源逆變器上橋臂的三個(gè)開(kāi)關(guān)器件總共有八種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)于逆變器的八個(gè)工作模式。那么可以得到根本電壓空間矢量圖。逆變器的八種工作狀態(tài)形成了八個(gè)根本空間電壓矢量，包括六個(gè)工作矢量，在電壓空間矢量圖中，零矢量位于六邊形的原點(diǎn)，相鄰兩非零矢量之間的夾角為60度。根據(jù)功率開(kāi)關(guān)狀態(tài)變換最小化的原那么，每次應(yīng)當(dāng)只有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化。利用前述的8種電壓矢量的不同線性組合，就能夠得到更多與根本空間電壓矢量不同相位的電壓空間矢量，從而形成一組幅值相等而相位不同的電壓空間矢量，疊加成盡量逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁鏈圓。根據(jù)平均值等效原理：在逆變器功率器件一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通過(guò)對(duì)根本電壓矢量進(jìn)行組合，使其平均值與給定的電壓矢量相等。通過(guò)將相鄰兩非零矢量與零矢量在時(shí)間上進(jìn)行不同組合，就可以得到該扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量?？梢詫⑷齻€(gè)矢量的作用時(shí)間同時(shí)施加，也可以在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)分屢次施加。通過(guò)對(duì)各個(gè)電壓矢量作用時(shí)間的控制，可以使得空間電壓矢量接近圓形旋轉(zhuǎn)軌跡。由于逆變器所能產(chǎn)生的電壓矢量只有六個(gè)根本矢量和兩個(gè)零矢量，因此不可能實(shí)現(xiàn)輸出角度變化的電壓空間矢量的要求。在實(shí)際使用中，為了獲得旋轉(zhuǎn)的電壓矢量，只有利用各個(gè)矢量作用時(shí)間的不同組合來(lái)等效合成所需的電壓矢量。在一個(gè)周期內(nèi)所合成的矢量越多，那么逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)頻率就會(huì)越高。如圖3.4所示，如需在第三扇區(qū)內(nèi)得到電壓矢量，那么可以利用兩最近的相鄰根本電壓矢量、以及零矢量按照伏秒平衡原那么合成，那么有：(3-5)(3-6)式中：——逆變器PWM開(kāi)關(guān)周期；——根本矢量作用時(shí)間；——根本矢量作用時(shí)間；——零矢量或作用時(shí)間。式(3-5)代表：在時(shí)間內(nèi)，矢量所產(chǎn)生的效果與在、以及時(shí)間內(nèi)矢量、和零矢量分別作用的疊加效果相同。其中：(3-7)(3-8)(3-9)綜合以上三式以及前述矢量的合成原理，可以得到下式：(3-10)由于零矢量幅值為零，因此其在矢量合成時(shí)只是用來(lái)補(bǔ)足根本矢量作用時(shí)間的補(bǔ)足。利用實(shí)部和虛局部別相等，對(duì)式〔3-10〕進(jìn)行求解，可得各矢量的作用時(shí)間分別為：(3-11)(3-12)(3-13)隨著參考電壓矢量幅值的不斷增加，根本空間矢量、的作用時(shí)間、也線性增加，零電壓空間矢量的作用時(shí)間那么不斷減少。為了使逆變器工作在線性調(diào)制區(qū)，必須滿足：，那么可推導(dǎo)出合成電壓矢量的幅值為：(3-14)上式對(duì)任意角度成立，那么合成電壓矢量的最大值為。SVPWM調(diào)制波形相當(dāng)于在正弦調(diào)制波中注入了三角形波，當(dāng)所調(diào)制的正弦波幅值為1時(shí)，所形成的SVPWM鞍型波幅值為。SVPWM調(diào)制法與傳統(tǒng)的正弦PWM調(diào)制法相比，直流側(cè)電壓利用率提高了15.47%，并且可以明顯減少逆變器所輸出電壓的諧波，從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染。3.1.3.2SVPWM算法實(shí)現(xiàn)根據(jù)SVPWM根本原理介紹，下面將給出其算法的實(shí)現(xiàn)流程。(1)確定參考電壓矢量扇區(qū)在實(shí)際控制中，參考電壓空間矢量一般以正交坐標(biāo)分量形式給出。由SVPWM的根本原理可知，其算法的關(guān)鍵就是判斷參考電壓空間矢量所處的扇區(qū)以及根本電壓矢量的作用時(shí)間。對(duì)于任意一參考電壓矢量，其可表示為：(3-15)經(jīng)過(guò)推算，矢量所在的扇區(qū)可以用、、與0的關(guān)系來(lái)決定，因此，可定義以下變量：(3-16)然后再定義：如果，那么A=1，否那么A=0；如果，那么B=1，否那么B=0；如果，那么C=1，否那么C=0。A、B和C共有八種組合，但是由于這三個(gè)變量不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)為1或者0的狀態(tài)，因此實(shí)際上只有六種組合，A、B和C組合取不同組合值時(shí)，對(duì)應(yīng)著不同的扇區(qū)，且為一一對(duì)應(yīng)。為了區(qū)別六種狀態(tài)并計(jì)算出扇區(qū)號(hào)，令：(3-17)通過(guò)判斷A、B以及C的數(shù)值，并且?guī)胧健?-17〕，可計(jì)算出N為1～6的數(shù)值，對(duì)應(yīng)電壓空間矢量的6個(gè)區(qū)間號(hào)如表3.1所示。表3.1空間電壓矢量扇區(qū)判定表扇區(qū)號(hào)N123456所在扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ(2)相鄰兩根本電壓矢量作用時(shí)間確實(shí)定令：(3-18)那么各扇區(qū)相鄰根本電壓矢量的作用時(shí)間如表3.2所示。表3.2.相鄰根本矢量作用時(shí)間表扇區(qū)號(hào)N123456ZY-Z-XX-YYX-XZ-Y-Z如果出現(xiàn)飽和情況，即：，那么應(yīng)該將電壓矢量端點(diǎn)拉回至六邊形內(nèi)切圓內(nèi)，(3)確定矢量切換點(diǎn)第Ⅲ扇區(qū)中三相PWM波形按脈沖寬度的大小依次定義其空間矢量的切換點(diǎn)分別為：表3.3給出了在不同扇區(qū)內(nèi)空間矢量的切換點(diǎn)：表3.3開(kāi)關(guān)切換時(shí)間表扇區(qū)號(hào)N1234563.2三相并網(wǎng)逆變器的閉環(huán)控制在第二章中已經(jīng)提到，為了實(shí)現(xiàn)有功電流和無(wú)功電流分別控制的目的，將基于靜止ABC坐標(biāo)系的并網(wǎng)方程〔2-1〕變化為同步d-q坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程〔2-8〕。這樣所有的交流量變換為直流量，有利于PI電流調(diào)節(jié)器對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行閉環(huán)控制。3.2.1閉環(huán)控制模型的建立由控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可知，根本控制過(guò)程如下：首先，控制系統(tǒng)將采集到的并網(wǎng)逆變器輸出三相電流ia、ib、ic經(jīng)過(guò)Clark變換和Park變換后，分解為有功電流量和無(wú)功電流量，再與指令電流比擬后經(jīng)過(guò)PI電流調(diào)節(jié)器后生成新的逆變器控制指令；由于并網(wǎng)逆變器通常需要控制為單位功率因數(shù)運(yùn)行，因此，令無(wú)功電流為零，而有功電流的指令由最大功率點(diǎn)跟蹤〔MPPT〕控制器給出。為使并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出到達(dá)最大，須采用鎖相技術(shù)〔PLL模塊〕控制輸出電流的頻率和相位與電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同步。因此，在閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，由于外環(huán)電流由MPPT給定，所以主要設(shè)計(jì)任務(wù)就是內(nèi)環(huán)PI電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與MPPT控制器的設(shè)計(jì)。3.2.2PI電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)輸出電流對(duì)公用電網(wǎng)電壓波形快速準(zhǔn)確跟蹤，為了獲得期望的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，光伏并網(wǎng)逆變器的電流調(diào)節(jié)器需要具有很好的隨動(dòng)性能，快速的跟蹤電流控制環(huán)的給定信號(hào)。本文根據(jù)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)特性選擇典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)PI電流調(diào)節(jié)器。由于兩電流內(nèi)環(huán)的對(duì)稱性,因而以電流iq控制為例討論電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)?？紤]電流內(nèi)環(huán)信號(hào)采樣的延遲和PWM控制器的小慣性特性,已解耦的iq電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。圖3.7iq電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖3.7中,Ts為電流內(nèi)環(huán)電流采樣周期(亦即為PWM開(kāi)關(guān)周期),KPWM為橋路PWM等效增益。為了使電流內(nèi)環(huán)具有較好的電流跟隨性能,可按照典型一階環(huán)節(jié)進(jìn)行整定,經(jīng)整定后的PI參數(shù)為:〔3-21〕 根據(jù)上述閉環(huán)系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的整定方法可算出電流環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù),并由此可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。3.2.3MPPT控制的根本原理與控制方法3.2.3.1MPPT控制的根本原理在常規(guī)的線性系統(tǒng)電氣設(shè)備中，為使負(fù)載獲得最大功率，通常要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)呢?fù)載匹配，使負(fù)載電阻等于供電系統(tǒng)的內(nèi)阻，此時(shí)負(fù)載上就可以獲得最大功率。對(duì)于一些內(nèi)阻不變的供電系統(tǒng)，可以用這種外阻等于內(nèi)阻的簡(jiǎn)單方法獲得最大輸出功率，但在太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻不僅受日照強(qiáng)度的影響，而且受環(huán)境溫度及負(fù)載的影響，因而處在不斷變化中，從而不可能用上述簡(jiǎn)單的方法獲得最大輸出功率。由太陽(yáng)能電池的I—V特性曲線可以看出，太陽(yáng)能電池是非線性電源，當(dāng)太陽(yáng)能電池陣列工作電壓小于最大功率點(diǎn)電壓時(shí)，陣列輸出功率隨著工作電壓的上升而增大，當(dāng)陣列的工作電壓大于時(shí)，陣列輸出功率隨著工作電壓的上升而減小。同時(shí)，太陽(yáng)能電池隨著日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化，太陽(yáng)能電池輸出電壓和輸出電流也會(huì)跟著發(fā)生變化，其輸出功率也產(chǎn)生很大的變化。為了使太陽(yáng)能電池陣列充分吸收太陽(yáng)能，在不同的日照強(qiáng)度、溫度條件下始終輸出最大功率，提高系統(tǒng)的效率，就要對(duì)太陽(yáng)能電池陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，讓其始終工作在最大功率點(diǎn)上。太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制〔MPPT〕是一個(gè)自尋優(yōu)的過(guò)程，即通過(guò)控制太陽(yáng)能電池陣列的端電壓，使光伏電池能在不同的日照強(qiáng)度和溫度環(huán)境下智能化地輸出最大功率。3.2.3.2MPPT的跟蹤方法目前常用的最大功率跟蹤的方法包括：恒定電壓法〔CVT〕，擾動(dòng)觀察法，間歇掃描法，電導(dǎo)增量法等。而其中的擾動(dòng)觀察法由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要測(cè)量的參數(shù)少，所以被普遍應(yīng)用于光伏電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤，因此本文詳細(xì)介紹擾動(dòng)觀察法。擾動(dòng)觀察法，又稱爬山法，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要測(cè)量的參數(shù)較少，所以其被普遍應(yīng)用于光伏電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤。其原理就是先引入一個(gè)小的變化，擾動(dòng)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓值，如〔〕，再測(cè)量其功率變化，將其與擾動(dòng)之前的功率值相比擬，假設(shè)其功率值增加，那么表示擾動(dòng)方向正確，可朝著同一方向，即()方向擾動(dòng)；假設(shè)擾動(dòng)后的功率值小于擾動(dòng)前，那么往相反()方向擾動(dòng)，這樣就保證了使太陽(yáng)能電池板功率輸出向增大的方向變化。如此反復(fù)擾動(dòng)、觀察與比擬。使太陽(yáng)能電池板到達(dá)最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出。其原理如圖3.8所示：圖3.8擾動(dòng)觀察法的原理圖 此法的最大優(yōu)點(diǎn)在于其能夠較容易在不知道光伏電池的特性曲線的情況下實(shí)現(xiàn)MPPT控制，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少。通過(guò)不斷擾動(dòng)使陣列輸出功率趨于最大，即使跟蹤已達(dá)最大功率點(diǎn)附近，但是擾動(dòng)還是不會(huì)停止。其缺點(diǎn)是對(duì)固定步長(zhǎng)大小確實(shí)定。如果步長(zhǎng)較小，光伏系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近震蕩的幅度越小，能量損失越小，但到達(dá)最大功率點(diǎn)需要擾動(dòng)的次數(shù)越多，所用的跟蹤時(shí)間也越長(zhǎng)。反之，當(dāng)步長(zhǎng)較大時(shí)跟蹤速度快，但在最大功率點(diǎn)附近波動(dòng)幅度大，能量損失也嚴(yán)重。因此，光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的速度和穩(wěn)態(tài)精確度難以同時(shí)保證，只能根據(jù)實(shí)際需求折中選取步長(zhǎng)，以獲得可接受的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。同時(shí)，由于始終有的存在，在最大功率跟蹤過(guò)程中將導(dǎo)致些微功率損失。擾動(dòng)觀察法的實(shí)質(zhì)就是基于采樣電壓值和采樣電流值計(jì)算出光伏電池的輸出功率并觀察其功率變化，再比擬前一個(gè)和當(dāng)前的電壓值來(lái)確定電壓的變化方向，計(jì)算出新的參考電壓QUOTEQUOTE用于產(chǎn)生PWM的控制信號(hào)。擾動(dòng)觀察法的流程如下列圖所示，圖3.9中、是新的采樣測(cè)量值，根據(jù)這兩個(gè)值計(jì)算功率值。將其與K點(diǎn)前一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的功率值進(jìn)行比擬。功率值的大小變化決定下一步“擾動(dòng)〞的方向。如果功率增加，那么“擾動(dòng)〞的方向不變；如果功率減小，那么“擾動(dòng)〞的方向相反。而“擾動(dòng)〞的方向那么是由是否大于來(lái)決定的。圖3.9擾動(dòng)觀察法的流程圖3.2.4閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析運(yùn)用MATLAB/SIMULINK仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,建立的閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型如圖3.10所示，設(shè)定直流側(cè)電源電壓Vdc=600V，直流母線電容,交流側(cè)三相電網(wǎng)電壓為：電感L=2mH，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)P=0.25，I=0.25。圖3.10閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型 為了使系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行，iq電流環(huán)的給定值始終為0，id電流環(huán)的給定值由MPPT控制器給定，在仿真時(shí)先給定電流有效值為100A，觀察id反應(yīng)值與給定值的比擬波形為：圖3.11給定100A時(shí)id仿真波形超調(diào)僅約為3%，穩(wěn)定時(shí)間僅約s，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。 模擬電流突變情形，MPPT給定值由100A突變降為50A，觀察id給定與反應(yīng)波形，如圖所以：圖3.12給定100A到50A突變時(shí)id仿真波形說(shuō)明了系統(tǒng)同時(shí)具有良好的跟隨性能。 在交流電網(wǎng)側(cè)，得到了很穩(wěn)定的電流波形，以A相為例，輸出的電流和電網(wǎng)電壓波形為：圖3.13并網(wǎng)時(shí)的A相輸出電流和電網(wǎng)電壓波形圖實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行，功率因數(shù)高，同時(shí)輸出電流諧波含量低，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。4結(jié)論4.1全文總結(jié)本文通過(guò)設(shè)計(jì)三相光伏并網(wǎng)逆變器的主電路和控制電路，先分別對(duì)無(wú)源逆變電路和有源逆變電路的模型進(jìn)行分析，了解其根本原理，通過(guò)仿真驗(yàn)證分析的正確性。然后基于SVPWM控制的根本原理與算法，通過(guò)對(duì)交流側(cè)電網(wǎng)的三相電流進(jìn)行DQ坐標(biāo)變換，分別對(duì)id，iq進(jìn)行閉環(huán)控制，使逆變器單位功率因數(shù)運(yùn)行；最后通過(guò)matlab軟件simulink仿真系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，得到快速、穩(wěn)定的三相電流波形，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的污染很小，做到了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能，根本上完成了簡(jiǎn)單的三相光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)，到達(dá)了先前指定的目標(biāo)。4.2尚待完善的工作本文雖然初步完成的三相光伏并網(wǎng)逆變器的主電路和閉環(huán)控制電路的設(shè)計(jì)，但是仍有很多尚待完善的工作，如：閉環(huán)控制的電壓外環(huán)控制設(shè)計(jì)還不夠細(xì)致；SVPWM調(diào)制波的具體波形分析不夠全面；未對(duì)三相不平衡負(fù)載情況進(jìn)行研究；在以后的研究學(xué)習(xí)中，將繼續(xù)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入的分析與設(shè)計(jì)。謝辭經(jīng)過(guò)查資料、整理材料、寫(xiě)作論文，今天終于可以順利的完成論文的最后的謝辭了，想了很久，要寫(xiě)下這一段謝詞，表示可以進(jìn)行畢業(yè)辯論了，自己想想求學(xué)期間的點(diǎn)點(diǎn)滴歷歷涌上心頭，時(shí)光匆匆飛逝，2年多的努力與付出，隨著論文的完成，得以劃下了完美的句點(diǎn)。論文得以完成，要感謝的人實(shí)在太多了，首先要感謝王付勝老師，因?yàn)檎撐氖窃谕趵蠋煹南ば闹笇?dǎo)下完成的。王老師豐富的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無(wú)華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。本論文從選題到完成，每一步都是在王老師的指導(dǎo)下完成的。王老師指引我的論文的寫(xiě)作的方向和架構(gòu)，并對(duì)本論文初稿進(jìn)行逐字批閱，指正出其中誤謬之處，使我有了思考的方向，他的循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪，他的嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)，將一直是我工作、學(xué)習(xí)的典范。在此，謹(jǐn)向王老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！謝謝王老師在我撰寫(xiě)論文的過(guò)程中給與我的極大地幫助。

同時(shí)，論文的順利完成，離不開(kāi)其它各位老師、同學(xué)和同事的關(guān)心和幫助。在整個(gè)的論文寫(xiě)作中，各位老師、同學(xué)和同事積極的幫助我查資料和提供有利于論文寫(xiě)作的建議和意見(jiàn)，在他們的幫助下，論文得以不斷的完善，最終幫助我完整的寫(xiě)完了整個(gè)論文。另外，要感謝在函授期間所有傳授我知識(shí)的老師，是你們的悉心教導(dǎo)使我有了良好的專業(yè)課知識(shí)，這也是論文得以完成的根底。通過(guò)此次的論文，我學(xué)到了很多知識(shí)，跨越了傳統(tǒng)方式下的教與學(xué)的體制束縛，在論文的寫(xiě)作過(guò)程中，通過(guò)查資料和搜集有關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)了自學(xué)能力和動(dòng)手能力。并且由原先的被動(dòng)的接受知識(shí)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)的尋求知識(shí)，這可以說(shuō)是學(xué)習(xí)方法上的一個(gè)很大的突破。在以往的傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式下，我們可能會(huì)記住很多的書(shū)本知識(shí)，但是通過(guò)畢業(yè)論文，我們學(xué)會(huì)了如何將學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)化為自己的東西，學(xué)會(huì)了怎么更好的處理知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合的