三相光伏并网型逆变器的设计研究

【摘要】：光伏并网发电作为一种分布式发电技术，受到广泛关注。光伏并网逆变器作为太阳能转换至电能的主要环节，是目前研究的重点。本文以三相单级式光伏并网逆变器为研究对象，对其数学模型，控制策略、孤岛检测和光伏电池最大功率获取等技术展开了研究。取得了一系列成果，搭建的三相光伏并网逆变器实验平台效果良好，验证了理论的正确性，为进一步提高逆变器性能打下了坚实基础。 论文首先介绍了选题的背景和意义，阐述了光伏并网型逆变器的发展历程以及光伏逆变系统的组成结构，并分别对单级式光伏发电系统和两级式光伏发电系统进行分析比较。最后阐述了论文所做的主要工作。 论文选择三相单级式光伏并网逆变器作为研究对象，分析了其在(α、β)两相静止坐标系和(d、q)旋转坐标系下的数学表达式及模型；推导了基于三相三桥臂的SVPWM调制算法并对SVPWM的调制波进行了分析；结合三相并网逆变器在(d、q)旋转坐标系下的数学模型，根据(d、q)坐标系下并网电流的有功分量和无功分量可以单独控制的特点，设计了基于前馈解耦的同步PI调节器，并给出解耦后的控制模型框图，而后分别对电流环和电压环的PI调节器参数进行了分析计算。 分布式发电孤岛效应对用电设备及用户人身安全带来巨大隐患，因此并网逆变器作为光伏并网发电系统的重要组成，必须具备反孤岛功能。论文给出了被动式和主动式两种孤岛检测类型，分析了过欠压/过欠频检测法、相位突变检测和谐波检测法三种被动式孤岛检测方法以及有功功率扰动法和主动频率扰动法这两种主动式孤岛检测方法。进行比较分析后，选用了主动频率扰动法作为逆变器孤岛检测的方法并给出了具体的程序实现方法。 为了提高逆变器工作效率和发电能力，控制算法中应嵌入最大功率跟踪(MPPT)。因此论文首先建立了光伏电池的数学模型，给出了光伏电池的物理特性并以仿真加以验证，在此基础上，分析了恒定电压跟踪法(CVT)、电导增量法(IncCond)和扰动观测法(PO)这三种常用的MPPT方式的优缺点，给出了各自的具体的程序流程图；并结合恒定电压跟踪法及扰动观测法，提出了论文所使用的最大功率跟踪方法。 论文在前文关于光伏并网逆变器控制策略分析的基础上，以IPM作为功率开关器件，搭建了一台单级式三相光伏并网逆变器实验平台，设计了基于STM32F103VBT6型嵌入式控制芯片为核心的主控板以及显示板，对系统的各部分硬件电路进行了设计，包括采集电路以及驱动电路等相关部分；给出系统由启动到并网运行的具体的程序流程图，最后给出了相关实验波形并进行了分析。 【关键词】：光伏逆变器 SVPWM 同步PI 孤岛检测 最大功率跟踪
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 课题研究的背景和意义10
• 1.2 光伏并网发电系统的基本组成介绍10-13
• 1.2.1 光伏并网发电系统的结构10-11
• 1.2.2 光伏并网发电系统的分类11-13
• 1.3 论文研究的主要内容13-14
• 第2章 三相光伏并网逆变器的控制策略14-33
• 2.1 坐标系之间的变换14-16
• 2.1.1 Clark 变换和 Clark 逆变换14-15
• 2.1.2 Park 变换和 Park 逆变换15-16
• 2.2 三相光伏并网逆变器的数学模型16-19
• 2.2.1 三相光伏并网逆变器在静止坐标系下的数学模型16-18
• 2.2.2 三相光伏并网逆变器在旋转坐标系下的数学模型18-19
• 2.3 SVPWM 算法的实现19-26
• 2.3.1 空间矢量的合成20-21
• 2.3.2 空间矢量所在扇区的判断21-22
• 2.3.3 切换时间的确定22-25
• 2.3.4 SVPWM 调制波分析25-26
• 2.4 同步 PI 电流控制技术26-32
• 2.4.1 三相光伏逆变器同步 PI 电流调节器设计26-29
• 2.4.2 电流环 PI 参数设计29-31
• 2.4.3 电压环 PI 参数设计31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 孤岛效应检测和最大功率点跟踪33-51
• 3.1 孤岛效应的危害33-34
• 3.2 孤岛效应的作用机理分析34-35
• 3.3 常用孤岛检测方法比较35-39
• 3.3.1 被动式孤岛检测方法35-37
• 3.3.2 主动式孤岛检测方法37-39
• 3.4 光伏电池的数学模型及物理特性分析39-43
• 3.4.1 光伏电池的数学模型39-40
• 3.4.2 光伏电池的电气特性40-42
• 3.4.3 光伏电池仿真分析42-43
• 3.5 最大功率跟踪算法的分析43-49
• 3.5.1 恒定电压跟踪法43-44
• 3.5.2 电导增量法44-46
• 3.5.3 扰动观察法46-47
• 3.5.4 恒定电压法与变步长扰动观察法结合的 MPPT 设计47-49
• 3.6 本章小结49-51
• 第4章 三相光伏逆变器的硬件设计51-63
• 4.1 系统主电路的设计51-55
• 4.1.1 直流母线支撑电容的设计51
• 4.1.2 功率开关器件的选择51-52
• 4.1.3 交流侧 LC 滤波器的设计52-55
• 4.2 控制板电路总体设计55-60
• 4.2.1 采样调理电路55-57
• 4.2.2 锁相环硬件电路57
• 4.2.3 驱动电路57-58
• 4.2.4 保护电路58-60
• 4.3 系统软件的总体设计60-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 实验结果63-69
• 5.1 系统仿真实验63-65
• 5.2 系统的调试65-67
• 5.3 实验波形67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果73-74
• 致谢74

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