(完整版)单相光伏并网逆变器的研究40本科毕业设计41

单相光伏并网逆变器的研究轮机工程学院摘要能源危机和环境问题的不断加剧，推动了清洁能源的发展进程。

太阳能作为一种清洁无污染且可大规模开发利用的可再生能源，具有广阔应用前景。

并且伴随“智能电网”理论的兴起，分布式电力系统正日益受到关注，光伏逆变系统作为分布式电力系统的一种重要形式，使得对该领域的研究具有重要的理论与现实意义。

论文在分析光伏逆变系统发展现状与研究热点的基础上，探讨了光伏逆变系统的主要关键技术，对直接影响光伏逆变系统的工作效率以及工作状态的最大功率点跟踪控制、光伏逆变器控制等技术进行了详细研究。

为研究光伏逆变系统，本文建立了一套完整的光伏逆变系统模型，主要包括光伏电池模块，前级DCDC变换器，后级DCAC逆变器，以及相应的控制模块。

为了提高系统模型的准确性及稳定性，论文设计了一种输出电压随温度光照改变的光伏电池模型，提出了一种基于Boost 升压变换器的最大功率点跟踪（MPPT）控制策略，并且将正弦脉冲宽度调制技术（SPWM）应用于逆变器控制。

最后在MatlabSimulink软件环境下搭建了光伏逆变系统的整体模型，完成系统性的实验验证。

经过仿真实验验证，所提出的光伏逆变系统设计方案正确可行，且输出达到了设计要求，为进一步实现并网功能提供了条件，具有较高的实用参考价值。

关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；光伏逆变系统；正弦脉冲调制技术ABSTRACTWith intensify of the energy crisis and environmental problems, the development of clean energy . The solar energy because of its friendly-environmental advantage and renewable property. With the proposition of the Smart Grid, Distributed Power System . As an important form of Distributed Power System, photovoltaic inverter system is the key of the research in this field.This paper discusses the key techniques of photovoltaic inverter system on the basis of analysis of development and research techniques such as maximum power point tracking (MPPT) which work efficiency and work condition and technology of PV inverter.In order to research PV inverter system, this paper builds an integral model, including PV battery model and DCDC converter and DCAC single phase inverter as well as corresponding control models. In order to improve the validity and the stability of the system, the paperuses a PV battery model whose output voltage changes with intensify of the illumination and the real time temperature. And this paper proposes a control method of MPPT on the basis of Boost converter and applies the Sinusoidal PWM in single phase inverter control. At last, we will build an integral PV inverter system by using MatlabSimulink software, to get a verification and validation.Through many simulation experiments, the proposed photovoltaic inverter system design is correct and feasible. And the output indicators meet the design requirements. The system paves the road to the further implement and grid connection and ，在这段过程中电感L上积蓄的能量为U i i L t on。

当T处于关断状态时，升压电路的输入电压U i和电感L共同向负载端电容C2充电并向负载提供能量，假设开关管T位于关断状态的时间是t off，这段过程中电感L 放出的电能为(U0–U i)i L t on。

则有：（2.13）化简得，（2.14）如果将电路中的损耗忽略不计，则负载消耗的电能只是由电源提供，即：（2.15）2.4.3后级单相全桥逆变器的工作原理单相全桥逆变电路的原理图如图 2.10示，它一共有4个桥臂，其中1个可控器件和1个反并联二极管组成一个桥臂，每一个半桥电路又由上下两个桥臂组成，2个半桥电路组合成一个全桥逆变电路。

在电压型逆变电路中，为了防止直流侧短路导致开关管电流过大烧坏，同一个半桥上的上下两桥臂不允许同时导通，即开关管T1和T3，T2和T4不能同时导通，这就要求其控制脉冲存在互补的关系。

在一个开关周期内，开关管T1和T4、T2和T3互补交替导通。

当开关管T1和T4导通、T2和T3截止时，两桥臂之间的电压U0﹦U d。

在由开关管T1和T4截止到T2和T3导通的过渡过程中，二极管D2、D3延续电流，从而使得流过电感L的电流连续，这时逆变器输出的电压U0﹦-U d。

当电流下降为0时，开关管T2、T3导通，流经电感的电流反向，逆变器输出端输出电压U0﹦-U d。

同理，在控制器发出栅极驱动信号使得开关管T2、T3截止和T1、T4导通时，二极管D1、D4续流，输出电压U0﹦U d，一直持续到续流电流减小至0后，开关管T1、T4才导通，输出电压U0﹦U d。

以后逆变器将不断重复以上过程，从而完成对直流电能的逆变。

图 2.10单相全桥逆变电路2.5最大功率点跟踪模块的原理及分析2.5.1最大功率点跟踪原理早期的并网逆变发电中存在着能量转换效率低、输出不稳定等问题。

为解决此类问题，MPPT 逐渐得到推广与发展。

最大功率点跟踪控制的基本思想就是依靠不断调节光伏阵列末端的输出电压，尽量使其数值逼近此时环境下输出功率最大时所对应的电压，从而提高系统发电能力。

在当前电池发电效率低的现状下，通过MPPT 进行功率提升的成本要低于增加光伏模块中电池个数提升功率的成本。

因此，最大功率跟踪装置也成为现代光伏发电系统中关键的部分，且未来经济潜力巨大，具有很大的市场空间。

为了确定光伏阵列以最大功率状态输出的须满足的条件，下面以带直流性负载的发电系统为例进行分析，交流负载也同样适用。

图2.11为光伏电池带直流负载工作时的等效电路。

ViRiIRo图2.11光伏系统等效线性电路上图中R i 是光伏电池的等效内阻，V i 是阵列内的电压。

通过电路原理计算出直流负载R o 消耗的功率为：o oi i o Ro R R R V R I P )(2+== （2.16）因为负载变化导致其分配功率发生变化，V i 、R i 都是常数。

因此为了让负载消耗的功率最大，将式（2.13）两端分别对R o 进行求导，得23()i o Ro i i o o dP R R V dR R R -=+（2.17）显然当上式为0时，P Ro是连续变化的，在时间很短时将其特性近似为线性的是可行的。

因此对式（2.16）进行求导取极值的处理是正确的。

从式（2.17）中可得，当外接负载的阻值等于光伏电池的内阻时，电池发出的功率最大客观上讲，无论是光伏电池还是DCDC变换器的特性都属于非线性特性，但可以改变直流-直流变换器的等效电阻使之与电源等效内阻相等，然后就不仅可以在负载变化微分段中实现最大功率跟踪，而且可通过重复上述工作可实现各负载变化微分段的MPPT[28]。

当光伏电池内阻等于直流-直流转换器等效电阻时，转换器上分得的电压为V i2，也就是说通过调节负载两端电压到V i2，光伏电池发出的功率就能够达到最大。

有文献介绍通过调节光伏电池输出电压实现MPPT，其实调节负载电压与光伏阵列输出电压本质上是一样的。

2.5.2 爬山法爬山法可理解为一种自寻优的控制过程，它的控制思想是：第一步，得出光伏阵列输出端的电压、电流信号，并利用乘法器将两者相乘得到此刻的功率（现时功率），第二步，将此刻的功率（实时功率）与前一时刻的功率（记忆功率）进行对比，利用对比之后的结果判断电压的增减[29]。

图2.12光伏电池伏安特性图2.13负载特性与爬山法MPPT寻优过程图2.12为光伏电池的负载特性（P-U）图，从图中可以看出光伏电池P-U曲线是一个单峰函数，其极值处即为功率最大的点。

从光伏阵列接收太阳能开始，其输出电压会周期性的发生弱变。

这里第一步首先将当前输出功率值（现时功率）P2与上一时刻记忆功率值P1进行比较并进行判断：若功率增加（即P2>P1），则可按输入的此变化方向继续变化一个∆V；若功率减少，则向其变化的反方向变化一个∆V。

如此重复上述过程即可实现动态跟踪。

例如，如果当前输出电压在Ｖpmax（最大功率点处对应的横坐标电压值）左侧时必须增大电压值；反之，应该减小输入电压，这样方可实现功率输出按照特性曲线渐变至最大功率点[25]。

图2.13为光伏电池伏安特性（I-U）图，图中a、b、c、d、e五个点为电池负载特性与伏安特性交点（即实际工作点）。

系统经过如上段所述过程达到a‟ 、b‟、c‟、d‟、e‟任意一个最大功率点后，经过一个时间延迟∆t后会重复前述过程，往复进行可控制光伏电池输出功率值动态保持在最大功率点附近。

图2.14为爬山法的控制原理。

图2.14爬山法MPPT控制原理示意图从上述分析可以得出，判断光伏阵列实时工作点所在位置的重点是MPPT装置。