光伏并网逆变器限功率控制策略研究硕士学位论文

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1、 （ 类类 别别 : 全全日日制制硕硕士士研研究究生生题题 目目 ： 光光伏伏并并网网逆逆变变器器限限功功率率控控制制策策略略研研究究 英英文文题题目目：Research on Photovoltaic grid-connected inverter constrained production control strategy研研 究究生生 ： 梁梁 延延 科科学学科科名名称称：电电气气工工程程指指导导教教师师：田田立立欣欣 副副教教授授二二 一一三三年年十十月月硕硕士士学学位位论论文文分类号分类号: :学校代码学校代码: : 1012810128U D C :学学 号号: :2011180

2、012820111800128原原创创性性声声明明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，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 内蒙古工内蒙古工业业大学大学及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做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： 指导教师签名： 日 期： 日期： 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古工业大学有权将学位论文的全部或部分内容保留并向国家有关机构、部门送交学

3、位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。为保护学校和导师的知识产权，作者毕业后涉及该学位论文的主要内容或研究成果用于发表学术论文须征得内蒙古工业大学就读期间导师的同意，并且版权单位必须署名为内蒙古工业大学方可投稿或公开发表。本学位论文属于 保密保密，在 年解密后适用本授权书。不保密不保密。 （请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日期： 内蒙古工业大学硕士学位论文I摘 要 太阳能是一种无污染可再生的绿色能源。随着全球能源不断消耗以及环境污染日益严重，世界各国对太阳能的开发和利用越来越重视。太阳能光伏发

4、电技术得到了快速的发展，已经由初期的离网型千瓦级发展到现在的并网型兆瓦级以及多机并联发电，分布式光伏发电已经开始大规模并网，新能源发电组成的微电网得到了研究与示范应用。文章分析了分布式并网发电和微电网中分布式电源控制技术，采用的光伏并网发电系统具有 MPPT 和限功率两种控制方式；逆变侧采用解耦控制，dq较好的满足了分布式光伏并网发电和微电网光伏分布式电源注入公共电网的限制要求。本文以电力电子仿真软件 MATLAB/SIMULINK 为平台，在光伏组件 P-V 输出特性基础上对光伏发电系统进行了仿真研究，主要分析了光伏 MPPT 和限功率两种发电方式及其切换原理，双级式光伏发电系统由 Boos

5、t 升压电路和电压源型变流器(VSC)组成，分析了前级 Boost 电路 MPPT 和限功率控制方案；对电压源型变流器矢量控制技术进行研究，阐述了光伏发电系统功率传递平衡原理，分析了逆变侧的控制策略，建立了电压源型变流器在同步旋转坐标系下的前馈电流解耦动态数学模dq型。利用 MATLAB/SIMULINK 软件搭建了光伏发电系统的仿真模型，通过对太阳能光伏并网发电系统的仿真，验证了对系统所设计 MPPT 和限功率控制方式的有效性，使变换器功率能够在额定功率范围内自由调节。同时用 ModSim32 测试了组态软件 MCGS 搭建的并网逆变器功率控制监控系统。最后对论文进行了总结，并对后续改进工作

6、提出了建议以及对光伏发电的前景做出了展望。关键词：光伏发电；MPPT 和限功率；电压源型变换器（VSC）；并网控制内蒙古工业大学硕士学位论文IIAbstractThe solar energy is non-pollution, renewable and green energy. With global energy being consumed and environment being polluted seriously, Countries around the world pay more attention to the development and utilization

7、of solar energy. Solar photovoltaic power generation technology has developed very well, already from the early off-grid KW level to the present grid-connected MW level and parallel multi-machine power generation. Large-scale distributed photovoltaic power generation has been connected to the utilit

8、y grid. Micro grid constructed by new energy power generation is being researched and demonstrated. The distributed power control technology is analyzed in distributed grid-connected power generation and Micro grid. There are two kinds of power control modes, MPPT and the constrained power productio

9、n, for photovoltaic grid-connected power generation system; decoupling control for the inverter side. All these satisfy the distributed photovoltaic grid-connected power generation and the photovoltaic distributed power in Micro grid with limited injection requirements to the utility grid.Based on p

10、ower electronic simulation software MATLAB/SIMULINK platform, photovoltaic power generation system based on the simulation is researched considering photovoltaic P-V output characteristic. Model mainly analyzes two kinds of power control modes MPPT and the constrained power production together with

11、the switching principle of two control modes. Two-stage photovoltaic power generation system includes the Boost booster circuit and voltage source converter (VSC). MPPT and the constrained power production control methods are illustrates and implemented in the Boost circuit. VSC works based on vecto

12、r control technology, besides the power transfer balance principle and the control strategy of VSC are learned. The current feed-forward decoupling dynamic mathematical model of VSC is established under the synchronization reference frame.dqUsing MATLAB/SIMULINK software to build the simulation mode

13、l of photovoltaic power generation system, the simulation of solar photovoltaic grid power generation system validated the effectiveness of the power controller of MPPT and the constrained power production designed which can adjust converter freely within the scope of power rating. At the same time

14、configuration software MCGS of grid inverter power control system is tested with ModSim32. Finally, to do the summary, the subsequent improvement suggestions were advised and the prospect of photovoltaic power generation was put forward.内蒙古工业大学硕士学位论文IIIKeyKey wordswords: : photovoltaic power generat

15、ion; MPPT and constrained power production; Voltage source converter (VSC); Grid control目 录第一章第一章 绪论绪论.11.1 选题背景及意义.11.2 国内外研究现状和发展动态.21.2.1 国外光伏发电的现状和发展动态.21.2.2 国内光伏发电的现状和发展动态.21.3 分布式发电中的限功率应用.31.4 微电网中的限功率应用.41.5 两种限功率调节方式.61.5.1 风力发电系统调节方式.61.5.2 光伏发电系统调节方式.61.6 课题主要研究内容.7第二章第二章 光伏并网限功率系统光伏并网限功

16、率系统 DC/DC 侧设计侧设计.92.1 光伏电池输出特性及限功率控制原理.92.2 DC/DC 变换器分类与选取.102.2.1 DC/DC 变换器分类.102.2.2 DC/DC 变换器选取.122.3 BOOST电路 MPPT 和限功率控制设计.152.3.1 Boost 电路 MPPT 控制方法.152.3.2 Boost 电路限功率控制方法 .152.4 本章小结.16第三章第三章 光伏并网限功率系统光伏并网限功率系统 DC/AC 侧设计侧设计.173.1 DC/AC 变换器分类与选取.173.1.1 PWM 电压源换流器拓扑分类.173.1.2 PWM 电压源换流器的矢量控制原理

17、.183.1.3 三相桥 VSC 主电路滤波 L/C 选取.193.2 DC/AC 控制系统.203.2.1 SVPWM 调制方式.21内蒙古工业大学硕士学位论文IV3.2.2 坐标变换.213.2.3 系统模型.223.2.4 电流内环控制系统设计.243.2.5 电压外环控制系统设计.263.3 本章小结.27第四章第四章 仿真结果与分析仿真结果与分析.294.1 滤波电路的类型及滤波特性.294.2 功率控制仿真.314.3 本章小结.35第五章第五章 监控系统监控系统.365.1 MCGS 系统介绍.365.2 MODBUS 协议以及 MODBUS 测试工具.375.2.1 MODBU

18、S 协议.375.2.2 MODBUS 测试工具.385.3 图形界面.385.4 本章小结.40第六章第六章 总结与展望总结与展望.416.1 总结.416.1 展望.42参参 考考 文文 献献.43致致 谢谢.46作作 者者 简简 介介.47第一章 绪论1第一章 绪论1.1 选题背景及意义图1-1太阳能电力将成为 21 世纪的主要能源1Fig. 1-1 Solar power will become the main energy in the 21st century当电力、煤炭、石油等化石能源迅速消耗枯竭，化石能源问题日益成为制约世界社会经济发展的瓶颈时，太阳能作为可再生能源的重要一员

19、，得到了各个国家的青睐，越来越多的国家开始实行“阳光计划” ，以光伏建筑一体化和光伏屋顶等形式开发利用太阳能资源，形成了新的经济产业链。太阳能在可再生能源所占比例逐年增加，图 1-1 显示未来太阳能在能源供应中所占比例。同时随着科学技术的发展，太阳能利用技术也趋于成熟和稳定。目前太阳能的应用较为广泛的主要是太阳能供热和太阳能发电两个领域。从长远前景来看，光伏发电是最具潜力的战略替代发电技术。其中利用光伏发电的形式有离网型光伏系统和并网型光伏系统。其中并网型又包括大型光伏电站和分布式发电系统及微电网系统。分布式发电所占比重与日俱增，并且未来分布式光伏发电将会占到很到的电力供应比例，微电网也将作为

20、智能电网的重要组成部分而被广泛应用。未来不能仅仅局限于分布式发电单元的基本功能和并网标准（电压、电流、功率因数、孤岛、谐波、闪变、短路能力）等传统的规定，而是需要真正将分布式电源在大电网和微电网中作为整体电网的潮流单元来分层管理2。本文研究了限功率内蒙古工业大学硕士学位论文2控制，以期望在分布式光伏发电管理系统和微电网功率控制中得到较好的应用。1.2 国内外研究现状和发展动态1.2.1 国外光伏发电的现状和发展动态光伏并网逆变器功能已经很完善，如多机并联、独立后备与并网发电两用、多机组合群控、最大功率自动跟踪、孤岛效应防止、远程调度管理等3。并网系统己经在国际市场中占据了主导地位。在国外，布式

21、光伏发电主要应用在城市屋顶并网、光伏建筑一体化和光伏声屏障系统等方面。由于欧美日本等发达国家均实施了相应的措施鼓励居民投资屋顶光伏系统。因此，分布式并网系统的市场份额要远远大于集中式并网系统，在 IEA-PVPS 项目成员国中就达到了 14:14。在微电网方面，欧盟重点研究多个微网连接到配电网的控制策略，协调管理方案，系统保护和经济调度措施，以及微网对大电网的影响等内容。美国在热电联产式微网的发展做出了重要贡献。日本目标主要集中在研究间歇的可再生能源发电对微网控制的影响。1.2.2 国内光伏发电的现状和发展动态国内的光伏并网逆变技术与国外先进技术有一定差距，由于分布式光伏并网发电功率的波动性，

22、涉及气象预测，最大功率点跟踪，逆变器效率，功率控制管理系统，使太阳能光伏发电广泛接入大电网方面还不成熟。太阳能发电成本较高，我国新能源发电扶持力度不够，配电网结构不足已支持大规模并网56，微电网没有广泛应用，上网电价制度不健全等。我国光伏发电整体落后。目前我国国内并网系统主要两种发展方式7：1大型和超大型并网光伏电站系统。一般是由光照资源较好的偏远地区经过高压输电网络向大城市的负荷终端输送，可参与电力系统调度。但是存在以下缺点：（1）市场因素决定了负荷分配和光伏电站建设成本等的变化，但是从偏远地区到负荷终端的输电网络不能随意调整且投资成本大，容易造成输电设备的投资浪费。（2）对于输送到偏远地区

23、的集中式光伏电站由于远离负荷终端，相比于分布式发电为本地负荷供电输电费用高。（3）对大电网系统中的光伏电站而言，由于光伏供电的不可靠行，容易造成大面积停电事故，对电力系统的经济运行造成了严重影响。第一章 绪论32分布式发电和微电网。我国光伏组件产能过剩，国家加大了对光伏产业的扶持力度，扩大内需，未来几年我国分布式光伏电站将会继续增多。我国分布式光伏并网发电面临很大机遇。分布式光伏并网发电的利用形式8：（1）自发自用，不向电网反送电力；（2）自用为主，余电上网；（3）接入公共配电网，电网收购，统购统销。我国的小型分布式电源组成的微网的研究还是刚刚起步，如浙江省电力试验研究院设计的浙江东福山岛风光

24、柴海水淡化综合系统工程提出了交直流混合微网，综合考虑最大化利用可再生能源减少柴油发电，同时兼顾蓄电池使用特性最大化延长使用寿命的运行策略，中新天津生态城智能电网综合示范工程微网系统等等。微电网技术和利用形式还处于探索阶段。1.3 分布式发电中的限功率应用逆功率保护控制系统本地负载通讯通讯DCACDCAC功率采集模块通讯UTILITY GRIDPCCPinjection 0图 1-2 分布式发电的逆功率保护Fig.1-2 Reverse power protection of distributed generation由于分布式光伏接入配电网将改变传统配电网的辐射式配电方式，配电网电压管理问题

25、是大规模分布式光伏发电发展的最大挑战之一9，因为分布式光伏发电系统的不可控，大电网要求分布式电源只供应本地负荷，限制其电能通过大电网网络供应其他负荷。低压配电网中的光伏发电装置只准满足并网点以内的负荷消耗。通过添加逆功率保护装置，在负荷变化时，检测并网点的电压、电流、功率情况，通过限功率控制方式调节逆变器输出，始终保持并网点内部功率平衡。因为负载的投切时间短，逆变器的功率调节慢，并网点电压会受到负荷突变冲击，但在低压配电网中容量配置中冲击影响较小。这种逆变器动态调节方式相比于逆变器硬切除而使内蒙古工业大学硕士学位论文4并网点内光伏发电和负荷消耗功率匹配的方式，增加了灵活性，提高了供电质量。1.

26、4 微电网中的限功率应用馈线A馈线B馈线CACDCDCAC微型燃气轮机PVPVDCACDCACPCCGACDCDCACUNITIY GRIDDCAC飞轮储能光伏蓄电池齿轮箱风力机Pinjection Pinjection_limitedDCDCDCAC光伏图 1-3 微电网基本结构Fig.1-3 micro grid power balance adjustment微电网通常包含分布式电源、储能装置和负荷。微电网中分布式电源具备的功能10：基本功能并网电流控制，直流电压控制，电网同步；辅助功能无功补偿、有源滤波、故障穿越、电网支撑（电压、频率） 。在微电网中除了分布式电源具备的基本功能外还要考

27、虑分布式电源在微电网中的信息管理系统11121314。微电网负荷分为常规负荷和敏感负荷，必要时常规负荷可被切除。微电网有两种运行模式，孤岛运行和并网运行。在孤岛状态，微电网所发电能用来满足本地负荷需求，达到功率平衡。而在并网情况下，微电网吸收功率或向公共电网注入功率。微电网做为智能电网的一部分，用来平衡公共电网，同时降低成本，提高供电质量如图 1-3。微电网中分布式电源常见的控制方式：1下垂控制若需要通过电网或微电网向负载供电，且需要在不同电源之间实现功率均分，可通过使用“下垂控制”及其派生的控制方法来实现。其基本思路是复现传统的同步发电机特性，也被称为虚拟同步发电机控制方式15。一般来说，此

28、类发电机与调速器控制的蒸汽涡轮相连，其控制策略为，输出有功功率增大时频率降低，输出无功功率增大时电压幅值减小。下垂特性应由有功功率分配及额定功率的大小而定，无功功率也应有类似的下垂特性，以保证无功功率的分配和均衡。模拟同步发电机第一章 绪论5的外特性，被称虚拟同步发电机（VSG） ，具备调压调频功能。2微电网的 PQ 控制中小型分布式电源可以采用恒功率可控负荷外特性方式进行并网，从而有效避免分布式电源直接参与电网馈线的电压调节。该控制方法需要系统中有维持电压和频率的分布式电源或电网。该系统包括三个控制环：内环电流控制环、外功率控制环和锁相环11。锁相环有多种控制方式，例如基于正交信号的相角检测

29、方法；基于自适应滤波器的 PLL；基于 2 阶广义积分器的同步方案等。这种控制方式不参与微电网调频调压， PQ 控制方式相比于下垂控制和恒压恒频控制较简单，适用于微电网中小容量的分布式电源，可以达到微电网功率平衡的目的。3恒压恒频控制方法16以恒定的频率直接控制逆变器，以交流侧出口电压为调节对象，V/f采用交流电压闭环控制，最终使输出电压和频率稳定在给定值附近。一般在微电网孤岛状态下使用这种控制方式，这时分布式电源作为主单元，可视为具有恒定频率的电压源，维持了整个系统的电压、频率稳定。这种控制方式适用于大容量的分布式电源，并且应该具备长时间运行的能力。在微电网中，光伏发电和风力发电受环境因素影

30、响，功率波动大、单个系统容量大。配备储能装置时可应用下垂控制、恒压恒频、PQ控制，但储能成本较高；微电网与公共电网并联时可以起到调峰作用，但并不是向电网注入功率越多越好，对光伏并网发电系统来说，PV系统输出电能的波动能够影响微电网电压和微电网运行质量。随着PV系统输出容量的增加，在光照强度变化时，PV并网发电系统追踪最大功率点轨迹会产生波峰和波谷，而光伏并网发电系统采用的是电力电子器件，其运行惯性小，大电网对微电网所需电能的调节时间比PV系统波动时间长的多，因此依靠公共电网对含有高容量PV系统的微电网电能的波动调节将十分困难，所以微电网向公共电网渗透的功率过大时会引起公共电网稳定性方面的问题。

31、PV光伏并网发电系统应该降低自身波动性，以减少微电网与公共电网并联时的最大电能交换。具有限功率控制方式的光伏并网发电系统具有削峰作用17 18，可减少微电网与公共电网的互相依赖程度，提高系统的可靠性。这比只用储能装置调峰降低了成本，限功率控制的局限是只能向最大功率以下调节。对于波动性较大的光伏发电和风力发电而言，为了限制波动，风机可按恒功率和直流斩波限制功率；光伏可按调节PV组件输入阻抗限制功率。限功率控制方式不参与调压、调频，只是满足功率平衡要求发电。内蒙古工业大学硕士学位论文61.5 两种限功率调节方式1.5.1 风力发电系统调节方式风力发电具有波动性，机侧即可以调节风机的最佳叶尖速比和调

32、节桨矩角使风机保持最大风能利用率，也可以使风力发电机保持在恒功率运行状态。风力发电系统网侧采用背靠背变换器如图 1-4，网侧控制策略采用离网运行模式，也可采用并网运行模式。变换器的输出电压是直接控制的，没用电流控制，需限流器防止电流过高。恒功率运行状态，在风速波动时，由于风力发电机械转矩惯性大，调节功率响应慢，变换器部分功率可能产生较大的波动，控制图 1-8 背靠背变换器中间直流电压可以调节输出到电网的功率，当直流母线电压低于额定直流母线电压时，直流电压控制器才作用。如果直流母线电压高于额定直流电压，直流斩波器将消耗过剩的功率。消耗的功率由负载决定。调速可在一定程度平衡功率。最终多余的功率将通

33、过启动斩波器使其在阻尼电阻上迅速消耗19。G模式切换SVM斩波器控制齿轮箱风力机_变压器并网控制离网控制UTILITY GRID*,DCDCVVDCV*,P Q*dqV*dVPWMR图 1-4 风力发电功率控制结构图Fig.1-4 Wind power control structure1.5.2 光伏发电系统调节方式光伏并网发电系统的基本结构如图 1-5，前级电路可通过控制 Boost 斩波电路，调节 PV 系统的输入电阻，使 PV 组件输出不同的功率，Pconstrained 为限功率给定与 Ppv 功率比较使 PV 组件以 MPPT 或限功率运行。可调度式并网光伏发电系统20通常配备铅酸

34、蓄电池，铅酸电池的储能容量一般较小，在较大容量光伏并网逆变器并网时，使其工作在限功率控制模式时，可降低蓄电池的选用容量。逆变系统并网时可控制注入电网功率，孤岛时可有效控制蓄电池不被过冲损坏。这种功率控制需要良好的能量管理系统。第一章 绪论7PWMpvPMPPT&CONSGRIDDC LOADSOCPVBoost斩波电路constrainedP图 1-5 光伏并网系统结构框图Fig.1-5 Photovoltaic grid system structure diagram1.6 课题主要研究内容由于我国的电网结构还不具备广泛接入分布式光伏电站向电网馈能212223，在配电网升级之前，分布式光伏

35、电站还是主要是以“自发自用，不向电网反送电力”为主。在金太阳光伏电站项目中都加装了逆功率保护系统。同时，在微电网中需要灵活的功率控制方式，使光伏并网逆变器在（0MPP）任意一个功率等级工作，减少光伏发电系统的波动性，以尽量避免微电网与公共电网交换峰值功率。本课题就光伏并网逆变器功率控制方式展开研究，具体研究其限功率控制方式。第一章 首先介绍了太阳能光伏发电国内外应用现状，包括集中式电站、分布式电站和微电网中分布式电源的应用。其次介绍了光伏分布式电源在配电网中的限功率方式；分布式电源限功率调节在微电网中的重要意义。最后阐述了微电网中具有功率波动性的风力发电和光伏发电限功率控制方式。第二章 在光伏

36、电池 PV 特性曲线的基础上阐述了 MPPT 和限功率控制原理，总结了 DC/DC 变换器分类，选取 Boost 电路作为 DC/DC 变换环节，阐述了 Boost 电路的工作原理和参数计算方法，以 Boost 电路为基础设计 MPPT 和限功率控制系统。第三章 针对双级式光伏并网逆变器的限功率控制结构，设计它的逆变部分，主要包括逆变电路的分类和矢量控制原理、交流侧滤波电路和中间直流电容的选取原则，再以主电路参数为基础设计逆变部分的控制系统，包括调制方式、坐标变换和系统模型，最后计算电压环和电流环的 PI 控制参数。第四章 在 MATLAB 中搭建限功率并网逆变器系统模型，比较了 LC 滤波和

37、 L内蒙古工业大学硕士学位论文8滤波的电流波形，验证了光伏并网逆变器 MPPT 和限制功率两种工作模式输出，及在光照强度变化时抑制输出功率的波动性。第二章 光伏并网限功率系统 DC/DC 侧设计9第二章 光伏并网限功率系统 DC/DC 侧设计2.1 光伏电池输出特性及限功率控制原理依据物理电子学理论分析可获得光伏电池的单二极管等效电路及其数学模型，其中含有 5 个未知参数，、和，这 5 个参数与光伏电池温度和光phIoIsRshRn照强度有关，但光伏电池厂商并不提供这 5 个未知参数，确定比较困难，不适合于工程应用。厂商一般提供标准测试条件下 5 个参数、 、和，STC（）ocVscImImV

38、mP工程上利用这些参数建立了适合于光伏系统设计的工程用数学模型24。(3-1)11VSCIIe(3-2)ococmVVVscmscIII(3-3)11lnocV(3-4)refTTT(3-5)refSSS(3-6)=1scscrefSIIa TS(3-7)ln() (1)ococVVeb Sc T(3-8)1mmrefSIIa TS(3-9)ln1mmVVeb Sc T上式，自然对数底数 约为；补偿系数， 的常用推荐值为e2.71828abc，。10.0025aC120.005/bWm10.00288cC根据光伏电池的通用工程模型及其数学公式在 MATLAB 中仿真，设定开路电压为 360V，

39、短路电流 15.3A，最大功率点电压 280V，最大功率点电流 14.3A，辐照度在、时，组件温度时的 P-V 特性曲线如图21000/mW2900/mW2800/mW25 C2-1内蒙古工业大学硕士学位论文10050100150200250300350400010002000300040005000 21000/W m2900/W m2800/W mPconstrained电压/V功率/W图 2-1 光伏阵列 PV 输出特性曲Fig. 2-1 Curve of PV array power-output针对光伏组件的 PV 特性曲线，有 MPPT 控制和限功率控制两种控制方式。本课题考虑了并

40、网逆变器直流电压利用率和 PV 组件直流电压等级，选用双级式光伏并网逆变器。双级式光伏并网逆变器，最大功率跟踪和限功率控制在接 DC/DC 电路中实现，逆变并网控制在逆变回路完成。2.2 DC/DC 变换器分类与选取2.2.1 DC/DC 变换器分类1直接变换电路直接 DC-DC 变换电路又称为直流斩波电路。单象限直流斩波电路25，有六种基本类型，分别是降压斩波器（Buck 电路） ，升压斩波电路（Boost 电路） ，升降压斩波电路（Buck-Boost 电路） ，Cuk 电路，Sepic 电路和 Zeta 电路。此外还有双象限电路（如图 2-2d） 、四象限斩波电路如单相全桥拓扑电路。Bo

41、ost 电路称为升压型斩波电路，平均直流输出电压高于直流输入电压。升压型电路输入端串联电感，可视为电感输入电路或近似于电流源电路，而出端并联滤L波电容以构成电压型负载26。Buck 型电路是降压型电路，与 Boost 电路在拓扑上是对偶关系， Buck 电路输入端并联电容可视为电压源电路，输出串联电感以构成dC电流型负载。直接变换电路常见拓扑如图 2-2。第二章 光伏并网限功率系统 DC/DC 侧设计11 CVDLsiUoURoCVDLsiUoURdCa. Boost 电路 b. Buck 电路 CVDLiUoURsCVDiUoUs+-c. Buck-Boost 电路 d. 双象限电压源电路图

42、 2-2 直接变换电路常见拓扑Fig. 2-2 Direct conversion circuit topology2间接变换电路间接 DC-DC 变换电路也称隔离型 DC-DC 变换电路。隔离型 DC-DC 变换电路的拓扑结构主要有反激电路、正激电路、半桥电路和全桥电路。隔离型 DC-DC 变换器的功率等级与电路拓扑相关。反激电路、正激电路、半桥电路的功率等级在数百瓦到数千瓦之间。全桥电路功率等级在数百瓦到数百千瓦。典型应用为高频谐振变换器利用软开关技术，这提高了电力电子变换器的效率，降低了散热要求，减小了散热器的尺寸和重量。常见的实现功率开关管的谐振软开关技术27有准谐振电路（ZVS 或

43、ZCS） 、零开关 PWM 电路（ZVS-PWM 或 ZCS-PWM） 、零转换 PWM 电路（ZVT 或 ZCT） 。其中准谐振电路电压或电流波形为正弦波且幅值很大，需要采用脉冲频率调制控制方式（PFM） ，通过改变输出阻抗以达到调节输出功率的目的。而零转换 PWM电路，需要辅助功率器件，软开关也仅用于主功率器件的零电压转换或零电流转换。移相控制全桥软开关变换器2829在不增加或很少增加元器件的前提下，实现了零开关 PWM 控制，零开关 PWM 电路中电压和电流基本为方波，开关管承压明显降低，采用开关频率固定的 PWM 控制方式，可以输出大功率、高频化，在通信电源领域应用较广泛。在移相控制全

44、桥软开关变换器中通过引入超前桥臂和滞后桥臂概念，超前桥臂只能实现 ZVS，滞后桥臂可以实现 ZVS 或 ZCS。在 0 状态恒流模式原边电流为恒流内蒙古工业大学硕士学位论文12源情况下，重载时，前后桥臂都可以实现 ZVS，轻载滞后桥臂难以实现 ZVS，但是在低压重载情况下，副边占空比丢失尤为明显，不能满足额定电压输出，因此重载时存在滞后桥臂实现 ZVS 和副边占空比丢失的矛盾；而采用辅助谐振网络的全桥拓扑可以实现超前桥臂和滞后桥臂在较宽的负载条件下的 ZVS，同时降低变压器副边占空比丢失，提高了变换器的效率和输出电压调节范围。在 0 状态电流复位模式即原边电流为零情况下，滞后桥臂实现 ZCS，

45、ZVZCS PWM 不存在原边环流，提高了变换器的效率。可以使变换器在宽负载和输入电压变化范围内实现滞后桥臂的零电流开关。 基本的 ZVS PWM 全桥变换器 采用辅助电流源网络的全桥变换器 采用饱和电感网络 整流二极管电压震荡抑制电路图 2-3 谐振软开关 ZVS 全桥变换器Fig. 2-3 The resonant soft switching full bridge ZVS converter2.2.2 DC/DC 变换器选取光伏并网系统中采用 Boost 非隔离 DC/DC 变换器，Boost 电路具有效率高，易第二章 光伏并网限功率系统 DC/DC 侧设计13于实现控制等优点。在 B

46、oost 升压 DC-DC 变换器，借助于 DC-DC 实现最大功率点跟踪，既保持了升压功能，又实现了最大功率点跟踪。中间直流电压由逆变侧电压外环控制，使逆变侧保持为直流稳压源特性，直流母线电压控制速度应快于 MPPT控制30。Boost 升压 DC-DC 变换器。该电路也存在电感电流连续和电感电流断续两种工作过程。光伏阵列1C2C1VD2VD1LSPWMMPPT&CONSPpvPconstrained图 2-4 光伏阵列选用的 Boost 升压电路Fig.2-4 Boost booster circuit of Photovoltaic array电流连续下的外特性分析：电流连续指输入电感中

47、电流保持连续。存在关系式电压增益LLi(2-1)011ViUAUD输入电流处于临界连续状态时有Li(2-2)2iLdcU DTIILCCM 状态下的电流增益(2-3)1oILIADI 输出电流临界连续值1ocI (2-4)0112iocdcU DD TIIDL升压电感的选择L (2-5)02iocU DD TLI10.20.3ococII滤波电容的选择C (2-6)220020=2U D DCL U f内蒙古工业大学硕士学位论文14按上述公式计算并在 MATLAB 中试凑，Boost 主电路取 PV 侧, 1520CFBoost 升压电感。10.4LmH00.250.50.7511.251.5

48、00.250.50.751D ooc2m/IIio/0.25UU io/0.50UU io/0.80UU 电流断续区电流连续区图 2-5 为参变量时的升压型电路外特性o/iUUFig. 2-5 for the type of booster circuit external characteristic parametero/iUU对于直流开关电源设备，输出电压为恒值，在产生变化时通过调节 D 值oUiU来维持不变。以为恒值时的电路外特性如图 3-5。oUoU将式(2-1)代入(2-4)临界连续电流用表示：2ocI(2-7)2o022ocU DD TIL时，有最大值：=1 3D2ocI(2-8

49、)o2m227ocU TIL用表示2ocI2mocI(2-9)22oc2m0274ocIIDD当，电流断续有ooc2II(2-10)12oioioocm4/-1/27DUUUUII虚线右侧为电流连续区，左侧为电流断续区，在断续区为保证为定值，o/iUU占空比应随变化。DoI第二章 光伏并网限功率系统 DC/DC 侧设计152.3 Boost 电路 MPPT 和限功率控制设计2.3.1 Boost 电路 MPPT 控制方法扰动观察法（爬山法）是 MPPT 方法中应用较为广泛的一种方法。常规的扰动观察法又分为电压干扰法和占空比干扰法。在 Boost 电路中，稳态时负载端电压和光伏电池 PV 端输出

50、电压存在如下关系：LVPVV(2-11)(1)PVVVD因此 DC/DC 变换器开关占空比决定光伏电池输出电压，控制占空比可调DD节光伏电池的输出电压，从而实现 MPPT 控制。图 3-2 为 P&Q 法控制流程图31 ，在光伏电池输出功率在最大功率点左侧时，占空比向减小方向移动；光伏电池输出功率在最大功率点右侧时，占空比向增大方向移动。这与电压扰动观察法的电压移动方向一致。设定占空比初始值检测输出电压 ，输出电流nVnIDDD计算nP()nnnPV I1nnPPDD YN图 2-6 占空比 P&Q 控制流程图Fig.2-6 Duty ratio P&Q control flow chart2

51、.3.2 Boost 电路限功率控制方法如果给定限功率大于 PV 输出功率，经 MPPT 模块和限功率 PI 调节后，小于，占空比输出取，MPPT 模块保持周期扰动实现最大PVMPPTdPVMPPTdPVMPPTd功率点跟踪内蒙古工业大学硕士学位论文16如果给定限功率小于 PV 输出功率，经 MPPT 模块和限功率 PI 调节后，小于，占空比输出取，PV 阵列输出电压大于，即在最大PV CONSdPVMPPTdPV CONSdmV功率点右侧运行，同时使 MPPT 停止扰动，保持不变，当给定限功率再次PVMPPTd小于 PV 输出功率时，MPPT 模块在基础上继续寻优。PVMPPTdENMPPT

52、PVvPVi-PV CONSpPVpPV CONSdminPIPV MPPTdPWM+-图 2-7 MPPT 和限功率两种工作模式控制原理图Fig.2-7 MPPT two working mode and the limit of power control principle diagram-K-1s-K-132-K-1KpKi图 2-8 PI 控制器Fig.2-8 PI Controller图 4 所示为限功率占空比 PI 控制3233，根据 PV 输出功率和限功率给定差值，线性调节使占空比在 0-1 之间线性调节，在限功率时，PI 将占空比调至小于 MPPT占空比输出。在 MPPT 工

53、作模式时，PI 将限功率占空比调节,至饱和状态。是去cK饱和控制参数。在占空比输出在饱和限制内时，不起作用。如果积分器输出饱和，cK支路反馈，使积分器输出在饱和值，防止积分器输出无穷大。cK2.4 本章小结在 PV 特性曲线的基础上，阐述了 MPPT 和限功率控制原理。在双级式并网逆变器的基础上阐述了 DC/DC 变换器分类及其应用，并说明了 Boost 电路实现的功能（MPPT 和升压） ，对隔离型 DC/DC 变换器软开关技术进行了概括，其中软开关全桥移相变换器应用较为广泛，对其中 4 中典型电路做出了分析比较。最后选取了Boost 升压电路，选取了扰动观察法和限功率控制方法一起构成 Bo

54、ost 电路的控制系第二章 光伏并网限功率系统 DC/DC 侧设计17统，阐述了两种功率控制模式的切换原理，并对限功率控制器做出了解释说明。内蒙古工业大学硕士学位论文18第三章 光伏并网限功率系统 DC/AC 侧设计3.1 DC/AC 变换器分类与选取应用于电压源换流器中的功率开关管主要有晶闸管（SCR） ，电力晶体管（GTR） ，可关断晶闸管（GTO） ，电力场效应晶体管（MOSFET） ，绝缘栅极双极型晶体管（IGBT） 。其中 SCR 为半控型器件依靠电网换相，被用于有源逆变电路中，相比自关断功率管，适用于大容量场合中，如交流串级调速系统、直流可逆电力拖动系统、高压直流输电等领域34。G

55、TR，GTO，MOSFET，IGBT 均为自关断器件，GTO，IGBT 适用于大功率场合，另外集成门极换相晶闸管（IGCT） 是在 GTO 的基础上发展起来的，它同时具有 IGBT 和 GTO 的优点，是一种比较理想的适用于中、高压大功率的开关器件35。因为可以实现自换相，自关断器件同样适用于无源逆变电路。采用 PWM 技术，这些自关断器件实现了电能的灵活控制。3.1.1 PWM 电压源换流器拓扑分类表3-1 三相逆变器拓扑比较Table3-1 Three-phase inverter topology三相大功率优点缺点两电平变换器针对三相电路，控制简单谐波较大，电磁干扰大二极管箝位型多电平变

56、换器不需要变压器、箝位电容，能够实现四象限运行所使用箝位二极管较多，直流电容电压平衡控制难，主开关器件容量不等飞跨电容型多电平变换器不存在开关管电压不均衡和二极管反向恢复特性问题，能够实现四象限运行箝位电容电压平衡控制困难。逆变系统体积大，电容的工作特性存在差异，难以保持系统稳定性级联型多电平变换器电路拓扑简单，无钳位二极管，无电容电压平衡问题；需要多个独立直流源，网侧多重隔离移相变压器制造复杂，成本高，且不易实现四象限运行。本课题针对低压配电网逆变器进行控制研究，主要研究三相拓扑电路。三相逆变器拓扑比较如表 3-1。经过优缺点比较，本课题针对中功率的光伏逆变器进行控第三章 光伏并网限功率控制

57、系统的 DC/AC 侧设计19制分析，以两电平拓扑为例，实现逆变控制。三相逆变电路的主要应用领域：柔性交流输电（FACTS） ；高压直流输电（HVDC） ；有源电力滤波(APF)；无功补偿(STATCOM)；统一潮流控制器（UPFC） ；超导磁能储存（SMES） ；四象限交流电动机驱动系统；太阳能、风能等可再生能源的并网发电35。3.1.2 PWM 电压源换流器的矢量控制原理PWM 电压源换流器的优良性能：网侧电流为正弦波；网侧功率因数控制；电能双向传输；较快的动态控制响应。由于电能的双向传输36，当 PWM 电压源换流器从电网吸取电能时，其运行于整流状态。当 PWM 向电网输送电能时，其运行

58、于有源逆变工作状态。PWM 电压源换流器网侧电流及功率因数可控，其拓扑结构可被用于有源电力滤波器和无功补偿。PWM 电压源换流器的运行状态，稳态情况下，若忽略谐波，电压源换流器交流电压的基波分量为与电网电压同频的正弦波，因此可得换流器稳态等效电路图 3-1。siRLsucudcidculoadiloadR图 3-1 电压源换流器并网发电等效电路图Fig.3-1 Voltage source inverter hooked up to the equivalent circuit diagram设电网电压，换流器交流电压为，简化分析，忽略电感内阻，以电网电sucuR压 A 相电压为相位参考，即有

59、(3-1)0ssccUUUU于是(3-2)cossinjcscsUUUILL 以整流状态下有功功率为正，容性无功为正，则(3-3)acacResin(cos )ImscsssscssU UPU ILU UUQU IL 控制换流器交流电压的幅值和相位角，可以分别独立控制换流器与电网交换的cU内蒙古工业大学硕士学位论文20无功功率和有功功率，使电压源换流器工作于四象限，如图 3-2。通过对网侧电流的控制，实现换流器的四象限运行。sIsUcULUPQsIsUcULUPQA 感性无功补偿 B 单位功率因数整流sIsUcULUPQsIsUcULUPQC 容性无功补偿 D 单位功率因数逆变图 3-2 电压

60、源换流器矢量控制技术Fig.3-2 The voltage source inverter vector control technology3.1.3 三相桥 VSC 主电路滤波 L/C 选取VSC 系统中，交流电感的选取十分重要，交流电感的取值不仅影响到电流环的动、静态响应，而且制约着 VSR 输出功率、功率因数及直流电压。（1）输出功率与电感之间的关系三相 VSC，采用空间矢量 SVPWM 控制，则 M=。忽略 VSC 损耗，则3 3(3-4)3cos23sin233mmmmpE IqE IM三相 VSC 交流侧有功功率p三相 VSC 交流侧无功功率q(3-5)22222dc1sinco

61、s +cossin+32mmmmEEVELp 或(3-6)22222dc1sincos +cossin+32mmmmEEVELq 表 3-2 给出了采用 SVPWM 三相 VSC 交流侧电压矢量端点在四个特殊工作点时，满第三章 光伏并网限功率控制系统的 DC/AC 侧设计21足交流侧有功功率或无功功率指标时某一相的电感上限值，其中，pqdc2mVE为网侧相电压峰值。mE表 3-2 特殊工作点（A、B、C、D）三相 VSC 电感上限值Table3-2 Special working point (A, B, C, D) three-phase VSC inductance on the thre

62、shold特殊工作点ABCD90090180、取值pq及状态0p 0q 0p 0q 0p 0q 0p 0q L 2dc332mmEE Vq22dc392mmEVEp2dc3+ 32mmEE Vq22dc392mmEVEp（2）谐波抑制与电感之间的关系电感取值范围(3-7)dcdcdcmax23223mmsmVEE TVLViI其中需满足(3-8)dcmax2dc3 234mmsmVEETiIV（3）直流侧电容的设计一般而言，从两个方面来设计直流侧电容：中间直流电压环的跟随性能指标和抗扰性能指标， VSC 直流侧电容越小，逆变侧调节速度快速；VSC 直流侧电容越大，直流侧负载扰动时带来的功率震荡

63、越小。VSC 直流电压快速调节的电容设计：(3-9)*0.74rLetCRVSC 直流电压抑制直流侧电源扰动时的电容设计：(3-10)m12LeCV R为中间电容电压上升至额定直流电压时间，折中考虑交流滤波电感，*rt=25mHL中间滤波电容。2=350CF3.2 DC/AC 控制系统光伏并网逆变器通常由电压环和电流环控制，电流环的控制方式较多有 PI 调节控制、PR 谐振控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制等。本课题电压环和电流环均采用 PI 控制。逆变侧控制环上的环节较多，其中包括脉冲调制方式；坐标变换；内蒙古工业大学硕士学位论文22有功分量和无功分量解耦；电流环、电压环 PI 控制器；最

64、后在考虑 LC 滤波器的滤波特性基础上进行仿真分析。3.2.1 SVPWM 调制方式采用 SVPWM 控制时，相电压幅值条件和线电压幅值条件：(3-11)3dcamabmdcvvvv采用 SPWM 控制时，相电压幅值条件和线电压幅值条件：(3-12)1232amdcabmdcvvvvSVPWM 即电压空间电压矢量 PWM，调制比：(3-13)rmsd3UmU为调制度，为某一相的指令电压幅值，直流电压。根据、扇区和smrmUdUsm开关周期计算扇区矢量作用时间37。sT3.2.2 坐标变换38通用矢量，是指用一个空间旋转矢量来表示三个在静止对称轴（, ）上的abc三相投影，这个表示三相投影的物理

65、量的矢量称为通用矢量。以三相电流为例进行分析。三相静止坐标系（, ）到两相静止坐标系（，）的变换。与轴重abca合，滞后，在，轴上的投影：90I(3-14)22cossinmmmiIiIIii在、 三轴上的投影为Iabc(3-15)coscos120cos120ambmcmiIiIiI根据三角函数关系推得，第三章 光伏并网限功率控制系统的 DC/AC 侧设计23(3-16)111222333022abciiiii 两相静止坐标系，到两相旋转坐标系、的变换。dq起始时刻与轴重合，两轴夹角随时间变化，滞后轴。ddq90(3-17)cossinsincosdqiiii 两相旋转坐标系、到两相静止坐标

66、系，的变换dq(3-18)cossinsincosdqiiii 由上述式子可得，三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换阵(3-19)coscos120cos1202sinsin120sin1203adbqciiiii 锁相与坐标变换，在 MATLAB 中，电源相位为函数，锁相环相位需要变为sin函数形式。存在下面关系：，固坐标变换所需。cossincos2tt2t在逆变侧控制系统中需要坐标变换的地方锁相环到和，到和以abcEdeqeabcIdiqi及 SVPWM 中。3.2.3 系统模型图 3-3 为三相并网逆变器模型39：aSbSaSbScS1LcS2C1Caubucusausbuscudcii1ci2ci1ai1bi1ci2ai2bi2ciRRR图 3-3 逆变侧并网结构图Fig.3-3 Inverter side grid structure内蒙古工业大学硕士学位论文24选择电感电流，电容电压，为状态变量，在三相平衡的1L1ai1bi1ci2Ccaucbuccu情况下列出 A，B，C 三相的状态方程为：(3-20)11111 12112dcdckkkkkkoskckkkckkduC