1kVA单级式光伏并网逆变器的研制

【摘要】：随着能源短缺和环境污染的加剧,可再生能源的开发和利用成为一个越来越受到关注的话题。太阳能并网发电作为太阳能开发利用的主要方式,渐渐成为一个研究热点。但光伏并网发电存在几个需要解决的问题:如何保证太阳能电池阵列以最大功率输出;怎样保证并网电流具有足够的正弦度和满足频率相位要求;使用什么方法可以保证整个系统运行具有较高的效率。 本文以单级式光伏并网逆变器为研究对象,首先,详细分析了光伏电池的特性和等效模型,根据光伏电池的特性介绍了三种常用的最大功率点跟踪方法——固定电压法、扰动观察法、电导增量法的原理,针对传统扰动法带来的跟踪精度和跟踪速度问题以及由于光照剧烈变化带来的“误判”现象,提出了一种改进式的变步长扰动观察法,算法简单,容易实现高精度的跟踪并使光伏电池工作在最大功率点附近。 本文还详细分析了光伏并网逆变器的工作原理和控制方式,对比分析了两种单极性SPWM控制方式的特点,说明了单极性倍频控制下的并网电流具有较小的THD以及在过零处可以平滑过渡,因此本文采用单极性倍频控制。并搭建了逆变器系统的小信号模型,结合双环控制策略,给出了双环控制系统详细的PI参数设计。 最后,本文对整个系统的硬件和软件进行了详细的设计。在设计基础上完成了一台1KVA的单相单级光伏并网逆变器原理样机,进行相关的实验,实验结果表明,采用改进的变步长扰动观察法能够较好的实现跟踪精度,对光伏电池的利用率有较大的提高,系统能够以较高质量的并网电流并入电网,谐波含量、功率因数和效率均能满足指标要求。 【关键词】：太阳能 光伏发电 最大功率点跟踪 并网逆变器 PID控制 正弦脉宽调制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 光伏发电的背景13
• 1.2 国内外光伏发电的现状与前景13-16
• 1.2.1 国外光伏并网发电的现状和前景14-15
• 1.2.2 国内光伏并网发电的现状和前景15-16
• 1.3 光伏并网发电技术概述16-21
• 1.3.1 独立光伏发电系统16-17
• 1.3.2 光伏并网发电系统17-21
• 1.4 本文所做的主要工作21-23
• 第二章 光伏电池特性及其最大功率点跟踪技术的研究23-41
• 2.1 光伏电池特性23-26
• 2.1.1 光伏电池的工作原理23
• 2.1.2 光伏电池的等效模型与输出特性23-24
• 2.1.3 温度与光照对光伏电池特性的影响24-26
• 2.2 光伏电池的最大功率点跟踪控制方法的研究26-32
• 2.2.1 光伏电池最大功率点跟踪的几种方法26
• 2.2.2 最大功率点跟踪算法的基本原理26-27
• 2.2.3 固定电压法（Constant Voltage Tracking，CVT）27-28
• 2.2.4 扰动观察法（Perturb&Observe algorithms，P&O）28-30
• 2.2.5 电导增量法（Incremental Conductance Algorithm）30-32
• 2.3 本文采用的最大功率点跟踪控制方法32-40
• 2.3.1 改进的扰动观察法33-34
• 2.3.2 传统扰动观察法与改进的扰动观察法的比较34-40
• 2.4 本章 小结40-41
• 第三章 光伏并网逆变器控制技术的研究41-54
• 3.1 单相光伏并网逆变器的拓扑选择41
• 3.2 光伏并网逆变器的控制实现方式41-47
• 3.2.1 两种单极性SPWM 调制原理42-43
• 3.2.2 两种单极性SPWM 调制的谐波分析43-45
• 3.2.3 过零点振荡45-47
• 3.3 光伏并网逆变器的建模与仿真实现47-50
• 3.3.1 电流内环的传递函数和控制框图47-48
• 3.3.2 电压外环的传递函数和控制框图48-50
• 3.4 数字PI 与模拟PI50-53
• 3.4.1 模拟PI50
• 3.4.2 数字PI50-51
• 3.4.3 数字PI 参数设计51-53
• 3.5 本章 小结53-54
• 第四章 光伏并网系统的硬件与软件设计54-63
• 4.1 光伏系统逆变器的设计指标54
• 4.2 主功率电路设计54-57
• 4.2.1 输入侧电容设计54-55
• 4.2.2 主功率管的选择55
• 4.2.3 输出滤波电感L 的设计55-57
• 4.3 控制电路设计57-58
• 4.3.1 信号采集电路的设计57-58
• 4.3.2 过零点捕获电路的设计58
• 4.4 硬件保护电路设计58-60
• 4.4.1 输入过欠压和过流保护58-59
• 4.4.2 并网电流过流保护59-60
• 4.4.3 驱动板故障保护60
• 4.5 软件系统设计60-62
• 4.5.1 主程序分析与流程61
• 4.5.2 采样周期中断分析与流程61-62
• 4.5.3 捕获周期中断分析与流程62
• 4.6 本章 小结62-63
• 第五章 系统实验波形和分析63-70
• 5.1 引言63
• 5.2 并网逆变器的实验及讨论63-68
• 5.2.1 开机缓启动实验63-64
• 5.2.2 锁相实验波形64-65
• 5.2.3 IGBT 驱动实验65-66
• 5.2.4 普通单极性和单极性倍频实验对比66
• 5.2.5 不同输出功率下的并网电流波形、PF 和THD66-67
• 5.2.6 逆变系统效率67-68
• 5.3 串电阻的MPPT 实验及讨论68-69
• 5.4 光伏电池阵列的MPPT 实验69
• 5.5 本章 总结69-70
• 第六章 结束语70-71
• 6.1 本文工作总结70
• 6.2 下一步工作70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 攻读硕士学位期间发表论文76

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