小功率光伏发电系统关键技术的研究

【摘要】：目前国内外对于光伏发电系统的研究热点主要集中在中大功率光伏发电系统。随着国家相关政策的扶持以及光伏建筑一体化项目的推广与应用,小功率光伏发电系统备受工业界的关注。中大功率光伏发电系统与小功率发电系统技术上存在一定的共同点,但是功率等级的差异造成目前光伏发电系统的拓扑结构以及控制技术并不适应小功率发电系统的需求,因此需要研究小功率光伏发电系统的关键技术。主要工作内容如下:(1)针对小功率光伏发电系统的结构以及相关的关键技术展开研究。首先分析了典型光伏发电系统发电效率低下的原因,这是目前光伏发电系统面临的共性问题,对于小功率发电系统而言这又尤为重要。其次指出适用于小功率光伏发电系统的三种优化结构以及控制策略。基于串联DC/DC模块发电结构和基于并联DC/DC模块发电结构通过DC/DC功率优化器实现组件相互解耦,基于交流模块发电结构中光伏组件通过DC/AC微型逆变器实现相互解耦。解耦使得每个光伏组件都能工作在自身的最大功率点处而互不干扰从而提高了光伏发电系统的发电率。最后针对串联DC/DC模块和并联DC/DC模块连接方式的不同研究功率优化器的特点。(2)以基于串联DC/DC模块发电结构为主线研究后级DC/AC逆变器中新颖的电流控制器。首先分析了目前PR电流控制器存在的问题并得出PR控制器为一自由度控制器,无法兼顾系统的跟踪性能和抗扰动性能。其次根据自由度控制理论提出R-P控制器、改进型R-P控制器以及RP-RP控制器,这三种控制器保持了采用PR控制器时系统的抗扰动能力同时解决了PR控制器存在的问题。最后根据RP-RP控制器的特点提出适用于小功率光伏发电系统的无锁相环单相光伏逆变器。(3)针对基于交流模块发电结构即MIC系统中两级准直流母线型MIC系统结构,设计了采用有源钳位技术以及交错并联技术的反激型MIC系统。首先建立了主电路的大信号模型、二阶近似模型以及四阶精确模型。在此基础上分别提出稳态占空比前馈算法提高系统的动态调整能力和有源阻尼技术抑制高频谐振峰值,最后设计了电流环和均流环,实现并网电流和电网电压同频同相以及交错变换器的均流。(4)针对光伏并网系统或者其他它能源并网系统中解决电网同步问题的锁相环电路展开研究。首先研究了单相锁相环电路和三相锁相环电路的小信号模型,在此基础上提出锁相环电路的小信号范式模型,分析了该范式模型在各种典型工况下的关键性能,包括捕获时间、捕获范围、稳态误差和信噪比。本文提出的适用于小功率光伏发电系统关键技术的理论结果通过Matlab、Psim和PSpice仿真软件进行了仿真验证并分别制作功率优化器、5kW单相光伏并网系统以及200W微型逆变器样机进行实验验证。 【关键词】：小功率光伏发电系统 DC/DC功率优化器 电流控制器 锁相环 微型逆变器
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第1章 绪论17-25
• 1.1 本论文研究的目的和意义17-20
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势20-23
• 1.3 本文研究的内容23-25
• 第2章 光伏阵列优化技术25-59
• 2.1 研究背景25-28
• 2.2 光伏阵列结构优化28-47
• 2.2.1 基于串联DC/DC模块发电结构及其控制策略30-42
• 2.2.2 基于并联DC/DC模块发电结构及其控制策略42-47
• 2.2.3 基于交流模块发电结构及其控制策略47
• 2.3 不同连接方式下功率优化器的特点47-52
• 2.3.1 串联方式连接的功率优化器47-49
• 2.3.2 并联方式连接的功率优化器49-51
• 2.3.3 串联方式连接和并联方式连接对比51-52
• 2.4 实验52-58
• 2.5 本章小结58-59
• 第3章 新颖的并网电流控制器59-85
• 3.1 研究背景59-66
• 3.2 控制器自由度的分析66-68
• 3.3 R‐P控制器68-71
• 3.4 改进型R‐P控制器71-73
• 3.5 RP‐RP控制器73-77
• 3.6 无锁相环的单相光伏逆变器77-83
• 3.7 本章小结83-85
• 第4章 高效微型逆变器拓扑及其控制策略85-119
• 4.1 研究背景85-87
• 4.2 反激型MIC系统87-92
• 4.2.1 理想反激型MIC系统87-91
• 4.2.2 反激型MIC系统91-92
• 4.3 主电路模型92-104
• 4.3.1 反激MIC系统的大信号模型以及前馈算法92-95
• 4.3.2 小信号模型95-104
• 4.4 控制策略104-116
• 4.4.1 最大功率跟踪技术106-107
• 4.4.2 有源阻尼技术107-112
• 4.4.3 电流跟踪技术112-114
• 4.4.4 电流均流技术114-116
• 4.5 本章小结116-119
• 第5章 锁相环电路的小信号范式模型与关键性能分析119-139
• 5.1 研究背景119
• 5.2 单相锁相环电路的小信号模型119-123
• 5.2.1 静止坐标系下基本锁相环电路的小信号模型119-122
• 5.2.2 旋转坐标系下基本锁相环电路的小信号模型122-123
• 5.3 三相锁相环电路的小信号模型123-125
• 5.4 基于小信号范式模型的关键性能分析125-132
• 5.4.1 捕获时间126-127
• 5.4.2 捕获范围127
• 5.4.3 稳态误差127-132
• 5.5 噪声分析132-137
• 5.6 本章小结137-139
• 结论139-143
• 附录143-159
• 第1章 附录A 提高功率优化器效率的关键技术143-146
• 第2章 附录B PR控制器和改进型R‐P控制器的零极点分布146-147
• 第3章 附录C 反激型MIC系统主电路原理图147-148
• 第4章 附录D 静止坐标系下其他单相锁相环电路148-152
• 第5章 附录E 旋转坐标系下产生正交信号的方法152-155
• 第6章 附录F 旋转坐标系下解耦双同步锁相环电路的工作原理155-159
• 参考文献159-177
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单177-178
• 致谢178-179
• 作者简介179

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