基于Z源逆变器的光伏发电系统研究

【摘要】： 传统能源的枯竭与能源需求量增加之间的矛盾促使人们越来越重视新能源的开发与利用,太阳能作为一种清洁、绿色的可再生能源自然备受人们青睐,而光伏发电则成为其中重要的研究领域。目前,光伏发电系统中使用的电力电子变换装置多为传统电压源型和电流源型逆变器,而这两种拓扑电路都存在一些固有的理论缺陷,如需要额外的DC/DC升降压变换器、上下桥臂的开关管不能同时导通或者开路。这些缺点会增加光伏发电系统的成本、降低变换效率、引起输出交流电压波形的畸变,甚至影响光伏发电产业化的进程。 为解决这一问题,本文采用了一种新颖的拓扑结构——Z源逆变器,并以此为核心完成了光伏发电系统的开发与设计。本文首先分析了传统逆变器的电路结构及其存在的缺点,在此基础上详细介绍了Z源逆变器的拓扑结构、工作原理及常用的调制方法。通过分析发现,由于直通信号的加入,Z源逆变器的开关次数大幅度增加,最多增至2倍,导致开关损耗增加,据此本文提出了在参考电压中注入非正弦量的调制策略,并使用电力电子仿真软件PSIM对文中分析的控制策略进行了仿真分析。与简单升压调制策略相比,采用此种调制策略时逆变器的开关次数减少50%,明显降低开关损耗。此外,调制因子M由1增大至2/3~(1/2),提高了直流电压利用率、减少了开关器件的电压应力。 在上述理论分析的基础上,本文以TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407A为核心处理器搭建了基于Z源逆变器的光伏发电系统实验平台,进行软件部分和硬件部分的设计和调试。为对比分析,本文对基于简单升压控制策略和基于非正弦注入式调制策略的光伏发电系统都进行了相关的研究,仿真和实验相吻合,验证了以Z源逆变器为核心的光伏发电系统采用非正弦注入式调制策略时具有输出线电压中的低次谐波含量减少、开关损耗大幅度降低、整个光伏发电系统的输出特性得到提高的优点。 【关键词】：光伏发电 Z源逆变器 调制策略 开关次数 非正弦注入式
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 光伏发电系统的研究意义9-10
• 1.2 光伏发电产业的发展现状及前景10-11
• 1.2.1 国际光伏产业发展现状10-11
• 1.2.2 国内光伏产业发展现状11
• 1.3 本课题研究主要内容11-13
• 1.4 论文的总体结构13-14
• 2 Z源逆变器14-30
• 2.1 传统逆变器14-16
• 2.1.1 电压源型逆变器14-15
• 2.1.2 电流源逆变器15-16
• 2.2 Z源逆变器16-28
• 2.2.1 Z源逆变器的基本拓扑结构16-17
• 2.2.2 Z源逆变器的基本工作原理17-19
• 2.2.3 Z源逆变器的直通控制方法19-28
• 2.3 Z源逆变器在光伏发电系统中的应用28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 改进Z源逆变器的控制策略研究30-37
• 3.1 在参考电压中注入非正弦量的调制原理30-32
• 3.2 在参考电压中注入非正弦量的Z源逆变器32-35
• 3.3 在参考电压中注入非正弦量的控制策略与其他控制策略的比较35-36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 光伏发电系统的试验平台设计37-52
• 4.1 系统的总体设计37
• 4.2 系统的主电路设计37-38
• 4.3 IGBT驱动及保护电路设计38-46
• 4.3.1 EXB841的工作原理及存在问题39-40
• 4.3.2 EXB841驱动电路的改进40-42
• 4.3.3 栅极电阻RG的改进42-43
• 4.3.4 实验结果及分析43-46
• 4.5 系统的程序设计46-51
• 4.6 本章小结51-52
• 5 仿真与实验结果52-60
• 5.1 仿真结果52-55
• 5.1.1 基于简单升压控制策略的系统仿真结果52-54
• 5.1.2 基于非正弦注入式调制策略的系统仿真结果54-55
• 5.2 实验结果55-58
• 5.2.1 基于简单升压控制策略的系统实验结果55-57
• 5.2.2 基于非正弦注入式调制策略的系统实验结果57-58
• 5.3 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-63
• 附录A 基于简单升压控制策略的光伏发电系统的PSIM仿真图63-64
• 附录B 基于非正弦注入式调制策略的光伏发电系统的PSIM仿真图64-65
• 附录C 光伏发电系统的实物图65-66
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况66-67
• 致谢67-69

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