光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理1.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成及分類1.1.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽(yáng)能電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，并且實(shí)現(xiàn)既向負(fù)載供電，又向電網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、控制器和繼電保護(hù)裝置組成。光伏陣列是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要部件，由其將接收到的太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為電能。目前工程上應(yīng)用的光伏陣列一般是由一定數(shù)量的晶體硅太陽(yáng)能電池組件按照系統(tǒng)需要的電壓的要求串、并聯(lián)組成的。并網(wǎng)逆變器是整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心，它將光伏陣列發(fā)出的電能逆變成220V/50Hz的正弦波電流并入電網(wǎng)。電壓型逆變器主要由電力電子開(kāi)關(guān)器件組成，以脈寬調(diào)制的形式向電網(wǎng)提供電能?？刂破饕话阌蓡纹瑱C(jī)或DSP芯片作為核心器件，控制光伏陣列的最大功率點(diǎn)的跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)電流的功率和波形。繼電保護(hù)裝置可以保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全性。1.1.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器要同時(shí)完成MPPT和并網(wǎng)電流控制的任務(wù)，即保證光伏陣列輸出功率最大化的前提下控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相；兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器只需進(jìn)行逆變控制，光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）由前級(jí)DC/DC變換器完成，并網(wǎng)逆變器通過(guò)控制DC/DC變換器的輸出電壓實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡，并網(wǎng)逆變器控制的任務(wù)是保證輸出電流與電網(wǎng)電壓頻率、相位完全一致。1.2光伏陣列模塊工作點(diǎn)（MPPT）跟蹤控制1.1.1光伏陣列輸出特性太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成,它是將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。太陽(yáng)能電池電路模型見(jiàn)圖2-1。a:（Iph：光生電流,正比于太陽(yáng)能電池的面積和入射光的輻照度;ID：暗電流;Rsh：旁路電阻;Rs：串聯(lián)電阻;RL：電池的外負(fù)載電阻;Uoc：電池的開(kāi)路電壓。）圖2-1太陽(yáng)能電池電路模型輸出負(fù)載RL上電壓電流關(guān)系式中qk：電子電荷量及波爾茲曼常數(shù)；A：太陽(yáng)能板的理想因數(shù),A=1.5；T：太陽(yáng)能板的溫度；Iso：太陽(yáng)能板的逆向飽和電流，與T有關(guān)。由光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型分析可知,太陽(yáng)能電池的輸出是一個(gè)隨光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖2-2為太陽(yáng)能電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，即光照1kW/m2,T=25e時(shí)的典型輸出特性。太陽(yáng)能板的輸出開(kāi)路電壓和輸出短路電流的值由生產(chǎn)廠家給出[3]。由圖2-2光伏電池輸出特性曲線可知,光伏電池在輸出電壓較低時(shí),其輸出電流幾乎不變，可以看成一個(gè)直流恒流電源。光伏電池的P-U曲線是一個(gè)單峰值曲線，光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化而變化，在變化過(guò)程中存在一個(gè)最大值。圖2-2太陽(yáng)能電池典型輸出曲線1.1.2MPPT控制方法觀察光伏電池輸出功率特性P-U曲線可知,太陽(yáng)能電池有一個(gè)最優(yōu)工作點(diǎn),叫做最大功率點(diǎn)(MPPT),它取決于電池板溫度和光照大小,不同的溫度和光照條件下太陽(yáng)能電池有不同的最大功率點(diǎn)。即使在同一溫度和光照條件下,由于太陽(yáng)能電池的工作電壓不同,也會(huì)使太陽(yáng)能電池輸出功率不同。要使光伏電池盡可能地工作在最大功率點(diǎn),需要使用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制。最常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法有：恒定電壓跟蹤法(CVT)、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法[4]等。1、恒定電壓跟蹤法通過(guò)觀察光伏系統(tǒng)P-V關(guān)系曲線圖，發(fā)現(xiàn)在一定的溫度下，當(dāng)日照強(qiáng)度較高時(shí)，諸曲線的最大功率點(diǎn)幾乎都分布在一條垂直線的兩側(cè)，這說(shuō)明光伏陣列的最大功率輸出點(diǎn)大致對(duì)應(yīng)于某一恒定電壓，這就大大簡(jiǎn)化了MPPT的控制設(shè)計(jì)，即人們僅需從生產(chǎn)廠商處獲得數(shù)據(jù)，并使陣列的輸出電壓鉗位于值即可，實(shí)際上是把MPPT控制簡(jiǎn)化為穩(wěn)壓控制，這就構(gòu)成了CVT式的MPPT控制。采用CVT較之不帶CVT的直接耦合工作方式要有利得多，對(duì)于一般光伏系統(tǒng)可望獲得多至20%的電能。但這種控制方式忽略了溫度對(duì)開(kāi)路電壓的影響，特別是在環(huán)境溫度變化比較大的場(chǎng)合，會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，從而浪費(fèi)較大的電能。CVT控制的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，可靠性高；系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)振蕩，有很好的穩(wěn)定性；可以方便地通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是：控制精度差，特別是對(duì)于早晚和四季溫度變化劇烈的地區(qū)；必須人工干預(yù)才能良好運(yùn)行，更難預(yù)料風(fēng)、沙等影響。圖2-3采用CVT控制的控制流程圖2、擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)觀察法的原理是在每個(gè)控制周期用較小的步長(zhǎng)改變太陽(yáng)能電池陣列的輸出，改變的步長(zhǎng)是一定的，方向可以是增加也可以是減少，控制對(duì)象可以是太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓或電流，這一過(guò)程稱為“擾動(dòng)”；然后，通過(guò)比較干擾周期前后太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過(guò)程，如果檢測(cè)到輸出功率減少，則改變“干擾”的方向。當(dāng)擾動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在其最大功率點(diǎn)附近的一個(gè)小范圍內(nèi)來(lái)回振蕩，從而導(dǎo)致部分功率損失；其次，難以選擇合適的變化步長(zhǎng)，步長(zhǎng)過(guò)小，跟蹤的速度緩慢，太陽(yáng)能電池陣列可能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于低功率輸出區(qū)，步長(zhǎng)過(guò)大，太陽(yáng)能電池陣列在最大功率點(diǎn)附近的振蕩又會(huì)加大，跟蹤精度下降，從而導(dǎo)致更多的功率損失。由上可歸納出擾動(dòng)觀察法具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：①優(yōu)點(diǎn)：跟蹤方法簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少，傳感器精度要求不高，從而易于實(shí)現(xiàn)；②缺點(diǎn)：太陽(yáng)能電池陣列只能在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致一定的功率損失；跟蹤步長(zhǎng)對(duì)跟蹤精度和跟蹤速度無(wú)法兼顧；在外部環(huán)境突然變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。所以，擾動(dòng)觀察法適合于日照強(qiáng)度變化比較緩慢場(chǎng)合。圖2-4擾動(dòng)觀察法控制流程圖3、電導(dǎo)增量法由光伏電池的P-U曲線可以看出，在最大功率點(diǎn)處的斜率為零。通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)后如下：求功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)：達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)有下式成立最大功率點(diǎn)右邊時(shí)有下式成立最大功率點(diǎn)左邊時(shí)有下式成立上面推導(dǎo)表明當(dāng)太陽(yáng)能電池陣列工作在最大功率點(diǎn)的條件是:輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值。若不相等，則要判斷大于零還是小于零，判斷其處于最大功率的左邊還是右邊，然后決定下一步擾動(dòng)的方向。電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)是：在日照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，太陽(yáng)能電池陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，而且穩(wěn)態(tài)的電壓振蕩也較擾動(dòng)觀察法小。電導(dǎo)增量法的缺點(diǎn)是:太陽(yáng)能電池陣列可能存在一個(gè)局部的最大功率點(diǎn)，這種算法可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)局部的最大功率點(diǎn)，如同擾動(dòng)觀察法一樣，增量電導(dǎo)法的變化步長(zhǎng)也是固定的。電導(dǎo)增量法適合用于光強(qiáng)變化快速和緩慢的各種場(chǎng)合，但是它對(duì)于控制器硬件要求相對(duì)較高，從而導(dǎo)致控制器的成本增加，因而并不適用小功率的光伏發(fā)電場(chǎng)合。圖2-5電導(dǎo)增量法控制流程圖1.3光伏逆變器的并網(wǎng)控制策略光伏逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行必須滿足：其輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相（功率因數(shù)為1），而且其輸出還應(yīng)滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求。這些都依賴于逆變器的有效控制策略。光伏并網(wǎng)逆變器的控制一般分為2個(gè)環(huán)節(jié)：第1個(gè)環(huán)節(jié)得到系統(tǒng)功率點(diǎn)，即光伏陣列工作點(diǎn)；第2個(gè)環(huán)節(jié)完成光伏逆變系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的跟蹤同時(shí)，為保證光伏逆變器安全有效地直接工作于并網(wǎng)狀態(tài)，系統(tǒng)必須具備一定的保護(hù)功能和防孤島效應(yīng)的檢測(cè)與控制功能。1.3.1并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)并網(wǎng)逆變器是整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分。光伏并網(wǎng)逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制、電流源電流控制四種方式。以電流源為輸入的逆變器，直流側(cè)需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此大電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，因此當(dāng)前并網(wǎng)逆變器普遍采用以電壓源輸入為主的方式。按照輸入直流電源的性質(zhì)，可以將逆變器分為電流型逆變器和電壓型逆變器[17]，結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。(a)電流型逆變器(b)電壓型逆變器圖2-6電流型、電壓型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖市電電網(wǎng)可視為容量無(wú)窮大的定值交流電壓源，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出可以控制為電壓源或電流源。如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上就是兩個(gè)交流電壓源的并聯(lián)運(yùn)行，這種情況下要保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，則必須采用鎖相控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)與市電電網(wǎng)同步。在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可通過(guò)調(diào)整并網(wǎng)逆變器輸出電壓的幅值與相位來(lái)控制系統(tǒng)的有功輸出與無(wú)功輸出。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢，并網(wǎng)逆變器輸出電壓值不易精確控制，系統(tǒng)可能出現(xiàn)環(huán)流等問(wèn)題，同樣功率等級(jí)的電壓源并聯(lián)運(yùn)行方式不易獲得優(yōu)異性能。因此光伏并網(wǎng)逆變器的輸出常采用電流控制，此時(shí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上是交流電流源和電壓源的并聯(lián)，只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網(wǎng)電壓，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。這種控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單，使用比較廣泛。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即電壓型逆變器。1.3.2逆變器輸出電流優(yōu)化控制并網(wǎng)逆變器采用的電流控制是將逆變器輸出作為電流源，它與電網(wǎng)的并聯(lián)可看作電流源與電壓源的并聯(lián)工作。并網(wǎng)工作中只需控制逆變器的輸出電流頻率、相位跟蹤電網(wǎng)電壓變化即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。PI控制PI控制采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)控制要求保證工作電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓的波形，所以電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)的設(shè)置以保證電流快速跟蹤為目的；電壓外環(huán)控制確保直流側(cè)電壓穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)處，使外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)電路輸出仍然有最大的功率輸出，電壓外環(huán)控制一般采用比例積分控制。設(shè)濾波電感和線路的等效電阻為，則有：（2-1）對(duì)上式做拉氏變換，整理后可得到研究對(duì)象的傳遞函數(shù)為：（2-2）而脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以視為一階慣性環(huán)節(jié)，即：（2-3）其中，為逆變器增益，大小等于逆變電路的直流電壓利用率。為逆變器開(kāi)關(guān)周期。當(dāng)逆變換環(huán)節(jié)處于高頻工作狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)周期非常小，可以近似為零，此時(shí)上式可簡(jiǎn)化為：（2-4）為了減小電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的干擾，可加入電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)，此時(shí)電流控制方式為前饋-反饋控制系統(tǒng)。這樣依靠反饋控制使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)準(zhǔn)確地控制被調(diào)量等于給定值，而在動(dòng)態(tài)過(guò)程中利用前饋控制有效地減少被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差[38]。PI控制算法采用雙閉環(huán)控制策略，電流內(nèi)環(huán)控制對(duì)于進(jìn)入系統(tǒng)的擾動(dòng)具有很好的抑制作用，改善了控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，使控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性；采用電壓外環(huán)控制確保直流側(cè)工作于最大功率點(diǎn)處，提高了能量的利用效率；加入前饋控制環(huán)節(jié)，與反饋回路取長(zhǎng)補(bǔ)短，進(jìn)一步克服了電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。缺點(diǎn)是指令信號(hào)是電網(wǎng)電壓的基波正弦波，不是一個(gè)定值跟蹤系統(tǒng)，且指令信號(hào)中含有其他階次的諧波，僅采用PI控制是無(wú)法消除穩(wěn)態(tài)誤差的。滯環(huán)控制滯環(huán)控制是把正弦電流基準(zhǔn)值與輸出瞬時(shí)值比較得到的誤差量作為滯環(huán)比較器的輸入，其輸出用來(lái)控制逆變電路功率管的通斷。該控制方式選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)寬很重要，環(huán)寬越小，跟蹤誤差越小，但開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大。該控制方式電路簡(jiǎn)單、不用載波、電流響應(yīng)速度快，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量。但功率開(kāi)關(guān)頻率隨負(fù)載電流的變化而變化，造成功率開(kāi)關(guān)工作具有很大的不確定性，導(dǎo)致逆變器輸出電壓中諧波頻率隨開(kāi)關(guān)頻率變化而變化，從而給輸出濾波器的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。圖2-7滯環(huán)控制框圖3、重復(fù)控制圖2-8重復(fù)控制框圖逆變器的輸出電流發(fā)生變形常常是因?yàn)槟孀兤鞯牟皇芸刂茀^(qū)域以及電網(wǎng)頻率波動(dòng)的存在。內(nèi)?？刂圃砥渲械闹貜?fù)控制原理能比較好的解決這個(gè)問(wèn)題。在一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在著外部輸入信號(hào)模型，這就是內(nèi)模控制。基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制器具有良好的魯棒性與穩(wěn)態(tài)性能，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力電子波形控制中；重復(fù)控制器對(duì)于周期性指令信號(hào)可以獲得近乎無(wú)差的跟蹤特性，而對(duì)于外部周期性擾動(dòng)以及當(dāng)控制對(duì)象與所建立模型失配，或參數(shù)因?yàn)榄h(huán)境等而發(fā)生變化等因素具有較好的抑制能力[42]。重復(fù)控制器把給定信號(hào)和反饋信號(hào)的誤差作為控制指令，然后在下一個(gè)周期時(shí)把該誤差信號(hào)與給定信號(hào)相加，以消除輸出電流中的諧波分量。重復(fù)控制器包括周期延遲環(huán)節(jié)、低通濾波器和補(bǔ)償器，為一個(gè)基波周期內(nèi)的采樣次數(shù)。的作用是把當(dāng)前周期的誤差信號(hào)作為下一周期控制的輸入信號(hào)，以消除每個(gè)周期中重復(fù)出現(xiàn)的擾動(dòng)。為取值介于0和1之間的常數(shù)，實(shí)現(xiàn)上一