数字化光伏并网系统的逆变技术研究

【摘要】：世界能源问题日益严重，各国正在加大可再生能源的开发和利用。国内出台了各项政策鼓励支持太阳能的开发，其中光伏并网发电逐渐受到了青睐。光伏并网系统的核心部件一并网逆变器得到了广泛的研究。本文以数字化光伏并网发电系统为研究对象，对光伏逆变控制技术环节进行深入研究，开发了基于DSP控制的单相两级式非隔离型/隔离型光伏并网逆变器。 首先介绍了光伏并网发电的背景及发展，分析了光伏逆变器的基本原理，提出了基于DSP+ARM双核的数字化控制的并网光伏逆变技术研究，进行了系统主电路及其主要元件参数设计、信号调理电路及辅助电源等设计，在该系统中通过DC/DC (Boost或移相全桥）把太卩n能电池板输出的直流电转换为约400V直流电，再经过DC/AC (全桥逆变）为正弦交流电，以单位功率因数馈入电网并与其保持同频同相，通过仿真及实验验证理论分析的正确性。 多于两级的变换器级联必须确保其稳定性和动态性等性能，两级式光伏并网逆变器也是如此。本文以EMI滤波器和DC/DC级级联为例，从噪声抑制的观点介绍了EMI滤波器及其应用在峰值电流模式控制下DC/DC级（以Boost转换器为例）如何避免系统性能退化和不稳定。利用状态空间平均法，构造了Boost转换器的小信号模型，设计了使转换器具有4kHz的控制带宽和约°52.6的相位裕度的PI控制器，建立了仿真模型。基于Matlab平台上设计的EMI滤波器达到欧盟标准规定的噪声抑制，同时保持了与Boost转换器级联后的稳定性和动态性。变换器之间的相互作用是构建级联系统的核心问题，对此提出了图形化阻抗比判据结合奈奎斯特稳定判据来评估级联系统的稳定性，对闭环转换器进行仿真和建模。仿真和实验结果证明了与Boost级联的EMI滤波器不仅能抑制噪声电流，获得一个符合欧盟标准可接受的水平，而且保持了两级级联系统的稳定和动态性，从而提供了一个可应用于两级式光伏逆变器的DC/DC级的无缝解决方案，也为其他级之间的级联提供了稳定性判定的参考。 为将太阳能电池板输出的直流电输送到电网上，需要通过并网逆变器将直流电转换为交流电，控制逆变器的输出电流与电网电压同频同相，以单位功率因数向电网馈电。本文提出了采用电流跟踪控制、电网电压前馈控制和双闭环并网控制的策略，其中双闭环的外电压环为采用PI恒压控制逆变前直流侧稳压，分析比较了准比例谐振调节和PI调节两种电流内环的输出外特性，根据仿真结果电流内环采用准比例谐振控制实现并网电流的无静态误差控制，并减小电网频率偏移对并网电流的影响。电网电压前馈可消除电网电压畸变或波动造成的并网电流畸变，从而提高了光伏并网的电能质量和抗干扰能力。对控制系统进行建模分析，给出环路相关参数设计过程，利用DSP数字锁相环来实现输出电流与网压同频同相，建立逆变器的单相并网仿真模型，仿真得到输出正弦电流波形良好，且针对实际电网电压有可能出现的畸变、突变和光伏阵列功率变化等情况，进行抗干扰测试。在实验样机上，用DSP编程来实现数字化控制，基于该并网控制策略的光伏逆变器能高功率因数向电网馈电，动态响应快，鲁棒性强，跟踪精度高，并网电流的THD小（3%），仿真和实验结果验证了该控制方案的可行性和实用性。 最后针对目前光伏并网发电时的不稳定及电能质量控制等问题，研究了并网光伏发电的关键共性技术，研究分析了新型的变步长+扰动观察法作为最大功率点跟踪算法，并通过设计实验进行了检验，表明设计的MPPT算法实现了最大功率点的快速稳定跟踪。详细分析了孤岛检测方法的工作原理，提出了一种过/欠压、过/欠频的被动式孤岛检测、主动式移频和主动式移相孤岛检测三种方法相结合的反孤岛效应方案，使用DSP进行数字控制使得逆变器孤岛检测的实现大大简化，完成了基于DSP控制的孤岛保护电路和软件设计，实验结果表明，该孤岛检测方案快速可靠，检测所需时间远小于国际标准所规定的最大检测时间，检测盲区非常小。基于以上理论分析及研究，设计了1500W非隔离型和隔离型光伏并网逆变器实验样机，搭建并网测试实验平台，给出了系统在CCS开发环境下的软件开发过程，进行了直流分量检测和EMC试验，取得了符合国际标准认证的实验结果，大量有效的测试数据验证了本文理论分析的可行性和正确性。 【关键词】：光伏逆变器 并网控制 最大功率点跟踪 反孤岛效应 EMI滤波器
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 课题背景及研究意义14-17
• 1.2 课题相关内容的研究状况17-22
• 1.2.1 光伏并网逆变器的级联问题研究状况17-18
• 1.2.2 最大功率点跟踪控制的研究状况18-20
• 1.2.3 逆变器并网控制技术的研究状况20-21
• 1.2.4 防孤岛效应方法的研究状况21-22
• 1.3 论文的主要研究内容22-24
• 第二章 两级式并网光伏逆变器24-57
• 2.1 引言24
• 2.2 输入源-光伏电池特性24-27
• 2.3 非隔离型光伏逆变器的 DC/DC 电路27-41
• 2.3.1 光伏阵列直流侧滤波电路30
• 2.3.2 功率解耦电容设计30-32
• 2.3.3 Boost 及驱动电路32-35
• 2.3.4 Boost 大信号仿真35-37
• 2.3.5 CF-Boost 小信号模型37-41
• 2.4 隔离型光伏逆变器的 DC/DC 电路41-45
• 2.4.1 移相全桥电路41-44
• 2.4.2 驱动电路44-45
• 2.5 光伏逆变器的 DC/AC 电路45-48
• 2.5.1 SPWM 逆变控制45-48
• 2.5.2 IGBT 驱动电路48
• 2.6 光伏逆变器的辅助供电48-52
• 2.7 光伏逆变器的采样及保护电路52-56
• 2.7.1 光伏阵列的采样电路52-54
• 2.7.2 输出电流与电网电压检测电路54-55
• 2.7.3 逆变前直流母线电压检测与保护电路55-56
• 2.8 本章小结56-57
• 第三章 逆变器的 DC/DC 级与 EMI 滤波器的级联57-71
• 3.1 引言57
• 3.2 PCM 控制 BOOST转换器建模57-60
• 3.3 级联系统设计与仿真60-64
• 3.3.1 Boost 输出动态特性60-61
• 3.3.2 PI 控制器61-63
• 3.3.3 EMI 输入滤波器63-64
• 3.4 级联系统稳定性判定64-67
• 3.5 仿真和实验结果67-70
• 3.6 本章小结70-71
• 第四章 光伏逆变器的并网策略及反孤岛效应71-93
• 4.1 引言71-72
• 4.2 光伏并网控制策略72-73
• 4.3 光伏并网控制系统73-79
• 4.4 DSP 数字锁相实现79-80
• 4.5 光伏并网仿真与实验结果80-85
• 4.5.1 仿真结果80-83
• 4.5.2 实验结果83-85
• 4.6 光伏逆变器的孤岛效应85-87
• 4.6.1 孤岛效应85-86
• 4.6.2 孤岛检测标准86-87
• 4.7 光伏逆变器的孤岛检测方法87-91
• 4.7.1 过/欠压与过/欠频孤岛检测88-89
• 4.7.2 主动移频式孤岛检测89-90
• 4.7.3 主动移相式孤岛检测90-91
• 4.8 本章小结91-93
• 第五章 实验设计与分析93-122
• 5.1 引言93
• 5.2 隔离型/非隔离型逆变器样机93-97
• 5.3 光伏逆变器的系统软件97-106
• 5.3.1 系统启动98-99
• 5.3.2 主程序99-100
• 5.3.3 MPPT 控制子程序100-104
• 5.3.4 孤岛检测子程序104-105
• 5.3.5 直流分量检测子程序105-106
• 5.3.6 ARM 控制软件106
• 5.4 MPPT 试验106-107
• 5.5 光伏并网试验107-110
• 5.6 功率因数试验110-112
• 5.7 孤岛检测测试112-116
• 5.8 逆变器 EMC 测试116-120
• 5.9 本章小结120-122
• 结论与展望122-124
• 参考文献124-133
• 攻读博士学位期间取得的研究成果133-135
• 致谢135-136
• 附件136

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