太阳能光伏并网发电系统的优化设计与控制策略研究论文.pdf

摘要世界能源危机和环境问题使得开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可 持续发展成为人类必须采取的措施。而随着太阳能电池和电力电子技术的不断进 步，太阳能光伏发电得到了长足的发展并已成为新能源利用的主流之一.当前，光伏发电不断向低成本、高效率和高功率密度方向发展，太阳能光伏利用的主要 形式将是并网发电系统。高性能的数字信号处理器芯片DSP的出现，使得一些先 进的控制策略应用于光伏并网的控制成为可能。本论文研究太阳能光伏并网发电系统，从成本、可靠性和效率的角度出发，主要对系统的结构和控制算法进行了深入地探究论文首先确定了光伏并网发电系统的电网接口标准和所需设计的逆变器规 格，然后对现阶段最具代表性的光伏并网逆变系统结构进行了分析对比，通过归 纳总结，提出了一种双全桥光伏并网逆变器结构.在此基础上对逆变器每一细节 进行了深入研究：提出了基于虚拟电阻法的输出滤波器性能优化，得到低成本、高可靠性和高效率的逆变器结构.论文研究了光伏阵列模块，根据入射太阳光光照强度与所产生电流之间的关 系，对光伏阵列模块的相关特性，如部分遮挡、光伏模块终端的电压/电流纹波，进行了理论研究，通过仿真软件对光伏阵列模块的各种特性进行了仿真模拟.根 据光伏阵列模块的数学模型，本文提出了一种新的最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)算法-基于开关面零均值动态准滑模MPPT控制算法，以滑模面周期积分为零代替滑模面为零，解决了滑模控制开关频率不 固定，滑模MPPT控制会在最大功率点附近抖动的问题；结合局部扫描法，使得 MPPT控制简单易行，响应迅速，鲁棒性较强，开关频率固定，适用于部分遮挡和 光照强度变化剧烈的场合，使得光伏并网发电系统能够尽可能大地从光伏阵列模 块中获得太阳能能量，通过仿真和实验分析验证了所提方法的具有高精度和高效 性。为了使直流端电压尽可能的小，论文对直流端电压参考值的选取进行了研究,提供了直流端电压的计算方法，减小了 MOSFET管的开关损耗，保护了直流端的 电解电容.在此基础上，提出了基于单周期离散比例积分PI(Proportion Integral)的直流端电压控制，使得交流跟踪电流参考值基于光伏模块产生的电流值，这样 可以方便地调节光伏模块的工作点.论文提出了基于Walsh的特定消谐脉宽调制的电网电流控制器，减小了光伏 并网逆变器的开关次数和系统损耗，并可控制输出电网电流谐波.为了减小注入 电网的电流谐波，论文还简要地对死区时间效应进行了比较分析，研究了不同的 死区时间对电网电能质量的影响，为死区时间补偿提供了理论依据。从用电安全 与电能质量考虑，研究了快速安全的孤岛效应检测控制方法，分析了太阳能光伏 发电系统直接并网时的安全保护问题，保证了整个系统的高效安全运行。在理论研究的基础上，本论文研制出光伏并网发电系统实验样机，同时比较 了实际实现与设计之间的差别。对光伏并网发电系统的整个系统性能，包括电网 与逆变器接口性能以及光伏模块与逆变器接口性能进行了多项实验研究.实验结 果验证了太阳能光伏并网发电系统拓扑结构及控制算法的正确性、可行性和高效 性。最后对论文进行了总结，并提出了一些有待于进一步研究的问题。关键词：太阳能光伏并网发电，最大功率点跟踪，单周期离散比例积分控制器，滑模面零动态均值准滑模控制，Walsh变换，特定消谐脉宽调制，孤岛效应nABSTRACTThe problem of conventional energy crisis and environment in the world makes it necessary to exploit the renewable and green energy sources,in order to cover the future demands.Meanwhile,solar photovoltaic“power has made great progress and become one of the most effective clean and renewable energy with the advance of solar cell and power electronics.Recently,the photovoltaic system constantly develops with the tendency of lower cost,higher efficiency and higher power density techniques,following the higher and higher performance requirement of key equalizer equipments.The main application of solar energy will be the grid-connected photovoltaic system.With coming into using of the high-performance Digital Signal Processor(DSP)chip,it is possible that some advanced control strategies can be applied on the grid-connected PV system.The thesis addresses the solar grid-connected photovoltaic system.With considering the cost,reliability and efficiency,it mainly focuses on the optimal design and control strategies of grid-connected photovoltaic system.Therefore,it develops new and cheap concepts for converting electrical energy,from the PV module to the grid.One method,among many,to make PV power more competitive is achieved by developing inexpensive and reliable inverters.According to the standards of grid interface and PV module interface determined by the project,research has been conducted on thirteen kinds of popular inverter topologies.By generalizations and comparisons,a dual full bridge inverter topology is presented.On such basis,the inverter,with belonging auxiliary circuits,is designed.And an optimization method of LCL output filter is proposed.As a whole,the inverter is developed with low cost,high reliability and high efficient structure.The research contains an analysis of the PV module,a specification based on the analysis and inner P-N junction principle.A mathematical model for the PV module is built,and therefore the relationship between siinlight irradiation and generated current is determined.Theory research is also carried on other characteristics of PV module such as partial shadow and ripple at the PV module terminal.The module is established in simulation software and all kinds of associated properties are simulated.Based on the developed model,a novel maximal power point tracking(MPPT)algorithm,fixed-frequency quasi-sliding control algorithm based on switching surface zero averaged dynamics,is developed,which guarantees the grid-connected photovoltaic system get most amount of energy from PV module.The precision and efficiency are verified by simulation and experiment.The selection of the EXZ-link voltage reference is carefully analyzed,in order to keep it as low as possible.It is desirable for lowering the switching losses of the MOSFETs,and protecting DC-link electrolytic capacitor.Based on this result,one cycle discrete PI controller is proposed to control the DC-link voltage,for which the current reference is the one achieved from PVs current.Therefore,the working point of PV system can be adjusted easily.The grid current controller is designed,in order to inject a sinusoidal current,with low harmonics into the grid.This controller is designed by using selective harmonic elimination pulse width modulation(SHE-PWM)base on Walsh transform,because the switching frequency is lower compared with other controllers under the same current harmonic distortion.Some additional parts to enhance the quality of the grid current are also discussed,such as blanking time compensation and detection of islanding operation by means of voltage and frequency monitoring presented,which guarantees the grid-connected PV system operates in safety.On the basis of theoretical research,a prototype of grid-connected PV system is realized,and the difference between the designed goal and actual system is shown.The evaluation includes measurements on the interfaces between the grid and inverter,and between the PV module and the inverter.The test results show that the system is close to keep all the demands,and with correction,feasibility and efficiency.Finally,this paper makes some conclusions,and presents some issues for future research.KEY WORDS:Grid-connected Photovoltaic System,Maximum Power Point Tracking(MPPT),One Cycle Discrete PI Controller,Quasi-sliding Control Based on Switching Surface Zero Averaged Dynamics,Walsh Transform,Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation(SHE-PWM).中南大学博士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1 太阳能光伏发电的背景及意义能源是人类经济及文化活动的动力来源。在20世纪的世界能源结构中，人类 所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。这些化石能源本质上 是数万年甚至更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源储存到古生物中，经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已被消耗了相当比例。随 着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续 增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限此外，大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果.目前由于 大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极为严重 的大气污染.如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升 几米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。当前人类文明的高度发展 与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾。它向全世界能源工作 者提出了严峻的命题和挑战。针对以上情况，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人 类必须采取的措施。从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展 战略的理想的绿色能源.全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能 源之一”九而利用太阳能光伏发电具有，（1）无污染：绝对零排放无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放”；（2）可再生：资源无限，可直接输出高品位电 能，具有理想的可持续发展属性；（3）资源的普遍性：基本上不受地域限制，只 是地区之间有丰富与欠丰富之别；（4）机动灵活：发电系统可按需要以模块方式 集成，可大可小、扩容方便；（5）通用性、可存储性：电能可以方便地通过输电 线路传输、使用和存储；（6）分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和 可靠性；（7）资源、发电、用电同一地域：可望大幅度节省远程输变电设备的投 资费用；（8）光伏建筑集成BIPV（Building Integrated Photovoltaics）：节省发电基 地使用的土地面积和费用等优点.太阳电池的主要原料硅的储量十分丰富，随着太阳电池研究的快速进程和转换效率的不断提高以及与其相关之系统技术的 进展，发电成本己经呈现快速下降趋势。可以预料，太阳能光伏发电在人类社会 的未来发展中必将占据越来越重要的地位心因此，利用太阳能发电是集开发利用绿色可再生能源、改善生态环境、改善中南大学博士学位论文第一章绪论人民生活条件于一体而面向21世纪人类发展的重大课题；同时又是集光电子半导 体、电力电子、现代电力系统、电机学、电化学和现代控制理论等高新技术于一 体的交叉科研课题。它具有巨大的经济、政治和社会效益，同时又含有丰富的学 术研究价值和基础理论问题。1.2 太阳能光伏发电的历史和研究现状太阳能的转换利用方式有光一电转换、光一热转换和光一化学转换等三种方 式。利用光生伏打效应原理制成的光伏电池，可将太阳的光能直接转换成电能加 以利用，称为光一电转换，即光伏发电叫L2.1光伏发电历史对光伏发电技术的研究始于100多年前 1839年，法国物理学家A.E.贝克勒 尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，光照时会产生额外的伏打 电势，他把这种现象称为“光生伏打效应”1873年英国科学家Wilough B.Smith就观察到了对光敏感的硒材料，并推断 出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。1880年Charles Fritts开发出以 硒为基础的光伏电池。以后人们既把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器 件”.半导体P-N结器件在阳光下的光电转换效率最高通常称这类器件为“光伏 电池”。从1961年到1971年，硅光伏电池技术没有取得重大进展。研究的重点放在 提高抗辐射能力及降低成本方面.在1972年到1976年之间研制出了各种空间用 的光伏电池并以不同的商标出现。在20世纪中期，研制出超薄单晶硅光伏电池。从20世纪中后期开始，光伏技术得到不断的完善，成本不断降低，形成了不断发 展的光伏技术产业，成为21世纪世界能源舞台上的主要成员之一。1.2.2 国外光伏发电技术的现状当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视，针对其制定规划,增加投入、并加以大力发展。20世纪80年代以来，即使是在世界经济处于衰退和 低谷的时期，光伏发电技术产业也一直保持以10%15%的递增发展速度.90年 代后期，其发展更为迅速，并成为全球增长速度最快的高新技术产业之一 1997 年世界光伏电池组件的总产量达到200M%,比1996年增长了 35%。各国一直在 通过改进工艺、扩大生产规模、开拓新市场等手段来降低光伏电池的制造成本2中南大学博士学位论文第一章绪论近几年，全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近40%,2004年全世界生 产总量更达1000W-本世纪以来，一些发达国家纷纷制定了发展包括太阳能电池 在内的可再生能源计划。太阳能电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲大规模展 开.美国和日本为争夺世界光伏市场的霸主地位，争相出台太阳能技术的研究开 发计划，如到2010年，美国计划累积安装4600（含百万屋顶计划）心；日本 计划累计安装5000兆瓦（NEDO日本新阳光计划）I，同。根据“光伏报导”杂志 2003年3月出版的22卷上发表的世界太阳能电池组件产量汇总：411.1世界太阳能组件产量汇总表世界太阳能电池/组件产量（单位：MW）国家19951996199719981999200020012002美国34.7538.8551.053.760.874.9710032100.6日本16.40212035.049.080.0128.6017L22251.07欧洲20.1018.8030.4二 33.540,060.666638112.75其它国际6.359.759.418.720.523.4232.6247.8总计77.6088.60125.8154.92013287.65390.54512.22从上述“世界太阳能电池组件产量汇总表”，可以清楚地看出：世界太阳能 电池材料发展的趋势是非常迅猛的世界太阳能电池组件（包括其基础性材料单 晶硅）的发展，2002年是1995年的6.6倍（增长5.6倍）：其中日本2002年是 1995年的15.3倍（增长14.3倍）.20042006世界主要太阳电池生产商发展规 划见图LU图1.1世界主要太阳电池生产商发展规划3中南大学博士学位论文第一章绪论1.2.3 我国太阳能光伏发电的现状我国于1958年开始研究光伏电池，1972年首次成功地将光伏电池用于地面，1979年开始生产单晶硅太阳能电池。中国的光伏产业的发展有2次跳跃，第一次 是在上世纪80年代末，我国的改革开放正处于蓬勃发展时期，国内先后引进了多 条太阳能电池生产线，使我国的太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百千 瓦一下子上升到6个厂的4.5 MW,引进的太阳电池生产设备和生产线的投资主要 来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次光伏产业的大 发展在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目/政府项目的启动 和市场的拉动；例如，2002年由国家法改委负责实施的“光明工程”送电到乡和 即将实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术由于我国西部人口密度 小，居住分散，同时又拥有丰富的太阳能资源。太阳能光伏发电是即廉价又清洁 的能源选择”近20年来，我国光伏产业的发展已初具规模，但在总体水平上我国同国外相 比还有很大差距，表现为：（1）生产规模小。我国太阳电池制造厂的生产能力约为051兆瓦/年，比 国外生产规模低一个多数量级。（2）技术水平较低。电池效率、封装水平同国外存在一定差距。（3）专用原材料国产化经过“八五”攻关取得一定成果，但性能有待进一步 改进，部分材料仍采用进口品.（4）成本高。目前我国电池组件成本约30元/瓦，平均售价42元/瓦，成本 和售价都高于国外产品。（5）市场培育和发展迟缓，缺乏市场培育和开拓的支持政策、措施。我国目前尚有约3000/村庄，700万户，3000万农村人员还没有用上电，60%的有电县严重缺电，光伏市场潜力巨大。专家预测2006年我国太阳能电池生产能 力将超过300MW。在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站 和城市屋顶发电系统切表12按隈应用领域市场划分的预测（）应用领域20002005201020202050农村电气化405560105通信和工业502010158太阳能商品和其它102010158并网发电一5206080合计100100100100100中南大学博士学位论文第一章绪论2005年2月28日，第十届全国人代表大会常务委员会第十四次会议通过中 华人民共和国可再生能源法，于2006年1月1日起正式实施。可再生能源法规定 国家将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术 产业发展的优先领域，纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划，并安排资 金支持可再生能源开发利用的科学技术研究、应用示范和产业化发展，促进可再 生能源开发利用的技术进步，降低可再生能源产品的生产成本，提高产品质量。国家鼓励和支持可再生能源并网发电。为促进我国可再生能源和新能源技术及相关产业的发展，根据国家可再生能 源中长期发展规划，国家发展和改革委员会决定在20052007年期间，实施可再 生能源和新能源高技术产业化专项。其中太阳能光伏发电、太阳能电池用硅锭/硅 片以及高效低成本太阳能电池组件及系统控制部件的产业化成为可再生能源和新 能源高技术产业化专项支持的重点领域之一太阳能是洁净无污染的巨大能源，最大限度地开发利用太阳能将是人类新能源利用方面的科技发展方向。近年来，由于世界能源的日趋紧张和光伏技术的不断发展，廉价的非晶硅太阳电池的生产 技术已经成熟。大规模的光伏发电，可解决广大中西部无电地区居民的能源问题。专家预测，若光伏电池与城市和农村的建筑相结合，实行光伏并网发电，不但达 到绿色环保的目的，而且会逐步改变我国传统能源结构，对克服我国能源紧张、改善生态环境及人体健康具有重大意义电网。1.3 太阳能光伏并网发电系统的发展光伏发电有离网和并网两种工作方式.过去，由于太阳电池的生产成本居高 不下，光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居 多，都属于离网型用户.但是近年来，光伏产业及其市场发生了极大的变化，开 始由边远农村地区逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进。太阳能 已经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”并网光伏发电技术是当今世界光伏发电的趋势，是光伏技术步入大规模发电 阶段，成为电力工业组成部分之一的重大技术步骤。与离网运行的太阳能光伏电 站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处。首先，不必考虑负载 供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由于大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率；再其次，省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由 于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间 接污染5中南大学博士学位论文第一章绪论并网光伏发电系统一般由光伏阵列模块、逆变器和控制器三部分组成。逆变 器将光伏电池所产生的电能逆变成正弦电流并入电网中；控制器控制光伏电池最 大功率点跟踪、控制逆变器并网的功率和电流的波形，从而使向电网转送的功率 与光伏阵列模块所发的最大电能功率相平衡。控制器一般基于单片机或数字信号 处理芯片。1.3.1 太阳能光伏并网逆变器的发展太阳能光伏并网逆变器是连接光伏阵列模块和电网的关键部件，它完成控制 光伏阵列模块运行于最大功率点和向电网注入正弦电流两大主要任务口叫早期太阳能光伏并网系统的逆变器结构如图1.2(a)所示。它采用单级无变压器、电压型全桥逆变结构。其特点是结构简单、造价低、鲁棒性强；但受限于当时开 关器件水平，系统的输出功率因数只有0.60.7,且输出电流谐波大侬L随着电子 开关器件的发展，高频器件(频率BJT,MOSFET或IGBT等逐渐取代了 并网换相晶闸管。如图1.2(b)所示，由于采用PWM全桥逆变电路和高频开关电子器 件，输出谐波得到了很好地控制R%但1620曲开关频率使得开关损耗增大，系 统效率降低。光伏阵列 逆变名 电网(a)并网换相晶闸管开关送变器(b)自换相晶同管开关逆变器图L2单级无变压器结构的光伏逆变叁6中南大学博士学位论文第一章绪论图1.2单级逆变系统直接将直流转化为交流，它的主要缺点是：(1)需要较高的直流输入，使得成本提高，可靠性降低；(2)对于最大功率点的跟踪没有独立的控制操作，使得系统整体输出功率降 低；(3)结构不够灵活，无法扩展，不能满足光伏阵列模块直流输入的多变性。因此在直流输入较低时，考虑采用交流变压器升压，以得到标准交流电压与 频率，同时可使得输入输出间电气隔离。图1.3为带工频变压器结构的光伏逆变系统血功。它最大优点是逆变器在低压 侧，因此逆变桥可以采用高频低压器件MOSFET,从而节省了初期投资；而且由 于在低压侧实现逆变器的控制，使得整个控制过程更容易实现。另外，此结构还 适用于大电流光伏模块.图1.3簟工蕃变压器结构的光伏逆变器然而工频升压变压器体积大，效率低，价格也很昂贵，随着电力电子技术和 微电子技术的进一步发展，这一问题采用高频升压变换得到了解决.高频升压变 换能实现更高功率密度的逆变，如图L4所示，升压变压器采用高频磁芯材料，工 作频率均在20峰以上它体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频 交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电(通常在300V以上)，再由工频 逆变电路实现逆变aL光伏降我 高第逆变叁育频受压导 育第整流寄 工加2支叁7中南大学博士学位论文第一章绪论图1.4多级带高频变压器结构的光伏逆变器多转换级的带高频变压器的逆变结构相比带工频变压器的逆变结构，功率密 度大大提高，逆变器空载损耗也相应降低，从而效率得到提高，但这种类型的变 换器也有其缺点，这就是逆变器的电路结构复杂，使得可靠性降低。光伏逆变器由单级到多级的发展，使电能转换级数增加，能够方便满足最大 功率点跟踪和直流电压输入范围的要求；但是单级逆变器结构紧凑，元器件少，损耗更低，逆变器转换效率更高，更易控制。因此在结合两者优点的前提下，尽 可能提高直流输入电压，就能提高逆变器的转换效率Q通常光伏并网逆变器按照应用的方式和领域可以分为三类：一是面向大型电 站级的集中式逆变器，二是面向组件级的支路式逆变器，三是和光伏组件集成的 交流模块。集中式光伏并网逆变器，如图1.5(a)所示，一般用在大型光伏电站中，多组串联的光伏方阵并联在逆变器的直流输入端，再通过逆变器转换成交流电并 入单相或者三相交流电网，它的功率等级一般在201%40WF,这种逆变器最初 使用的功率器件是晶闸管，随着半导体工业的发展，功率器件广泛采用IGBT,而 且先进的数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)也引入到控制系统中，用 以改善逆变器并网波形，这种系统有望将来大规模应用到超大规模光伏沙漠电站 中。支路式并网逆变器如图1.5(b)，其概念是在1995年首先在欧洲市场建立起来的,将光伏组件串联起来，接到并网逆变器的输入端，通过逆变器逆变并入低压电网，这种逆变器通常为单相，功率等级大约在之间；这种系统非常适合于城 市分布发电和家庭户用并网发电，也是光伏市场上正在广泛应用的系统。多台支 路式并网逆变器(如图L5(c)所示)在交流侧并联，可以很容易的构成兆瓦级大型 并网光伏电站，在德国和中国已经有这样的示范工程.交流模块(图13(d)所示)是将小型逆变器和光伏组件直接结合起来，交流侧并联到低压电网，这种模块的 功率等级在50犷400%之间，这种系统被认为是未来并网逆变器的重要发展方向 之一，这种模块面临的挑战是如何实现低价和高可靠性的统一，也是本课题研究 的重点。8中南大学博士学位论文第一章绪论(a)集中型(b)支路型(c)多支路型(d)交流模块集成型图1.5光伏并网逆变器结构9中南大学博士学位论文第一章绪论1.3.2 太阳能光伏并网发电系统控制策略的发展光伏发电系统实现并网运行必须满足：输出电压与电网电压同频同相同幅值,输出电流与电网电压同频同相(功率因数为1),而且其输出还应满足电网的电能 质量要求。这些都依赖于逆变器的有效控制策略。光伏并网发电系统的控制一般 分为两个环节：第一个环节得到系统功率点，既光伏阵列模块工作点：第二个环 节完成光伏逆变系统对电网的跟踪。同时，为保证光伏逆变器安全有效地直接工 作于并网状态，系统必须具备一定的保护功能和防孤岛效应的检测与控制功能。1光伏阵列模块工作点跟踪控制光伏阵列模块工作点的控制主要有恒电压控制CVT(Constant Voltage Tracking)和最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)两种方式。CVT控制是通过将光伏阵列模块端电压稳定于某个值的方法，确定系统功率 点.其优点是控制简单，系统稳定性好。但当温度变化较大时，CVT控制方式下 的光伏阵列模块工作点将偏离最大功率点&均。MPPT是当前较广泛采用的光伏阵列模块功率点控制策略。它通过实时改变系 统的工作状态，跟踪阵列的最大工作点，从而实现系统的最大功率输出。它是一 种自主寻优方式，动态性能较好，但稳定性不如CVT。其常用方法有“上山”法、干扰观察法网271、电导增量法物等，具体实现参见文献8.现在对MPPT的研究集中在简单、高稳定性的控制算法实现上，如最优梯度法 口切、模糊逻辑控制法网网、神经元网络控制法13。，33,孙等，也都取得了较显著的 跟踪控制效果.2光伏发电系统跟踪电网控制对电网的跟踪控制是整个太阳能光伏发电系统控制的核心，直接关系到系统 的输出电能质量和运行效率。由于光伏并网逆变器是基于脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)逆变实现的，所以其控制属于逆变器PWM电流控制方 式叫较早出现的PWM非线性控制方法有：瞬时比较方式和三角波比较方式国划.图1.6所示的瞬时比较方式，电流误差的补偿和PWM信号的产生同时在同一控 制单元完成，并且构成了闭环反馈，使得控制器实现简单，具有良好的动态响应 和内在的电流保护功能。但是它具有控制延时，开关频率不固定，无法产生零电 压矢量等不足，因此输出电流波动、谐波崎变率都很大以为避免器件开关频 率过高，可采用滞环宽度根据输出电流而自动调节的滞环比较器；或采用定时控 制的瞬时值比较方式，但此方法的补偿电流误差不固定国。中南大学博士学位论文第一章绪论图1.6滞环电流瞬时比较控制框图三角波比较方式的原理如图L7,放大器A常采用比例或比例积分放大器。与 瞬时值比较方式相比，该方法的优点是输出电压中所含谐波较少（含有与三角波 相同频率的谐波）；器件的开关频率固定（等于三角波的频率）；但该方法硬件 较为复杂,跟随误差较大;放大器的增益有限；电流响应比瞬时值比较方式的慢口”图1.7三角波比较方式的原理图目前更好的闭环电流控制方法是基于载波周期的一些控制方法，例如无差拍 PWM技术.它是将目标误差在下一个控制周期内消除，实现稔态无静差效果。此 方法计算量较大，但其开关频率固定、动态响应快，适宜于光伏并网的数字控制 实现山冽.随着微处理器技术，尤其是数字信号处理器DSP的发展，现代控制理论中许多 先进算法也被应用到光伏逆变系统的控制中，如人工神经网络I他砌、自适应,I 滑模变结构约、模糊控制网45）等，它们在各自领域解决了某些控制问题，但同样 具有各种相应的局限性。比如人工神经网络控制的精度依赖于模型训练样本：自 适应控制要求在线辩识对象模型，算法复杂、计算量大；滑模变结构控制存在系 统抖振问题：模糊控制依赖于隶属函数的选取，控制精度有待提高等.三相并网系统中，较多地采用将交流变量转化为直流变量，将三相变换为两 相的控制策略。并提出在g同步参考坐标系下基于空间矢量脉宽调制SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）的线性电流控制器的SVPWM控制在解 耦的南和g轴形成电流控制环，具有固定的开关频率，很好的输出谐波频谱，优 化了开关控制方案和直流电压利用率“力。但它输出的电流质量一般，并且不具备 中南大学博士学位论文第一章绪论内在的过电流保护能力。近几年，光伏并网系统的综合控制成为其研究发展的新趋势。文献33研究了 基于瞬时无功理论的无功与谐波电流补偿控制，使得光伏并网发电系统既可以向 电网提供有功功率，又可实现电网无功和谐波电流补偿。这对逆变器跟踪电网控 制的实时性、动态特性要求更高。研究适合于这类光伏发电系统的控制方法对电 网电能质量的提高具有重大意义。3光伏发电系统加岛效应的检测及控制逆变器直接并网时，除了应具有基本的保护功能外，还应具备防孤岛效应的 特殊功能。从用电安全与电能质量考虑，孤岛效应是不允许出现的；孤岛发生时 必须快速、准确地切除并网逆变器网砌，由此引出了对光伏发电系统孤岛效应进 行检测控制的研究。孤岛效应的检测一般分成被动式与主动式。被动式检测是利用电网监测状态（如电压、频率、相位等）作为判断电网是否故障的依据外，对。如果电网中负载 正好与逆变器输出匹配，被动法将无法检测到孤岛的发生。主动检测法则是通过 电力逆变器定时产生干扰讯号，以观察电网是否受到影响作为判断依据【划，如脉 冲电流注入法15叫输出功率变化检测法153,刈、主动频率偏移法和滑模频率偏移 法55等。它们在实际并网逆变器中都有所应用，但也存在着各自的不足.当电 压幅值和频率变化范围小于某一值时，频率偏移法无法检测到孤岛效应，即存