单相光伏并网逆变器的研究与设计

【摘要】：随着社会的快速发展,人们对能源的需求日益增加,而常规化石能源面临枯竭引起各国能源供应紧张；与此同时,化石能源的大规模应用,使得环境污染严重,人们面临严峻的环境问题。为解决能源问题和环境污染问题,可再生能源的开发利用日益受到重视。光能是一种清洁、廉价的可再生能源,因此,光伏发电受到普遍重视。随着分布式发电技术的发展,微电网得以迅速发展。光伏发电系统作为分布电源的一种,在微电网中扮演者重要角色。在此背景下,本文中对单相光伏逆变器进行了研究,分别针对并网运行和孤岛运行设计了控制器,并通过仿真进行验证。本文中对单相逆变器的SPWM调制方式进行了介绍,并详细分析了死区对逆变输出的影响。针对死区的影响,设计了改进的死区补偿算法,具备简单、有效并且不增加额外成本的特点,通过Simulink仿真验证了其有效性。光伏逆变器在并网运行时,往往采用电流控制模式,直流部分采用最大功率跟踪控制策略,以便于充分利用光伏电池的功率。本文介绍了几种常用的最大功率跟踪策略,重点分析了扰动观察法,并针对其缺陷设计了基于模糊控制的变步长改进算法,得到了很好的仿真结果。针对常规电压外环PI控制算法引入直流母线波动谐波的缺陷,本文设计了改进的电压外环控制结构。通过仿真验证,新的电压控制算法能稳定地控制直流母线电压,并且显著减少了与直流母线固有的电压波动相关的谐波。光伏逆变器在微电网中孤岛运行时,功率有效分配和环流限制是系统稳定运行的关键。本文针对阻性线路特性的低压系统设计了改进的P-f、Q-U下垂控制策略,并针对逆变器在电压、频率、相位不一致情况下并入运行的系统引起的冲击性环流的问题,设计了基于指数衰减特性虚拟阻抗的限冲击电流环节。以两逆变器为例进行的仿真验证结果,证明所设计的控制策略在孤岛运行时能够有效分配功率,并能有效限制逆变器突然并网引起的冲击电流。 【关键词】：光伏逆变器 死区补偿 电压控制 孤岛 均流
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615;TM464
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究背景12
• 1.2 光伏并网国内外发展现状和趋势12-14
• 1.2.1 国外光伏并网发展现状12-13
• 1.2.2 国内光伏并网发展现状13-14
• 1.2.3 光伏并网逆变的发展趋势14
• 1.3 光伏并网发电系统的关键技术14-15
• 1.3.1 光伏并网逆变器的并网控制的关键技术15
• 1.3.2 光伏并网逆变器孤岛运行的关键技术15
• 1.4 论文主要工作15-18
• 第2章 单相光伏并网系统的工作原理18-30
• 2.1 光伏并网发电系统分类19-21
• 2.2 光伏电池板的特性21-25
• 2.3 DC/DC变换电路25-28
• 2.4 单相并网逆变器的并网控制方法28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 光伏电池MPPT控制策略的研究30-46
• 3.1 MPPT常用方法30-34
• 3.1.1 恒定电压法30-31
• 3.1.2 恒定电流法31
• 3.1.3 扰动观察法31-33
• 3.1.4 电导增量法33-34
• 3.2 模糊控制的扰动观察法34-42
• 3.2.1 模糊控制器的结构35
• 3.2.2 隶属函数35-36
• 3.2.3 推理方法36-38
• 3.2.4 解模糊化38-39
• 3.2.5 模糊变步长的P&O算法39-42
• 3.3 扰动观察法及其模糊变步长改进的仿真42-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 光伏逆变器的并网控制策略46-66
• 4.1 DC/AC变换器工作原理46-54
• 4.1.1 全桥逆变电路的工作原理46-47
• 4.1.2 SPWM调制方式47-49
• 4.1.3 SPWM调制方式中死区效应分析及补偿49-52
• 4.1.4 死区效应补偿的改进52-54
• 4.2 并网逆变器控制策略54-65
• 4.2.1 SPWM控制策略电流内环控制55-58
• 4.2.2 电压外环控制58-60
• 4.2.3 传统电压外环PI控制的缺陷分析60-61
• 4.2.4 电压外环控制的改进61-65
• 4.3 本章小结65-66
• 第5章 光伏逆变器孤岛运行控制策略66-80
• 5.1 微网控制策略66-67
• 5.1.1 主从控制66
• 5.1.2 分层控制66-67
• 5.1.3 对等控制67
• 5.2 下垂控制在逆变器并联中的应用67-71
• 5.2.1 下垂控制基本原理67-70
• 5.2.2 改进的下垂控制70-71
• 5.3 孤岛运行中逆变器控制策略71-74
• 5.3.1 逆变器双闭环控制策略71-73
• 5.3.2 逆变器并联冲击电流的抑制73-74
• 5.4 孤岛状态下逆变器并联运行仿真74-79
• 5.4.1 两逆变器并联运行74-77
• 5.4.2 逆变器随机并联运行限制冲击电流仿真77-79
• 5.5 本章小结79-80
• 第6章 单相光伏并网逆变系统的设计80-94
• 6.1 BOOST升压电路参数设计80-82
• 6.1.1 升压电感参数计算80-81
• 6.1.2 直流母线电容参数计算81-82
• 6.1.3 开关管的选择82
• 6.2 逆变电路电路参数设计82-83
• 6.2.1 滤波电感的参数计算82-83
• 6.2.2 开关器件的选取83
• 6.3 主控电路设计83-87
• 6.3.1 电源与晶振电路设计83-84
• 6.3.2 通讯电路设计84-85
• 6.3.3 存储电路设计85
• 6.3.4 PWM输出电路设计85-86
• 6.3.5 FPGA电路设计86-87
• 6.4 检测电路设计87-89
• 6.4.1 电压检测电路设计88-89
• 6.4.2 电流检测电路89
• 6.4.3 AD转换电路设计89
• 6.5 系统软件设计89-93
• 6.5.1 采样程序设计89-90
• 6.5.2 三角波比较单元90-91
• 6.5.3 PWM单元91-92
• 6.5.4 逆变器程序整体结构图92-93
• 6.6 本章小结93-94
• 第7章 总结与展望94-96
• 参考文献96-102
• 致谢102

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