基于三电平逆变器的三相光伏发电系统研究

【摘要】：2011年3月，日本9级大地震导致了福岛核电站受损泄漏，引起全世界的高度关注，太阳能光伏发电是最有发展潜力的重要可再生能源，作为我国战略性新型产业的地位不会改变。2012年3月1日，国家正式启动了允许单位和个人新能源发电卖给国家的政策。家庭式光伏电站以其成本较低，绿色环保，安装节约空间等优点成为了我国家庭式产电的主力军。继2011年国家电网公司启动分布式光伏发电支持政策之后，我国的小型光伏产业在新能源领域开始绽放光彩。本文以三相光伏发电系统为研究对象，对光伏电池的输出特性、光伏电池最大功率点跟踪控制技术、光伏逆变器控制策略等进行了深入研究。 （1）对光伏电池的输出特性进行了浅要分析，并在标准工作条件下测试得到的光伏电池工程计算数学模型的基础上，搭建出一种基于一般工作状况下的光伏电池工程计算模型，并在Matlab/Simulink进行了仿真，验证其正确性。 （2）在剖析光伏电池MPPT原理的基础上，总结现有的定点电压跟踪法、短路电流比例系数法、差值计算法、扰动观察法、电导增量法、模糊理论法、人工神经网络法、智能复合法和粒子群MPPT控制算法及其控制电路的基本拓扑结构。根据光伏工程的实际需要，选择扰动观察法作为主要研究对象，针对传统扰动观察法中出现的扰动和误判现象，推出一种防误判型MPPT控制技术，采用了防误判和自适应变步长扰动观察算法的优点，并由双PWM控制的新型Buck-Boost电路以及抑制积分饱和控制器构成电流闭环控制。该技术模型的仿真结果与其他MPPT控制器的实验数据做比较，说明了该控制器具有较好的性能。 （3）结合光伏发电系统的特征，对比分析了NPC箝位型、电容箝位型、混合箝位型、通用型、层叠式和级联型多电平逆变器拓扑结构的优缺点，选用二极管箝位型三电平逆变器为本文系统中的光伏逆变器。分析三电平逆变器PWM控制策略、SVPWM控制策略以及几种改进型的SVPWM控制策略的基础上，针对传统SVPWM控制算法在电平数较高的逆变器中实现复杂，控制速度慢的缺陷，提出了一种降阶型SVWM控制算法简化运算，提高速度。并通过仿真和小功率实物实验，共同验证了三电平逆变器以及SVPWM控制算法的良好性能，以及降阶型SVPWM控制策略的正确性和可行性。 （4）综合（1）、（2）和（3）的设计模块，搭建了一种独立型三相光伏发电系统的仿真模型。并在该模型基础上添加并网控制器滤波实现一种并网型三相光伏发电系统的简化仿真模型。通过对实验波形的分析和论证，进一步证实了本文所提技术的适应性。 【关键词】：光伏电池 MPPT控制 NPC三电平逆变器 SVPWM 三相光伏并网
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615;TM464
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题研究背景和意义9
• 1.2 光伏逆变器9-11
• 1.3 光伏发电系统分类11-13
• 1.4 本文研究内容13-14
• 第2章 光伏电池的工程建模研究14-25
• 2.1 光伏电池的工作原理14-15
• 2.2 光伏电池的数学模型15-18
• 2.3 光伏电池的工程计算方法18-21
• 2.3.1 标准测试条件下的输出特性工程计算方法19-20
• 2.3.2 一般工作状况下的光伏电池输出特性的工程计算方法20-21
• 2.4 光伏电池的新技术21
• 2.5 仿真结果及分析21-25
• 第3章 最大功率点跟踪技术研究25-59
• 3.1 最大功率点跟踪技术25-26
• 3.2 MPPT 控制算法26-39
• 3.2.1 定电压跟踪法26
• 3.2.2 短路电流比例系数法26-27
• 3.2.3 差值计算法27-29
• 3.2.4 扰动观察法29-31
• 3.2.5 电导增量法31-35
• 3.2.6 基于模糊理论的 MPPT 控制35
• 3.2.7 基于人工神经网络的 MPPT 控制35-36
• 3.2.8 基于智能方法的 MPPT 复合控制36-37
• 3.2.9 基于粒子群算法的 MPPT 控制37-39
• 3.3 DC/DC 变换电路39-42
• 3.3.1 Boost DC/DC 变换器39-40
• 3.3.2 BuckDC/DC 变换器40-41
• 3.3.3 Buck-Boost DC/DC 变换器41-42
• 3.4 新型 MPPT 控制器的设计42-59
• 3.4.1 振荡和误判现象的分析及改进42-45
• 3.4.2 新型 DC/DC 变换器45-49
• 3.4.3 抑制积分饱和控制器的设计49-52
• 3.4.4 仿真结果及分析52-59
• 第4章 NPC 三相三电平逆变器及其控制策略研究59-86
• 4.1 多电平逆变器的拓扑分类59-64
• 4.1.1 二极管钳位型多电平逆变器59-60
• 4.1.2 电容钳位型多电平逆变器60-61
• 4.1.3 混合箝位型多电平逆变器61-62
• 4.1.4 通用型多电平逆变器62
• 4.1.5 层叠式多电平逆变器62-63
• 4.1.6 级联型多电平逆变器63-64
• 4.2 NPC 三电平逆变器的工作原理及数学特性分析64-67
• 4.2.1 NPC 三电平逆变器的工作原理65-66
• 4.2.2 NPC 三电平逆变器的数学特性分析66-67
• 4.3 NPC 型三电平逆变器控制策略研究67-77
• 4.3.1 PWM 控制算法67-69
• 4.3.2 空间电压矢量控制算法69-73
• 4.3.3 改进型 SVPWM 控制算法73-77
• 4.4 仿真结果及分析77-86
• 4.4.1 两电平逆变器 SVPWM 仿真结果及其分析78-79
• 4.4.2 NPC 三电平逆变器 PWM 仿真结果及其分析79-80
• 4.4.3 NPC 三电平逆变器 SVPWM 仿真结果及其分析80-81
• 4.4.4 NPC 三电平逆变器改进型 SVPWM 仿真结果及其分析81-85
• 4.4.5 NPC 三电平逆变器小功率实物装置85-86
• 第5章 光伏发电系统的设计及仿真86-94
• 5.1 独立型三相光伏发电系统的仿真及分析86-89
• 5.2 并网型三相光伏发电系统的仿真及分析89-94
• 5.2.1 并网控制器的设计89-90
• 5.2.2 仿真及分析90-94
• 第6章 总结与展望94-96
• 参考文献96-100
• 致谢100-101
• 个人简历、攻读硕士学位期间所发表的学术论文与研究成果101

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