光伏并网发电的功率补偿控制研究

【摘要】：随着全球范围内化石能源消耗量的急剧增加,世界性的能源危机已经来临。化石能源的大规模开发和利用,也给人类赖以生存的自然环境造成了严重破坏。能源已经成为人类社会进步、经济发展与地球生态环境保护的瓶颈问题。可再生能源的开发和利用引起了全世界的广泛关注,其中太阳能具有取之不尽、用之不竭、分布广泛、清洁无污染等一系列优势,是解决世界能源危机和环境污染最可靠和行之有效的绿色能源,而光伏并网发电是利用太阳能最有效的方式。本文采用一种新型结构的光伏并网发电系统,实现了光伏并网逆变器的功能复用,改善了供电质量、提高了系统利用率、降低了系统损耗、减小了设备投资；重点围绕光伏并网发电有功和无功的动态补偿控制的关键问题展开研究,提出了基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)的最大功率点跟踪(MPPT)控制、基于超级电容和蓄电池的混合储能系统的有功补偿控制、基于空间电压矢量脉冲调制(SVPWM)的并网发电与无功补偿的一体化控制策略,并开展了相关的仿真及实验研究,验证了拓扑结构与控制策略的可行性。具体研究内容与成果概略如下： (1)在分析光伏并网发电系统拓扑结构的基础上,研究了不同结构光伏并网发电系统的运行特性,研究设计了一种新型的两级式可调度光伏并网发电系统结构,研究了其主要部件的运行机理与数学模型； (2)研究光伏组件的一种简化数学模型、光伏组件在不同太阳光辐射度及工作温度下电流—电压和功率—电压特性； (3)研究了基于LS-SVM的最大功率点跟踪控制策略与方法。为克服传统MPPT算法无法协调解决稳定性、误跟踪及多峰值的缺点,在分析最大功率点跟踪控制机理的基础上,提出了基于LS-SVM的最大功率点跟踪控制策略；构建了基于恒电压控制法、干扰观测法与LS-SVM的最大功率点跟踪控制系统,并开展了相关的仿真对比研究,结果表明了LS-SVM跟踪策略的优越性； (4)提出了基于超级电容与蓄电池混合储能系统的有功功率补偿控制策略。为充分发挥超级电容与蓄电池各自的优势、提高储能系统的功率输出能力,在分析混合储能系统模型特性和性能特性的基础上,提出了基于超级电容与蓄电池的主动式混合储能系统的有功功率补偿控制策略,构建了基于混合储能系统的有功补偿控制系统,并开展了仿真实验研究； (5)提出了基于SVPWM的光伏并网与无功补偿一体化控制策略。为拓展光伏并网逆变器的功能,在分析并网逆变器主电路与静止同步无功补偿装置主电路结构特性的基础上,提出基于SVPWM技术的光伏并网与无功补偿一体化控制策略。研究了基于瞬时无功功率理论的负载无功电流、并网有功电流及无功电流的检测方法；分析了双向PWM逆变器的四象限运行特性,研究了SVPWM波形产生过程,开关管导通时间的计算及分配方法。构建了基于SVPWM的光伏并网发电与无功补偿一体化控制系统,并开展了仿真验证； (6)构建了光伏并网发电系统的模拟实验平台,构建了基于DSP与FPGA复合结构的光伏并网发电数字控制系统,研制了系统硬、软件,进行了相关实验研究,验证了结构设计与控制策略的正确性。 最后,在总结全文的基础上,提出有需要进一步研究的内容和今后工作的重点。 【关键词】：光伏发电 最大功率点跟踪 最小二乘支持向量机 混合储能 无功补偿 空间电压矢量脉冲调制
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 背景与意义12-16
• 1.1.1 光伏发电的背景与意义12-16
• 1.1.2 课题的意义16
• 1.2 光伏并网发电关键技术的研究现状16-21
• 1.2.1 光伏并网发电的关键技术难题16-18
• 1.2.2 国内外研究现状18-21
• 1.3 本文的主要研究内容21-23
• 第2章 光伏并网发电功率控制结构与原理23-39
• 2.1 光伏并网发电系统的结构23-27
• 2.1.1 传统光伏并网发电系统的拓扑结构23-26
• 2.1.2 光伏并网发电系统的结构设计26-27
• 2.2 光伏电池的运行机理与数学模型27-29
• 2.2.1 光伏电池的运行机理27-28
• 2.2.2 光伏电池的数学模型28-29
• 2.3 光伏并网发电系统的储能装置29-31
• 2.3.1 传统储能装置29-31
• 2.3.2 超级电容与蓄电池的混合储能装置31
• 2.4 功率补偿控制功率变换器31-38
• 2.4.1 双向DC/DC变换器31-32
• 2.4.2 双向PWM逆变器32-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第3章 光伏发电最大功率点跟踪控制39-69
• 3.1 光伏组件的特性分析39-45
• 3.1.1 光伏组件的外特性模型39-41
• 3.1.2 光伏阵列的数学模型41-42
• 3.1.3 光伏组件的仿真研究42-45
• 3.2 最大功率点跟踪原理及其实现45-48
• 3.2.1 最大功率点跟踪分析45-47
• 3.2.2 最大功率点跟踪的实现方式47-48
• 3.3 最大功率点跟踪的典型算法48-55
• 3.3.1 恒电压控制法49-51
• 3.3.2 干扰观测法51-55
• 3.4 光伏发电最大功率点跟踪支持向量机控制55-68
• 3.4.1 最大功率点跟踪方法分析55-56
• 3.4.2 最小二乘支持向量机原理及建模56-66
• 3.4.3 基于最小二乘支持向量机预测的最大功率点跟踪控制66-68
• 3.5 本章小结68-69
• 第4章 光伏并网发电的混合储能与补偿69-83
• 4.1 光伏并网发电的混合储能系统69-76
• 4.1.1 混合储能系统的结构及运行模态分析70-73
• 4.1.2 全主动式混合储能系统73-76
• 4.2 光伏并网发电有功补偿控制76-82
• 4.2.1 有功补偿控制原理76-77
• 4.2.2 有功补偿控制77-79
• 4.2.3 有功补偿控制仿真研究79-82
• 4.3 本章小结82-83
• 第5章 光伏并网发电的无功补偿控制83-101
• 5.1 无功功率补偿控制原理83-89
• 5.1.1 控制系统结构83-84
• 5.1.2 双向PWM逆变器控制原理84-86
• 5.1.3 基于瞬时无功功率理论的电流检测原理86-87
• 5.1.4 基于直接电流控制的并网电流跟踪控制原理87-89
• 5.2 双向PWM逆变器的空间矢量算法89-97
• 5.2.1 双向PWM逆变器空间矢量分布与合成90-94
• 5.2.2 SVPWM波的产生94-97
• 5.3 光伏并网发电的无功补偿控制仿真研究97-100
• 5.3.1 光伏系统向电网馈电模式仿真97-99
• 5.3.2 电网向负载供电模式仿真99-100
• 5.4 本章小结100-101
• 第6章 基于功率补偿控制的光伏发电模拟实验平台的实现101-122
• 6.1 系统构成及工作原理101-104
• 6.1.1 系统构成101-102
• 6.1.2 系统工作原理分析102-104
• 6.2 数字控制系统设计104-108
• 6.2.1 无功补偿控制系统实现方案105
• 6.2.2 主要接口电路设计105-106
• 6.2.3 控制程序设计106-108
• 6.3 实验研究108-121
• 6.3.1 光伏组件的特性测试实验108-110
• 6.3.2 光伏阵列的最大功率点跟踪实验110-114
• 6.3.3 光伏发电系统功率补偿实验114-118
• 6.3.4 光伏发电系统并网发电实验118-121
• 6.4 本章小结121-122
• 第7章 总结与展望122-124
• 7.1 工作总结122
• 7.2 工作展望122-124
• 参考文献124-131
• 致谢131-132
• 攻读博士期间完成的论文及其他科研成果132-133
• 攻读博士期间参与的科研项目133-134
• 附录A 基于DLL的控制程序134-136
• 附录B 2013年3月份晴天数据136-137
• 附录C 2012年12月份雾天数据137-138
• 附录D 2013年3月份用电量数据138

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