摘 要

随着社会的不断发展，对能源的需求也越来越高。而传统的化石能源是有限的，是不可再生的。所以，对新能源的研究成为目前比较热门的话题。太阳能以其取之不尽用之不竭、清洁无污染的优势得到了飞速发展，并网发电系统即是最为明显的一种表现形式。所以，此课题将针对光伏并网逆变器的设计进行探索。

在并网逆变器的研究中，采取了先分后合的方法。即先对各部分电路进行基本的仿真与调试，再将各部分电路合并起来。研究的过程主要分为：光伏阵列的仿真研究、最大功率跟踪（MPPT）的研究、DC/DC变换的研究、DC/AC变换的研究、锁相环的研究、孤岛效应的研究等。

整个系统中，DC/DC变换采用两相并联的boost直流升压电路，最大功率跟踪采用扰动观察法，DC/AC变换采用三相电压源型全桥逆变电路，其控制部分采用SPWM控制策略。最后的锁相部分采取通过变压器直接从电网取样的方法。整个研究过程在SIMULINK环境中建立仿真模型。首先根据光伏阵列的基本数学模型搭建光伏阵列的基本拓扑结构，仿真的基本参数由网上某逆变器生产厂商处查得，以电压为自变量得到输出功率—电压即P—V图和输出电流—电压即I—V图。然后将光伏阵列的输出作为boost电路的输入量，对光伏阵列输出的低压直流电压进行升压，在此部分中较为核心的部分是MPPT即最大功率跟踪算法，MPPT部分采用扰动观察法，采集光伏阵列的输出电压和输出电流，经过一定的逻辑运算后输出具有一定要求的控制信号用来驱动boost电路的开关器件，进而使光伏阵列始终工作在最大功率点附近。最后将boost电路输出的直流电压输入到三相电压型桥式逆变电路中，将其逆变为工频交流电压后并入交流电网。逆变部分的核心部分是SPWM控制信号的产生，本方案中从交流电网中采集控制信号与三角载波信号一起产生SPWM波控制逆变器的工作，使逆变器输出与电网电压同频、同幅、同相的交流电压。

关键词：SPWM；光伏并网逆变器；最大功率跟踪；DC/DC变换；DC/AC变换

Abstract

With the continuous development of society, the demand for energy is also getting higher and higher. While the traditional fossil energy is limited and is not renewable. Therefore, the study of new energy has become a more popular topic. Solar energy with its inexhaustible, clean and pollution-free advantages have been rapid development, and power generation system is the most obvious form of expression. Therefore, this subject will be designed for photovoltaic grid-connected inverter to explore.

In the study of grid-connected inverter, the method of combining points is adopted. That is, the first part of the basic circuit simulation and debugging, and then part of the circuit together. The research process is divided into: simulation of photovoltaic array, research of maximum power tracking (MPPT), research of DC / DC transform, research of DC / AC transform, research of phase-locked loop, research of islanding effect.

In the whole system, the DC / DC converter adopts the boost booster circuit, the maximum power tracking adopts the disturbance observation method, the DC / AC conversion adopts the three-phase voltage source type full bridge inverter circuit, and the control part adopts the SPWM control strategy. The final phase-locked part takes the method of sampling directly from the grid via a transformer. The entire research process establishes a simulation model in the SIMULINK environment. First of all, according to the basic mathematical model of photovoltaic array to build the basic structure of the PV array, the basic parameters of the simulation by a network inverter manufacturers to find the voltage as an independent variable output power - the voltage that is P-V and the output current - Voltage is the I-V diagram. Then, the output of the PV array is used as the input of the boost circuit to boost the low voltage DC voltage outputted by the PV array. The core part of this part is the MPPT maximum power tracking algorithm. The MPPT part adopts the disturbance observation method, The output voltage and output current of the array, after a certain logic operation to output a certain control signal to drive the boost circuit switching device, the system always work in the vicinity of the maximum power point. Finally, the boost circuit output DC voltage input to the three-phase voltage bridge inverter circuit inverter frequency into the AC voltage into the grid. The core part of the inverter part is the generation of the SPWM control signal. In this scheme, the control signal and the triangular carrier signal are collected from the AC power network to produce the SPWM wave control inverter. The inverter output is connected with the grid voltage. Amplitude, in phase AC voltage.

Key words: SPWM; photovoltaic grid-connected inverter; maximum power tracking; DC / DC conversion; DC / AC conversion

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1设计的意义和背景 1

1.2光伏并网逆变器的国内外研究现状 2

1.2.1光伏并网系统的研究现状 2

1.2.2最大功率跟踪技术（MPPT）的研究现状 3

1.2.3并网逆变器控制技术的研究现状 3

1.3主要研究内容 4

第2章 光伏阵列与最大功率跟踪的研究 5

2.1引言 5

2.2光伏阵列 5

2.2.1光伏阵列的电路模型 5

2.2.2光伏阵列的数学模型 6

2.2.3光伏阵列的仿真研究 7

2.3最大功率跟踪 9

2.3.1扰动观察法 9

2.3.2电导增量法 10

2.3.3恒定电压法 11

2.3.4扰动观察法的仿真研究 12

2.4本章小结 13

第3章DC/DC变换与MPPT控制的研究 14

3.1引言 14

3.2 boost变换器 14

3.2.1 boost电路的工作原理 14

3.2.2 multi-phase技术在boost电路的应用 15

3.2.3 boost电路参数的计算 16

3.2.4 boost电路的仿真研究 17

3.3带有最大功率跟踪的boost电路研究 18

3.4本章小结 20

第4章 并网逆变器及PWM控制策略的研究 21

4.1引言 21

4.2并网逆变器的工作原理研究 21

4.3并网逆变器PWM控制策略研究 22

4.3.1 SPWM控制策略的基本原理 22

4.3.2 SPWM控制策略的仿真电路 23

4.4并网逆变器滤波电路设计 24

4.4.1滤波电路参数设计 24

4.4.2滤波电路仿真研究 25

4.5并网逆变器锁相环的设计 26

4.5.1锁相环的基本原理 26

4.5.2锁相环的设计 26

4.6整体仿真 28

4.7本章小结 29

结论 30

参考文献 31

致谢 32

1. 绪论

1.1设计的意义和背景

在传统的不可再生能源日趋减少、化石能源的使用对全球环境影响越来越显著的严峻形势下，清洁的可再生能源越来越受到人们的关注。太阳能作为新能源的一个代表，以其取之不尽用之不竭、清洁无污染的优点得到了迅速的发展。国内外目前对太阳能的利用主要表现在光伏发电产业上。光伏发电相对于其他太阳能利用具有安静无污染、对地域要求不高、不需要过多看守、建设周期短、建设规模灵活等优点。

目前，全球太阳能光伏发电市场呈现出美国、西班牙装机容量领先，整个产业全球极速发展的局面。截止2015年末，全球建成的光伏电站已接近5吉瓦，世界光伏发电产业近几年的发展趋势如图1.1所示。据国际可再生能源署（IRENA）统计，到2015年12月，西班牙装机容量为2300MW，占全球总装机容量近一半，位居世界第一，美国总装机量为1777MW，尾随其后，两者合计装机超过4吉瓦，约占全球装机的88%。其后是印度、南非、阿联酋、阿尔及利亚、摩洛哥等国。中国截至2015年底已建成装机约14MW。

图1.1 全球太阳能发电累计容量

太阳能光伏逆变器是太阳能光伏发电系统的核心组件，而目前光伏发电的利用效率并不高，大约为10%到15%，所以为进一步提高光伏发电的利用效率、降低系统成本，合理的运用电力电子器件和合理的控制算法，既能减少整个过程的能量损耗，又能减少成本。本课题就是围绕此项工作展开。

1.2光伏并网逆变器的国内外研究现状

1.2.1光伏并网系统的研究现状

目前，绝大多数光伏并网发电系统的基本组成部分为：光伏阵列、直流-直流升压电路、直流-交流逆变电路。其核心的控制策略主要包括：最大功率跟踪算法、SPWM波的生成电路、并网锁相控制策略等。而控制的核心绝大多数采用DSP控制器，其编程简单、处理灵活迅速的特点使其得到广泛的应用。

光伏并网逆变器的结构主要有三种：高频无变压器结构、高频有变压器结构、工频有变压器结构。其中，高频无变压器结构是目前应用最为广泛的。

高频无变压器结构，如图1.2所示。该方式首先将光伏阵列发出的不稳定直流低压电经过一个DC/DC直流变换电路，升压到一定的较高直流电压后输出。然后将得到的直流高压输入到一个DC/AC变换电路，将直流电逆变为工频交流电。最后将得到的工频交流电一部分直接供自己使用，另一部分经锁相后并入交流电网。其主要特点是电路结构简单，效率较高。

图1.2 高频无变压器结构

高频有变压器结构，如图1.3所示。该方式首先将光伏阵列发出的直流低压直接经一个DC/AC变换器逆变为高频交流电压，经高频升压变压器升压后输入到下级AC/DC整流电路，将刚才得到的高频交流高压整流为直流高压。然后将直流高压经DC/AC变换电路逆变为工频交流电压。最后将工频电压经锁相后并入交流电网。其主要特点是电压通过高频变压器升压，损耗比较小。但电压经多级变换，电路结构复杂，成本较高且电路的可靠性不如其他两种。