基于虚拟同步发电机的光伏逆变技术研究

【摘要】：能源是支撑人类社会生存和发展的基本元素,随着社会和经济的发展,人们对常规能源的开采利用越来越多,不仅造成了全球的能源危机,更严重的污染了生存环境。近年来,各国政府都先后投入新能源的开发研究,其中太阳能具有可再生、可持续、易获得、无污染、无噪声、安全清洁等优点,得到人们青睐,其发电规模和装机容量逐年增高。随着光伏发电规模和并网容量的增加,光伏模块对用户和电力系统的影响也越来越严重,对逆变器的技术要求也越来越高。常规的逆变器因为电子器件反应速度快,没有惯性作用,在光照条件急剧变化及负载波动时会对用户和电网造成危害,而且功率调节性能差,不能同时提供孤网系统稳定的频率及电压支撑。为改善逆变器接口特性,解决以上问题,本文采用虚拟同步发电机(VSG)控制策略,使得光伏发电单元模仿同步发电机工作。该控制策略不仅能够保持孤网运行时电压和频率的稳定,还可以参与并联电网性能的调节,满足了光伏发电在这两种模式下的可靠运行。文章首先介绍了光伏发电的国内外发展现状及未来前景,明确了课题研究的重要意义。根据光伏系统不同的运行模式,介绍了相应的结构分类,在对比几种常见的逆变器控制方法优缺点的基础上,引入了虚拟同步发电机控制技术,并根据同步发电机的二阶方程对控制策略进行了建模分析,模拟同步发电机调速器和励磁调节器设计了功频控制单元和励磁控制单元。其次,根据光伏发电结构,在MATLAB/simulink软件中搭建了系统仿真模型。首先验证了储能单元对光伏发电输出功率的平抑作用;接着分别进行了虚拟同步发电机特性仿真,包括功频调节特性、励磁调节特性、功角特性及引入转动惯量的作用仿真;最后进行了光伏发电并网运行和两台虚拟同步发电机并联运行仿真,实验中电网和光伏发电单元可以共同承担负载功率,两台虚拟同步发电机按照自身容量和调差系数自动分配负荷变化,仿真效果较好。最后,以主控芯片DSP320F2812和功率器件IPM为主控单元,设计了实验主电路和控制电路结构,完成了实验硬件平台的搭建;设计了主程序流程和各功能子程序流程结构,编写了基于CCS3.3的控制程序,完成了在硬件电路上的调试。通过实验结果进一验证了虚拟同步发电机控制策略的有效性和正确性。 【关键词】：光伏发电 虚拟同步发电机控制策略 调速器 励磁调节器 并网运行
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题的研究背景和意义11-12
• 1.2 光伏发电的研究现状12-13
• 1.3 光伏发电系统介绍13-19
• 1.3.1 光伏发电系统基本构成13-14
• 1.3.2 光伏发电系统结构14-15
• 1.3.3 光伏发电系统的拓扑15-17
• 1.3.4 逆变器接口控制策略17-19
• 1.4 本文研究的主要内容及各章节安排19-21
• 第二章 虚拟同步发电机控制策略分析21-33
• 2.1 虚拟同步发电机系统基本结构21-22
• 2.2 虚拟同步发电机模型分析22-26
• 2.2.1 虚拟同步发电机算法的数学建模22-24
• 2.2.2 电气部分的建模实现24
• 2.2.3 机械部分的建模实现24-26
• 2.3 虚拟同步发电机控制器设计26-31
• 2.3.1 功频控制器原理分析26-27
• 2.3.2 功频控制器的设计27-28
• 2.3.3 励磁控制器原理分析28-31
• 2.3.4 励磁控制器的设计31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 基于虚拟同步发电机控制系统的仿真33-49
• 3.1 储能单元对光伏发电的作用33-36
• 3.2 虚拟同步发电机特性仿真36-44
• 3.2.1 功频调节特性仿真37-38
• 3.2.2 励磁调节特性仿真38-40
• 3.2.3 转动惯量的作用仿真40-42
• 3.2.4 功角特性仿真42-44
• 3.3 虚拟同步发电机并网仿真44-46
• 3.4 两台虚拟同步发电机并联运行仿真46-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 系统硬件设计49-63
• 4.1 实验结构设计49-50
• 4.2 主电路设计50-52
• 4.2.1 光伏阵列直流源50
• 4.2.2 IPM功率模块50-51
• 4.2.3 LC滤波电路51-52
• 4.2.4 三相负载52
• 4.3 控制电路设计52-60
• 4.3.1 DSP主控单元52-54
• 4.3.2 信号检测电路54-55
• 4.3.3 过零检测电路55-57
• 4.3.4 驱动电路57-58
• 4.3.5 保护电路58-60
• 4.3.6 辅助电源设计60
• 4.4 本章小结60-63
• 第五章 基于DSP的系统软件设计63-73
• 5.1 CCS3.3 软件介绍63-64
• 5.2 软件设计总体思路64-65
• 5.3 主程序设计65
• 5.4 各功能子程序设计65-71
• 5.4.1 捕获中断程序66
• 5.4.2 ADC采样程序66-68
• 5.4.3 虚拟同步发电机算法程序68-69
• 5.4.4 SVPWM调制程序69-70
• 5.4.5 死区时间设置70
• 5.4.6 定时器T1周期中断程序70-71
• 5.5 本章小结71-73
• 第六章 实验结果及分析73-83
• 6.1 实验硬件平台调试73-75
• 6.1.1 过零检测实验73-74
• 6.1.2 信号检测与调理实验74
• 6.1.3 SVPWM调制实验74-75
• 6.2 孤网模式下VSG特性实验75-79
• 6.2.1 功频调节特性实验76-77
• 6.2.2 励磁调节特性实验77
• 6.2.3 转动惯量作用实验77-79
• 6.3 并网运行实验79-81
• 6.4 本章小结81-83
• 总结与展望83-85
• 文参考献85-89
• 致谢89-90
• 作者在攻读硕士学位期间的研究成果90

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