1 緒論 

1.1  引言 
伴隨著我國社會主義現(xiàn)代化經(jīng)濟建設的全面向前推進，在經(jīng)濟快速、猛進地增長同時，我們國家也面臨著前所未有的能源與發(fā)展的雙重考驗。能否平衡好發(fā)展與能源的關(guān)系，將直接影響我國未來經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。 現(xiàn)如今在中國，化石類不可再生能源的短缺、環(huán)境污染嚴重以及社會對于電能需求增大等問題尤為突出。根據(jù)科學家統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：按照目前的能源消耗速度來看，我國可開采的石油儲量，將在二十年后耗盡，而煤炭是我國能源的主要形式也維持不下 100年[1,5,7]，并且石油、天然氣、煤炭等能源是不可再生能源，如果消耗殆盡，不可能在短期內(nèi)重新恢復相當儲量。另外，不可再生能源的開發(fā)利用很容易給生態(tài)環(huán)境帶來破壞，比如，煤炭的不充分利用導致大氣霧霾的出現(xiàn)，同時，還會引起溫室效應的發(fā)生。因此，開發(fā)新能源，實現(xiàn)我國能源的可持續(xù)利用迫在眉睫。 目前，可開發(fā)利用的新能源較多，像核能、風能、潮汐能、地熱能等，都是現(xiàn)在，研究的熱點新能源。這些新能源相比于傳統(tǒng)的化石類能源都有著相當大的優(yōu)勢，但和太陽能比較起來還是有顯著地缺點，如風能穩(wěn)定性不好，發(fā)出的電能質(zhì)量不夠高；潮汐能利用起來不方便；地熱能受到地域的限制；核能則一旦泄漏危害很大[6,7]；而太陽能不存在上述問題，它具有能量巨大，發(fā)電時不出現(xiàn)污染，在任何區(qū)域都能實現(xiàn)發(fā)電等特點，故人們認為太陽能發(fā)電是我國未來能源結(jié)構(gòu)中，最具有發(fā)展?jié)撃艿哪茉葱问健?單相并網(wǎng)逆變器作為公共電網(wǎng)側(cè)與太陽能發(fā)電系統(tǒng)連接的中間環(huán)節(jié)，它對光伏發(fā)電系統(tǒng)能否順利、高效地并網(wǎng)起著決定性作用。為了使太陽能發(fā)電系統(tǒng)高性能并入電網(wǎng)，則需對單相太陽能并網(wǎng)逆變器進行深入研究，，充分掌握單相并網(wǎng)逆變器在不同并網(wǎng)環(huán)境中的運行情況，從中提出合理地設計方案，最終實現(xiàn)單相并網(wǎng)逆變器高效運行。
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1.2  單相光伏并網(wǎng)逆變器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 
控制技術(shù)以及電力電子器件的不斷革新，促使單相光伏并網(wǎng)逆變器蓬勃發(fā)展。早在二十世紀五六十年代，伴隨著世界上第一個晶閘管 SCR 的出現(xiàn)，人們可以通過功率器件產(chǎn)生正弦波的時代到來了[9]，這也為逆變器創(chuàng)造了發(fā)展條件；逆變技術(shù)的應用及發(fā)展是在七十年代，雙極性晶體管 BJT 和可關(guān)斷晶閘管 GTO 誕生之后；八十年代又陸續(xù)出現(xiàn)了功率場效應管、MOS 控制晶閘管等大功率器件，為大容量逆變器的研發(fā)開拓了平臺[10]；九十年代控制技術(shù)在逆變器上得以應用，促成了逆變器的智能化進程；二十一世紀逆變器更是朝著高效率、高頻化、高可靠性、高功率密度、智能化方向突飛猛進[8,13]。目前，國外光伏并網(wǎng)逆變器的發(fā)展已經(jīng)達到比較成熟的水平，也產(chǎn)生出一些國際知名品牌，如：SMA、Sputnik、Sun  Power 等逆變器品牌，其中的 SMA 更是占到了最大的市場份額，據(jù)統(tǒng)計大概能占 49%以上[14,15,16]。下面將通過一些典型的國際知名品牌，來闡明目前國際研究光伏并網(wǎng)逆變器的現(xiàn)狀。 在 SMA 的眾多產(chǎn)品系列中，單條以及多條支路的光伏并網(wǎng)逆變器被應用的較為廣泛。這兩款產(chǎn)品有著共同的特點及優(yōu)勢它們分別是：效率高，功率因數(shù)能接近 1；諧波含量特別低；最大功率跟蹤模塊采用軟件控制實現(xiàn)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常完美；在現(xiàn)實工作中，SMA 的這兩款產(chǎn)品能自我優(yōu)化調(diào)節(jié)，讓系統(tǒng)始終處在最佳工作模式，同時，在工作狀態(tài)指示上，它采用的是 LED 燈顯示，操作者在操作時能更加直觀的了解系統(tǒng)運行情況；獨創(chuàng)的自診斷模式，隨時隨地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，提醒工作人員盡快排除；在逆變器兼容性方面，做到極致，它可以任意串并聯(lián)使用，方便了逆變器的擴充[17,26]。 
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2  單相光伏并網(wǎng)逆變器的基本原理及拓撲結(jié)構(gòu)分析 

2.1  光伏并網(wǎng)發(fā)電的運行流程及工作原理 
光伏發(fā)電系統(tǒng)通常來說由光伏陣列、升壓電路、全橋逆變電路、濾波器、蓄電池、保護電路、控制單元等組成如圖 2.1 所示。圖 2.1 框架的運行過程為：單相并網(wǎng)逆變器通電后，并網(wǎng)逆變器進入初試化階段，經(jīng)過幾秒后初試化階段結(jié)束，單相并網(wǎng)逆變器開始工作。首先，光伏矩陣發(fā)出的直流電會經(jīng)過濾波處理后，送到升壓電路上，同時主控電路根據(jù)采樣電路采集回來的經(jīng)濾波處理后的光伏矩陣發(fā)出的直流電，給出相應驅(qū)動信號控制升壓電路 IGBT 的開斷。此過程可將光伏矩陣輸出的電壓上升到 400V 的直流電，其次，主控電路經(jīng)過相應計算后，會輸出 PWM 信號來控制全橋逆變電路，這個階段 400V 的直流電將變成 220V 的交流電。最后，主控電路還會對逆變器輸出的交流電頻率相位與電網(wǎng)電壓的相位頻率進行比較，依據(jù)它們的誤差大小輸出相應的 PWM 信號，最終使單相并網(wǎng)逆變器輸出的電流和電網(wǎng)電壓的頻率和相位同步[37]。 
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2.2  單相光伏并網(wǎng)逆變器功率電路分析與選擇 

光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行，離不開光伏并網(wǎng)逆變器的設計，在光伏并網(wǎng)逆變器的設計過程中，需要充分考慮光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，以求設計出最高性價比的逆變器。 并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)層次不窮，并且不斷更新變化中，是目前研究單相光伏并網(wǎng)逆變器的熱點之一，但無論光伏并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如何多樣，總體框架形式都可歸納為如下：并網(wǎng)逆變器依據(jù)是否電氣隔離可以把它們分為：無變壓器隔離型和變壓器隔離型，在有變壓器隔離型的并網(wǎng)逆變器中又可分：工頻型和高頻型，工頻型變壓器隔離單相并網(wǎng)逆變器的顯著特點是，它很適用于大功率用電場合，因在網(wǎng)側(cè)和并網(wǎng)逆變器之間有了工頻變壓器作為隔離電氣，當大功率設備和電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，工頻變壓器起到了很好的電氣隔離效果，減少了單相并網(wǎng)逆變器的沖擊，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性和整體穩(wěn)定性，但因為有了變壓器的存在，無形中增加了單相光伏并網(wǎng)逆變器的體積、設計成本以及模塊的增多造成的系統(tǒng)效率降低等因素[38]，工頻隔離型單相光伏并網(wǎng)逆變器如圖2.3 所示： 

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3  電流輸出型單相光伏并網(wǎng)逆變器的控制方案研析 .......... 21 
3.1  并網(wǎng)調(diào)控對象和方法 ........ 21 
3.2 SPWM 技術(shù)應用 ........ 22 
3.3  電流型跟蹤控制技術(shù) ........ 24
3.4  電流型跟蹤控制數(shù)學建模 ........ 26
3.5  雙閉環(huán)控制策略的調(diào)節(jié)器設計 ........ 29
3.6  鎖相環(huán) ........ 32 
3.7 Park 變換的基本原理及應用 ..... 33
3.8  本章小結(jié) .... 36 
4  并網(wǎng)逆變器硬件設計 .......... 37 
4.1  系統(tǒng)控制硬件結(jié)構(gòu) .... 37 
4.2  主控單元 TMS320F28035 原理圖及其功能 ........... 37 
4.3  主控單元 TMS320F28035 輔助電路設計 ....... 38
4.4  系統(tǒng)供電電源設計 .... 41 
4.5  驅(qū)動電路設計 .... 42 
4.6  采樣電路設計 .... 44 
4.7  本章小結(jié) .... 47
5  單相光伏并網(wǎng)逆變器控制方法仿真與驗證 ...... 48 
5.1  光伏電池數(shù)學模型及仿真 ........ 49 
5.2  擾動觀察法實現(xiàn) MPPT 跟蹤仿真 ........... 51 
5.3 boost 升壓電路與 MPPT 相結(jié)合仿真 ....... 54 
5.4  三種濾波器的 Bode 仿真 ......... 56 
5.5 SPWM 仿真 ........ 57 
5.6  改進型 Park 變換與自適應濾波器相結(jié)合仿真 ....... 57 
5.7  改進型單相光伏并網(wǎng)逆變器仿真 .... 61 
5.8  軟件算法設計 .... 62 
5.9  本章小結(jié) .... 63 

5  單相光伏并網(wǎng)逆變器控制方法仿真與驗證 

單相光伏并網(wǎng)逆變器裝置在實際中的穩(wěn)定運行是離不開單相光伏并網(wǎng)的控制策略的。以往傳統(tǒng)的單相光伏并網(wǎng)逆變器裝置由于控制策略不夠完善，相應的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性普遍不高，導致單相光伏并網(wǎng)逆變器裝置在并網(wǎng)輸出交流電流信號時，不能完全的使得輸出電流的頻率與相位跟電網(wǎng)電壓的頻率與相位同步，造成了電網(wǎng)的瞬時沖擊。新型的單相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略由于結(jié)合了目前比較先進的模糊自適應鎖相環(huán)控制技術(shù)和雙閉環(huán)控制策略，輸出電流和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性都有較大程度的提高，而在電網(wǎng)電壓跌落、諧波注入等非理想電網(wǎng)電壓情況下，仍能夠跟蹤、鎖定電網(wǎng)電壓頻率及相位，保證了單相光伏并網(wǎng)逆變器裝置的穩(wěn)定輸出。 下面就如下仿真的步驟做一簡要說明，第一步光伏電池數(shù)學模型及其仿真，是搭建單相光伏并網(wǎng)逆變器的基礎，它的作用在于實現(xiàn)光能與電能的轉(zhuǎn)換，此模塊的能量輸出直接受溫度與光照的影響，因此，對光伏電池在不同溫度與光照下的伏安特性進行仿真研究，能為進一步達到光伏電池最大功率點輸出控制策略提供研究思路。第二步最大功率點輸出策略的仿真，研究單相光伏并網(wǎng)逆變器的意義在于，能使逆變器的輸出功率在任何時刻都保持在最大輸出點，而本文設計的單相光伏并網(wǎng)逆變器定位在中小型功率逆變器上，在此類型的并網(wǎng)逆變器中，應用擾動觀察法實現(xiàn) MPPT 控制是眾多控制策略中，反應速度最快、效率最高的一種方法，所以，對擾動觀察法的 MPPT 控制仿真能說明選擇此方案的可行性，同時，實現(xiàn) MPPT 控制與 boost 升壓電路的融合奠定理論仿真模型基礎，第三步 MPPT 控制與 boost 升壓電路相結(jié)合的仿真，本文采用兩級式非隔離型拓撲結(jié)構(gòu)，它與單級式結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別，就是在單相并網(wǎng)逆變器的硬件中加入了直流升壓模塊 boost 電路，要想在兩級式結(jié)構(gòu)的逆變器上實現(xiàn) MPPT 跟蹤，就必須將 MPPT 控制與 boost 升壓電路結(jié)合起來進行仿真，觀察因不同負載情況下，光伏電池的輸出是否還能達到最大輸出，只有這樣才能在接下來的逆變環(huán)節(jié)，使逆變器的輸出能量始終達到最大值，第四步逆變環(huán)節(jié)，這里的逆變環(huán)節(jié)采用了 SPWM 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，它是依據(jù)調(diào)節(jié)不同的占空比，來獲得所需波形。
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結(jié)論 

本文首先對國內(nèi)外單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢做了詳細地綜述，然后對單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)及運行特性進行研究分析，并在此分析的基礎上設計了 BOOST、LCL 型濾波器的元器件參數(shù)；其次，本文研究了目前應用較為廣泛的單相光伏并網(wǎng)逆變器的脈沖寬度調(diào)制控制方法，并對基于電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略進行了改進，最后深入研究了同步旋轉(zhuǎn)坐標變換鎖相環(huán)原理，給出將park 變換與頻率自適應濾波器相結(jié)合的控制方法來實現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器的鎖相，并運用仿真軟件對上述控制方法進行了仿真。完成全部工作后得出如下結(jié)論： 
（1）LCL 型兩級式非隔離型單相光伏并網(wǎng)逆變器數(shù)學理論證明是可行的。對典型的單相光伏并網(wǎng)逆變器幾種拓撲結(jié)構(gòu)進行了細致分析，總結(jié)它們的優(yōu)缺點，最終設計出適合本論文研究方案的單相光伏并網(wǎng)逆變器兩級式非隔離型拓撲結(jié)構(gòu)方案。在逆變器的前級加入 boost 電路實現(xiàn)升壓，后級則采用單相全橋逆變電路實現(xiàn)并網(wǎng)逆變功能。而在單相光伏并網(wǎng)逆變器的濾波上，為最大限度減少能量損耗，設計有阻尼濾波，通過 L 型、LC 型、LCL 型三種濾波器比較研究，應用具有較強諧波抑制功能的 LCL 型濾波器，并依據(jù)其約束條件完成對其參數(shù)的設計，還對該設計方案的電路運用 protel 軟件進行硬件搭建模擬。據(jù)數(shù)學理論中的比較法分析，此方案的并網(wǎng)逆變器能大幅度提高工作效率。 
（2）改進型外環(huán) PI、內(nèi)環(huán)預測無差拍控制策略可有效針對穩(wěn)定的電網(wǎng)電壓進行同步跟蹤。重點研究逆變器控制策略，就傳統(tǒng)雙閉環(huán)電流控制策略的缺陷，進行了深入研究。找出了一種外環(huán)采用 PI、內(nèi)環(huán)采用無差拍的改進控制策略，并進一步提出預測型無差拍控制方案，通過 Simulink 軟件仿真實驗顯示，應用此方案的單相光伏并網(wǎng)逆變器，能很好的實現(xiàn)逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同步，同時解決了硬件延時效應問題。 
（3）自適應濾波器與 PARK 變換相結(jié)合的鎖相環(huán)能快速、穩(wěn)定、準確的實現(xiàn)非理想電網(wǎng)狀態(tài)下的電網(wǎng)頻率及相位鎖定。為提高逆變器的跟蹤和鎖定精度，解決常規(guī)并網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)，因自身鎖相自由度不足引起鎖相誤差的問題。深入分析研究了同步旋轉(zhuǎn)坐標變換鎖相環(huán)原理，提出一種頻率自適應且基于改進型 park 變換的單相并網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)。經(jīng)仿真實驗說明，應用此方法的單相并網(wǎng)逆變器，在電壓跌落、諧波注入等非理想電網(wǎng)電壓情況下，仍能精確地跟蹤、鎖定電網(wǎng)電壓頻率及相位的優(yōu)勢。 
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參考文獻(略)

本文編號：83063