光伏并网逆变器仿真研究文献综述

调研报告（或文献综述）：

1.文献综述

为了更好地完成本课题，在课题调研阶段我做了较多的准备工作。除了仔细阅读了老师建议的参考文献及书籍外，还自己查阅了许多相关的国内外论文。通过阅读这些文献，我了解到了国内外光伏发电的研究现状和发展趋势，光伏逆变器的发展过程、发展现状以及未来的研究趋势都有了初步的认识。重点关注了光伏发电系统的组成、分类及发电原理，控制策略及其仿真研究。文献介绍了光伏逆变器每一个环节的各种实现办法，并比较了这些实现方法的利弊[1]，还分析与研究了光伏并网逆变器常用的控制策略,分别确定了其在独立与并网两种工作模式下的控制策略[3]。综述了光伏阵列最大功率点跟踪的各种方法，分别说明了各种跟踪控制方法的优点和不足之处，并指出具体选择方法时需要统筹考虑跟踪方法实现的难易程度、经济成本、传感器类型、跟踪速度与精度的协调以及应用领域等各种因素[7]。这些都让我对光伏并网逆变器有了一定认识，为后续设计任务打下基础。

2.主题

太阳能光伏发电系统主要包括两种类型：离网独立光伏发电系统和并网发电系统。本课题主要研究的是光伏并网系统。

光伏并网发电系统主要由光伏阵列、斩波电路、逆变器和过流过压保护等装置组成。由太阳能电池组件经过串并联后组成光伏阵，将太阳能转化为电能，通过如Buck-Boost，Boost等斩波电路升压到系统所需要的母线电压，然后经过环节和滤波环节逆变成可以接入市电电网的工频正弦波。变电路主要由具有一定开关频率和一定耐压耐流值的功率幵关管组成，由单片机、ARM或数字信号处理器DSP作为核心控制器，以PWM（脉宽调制）的形式控制其向电网提供电能。过流过压等故障处理、保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。

光伏并网发电系统中,逆变器作为光伏发电系统与电网的接口设备,它的主电路结构和控制技术决定着整个系统的性能。目前,并网逆变器的结构拓扑种类众多,所以根据实际的需要和研究的目的,选择适当的并网逆变器主电路拓扑进行系统设计,对提高整个光伏并网发电系统的效率和性能有着重要意义[3]。

光伏并网发电系统是指将光伏阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅值、同频率、同相位的交流电,并实现与电网相连的系统。文献[1][2][3][4][5]中都给出了光伏发电系统结构的详细说明，并介绍了其工作原理。简单地来说，光伏发电系统主要由光伏阵列电池、前级升压电路、储能系统、逆变器及其控制系统四部分组成。由于光伏阵列的输出电压是直流电压,但是包括电网在内的许多用电场合都需要交流电,所以后级逆变器是光伏并网发电系统中很重要的一个环节。逆变器控制系统涉及整个系统的控制,孤岛检测、并网控制等关键问题[1]。

文献[2][3]指出，光伏并网逆变系统拓扑结构包括单级式和多级式，多级式拓扑结构主要是两级式拓扑结构。文献[2]详细比较了两种拓扑结构的异同，并最终选择研究两级式拓扑结构。单级式光伏逆变系统只采用了—级能量变换装置，集最大功率跟踪控制、并网逆变控制和并网同步操作于一体，提高了系统操作的复杂度。相比单级式拓扑，两级式拓扑结构由直流斩波电路负责完成升压和算法，由环节完成直流母线电压稳定、并网逆变和同频同相任务。虽然系统整体的效率有所降低，但通过两级系统分别控制，操作相对简单。

直流斩波电路指的是将直流电变换为另一固定或可调电压的直流电，也称为直接直流直流变换器。可以用来升压的电路包括Buck-Boost Chopper电路、Cuk Chopper电路和Boost Chopper电路。文献[1]比较了各种DC/DC升压电路的优点与弊端，最终选用了Boost升压电路。文献[2]也选用了Boost升压电路，并给出了更为详尽的原理说明及等效工作电路图。

文献[1][2][3]主要研究了单相光伏并网逆变器的拓扑结构、滤波参数策略及控制策略。文献[5]既研究了单相光伏并网系统又研究了三相光伏并网系统。由于老师在任务书中指出，应当论证DC/DC变换器及并网逆变器的内容，这一部分属于单相光伏逆变器的研究范畴，故本课题仅研究单相光伏并网逆变器。

文献[5][6][7][8]均论证了一种或多种光伏逆变器的控制策略。文献[7]综述了光伏阵列最大功率点跟踪的各种方法,包括日益成熟、改进和优化策略较多的扰动观察法和电导增量法,并总结了两种方法应用的局限性和需要注意的问题。从最大功率点跟踪的控制原理和发展历程出发,归纳了基于优化数学模型、扰动自寻优、智能处理方法及输出端控制等4类方法,分别说明了各种跟踪控制方法的优点和不足之处,并指出具体选择方法时需要统筹考虑跟踪方法实现的难易程度、经济成本、传感器类型、跟踪速度与精度的协调以及应用领域等各种因素。最后探讨了最大功率点跟踪控制方法的发展思路,对该领域今后的研究方向做了展望,指出单级式光伏逆变系统中的最大功率点跟踪己成为国内外光伏领域的一个研究热点。文献[6]详细阐述了MPPT的扰动观察法，但由于其研究对象为独立光伏系统，而本课题的研究方向是光伏并网系统，故该文献未作进一步深入的探讨。文献[14]提出了使用自适应算法的改进扰动观察法，它基于的是自动调整的参考步长和之后带宽功耗对比。

文献[5]给出了光伏并网逆变器建模与设计的具体步骤，涉及单相并网逆变器的实验的总体方案，MPPT控制策略及孤岛效应，但大篇幅论述的是三相光伏并网逆变器的设计及控制策略，故本文献仅作参考。文献[13]提出了一个改进自适应爬山（MAHC）MPPT方法，它可以被看作是传统爬山算法的扩展。文献[2]给出了系统总体设计及每一模块的设计，有详尽的原理说明，并给出了各部分模型的仿真，是本课题完成设计和仿真的重要依据。

文献[9][10][11]比较笼统地阐述了光伏发电系统的原理，文献[12][13]主要论述了光伏发电的现状及其发展趋势。

文献[16]主要介绍了两点。一是光伏发电的损耗——包括模块失配损耗、遮蔽阳光损耗及最大功率点损耗；二是光伏系统的安全性、可维护性及容错性，以及系统反馈和故障排除。

文献[17]介绍了光伏逆变器在解决实际光伏系统项目中的实施步骤和优点，以及其竞争性的分析对比。

3.小结

从这些参考文献中，主要了解到了光伏并网逆变器的发展背景、基本原理、控制方法、具体实现等。光伏并网发电系统中,逆变器作为光伏发电系统与电网的接口设备,它的主电路结构和控制技术决定着整个系统的性能。逆变器控制系统涉及整个系统的控制,孤岛检测、并网控制等关键问题，选择适当的并网逆变器主电路拓扑进行系统设计,对提高整个光伏并网发电系统的效率和性能有着重要意义。

4.参考文献

[1]孙良伟. 单相光伏并网发电系统中 DC/DC 变换器的设计与优化 [D][D]. 浙江: 浙江大学, 2007.

[2]刘军明. 单相光伏并网逆变器的研究[D]. 山东大学, 2012.

[3]余运江. 单相光伏并网逆变器的研究 [D][D]. 杭州: 浙江大学, 2008.

[4]张超, 何湘宁. 光伏并网发电系统 MPPT 及孤岛检测新技术的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2006.

[5]庞晋永. 光伏并网逆变器的建模与控制器设计[D]. 浙江大学, 2014.

[6]王厦楠. 独立光伏发电系统及其 MPPT 的研究 [D][D]. 南京: 南京航空航天大学, 2008.

[7]周林, 武剑, 栗秋华, 等. 光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述 [J][J]. 高电压技术, 2008, 34(6): 1145-1154.

[8]李建, 姚雪梅, 夏东伟. 一种改进干扰观察法的仿真研究[J]. 杭州电子科技大学学报, 2008, 28(6): 123-126.

[9] 王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社，2009.9

[10] Stefan Krauter.太阳能发电－光伏能源系统[M] . 北京:机械工业出版社，2008.4

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[16] Chen Yang, Keyue Ma Smedley.A cost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking. IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(5):1289-1294

[17] SE - Problems and Disadvantages in Current Residential and Commercial On-grid PV Systems 1.1.10.pdf

[18] SE - Residential and Commercial On-grid PV Systems in the US 1.2.10.pdf