基于Z源网络的三端口光伏系统研究

【摘要】：太阳能以资源丰富、无污染等优点成为解决能源短缺、环境污染和生态破坏问题最重要的新型能源之一。随着人类环保意识不断增强和光伏电池价格逐渐下降，各国都致力于江南体育在线直播观看 发电的开发和使用。然而，江南体育在线直播观看 发电受外部环境影响比较大，波动的输出功率很难为负载或者电网提供稳定、连续的电能。为了克服这个缺点，具有存储能力的三端口光伏系统广泛应用于独立用户、航天太空站、可调度并网等领域，它不仅增强了江南体育在线直播观看 使用的灵活性，而且还提高了系统输出的电能质量。为了进一步提高江南体育在线直播观看 模块的利用率和并网的电能质量及延长蓄电池的使用寿命，本文对三端口光伏系统的拓扑结构、能量协调控制、并网控制策略和孤岛检测技术等进行了深入研究。具体内容包括以下几个方面： 三端口光伏拓扑结构是光伏发电系统的核心部分，传统拓扑结构因为转换级数和开关器件多及高频变压器的应用不仅增加了系统的体积和重量，而且还增加了系统的损耗。为了克服上述缺点，同时保护蓄电池充放电的安全，本文提出了基于Z源网络的新型三端口光伏拓扑结构，该拓扑结构集升降压、逆变、双向充放电、最大功率点跟踪等功能于一体。其简洁紧凑的结构和高效的工作方式降低了系统体积、重量和成本，提高了江南体育在线直播观看 模块的利用率和系统输出的电能质量。 基于Z源网络的三端口光伏系统的Z源逆变器部分采用在SPWM零状态处插入直通占空比的单级控制策略，通过调节直通占空比和调制因子分别实现直流母线升压和系统逆变输出的控制，其优点是简单且容易实现。但是在感性负载情况下，逆变输出波形出现畸变现象并且谐波含量大，为此本文提出了一种改进的SPWM控制方法。在不增加外部器件的前提下，换向时开启上桥臂为电流提供续流通道，从而消除输出电流和电压波形的畸变现象，降低了输出电流的谐波含量，提高了系统输出的电能质量。通过建立基于Z源网络的三端口光伏系统的小信号模型分析了Z源网络参数、直通占空比，负载和输入电压等系统参数的变化对其输出特性的影响。 江南体育在线直播观看 模块输出功率随外界环境变化而变化，具有较大的波动性，将会影响负载的正常运行或注入电网的电能质量。基于Z源网络的三端口光伏系统通过控制蓄电池的充放电，可以消除天气对系统输出的影响。因此三端口的能量管理是保证江南体育在线直播观看 模块、蓄电池和负载三者之间高效稳定运行的关键。根据江南体育在线直播观看 模块和负载之间的供求关系及蓄电池所处的状态，本文提出了一种适用于基于Z源网络的三端口光伏系统的能量协调控制方法，在保证负载稳定工作的前提下，提高了江南体育在线直播观看 模块的利用率和延长了蓄电池的使用寿命。 基于Z源网络的三端口光伏系统输出端不仅可连接负载构成独立型光伏系统而且还可连接电网形成可调度型光伏并网系统。其优点是使注入电网的电流值保持恒定，避免了江南体育在线直播观看 模块输入功率波动对电网的不利影响，而且还具有调节晚间电网峰值的作用。本文采用准比例谐振并网电流控制方法，提高了系统的动态响应速度，减小了并网电流的波动，并且通过修正调制系数和电网前馈补偿控制消除Z源网络电容电压波动和电网波动对输出电流的影响，进一步提高并网的电能质量。 光伏并网系统除了要求具有控制并网电流与电网电压保持同频同相的能力之外，还应具备孤岛检测能力。因为孤岛现象一旦发生，如果光伏并网系统继续工作，可能损坏设备或者威胁到人身安全。由于孤岛危害的严重性，系统的孤岛检测需快速、准确，并且兼顾注入并网的电能质量。为此本文提出一种基于有功功率变化的正反馈主动频移法，将有功功率的变化量引入正反馈偏移量中，增加了频率的偏移量，从而加速公共节点电压频率的偏移，缩短检测孤岛的时间。 在上述理论研究和仿真分析的基础上，研制开发了以TMS320F2812为主控制芯片的基于Z源网络的三端口光伏系统实验平台。通过实验平台进行了独立型的三端口能量协调控制实验和并网型的并网电流控制、孤岛检测等实验。实验结果验证了所提出的基于Z源网络的三端口光伏拓扑结构和控制策略的正确性和可行性。 【关键词】：三端口 Z源 能量协调控制 光伏并网 孤岛检测
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-33
• 1.1 课题研究的目的和意义15-16
• 1.2 国内外江南体育在线直播观看 发电现状16-20
• 1.2.1 国外江南体育在线直播观看 发电现状16-19
• 1.2.2 国内江南体育在线直播观看 发电现状19-20
• 1.3 三端口光伏系统综述20-26
• 1.3.1 光伏拓扑结构20-22
• 1.3.2 三端口拓扑结构22-24
• 1.3.3 储能技术24-25
• 1.3.4 蓄电池充电控制技术25-26
• 1.4 江南体育在线直播观看 并网技术综述26-31
• 1.4.1 并网电流控制技术26-28
• 1.4.2 孤岛检测技术28-30
• 1.4.3 最大功率点跟踪技术30-31
• 1.5 本课题研究的主要内容31-33
• 第2章 基于 Z 源的三端口光伏系统拓扑结的研究33-49
• 2.1 引言33
• 2.2 基于 Z 源的三端口光伏系统拓扑结构33-41
• 2.2.1 三端口光伏系统的工作模式34-37
• 2.2.2 三端口光伏系统的工作状态37-41
• 2.3 感性负载时 Z 源工作状态与控制策略41-45
• 2.3.1 感性负载时产生畸变的原因43-44
• 2.3.2 改进的 SPWM 控制策略44-45
• 2.4 基于 Z 源的三端口光伏系统拓扑结构的仿真分析45-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第3章 基于 Z 源的三端口光伏系统输出特性分析49-64
• 3.1 引言49
• 3.2 基于 Z 源的三端口光伏拓扑结构小信号分析49-57
• 3.2.1 Z 源网络小信号分析50-54
• 3.2.2 蓄电池充放电电路小信号分析54-56
• 3.2.3 逆变电路小信号分析56-57
• 3.3 系统参数变化对输出动态特性和稳定性的影响57-62
• 3.3.1 Z 源网络电容对系统输出动态特性和稳定性的影响57-58
• 3.3.2 Z 源网络电感对系统输出动态特性和稳定性的影响58-59
• 3.3.3 直通占空比对系统输出动态特性和稳定性的影响59-61
• 3.3.4 负载阻值变化对系统输出动态特性和稳定性的影响61-62
• 3.4 基于 Z 源的三端口光伏系统输出特性的仿真分析62-63
• 3.5 本章小结63-64
• 第4章 基于 Z 源的三端口光伏系统能量控制策略的研究64-83
• 4.1 引言64
• 4.2 铅酸蓄电池的充放电特性分析64-67
• 4.2.1 铅酸蓄电池的充电特性分析65-66
• 4.2.2 铅酸蓄电池的放电特性分析66-67
• 4.3 基于 Z 源的三端口光伏系统充放电控制策略67-77
• 4.3.1 铅酸蓄电池充电的控制策略67-73
• 4.3.2 铅酸蓄电池放电的控制策略73-77
• 4.4 基于 Z 源的三端口光伏系统的三端口协调控制策略77-82
• 4.5 本章小结82-83
• 第5章 基于 Z 源的三端口光伏系统并网控制技术83-99
• 5.1 引言83
• 5.2 基于 Z 源的三端口光伏并网系统控制结构83-85
• 5.3 基于 Z 源的三端口光伏系统并网电流控制85-91
• 5.3.1 电容电压纹波前馈控制85-88
• 5.3.2 光伏并网系统的准比例谐振控制策略88-90
• 5.3.3 并网电流控制的仿真分析90-91
• 5.4 基于 Z 源的三端口光伏系统的孤岛检测91-97
• 5.4.1 孤岛检测标准91-92
• 5.4.2 基于有功变化的新型主动频移孤岛检测方法92-94
• 5.4.3 孤岛检测仿真分析94-97
• 5.5 本章小结97-99
• 第6章 基于 Z 源的三端口光伏系统实验研究99-110
• 6.1 引言99
• 6.2 基于 Z 源的三端口光伏系统主电路设计99-102
• 6.2.1 主电路结构99-100
• 6.2.2 主电路参数设计100-102
• 6.3 基于 Z 源的三端口光伏系统的软硬件设计102-105
• 6.3.1 系统驱动电路和采样电路设计103-105
• 6.3.2 系统主程序和中断程序设计105
• 6.4 基于 Z 源的三端口光伏系统实验结果分析105-109
• 6.4.1 独立型光伏系统实验结果分析106-108
• 6.4.2 并网型光伏系统实验结果分析108-109
• 6.5 本章小结109-110
• 结论110-112
• 参考文献112-123
• 攻读学位期间发表的学术论文123-125
• 致谢125-126
• 个人简历126

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