基于Z源网络的三端口光伏系统研究

【摘要】：太阳能以资源丰富、无污染等优点成为解决能源短缺、环境污染和生态破坏问题最重要的新型能源之一。随着人类环保意识不断增强和光伏电池价格逐渐下降，各国都致力于太阳能光伏发电的开发和使用。然而，太阳能光伏发电受外部环境影响比较大，波动的输出功率很难为负载或者电网提供稳定、连续的电能。为了克服这个缺点，具有存储能力的三端口光伏系统广泛应用于独立用户、航天太空站、可调度并网等领域，它不仅增强了太阳能光伏使用的灵活性，而且还提高了系统输出的电能质量。为了进一步提高太阳能光伏模块的利用率和并网的电能质量及延长蓄电池的使用寿命，本文对三端口光伏系统的拓扑结构、能量协调控制、并网控制策略和孤岛检测技术等进行了深入研究。具体内容包括以下几个方面： 三端口光伏拓扑结构是光伏发电系统的核心部分，传统拓扑结构因为转换级数和开关器件多及高频变压器的应用不仅增加了系统的体积和重量，而且还增加了系统的损耗。为了克服上述缺点，同时保护蓄电池充放电的安全，本文提出了基于Z源网络的新型三端口光伏拓扑结构，该拓扑结构集升降压、逆变、双向充放电、最大功率点跟踪等功能于一体。其简洁紧凑的结构和高效的工作方式降低了系统体积、重量和成本，提高了太阳能光伏模块的利用率和系统输出的电能质量。 基于Z源网络的三端口光伏系统的Z源逆变器部分采用在SPWM零状态处插入直通占空比的单级控制策略，通过调节直通占空比和调制因子分别实现直流母线升压和系统逆变输出的控制，其优点是简单且容易实现。但是在感性负载情况下，逆变输出波形出现畸变现象并且谐波含量大，为此本文提出了一种改进的SPWM控制方法。在不增加外部器件的前提下，换向时开启上桥臂为电流提供续流通道，从而消除输出电流和电压波形的畸变现象，降低了输出电流的谐波含量，提高了系统输出的电能质量。通过建立基于Z源网络的三端口光伏系统的小信号模型分析了Z源网络参数、直通占空比，负载和输入电压等系统参数的变化对其输出特性的影响。 太阳能光伏模块输出功率随外界环境变化而变化，具有较大的波动性，将会影响负载的正常运行或注入电网的电能质量。基于Z源网络的三端口光伏系统通过控制蓄电池的充放电，可以消除天气对系统输出的影响。因此三端口的能量管理是保证太阳能光伏模块、蓄电池和负载三者之间高效稳定运行的关键。根据太阳能光伏模块和负载之间的供求关系及蓄电池所处的状态，本文提出了一种适用于基于Z源网络的三端口光伏系统的能量协调控制方法，在保证负载稳定工作的前提下，提高了太阳能光伏模块的利用率和延长了蓄电池的使用寿命。 基于Z源网络的三端口光伏系统输出端不仅可连接负载构成独立型光伏系统而且还可连接电网形成可调度型光伏并网系统。其优点是使注入电网的电流值保持恒定，避免了太阳能光伏模块输入功率波动对电网的不利影响，而且还具有调节晚间电网峰值的作用。本文采用准比例谐振并网电流控制方法，提高了系统的动态响应速度，减小了并网电流的波动，并且通过修正调制系数和电网前馈补偿控制消除Z源网络电容电压波动和电网波动对输出电流的影响，进一步提高并网的电能质量。 光伏并网系统除了要求具有控制并网电流与电网电压保持同频同相的能力之外，还应具备孤岛检测能力。因为孤岛现象一旦发生，如果光伏并网系统继续工作，可能损坏设备或者威胁到人身安全。由于孤岛危害的严重性，系统的孤岛检测需快速、准确，并且兼顾注入并网的电能质量。为此本文提出一种基于有功功率变化的正反馈主动频移法，将有功功率的变化量引入正反馈偏移量中，增加了频率的偏移量，从而加速公共节点电压频率的偏移，缩短检测孤岛的时间。 在上述理论研究和仿真分析的基础上，研制开发了以TMS320F2812为主控制芯片的基于Z源网络的三端口光伏系统实验平台。通过实验平台进行了独立型的三端口能量协调控制实验和并网型的并网电流控制、孤岛检测等实验。实验结果验证了所提出的基于Z源网络的三端口光伏拓扑结构和控制策略的正确性和可行性。 【关键词】：三端口 Z源 能量协调控制 光伏并网 孤岛检测
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-33
• 1.1 课题研究的目的和意义15-16
• 1.2 国内外太阳能光伏发电现状16-20
• 1.2.1 国外太阳能光伏发电现状16-19
• 1.2.2 国内太阳能光伏发电现状19-20
• 1.3 三端口光伏系统综述20-26
• 1.3.1 光伏拓扑结构20-22
• 1.3.2 三端口拓扑结构22-24
• 1.3.3 储能技术24-25
• 1.3.4 蓄电池充电控制技术25-26
• 1.4 太阳能光伏并网技术综述26-31
• 1.4.1 并网电流控制技术26-28
• 1.4.2 孤岛检测技术28-30
• 1.4.3 最大功率点跟踪技术30-31
• 1.5 本课题研究的主要内容31-33
• 第2章 基于 Z 源的三端口光伏系统拓扑结的研究33-49
• 2.1 引言33
• 2.2 基于 Z 源的三端口光伏系统拓扑结构33-41
• 2.2.1 三端口光伏系统的工作模式34-37
• 2.2.2 三端口光伏系统的工作状态37-41
• 2.3 感性负载时 Z 源工作状态与控制策略41-45
• 2.3.1 感性负载时产生畸变的原因43-44
• 2.3.2 改进的 SPWM 控制策略44-45
• 2.4 基于 Z 源的三端口光伏系统拓扑结构的仿真分析45-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第3章 基于 Z 源的三端口光伏系统输出特性分析49-64
• 3.1 引言49
• 3.2 基于 Z 源的三端口光伏拓扑结构小信号分析49-57
• 3.2.1 Z 源网络小信号分析50-54
• 3.2.2 蓄电池充放电电路小信号分析54-56
• 3.2.3 逆变电路小信号分析56-57
• 3.3 系统参数变化对输出动态特性和稳定性的影响57-62
• 3.3.1 Z 源网络电容对系统输出动态特性和稳定性的影响57-58
• 3.3.2 Z 源网络电感对系统输出动态特性和稳定性的影响58-59
• 3.3.3 直通占空比对系统输出动态特性和稳定性的影响59-61
• 3.3.4 负载阻值变化对系统输出动态特性和稳定性的影响61-62
• 3.4 基于 Z 源的三端口光伏系统输出特性的仿真分析62-63
• 3.5 本章小结63-64
• 第4章 基于 Z 源的三端口光伏系统能量控制策略的研究64-83
• 4.1 引言64
• 4.2 铅酸蓄电池的充放电特性分析64-67
• 4.2.1 铅酸蓄电池的充电特性分析65-66
• 4.2.2 铅酸蓄电池的放电特性分析66-67
• 4.3 基于 Z 源的三端口光伏系统充放电控制策略67-77
• 4.3.1 铅酸蓄电池充电的控制策略67-73
• 4.3.2 铅酸蓄电池放电的控制策略73-77
• 4.4 基于 Z 源的三端口光伏系统的三端口协调控制策略77-82
• 4.5 本章小结82-83
• 第5章 基于 Z 源的三端口光伏系统并网控制技术83-99
• 5.1 引言83
• 5.2 基于 Z 源的三端口光伏并网系统控制结构83-85
• 5.3 基于 Z 源的三端口光伏系统并网电流控制85-91
• 5.3.1 电容电压纹波前馈控制85-88
• 5.3.2 光伏并网系统的准比例谐振控制策略88-90
• 5.3.3 并网电流控制的仿真分析90-91
• 5.4 基于 Z 源的三端口光伏系统的孤岛检测91-97
• 5.4.1 孤岛检测标准91-92
• 5.4.2 基于有功变化的新型主动频移孤岛检测方法92-94
• 5.4.3 孤岛检测仿真分析94-97
• 5.5 本章小结97-99
• 第6章 基于 Z 源的三端口光伏系统实验研究99-110
• 6.1 引言99
• 6.2 基于 Z 源的三端口光伏系统主电路设计99-102
• 6.2.1 主电路结构99-100
• 6.2.2 主电路参数设计100-102
• 6.3 基于 Z 源的三端口光伏系统的软硬件设计102-105
• 6.3.1 系统驱动电路和采样电路设计103-105
• 6.3.2 系统主程序和中断程序设计105
• 6.4 基于 Z 源的三端口光伏系统实验结果分析105-109
• 6.4.1 独立型光伏系统实验结果分析106-108
• 6.4.2 并网型光伏系统实验结果分析108-109
• 6.5 本章小结109-110
• 结论110-112
• 参考文献112-123
• 攻读学位期间发表的学术论文123-125
• 致谢125-126
• 个人简历126

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

光伏发电系统并网控制技术现状与发展(上)    查晓明;刘飞;

太阳能光伏应用中的储能系统研究    陈维;沈辉;邓幼俊;

采用电流滞环调节器的电压矢量控制PWM整流器系统    赵振波,李和明,董淑惠

Z源变换器    彭方正,房绪鹏,顾斌,高奇,钱照明

具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统    吴理博;赵争鸣;刘建政;王健;袁立强;

SPWM逆变器复合控制策略    胡雪峰;谭国俊;

基于改进扰动观察法的光伏阵列最大功率点跟踪    刘邦银;段善旭;刘飞;徐鹏威;

电压型PWM整流器控制方法的研究    欧阳红林,凌瑞林,黄守道

具有恒压跟踪功能的新型太阳能充电器的研究与设计    刘翔;郑诗程;苏建徽;余世杰;沈玉樑;

太阳能光伏发电发展现状与趋势    蔡宣三;

无变压器结构光伏并网逆变器拓扑及控制研究    马琳

太阳能交流模块逆变器及其控制技术的研究    谭光慧

含有光伏电源的微网综述    王锡琳;

光伏电池储能装置的技术探讨    宋菁;黄玮;

适用于农网的中小功率风力发电电源研究    汪洋;成立;

100kW风光互补电站设计    杨帮宇;

管式胶体储能电池在离网式发电系统中的运用    屠文军;

国内外光伏发电站环境影响评价方法简析    朱林;吴菲;李健;

水平铅酸电池的实验研究与性能分析    何士娟,张承宁,彭连云,孙逢春,谭建

军用封存蓄电池全自动维护系统    刘东升;刘昉;

太阳能光伏发电低成本采暖系统研究    蒋志坚;周聃;阴振勇;

电动汽车铅酸蓄电池智能快速充电方法的研究    杜飞龙

Operation Control of Flywheel Energy Storage System with Wind Farm    

一种基于dp/dv=0的最大功率跟踪控制策略    荣延泽;刘士荣;毛军科;李松峰;

一种新型的煤矿井下矿灯充电系统设计    周跃进;汪云甲;夏雯;

基于频率偏移法的光伏并网逆变器孤岛检测    陈曦;李亚楠;陈阿莲;杜春水;张承慧;

基于SVPWM的优化Z源逆变器控制方法研究    马文忠;张红梅;张伟;李耀荣;王志;吴海波;

光伏并网给定电流幅值偏移的孤岛检测方法    郑世松;孙冰;王玉斌;

我国储能产业发展现状、机遇与挑战    李雷;杨春;谢晓峰;

含蓄电池储能的光伏并网发电系统的建模与仿真    董旭柱;雷金勇;饶宏;黄晓东;刘怡;李鹏;

电池储能在电力系统应用和技术经济分析    陆志刚;刘怡;雷金勇;陈满;陈磊;李达;

智能电网中的储能技术应用及展望    牛萌;吴鸣;黄体笋;魏德林;

分布式电源的概率建模及其对电力系统的影响    王敏

光伏跟踪系统智能控制方法的研究    徐晓冰

考虑分布式发电的配电网综合负荷建模方法研究    钱军

并联型有源电力滤波器谐波检测及控制技术研究    谢斌

基于Z拓扑的光伏并网逆变器研究    程如岐

非并网风电直供系统方案设计及控制策略研究    刘慧芳

无变压器结构光伏并网逆变器拓扑及控制研究    马琳

基于飞轮储能的柔性功率调节器关键技术研究    陈仲伟

飞轮储能技术及其在电力系统控制中的应用研究    吴晋波

基于分频控制的并联型APF关键技术研究    张树全

太阳能光伏发电单相并网逆变器研究    李本元

电流型Z源逆变器主电路控制策略研究    翟清震

阻抗源能馈型交流电子负载的研究    董云连

感应电机矢量控制系统研究与实现    葛金法

船舶燃气轮机—发电系统稳定性研究    张丛辉

基于桥检车的驻车充电站系统的设计实现    杨光

基于Z源逆变器的光伏发电系统研究    王君惠

光伏并网发电系统的MPPT及孤岛检测新方法的研究    于希洋

纯电动车电池组管理系统的研究    庄益诗

TM-450阀控式密封铅酸蓄电池设计及板栅合金研究    谢小运

浅析太阳电池并网发电技术    殷洪亮;吕建;

各国光伏路线图与光伏发电的进展    杨金焕;邹乾林;谈蓓月;葛亮;陈中华;

小功率单相并网逆变器并网电流的比例谐振控制    马琳;金新民;唐芬;梁京哲;

光伏发电系统中影响蓄电池寿命因素分析    王菊芬,李宣富,杨海平,易良廷

中国胶体蓄电池的现状及前景    钱学楼,钱学海,赵昉,钱进

光伏并网发电系统对电网的影响及相关需求分析    杨卫东;薛峰;徐泰山;方勇杰;李碧君;

基于PID控制和重复控制的正弦波逆变电源研究    高军,黎辉,杨旭,王兆安

光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究    雷元超,陈春根,沈骏,黄跃杰,陈国呈

带正反馈的主动移频孤岛检测法的参数优化    刘方锐;康勇;张宇;段善旭;

西藏双湖25kW光伏电站交流配电系统的设计与实施    孙广生

太阳能光伏并网发电系统的研究    赵为

独立光伏系统中蓄电池管理的研究    欧阳名三

光伏发电系统及其控制的研究    郑诗程

光伏阵列故障状态的识别研究    王培珍

光伏并网功率调节系统及其控制的研究    汪海宁

单相光伏并网系统的分析与研究    王飞

基于Z源型逆变器的光伏并网发电系统的研究    许颇

分布式微网电力系统中多逆变电源的并网控制研究    鞠洪新

光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现    吴理博

中国光伏产业发展战略研究    李晓刚

逆变器控制及其并联技术的研究    朱志杰

基于光伏并网的逆变器并联技术的研究    王博

诺雅克光伏产品闪耀中国光伏四新展    

SGS首推“一测三证”光伏检测认证服务    轩宇;

光伏发电系统中MPPT控制算法的研究及仿真    陈公兴;

欧共体并网光伏系统上网电价对我国的启示    谢传胜;徐欣;贾晓希;

诺雅克光伏系列产品亮相“中国光伏四新展”    

行业动态    

太阳能光伏发电综述    李春鹏;张廷元;周封;

太阳能系统用铅酸蓄电池综述    杨勇;

小功率光伏并网逆变器控制系统的设计    李进国,金新民

光伏系统中蓄电池过充放电控制系统的设计    王菊芬,杨海平,李宣富,易良廷

非逆变光伏系统在住宅公共照明的应用    张骞;孙鹏飞;韩慧锋;

光伏系统应用中的若干误区    杨金焕;陈中华;

光伏发电在美国电力工业中的应用    杨金焕;陈中华;

固定式独立光伏系统中光伏方阵设计    李杰慧;刘祖明;李景天;

独立光伏系统技术规范简介    刘祖明;李杰慧;杨鸿雁;周立新;康乐;

光伏系统的储能铅酸蓄电池    周庆申;孔德龙;华寿南;

新兴光伏行业产业化技术标准的制定    李志坚;杨舸;李毅;

独立光伏系统中光伏功率与蓄电池容量的匹配设计    李杰慧;刘祖明;

中国光伏发电的发展及前景    罗雪莲;

深圳南玻大厦光伏幕墙技术    谢士涛;黄向阳;何清;

青海将建百万千瓦级太阳能基地    吴晶晶

光伏系统功率跟踪技术    合肥 周民康

深圳罗湖区：为高新技术成果转化创造条件    本报记者 崔大宁

NS SolarMagic电源优化器：提高光伏系统性能    

省委中心组召开学习会    记者 莫自才　通讯员 张启才

合肥开发商寻找节能新招    刘传勋

太阳能发电要突破应用瓶颈    本报记者 毛学农

甬合互补化“危”为“机”    通讯员 陈梓军　记者 宦建新

共筑安全联盟护航绿色能源    记者 丁莹

太阳能电力零距离接近传统电力    张力正

海洋环境下船用太阳能光伏系统特性研究    孙玉伟

基于Z源网络的三端口光伏系统研究    高志强

独立光伏系统中蓄电池管理的研究    欧阳名三

高效能空间薄膜聚光光伏系统研究    马宏财

光伏跟踪系统智能控制方法的研究    徐晓冰

光伏产业国际竞争力研究    陈晓燕

光伏发电系统中Z源逆变器的控制技术研究    陈艳

基于平面镜反射的聚光光伏系统研究    张海燕

小型光伏系统及其关键问题研究    胡义华

数字化光伏并网系统的逆变技术研究    张文

独立光伏发电系统数据采集装置的研制    丁世明

中国多晶硅光伏系统生命周期评价    傅银银

基于直流微网的光伏系统研究    孙濛濛

光伏系统实验平台及控制策略的研究与实现    谢伟

建筑模块化光伏系统及其控制策略    周毓颖

光伏系统用铅酸蓄电池循环特性的研究    马洪斌

太阳能光伏技术与建筑一体化应用初探    宣晓东

稀土辐射器热光伏系统余热发电研究    庞志伟

基于自抗扰控制技术的并网光伏系统研究    梁芳

混合光伏系统的数字化控制方案设计及实现    于冰