1 绪论
1.1 光伏发电的背景及意义
当今社会人们对于能源的需求以及依赖已经达到了不可缺少的程度，能源在人们的生活中也成为了不可缺少的必需组成部分，能源为人们生活中的各种活动提供着动力。作为一次性能源的煤、石油、天然气等，随着对这些不可在生性能源的不断开采，及过度的开发，随之而来的是因能源使用所带来的各种灾难性的变化。人类生活环境的问题已经在人们的心头敲响了警钟。而由能源消耗因起的环境问题早已成为全社会所面临解决的公众焦点。正因如此，能源的开发及合理应用已经成为了研究的焦点，其中对新能源替代一次性不可再生能源的研究一直在不断进行着。在众多可在生能源中，光能作为无污染且可持续使用的能源之一。将太阳能转换为电能是一种不需要其他能源原料的、没有其他垃圾产物的、方便快捷的高新技术，因此，太阳能光伏发电系统有着广阔的发展前景[1]。 随着传统能源的过度消耗和环境问题日益尖锐，发展新能源受到各国越来越多的重视与支持，包括太阳能在内的可再生能源将占据全球能源消费的重要地位，逐步取代多数一次性能源，变为全球能源供应的重要组成部分。 太阳能利用领域中光伏发电产业的发展是极其迅速的。在过去，太阳能在人们的认识中其造价比较高，这其中主要是因为太阳能电池的生产成本决定的。所以太阳能的利用范围也仅限于偏远地区，如分散的农牧区、基站的基本供电及国防领域等。并且，这些领域里对光伏发电系统的应用绝大多数都是小型的，且大多没有并网，只是离网运行，仅属于独立式离网发电。随着科技水平的发展，现如今太阳能电池中所需的主材料多晶硅的成本大大降低，发电成本逐年下降，逆变效率取得了显著的提高，经济收益提升较为明显，太阳能光伏发电系统的研究也有了实质性的突破，光伏发电产业的飞速发展离不开上述各个因素的影响。 自 2004 年据 JRC 发布的对世界能源结构发展趋势的预测[4]显示，专家预计石油和天然气将在半个世纪后出现枯竭，煤炭也会在 200 年以后完全枯竭[5,6]。按照当前发展形势而言，在接下来的 25 年内，可再生能源将逐步取代一次性能源，成为人们生产生活中能源的主要供给方式[7,8]。
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1.2 光伏并网逆变技术发展现状
逆变器的发展现状是随着逆变器的核心技术能量转换器件的发展而密切联系的。逆变器的发展随着核心器件的更新换代而发展，同时伴随着电子技术的发展，逆变器向着智能控制的方向上发展。 光伏并网逆变器的研发和电力电子技术的技术是相互关联的，随着使用者的范围发生改变，对逆变器的性能要求也随之发生着改变。逆变器的研究方向分别发展为大功率的工程方向和小功率的个人用户方向，为满足使用工程领域的需求，大功率的技术研究从未停止；而随着光伏发电的普及，个人用户已经成为了小功率逆变器的面向对象，逆变器的发展现状主要表现如下：逆变器的功能之一就体现在能量的转换上，功率器件的提升同样为逆变器的发展带来了无限空间，随着逆变器开关频率的变化，逆变器转换电能的质量得到了进一步的改善，所以高频率是逆变器的发展趋势。逆变器的发展是随着电力电子技术的发展和实际需求而不断改进的，大功率化和高可靠性的逆变器是当今逆变系统的关键技术组成。虽然几万伏安的大型和超大型逆变电源已经足以符合绝大多数的运行需要，但是系统稳定性的确定是由一台逆变器来决定的，其可靠性不可能达到很高，当然在技术层面上，高可靠性的研究依然会继续下去。可如今为了保证整个体系的可靠性，将逆变器进行模块化处理是技术需要，逆变器的使用对象发生了改变，现今个人用户的不断增多，小容量模块化通过并联多个模块可以完全取代大容量逆变器。而随之而来的就是模块化所带来的并联问题，一系列的问题可以解决，同样并联运行所带来的好处也是显而易见的。
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2 逆变器整体结构分析
本课题中所设计的逆变器采用单相两级式结构，其结构如图 2.1 所示。逆变器为光伏并网型逆变器，额定输出功率为 3kW。光伏并网发电系统的整体系统结构可以分为 4个部分，分别为太阳能光伏电池、前级 DC/DC 变换部分、后级 DC/AC 逆变部分和最后的电网部分。整体设计结构上太阳能光伏电池部分作为初始的能量输入端，对光伏电池进行串并联处理，使光伏点出的输出电压能够达到系统所需电压的最低使用标准。光伏电池所产生的直流电能经过滤波后，进入 DC/DC 变换环节。前级 DC/DC 变化需要完成升压功能及最大功率点跟踪，MPPT 功能由控制器进行控制。升压后的直流电能进入后级 DC/AC 部分，逆变器环节的功能主要是完成对电网输出符合需求的电能，通过控制实现输出电能与电网电压同频同相的一致性。
2.1 光伏电池输出分析
太阳能光伏电池的工作原理是将太阳光辐射能通过光生伏特效应将其转化为电能，根据光伏电池的工作特性可知，光伏电池无法被视为恒定电压或者恒定电流的输出电源，光伏电池受外界影响会产生很大波动，所以为了能更好的完善光伏发电系统的整体运行，光伏电池的工作特性分析是有意义的[30]。光伏电池的等效电路如下图 2.2 所示。光伏并网逆变器即是将光伏电池或光伏列阵，通过光生伏特效应（即光伏效应）产生的电能进行转换，最终输送给电网。光伏电池在运行过程中因受到的光照强度和外界环境温度等因素的影响，会导致其输出的电能受到严重影响。在影响因素不变的情况下，光伏电池的输出电流表现为非线性。根据光伏电池的各项运行参数之间的关系，可以得到在不同影响因素的条件下的输出电能曲线。同样，在光照强度和外界影响温度不变的条件下，可以得出输出功率与输出电压的关系呈单峰值函数曲线。即在曲线上存在最高的峰值点，这个点被称之为最大功率点[35,36]。最大功率点会随着温度及光照强度的改变而发生改变。
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2.2 前级 DC-DC 变换环节分析
光伏电池输出的最大功率点跟踪一般在两级式逆变器上可以分为两个环节实现，前级 DC/DC 变换器实现最大功率点的跟踪，后级逆变器实现在最大功率点处的工作保持。配合实现最大功率输出，最大功率点跟踪的方法有许多，例如：恒定电压跟踪法，扰动观察法，电导增量法扥等。其中扰动观察法的应用是最为广泛的，本课题中的最大功率跟踪采用的就是扰动观察法。Buck 变换电路如图 2.6（a）所示，Buck 电路的优点是构造并不复杂，而且有很好的额动态反应特性；同时为了能更好的除去因输入电流波动而引入的电源干扰，可以在开关管前加入一个并联电容。缺点也同样明显，Buck 电路只能应用于降压情况下，其开光管的源极并不会接地处理，并且 Buck 的驱动电路也较为复杂。 Boost 电路的典型结构电路如图 2.6（b）所示，Boost 变换结构一般为升压电路。其结构的有点是输入电流可以保持连续的不间断性，这为输入电流对电源的防干扰性起到了很大的作用。同时可以在输出端引入电容进而减小输出电流所存在的脉动现象，而且Boost 升压变换器的驱动电路并不复杂。本课题前级 DC/DC 升压变换器采用的是 Boost结构。
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3 光伏并网逆变器运行模式及模式判据 ...... 17
3.1 逆变器运行模式 ........ 17
3.2 逆变器运行模式判定条件 ........ 27
3.3 基于下垂特性的模式切换方法 ........ 31
4 单相光伏并网逆变器模式切换仿真 .......... 36
4.1 逆变器运行模式仿真 ........ 36
4.2 不同运行模式间的切换 .... 48
4.2.1 频率变化的模式切换仿真 ...... 48
4.2.2 电压变化的模式切换仿真 ...... 50
4.2.3 光照强度影响的模式切换及仿真 .......... 52
4.3 本章小结 .... 53
5 单相光伏并网逆变器的软件设计及实验数据分析 .......... 54
5.1 总体硬件结构 .... 54
5.2 模式切换控制策略的软件设计 ........ 55
5.3 实验结果分析 .... 66
5.4 本章小结 .... 67
5 单相光伏并网逆变器的软件设计及实验数据分析
5.1 总体硬件结构
根据图 5.1 可知，需要进行的数据采集有光伏电池输出端的电压、电流，用以实现最大功率点跟踪；DC/DC 变换后的直流母线电压 Udc；网侧的并网电压及电感电流等控制变量。并通过 A/D 转换通道和数据通道将控制变量的值交由 DSP 进行处理，并根据已经设定的软件控制算法产生 PWM 控制信号，通过控制信号对逆变器的功率开关进行调控，并由驱动电路对 IGBT 进行动作，完成控制流程。同时控制器 DSP 可以根据串行通道与上位 PC 机进行联通，并根据 PC 机的控制信号对所控参数进行调整，从而实现对控制器的实时修正及参数修定。除了正常的运行部分外，在参数发生突变或系统故障时，保护电路会及时切断 IGBT 的开关驱动，停止开关管的一切动作，系统锁死以保护逆变器的内部器件，防止网侧电能倒灌损坏逆变器及光伏组件。同时为了保障系统的正常运行，控制单元、信号检测和各个驱动都需要完善的符合要求的电源部分来保障。 光伏并网逆变器的控制单元采用 DSP 进行控制。则主控单元除了 DSP 的最小运行系统外，还需要对信号进行预处理（即 A/D 转换部分）。同样，为保持与上位 PC 机的通信则需要 JTAG 通信部分及串行通信 SCI 部分。以上部分都是在与之匹配的工作电源情况下进行的，所以电源或辅助电源部分不可缺少。
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结论
论文在分析光伏并网发电系统的研究现状和光伏并网逆变器的研究现状的基础上，对光伏电池的工作特性进行了分析，并针对逆变器的运行模式提出了模式切换控制策略。并对每种运行模式的控制方法进行了分析和仿真验证，基于下垂特性分析，对下垂系数进行改进，实现变下垂系数的模式切换方法，达到了运行模式之间的平滑切换。以3kW 的逆变器实验平台，经过软硬件调试，验证了控制的合理性和可行性，论文研究的重点如下： 分析了光伏并网逆变器的整体结构，选择了双极式全桥逆变器结构，利用指数模型对常规光伏电池进行了数学建模，对光伏最大功率点跟踪进行了研究，前级 DC-DC 变换环节采用 Boost 电路结构，利用扰动观察法实现最大功率跟踪，分析后级 DC-AD 逆变环节的运行模式，给出模式切换的控制策略，对每种运行模式进行分析并仿真。 针对逆变器的运行模式，给出不同运行模式的判定条件，作为模式切换的判据。基于变下垂系数的模式切换方法，实现了对模式切换过程中产生的暂态冲击的抑制，在达到了平滑转换效果的同时提高了系统的调节速率，针对逆变器的各种运行模式搭建了仿真系统，对运行模式及模式切换过程进行仿真验证。 以 DSP 为核心控制芯片设计逆变器的软件控制和硬件电路，基于 3kW 单相光伏并网逆变器实验平台，并进行实验调试，实验结果证实控制的可行性。
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参考文献(略)