光伏发电系统逆变技术研究

【摘要】： 在能源枯竭及环境污染问题日益严重的今天,光伏发电是未来可再生能源应用的一种重要方法。本文以光伏逆变技术为研究对象,对光伏系统最大功率点跟踪方法、光伏智能充电控制策略、光伏并网系统拓扑结构与控制方法、光伏并网与有源滤波统一控制方法等问题进行了深入研究。 在扰动观测法的基础上,提出了一种直接电流控制最大功率点跟踪方法,通过检测变换器输出电流进行最大功率点跟踪控制,简化控制算法,同时省去了扰动观测法中的电压和电流传感器,降低系统成本。 研究了一种实用的光伏系统蓄电池充电控制策略,将最大功率点跟踪与智能充电控制有机结合在一起,充分利用光伏电池的输出功率,缩短充电时间,提高充电效率;研究了一种全数字式逆变器,通过电压有效值外环和瞬时值内环的双闭环控制,既能保证系统输出电压的稳态精度,又能保证瞬变负载条件下的动态特性。研制了一套3kW光伏独立发电系统并进行了实验验证。 针对住宅型光伏并网逆变器体积小、性能价格比高的要求,研究了一种基于导抗变换器的并网逆变器拓扑结构,相比于传统电流型逆变器,本拓扑省去了笨重的电抗器,同时利用高频变压器进行能量传递和电气隔离,进一步降低了系统损耗和体积,降低系统成本。 经研究发现,由于导抗变换器的固有特性,采用传统的SPWM调制方法将导致并网逆变器输出平顶饱和的非正弦电流,造成对电网的谐波污染,提出了一种新型改进调制模式。该方法可以实现高功率因数、低谐波并网发电。根据上述理论分析,研制了一台3kW单相光伏并网逆变器,实验结果验证了理论分析的正确性。 研究了一种三相电流型并网逆变器拓扑结构及其控制方法,采用改进调制模式对其进行控制,在谐波抑制方面取得了满意的效果。提出的三相并网逆变方案,相比于传统三相并网逆变器,具有如下显著优点:系统中任意一相都是一个独立的子系统,不受其它相影响,即使在某一相或某两相损坏的情况下,剩余相也能正常运行,增加了系统的冗余性;在三相电网不平衡情况下,本方法也能提供稳定的三相电流,增加系统抗电网波动能力。初看起来本方案使用的导抗变换器和变压器有3套,但是每相承受的功率容量只有系统总功率的三分之一,这样可以选用较小容量的器件,有利于高频电感和变压器的制作和生产。 提出了一种基于导抗变换器的三相电流型逆变器实现方案,利用导抗变换器将输入直流电压变换为高频正弦电流,经高频变压器隔离及电流等级变换后进行裂相调制,输出为三相正弦电流。该方法不仅省去了传统电流型逆变器直流侧电抗器,而且采用高频变换进行功率传输,减小了隔离变压器及输出滤波器的体积,有利于装置的小型化和降低成本。 针对光伏电池输出电压较低的问题,研究了一种单级式三相升压型并网逆变器,通过一级变换同时实现升压和DC/AC变换功能,并且提出了一种基于DSP芯片的控制策略,本方法仅用一个电压传感器就能替代原先的三个电压传感器;每个载波周期短路相只进行一次开关动作,同时任何时刻只有2个开关管导通,可有效降低系统的开关损耗和导通损耗;由于采用DSP控制,具有控制灵活、稳定性高、成本低、并网电能质量好,便于功率调节等优点。 提出了一种光伏并网与有源滤波兼用的统一控制策略,在同一套装置上既实现光伏并网发电,又实现谐波补偿,克服目前的光伏发电装置白天发电、夜间停机的不足,提高系统利用率。详细分析了无功电流和谐波电流的检测方法、光伏并网发电有功指令电流的生成方法及电流环控制器和电压环控制器的设计方法,并对光伏并网发电与有源滤波统一控制模式和单一有源滤波模式进行了讨论,仿真和实验结果验证了所提出的系统结构及控制策略的正确性和可行性。 【关键词】：光伏发电 逆变器 最大功率点跟踪 电流型 有源电力滤波
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 引言14
• 1.2 课题研究目的和意义14-16
• 1.3 国内外研究现状16-28
• 1.3.1 光伏发电系统分类16-17
• 1.3.2 最大功率点跟踪研究现状17-21
• 1.3.3 光伏并网发电系统电路拓扑研究现状21-25
• 1.3.4 光伏并网系统控制方法研究现状25-28
• 1.4 本文主要研究内容28-30
• 第二章 直接电流控制最大功率点跟踪30-39
• 2.1 引言30
• 2.2 光伏电池工作特性30-33
• 2.2.1 光伏电池等效电路30-32
• 2.2.2 光伏电池输出特性32-33
• 2.3 直接电流控制最大功率点跟踪33-38
• 2.3.1 扰动观测法实现原理34-35
• 2.3.2 直接电流控制最大功率点跟踪控制方法35-37
• 2.3.3 实验结果与分析37-38
• 2.4 小结38-39
• 第三章 独立运行光伏发电系统39-56
• 3.1 引言39-40
• 3.2 光伏智能充电控制技术40-48
• 3.2.1 密封铅酸蓄电池的工作原理40-42
• 3.2.2 充电控制器电路设计42-43
• 3.2.3 光伏智能充电控制策略实现43-46
• 3.2.4 实验结果与分析46-48
• 3.3 光伏系统正弦波逆变器48-55
• 3.3.1 正弦波逆变器系统设计49-50
• 3.3.2 控制算法与实现50-54
• 3.3.3 实验结果与分析54-55
• 3.4 小结55-56
• 第四章 基于导抗变换器光伏并网逆变技术56-80
• 4.1 引言56-57
• 4.2 单相并网逆变技术研究57-71
• 4.2.1 导抗变换器理论分析57-58
• 4.2.2 单相并网逆变器拓扑及输出特性58-64
• 4.2.3 高频逆变器调制策略64-67
• 4.2.4 仿真及实验结果67-71
• 4.3 三相并网逆变技术研究71-73
• 4.3.1 三相并网逆变器拓扑结构71-72
• 4.3.2 仿真结果分析72-73
• 4.4 三相电流源逆变技术研究73-79
• 4.4.1 三相电流源逆变器拓扑结构73-74
• 4.4.2 系统控制策略74-76
• 4.4.3 仿真及实验结果76-79
• 4.5 小结79-80
• 第五章 单级式三相升压型并网逆变器80-91
• 5.1 引言80-81
• 5.2 Boost型三相并网逆变原理81-85
• 5.3 控制策略研究85-87
• 5.4 系统仿真与实验结果87-89
• 5.5 小结89-91
• 第六章 光伏并网与有源滤波的统一控制91-104
• 6.1 引言91-92
• 6.2 有源电力谐波器理论基础92-94
• 6.2.1 常用谐波检测方法92-93
• 6.2.2 并联型有源电力滤波器工作原理93-94
• 6.3 光伏并网与有源谐波统一控制94-103
• 6.3.1 光伏并网与有源电力滤波统一控制方法94-96
• 6.3.2 谐波和无功电流检测96-97
• 6.3.3 光伏并网发电有功指令电流计算97-99
• 6.3.4 电流和电压控制器设计99-100
• 6.3.5 仿真结果与分析100-103
• 6.4 小结103-104
• 第七章 工作总结与展望104-108
• 7.1 工作总结104-106
• 7.2 对于后续课题研究的思考和展望106-108
• 参考文献108-120
• 攻读博士学位期间公开发表的学术论文120-122
• 致谢122

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