单相光伏并网逆变系统的分析与研究

【摘要】： 太阳能作为一种高效无污染且可持续发展的新能源,受到了世界各国的广泛重视。光伏发电是太阳能利用的一个重要方面,而并网发电则是太阳能发电规模化的必然方向。光伏并网逆变器是光伏并网发电系统(GCPS,grid-connected PV generation system)的核心部件,本文主要针对分布式的单相光伏并网逆变系统,在其控制算法研究、系统仿真、软硬件设计等方面进行了深入探索。 本文首先对光伏并网逆变系统的拓扑结构进行了分析,在对现有的几种单相并网逆变器电流跟踪策略进行比较分析的基础上,对无差拍控制方法进行了深入研究,探讨了采样,控制系统延时的问题。针对此问题,对系统的状态参数采用合适的方法进行预测,改善了因系统延时带来的影响,提高了并网电流的质量。仿真实验表明这种无差拍控制方式要明显优于目前较为常用的SPWM控制方式。 对效率更高的单级式拓扑结构的光伏并网逆变器最大功率点跟踪(MPPT)算法进行了深入研究。在比较和分析了几种目前常用的最大功率点跟踪算法的基础上,选用最优梯度法作为本文的最大功率点跟踪策略,并对该算法进行了改进,使其稳定性得到了提高。本文同时从另外一个角度出发,根据单级式光伏并网逆变系统的结构和控制特点,提出了使用模糊自适应PID控制来调节光伏阵列工作电压的方案。仿真实验表明这种结构可以实现电压外环的高品质动、静态响应,而且具有较好的鲁棒特性,使最大功率点跟踪控制的响应速度和精度得到了进一步增强。 本文对光伏并网逆变器的无功补偿和谐波抑制功能进行了研究,理解并吸收了瞬时无功理论,选择了合适的电流检测算法。将电流补偿控制和最大功率点跟踪控制结合起来,使光伏发电系统不仅仅能够向电网输送有功功率,同样可以补偿电网的无功和谐波分量。本文通过仿真验证了这种一体化控制思想的可行性。同时将补偿控制对最大功率点跟踪控制的影响做了仿真研究。 本文最后对光伏并网逆变器的软硬件设计进行了研究,对光伏并网逆变器的拓扑结构设计、数字控制电路设计、功率元件计算给出了详细的设计要点和计算方法。同时对数字锁相环和PWM波产生方法进行了讨论,并给出了部分实验结果。最后对全文的工作进行了总结、并就今后的研究工作内容作了展望。 【关键词】：光伏并网发电 无差拍控制 最大功率点跟踪
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-5
• 目录5-7
• Contents7-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题研究的背景和意义9
• 1.2 光伏并网发电在国内外的现状和发展9-12
• 1.3 本文研究的主要内容12-14
• 第2章 光伏并网发电系统的分类及拓扑结构14-19
• 2.1 可调度式和不可调度式并网发电系统14-15
• 2.2 光伏并网逆变系统的拓扑结构15-16
• 2.3 并网逆变器的分类及其控制方式16-18
• 2.4 本文所研究的光伏并网发电系统的总体结构18
• 2.5 本章小结18-19
• 第3章 并网逆变器控制方法研究19-34
• 3.1 电压源型并网逆变器的拓扑结构及工作原理19
• 3.2 并网逆变器的控制目标19-20
• 3.3 并网逆变器控制策略的比较20-25
• 3.3.1 滞环控制电流瞬时值比较方式20-21
• 3.3.2 定时控制的电流瞬时值比较方式21
• 3.3.3 SPWM 方式21-25
• 3.4 基于无差拍算法的并网方式25-29
• 3.4.1 无差拍控制25-27
• 3.4.2 系统状态参数的预测27-29
• 3.5 仿真实验29-33
• 3.6 本章小结33-34
• 第4章 光伏电池最大功率点跟踪技术研究34-61
• 4.1 光伏电池的输出特性和数学模型34-39
• 4.1.1 光伏电池的原理及输出特性34-37
• 4.1.2 简化的光伏电池数学模型及仿真37-39
• 4.2 光伏电池最大功率点跟踪方法的比较分析39-43
• 4.2.1 恒电压跟踪(CVT)39-40
• 4.2.2 扰动观察法40-41
• 4.2.3 电导增量法41-42
• 4.2.4 模糊逻辑控制42-43
• 4.3 基于最优梯度法的最大功率点跟踪43-49
• 4.3.1 最优梯度法原理43-44
• 4.3.2 最优梯度法的稳定性研究44-49
• 4.4 基于模糊自适应PID 控制的电压调节器49-60
• 4.4.1 光伏阵列工作电压的调节49-50
• 4.4.2 基于模糊自适应PID 控制的电压调节器50-54
• 4.4.3 仿真实验54-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第5章 光伏并网逆变器的无功补偿和谐波抑制61-68
• 5.1 光伏并网系统的有功输出和无功补偿综合控制策略61
• 5.2 无功和谐波电流的检测61-63
• 5.3 仿真实验63-67
• 5.3.1 GCPS 仅对电网电流进行补偿的情况64-66
• 5.3.2 GCPS 对电网电流进行补偿同时向电网输送有功功率的情况66-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第6章 单相光伏并网逆变器的设计68-81
• 6.1 系统的总体结构68-69
• 6.2 主功率电路的设计69-70
• 6.3 控制电路设计70-73
• 6.3.1 主控电路的设计70-71
• 6.3.2 信号检测电路的设计71-72
• 6.3.3 驱动电路的设计72-73
• 6.4 基于FPGA 的数字锁相环73-77
• 6.5 PWM 波形的产生方法77-80
• 6.6 本章小结80-81
• 结论81-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-88
• 详细摘要88-93

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