摘 要

在化石能源日益稀缺，环境日益恶化的21世纪，可再生清洁能源的研究和利用已开始受到各国的关注。光伏并网发电系统因其经济和环境优势而在全球范围内得到广泛应用，逆变器也是最重要的能源转换设备之一。由于逆变产生的高次谐波会污染电网电能质量，故其性能的优劣直接关系发电效率的高低。

本文旨在设计一种基于准PR控制的光伏并网逆变器系统。首先是对光伏发电与并网逆变器行业的现状和前景的综述。然后阐述了光伏并网逆变器系统的工作原理并介绍逆变器的几种控制策略。基于目前常用的PI控制器，将其扩展到PR控制，最后引入准PR控制技术。详细讨论了在并网过程中使用的PLL技术。输出电流参考正弦波与电网电压相互同相，系统效率得到提高。接下来，在理论分析中详细分析了并网逆变器系统的各种功能，包括主电路，控制电路和保护电路。最后，利用Matlab/Simulink软件设计了一个发电功率为1kW的光伏并网发电系统仿真模块，并对要实现的功能进行了仿真测试。结果表明，所设计的电路和应用的控制方法可以完成设计要求，系统可以实现高效率和稳定运行。

关键词：并网逆变器; Matlab/Simulink;准PR控制;锁相环

Abstract

In the 21st century when fossil energy is becoming increasingly scarce and the environment is deteriorating, the research and utilization of renewable clean energy has begun to attract the attention of various countries. Photovoltaic grid-connected power generation systems are widely used worldwide because of their economic and environmental advantages. Inverters are also one of the most important energy conversion devices. Because the harmonics generated by the inverter will pollute the power quality of the power grid, its performance is directly related to the level of power generation efficiency.

This paper aims to design a photovoltaic grid-connected inverter system based on quasi-PR control. First, the current status of PV power generation and inverter industry is summarized. Then the working principle of the photovoltaic grid-connected inverter system is described and several control strategies of the inverter are introduced. Based on currently used PI controllers, it is extended to PR control and finally quasi-PR control technology is introduced. The PLL technology used in the networking process is discussed in detail. The output current reference sine wave and the grid voltage are in phase with each other and the system efficiency is improved. Next, in the theoretical analysis, various functions of the grid-connected inverter system are analyzed in detail, including the main circuit, the control circuit and the protection circuit. Finally, using Matlab/Simulink software, a photovoltaic grid-connected power generation system simulation module with a power generation of 1kW was designed, and the functions to be implemented were simulated and tested. The results show that the designed circuit and application control method can complete the design requirements and the system can achieve high efficiency and stable operation.

Key Words： Grid-connected inverter; Matlab/Simulink; Quasi-PR control; Phase-locked loop

目 录

第1章 绪论 1

1.1背景 1

1.2光伏发电现状 1

1.3光伏逆变器现状 2

1.3.1国外现状 2

1.3.2国内现状 3

1.3.3光伏逆变器行业 4

1.4研究内容 4

第2章 光伏并网发电系统综述 6

2.1光伏逆变系统拓扑结构 6

2.2并网系统滤波器设计 8

2.2.1 L滤波器 9

2.2.2 LC滤波器 9

2.2.3 LCL滤波器 9

2.3控制策略概述 10

2.3.1滞环控制 10

2.3.2 PID控制 10

2.3.3其它控制方式 11

2.4 本章小结 12

第3章 基于准PR的逆变器控制技术 13

3.1逆变器模型分析 13

3.1.1理想模型 13

3.1.2工作状态分析 14

3.1.3系统建模 15

3.2控制策略 15

3.2.1 PI控制器的缺点 15

3.2.2 PR控制的提出 16

3.2.3准PR控制器的提出 17

3.3锁相环 18

3.3.1锁相环技术的发展 18

3.3.2锁相环原理 18

3.4本章小结 19

第4章 系统设计 20

4.1主要性能指标要求 20

4.2主电路设计 21

4.2.1入端直流电压的选择 21

4.2.2开关器件的选择 21

4.2.3输出滤波器设计 22

4.3控制电路的实现 22

4.3.1 IGBT驱动电路 22

4.3.2采样调理电路 23

4.3.3保护电路 23

4.4本章小结 24

第5章 仿真与总结 25

5.1准PR控制的MATLAB仿真 25

5.2实验结果 27

5.3全文总结 27

5.4局限与展望 28

参考文献 29

致谢 32

第1章 绪论

1.1背景

能源是各国发展的经济命脉，随着社会高速发展和科技进步带来了人们生活水平的提高，同时对于能源的需求量也在进一步膨胀。但是传统的化石能源却是无法满足人们的长期需求，能源问题已经不容忽视；另一方面，这些化石能源的开采和使用也带来生态环境的恶化，破坏着人们的健康生活。寻找合适的新能源，可以广泛取代化石能源，减少对环境的污染，这是所有国家都在努力的方向。

由于庞大的人口基数和日益提高的社会生活水平，我国能源需求量也在不断上升，现在是全球第二大能源生产和消费国家。然而我国现在面临的能源形势不容乐观，以2016年数据为例，我国的一次能源消费量为3053百万吨油当量，的化石能源的使用占一次能源的比重达到87%，其中煤炭占61.8%，石油占19%，天然气占6.2%，而核能占1.6%，水电占8.6%，可再生能源仅占2.8%。虽然随着技术进步，我国的油气探明量和产量在逐渐提高，但由于储量有限，无法作为主要能源使用，对于石油这一国民经济的重要支柱还只能依赖进口，无法实现自给自足。我国的煤炭资源十分丰富，现有的电力来源主要是以火电为主。但是煤炭的燃烧会产生大量的二氧化碳和其它污染物质，对环境影响严重。

要解决我国面临的能源问题，实现经济的绿色低碳可持续发展，与科学技术水平的提高是分不开的。对可再生清洁能源的持续研究中，科学家们在相关领域逐渐取得突破，目前大规模使用太阳能，风能，地热能，生物质能等清洁能源在实际应用中均取得重大进展。 太阳能作为所有能源的源头，其利用价值非常高，光伏发电也成为最有前景的能源获取方式， 具有容易获取，储量丰富，成本低廉，安全可靠无污染等特点。然而，光伏发电往往受环境影响，经常需要分布式光伏发电，具有输出功率较小，环保效益高，发电用电一体化的特点。作为有前途的新一代发电和综合利用能源，分布式光伏发电系统为太阳能等可再生能源的使用带来了新的思路。如何有效地将光伏并网发电系统产生的能量转移到电网是一个研究热点。并网逆变器光伏发电系统并入电网的过程中起到关键作用，其控制策略得到了研究人员的关注。

1.2光伏发电现状

作为解决能源问题的重要突破口，在各国政策性的大力扶持下，太阳能的开发利用规模取得长足进展，技术层次不断提高，产业升级步伐加快，成本也在不断降低。为促进光伏产业发展，欧洲各国普遍使用“上网电价”的激励政策，而美日两国则主要是实行初投资补贴的政策，我国采取的政策与欧洲国家类似，也是进行上网电价补贴。到2017年底，光伏的全球装机总量突破了400GW，仅2017年全年就新增装机达102GW，同比增长40%左右。

在新世纪以来，伴随环保意识的提高和太阳能发电技术的进步，中国光伏发电规模迅速扩大。经历2011年的光伏出口低谷期后，国内光伏产业在结构调整和优化中发展恢复，装机容量持续增加，大型光伏电站投入建设。目前我国是世界上增长速度最快和装机总量最大的国家。我国2017年新增装机53GW，超过世界总新增装机的一半，到2017年底装机容量达到了130GW。随着一系列对光伏产业的扶持政策的出台，中国光伏产业整体呈现稳步，平稳，有序的发展态势，逐步形成了由西向东发展的格局。中国的太阳能储量非常大，占国土面积的三分之二以上，年日照时数超过2000小时。 年辐射量在5000 MJ／ m2以上，辐射总量为3.3×103～8.4×103 MJ/ m2， 相当于2.4万亿吨标准煤的储量。自2015年开始，中国成为全球光伏发电装机容量最多的国家。光伏发电已成为水电，风电后的重要能源，是中国发电系统的重要组成部分。

据国家能源局最新数据，2017年前11个月，中国光伏发电总量达到1096亿度，同比增长72％，其中集中发电占绝大多数。光伏发电1069亿度，相当于3300万吨标准煤的火力发电，可减少二氧化碳排放量9300万吨。 我国近年来的光伏装机呈现由西向东转移的特点，西部的资源丰富，但是用电量较小； 东部光照相对较弱，但是人口密集，经济发达，用电量大，目前装机主要集中在东部浙鲁皖三省， 而西部各省则由于前期装机量过大存在较多的“弃光限电”。同时，光伏发电技术的快速发展，发电成本大幅降低，全球光伏项目招标价格随之下降。 光伏发电产业的蓬勃发展可以取代化石能源消耗，减少温室气体和污染物排放，对保护环境具有重要意义。

光伏发电在许多领域都有所应用，从日常中常见的屋顶并网发电系统和交通中的各种灯具，到比较高端的航天领域的卫星光伏发电系统以及通信领域的基站等装置，光伏发电具有独特优势。目前最有前景的发展方向是光伏建筑一体化（BIPV），通过光伏阵列与建筑的结合或集成进行发电，具有不占用土地，节能环保的作用，目前由于技术限制造价还比较高，目前在大型建筑中应用的较多。

图1.1 历年光伏发电装机容量

1.3光伏逆变器现状

1.3.1国外现状

随着各国光伏发电行业的蓬勃发展，相关行业进入高速增长时期，全球光伏逆变器销量也随之大幅增长。 由于国际各大逆变器企业起步早，具有领先的技术和产品，几乎占据整个市场。 随着全球市场的迅速发展，欧洲各公司也在快速扩张。 另外，具有雄厚的产业基础和先进的半导体技术的美国和日本依靠在相关工业领域的强大积累，并且在光伏逆变器的生产和设计方面也具有相当规模。 主流逆变器制造商SMA，KACO，Fronius，lngeteam和西门子现已占据了全球市场的70％的销量。随着市场增长，传统逆变器制造商已经扩大生产并改善销售模式。 作为世界上第一家光伏逆变器生产企业，SMA是该领域的领导者，其产品开发过程非常具有代表性，如图1.2所示。

图1.2 逆变器主流设备发展

1.3.2国内现状

中国光伏逆变器的发展始于20世纪80年代，但由于中国光伏发电应用相对较晚， 国内光伏逆变器制造商规模一般较小，技术方面主要是采用MPPT和逆变分离进行的两级能量变换结构，各种性能指标与一线制造商之间存在较大差距。但是，国内市场占有率最高的企业合肥太阳能电力有限公司已经取得了长足的发展，并与德国SMA，Satcom等国际厂商进入国际市场。外国公司进入国内市场的困难在于成本更高，周期更长。目前国内有很多逆变器生产厂家，符合国际小功率逆变器标准。以大型生产能力为主的厂家，以合肥太阳能电力股份有限公司为代表的光伏逆变器技术和产品呈现逐年上升趋势。另外，由于生产成本降低，技术趋于完善，竞争者较少，光伏逆变器的毛利率达到了35％至40％。 随着技术进步带来的发电规模扩大和投资者的增多，毛利率必然会下降。但与此同时，国家有关政策的支持和光伏发电技术的不断进步，加上人力资源优势，将大大推动国内光伏上下游行业的发展和完善，国内光伏企业正在经历着历史性机遇。

图1.4 国内逆变器厂商现状

1.3.3光伏逆变器行业

我国现有的光伏发电系统以直流系统为主，用系统发出的电能给负载电池直接供电，如户用光伏照明系统以及通信基站均为直流发电系统。直流系统结构相对简单、价格便宜，但因不同负载所需的电压不同，无法做到系统的标准化和兼容性，尤其在日常用电时，设备往往是交流设备，光伏发电系统产生的直流电无法直接供给用户实现商业价值，往往需要变换为交流电。目前主流的对光伏逆变器的分类是根据是否并入电网中分成离网式和并网式两大类，离网系统一般小于光伏系统容量。并网系统占光伏总安装量的绝对比例较大，伴随国家财政补贴政策的完善，还会继续扩大。光伏发电要实现并网运行，需要发展出成熟的运营方式保证利润，未来光伏发电的主流必将是交流光伏发电系统。

根据国家的发展规划，光伏发电行业未来仍将保持稳定发展。相应地，光伏逆变器产品的市场将继续增长。据统计，并网系统占光伏总安装量绝对比例达90%以上，但随着未来发电成本降低到与传统水电、火电成本齐平甚至更低后，离网系统将得到更多应用。目前并网逆变器作为企业研发的关键，其性能指标决定着光伏并网系统技术水平的高低。

1.4研究内容

本论文将以光伏并网逆变器作为研究对象，对如下任务展开研究:

（1）从太阳能光伏并网发电的现状以及作用来说明本研究的背景和意义，对这一行业的国内外现状进行了简要介绍。

（2） 详细介绍并网逆变器和滤波电路的结构分类;讨论典型并网逆变器控制策略，对比各自的特点。在PI控制的基础，提出PR控制，然后引出了准PR控制，来实现零稳态误差和抗电网电压干扰性能；重点介绍了准PR控制的实现方法和使用特点。

（3）按照要求，对各部分电路进行研究分析，选取最合适的设计方式。

（4）采用MATLAB/Simulink软件搭建了一个1kW的光伏并网发电系统。

第2章 光伏并网发电系统综述

光伏发电是现有的主流的太阳能利用方式，其原理是半导体的光生伏特现象，可以将光能直接转化为电能实现发电，光伏发电系统是以此为基础实现的发电装置。逆变器是光伏发电实际应用的关键，其几项主要性能指标中最主要的是电能转换的效率和质量。光伏逆变器作为光伏发电系统的关键，其用途在于将直流电逆变为交流电，效率和质量的高低直接决定这一发电系统的整体效益。当前光伏电池板的价格有所下降，但还是成本较高，要最大的发挥其发电效率，减少损耗，就只能从逆变系统着手；其次是使用年限，逆变器的使用年限的长短直接决定了光伏发电系统的运行周期，关系着投资者能否获得预期的收益，因此实际应用中对光伏逆变器的使用年限要求较高。然后是可靠性，由于太阳能资源较分散，光伏发电装置体积较大，目前光伏发电站大多分布在偏远地区，难以进行保养和维护。这需要逆变器有适当的电路拓扑和工作方式，并有各种完备的电路保护功能，如：反接、过热、过流保护等。此外直流电压工作范围也存在要求，由于光伏电池的端电压幅值和频率随负载和光照强度变化，逆变器必须能够满足在多种输入电压下都能够运行，故光伏逆变器的直流电压工作范围越宽，越能适应不同的市场实际情况，从而得到更多客户的青睐；最后还需要满足并网要求，并网设备往往有较高的标准，性能越好，越能适应不同场合并网的要求。

2.1光伏逆变系统拓扑结构

系统结构图如图2.1所示。

图2.1 逆变系统结构图

当前市场上并网逆变器种类较多，根据不同的电路拓扑和控制策略研制而成。实际应用中需要结合具体使用环境设计所需的结构和控制方法。

根据不同的标准对并网逆变器进行不同分类，主要有如下几种：

1. 根据逆变器和电网间有无隔离系统：分成隔离型和非隔离型。
2. 根据直流源分类：分成电流型和电压型。
3. 根据转换的结构级数可分成单级和多级DC/AC变换器。
4. 根据逆变器的输出相数：分成单相、三相和多相。
5. 根据输出频率：分成工频、中频和高频。
6. 根据逆变主开关器件的类型：分成晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变和IGBT逆变等。

下面重点介绍按有无隔离的分类方式：

图2.2为光伏并网逆变器根据逆变器和电网间有无隔离系统进行的基本分类，隔离型与非隔离型的差异在于非隔离型没有变压器将系统隔开，省去了隔离环节。

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