摘 要

二十世纪以来，化石能源的过度开发和消耗，导致人类社会面临严重的能源危机。以太阳能为代表的新能源作为缓解能源危机的必然选择，越来越受到全球的认可。太阳能发电作为分布式发电的重要形式，微型光伏逆变器的工作性能直接决定光伏电站的发电量和成本。所以，微型逆变器的关键技术对分布式发电的推广有极为重要地意义，本文研究内容包括以下两部分。

第一，本文研究微型并网逆变器主电路常见的拓扑结构，并分析各拓扑结构的工作原理和性能特点，提出采用交错并联有源钳位反激式拓扑结构作为前级DC-DC升压变换电路，全桥逆变电路实现后级DC-AC变换的方案，并针对该拓扑结构分析性能特点和和工作过程。然后基于Matlab Simulink仿真软件搭建该拓扑结构的仿真模型。仿真结果显示并网电流与电压同相同频，微型逆变器输出电流纹波含量低，验证该拓扑结构的工作性能高效。

第二，本文研究光伏微型并网逆变器的控制策略问题，包含太阳能电池的数学模型以及最大功率点跟踪技术。其中，在MPPT控制重点分析扰动观察法、电导增量法等策略，最后提出基于双向变步长扰动观察法的MPPT模型，仿真结果显示跟踪迅速、纹波含量低。最后针对光伏系统孤岛检测问题，提出主动移频式孤岛检测策略，仿真结果显示该算法能有效处理孤岛事故。

关键词：光伏发电；微型逆变器；交错并联反激；仿真

Abstract

Since the 20th century, owing to over-exploitation and consumption of fossil energy, human society encounters a serious energy crisis. Nowadays people and society recognized that the renewable energy represented by solar energy is a compulsory choice to release the energy crisis. Solar power as an important form of distributed generation, photovoltaic micro inverter largely determines the performance and the cost of photovoltaic power station. Therefore, studying the key technology of photovoltaic micro inverters for the promotion of distributed generation is extremely important, the study includes the following two parts:

First, the research analyzes several main topologies of micro-grid inverters, includes the working principle and performance of each topology，and proposes interleaving active clamp flyback topology as DC-DC converter circuit, and the full-bridge inverter circuit to converter DC-AC. Besides the study exploits the topology performance and analysis the working processes .Furthermore, based on Matlab Simulink simulation software, the paper builds simulation model of the topology. Simulation results show that the grid current and voltage are the same frequency and phase, and contains low output current ripple content, which verifies of the high efficient performance of the topology.

Second, the study researches the control strategies of photovoltaic micro-grid inverter, which includes mathematical model of solar cell, and the maximum power point tracking technology etc. In the MPPT, the study analyses the perturbation and observation method, incremental conductance classical method, etc. and recommends to take two-way variable step observation method, then builds simulation model to verify the algorithm which works with fast track and low ripple content. Finally the research discusses the islanding detection problem for PV systems, and proposes Active Frequency Drift strategy .Simulation results show that the algorithm can quickly resolve the islanding accidents.

Key Words：solar energy；micro inverter；interleaving flyback ；Simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 能源危机与可再生能源 1

1.2 太阳能发电 1

1.3 光伏并网发电系统典型结构 2

1.4 微型光伏并网逆变器国内外发展现状 4

1.4.1 国外微型逆变器发展现状…………………………………………………………4

1.4.2 国内微型逆变器发展现状…………………………………………………………4

1.5 论文主要研究内容 5

第2章 微型逆变器拓扑研究 6

2.1 微型并网逆变器拓扑结构研究 6

2.2 微型逆变器拓扑结构概述 7

2.3 有源钳位反激式 9

2.3.1反激式拓扑…………………………………………………………………………..9

2.3.2有源钳位与漏感能量回收…………………………………………………………..9

2.3.3交错并联反激式……………………………………………………………………10

2.4 交错并联反激式主拓扑及工作过程分析 10

2.4.1主拓扑结构…………………………………………………………………………10

2.4.2工作过程分析………………………………………………………………………11

2.5 关键参数设计 15

2.5.1反激电路设计………………………………………………………………………16

2.5.2输入解耦电容设计…………………………………………………………………16

2.5.3反激输出滤波电容设计……………………………………………………………17

2.5.4电网侧滤波电感设计………………………………………………………………17

2.5.5有源钳位电容设计…………………………………………………………………17

2.6 微型逆变器仿真分析 18

2.7 本章小结 21

第3章 微型光伏并网逆变器控制策略 22

3.1 太阳能电池 22

3.1.1太阳能工作原理……………………………………………………………………22

3.1.2太阳能工作原理……………………………………………………………………22

3.1.3太阳能电池仿真分析………………………………………………………………24

3.2 最大功率点跟踪技术 25

3.2.1MPPT控制方法概述……………………………………………………………….26

3.2.2MPPT仿真分析…………………………………………………………………….27

3.3 孤岛检测 29

3.3.1主动移频孤岛检测法………………………………………………………………30

3.3.2主动移频孤岛检测仿真……………………………………………………………30

3.4 并网控制策略概述 31

3.4.1电压源电压控制方式………………………………………………………………31

3.4.2电压源电流控制方式………………………………………………………………32

3.4.3并网控制过程分析…………………………………………………………………32

3.5 本章小结 33

第4章 总结与展望 34

4.1 总结 34

4.2 展望 34

参考文献 35

致 谢 36

第1章 绪论

• 1. 能源危机与可再生能源

19世纪70年代工业革命以来，世界经济日趋现代化。这主要得益于不可再生能源如石油、煤炭、天然气、与核能的大量开采和消耗。然而，由于人类社会的过度开发和消费，地球上储量有限的化石燃料将在21 世纪中叶快速地接近枯竭。根据BP公司在2015年6月发布的《BP世界能源统计年鉴》的资料显示，可供人类支配的化石能源大约为 1110~1610 亿吨，以 1996 年世界石油年开采量34.2亿吨计算，石油能源大约在2050年左右开采完毕。目前已探明的天然气储备大约在131800~152900 兆立方米，如果保持2400兆立方米的年开采量，将在55~66年内枯竭。煤炭的探明储量约为5650亿吨。以1996年为33亿吨的年开采量，可以供应人类168年。追溯第二次世界大战以来各与地区爆发的战争与冲突的根源，几乎都是能源和化石原料的抢夺引起的。如果一次能源消耗殆尽，而二次能源短期内供应短缺，这必将导致世界经济危机和冲突的加剧。

近年来，随着能源需求的日益紧缺所带来，以及过度使用化石燃料导致的全球气候暖化等人类灾难的考验，世界越来越意识到，可再生能源不仅是解决气候变化的关键，也在创造经济发展新机会和帮助缺乏现代能源服务的数十亿人口获取能源方面发挥着核心作用。根据《2015可再生能源全球现状报告》一文，2015年，可再生能源在世界各个区域都有显著增长，约59%的全球净电力新增装机来自可再生能源。太阳能光伏发电和水电以及风电在其中占绝对优势。截止到2015年年底，全球发电装机中可再生能源约占 27.7%，足以满足全球电力需求的22.8%左右。与之呼应，相关的政策制定者们也正在要求公共电力公司进一步优化其商业模式及电网基础设施。在澳大利亚、欧洲、日本及北美地区，居民型“产销者”（生产并消费自发电力的用户）的数量均有大幅度增长。在近几年，可再生能源实现了技术进步、全球安装容量的增加，以及成本的快速下降，这不但吸引了巨额投资，并通过规模经济进一步降低了成本。在全球能源经济消费增长以及下半年油价急剧下跌的背景下，可再生能源在 2015年仍维持了增长态势。其中，装机容量增长速度最快、增幅最大的是电力行业， 且主要集中在太阳能光伏发电、水电以及风电。

• 1. 太阳能发电

随着发电成本的迅速下降，光伏发电已经具备较化石燃料而言的成本竞争力。在全世界范围内越来越多的地方，光伏发电的补贴政策被取消，光伏发电开始在一些国家的发电行业中起着实质性的作用。根据联合国环境计划署（简称 UNEP）的统计结果，2015年，光伏发电的增长又创纪录，全球新增装机约 40GW，累计装机177 GW。中国、日本和美国引领新增装机排名前三的位置。而中国国家能源局的统计表格指出，2015年中国累计光伏发电装机容量16600.00MV，同2014年中国累计光伏装机容量12800.00MV同比增长29.69%，占全球新增装机的四分之一以上，成为全球光伏发电装机容量最大的国家，如图1.1所示。