基于虚拟同步发电机技术的光伏发电系统控制研究

【摘要】：随着社会经济文化的快速发展,人类正大量消耗着化石能源,煤、石油、天然气等不可再生能源即将耗尽。能源危机以及生态环境的污染等问题日益突出,使得变更能源的消费结构,推动可再生能源的开发和利用已经逐步发展为全球各国政府的共识。因此新能源的发展迫在眉睫。在国家大力倡导发展新能源的大背景下,太阳能凭借其可再生、无污染和储量大等特点,使得世界各国兴起了发展太阳能光伏发电的浪潮。逆变器作为光伏发电系统中的重要组成部分之一,伴随着光伏发电技术的不断发展,对其控制算法的研究将对整个光伏发电技术的应用产生非常重要的实际意义。本文首先介绍了太阳能光伏发电的背景、国内外的发展现状以及虚拟同步发电机技术的发展情况,然后对光伏电池的数学模型展开了分析,在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型,并对仿真模型的正确性进行了有效的验证。然后对前级的Boost升压电路工作原理以及三相全桥式逆变电路的工作原理进行了详细的介绍,并简单介绍分析了几种常见的最大功率点跟踪的控制方法,对其优缺点进行了分析比较,而后搭建了MPPT的仿真模型。本文介绍的重点内容是在传统下垂控制原理的基础上,对电压控制型逆变电路的光伏发电系统进行深入的分析与研究。系统正常运行情况下,逆变器输出的电压、电流波形中存在有谐波的影响,以及在刚并网时刻,系统由于冲击电流的影响,输出的有功功率存在一个短暂的突升等问题。随后提出了一种新型的基于扰动观测器的改进下垂控制方法。通过对改进后的控制策略进行数学模型的推导,在Matlab/Simulink中建立了仿真模型,并对仿真模型的正确性进行了有效验证。最后搭建了基于MC56F8346DSP主控制器的系统硬件平台,对光伏发电系统进行了离网负载实验和并网实验的验证,内容包括系统主电路和控制电路的硬件参数设计,主程序和中断子程序流程图等软件设计。随后通过实验波形得到了验证。 【关键词】：光伏发电系统 虚拟同步发电机 逆变器的下垂控制 最大功率点跟踪
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题研究的背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 太阳能光伏发电的国外发展现状11-13
• 1.2.2 太阳能光伏发电的国内发展现状13-14
• 1.3 光伏发电系统的分类与特点14-16
• 1.4 虚拟同步发电机技术的研究现状16-17
• 1.5 论文的主要工作17-18
• 第二章 光伏发电系统基本原理及控制18-32
• 2.1 光伏发电系统的总体结构18
• 2.2 光伏电池的基本原理及特性18-22
• 2.2.1 光伏电池的工作原理18
• 2.2.2 光伏电池的数学模型18-21
• 2.2.3 光伏电池特性仿真与分析21-22
• 2.3 DC/DC变换电路22-24
• 2.4 电压型逆变电路的分析24-27
• 2.5 最大功率点跟踪控制27-31
• 2.5.1 MPPT原理27
• 2.5.2 MPPT的控制方法及种类27-30
• 2.5.3 扰动法的实现与仿真30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第三章 基于虚拟同步发电机的光伏系统控制研究32-56
• 3.1 电压控制型光伏并网逆变器控制策略32-33
• 3.2 同步发电机数学模型33-35
• 3.3 虚拟同步发电机技术的工作原理及实现35-38
• 3.3.1 下垂控制原理36
• 3.3.2 基于虚拟同步发电机技术的下垂特性控制36-38
• 3.4 传统下垂控制算法的数学模型及仿真38-42
• 3.4.1 数学模型分析38-40
• 3.4.2 仿真验证40-42
• 3.5 基于扰动观测器的虚拟同步发电机改进下垂控制策略42-55
• 3.5.1 扰动观测器的原理42-45
• 3.5.2 基于扰动观测器控制系统的数学模型分析45-49
• 3.5.3 扰动观测器的稳定性分析49-51
• 3.5.4 低通滤波器的设计51-52
• 3.5.5 基于扰动观测器的下垂控制的仿真52-55
• 3.6 本章小结55-56
• 第四章 数字控制系统设计及实验验证56-70
• 4.1 系统总体硬件结构设计56
• 4.2 主电路设计56-60
• 4.2.1 Boost升压电感的设计56-58
• 4.2.2 直流侧电容的设计58-59
• 4.2.3 滤波电感的设计59-60
• 4.3 控制电路的设计60-64
• 4.3.1 MC56F8346外围电路设计60-61
• 4.3.2 电压电流的检测电路61-63
• 4.3.3 故障保护电路63-64
• 4.3.4 辅助电源的设计64
• 4.4 系统软件实现64-67
• 4.4.1 软件集成开发环境64-65
• 4.4.2 系统软件总体设计65-66
• 4.4.3 主程序设计66
• 4.4.4 MPPT子程序设计66-67
• 4.5 实验结果分析67-69
• 4.5.1 系统并网运行实验波形67-68
• 4.5.2 系统离网运行实验波形68-69
• 4.6 本章小结69-70
• 第五章 总结与展望70-72
• 5.1 全文总结70-71
• 5.2 后续研究工作展望71-72
• 参考文献72-75
• 致谢75-76
• 在学期间科研成果76

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