太阳能光伏并网逆变器的设计(2)
致谢 39
参考文献 40
附录A 光伏并网逆变器仿真模型图 42
1 引言 1.1 课题研究背景及意义 能源作为世界文明发展的动力，一直是人们不断探索和追寻的目标。从“电学研究之父”吉尔伯特发现电力，到法拉第发明世界上第一台发电机，再到世界最早的电厂纽约曼哈顿珍珠街电厂的建立，随着人类对电能的不断研究和利用，电能已经成为当今现代社会所有动力能源中，使用最为便利，应用最为广泛的能源。电能已经成为人类生活和生产中必不可少的组成部分。早期人们利用化石能源发电，火力发电成为当时的主要电力供应方式。但是，随着人类对能源需求的不断增加，传统的化石能源已经不足以为人类持续的提供电能，同时人类在对化石能源利用的过程中引发了严重的环境污染问题。 近年来，日益严重的能源问题和环境问题迫使世界各国对能源结构作出了调整，为了实现可再生能源取代传统化石能源的目标，可再生能源技术得到了大力发展。所示为欧盟联合研究中心对 21 世纪世界能源使用结构的预测。从图中可以看出，到 2020 年，光伏发电所占各类电力供应比重将逐渐增加；到 2040 年，加速扩大；到 2050 年以后，光伏发电将成为世界能源供应的主要方式之一[1]。这充分显示了光伏发电良好的发展前景以及广阔的应用空间。但是光伏发电站的建设需要较大的初始投资，而且其发电效率也有待提高。是以探索高性能、低成本的新型光伏组件和努力减少光伏发电过程中的能量损耗、提高运行效率，是其当前主要研究方向。太阳能光伏发电系统按照与电网的连接方式，通常可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两种。与独立光伏发电系统相比，并网光伏发电系统省去了成本较高、文护较难的蓄电池，降低了系统的运行成本，提高了系统运行和供电可靠性，因而具有更广阔的发展前景。并网光伏发电系统通常是由光伏电池阵列、控制器、并网逆变器、负载和电网组成的[2]。其中，并网逆变器的作用是高效地将太阳能通过光伏阵列转换来的直流电转换为交流电，并使其符合电网的并网要求，是光伏并网系统能量转换和控制的关键部分。并网逆变器的性能不仅影响着整个系统的稳定性和高效运行，同时也是影响系统使用寿命的主要因素。因此，研究并网逆变器的关键技术、控制策略和拓扑结构，对于提高光伏发电系统的发电效率、降低其发电成本具有极其重要的意义。
1.2 国内外研究现状 近几年，由于发达国家如德国、日本、美国等对光伏行业的政策扶持，光伏逆变器的发展十分迅猛。但由于技术方面的原因，目前全球光伏逆变器市场几乎完全由国际几大霸主控制，其中欧洲是光伏发电的先行者，其光伏产业链完善，且光伏逆变器技术达国际先进水平，引领着光伏产业的发展。国内光伏逆变器市场规模虽然具有了一定的规模，但真正具备独立研发实力的企业并不多，相关产品的质量仍与国际先进水平仍有一定差距。 从技术层面来说，未来并网逆变器有两个主要发展方向：小功率化和大功率化，其中小功率光伏并网逆变器（微逆变器）是当前研究的热点，具有极大的发展潜力。根据相关的研究研究报道，微逆变器技术可以使得光伏发电系统在现有技术基础上发电效率得到大幅提升，美国 Enphase 公司和美国国家半导体在这一方面取得了不错的成果，分别研发出了Microinverter和Solarmagic 技术。同时，国内英伟力公司研发的微逆变器也受到广泛关注。 传统的最大功率点跟踪方法可分为开环 MPPT 和闭环 MPPT[3]。前者是利用光伏电池输出特性的一般规律进行跟踪控制的，因此对光伏电池的输出特性依赖较大，可靠性也较低。常见的开环MPPT 方法有恒定电压法、差值计算法等。闭环MPPT 方法则是通过对光伏电池的输出电压和输出电流进行实时测量来确定最大功率点的[3]。这种方法的效率较高，准确率也较大，但是对硬件的计算性能和精度要求较高。典型的闭环 MPPT 方法有电导增量法和扰动观察法。最近几年，由于人工智能控制技术的发展，不少学者提出了模糊控制和人工神经网络控制等方法，这些方法具有很强的鲁棒性，能适用于各种工作情形。 目前，针对光伏并网逆变器的拓扑结构研究主要分为单级式并网逆变器以及多级式并网逆变器。单级式结构只需要经过一次功率变换，所以结构简单且能量损耗少，但由于这种电路结构要求在一个环节内同时完成最大功率点跟踪和逆变并网，所以控制难度相对较大，适用于低容量高成本的场合。单级式光伏并网逆变器常见拓扑结构有以下三种：Buck.Boost 逆变器结构、反激式并网逆变器拓扑结构、全桥并网逆变器结构。其中全桥并网逆变器结构是目前最常用的逆变结构，其电路简单，转换效率高[4]。多级式结构需要经过多次功率变换，目前采用较多的是两级式结构。两级式并网逆变器由直流变换和逆变并网两个环节组成。其中直流变换环节承担升压变换和最大功率点跟踪任务，逆变环节完成并网控制。因此，两级式结构控制难度相对较小，但由于需要经过多次功率变换，所以能量损耗较大，同时还有成本较高、系统复杂等缺点。在结合单级式和多级式结构优点的基础上，目前正在研究将光伏模块串联输入，采用模块化设计的新型光伏逆变器。 目前，对于光伏逆变器控制方法主要有三个方面的研究：直流电压控制、交流电流控制以及开关逻辑控制。直流电压控制是最早也是最传统的控制方法，它将直流电压的反馈和参考电压作差，而交流电流的幅值由电压调节器的输出给定，同时还可以增加电流前馈控制来改善电压控制的响应。电压调节器最常见的设计方法是 PI控制，同时还有学者提出了自适应控制、模糊控制、DSP 控制等，但这些控制方法都较为复杂，而改善效果也不明显[5]。交流电流控制的作用是使逆变器输出尽量为与电网电压同频同相的正弦波电流。交流电流控制有间接控制与直接控制两种。前者通过调节逆变器交流侧电压矢量来间接控制输出电流矢量，后者则直接通过调节逆变器输出电流的幅值和相位来进行控制。直接电流控制是一种闭环控制策略，相对于间接控制来说，它的系统响应更好，输出电流品质更佳，同时受参数变化的影响也较小，鲁棒性更好[6]。常见的直接电流控制主要有滞环电流控制、同步 PI控制等。开关逻辑控制则主要可为PWM 控制、空间矢量控制和直接能量控制三种。 对于三相系统来说，一般采用空间矢量控制，逆变器的输出电流需要经过坐标转换才能对其进行控制。
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