1、授予单位代码 学号或申请号 密 级 中 原 工 学 院硕 士 学 位 论 文论文题目: 三相光伏并网逆变器及其控制 研究生姓名: 严 攀 研究方向: 电力电子及光伏并网发电技术 指导教师: 王晓雷 教授 指导教师单位: 中原工学院 学科专业名称: 控制理论与控制工程 申请学位级别: 硕士 论文提交日期: 2012 年 3 月 论文答辩日期: 2012 年 3 月 培养单位: 中原工学院 学位授予单位: 中原工学院 答辩委员会主席: 中 原 工 学 院学 位 论 文 原 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致
2、谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所作的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名：年 月 日中 原 工 学 院学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书本人完全了解中原工学院有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于中原工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保
3、密论文待解密后适合本声明。学位论文作者签名： 指导教师签名：年 月 日 年 月 日中原工学院硕士学位论文 摘要I三相光伏并网逆变器及其控制专 业：控制理论与控制工程硕 士 生：严攀 指导教师：王晓雷 教授摘 要光伏并网发电过程是将直流电变为交流电并将能量输送给电网，逆变器是太阳能电池和大电网连接的核心设备，它的稳定性和可靠性决定了输送电能的质量，为了提高发电质量，需要对系统的硬件和软件做深入的分析。本文对这两个方面都做出了比较详细的数学推导，并进行了理论仿真，然后在此基础上搭建了硬件平台，对这些算法进行了初步的验证，给出了相应的实验结果。首先，本文对光伏阵列的结构进行了分析，并搭建了阵列的仿真
4、模型，从仿真模型的 PU 曲线可以看出阵列存在最大输出功率，并在此基础之上就最大功率跟踪问题做出了深入思考，在传统的算法基础之上提出了一种算法，仿真表明该算法比传统算法具有更好地跟踪效果。接着，本文对逆变器的拓扑结构做出了说明，并选择了单级式的拓扑结构作为本文研究对象。对于 L 型和 LCL 型的滤波器结构而言，其数学模型是不同的，并网电流的控制算法也要做相应的改变。对于电压型逆变器，本文采用直接电流控制，分别对滞环控制和三角波比较控制做出了分析。特别地，对于 LCL 型滤波器在同步坐标系下因其复杂的解耦，本文引入了 PR 控制，搭建了 matlab 仿真对上述算法进行了仿真和对比分析。最后，
5、本文就 L，LCL 滤波器还有采样电路进行了理论计算，搭建了实验平台，用 TMS320F2812 做核心控制器对理论算法进行了初步的验证，给出了实验波形。关键词：光伏并网发电 最大功率点跟踪 直接电流控制 PR控制中原工学院硕士学位论文 摘要IIThree-phased Photovoltaic Grid-connected Inverter And ControlSpeciality: Control Theory and Control EngineeringName: Yan PanSupervisor: Professor Wang XiaoleiAbstractThe photovo
6、ltaic power generation process is making the direct current to the alternating current and transmissing to the grid, the inverter is the core equipment of the connection between solar cells and grid, its stability and reliability determine the quality of the electrical energy transmission.In order t
7、o improve the quality of power generation, a in-depth analysis on hardware and software of the system have done. This paper have made a more detailed mathematical derivation and theoretical simulation on these two aspects, have also made a preliminary validation of these algorithms and given the cor
8、responding experimental results on a hardware platform.First, this paper analyzes the structure of the photovoltaic array, then builds a simulation model of the PV array. The exist of maximum output power of the P-U curve can be seen from the simulation model, a deep thinking of the maximum power po
9、int tracking also have done on this basis, and proposes a new algorithm simulation shows that has a better tracking results compared with the traditional algorithm.Then, this paper describes the topology of the inverter, and selects single-stage topology as a research object. For L-and LCL-filter st
10、ructure, the mathematical model is different, and the net current control algorithms also need to do the appropriate change. In this paper,direct current control is used on voltage source inverter, and respectively analysises hysteresis control and the triangle wave comparing control. In particular,
11、 because decoupling of the LCL type filter in the synchronous coordinate system is complicated, this paper introduces PR control, sets up a matlab simulation to simulate and give comparative analysis of the above algorithm.Finally, this paper gives theoretical calculations of the L-and LCL-filter an
12、d sampling circuit, builds an experimental platform using TMS320F2812 as core controller to do a preliminary validation of the theoretical algorithm, and gives the experimental 中原工学院硕士学位论文 摘要IIIwaveforms.Key words：Grid-connected Photovoltaic Power；Maximum Power Point Tracking；Direct current control；
13、PR control中原工学院硕士学位论文 目录I目 录1.绪论 11.1 课题研究背景及意义 11.2 太阳能发展的最新动态 11.3 简述太阳能电池的分类 11.4 我国太阳能资源 21.5 太阳能光伏发电系统的其他应用 21.6 本文的所做的工作 32.光伏阵列的电气特性 42.1 太阳能电池的基本原理 42.2 光伏阵列的建模和特性分析 42.2.1 光伏阵列的数学模型 42.2.2 不同光照强度下光伏阵列的的 IU 及 P-U 特性特征曲线 62.2.3 不同温度下光伏阵列的 IU 及 P-U 特性特征曲线 72.3 最大功率点控制策略及仿真 82.3.1 固定电压法（C&T） 82
14、.3.2 扰动观测法（perturb&observe algorilhms, P&O） 82.3.3 电导增量法（Incremental Conductance） 82.3.4 牛顿插值算法（Newton method ） 92.4 本章小结 143.三相单级式光伏并网逆变器的控制策略 153.1 光伏并网逆变器电力质量技术要求 153.2 光伏并网逆变器拓扑结构 153.2.1 并网逆变器拓扑结构分类 153.2.2 本系统的拓扑结构以及分析 163.3 三相单级式光伏并网逆变器的工作原理 193.3.1 三相半桥 L 型滤波器数学模型 193.3.2 三相半桥 LCL 型滤波器数学模型 2
15、23.3.3 并网电流控制技术 243.3.4 并网逆变器算法的仿真及其分析 253.4 本章小结 36中原工学院硕士学位论文 目录II4.光伏并网逆变器主电路的搭建 374.1 霍尔传感器的使用 374.2 光伏并网逆变器采集部分的设计 384.2.1 电压采样和电流采样调理 384.2.2 用于捕获口的过零检测电路 434.3 IGBT 驱动及保护电路的实现 444.3.1 驱动电路 444.3.2 过流、过压、过温及短路保护 444.4 本章小结 465.基于 DSP2812 并网逆变器的实现 475.1 开环 SPWM 波的 DSP 实现 475.2 开环 SVPWM 波的 DSP 实
16、现 495.3 定时滞环 PWM 波的 DSP 实现 515.4 DSP 的 AD 采集的实现 515.5 关于锁相功能的思考与实现 525.6 数字 PI 控制器、PR 控制器 535.6.1 数字 PI 控制器的 DSP 实现 535.6.2 数字 PR 控制器的 DSP 实现 555.7 实验结果 565.8 本章总结 576.总结与展望 586.1 总结 586.2 展望 58参考文献 59附录：研究生阶段发表论文 62致 谢 63中原工学院硕士学位论文 第一章 绪论11.绪论1.1 课题研究背景及意义不言而喻，随着时间的推移，化石燃料的不断枯竭，势必人们会越来越清醒的认识到，能源问题
17、将是一个制约人类发展的重大问题，不得不提前做好充分思想准备，以及必要的行动。不可再生能源会因消耗而减少，人们都把目光投向可再生能源的开采和利用。太阳能是可再生能源的一种，它在前期投入后，管理以及运行费用少，同时无噪声污染，是一种很好的自然资源。同时它在我国也分布广泛，充分利用好太阳能将对我国的经济以及生态环境有重大而深远的影响。1.2 太阳能发展的最新动态 1煤，石油等是可再生能源，总有用完的一天，人类社会若要长久发展，不得不提前考虑可再生能源的利用，现在很多国家开始关注太阳能这一块天地，并在积极寻求有效开采太阳能的办法。下面介绍了几种目前太阳能利用的新动向。（1）最新太阳能采集装置氦气球美国
18、技术人员Joseph Cory和航天工程师Pini Gurfil话费多年时间一同对氦气球进行了开发，并获得了成功。研究发现10ft(1ft=0.3048m)大的气球可以输出一千瓦左右的能量，这对采集太阳能来说其意义是非常深远的。（2）有机薄膜太阳能电池新型的有机薄膜电池的转换效率较传统的效率高。与原来两层的构造相比，它加入一层混合薄膜，这样就变为三层了，由于面积增加从而提高了太阳能利用率。（3）南非发明廉价太阳能电池在南非的约翰内斯堡大学维维安艾伯特发明了一种新型的太阳能电池板，该电池板是一层只有 的特种感光合金，这大大提高了太阳能电池板的材料利用5m率，从而有效地降低了光电转换的成本。1.3
19、 简述太阳能电池的分类太阳能电池按照不同的材料可以分为硅和化合物，其中硅又可以分为晶体和非晶体，化合物可以分为铟硒铜、碲化镉、砷化镓、磷化铟。对于晶体而言，可分为单晶体多晶体薄膜式多晶。太阳能电池的分类如图1.1所示：中原工学院硕士学位论文 第一章 绪论2太阳能电池硅化合物晶体非晶体单晶多晶薄膜式多晶铟硒铜碲化镉砷化镓 磷化铟图 1.1 太阳能电池的分类1.4 我国太阳能资源我国有着十分丰富的太阳能资源，全国太阳年照射量可达 ,平235087/MJm均值大约为 ，在我国，西部地区的太阳年辐射总量高于东部地区太阳25860/MJm年辐射总量，南部太阳年辐射总量低于北部太阳年辐射总量，在北纬 地4
20、区，太阳随纬度的增加而增长。由于地理位置的原因，青藏高原等西部地区接受光照的时间最长，其光伏资源也最为丰富。1.5 太阳能光伏发电系统的其他应用（1）太阳能空调器的应用家用电器中，最耗电的莫过于空调了，在炎热的夏季，人们电力的需求显著提高，而且每日的负荷也处在变化中，一般白天时出现尖峰负荷。由于供电负荷曲线与太阳能电池输出曲线非常一致，如果把太阳能电池和空调组合起来，则可达到夏季电力负荷平峰的目的。家庭用的太阳能空调器是在变频空调的整流部分附加太阳能供电装置，这样就可以有效地利用太阳能的发电效率，同时抑制夏季供电尖峰，减少二氧化碳的排放。其拓扑图如图1.2所示：V T 1 V T 3V T 6
21、V T 4 V T 2V T 5u au cu b3CdcUMA CP V图 1.2 太阳能空调器的拓扑图中原工学院硕士学位论文 第一章 绪论3（2）太阳能电动车在现代城市中，内燃机汽车的热效率不到20%，55%以上都排放到周围的空气当中去了，大量排放的有害气体影响了人体的健康和动植物的生长。如果采用新型动力能源的，改用内燃机为电动机的话那将是一个很好的发展方向，太阳能电动汽车是电动汽车的一种，它将太阳能和蓄电池结合起来，可以有效的节约石油燃料的燃烧，保护我们的生态环境。（3）太阳能充电器太阳能充电器，是一种小容量的充电装置，可对手机，数码相机等移动电器设备进行充电，对于旅游或是野外工作者来说
22、，如果随身带一块便携式太阳能充电器也许能起到雪中送炭的作用。1.6 本文的所做的工作本文主要研究三相光伏并网逆变器，从光伏电池的模型开始入手，搭建Matlab/simulink仿真光伏阵列模型，然后在此模型的基础之上分析了光伏阵列的最大功率点的算法，提出了一种与传统算法不同的算法，仿真表明该算法具更好的最大功率跟踪特性。接着本文对三相光伏并网逆变器的拓扑结构做了简单的介绍，选用单级式逆变器作为研究的对象，对于电压型并网逆变器，本文采用了滞环控制，三角波比较控制，特别地，如果选用三角波比较控制的话，对于L型和LCL型滤波器的拓扑结构来说，可以直接对交流比较控制，也可以转化到同步旋转坐标系下面对直
23、流进行控制，本文对这部分也做出了详细分析，给出了仿真模型，并对仿真的波形做出了分析。最后，为了验证理论算法，本文搭建了实验平台，依托主控芯片TMS320F2812实现了三相光伏并网逆变，给出了相应的波形。中原工学院硕士学位论文 第二章 光伏阵列的电气特性42.光伏阵列的电气特性本章首先介绍了太阳能电池的光电转换特性以及基本工作原理，并根据单个太阳能电池的数学模型，推导出光伏阵列的工程数学模型，并以此作为依据推导出光伏阵列的工程实用模型，建立了MATLAB/SIMULINK仿真模型，并在此基础上，绘出了太阳能阵列的PU和IU曲线，从曲线可以观察到太阳能阵列最大功率点受到光照和温度的影响较大，而且
24、基本呈现一个到抛物线的形状，存在一个最大功率点，在建立的电池模型基础之上，就寻找最大功率点的问题做出了一些思考，给出了一种新的算法，从仿真波形可以看出该算法与常规的MPPT算法相比起来有更大的优越性。 2.1 太阳能电池的基本原理当光线照射太阳能电池时，一部分被反射掉，一部分被太阳能电池吸收，还有少量透过太阳能电池，在被太阳电池吸收的光子当中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在 P 区、空间电荷区和N 区都会产生光生电子空穴对，这样形成的电子 空穴对在热运动的作用下将四处移动。光生电子空穴对产生后，马上被内建电场分离，光生电子被推到 N区，光生空穴被推到
25、P 区。在 N 区，光生电子空穴对产生后，光生空穴便向PN 结边界扩散，一旦达到 PN 结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下面漂移，越过空间电荷区进入 P 区，而产生的光生电子被停留在 N 区。P 区中的光生电子也向 pN 结边界扩散，并在到达 PN 结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力的作用下做漂移运动，进入 N 区，而光生空穴则停留在 P 区，因此 PN 结两侧产生了正负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场，在抵消内建电场后，P 型层依然带正电， N 型层依然带负电，因此产生了光伏电动势。然而单个的太阳能电池输出功率是有限的，工程上一般采用多个电池串并联的方式
26、提高输出电压与输出功率的等级，多块太阳能电池的组合称为太阳能阵列。本章主要研究太阳能阵列的特性。 中原工学院硕士学位论文 第二章 光伏阵列的电气特性52.2 光伏阵列的建模和特性分析2.2.1 光伏阵列的数学模型 2本章在MATLAB/Simulink 的环境下，建立了仿真模型 3，可以动态地跟踪光照、温度的变化，瞬时地计算出整个光伏阵列的（I-U）暂态曲线。太阳能阵列是由许多这光伏组件通过串并联的方式组合而成的，如同下面的等效电路图。负 荷R sM 块N 列太阳能电池阵列 OCUSII图 2.1 光伏电池等效电路图太阳能电池阵列的工作状态，可以用图 2.1 等效。该阵列的 I-U 方程为：(
27、2.1) /()11ocUBscIAe其中， 为光伏阵列等效短路电流， 为光伏阵列开路电压，A 、B 为引入scI o的中间系数，其表达式分别为：(2.2) /()(1)mocUBscIe(2.3) 1()ocscIBLn式(2.2)和式(2.3)中的 为光伏阵列等效最大电流； 为光伏阵列等效最大电mI m压，其数值分别可以由供应商所提供的单个光伏电池的最大功率点电流 和最大mI功率点电压 ，以及光伏阵列的排列秩序来求得，其计算公式分别为：mU(2.4) mIN(2.5) UM其中：M为光伏阵列总的串联单元数（总行数）； N为光伏阵列总的并联支路数（总列数）并且短路电流 和开路电压 也可由供应
28、商所提供的单个太阳能电scIoc池板的短路电流 和开路电压 ，以及光伏阵列的排列秩序来计算得到：scIo(2.6) scsI(2.7)oocU在实际的工程应用中，光照强度S和电池板温度T一般情况下都是与标准状况下有一定的差距的，而供应商提供给我们的技术参数一般都是在标准日照强度中原工学院硕士学位论文 第二章 光伏阵列的电气特性6为 和标准电池温度 为 下所测定的参数，因此我们需要根refS210/kWmrefT25oC据标况下的技术参数推算出实际工程环境下的技术参数，这样才可得到适合于工程应用的模型。下面就给出相关的推算过程，其中 、 、 、 为修正后的*scIoU*mI技术参数。(2.8)
29、refT(2.9)/fCS(2.10)1Da(2.11)Ec(2.12)FbS(2.13)C(2.14)*scI(2.15)ocUE(2.16)*mD(2.17)F在I-U特征曲线形状基本不变的情况下，上述式中a,b,c可取值为： ，0.25a， 。0.5b.28c此次仿真采用的太阳能电池板总数为60块，其中串联单元数M取为20，并联支路数 取为 3。太阳能光照强度S取为 ，太阳能电池阵列平均温度N210/kwm取为 ，单个太阳能电池板的开路电压 取为22V 、短路电流 取为5.3A 、T25oCocUscI最大功率点电压 取为17.5V、最大功率点电流 取为4.9A 。将这些参数输入以mUm
30、I上建立的工程模型中，可以通过示波器得出太阳能电池阵列的I-U特征曲线和P-U曲线。2.2.2 不同光照强度下光伏阵列的的 IU 及 P-U 特性特征曲线首先分析光照强度对太阳能电池阵列I-U特征和P-U 特征的影响，此时选定太阳能电池阵列温度 不变，取为 ，再分别选取5组不同的光照强度，分别为T2oC、 、 、 、210/SWm90/S2380/SWm2470/S，其它电池参数均不变。可作出阵列在不同光照强度下光伏阵列的56的IU 及P-U特性特征曲线如下：中原工学院硕士学位论文 第二章 光伏阵列的电气特性70 10 20 30 40 505101520U /VI / A S3S2S1S4S
31、5图 2.2 不同光照强度下的 I-U 特征曲线01020304050204060U /VP / W S5S4S3S2S1图 2.3 不同光照强度下的 P-U 特征曲线仿真结果与计算结果想吻合，并且可以看出在电池温度一定的情况下，其太阳能电池阵列的输出最大功率随着光强的减弱而减小。2.2.3 不同温度下光伏阵列的 IU 及 P-U 特性特征曲线其次分析太阳能电池阵列的温度对对太阳能电池阵列I-U特征和P-U特征的影响，此时选定光照强度S 不变，取为 ，再分别选取5组不同的太阳能电210/Wm池板的温度，分别为 、 、 、 、 ，其它2=5oTC28o=3oTC4o5=37oTC参数不变。I-U
32、 特征曲线图 2.4所示，P-U特征曲线图 2.5，从图可以看出在光照强度一定的情况下，太阳能电池阵列的输出最大功率随着电池温度的升高而减小。0 10 20 30 40 5005101520U / VI / A T1T5图 2.4 不同温度下的 I-U 特征曲线中原工学院硕士学位论文 第二章 光伏阵列的电气特性80 10 20 30 40 50200400600U / VP / WT5T1图 2.5 不同温度下的 P-U 特征曲线2.3 最大功率点控制策略及仿真如上述，在一定光照强度和温度下，太阳能阵列的U-P曲线存在一个功率最大值点，为了充分提高太阳能的利用效率，有必要是输出功率达到最大点，在光伏发电系统中，通常是控制直流电容的电压来控制阵列最大输出功率的。 最大功率点跟踪本质上就是数学中求最值的问题，为了实现最大功率输出需要不断改变光伏阵列两端的电压使之工作在最大功率所对应的电压。当光伏阵列两端的电压高于
