光伏并网发电系统若干关键技术的研究

【摘要】：采用现代电力电子技术、数字信号处理技术和先进控制理论的光伏发电系统目前已经成为研究热点，它被视为解决能源危机的最有效和最具潜力的途径之一。本文以光伏并网发电系统为研究对象，针对系统中逆变器拓扑、并网电流控制以及提高系统可靠性等几个关键技术进行了深入研究，以提高光伏并网发电系统的性能。论文的主要内容如下： 1、深入研究一种新型逆变器——Z源逆变器。本文分析了Z源逆变器的电路拓扑，研究了Z源逆变器的各个状态变量之间存在的关系，提出在非理想条件下Z源逆变器直通矢量的最佳工作范围。本文阐述了Z源逆变器小信号动态模型，首次建立起基于动态相量法的Z源逆变器大信号模型，推导出Z源逆变器的时不变状态空间方程。与Z源逆变器的小信号模型相比较，本文建立的大信号模型可以更为准确地反应Z源逆变器的实际工作电压、电流状况。本文给出了Z源逆变器的小信号模型、大信号模型和实际电路的仿真对比结果。 2、借助于零极点图和Bode图分析方法，本文分析了Z源逆变器的非最小相位特性。考虑到光伏系统特性、Z源逆变器控制逻辑要求及非最小相位特性，本文提出了一种基于固定开关频率的滑模控制器，以改善系统的动态性能，增强鲁棒性。本文详细阐述了滑模控制器的设计过程，利用小信号法对该采用滑模控制器的闭环系统稳定性进行了分析，确定了控制器的参数选取原则。仿真和实验结果表明在滑模控制器作用下，直流侧非最小相位特性对系统产生的影响被消除，提高了直流母线电压质量，保证了并网电流不发生畸变。这种对Z源网络电压的控制方法可以进一步推广到其他类型Z源功率变换器中。 3、并网电流控制技术在并网发电系统中具有重要地位。采用T型并网滤波器可以提高并网电流质量。但是由于T型滤波器增加了系统阶数，不恰当的控制方法会导致并网电流谐振。本文重点分析了不同处阻尼对T型滤波器滤波效果影响，利用非线性控制中的重要理论——无源控制（PBC）理论，提出将“互联与阻尼配置无源控制（IDA-PBC）”策略应用到采用T型滤波器的并网逆变系统中，从而在保证并网电流质量前提下，实现了系统的全局稳定。该控制策略从能量平衡的角度出发，具有算法简单、物理意义明确的特点。仿真和实验结果均表明在该控制策略作用下，系统的动、静态性能俱佳，实现了系统的全局稳定。 4、电力系统普遍存在的传导干扰会通过电力线等进入供电子系统，可能导致光伏并网发电系统无法正常运行；同时供电子系统一般都要求与电力系统进行电气隔离。为了提高光伏并网发电系统的可靠性，本文提出一种具有抗传导干扰的变压器IFT（Interference-Free Transformer）。IFT采用具有气隙分路的磁路结构，从而在变压器一次侧和二次侧之间等效出一个降压电感。这个电感与一个并联谐振电路相串联以实现对高频差模干扰的抑制。此外，两个绕向相反的绕组与一次侧绕组串联以实现对共模干扰的抑制。本文推导出能真实反映IFT特性的等效电路模型，并给出了IFT具体的设计和优化方法。最后，本文通过Matlab/Simulink软件对IFT的等效电路的仿真和样机实验，验证了IFT对传导干扰的抑制效果。 5、光伏并网发电系统需要快速地获得电网电压的基波初相和频率。常用的硬件锁相环存在漂移、抖动、依赖过零检测等缺点。本文提出了一种基于软件的幅值、相位、频率一体化检测算法。在启动阶段，输入信号及其基波正交信号送入相位校正环节，对输出信号的相位和幅值进行控制。当系统进入稳态附近后，控制方法切换到用频率间接控制相位的方式，从而得到稳定的幅值、相位、频率信号。该算法在兼顾动态和稳态性能的同时，避免了实时正弦值计算，非常适合在DSP等数字信号处理器上应用。本文采用Matlab进行了仿真，并以TMS320C2812DSP实现了该算法。 【关键词】：光伏并网发电系统 Z源逆变器 基于动态相量法的大信号模型 固定开关频率滑模控制 T型滤波器 互联与阻尼配置无源控制 抗干扰变压器
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要2-4
• ABSTRACT4-10
• 第一章 绪论10-32
• 1.1 光伏并网系统研究的意义10-11
• 1.2 光伏并网系统国内外研究现状概述11-12
• 1.3 光伏并网系统逆变器研究概述12-20
• 1.3.1 光伏并网系统逆变器拓扑研究现状12-17
• 1.3.2 光伏并网系统逆变器控制策略17-18
• 1.3.3 Z源逆变器18-20
• 1.4 采用T型滤波器并网逆变器研究现状20-22
• 1.5 逆变器控制系统供电电源抗干扰研究现状22-24
• 1.6 本文的研究意义和主要工作24-26
• 参考文献26-32
• 第二章 单相Z源逆变器建模及其分析32-53
• 2.1 引言32-33
• 2.2 单相Z源逆变器电路拓扑33-40
• 2.2.1 Z源逆变器电路拓扑及简单SPWM调制方式33-34
• 2.2.2 Z源逆变器工作原理34-37
• 2.2.3 最佳直通矢量选取范围37-38
• 2.2.4 Z源逆变器工作模式分析38-40
• 2.3 Z源逆变器的小信号模型40-43
• 2.3.1 Z源逆变器的平均状态模型40-42
• 2.3.2 小信号线性动态模型42-43
• 2.4 基于动态相量法的大信号动态模型43-48
• 2.4.1 动态相量的基本概念和主要性质43-46
• 2.4.2 基于动态相量法的Z源逆变器大信号模型46-48
• 2.5 模型仿真研究48-51
• 2.6 本章小结51-52
• 参考文献52-53
• 第三章 基于Z源逆变器的单相光伏并网系统及其控制策略研究53-83
• 3.1 引言53-54
• 3.2 Z源并网逆变器主电路参数设计54-59
• 3.2.1 Z源参数对其非最小相位的影响54-57
• 3.2.2 Z源网络电容设计57-59
• 3.2.3 Z源网络电感设计59
• 3.3 新型软件锁相环设计59-63
• 3.3.1 算法结构59-60
• 3.3.2 算法原理分析60-63
• 3.3.3 算法切换标准63
• 3.4 基于固定开关频率滑模控制的Z源逆变器控制策略研究63-70
• 3.4.1 滑模控制简介63-64
• 3.4.2 滑模控制器设计64-68
• 3.4.3 系统分析68-70
• 3.5 仿真与实验70-78
• 3.5.1 软件锁相环的仿真与实验研究70-73
• 3.5.2 Z源逆变器并网仿真与实验分析73-78
• 3.6 本章小结78-80
• 参考文献80-83
• 第四章 采用T型滤波器提高并网电流质量控制技术的研究83-109
• 4.1 引言83-84
• 4.2 系统模型分析与滤波器设计84-92
• 4.2.1 系统状态平均模型84-85
• 4.2.2 系统的传递函数及分析85-90
• 4.2.3 T型滤波器设计90-92
• 4.3 无源理论基础92-95
• 4.3.1 系统无源性基本概念92-93
• 4.3.2 无源系统的闭环稳定性93-94
• 4.3.3 阻尼注入与系统能量平衡94
• 4.3.4 Euler-Lagrange(EL)方程94-95
• 4.4 基于IDA-PBC的控制策略研究95-99
• 4.4.1 端口受控哈密顿(PCH)系统96-97
• 4.4.2 端口受控耗散哈密顿(PCHD)系统97-98
• 4.4.3 IDA-PBC基本原理98-99
• 4.5 基于IDA-PBC的无源控制器设计99-102
• 4.6 仿真与实验102-106
• 4.6.1 仿真研究102-104
• 4.6.2 实验验证104-106
• 4.7 本章小结106-107
• 参考文献107-109
• 第五章 光伏逆变器控制系统供电抗传导干扰变压器的研究109-126
• 5.1 引言109
• 5.2 IFT的基本结构109-110
• 5.3 IFT对差模干扰的抑制110-121
• 5.3.1 IFT抗差模干扰等效电路模型的研究110-114
• 5.3.2 IFT抗差模干扰的优化设计114-116
• 5.3.3 仿真与实验116-120
• 5.3.4 分析与讨论120-121
• 5.4 IFT对共模干扰的研究121-124
• 5.4.1 IFT抗共模干扰的研究121
• 5.4.2 实验研究121-124
• 5.4.3 分析与讨论124
• 5.5 本章小结124-125
• 参考文献125-126
• 第六章 总结126-129
• 6.1 本文的工作总结126-127
• 6.2 对后续工作的思考与展望127-129
• 致谢129-130
• 攻读博士学位期间完成的学术论文130-131
• 攻读博士学位期间参与完成的科研工作131-133

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