摘 要

ABSTRACT Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 3

第2章 并网逆变器总体方案设计 5

2.1 并网逆变器并网标准 5

2.2 两级式单相光伏并网逆变器拓朴结构 6

2.3 逆变器关键技术 7

2.4 并网逆变器的控制策略 8

2.5 控制系统结构框图 8

第3章 逆变器重复控制策略研究 10

3.1并网光伏逆变器分类 10

3.2 并网光伏逆变器控制目标 11

3.3并网逆变器的SPWM技术 12

3.3.1 SPWM调制技术原理 13

3.3.2单相单极性SPWM逆变器 13

3.3.3单相双极性SPWM逆变器 14

3.4逆变器控制策略概述 14

3.5逆变器PI控制器设计 17

3.5.1 并网电流闭环控制系统数学模型 17

3.5.2 PI控制器参数设计 18

3.6 重复控制 19

3.6.1控制对象模型 20

3.6.2重复控制器参数设计 22

第4章 系统软件设计与调试 25

4.1主控芯片介绍 25

4.2 QuartusII介绍 25

4.3 DC-AC环节主电路设计 26

4.4 实验结果及其分析 27

4.5 本章小结 28

第5章 PI控制与重复控制的建模与仿真 29

5.1 基于模型设计的软件选择 29

5.2 PI控制仿真模型的建立 29

5.2.1 仿真结果 30

5.2.2 仿真结果分析 31

5.3基于重复控制的逆变系统仿真及结果分析 32

5.4结论 33

第6章 总结与展望 34

6.1 工作总结 34

6.2前景展望 34

参考文献 36

致 谢 37

摘 要

近年来，我国部分地区频频出现雾霾天气，大气污染问题逐渐引起人们的广泛关注。无疑，利用太阳能发电的光伏发电技术前景广阔。光伏并网发电是人类利用太阳能的最重要的形式之一。

太阳能电池阵列产生的不稳定的直流电能将作为并网逆变器的输入，经DC-DC环节实现最大功率跟踪，而DC-AC环节将直流电能逆变成与大电网同频同相的交流电能，利用合适的控制策略，使得各项指标符合并网要求后即可实现并网运行。论文研究了并网光伏发电系统中的DC-AC控制器，对一些常见的逆变控制策略进行了理论研究，分析了其中几种方法的优劣，在此基础上选择PI控制和重复电压控制算法在 Simulink中建立相关的模型并进行仿真分析。

最后，采用Altera公司的Cyclonell EP2C5 FPGA芯片作为主要控制芯片进行SPWM 控制程序的软件设计，证明了在FPGA下可以通过SPWM控制逆变器输出稳定的工频交流电能的结论。

关键词：逆变器；spwm控制；重复控制；MATLAB/Simulink

ABSTRACT

In recent years, haze has frequently appeared in some areas of China, and air pollution has gradually attracted wide attention.There is no doubt that photovoltaic technology using solar power has a promising future.Photovoltaic grid-connected power generation is one of the most important forms of human utilization of solar energy.

Solar array produced by the instability of the direct current can be as input of grid inverter, the DC - DC link to achieve maximum power tracking, and DC - AC link will be able to inverter DC into communication with large power grid of the same frequency and phase of the electric energy, using the appropriate control strategy, make the indicators conform to the requirements of the grid after a grid operation can be realized.Grid photovoltaic power generation system is studied in this paper the DC - AC controller, for some of the common inverter control strategy has carried on the theoretical research, analyzes the advantages and disadvantages, including several methods on the basis of this choice voltage PI control and repetitive control algorithm in Simulink to establish related model and simulation analysis.

Finally, the use of Altera company Cyclonell EP2C5 FPGA chip as the main control chip of SPWM control program software design, proves that under the FPGA can be controlled by SPWM inverter output stable power frequency ac power.

Key words: inverter;SPWM control;Repetitive control;MATLAB/Simulink

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

新能源和可再生能源发电虽然普遍具有储量达、污染小的特点，目前加快新能源这一战略产业的发展已经成为我国的基本国策，全国新能源发电建设项目更是掀起了新一轮的浪潮。但由于受自然环境的限制和科技发展的制约，新能源电源的并网对大电网电能质量控制、系统安全稳定运行、电网的优化运行控制等方面都会产生一系列的影响。而决定新能源发电技术的关键技术之一的并网逆变运行的控制^[1]。

目前几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被认为是最具前景的新能源技术，具有无限潜力。太阳能分布式发电收到了人们的广泛重视。光伏逆变器的太阳能并网的关键电力电子设备，它将太阳能发出的直流电转化为交流电，并控制它并入电网。目前，并网逆变器多采用DSP控制平台，还有一些采用DSP FPGA多处理器的控制平台。依照电网的展望，太阳能分布式并网发电系统在未来不仅仅应用于大型分布式电站，也会大规模应用于小型发电场合。

随着FPGA技术的发展，其内部集成大量独立运算单元和存储器，具备一定的数字信号处理能力，可以满足并网逆变器的控制需求。而FPGA优秀的并行运算能力，一方面可以准确读出SPWM调制信号，降低输出正弦波的谐波含量，另一方面提高了控制系统的响应速度。独立采用FPGA实现对光伏并网逆变器的控制^[2]。能够在保证输出电能质量的基础上，降低系统成本，提高控制效率，将光伏并网逆变器的控制策略独立实现。也有助于为专用集成芯片设计提供条件，进一步降低光伏并网逆变器的成本。

1.2 国内外研究现状

从全球光伏发电产业整体来看，西方国家的技术水平较先进，着重从美国、德国以及日本这三个国家来介绍，这三个国家完全可以体现出国外的发展现状。

美国是第一个做出单晶太阳能电池的国家，同时也是最早实现光伏发电的国家，因此美国的光伏发电产业兴起的比较早，技术也相对的比较完善。1954年贝尔实验室经过不懈的努力，历经多次失败才研制出了首个能进行实际应用的单晶太阳能电池。2008年美国政府加大了对 PV发电的资金投入，还出台了很多扶持政策，它这一年新增的装机容量飘升至全球第二位。其能源部又于2011年的2月提出了" Sunshot”计划，做出了详细规划并提出，希望于2020年之前光伏发电的成本降低75%，而后美国政府又出台了一系列的明文政策，对发展光伏发电的项目提供无条件贷款、降息等优惠措施。美国政府于2015年的12月份又提出了新的政策，将太阳能减税优惠法案的有效期限又延长了5年，用以促进太阳能在美国能够快速普及和发展^[3]。

在全球范围内，德国出台了很多的优惠政策和补贴政来大力发展光伏产业，就光伏产业的支持力度来说，世界上没有一个国家能比得过德国。德国光伏电池的用量非常之大，己经很接近全球用量的一半，而这些年德国的光伏产业依旧在飞速发展，丝毫没有达到饱和的状态。德国政府在2004年重新修订了它以前所制定的补贴法案，增大了补贴的力度，在随之而来的2005年德国的光伏电池装机容量就增长到了837MW，占全世界光伏市场的2009年的装机容量达到了4GW ,2010年的增长速度飞快，就这一年的时间，德国的装机容量竟然升高到了10GW，在2010年更是打破了世界年装机容量的纪录，就这一年就新增了7. 5GW的装机容量，其增长速度是相当惊人的。正是由于其光伏产业的畸形增长，德国光伏市场的容量有限，最终导致供大过求，出现了产能过剩，很多资质较深的德国光伏产业被迫向政府提出破产的申请，这里面包括我们熟知的Solong^[3]。虽然德国的光伏产业达到饱和，但是其光伏产业的技术水平依然很先进，值得学习。

日本和德国一样都在很早的时候就开始大力推广和发展光伏产业了，并在2004年登顶全球光伏产业排行榜的榜首，但是由于2005年日本政府对光伏产业的发展持消极作用，其装机容量也开始下滑，直到2009年以后，政府又开始扶持，才又开始快速复苏。2015年1月，日本政府提出储能补贴政策将其延续三年，这势必对其发展有好处。2016年3月又决定取消这项优惠政策，这一政策势必然会使日本的光伏产业有所下滑。2015年2月，又推出了本年度收购可再生新能源的方案，并公开给出了收购的价格，同年12月，又对准商业领域的工厂和小企业推出高达7790万美元的鼓励方案，主要是针对能源的效率和储能，这些势必会对其光伏产业有所冲击。

我国早在1958年就己经开始对PV发电技术做出研究，成功地在1959年研制出了第一颗可实用PV电池，而且于1971年第一次将其实际应用到人造卫星上，主要是用来做电源给人造卫星提供电能。中国光伏产业进入到高速蓬勃发展时期，是在20世纪80年代末。随着使用传统能源造成的环境等问题愈来愈突出，各国都在积极的发展新型的清洁能源，我国也不甘落后，制定了一系列光伏产业的发展计划与目标来促进并加快其发展，今年来我国的光伏发电年安装量占据全球的榜首。2011年我国以20GW的光伏产量占据了全球总量的65%，而后国家又开始大力支持光伏并网，并对上网的电价进行了很丰厚的补贴，这就促使我国原来光伏市场的模式发生了改变，由先前独立发电逐渐向并网发电靠近，估计我国的光伏装机总容量到2030年达到1亿千瓦时，其年发电量达到1300亿千瓦时^[3]。

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