电路结构是整个系统的关键部分，它关系着系统的效率和成本。光伏离网控制系统电路结构要求效率高、成本低，输入要能承受光伏阵列输出直流电的电压低且波动大的不良影响，输出也要满足一定的电能质量，应根据实际的需要选择适当的主电路结构进行系统设计。光伏发电系统实际上是一个有源逆变系统，按照不同的分类方向，有多种不同的电路结构。按输入直流电源的性质可分为电流型和电压型两大类，但由于电流源型光伏并网发电系统中的大电感导致系统动态响应性能差，因此目前国内外大部分光伏发电系统都采用电压型拓扑结构。
光伏发电系统电路结构按照系统功率变换的级数，其拓扑结构可分为单极式和多级式。单极式结构不包含DC-DC变换环节，只用一级能量变换来完成升降压和DC-AC转换，控制时既要考虑光伏电池的最大功率跟踪，又要保证逆变输出能量准确的跟踪电网电压，其控制方式一般较为复杂。单极式逆变器的电路结构简单元器件少，成本和功耗较低，但考虑到单极式升压的程度有限，靠电感的储能实现，故仅适用于中小功率的场合。
多级式结构是在前一级或几级电路中实现电压的升降或者隔离，在后级电路中实现DC-AC转换，最常见的是DC-DC-AC两级式的结构，前级DC-DC用于直流母线电压的缓冲稳压和实现光伏阵列的最大功率跟踪，后级DC-AC用于输出离网，孤岛效应检测和功率补偿等。虽然两级式结构的元阶数目和环节增加了，但其一方面方便了最大功率跟踪控制，实现了电压的宽输入范围要求，另一方面也便于对逆变器进行控制，提高了转换的效率。所以我最终选择两级式的结构。结构如下图4：
图4 多级式拓扑结构
光伏发电系统电路结构按照系统输出的绝缘形式可以分为工频变压器型、高频变压器型和无变压器型。3种类型的结构各有优缺点考虑到实验的经济性、电路的复杂性以及损耗等问题，我决定选用无变压器型。无变压器型隔离方式进一步降低了成本，由于含有升压电路，所以可以和不同的输出电压的光伏阵列匹配，同样能够保证逆变部分输入电压的稳定性，降低电流，减少损耗。其拓扑结构如下图5：
图5 无变压器型的拓扑结构
（2）电力变换线路的工作原理：
DC-DC变换器
DC-DC变换器选用的是无变压器隔离的DC-DC变换器，它主要有：Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路和Zeta电路等。其中的Sepic电路和Zeta电路较其他几种变换电路相对复杂，不易控制。光伏发电中使用最多的是Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路这4种电路。本设计的光伏发电系统不含有蓄电池组，我决定使用Boost电路，Boost电路结构简单，控制方便，效率高，其电路结构如图6：
e
图6 Boost电路结构
可以得到输出电压与电源电压的关系为：
DC-AC变换器
DC-AC变换器主要有推挽式、半桥式、和全桥式，推挽式拓扑结构的两个功率管可同时驱动，但功率管承受开光电压为两倍的直流电压，因此适合应用于直流母线电压较低的场合。半桥式拓扑结构直流侧电压利用率低，在同样的开关频率下电网电流的谐波较大。全桥式拓扑结构简单，但要求较高的直流侧电压。我本次设计采用全桥式电路结构进行逆变控制，与最大功率跟踪分级控制，降低系统控制的复杂性。全桥式电路结构如图7：
图7 全桥式电路结构
- 考虑到电网对电能质量的要求，系统后级加入LC滤波对输出电压进行滤波，整个系统的电路结构如图8所示。
图8 系统主电路图
（4）Boost升压电路各部件的参数值
Boost升压电感参数的设计
对于一般的变换器来说，由于电感和电容寄生电阻的影响，随负载电流增加，输出电压会下降，输出电压对占空比
的敏感度下降，控制特性变差。为了输出电压的稳定，控制电路尽量增大占空比，使电压增益变大以便于维持输出电压的恒定。因此，设计中选择滤波元件总是尽量选取小的寄生电阻元件，且实际应用中，是占空比调节
。
为了使光伏发电系统能够不间断的往外输出功率，前级的Boost升压斩波电路应该工作在电感足够大电流连续的模式下。根据伏秒平衡的定理，电感电压在开关管的一个周期内对时间的积分为零。即如式10所示：
（10）
其中：
是太阳能电池阵列的输出电压，
是直流母线DC-link的电压，也即Boost电路的输出电压，
是开关管的开关周期，
是Boost电路开关管的占空比，
是开关管的导通时间
，
是开关管的截止时间。
整理可得：
（11）
本系统中，太阳能电池板阵列输入电压是60V，直流母线电压
范围是250V～300V，由上式（11）可得：
，
所以本系统中boost升压斩波电路中占空比的范围是0.76～0.8。
由于电感一直处于充电、放电过程，而且充放电过程都是曲线的，所以电感电流不是一个直流分量，还存在纹波量，其中纹波分量由电感两端的电压：
（12）
可得流过电感的电流变化量：
（13）
电感电流的纹波系数的定义：
。
有以上各式可得电感的大小：
（14）
其中
为输出功率。电流纹波系数的选取
，需要考虑电感的饱和问题、减少IGBT中的峰值电流及电压损耗问题，这里取电流纹波系数
。开关频率的选取时，应该综合考虑。工作频率过高，则输出波形谐波含量少，有利于滤波器的设计。但工作频率过高则功率开关管的发热和和损耗都会增加。本系统选用开关管的频率为
，当
时，有：
（15）
所以选取
。
直流母线稳压电容参数的设计
升压斩波电路输出端电容的作用：①给直流母线稳压②尽可能的滤除纹波电压。由电容两端电流的变化量：
（16）
电容两端电压的变化量：
（17）
上下同乘
得：
（18）
电容电压的纹波系数
。
所以电容值的大小为：
（19）
其中
，
，
，
，
代入上式（19）得：
（20）
在实际的系统设计中，当开关管给电感充电时，后级逆变部分所需要的能量是由电容提供的，所以给设计的电容留下充足的裕量，所以给电容留一定的5倍以上的容量，本文采用
的电容。
开关管的参数选择
IGBT结合了GTR和MOSFET的优点，所以Boost升压斩波电路中选用IGBT作为开关管。其承受的最大电压为300V。本设计最终采用的IGBT其主要参数为：900V。
升压电路二极管的选择
Boost升压斩波电路中的续流兼有防反作用的二极管应该具有较低的通太电压降和快速恢复的特性。二极管承受的最大电压是300V，所以选用的二极管主要参数为900V。
（5） DC-AC（逆变）部分的参数
IGBT开关管的选择
逆变器的功率开关器件的选择至关重要，目前使用较多的功率开关器件有门极可关断晶闸管(GTO)，双极结型晶体管(BJT)，金属氧化物功率场效应管(MOSFET)和绝缘栅极晶体管(IGBT)等。在低压小容量系统中较常使用的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较高的开关频率和较低的通态压降，以及正的温度系数，热稳定性较好。但在逆变器的设计中，由于输出滤波电感电容的作用，使续流时间较长，容易烧坏MOSFET。
在高压大容量系统中一般常使用IGBT模块，由于MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量(100kVA以上)系统中，一般采用GTO作为功率开关元件。随着光伏并网并网技术的发展，主电路开关器件的选择也需要具体考虑与研究。因此，针对本设计逆变系统的特点，选用IGBT作为开关器件。它是复合型功率开关器件，是GTR和MOSFET复合而成。它拥有单极性电压驱动MOSFET的优点，又结合了双极型GTR耐压高、大电流的优点。在IGBT选择中，需要注意以下几个方面的问题：
- 电流容量：在IGBT工作过程中，集电极峰值电流
必须要处于IGBT开关安全工作区以内。
2.电压容量，在IGBT开关过程中，最大集射极电压
不能超过器件的最
高耐压值，否则器件将会被过压击穿而损坏。
3.散热要求：在IGBT开关过程中，会产生大量的开关损耗而使器件发热，因此，在选择器件时必须综合考虑系统的散热条件——最大集电极功耗
。
分别从以上几方面考虑，在本系统中，IGBT的最大集射极电压为直流电压300V左右，考虑到器件开关过程中有电压尖峰的影响，选取一定的电压裕量（一般选为2～3倍）。在电流方面，为了保证系统的工作安全，对开关管电流也要选取较大的裕量；逆变器的开关频率为10kHz，在散热方面，为了保证开关管的充分散热，采用了将IGBT固定在散热器上的措施。综上所述，本设计最终采其主要参数为：900V。
交流测输出滤波电感的设计
在单相全桥逆变器中，逆变器输出滤波电感的设计是一个关键的元器件，光伏离网系统要求逆变器输出侧的波形为正弦波。所以，电感值选取的是否合适直接影响电路的整体工作性能。我们可以从以下几个方面来选取电感值：
电流的纹波系数
逆变器输出的滤波电感的值将直接影响输出纹波电流的大小，通过电感基本的伏安关系
可得：
（21）
其中
为电感的电压，当输出电压在峰值附近即
时，输出电流的纹波系数最大，设此时开关管的开关周期为Ts，占空比为
，则有：
（22）
另外根据电感的伏秒特性平衡原理，可得：
（23）
于是可得占空比：
（24）
有以上各式可得：
（25）
进一步化简可得：
即
（26）
在逆变系统中，由于
所以开关管的工作频率为f=10kHz，T=100us，取电流的纹波系数为
16%，则由式（4.17）计算可得：
（27）
因此，要保证实际的电流纹波
，所以取电感取值范围为
。
逆变器的矢量三角形关系
从逆变器的矢量三角形关系可以得出：
（28）
于是可得它们的基波幅值满足下面公式：
（29）
由SPWM正弦脉宽调制理论可以得到
。其中，m为调制比，且
，从而可得：
（30）
进一步对上式（30）化简得：
（31）
把数值代入式（31）计算可得：
（32）
综合计算，滤波电感的取值范围为
。在实际电感设计过程中，由于电感的成本、体积等因素的影响，一般只考虑取电感的下限值即可。以上计算建立在额定的输出电压基础上，即UN=220V基础上，最终选取电感值
。
交流测输出滤波电容的设计
由于电感和电容一起构成LC式的阻高频通低频的低通滤波器，有效的抑制了高次谐波，同时又要远大于基波的频率，避免输出电流发生畸变，一般取电流的基波频率为10～20倍的基波频率，本文取13倍的基波频率进行分析。
由
得：
（33）
其中基波频率取为50Hz，把电感值带入上式（4.24）可以求出电容值为
，最后选取电容值为
。
在太阳能光伏发电系统中，光伏电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高光伏电池的转换效率，使其最大限度地输出功率。然而，光伏电池的I-V特性是非线性的，它随着外界环（温度、光照强度）的变化而变化，它的工作电压改变时它的输出功率也会改变，为了始终能获得最大的输出功率，所以需要进行最大功率点跟踪。
目前，对最大功率点跟踪方法的研究很多，很多文献都提出了不同的MPPT方法，例如恒电压跟踪方法、干扰观察法、增量电导法等，但是应用最为广泛的是干扰观察法和增量电导法。增量电导法有传统的还有改进型的，为了实现更加精确的控制，本次设计使用的是改进型电导增量法，下文做了传统型与改进型的区别介绍。
（1）传统的电导增量法
传统的增量电导法则是根据光伏阵列P-U曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线的特点，利用一阶导数求极值的方法，即对P=UI求全导数，可得
（34)
两边同时除以Ud，可得
（35）
令
得
（36）
式36即为达到光伏阵列最大功率点所需满足的条件。这种方法是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向，下面就几种情况加以分析：
假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有
即
，说明参考电压应向着增大的方向变化。
同理，假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，此
即
，说明参考电压应向着减小的方向变化。
假设当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处(附近)，此时将有
，此时参考电压将保持不变，也即光伏阵列工作在最大功率点上。
图9电导增量法控制电路
电导增量法控制流程图如图9所示，图中，
、
为检测到光伏阵列当前电压、电流值，
、
为上一控制周期的采样值。理论上这种方法比干扰观察法好，因为它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时负电导值的大小关系，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而能够适应日照强度的快速变化，其控制精度较高但 是由于其中
和
的量值很小，这样就要求传感器的精度很高，实现起来相对比较困难。
传统的电导增量法采用的是固定步长，当步长选择较大时，对光照变化跟踪速度快，但振荡比较严重，导致稳态误差较大，无法满足系统的稳态要求；当步长选择较小时，振荡现象有所减弱，但对光照变化的跟踪速度变慢，无法满足系统的动态要求。同时传统点到增量法含有复杂的除法计算，这对于数字处理器的实时处理影响较大，影响到了执行的效率和正确性。
鉴于固定步长的缺陷，在此采用变步长方式，且取步长为K
,其中K为固定系数。变步长的电导增量法原理是：当实际工作点离最大功率点较远时，斜率较大，系统跟踪的步长较大；反之，则斜率较小，系统跟踪的步长较小，这样就可以解决固定步长带来的问题。
为了去除除法运算，可以对式4-2进行处理，两边同时除以I，可以得到：
(37)
首先判断式37中dV的符号，进而判断
的符号，最后通过判断
的决定输出电压参考值应该增加、减小还是保持不变。其流程图如图12所示。通过结合固定电压法，首先采样当前光伏阵列开路电压值
，由于光伏阵列MPPT处的电压为开路电压的0.78倍，因此系统将0.78作为初始基准值，控制输出电压移动到MPP电压附近，然后启动变步长电导增量法，实现精确的MPPT控制。
图10 改进型电导增量法
本次设计数据处理软件是MATLAB软件，MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。
随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而且经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
本次设计需要用matlab软件来对光伏电池的数学模型进行建模仿真，测定其参数，还有光伏电池输出特性的仿真。
利用matlab仿真软件，根据光伏电池的等效电路图图2，以及光伏电池的数学模型，搭建光伏电池的仿真数学模型。
- 测试不同光照强度下、不同温度下光伏电池的输出特性曲线：
改变T的值，可得到不同的输出特性曲线，比较这些不同的曲线特性，同理，保证其他参数不变，改变光照强度G=750，比较这些不同的特性曲线。
3．光伏发电输出特性测试
测试接线图如图11
图11 输出特性接线图
本次实验用二个万用表来测电流和电压，本次实验还需测量光照强度，可用光强检测器测量，根据下表，多测几组数据填入下表一和表二:
表一 实验测量的数据
[table=0]
T=________________ S=________________
表二 实验测量的数据
| T=________________ S=_________________ |
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根据所测得的数据，可画出I-V曲线和P-V曲线：
- 建立离网型光伏系统建模模型。
- 按分块调试和系统联调顺序，依次调试分析仿真各模块功能，调节离网型光伏发电系统的电路和控制参数值，仿真并分析最大功率跟踪控制效果。
五、思考题
1.太阳能电池防止热斑现象的办法？
答:（1）电池生产线采用72片一包的包装，避免组件生产线再次数片带来的混
片
（2）电池生产线先外观检验，后测试分选，防止测试分选后再外观检验造
成混片
（3）组件生产时用整包的电池片，不用散包，防止混片
（4）组件补片原则，一定要补同一档次的电池，（正在准备试75片一包的
试验）
（5）焊接前检查隐裂片
（6）焊串模板定期检查，防止互连条脱焊
（7）严格检查异物
（8）加强虚焊检查，防止虚焊
（9）搬运时尽量减少玻璃弯曲
（10）大组件采用4毫米玻璃，以减少弯曲，增加强度
（11）搬运周转车改为玻璃垂直放置
（12）不允许＞50℃时装框
（13）返修时不允许互连条对接
（14）散包电池必须重新分选测试，凑成整包后再做组件
（15）库存超过一定期限的电池在做组件前应经过二次分选测试
（16）测试时，组件一定要在规定温度范围内
（17）给出发现曲线异常后的处理方法，防止不良组件流到客户手中
（18）电池先光衰减后再分选测试（正在试验实施中）
2. 光伏发电系统中 MPPT 扰动观察法有啥不足？
答：响应速度较慢，只适用于那些日照强度变化比较缓慢的场合。而且稳态情况下，这种算法会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近小幅振荡，因此会造成一定的功率损失；而日照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，判断得到错误的跟踪方向。
参考文献：
[1]刘栋.离网型光伏发电系统的研制[D]. 广州：华南理工大学，2011
[2]闵江威.光伏发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究[D]. 武汉：华中科技大学,2006
[3]Liu X,Lopes L A C.An improved perturbation and observation maximum power point tracking algorithm for PV arrays. Power Electronics Specialists Conference, 2004.
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