1、Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.1第 1 章 绪论1.1 选题背景及研究的意义能源是社会文明赖以生存和发展的重要物质基础之一，对于国民经济的发展也是至关重要的，随着世界的发展，现在能源危机端倪也逐渐显露出来，与此同时，天然气、石油与煤炭等能源的大量运用，也对环境造成了破坏与产生了能源可持续运用的 1-4。所以，新能源的研发和使用作为解决这一严峻问题的有效途径，是目前社会在将来发展中主要探究的问题。各个国家研发人员在研发新型环保能源当中，光伏发电
2、因其优质的性能而崭露头角，变成研发人员的主要研究对象，进而造成光伏发电体系获得了极大的推广与运用 5。另外一方面，因为电力科技的快速发展，大批的电力设施与非线性装置被投加到电力网中运用，在给人们生活带去极大便捷的时候，也造成相当严重的谐波污染，导致电能质量的明显降低，给电力网的管理与质量管理造成了巨大的压力 6。谐波的出现会威胁电力装置的安全运作，缩短电器设备的使用寿命，并影响电力的传送和有效运用。谐波污染已变成电力网体系中主要的危害，怎样对谐波做出合理治理，实现谐波的有效抑制及补偿已经成为电网系统急需解决的问题 7。目前电网系统使用最广泛的谐波抑制措施是在谐波源处接入无源滤波器或者有源滤波器
3、，而有源滤波器由于具有优秀的谐波补偿和抑制能力以及良好的动态特性，因此在电网系统的使用效果更加优异 8。基于以上背景因素，鉴于光伏发电体系与有源滤波体系的类似性，当前海内外也逐渐有研发人员对二者的联合运用做出探究 9。因此，本文拟对光伏发电和谐波抑制功能的结合运作进行研究，通过设计控制算法使光伏逆变系统在输出有功功率的同时，还同步检测网侧谐波并进行谐波补偿抑制，从而更有效的提高光伏体系的运用效率与节约谐波处理设备的投资成本。1.2 国内外研究现状1.2.1 光伏发电技术的研究现状目前世界各国的电能来源主要是通过火力与水力发电等固有方式来获得。伴随社会华南理工大学硕士学位论文2与技术的不断发展，
4、对电力的需求量仅会日渐增加，尤其是在我国，伴随城市化进程的不断加快，电力的生产也与日俱增，而由于目前我国目前的发电装机量中煤电占据着 70%以上的比例，由此引发的环境污染问题和能源短缺问题也日益突出 10。所以利用太阳能、风能、潮汐能、以及地热能发电技术被各个国家的研究者陆续提出，其中太阳能发电技术因其含量丰富、能源清洁、获取方便、不受地域影响、干净环保等原因而备受研究人员的青睐和关注。自二十世纪七十年代开始，各个国家陆续投入研发运用太阳能的热潮之中，太阳能运用已占用了能源发展策略的关键地位。相对于地球的寿命来说，太阳能资源基本上可以称作取之不尽、用之不竭的洁净能源，而且中国地缘辽阔，太阳能能
5、源储量丰厚，所以，太阳能在二十一世纪必然会变成主要的发展能源，在全球资源构造中占有绝对的地位，并有希望在二十一世纪后期逐渐变成全球各国的主导能源。在全球中，大多数发达国家，以德、美、日作为重要力量，均在大力研发和开展光伏项目 11。早在 1997 年，美国在联合国国际环境发展会议上提出了“100 万太阳能屋顶计划” 12，表明了其征服对太阳能发电的支持，计划在直到 2010 年的十多年时间内，完成 101.4 万套太阳能光伏并网发电系统，此外，早几年也制定了“面向 2030 年的光伏工业线路图” ，定下了在 2030 年前达到 200GW 的宏大计划。德国曾经指出“十万屋顶规划”以激励人们在房
6、顶安置太阳能光伏设备，并要求民众发出的电由电力网企业购买，力求从居民房顶上获得 3000MW 的能源 13；之后在 2004 年，通过并实施了新（修改）可再生能源法法案，即著名的上网电价法，把市场经济的规律引进到光伏发电的发展中去，使得德国的光伏发电事业得到了飞速的发展，据不完全统计，德国的光伏发电系统累计安装容量高达 10GW，成为全球最大光伏市场之一 14-15。日本最开始在 1974 年便制订“阳光企划” ，即运用可再生资源太阳能替代原油的长远计划，在光伏电池研发和降低光伏发电成本等方面取得了较大的成功 13；几年前，日本国家还制订了“低碳社会行动规划” ，主动推动技术研发与减少光伏电力
7、体系成本，另外还深入落实各类激励制度，推进当地民众购置应用家庭光伏发电的设备，经过多年的努力研发，当前日本的光伏发电体系累积总装机数量仅低于美国，变成欧盟之外的一大市场 13。与美国、德国、日本等发达国家相比，中国的光伏产业虽然起步较晚，但在国家的Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.3政策推动下发展迅速，光伏发电系统总装机容量也逐渐位居全球领先位置 16-17。如中国国家能源发展计划中确认了 2010 年到 2020 年之间着重开展的领域有建设小型
8、光伏发电站或鼓励用电用户采用户用光伏发电系统，以解决偏远乡村地区的供电问题；在发展水平较高的大中型发达城市鼓励建设屋顶太阳能并网设施等。后来，又陆续推行了一连串和可再生资源有关的制度，大力推进了中国光伏发电事业的进展和运用。在各个国家政府鼓励制度的大力推进下，光伏逆变技术获得了快速的发展。光伏逆变体系重点用于把光伏板生成的直流电转化成交流电连入电力网或者直接供应给用户使用，其架构一般包括 DC/AC 逆变换线路及 DC/DC 直流升压变换线路、变压器、检测设备与中央调控器等外围辅助设备（如图 1-1） 。光 伏 阵 列 Bost电 路控 制 器变 压 器检 测 单 元DC DC DC AC电
9、网 侧逆 变 系 统图 11 光伏逆变系统结构图当前，流行的逆变器商品大部分运用下图 1-2 里的三相两电压光伏线路拓扑结构图，除此之外，还有部分产品使用性能更加优异的三相三电平光伏电路拓扑结构图（如图1-3 所示） ，这种拓扑具有开关器件应力小、改善输出波形、更低的开关频率和开关损耗等优点，因此三电平光伏逆变拓扑将逐渐替代两电平光伏逆变拓扑成为主流拓扑 18。华南理工大学硕士学位论文4Q1Q2Q3Q4Q5Q6C光 伏 阵 列 L1 ia L2图 12 三相两电平光伏电路拓扑结构图Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q1Q12C1C2D1D2D3D4D5D6ONP A B CL1 ia光
10、 伏 阵 列L2图 13 三相三电平光伏电路拓扑结构图按照调控形式的差异，逆变器可划分成电流源电流调控与电压调控、电压源电流调控与电压调控四类。在光伏发电体系中，用作完成联网功能的逆变器通常运用电流源电压控制逆变器。光伏发电体系的控制目标是完成正弦电流联网，联网逆变器传出的电流波形直接干扰光伏发电体系的电力供应品质，因此，逆变器传出电流调控方法是光伏发电。当前的控制方式包含 PI 控制、滞环电流控制等。这类调控方式均有本身的优势和缺陷，比如 PI 控制拥有算法简便、开关频率固定、容易制定等特征，但是存有动态反应迟缓、追踪存有偏差的缺点；滞环控制可以做到时时操控，因此电流反应速率快，但是其开关频
11、率不稳定等。伴随现代控制理论的不断进展，很多快捷的算法也被运用到逆变体系中，例如神经网络 18-20、自适应控制 21-23与模糊控制 24-27等，这些方法目前主要还在研究阶段，离实际应用还有一段距离。通过近些年光伏事业的飞速发展，在成本、稳定性等层面，传统光伏逆变器技术获得了大步提高，海内外许多电气企业，包含东芝、西门子、三星、GE 等企业均已研发Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.5出成熟商品 28。但是伴随光伏发电运用领域的进一步扩展和电力
12、网的兴起，系统运用需求日渐多元，部分技术和其难点仍需要不断提高与处理，比如微电网瞬态响应、弱电力网支承、无隔离协同并网等。1.2.2 谐波抑制方法的研究现状伴随社会的快速发展，电力设备技术的飞速发展，大批的电子装置与非线性装置被投入到电网中使用，同时智能电网、电动汽车等相关设备的建设和推广，向电网系统注入了大量的谐波，危害着电网的供电质量，由于谐波而引发的故障和事故对用电用户造成了不可估量的损失。当前，全球很多国家与地区均已制订了电力体系谐波与电力装置谐波的国际标准 29-30。国际标准电力质量公共电力网谐波中，对谐波电压与电流的限定如下表电 1-1 与表 1-2 显示 31；对应的，IEEE
13、-519 里的谐波电压与电流的准则如下表 1-3 与下表 1-4 显示 32-33。表 11 国家标准中公共电力网谐波电压限定值各次谐波包含率（%）电力网电压（kV）电压总谐波畸变率（%） 奇次 偶次0.37 6.0 3.0 2.28125.0 4.2 1.436652.0 2.5 1.0120 3.0 1.8 0.6表 12 国家标准中注进公共对接点的谐波电流准许值谐波次数和谐波电流准许值（ A）标准电压（ kV）标准短路容量（ MVA）2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130.37 12 76 64 35 64 28 42 18 22 14 25 12 286 100 43
14、 34 21 34 14 24 11 11 8.5 16 7.1 13华南理工大学硕士学位论文6标准电压（ kV）标准短路容量（MVA）谐波次数和谐波电流准许值（ A）2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1310 100 26 20 13 20 8.5 15 6.4 6.8 5.1 9.3 4.3 7.935 250 15 12 7.7 12 5.1 8.8 3.8 4.1 3.1 5.6 2.6 4.766 550 16 13 8.1 13 5.4 9.3 4.1 4.3 3.3 5.9 2.7 5.0110 750 12 9.6 6.0 9.6 4.0 6.8 3.0 3.0
15、 2.4 4.3 2.0 3.7谐波次数及谐波电流允许值（ A）电网电压（ kV）电压总谐波畸变率（ %）14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 250.38 10 11 12 9.7 18 8.6 16 7.8 8.9 7.1 14 6.5 126 100 6.1 6.8 5.3 10 4.7 9.0 4.3 4.9 3.9 7.4 3.6 6.810 100 3.7 4.1 3.2 6.0 2.8 5.4 2.6 2.9 2.3 4.5 2.1 4.135 250 2.2 2.5 1.9 3.6 1.7 3.2 1.5 1.8 1.4 2.7 1.3 2.566
16、500 2.3 2.6 2.0 3.8 1.8 3.4 1.6 1.9 1.5 2.8 1.4 2.6110 750 1.7 1.9 1.5 2.8 1.3 2.5 1.2 1.4 1.1 2.1 1.0 1.9表 13 IEEE-519 标准有关谐波电压的限定准则表 14IEEE-519 标准有关谐波电压的限定准则（ 120V-68000V）HarmonicOrder(OddHarmonics)%/scLIh1000 16.0 7.5 7.0 3.5 1.2 21.0电网谐波造成的主要危害体现为 34：1） 谐波电流的存在增加了电能在输送线路上的损耗，降低了电能的输送效率，同时还引起了输送线
17、路的加速老化；2） 增加了用户设备如电动机等的不必要的损耗，既降低了此类设备的运行效率，还会导致发热量增大等问题，长期运作还会降低此类设备的使用寿命；3） 对用电设备的使用造成影响，比如由于谐波的干扰会导致继电保护装置误动作、检测仪器工作不准确等；4） 由于谐波的存在会导致与电网相连的一些电力设备发生电路谐振，产生谐振过电压，严重时还会致使电力设备损坏；针对电网中的谐波问题，目前主流的方法一般是使用无源滤波装置或有源滤波装置来对电网中的谐波进行补偿。无源滤波装置主要可以分为调谐滤波器和低通滤波器 35。调谐滤波器可以滤除特定次数谐波（一次称为单调谐滤波器，两次称为双调谐滤波器） ；低通滤波器主
18、要分为一阶低通滤波器、二阶低通滤波器、三阶低通滤波器和 C 型滤波器，衰减高于某一特定频率的谐波。其中，LC 滤波器和 LCL 滤波器是最为常用的无源滤波装置，目前在电网中也广泛地应用，其通常加装在谐波发生源与电网相连接的位置，这种装置结构设计及使用简单，能有效地对特定次谐波进行滤除，以达到对电网谐波进行补偿的目华南理工大学硕士学位论文8的。但它也有些不足的地方，由于它的主要组成部分是 L 和 C，其阻抗网路会收到电网侧的阻抗影响，谐波的滤除效果容易送到系统侧阻抗参数的影响，而且这些无源滤波装置一般都是整数投入或切除，不能随意调节，存在一定的欠补偿或过补偿的情况36-37；除此之外，它的存在还
19、有可能造成某些次谐波放大的可能或在传输过程中产生谐振 38-40。由于无源滤波装置在电网中使用存在的不足，有源滤波器（ActivePowerFilter，APF）在电网中的应用也越来越多 39-42，其拟补了原先无源滤波器在很多环境中的不足，时时采样负荷电流，并做谐波与无功分隔，最后实现主动控制传输电流的高低、频率与相位的功效，而且迅速响应，抵减负荷中对应的电流，并且能够实现谐波与无功的协调补偿，其关键模块就是谐波检测模块和电流跟踪控制模块。有源滤波器的主要工作原理是：通过电压、电流检测装置获取并通过一定方法获得电网中存在的谐波，然后对其进行反相作为有源滤波器的传出，如此有源滤波器所传出中负的
20、电力网谐波组分就可以和电力网里的正谐波组分做抵扣，进而实现谐波弥补的功能。因此，有源滤波器可以根据需要动态地滤除各次谐波，实现对电网中的谐波分量进行完全补偿，并且不会有产生谐振的后果。但是，有源滤波器也有其不足之处，如造价太高，单套设备容量不高，无法在大容量场合使用等。目前应用于有源电力滤波器的常用的谐波检测方法重点包含有频域测定方式与时域测定方式。频域测定方式重点表示以傅立叶变换原理为基础的傅立叶解析法、迅速傅立叶变换算法与改善的傅立叶技术法 43-44等。时域测定方式重点表示鉴于“瞬时无功功率理论”的 p-q 测定方式与 ip-iq 测定方式。傅立叶变换法尽管所用时间比较长限定比较多，但是
21、能够一次性测定出各次谐波电流。相比于傅立叶变换方法，鉴于瞬时无功功率理论的时域测定方式拥有良好的实时性与准确性，但是其测定结果单单是某个时刻谐波电流瞬时数值的总和，而难以分析得到各个次谐波的数据。在谐波测定方式探究层面，国内研究者也陆续开发出很多新的测定方法或对传统谐波测定方式做出了改善，比如鉴于小波变化理论、神经网络等运算方法的谐波测定方法，但目前这些算法仅存在于理论研究，在实际应用中很少采用。常用的电流追踪调控方式重点包含有三角波对比方法 45、无差拍控制 46、滞环电流控制 47-49， 目前由于电流跟踪控制方法在各个领域的控制中都得到了相当广泛的应Error! No text of s
22、pecified style in document.Error! No text of specified style in document.9用，因此控制方法的实现上都比较成熟。当然，除了这些比较成熟的传统控制方法外，国内外学者也有提出了不少改进的控制方法，如针对电压利用率低问题的结合空间矢量法的滞环电流控制、针对开关频率不恒定的基于最优电压矢量的定频滞环方法等，这些方法都取得了一定的改进效果。1.3 本文研究的主要内容随着全球能源的消耗与日俱增，新能源的开发利用已成为目前各领域研究人员的重点研究对象之一，而其中太阳能光伏发电因其独特的优越性而备受关注；与此同时，大量的电力电子设备和非线
23、性设备被投入到电网中使用，造成相当严重的谐波污染，影响着电网的安全稳定运行和电气设备的正常使用，而谐波补偿装置的加装亦会加重供电企业或用电企业的成本负担。因此，基于以上背景因素，并考虑到光伏电网逆变器与有源电能滤波器在重要硬件构造与控制方略上的类似性，本文对结合谐波抑制功能的光伏并网逆变器进行了研究，在实现光伏逆变器进行光能与电能之间转换的同时，在控制策略中引入负载侧的谐波分量，使得光伏逆变器附加输出反相的谐波分量，以补偿网侧的谐波分量，这样既有效提高了光伏的利用率，又可以对负载侧的谐波进行一定的补偿，降低网侧总谐波含量 THD，减少谐波补偿装置的额定容量或不需添置谐波补偿装置，这将取得一举两
24、得的效果，具有很高的理论意义和实践价值。本文具体研究内容如下：1） 对当前常用的 Boost 升压电路拓扑方案、三电平逆变电路拓扑方案、滤波器电路拓扑方案和有源滤波器电路拓扑方案进行分析和对比，然后根据本文设计的特点和需求选取合适的电路拓扑方案，最后根据所选择的各模块拓扑方案进行主电路拓扑的设计；2） 在所设计主电路拓扑的基础下，针对本文设计所选取的各模块电路拓扑方案进行数学模型的建立，然后分析和比较目前各模块电路常用的控制策略，根据相似性和易结合性选取合适的控制策略。最后基于各模块所选择的控制策略设计本文的兼顾谐波抑制的光伏逆变器控制策略；3） 在所设计的主电路拓扑和兼顾谐波抑制的光伏逆变器
25、控制策略的基础上，在Matlab/Simulink 平台上建立本文设计的仿真模型，并对模型的元件参数和各控华南理工大学硕士学位论文10制模块控制环节参数进行了设置，最后分别对仿真模型中各模块的作用及仿真波形进行了分析，以对本文设计的可行性和有效性进行验证。4） 对本文设计所做工作和成果进行总结，并根据仿真结果中存在的问题提出未来的研究方向和展望。Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.11第 2 章 基本硬件结构分析与设计光伏逆变器各模块的电路拓扑结构
26、直接关系到光伏逆变器系统的性能，因此选取合适的拓扑结构，对提升光伏逆变器系统的稳定性和发电效率至关重要。本章节首先列举了目前常用的 Boost 升压电路、三电平逆变器、APF 与滤波器拓扑结构，接着依次对其做出解析，最后在这个基准上根据设计需求，判定本次设计制定的整体硬件结构，为后续的控制策略设计做铺垫。2.1 Boost 拓扑方案光伏阵列的光伏发电中的核心部件，因此如何充分发挥光伏阵列的光电转换效率是光伏发电系统最需考虑的关键技术问题之一 50。然而，在工程应用中，光伏阵列的输出特性一般是呈现很强的非线性特征，并不是很容易控制光伏阵列工作在输出最大功率点附近以使得光电转化效率最大化。在研究人
27、员的尝试和试验中发现光伏阵列的输出是与其输出电压有关的，因此提出了 MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）技术来进行光伏阵列输出的控制，其中作为控制光伏阵列输出电压的核心就是 DC/DC 变换器 51。因为光伏阵列的输出电压一般都比电网侧或用户侧低，所以常用于光伏系统的 DC/DC 变换器是 Boost 变换器和 Buck-Boost 变换器，以下对本文设计使用的 Boost 变换器进行讨论。典型的 Boost 变换器线路原理图如下图 2-1 示，里面的开关元件是一种全控类元件。其负荷的运行当中的平均电压可通过下式计算：（2-1）1odcdcUuQ
28、 Cdcu1iL 0iD 0u图 21Boost 变换器电路原理图其中， ， 为 Boost 电路的升压比， 为其占空比。oftT1华南理工大学硕士学位论文12Boost 变换器运行时可分成电流持续与电流断续两类运作形式 52，其中电流持续的工作形式下线路的运行波形如下图 2-2 显示。在 t=0 时刻，开关元件导通，电源 E 向电感 L 供电，二极管 VD 进到逆向停止状态，电感 L 里的电流呈现指数增加；在 Toff 与Ton 交联处，开关元件断开，二极管进到正向连通状态，在 Ton 期间储存了电能的电源与电感一同向负载充电，流过电感 L 的电流数值逐步降低。 此时，就完成了 Boost电
29、路的一个工作周期，在这个运行周期之内，电感 L 共计经受了 1 次充电与 1 次放电，这个过程中电感 L 储存的能量与向负荷供应的能量 是相同的，故可得到下式：（2-2）11()onofEItUIt经过化简就可得到： 。ofTUEt由于 ，因此负载上的电压平均值大于电源电压，从而达到了升压的目的。1ofTt当电感 L 的值并不是足够大的时候，在开关器件关断的时候，电流会出现断续现象，这就是 Boost 电路的电流断续工作模式，此时其工作波形图如图 2-3 所示，输出功率与占空比平方成正比关系，因其一般不工作在此状态下，故此处不作赘述。 GEuontoftoiou ttt图 22 电流连续情况下
30、的工作波形Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.13GEuontftoiou ttt图 23 电流断续情况下的工作波形2.2 三 电平逆变器拓扑方法三电平逆变器归属为电压类逆变器，其是多电平逆变器里最具实际价值的一类线路。当前三电平逆变器已有许多不同的拓扑结构，但归纳起来主要有以下三种：2.2.1 二极管箝位型三电平逆变器图 2-4 为二极管箝位型三电平逆变器的电路拓扑图，每一相在不同开关管的开断组合状态下能输出三种电压值。规定电流流出桥臂为正，流入
31、桥臂为负，以 A 相为例，分析其工作原理如下 53-55：（1） 当 Q1、Q2 开关管导通，Q3、Q4 开关管关断时，如果电流为正，电流流过开关管 Q1、Q2，忽略管压降，该相输出端电压为 ；如负荷电流/2dcU是负，电流流经和开关管 Q1、Q2 并接的导流二极管，则此相传输电压是；此时称 A 相的状态为 P；/2dcU（2） 当 Q2、Q3 开关管导通，Q1、Q4 开关管断开的时候，假如负荷电流是正，华南理工大学硕士学位论文14电流流经箝位二极管 D1、开关管 Q2，这时此相传输端电压 ；如果负0U载电流为负，电流流过开关管 Q3，再流过箝位二极管 D2，则该相输出端电压是 ；此时称 A
32、相的状态为 O；0U（3） 当 Q3、Q4 开关管导通，Q1、Q2 开关管关断时，如果负载电流为正，电流流过开关管 Q3、Q4；该相传出端电压 ；假如负荷电流是负，电 /2dcU流流经和开关管 Q3 与 Q4 并接的二极管，则此相传出端电压是 ；/2dcU此时称 A 相的状态为 N。Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q11Q12C1C2D1D2D3D4D5D6OONGND1Udc/2Udc/2P A B C图 24 二极管箝位型三电平逆变器拓扑图该拓扑的优缺点如表 2-1 所示：表 21 二极管箝位型三电平逆变器拓扑优缺点优点 缺点1） 输出电压谐波含量少2） 开关损耗较小，效率较高3
33、） 可控制无功功率流1） 需要大量箝位二极管2） 存在电容电压不平衡问题，可能导致输出电压畸变2.2.2 飞跨电容箝位型三电平逆变器图 2-5 为飞跨电容箝位型三电平逆变器的电路拓扑图，每一相在不同开关管的开断组合状态下能输出三种电压值。此拓扑将上一种拓扑中的箝位二极管全部换成了飞跨Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.15电容，其工作原理与二极管箝位型三电平逆变拓扑相似 56，因此此处不再对其进行赘述。Q1Q2Q3Q4C3Q5Q6Q7Q8C4Q9Q
34、10Q11Q12C5C1C2Udc OPNA B C图 25 飞跨电容箝位型三电平逆变器该拓扑的优缺点如表 2-2 所示：表 22 飞跨电容箝位型三电平逆变器拓扑优缺点优点 缺点1） 输出电压谐波含量少2） 开关损耗较小，效率较高3） 可控制无功功率流4） 可用于高压直流输电系统1） 需要大量的飞跨电容，占用体积较大2） 用于有功功率传输时，控制复杂，开关频率高，开关损耗大3） 存在电容电压不平衡问题，可能导致输出电压畸变华南理工大学硕士学位论文162.2.3 具有独立直流电压源的级联型逆变器Q1Q2Q3Q4Edc AB图 26H 型桥逆变电路图 2-6 为 H 型桥逆变电路，是级联型逆变器的
35、基本组成单元，通过将多个单元进行串联，可以构成输出多电平的逆变器 56-57。在图 3 中，该拓扑能在两桥臂间输出极性相反的两种电平，根据级联型逆变器所需的电平数决定串联的级数，级联型逆变器输出电平数 N 和每相的串联级数 M 满足 。21N该拓扑的优缺点如表 2-3 所示：表 23 级联型三电平逆变器拓扑的优缺点优点 缺点1） 没有箝位二极管和飞跨电容的限值，易于封装2） 每个单元的控制逻辑都是独立的，开关逻辑简单3） 具有模块化的结构特点，易于设计、安装4） 不存在电容电压平衡问题1） 每个基本单元都需要一个独立的直流电源来实现箝位功能2） 不易实现四象限运行2.3 滤波器拓扑方法光伏并网
36、逆变器的传出过程中一般包含很多的谐波组分，为规避对电力网的电力品质造成污染，一般严格限定逆变器电流的谐波，同时限制并网电流的总谐波畸形率必需低于 5%，如此便对并网逆变器的传出滤波功能做出了严格的限制。当前经常用到的并网逆变器传出滤波器架构包含有 L 类、LC 类与 LCL 类，按照其滤波功能特征依次Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.17适合于不同的传输滤波条件 58-60。LUi Uo图 27L 型滤波器原理图L 型滤波器的拓扑如图 2-7 所
37、示，其结构比较简单，易于设计和控制，但其谐波衰减率只有-20dB/十倍频，而且要达到较好的滤波效果，通常需要较高的开关频率和较大的电量，导致滤波器体积过大，而且在滤波器上会产生较大的压降，加大了无功功率的消耗，同时还会向电网注入电压纹波，污染电网。因此，这类滤波器的能达到的经济效益不高，目前已较少使用。光伏逆变器设计中常用的 LC 型滤波器的原理图如图 2-8 所示，属于典型的低通滤波电路，而 LC 型滤波器中的高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器在光伏逆变器设计中一般使用不到，因此此处不作讨论。低通主要由滤波电感 L 和稳压电容 C 构成，当有信号从左到右传送的时候，L 对低频率信号影响较小，
38、对高频率信号影响较大； C 则对低频率信号衰退较低，对高频率信号衰退较大。所以此滤波线路较易经过低频率信号，而对高频信号进行阻断。LCRUi Uo图 28LC 型滤波器原理图华南理工大学硕士学位论文18L1CL2R1 R2Ui Uo图 29LCL 滤波器原理图相对于传统的 L 型滤波器和 LC 型滤波器，LCL 型滤波器由于较低的开关频率、较小的电感总量、较好的动态性能等优异的特性，如何用其代替原有的 L/LC 型滤波器已成为当前的研究热点。LCL 型滤波器的原理图如图 2-9 所示，主要由网侧电感、滤波器电容和直流侧电感构成。L 型滤波器、LC 型滤波器和 LCL 型滤波器的幅频特性和相频特
39、性比较如图 2-10 所示，由图可以看出 L 型滤波器的幅频响应特性衰减速度保持不变，LC 型滤波器在低频处和高频处衰减较慢，在截止频率附近衰减较快， LCL 型滤波器在高频处衰减较快，所以各滤波器在低频的幅频响应特性相差不多，而在高频段，LCL 滤波器的衰退比较快，拥有较好的高次谐波去除功效。但是 LCL 型滤波器属于三阶系统，在参数设计和控制方面存在一定困难，同时自身还存在有谐振尖峰问题，会对谐振尖峰附近的谐波起到放大作用，可能会导致系统不稳定，因此还要考虑采用相关方法消除 LCL 滤波器的谐振尖峰，目前常用的做法是在 LCL 滤波器的电容处加入阻尼电阻或者通过控制方法添加一个等效的有源阻
40、尼电阻。Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.19LC滤 波 器 LCL滤 波 器L滤 波 器-150-10-5005010150Magnitude (dB)10-2 10-1 10 101 102-270-180-900Phase (deg)Frequency (rad/s)图 210L 型、LC 型、LCL 型滤波器幅频相频特性比较图2.4 有源滤波器拓扑方案有源滤波器根据接入方式不同可以划分为：串联型有源滤波器、并联型有源滤波器以及混合型有源滤
41、波器 61-64。非 线 性 负 载谐 波 检 测跟 踪 控 制电 网变 流 器变 压 器图 211 串联型有源滤波器工作原理图串联型有源滤波器的工作原理图如图 2-11 所示，其一般是串联接入电力网中，等效为一个控制电压源，不易遭受负荷的变化而随其形成电压变动，还能够去除电压类华南理工大学硕士学位论文20线路里谐波对负荷的阻碍，在其运用在直流体系中的时候，容易产生直流磁饱和这一问题，所以，通常仅适合于谐波源是电压源特征的交流体系，而且因为其串接于电力网电源和负荷之间，流动的电流是电源产生的电流，所以，运行当中的耗损比较大。非 线 性 负 载电 网谐 波 检 测跟 踪 控 制变 流 器图 21
42、2 并接型有源滤波器 工作原理图并联型有源滤波器的工作原理图如图 2-12 所示，一般并联接入电力网中，等效为一个受控电流源，通过检测非线性负载侧的电流，通过一定算法提取出负载侧电流中的谐波分量，通过跟踪控制来让有源滤波器产生相同的谐波分量来提供给负载侧，从而将非线性负载对电网侧产生的谐波影响消除。并联型有源滤波器使用和电力网电源与负荷并接的形式，不易对体系的总体运作造成影响，因此并联型有源滤波器是目前应用最为广泛的一种形式。由于有源滤波器的造价成本较高，为了降低补偿装置安装的成本，需要想办法降低所需的有源滤波器的额定补偿容量，因此提出了将有源滤波器和无源滤波器混合使用，使用无源滤波器滤除主要
43、的谐波分量，然后再使用串联有源滤波器或并联有源滤波器来对总体的谐波补偿效果进行优化，这就是混合滤波器，常用于谐波含量较大且补偿效果要求不高的场合。2.5 总体方案选择及主电路拓扑设计基于选用较为先进的电路拓扑和方便制作实验样机等方面的考虑，本文设计选用了Boost 变换器拓扑、二极管箝位型三电平逆变器拓扑、和 LCL 滤波器拓扑，然后由于并联型有源滤波器与三电平逆变器在拓扑和控制上面有相似的地方，因此文中设计选用了并联型有源滤波器的控制方法。Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified sty
44、le in document.21光伏并网逆变器主电路拓扑如图 2-13 所示，其主要由 Boost 升压电路、三电平逆变电路和 LCL 滤波电路相互连接组成。前端是 Boost 升压电路，光伏阵列的模型相当于直流源，将其输出的直流直流功率直接接入 Boost 升压电路，由于 Boost 升压电路的高压侧（右侧）会被电网箝位，因此通过改变开关管的占空比调节 Boost 升压电路两端的电压比可以控制光伏阵列的输出电压，从而可以实现光伏阵列输出最大功率；Boost 升压电路处理过后，功率传送到三电平逆变电路，三电平逆变电路在控制信号的作用下，输出规律变化的脉冲波，根据伏秒平衡的原理，所输出的脉冲波
45、在经过一定的滤波环节后即可得到符合要求的交流波；后端为 LCL 滤波电路，可以将逆变电路的输出电流中的特定次数谐波分量滤除，使其接近于正弦波，然后将功率输送给负载或电网。Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q1Q12C1C2D1D2D3D4D5D6ONP A B C负 载光 伏 阵 列 LCL滤 波 器 电 网三 电 平 逆 变 电 路Bost升 压 电 路Q CL D图 213 光伏并网逆变器主电路拓扑2.6 本章小结本章对当前常用的 Boost 变流电路拓扑方案、三电平逆变电路拓扑方案、滤波器电路拓扑方案和有源滤波器电路拓扑方案进行了分析和对比，并根据本文设计的特点和需求选取了合适的
46、电路拓扑方案：Boost 升压电路拓扑方案、二极管箝位型三电平逆变电路拓扑方案、LCL 型滤波电路拓扑方案和并联型有源滤波器电路拓扑方案，最后根据所选择的各模块拓扑方案进行三电平逆变器主电路拓扑的设计，为后续的控制策略和仿真模型建立的研究设计奠定基础。华南理工大学硕士学位论文22第 3 章 控制策略设计光伏逆变器的控制策略是光伏逆变器系统正常、高效和稳定运作的关键，因此，对光伏逆变器各模块选取合适的控制策略尤为重要。根据章节 2.5 中的主电路拓扑设计，本文设计的主要控制结构图如图 3-1 所示。Bost升 压 电 路 三 电 平 逆 变 电 路 LCL滤 波 电 路负 载电 网MPT控制 逆
47、 变 控制谐 波 抑制 控 制信号检测信号检测+谐 波 分量 提 取信号检测光 伏 阵 列图 31 本文设计的主要控制结构图3.1 MPPT 控制策略太阳能光伏电池表层具有类似金属膜层的半导体薄片，在太阳光辐照的时候，薄片的另一面与金属膜层间将会出现特定的电压，这种情况被称作光生伏打效应（也称作光伏效应） 。太阳能光伏电池正是一类运用光伏效应直接把光能转变成电力的设备，光伏阵列就是许多太阳能光伏电池连接而成的光伏发电装置 65-66。光伏阵列的 I-V 特征曲线包括其绝大部分技术特征，是对其做出解析最关键的基础曲线。光伏阵列的 I-V 特性表示在某个特定的日光强度与温度条件下，光伏电池的传输电
48、压与电流间的关联，如下图 3-2 示。由 I-V 特征曲线能够得知，光伏电池的输出曲线近似于直流源，但它不会为负荷供应比较大的功率，是一类非线性直流电源。输出电流在大多数运行电压区间内相对稳定，最后在一个比较高的电压后，电流快速减到零。取曲线中每点的电压 V 和电流 I 相乘，即可得到当前点的光伏阵列所输出的功率，在这些点中，存在一点使得输出功率最大，这就是所谓的光伏阵列最大输出功率点。Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.23VI图 32 光伏阵列
49、的 I-V 特性曲线光伏阵列的输出与光照强度、环境温度、输出电压等因素有极大的关系，其输出特性一般呈现很强的非线性，温度不变和光照强度不变时光伏阵列的输出特性如图 3-3和图 3-4 所示。由图可知，在不同温度和光照强度下改变光伏阵列的传输电压的过程当中，光伏阵列的传出功率均是存有一个最高值，因此，为了在环境因素进行变化是保持光伏阵列的输出功率最大化，需要对光伏阵列的输出进行最大功率点的跟踪控制。光伏阵列输出功率光 伏 阵 列 输 出 电 压250/Wm7210/PV图 33 光照强度不同时光伏阵列 P-V 曲线华南理工大学硕士学位论文24光伏阵列输出功率光 伏 阵 列 输 出 电 压PV250 75图 34 温度不同时光伏阵列 P-V 曲线常用的 MPPT 控制策略有恒定电压跟踪法（ CVT） 、扰动观测法（P&O）和导纳增量法（INC）等 66。恒定电压跟踪法主要用于光照强度与环境温度变动比较小的状况下，这时光伏阵列在最高功率位置处的电压几乎为一固定值，然后将光伏阵列的输出电压控制在最大功率点附近的某一固定电压是，光伏阵列的输出将近似等于最大功率。根据文献
