光伏发电单相并网逆变器的研究
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摘 要
随着全球范围内能源紧缺和环境问题的日益突出，可再生能源的利用引起广
泛的重视，其中太阳能资源量最大、分布最普遍。光伏并网发电是太阳能利用的
一个重要研究方向。
逆变器作为光伏阵列和电网接口的主要设备，它的性能决定着整个光伏发电
系统的性能。为了将光伏阵列产生的电能最大限度地馈入电网，并提高其运行的
稳定度、可靠性和精确度，本文对光伏发电单相并网逆变器进行了深入的研究。
首先，分析比较了光伏并网逆变器的主电路结构和控制策略，提出本文所设
计的单相光伏并网逆变器采用单级式带工频变压器的拓扑结构以及改进的固定频
率SPWM 电流控制策略。
其次，对单相并网逆变器控制系统的结构进行了详细的分析设计，确定了控
制系统采用电流内环和电压外环的双环控制结构，给出了 PI 调节器参数的设计方
法，同时通过比较几种常用的最大功率点跟踪(MPPT)控制方案，提出了一种改进
型的扰动观察法实现对光伏阵列最大功率的跟踪，从而实现并网参考电流的幅值
控制。
最后，对系统硬件和软件的进行了详细设计，以 TMS320F2812 控制芯片为核
心，研制了一台 2kW 单相光伏并网逆变器的实验样机。通过系统仿真验证了系统
控制方法和 MPPT 控制方案的正确性。结果表明：该系统的控制方案简单可行，
系统工作稳定可靠，性能良好。
关键词：太阳能光伏并网 MPPT 控制 DSP
II
ABSTRACT
With the global energy scarcity and environment issues becoming increasingly
prominent,the use of renewable energy has aroused widespread attention.Solar energy is the
most general renewable energy.The PV grid-connected is one of the most important study
directions of the use of solar energy.
Inverter is the key interface between the PV array and the power gird，which influences
greatly on the general performance.The control strategies of single-phase grid-connected
inverter are deeply researched in this paper to maximize the energy fedback to the utility and
enhance the stability,reliability and accuracy.
First of all,by analying and comparing the main circuit structure and control
strategie,single-stage topology with a frequency transformer and improved fixed-switching
frequency SPWM current control strategy of single-phase PV grid-connected inverter is
adopted in this dissertation.
Secondly,detailed analysises and design of the control system structure of single-phase
grid-connected inverter are carried out.Control system uses dual-loop control structure,inner
is current control and outer is voltage control.Then the parameter design method of PI
regulator are given.At the same time,by comparing some maximum power point tracking
(MPPT) methods,an improved perturbation and observation method to track the MPP of the
solar cell is adopted in this disseration.The grid-connected current amplitude is controlled.
Finally, the design of the hardware and software of the PV grid-connected inverter is
introduced detailly.Based on the main control chip TMS320F2812 DSP,an experimental
prototype is developed. A system simulation model is built in Matlab/Simulink simulation
environment and related simulation results verify that the design and MPPT control methods
of the control system are correct.The results demonstrate that the control scheme is simple
and doable.The system works stably and has good performances.
Key Word: solar energy PV grid-connected; MPPT control; DSP
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .......................................................................................................................... 1
§1.1 研究背景和意义 ......................................................................................................... 1
§1.2 光伏并网发电技术研究现状 ..................................................................................... 2
§1.3 本文所做的主要工作 ................................................................................................. 5
第二章 2kW 单相光伏并网逆变器拓扑选择 ....................................................................... 6
§2.1 光伏并网逆变器的拓扑结构 ...................................................................................... 6
§2.1.1 按变压器分类的拓扑结构 .................................................................................. 6
§2.1.2 按功率变换级数分类的拓扑结构 ...................................................................... 7
§2.1.3 按控制方式分类的拓扑结构 .............................................................................. 9
§2.2 2kW 单相光伏并网逆变器的拓扑结构 ..................................................................... 9
§2.3 本章小结 .................................................................................................................... 10
第三章 单相光伏并网逆变器控制策略 .............................................................................. 11
§3.1 单相光伏并网逆变器的控制目标 ........................................................................... 11
§3.1.1 单相光伏并网逆变器交流侧的矢量关系 ........................................................ 11
§3.1.2 单相光伏并网逆变器的控制目标 .................................................................... 11
§3.2 光伏并网逆变器输出并网电流控制策略 ............................................................... 12
§3.3 单相光伏并网逆变器主要环节传递函数分析 ....................................................... 13
§3.3.1 逆变环节的传递函数 ........................................................................................ 14
§3.3.2 滤波环节的传递函数 ........................................................................................ 15
§3.3.3 逆变环节传递函数中
Pwm
K
的设计 ...................................................................17
§3.4 单相光伏并网逆变器控制系统的分析 ................................................................... 19
§3.4.1 改进型 SPWM 电流跟踪方式 .......................................................................... 19
§3.4.2 电网电压前馈补偿 ............................................................................................ 20
§3.4.3 电流内环 PI 调节器的设计 ...............................................................................20
§3.4.4 电压外环 PI 调节器的设计 ...............................................................................22
§3.4.5 PI 调节器的数字化 .............................................................................................24
§3.5 本章小结 .................................................................................................................... 25
第四章 光伏并网逆变系统 MPPT 控制的研究 ..................................................................26
IV
§4.1 光伏阵列的输出特性 ............................................................................................... 26
§4.1.1 光伏电池的工作原理和等效模型 ..................................................................... 26
§4.1.2 光伏阵列的
VI
特性...................................................................................... 27
§4.1.3 光伏阵列的
VP
特性 ......................................................................................28
§4.2 最大功率点跟踪方法的比较分析 ........................................................................... 29
§4.2.1 MPPT 的基本原理 ..............................................................................................29
§4.2.2 非自寻优法 ........................................................................................................ 29
§4.2.3 自寻优法 ............................................................................................................ 30
§4.3 MPPT 控制方案设计 .................................................................................................31
§4.4 本章小结 .................................................................................................................... 32
第五章 2kW 单级式单相光伏并网逆变器的设计 ............................................................. 33
§5.1 逆变器的技术条件 ................................................................................................... 33
§5.2 逆变器主回路的设计 ............................................................................................... 33
§5.2.1 IGBT 模块和整流模块的选择 ...........................................................................33
§5.2.2 T 型滤波器 LCL 的设计 .................................................................................... 34
§5.2.3 直流母线电容和缓冲吸收电容的选择 ............................................................. 35
§5.2.4 工频隔离变压器的设计 ..................................................................................... 35
§5.2.5 断路器、交流接触器和软启电阻的选择 ......................................................... 36
§5.3 控制系统电路的设计 ............................................................................................... 36
§5.3.1 控制系统的结构框图 ......................................................................................... 36
§5.3.2 信号检测调理板的设计 ..................................................................................... 37
§5.3.3 IGBT 驱动板的设计 ...........................................................................................40
§5.3.4 DSP 驱动板的设计 .............................................................................................41
§5.4 控制系统软件设计 ................................................................................................... 44
§5.4.1 系统软件的总体设计 ......................................................................................... 44
§5.4.2 DSP 中SPWM 波形的产生 ............................................................................... 46
§5.4.3 软件锁相环的实现 ............................................................................................. 47
§5.5 本章小结 .................................................................................................................... 48
第六章 仿真与实验研究 ...................................................................................................... 49
§6.1 样机研制 ................................................................................................................... 49
§6.2 单相光伏并网逆变系统的仿真 ............................................................................... 49
§6.2.1 光伏阵列仿真模型 ............................................................................................ 50
§6.2.2 并网逆变器仿真模型 ........................................................................................ 52
§6.2.3 控制系统仿真模型 ............................................................................................ 52
§6.2.4 系统仿真结果 .................................................................................................... 53
§6.3 系统实验 ................................................................................................................... 56
§6.3.1 信号检测调理板的调试 ..................................................................................... 56
§6.3.2 DSP 控制板的调试 .............................................................................................57
§6.3.3 系统开环实验 ..................................................................................................... 58
§6.4 本章小结 ................................................................................................................... 58
总结与展望 ............................................................................................................................ 59
参考文献 ................................................................................................................................ 61
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................................................... 63
致 谢 ...................................................................................................................................... 64
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究背景和意义
能源问题是关系于人类生活和发展的主要问题，也是影响国家安全的重要因
素。随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，对能源的需求日益增长，消耗
也随之增大。目前世界能源的利用仍以煤炭、石油、天然气和核能等一次能源为
主，但是世界能源储备是有限的并且储量在急剧减少。在人类社会进入 21 世纪的
今天，能源问题将是影响人类社会不断可持续发展的重要制约因素之一。因此如
何开发新能源，有效的利用新能源是我们必须面对的一个重要问题。
国际能源机构预测，全世界煤炭只能用 220 年，油气开采峰值位于 2012 年，
并将在 30～60 年后消耗殆尽。据估计我国的煤只可开采 80 年，天然气可开采 30
年，石油可开采 20 年。未来世界能源结构会发生根本性的变化，到 2060 年，全
球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源构成的 13％～15％之间，而整个可
再生能源在能源结构中的比例将大于 50％，如表 1-1 所示[1]。
表1-1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例(％)
时段
2010
2020
2030
2040
2050
日本预测
可再生能源
20.2
23.5
33.6
42.7
53.4
太阳能
-
-
1.9
7.9
13.5
Shell 预测
可再生能源
20.9
22.2
32.3
43.3
54.6
太阳能
-
-
2.6
8.4
14.9
平均
可再生能源
20.6
22.9
33.0
43
54
太阳能
-
-
2.3
8.2
14.2
虽然不同机构的预测数据有差别，但基本结论是共同的[2]：
(1) 能源需求和供应将持续上升，
2030 年世界能源需求将从 2000 年的 91 亿吨
标油增加到(153～214)亿吨标油，2050 年将可能增加到(213～320)亿吨标油；
(2) 未来 50 年，化石燃料仍然占据重要位置，2020 年保持在 90％左右，2050
年仍将占 55％～65％；
(3) 天然气的份额明显扩大，从 2000 年的 22.7％上升到 2020 年的 25％～30％，
2050 年为 26％～30％；
(4) 石油和煤炭所占比例将逐渐下降，石油从 2000 年的 39％下降到 2020 年的
光伏发电单相并网逆变器的研究
2
33％～38％，2050 年下降到 15％～20％，煤炭利用总量增长有限；
(5) 可再生能源在 2030 年之后开始逐渐进入大规模应用，2050 年可以达到
30％以上，但也有相当一部分研究认为，在可再生能源应用技术迅速发展的情况
下，其在能源结构中的比例将增加得更快更多；
(6) 发展中国家未来的能源需求可能增长迅速，特别是在亚洲地区，发展中国
家在全球一次能源中的比例由 2000 年的 30％上升到 2030 年的 40％左右，
2050 年
达到 50％～60％。
太阳能是一种无噪声、无污染，能量随处可得且取之不尽，不受地域限制的
理想可再生能源。光伏电站不需值守，建设周期短，这些是常规发电和其他发电
方式所不能比拟的。目前，开发利用太阳能已成为世界上许多国家可持续发展的
重要战略决策。
§1.2 光伏并网发电技术研究现状
随着人们对能源和环境问题认识的不断提高，对新能源需求的日益迫切，光
伏发电备受各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政
策不断出台。世界光伏发电的高速发展主要表现在以下几方面[2]：
(1) 光伏电池产量持续增长；
(2) 光伏电池生产规模不断扩大；
(3) 光伏市场装机容量飞速膨胀；
(4) 新技术不断出现，电池效率不断提高；
(5) 光伏电池、组件的成本不断降低。
图1-1 和图 1-2 给出了太阳能电池成本、光电转换效率及光伏发电成本预测分
析。
图1-1 太阳能电池成本和光电转换效率预期
摘要：
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摘要随着全球范围内能源紧缺和环境问题的日益突出，可再生能源的利用引起广泛的重视，其中太阳能资源量最大、分布最普遍。光伏并网发电是太阳能利用的一个重要研究方向。逆变器作为光伏阵列和电网接口的主要设备，它的性能决定着整个光伏发电系统的性能。为了将光伏阵列产生的电能最大限度地馈入电网，并提高其运行的稳定度、可靠性和精确度，本文对光伏发电单相并网逆变器进行了深入的研究。首先，分析比较了光伏并网逆变器的主电路结构和控制策略，提出本文所设计的单相光伏并网逆变器采用单级式带工频变压器的拓扑结构以及改进的固定频率SPWM电流控制策略。其次，对单相并网逆变器控制系统的结构进行了详细的分析设计，确定了控制系统采用...
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