光伏微电网系统控制器的研究

【摘要】：为了研究光伏微电网系统的并网运行、离网运行、并/离网运行自动切换并调节控制光伏逆变器输出的电能质量。本课题以光伏发电为前提，建立了光伏微电网系统的仿真模型，并设计了微电网控制器来负责控制整个光伏微电网系统的运行，该控制器不仅可以完成对光伏阵列的最大功率跟踪控制，也可以根据是否有孤岛效应使光伏微电网系统运行于并网模式或离网模式。当光伏逆变器并网运行时，逆变器输出的电网电压与频率被电网钳制，微电网控制器只需控制并网电流与电网电压同频同相即可；当光伏逆变器离网运行时，光伏微电网系统相当于一个电压源，微电网控制器需要在无电网电压参考的情况下，根据参考值调节逆变器的输出电压幅值及频率，以保证重要负荷的正常运行。 首先，根据光伏电池的基本工作原理及等效模型，推导出了其输出特性曲线表达式，搭建了光伏电池的仿真模型，并实现了最大功率跟踪控制，仿真结果表明该模型的稳定性和有效性。其次，重点介绍了光伏微电网系统中控制器的基本结构及其工作原理，推导了DC/AC逆变桥在dq坐标系下的数学模型表达式，根据数学模型表达式演化的结构图，详细地分析了PQ控制策略的功率、电流解耦原理以及V/f控制策略的电压、电流解耦原理；同时也介绍了SVPWM调制算法的基本原理、孤岛检测方法，并对光伏微电网控制器的并/离网切换控制策略进行了分析。然后，对光伏微电网控制器以及光伏发电主电路的硬件进行了设计，如DSP主控芯片的选型、模拟信号采样与调理电路、IPM驱动及保护电路等硬件的设计，并根据主电路参数设计原则确定有关电感及电容的取值范围；对控制系统的软件进行了设计，按照功能和任务，根据软件的分层思想，可以将程序分为主控控制层、算法层以及接口层三个基本层次。 最后，在Simulink中搭建了光伏微电网系统的并网运行、离网运行以及并/离网运行切换的仿真模型进行仿真测试，仿真结果获得了光伏逆变器在多种运行状态下的运行特性，通过分析其运行特性曲线，验证了仿真模型的有效性，为光伏微电网硬件的设计提供了可靠的理论平台。 【关键词】：光伏发电 并网运行 离网运行 微电网控制器 PQ控制 V/f控制 SVPWM 孤岛检测 并/离网切换
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 研究光伏微电网系统控制器的背景及意义9-11
• 1.1.1 选题背景9
• 1.1.2 光伏微电网的基本概念与特点9-10
• 1.1.3 光伏微电网控制器的意义10-11
• 1.2 光伏微电网系统的拓扑结构11-12
• 1.3 本文的主要研究的内容12-14
• 第2章 光伏电池的仿真及 MPPT 控制14-24
• 2.1 光伏电池的数学模型14-15
• 2.1.1 光伏电池的工作原理14
• 2.1.2 光伏电池的等效电路14-15
• 2.2 光伏电池模型的建立15-17
• 2.3 光伏电池的输出仿真17-19
• 2.3.1 Simulink 模型17-18
• 2.3.2 光伏电池的基本参数18-19
• 2.4 光伏电池 MPPT 控制19-23
• 2.4.1 外界环境对光伏电池的影响19-20
• 2.4.2 最大功率点跟踪的原理20-21
• 2.4.3 MPPT 控制策略21-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第3章 光伏微电网控制器的控制策略及 SVPWM 算法24-52
• 3.1 DC/AC 逆变器数学模型的分析24-29
• 3.1.1 并网逆变器的数学模型24-27
• 3.1.2 离网逆变器的数学模型27-29
• 3.2 光伏微电网控制器的控制策略29-39
• 3.2.1 恒功率(PQ)控制29-35
• 3.2.2 恒压恒频(V/f)控制35-39
• 3.3 微电网控制器并/离网切换控制策略39-43
• 3.3.1 孤岛检测基本原理39-41
• 3.3.2 并/离网切换策略41-43
• 3.4 SVPWM 算法介绍43-51
• 3.4.1 SVPWM 算法原理44-46
• 3.4.2 SVPWM 算法的推导46-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第4章 光伏发电主电路及微电网控制器硬件的设计52-64
• 4.1 光伏微电网系统的设计指标52-53
• 4.2 光伏发电主电路的设计53-57
• 4.2.1 Boost 电路设计53-55
• 4.2.2 IPM 模块的选型55
• 4.2.3 LC 低通滤波器设计55-57
• 4.3 控制系统电路的设计57-62
• 4.3.1 核心控制器的选型57
• 4.3.2 控制系统电源模块57-58
• 4.3.3 信号采样及调理电路的设计58-61
• 4.3.4 IPM 驱动与保护电路的设计61-62
• 4.4 硬件电路抗干扰措施62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第5章 光伏微电网控制器的软件设计64-69
• 5.1 软件层次的设计64
• 5.2 系统软件的设计64-66
• 5.2.1 主程序的设计65
• 5.2.2 中断处理程序的设计65
• 5.2.3 算法层程序的设计65-66
• 5.3 主要子程序的设计66-68
• 5.3.1 AD 采样子程序66
• 5.3.2 数据处理子程序66-67
• 5.3.3 SVPWM 程序67-68
• 5.3.4 孤岛检测子程序68
• 5.4 本章小结68-69
• 第6章 光伏微电网系统的仿真与实验调试69-81
• 6.1 光伏发电并网模型的仿真69-72
• 6.2 光伏发电离网模型的仿真72-76
• 6.3 光伏发电系统的并/离网切换仿真76-78
• 6.4 光伏发电系统调试与实验分析78-81
• 第7章 全文总结与展望81-83
• 7.1 主要工作总结81-82
• 7.2 研究展望82-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-87
• 附录A 微电网控制器的 PCB 图87-88
• 附录B 交流信号的 AD 采样子程序88-89
• 附录C dq 坐标变换子程序89-91
• 附录D SVPWM 产生子程序91-94
• 攻读学位期间的研究成果94

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