基于Z源网络的400W单相光伏并网逆变器设计

【摘要】：随着传统化石能源的日益枯竭和环境污染问题的加剧，能源与环境成为了各国关注的重要问题。为了实现可持续发展，研究开发和利用清洁的可再生能源成为了社会发展的必然需要。光伏发电技术作为新能源技术中的重要研究方向，受到了社会的广泛关注。光伏并网系统中一个重要的组成部分就是逆变器，传统逆变器自身拓扑的局限性会对其性能产生不良影响。Z源逆变器是近年研究开发出的一种具有新型拓扑结构的逆变器。Z源网络的特殊拓扑结构可以弥补传统逆变器可靠性差、控制存在死区、效率低等缺陷。论文主要是设计基于Z源网络的400W单相光伏并网逆变器。 论文首先对所设计的逆变器的具体应用背景—光伏建筑一体化技术进行介绍。通过对传统电压型逆变器的拓扑结构与应用的分析，说明了传统电压型逆变结构具有不能升压、可靠性低、控制中存在死区、波形质量差等缺陷，并阐述了Z源网络的基本升压原理和Z源逆变器的基本调制方法。采用状态空间平均法对Z源逆变器进行数学建模，得到小信号模型。推导Z源电容与电感，并网电感和滤波网络的参数设计公式，根据应用的具体要求确定了相关参数值，为后续的仿真分析和实验验证打下了基础。 根据Z源逆变器的拓扑结构特点和光伏并网逆变器的并网要求，设计了基于Z源网络的单相光伏并网逆变器的控制系统。将逆变器的整体控制系统分成三个闭环分开控制: MPPT控制环，直流电压控制环，并网交流电流控制环。MPPT控制采取恒定电压跟踪法和扰动观察法结合的方式。设计了超前校正补偿，可以稳定Z源网络电容电压从而提高系统的稳定性。并网电流控制主要采用准PR控制与单周期电容电压调节法相结合的方式，实现并网功能。在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型进行仿真分析，验证控制策略的有效性。 基于DSP TMS320F2812设计制作了基于Z源网络的400W单相光伏并网逆变器的实验样机。实验结果表明，正常工况时，实验样机的输出功率为400W，输出电流与电网电压同频同相，满足单位功率因数运行，符合设计要求。将样机的实验波形与仿真模型的仿真波形进行对比分析，两者基本吻合，说明了实验的合理性，也对论文的理论研究起到了支持作用。 本文的创新点在于：1)推导基于Z源网络的400W光伏并网逆变器中的Z源电容与电感、并网电感、滤波网络的计算公式，根据实际要求确定参数值。2)设计了单相Z源光伏并网逆变器的三环控制系统，MPPT控制采取恒定电压跟踪法和扰动观察法相结合的方式，提高太阳能利用率；Z源网络升压控制采用超前校正补偿，提高系统稳定性；并网电流控制采用准PR控制与单周期电容电压调节结合的方式，实现并网功能。3)使用DSP作为控制芯片设计制作了基于Z源网络的400W单相光伏并网逆变器实验样机，完成了硬件部分和软件部分的设计与制作。实验样机输出电流与电网电压同频、同相，处于单位功率因数下工作，各项指标符合设计要求。仿真和实验结果验证了控制策略的有效性。 【关键词】：单相光伏并网逆变器 Z源网络 超前校正 并网电流调节 DSP Matlab/Simulink
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 研究背景14
• 1.2 我国光伏发电产业背景与 BIPV 技术14-17
• 1.2.1 我国光伏发电的发展及现状14-15
• 1.2.2 光伏建筑一体化的发展15-17
• 1.3 国内光伏并网逆变器的发展17-21
• 1.3.1 国内光伏逆变器市场现状17-18
• 1.3.2 光伏并网逆变器的结构18-19
• 1.3.3 光伏并网逆变器的控制技术19-21
• 1.4 Z 源逆变器在光伏系统中的应用21-24
• 1.4.1 传统电压型逆变器的局限性21-22
• 1.4.2 Z 源逆变器的提出22-24
• 1.4.3 Z 源逆变器的控制策略24
• 1.5 本文主要研究内容24-26
• 第二章 Z 源并网逆变器的建模与参数设计26-41
• 2.1 Z 源网络升压原理26-28
• 2.2 Z 源逆变器的基本调制方式28-30
• 2.3 基于状态空间平均法的 Z 源网络建模30-34
• 2.4 单相光伏 Z 源并网逆变器参数设计34-40
• 2.4.1 Z 源网络电容的参数计算34-35
• 2.4.2 Z 源网络电感的参数计算35-37
• 2.4.3 并网电感的参数计算37-38
• 2.4.4 滤波网络的参数计算38-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第三章 单相 Z 源光伏并网逆变器的控制41-60
• 3.1 最大功率跟踪42-46
• 3.2 直流电压控制46-50
• 3.2.1 Z 源网络电容电压控制46-47
• 3.2.2 串联超前校正设计47-50
• 3.3 并网控制50-55
• 3.3.1 并网电流控制50-51
• 3.3.2 准 PR 控制器的设计51-53
• 3.3.3 单周期电容电压调节法53-55
• 3.4 仿真结果55-59
• 3.5 本章小结59-60
• 第四章 单相 Z 源光伏并网逆变器的设计60-74
• 4.1 系统概述60-61
• 4.2 硬件电路设计61-68
• 4.2.1 功率电路设计62-63
• 4.2.2 信号电路设计63-65
• 4.2.3 驱动电路设计65-67
• 4.2.4 DSP 控制器设计67
• 4.2.5 辅助电路设计67-68
• 4.3 软件设计68-71
• 4.3.1 软件系统的结构68-69
• 4.3.2 主程序设计69-70
• 4.3.3 中断程序设计70-71
• 4.4 实验结果及分析71-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第五章 总结与展望74-76
• 5.1 总结74-75
• 5.2 展望75-76
• 参考文献76-79
• 附录79-87
• 致谢87-88
• 攻读学位期间发表的学术论文目录及成果88-90

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