基于Z源的光伏串联微型变换器并网系统的研制

【摘要】：分布式串联型微型变换器主要应用于光伏并网系统(Photovoltaic Gridconnected Systems,PVGS)领域,此系统是凭借光生伏特效应,实现将光能转化为电能,并将发出的电能并入大电网的一种可再生能源发电技术。在一定光照强度和温度下,由于光伏电池(Photovoltaic cells,PV)面板的输出功率与输出电压之间存在非线性关系,为此利用PV模块的后级添加一个变换器,实现PV模块以最大功率输出电能。由于传统的DC/DC变换器拓扑结构有一定的不足,无法满足串联型变换系统高电压增益和防止热斑效应状况出现的要求,因此,本文提出一种带预充电电阻基于Z源的串联微型变换器,该变换器拓扑结构能克服传统拓扑结构所存在的不足。本论文首先简单介绍了常用的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法,阐述了这些种算法所存在的缺点。其次,提出了一种基于功率电压(P-V)曲线斜率的变步长间歇扫描算法,并通过建模分析,表明该创新算法不但具有精度高和跟踪速度快的优点,还能根据实际环境的状况适当调整步长,达到延长或减少间歇扫描时间来提高系统稳定性。同时,介绍了普通三相并网逆变器(Three-phase grid-connected inverter,TPGI)的逆变算法,并通过仿真实验,验证了本文选择的控制算法能够使得普通三相并网逆变器的直流母线电压具有较好稳定性和输出波形。在此基础上,本文详细分析了光伏串联微型变换器并网系统的相关理论,基于DSP2812控制器和IGBT模块,研制了光伏串联微信变换器实验样机。本系统采用的组网模式是基于直流母线电压(DC bus voltage,DCBV)的串联型组网模式。最后,对实验样机进行了相关实验测试,测试结果表明本文研究的基于Z源的串联型微型变换器并网系统能够较好地实现光伏电池最大功率点跟踪、防止热斑效应的产生和实现逆变并网的功能。 【关键词】：光伏串联 Z源变换器 最大功率跟踪 并网逆变器
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM46;TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题的背景与意义9
• 1.2 串联微型变换器研究现状与前景9-12
• 1.2.1 串联微型变换器国外研究现状10
• 1.2.2 串联微型变换器国内研究现状10-11
• 1.2.3 串联微型变换器研究前景11-12
• 1.3 分布式发电并网技术12-16
• 1.3.1 分布式并网系统的结构概述12-15
• 1.3.2 集中式和分布式串联发电系统仿真比较15-16
• 1.4 论文的研究内容及主要工作16-17
• 2 基于Z源DC /DC变换器拓扑结构17-30
• 2.1 传统DC/DC变换器拓扑结构17-22
• 2.1.1 Boost变换器拓扑17-18
• 2.1.2 Cuk变换器拓扑18-20
• 2.1.3 反激式变换拓扑结构20-22
• 2.1.4 传统推挽变换器拓扑22
• 2.2 Z源变换器的提出22-23
• 2.3 Z源变换器的优点23
• 2.4 基于Z源的改进型拓扑的工作原理23-27
• 2.4.1 改进型拓扑结构24-25
• 2.4.2 改进型拓扑工作原理25-27
• 2.5 本系统实现的设计方案27-29
• 2.6 本章小结29-30
• 3 光伏模块的建模及MPPT技术30-41
• 3.1 光伏电池发电原理30
• 3.2 光伏电池的数学模型30-31
• 3.3 光伏阵列的模型31-32
• 3.4 光伏阵列的发电特性32
• 3.5 传统最大功率跟踪算法32-35
• 3.5.1 扰动观测法33
• 3.5.2 恒定电压法33-34
• 3.5.3 电导增量法34-35
• 3.6 改进MPPT算法35-40
• 3.6.1 改进算法的原理35-36
• 3.6.2 改进算法的流程36-37
• 3.6.3 改进算法的创新点37-38
• 3.6.4 MPPT算法仿真实现38-40
• 3.7 本章小结40-41
• 4 三相光伏并网逆变器41-57
• 4.1 三相并网逆变器的数学模型41-43
• 4.2 同步坐标变换的锁相控制算法43-51
• 4.2.1 同步坐标变换的控制策略43-45
• 4.2.2 空间矢量脉宽调制（SVPWM）原理分析45-48
• 4.2.3 三相并网逆变器控制系统的设计48-51
• 4.3 建立算法模型及仿真分析51-56
• 4.4 本章小结56-57
• 5 改进型光伏串联变换器并网系统硬件平台的搭建与调试57-68
• 5.1 硬件平台搭建57-59
• 5.1.1 DSP主控芯片介绍57
• 5.1.2 FPGA采样芯片介绍57-58
• 5.1.3 系统接线与控制连接58-59
• 5.2 系统软件控制实现59-64
• 5.2.1 系统程序总体结构图59-60
• 5.2.2 系统主程序图60-61
• 5.2.3 中断程序图61-62
• 5.2.4 MPPT算法流程图62-63
• 5.2.5 基于锁相算法的并网算法流程图63
• 5.2.6 基于DSP和FPGA的程序调试63-64
• 5.3 实验样机的设计64-66
• 5.3.1 串联微型变换拓扑二极管的参数选取64
• 5.3.2 Z源网络中电容和电感的设计64-65
• 5.3.3 变换拓扑的预充电电阻与输出侧电容设计65-66
• 5.4 改进型串联变换拓扑并网系统的调试66-67
• 5.5 本章小结67-68
• 总结与展望68-69
• 参考文献69-71
• 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况71-72
• 致谢72-73
• 附录73-74

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