单相光伏并网发电系统关键技术的研究

【摘要】：太阳能的大规模开发和有效利用将成为解决当今全球能源短缺和环境污染问题的重要手段,而光伏并网发电系统作为实现太阳能高效、清洁利用的关键,凭借其高效率、高可靠性以及优越的控制性能,已经越来越多的受到国内外研究学者的关注。本文在总结、分析国内外光伏并网发电系统研究现状的基础上,通过构建一个单相光伏并网发电系统平台,对其若干关键技术进行了研究。实现了包括最大功率点跟踪(MPPT)、孤岛检测、单位功率因数输出(Unity Power Factor)以及高效率、高增益LLC谐振变换器等功能,并重点对比研究了传统L型输出滤波器和LCL型输出滤波器对抑制并网电流的高次谐波分量,降低其总谐波失真(Total Harmonics Distortion, THD)的效果。 首先,论文对国内外光伏并网发电系统的市场前景以及研究现状进行了总结,并对其中若干个研究领域进行了简要的分析。 其次,论文提出了单相光伏并网发电系统的结构原理图以及系统控制框图,对若干关键技术进行了详细的研究。其中,通过变步长扰动观察法实现了对模拟光伏电池最大功率点(MPP)的快速、有效跟踪；采用全桥LLC谐振变换器结构将模拟光伏电池较低的输出电压升压到较高的直流母线电压,并凭借其自身电路结构特点以及谐振参数、工作点的优化设计实现了变压器原边主功率管的零电压开通(Zero-voltage Switching, ZVS)和变压器副边整流二极管的零电流关断(Zero-current Switching, ZCS);采用过电压／欠电压、高频／低频检测的无源孤岛检测技术实现了单相光伏并网发电系统对孤岛现象准确、快速的检测；通过数字同步鉴相技术,对电网电压的正向过零点进行检测,从而实现了电网电压与并网电流的同频同相即单位功率因数输出。通过对控制系统进行建模和稳定性分析,论文重点对比研究了传统L型输出滤波器与LCL型输出滤波器对抑制并网电流高次谐波的效果。根据系统的伯德图,基于LCL型输出滤波器并网电流单闭环控制系统可以在采用更小的滤波参数的条件下实现比传统LC滤波器更好的对并网电流高次谐波的衰减,但LCL型输出滤波器是无阻尼3阶系统,容易发生谐振,故需要在电容支路串联适当的电阻以增加系统的阻尼,消除系统的振荡,提高系统的稳定性。此外,LCL型输出滤波器还可以采用电容电流闭环增加系统的阻尼,进而构成并网电流电容电流双闭环控制系统。这样,不但能够在不引入多余损耗的前提下有效抑制系统振荡,提高系统的稳定性,而且具有更好的抑制高次谐波的效果,其性能通过Matlab/SIMUlink仿真得到了验证。 最后,论文在对上述光伏并网发电系统关键技术研究的基础上,通过该实验平台验证了最大功率点跟踪(MPPT)、高效率LLC谐振变换器、孤岛检测、数字鉴相以及LCL输出滤波器等多项关键技术的性能,进而最终验证了单相光伏并网发电系统的可行性。 【关键词】：单相光伏并网发电系统 最大功率点跟踪(MPPT) 孤岛检测 全桥LLC谐振变换器 数字同步鉴相 LCL型输出滤波器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-30
• 1.1 课题背景及意义11-13
• 1.2 国内外光伏发电产业现状13-15
• 1.3 光伏并网发电系统15-28
• 1.3.1 光伏并网发电系统概述15-16
• 1.3.2 光伏并网发电系统研究现状16-28
• 1.4 课题研究的主要内容28-30
• 2 单相光伏并网发电系统总体方案及主电路设计30-47
• 2.1 单相光伏并网发电系统总体方案30-31
• 2.2 全桥LLC谐振变换器设计31-42
• 2.2.1 全桥LLC谐振变换器的工作原理31-36
• 2.2.2 全桥LLC谐振变换器参数设计及实现36-40
• 2.2.3 全桥LLC谐振变换器仿真分析40-42
• 2.3 DC/AC逆变电路设计42-45
• 2.4 本章小结45-47
• 3 单相光伏并网发电系统控制技术47-57
• 3.1 单相光伏并网发电系统总体控制方案47-48
• 3.2 最大功率点跟踪48-52
• 3.2.1 最大功率点跟踪原理48-50
• 3.2.2 最大功率点跟踪控制算法及实现50-52
• 3.3 孤岛检测52-54
• 3.3.1 过电压/欠电压、高频/低频孤岛检测工作原理和盲区分析52-53
• 3.3.2 孤岛检测的实现53-54
• 3.4 数字同步鉴相54-56
• 3.5 本章小结56-57
• 4 单相光伏并网发电系统输出滤波器设计及并网电流控制技术57-74
• 4.1 传统L型输出滤波器并网电流闭环控制系统设计57-60
• 4.1.1 L型输出滤波器控制系统框图及数学模型57-58
• 4.1.2 控制器参数设计与系统性能分析58-60
• 4.2 LCL型输出滤波器滤波参数设计60-62
• 4.3 基于LCL输出滤波器的并网电流单闭环控制系统设计62-66
• 4.3.1 基于LCL输出滤波器的并网电流单闭环控制系统框图及数学模型62-64
• 4.3.2 控制器参数设计与系统性能分析64-66
• 4.4 基于LCL输出滤波器的并网电流电容电流双闭环控制系统设计66-70
• 4.4.1 基于LCL输出滤波器的并网电流电容电流双闭环控制系统框图及数学模型66-67
• 4.4.2 控制器参数设计与系统性能分析67-70
• 4.5 单相光伏并网发电系统并网电流控制技术仿真分析70-73
• 4.6 本章小结73-74
• 5 单相光伏并网发电系统实验结果及分析74-81
• 5.1 整机效果图及性能参数74-75
• 5.2 实验波形75-80
• 5.2.1 全桥LLC谐振变换器实验波形75-76
• 5.2.2 最大功率点跟踪实验数据及波形76-78
• 5.2.3 数字同步鉴相实验波形78
• 5.2.4 并网实验波形78-80
• 5.3 本章小结80-81
• 6 总结与展望81-83
• 6.1 全文工作总结81-82
• 6.2 后续工作展望82-83
• 参考文献83-89
• 致谢89-90
• 作者简历90

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