高性能太阳能微型并网逆变器的研究

【摘要】：光伏太阳能作为取之不尽、用之不竭、无污染的新能源正在应用于分布式发电中。微型逆变器，作为连接光伏电池板和电网的关键部件，其性能直接影响到整个光伏发电系统的发电量，而提高发电量就可以使光伏电站在更短时间内受益，间接降低光伏系统电站的建设成本。因此，为了提高分布式光伏电站的发电量，研究如何提高微型逆变器的各项性能显得至关重要。 首先，为了选择合适的逆变器主电路升压拓扑结构，对比了各种拓扑结构的优缺点，最终选择了有源钳位交错并联反激式升压拓扑结构，并搭建了基于SIMUlink的仿真模型。仿真输出的电流波形与电网电压同频同相，电流谐波含量低，验证了该拓扑结构的可行性。分析了微型逆变器损耗的类型，为了降低逆变器开关损耗，对最新型电力电子器件进行研究，将氮化镓场效应开关管应用在反激电路和全桥逆变电路中。 其次，光伏电池阵列是分布式发电系统的关键部件，对它的数学和工程模型进行了研究，并针对工程模型精确度低的问题，提出了两次补偿算法，为后续的仿真及试验打下了基础。为了进一步提高微型逆变器的发电量，本文对MPPT控制算法进行了研究，并提出了一种基于双向变步长扰动观察的MPPT算法。通过仿真验证了此算法能在最短的时间内达到稳定，跟踪效果较好。为了实现微型逆变器的并网，对主动频移孤岛检测方法进行了仿真研究，实现了预期的保护功能。 最后，在仿真研究的基础之上，设计了一台220W的微型逆变器样机，进行了并网试验、效率对比试验。并网试验验证了微型逆变器进行发电的基本功能。在效率对比试验中对比了采用新型电力电子器件和硅器件的微型逆变器的发电效率，得出采用新型电力电子器件对提高微型逆变器的效率有显著的效果。综合以上各项试验，得出设计的微型逆变器样机具有较高性能。 【关键词】：微型逆变器 光伏电池 MPPT 氮化镓 孤岛检测
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 课题的研究背景及意义9-10
• 1.2 光伏并网逆变器的发展10-12
• 1.3 微型逆变器国内外研究现状12-14
• 1.3.1 国外微型逆变器研究现状12
• 1.3.2 国内微型逆变器研究现状12-13
• 1.3.3 提高微型逆变器性能的关键技术研究13-14
• 1.4 主要研究内容及工作安排14-16
• 第二章 有源钳位交错并联反激拓扑及其仿真研究16-33
• 2.1 光伏并网微型逆变器拓扑结构概述16-17
• 2.2 高频微型逆变器的几种拓扑结构17-19
• 2.3 有源钳位交错并联反激式拓扑结构19-21
• 2.3.1 反激式电路19-20
• 2.3.2 有源钳位20
• 2.3.3 交错并联反激式20-21
• 2.4 交错并联反激式主拓扑图及工作过程分析21-27
• 2.4.1 主拓扑图21
• 2.4.2 工作过程分析21-27
• 2.5 仿真实现27-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第三章 微型逆变器的损耗分析及新型电力电子器件的应用33-41
• 3.1 微型逆变器的损耗33-34
• 3.1.1 反激开关管损耗33-34
• 3.1.2 反激变压器损耗34
• 3.2 宽禁带材料的新型电力电子器件34-38
• 3.2.1 SiC 材料器件34-35
• 3.2.2 GaN 材料器件35-37
• 3.2.3 驱动电路对比分析37-38
• 3.3 微型逆变器开关管的选型及其替换方案选择38-40
• 3.3.1 开关管的选型38-39
• 3.3.2 替换方案选择39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 微型逆变器相关的仿真研究41-63
• 4.1 太阳能电池41-50
• 4.1.1 太阳能电池的数学模型41-44
• 4.1.2 基于输出特性补偿的工程电池模型44-50
• 4.2 最大功率点跟踪研究50-53
• 4.2.1 MPPT 过程介绍50
• 4.2.2 MPPT 控制方法的分类50-53
• 4.3 最大功率点跟踪的 Simulink 仿真53-60
• 4.3.1 基于 Boost 电路的 MPPT 控制53-54
• 4.3.2 双向变步长扰动观察法流程图54-56
• 4.3.3 双向变步长扰动观察法的仿真模型56-60
• 4.4 孤岛监测60-62
• 4.4.1 主动移频式孤岛检测技术61
• 4.4.2 孤岛检测仿真61-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第五章 微型逆变器的样机设计与实验研究63-79
• 5.1 硬件系统设计63-70
• 5.1.1 关键参数计算63-64
• 5.1.2 主电路控制系统64-65
• 5.1.3 数字控制芯片65-67
• 5.1.4 驱动电路设计67-69
• 5.1.5 反激电流检测69-70
• 5.2 软件系统设计70-75
• 5.2.1 控制信号70-71
• 5.2.2 状态机71-73
• 5.2.3 锁相环73-74
• 5.2.4 突发模式74-75
• 5.3 微型逆变器样机75-76
• 5.4 微型逆变器试验研究76-78
• 5.5 本章小结78-79
• 第六章 总结与展望79-81
• 6.1 总结79
• 6.2 展望79-81
• 参考文献81-85
• 附录 最大功率点跟踪表85-87
• 攻读学位期间主要研究成果87-88
• 致谢88

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