基于单级升压逆变器的光伏并网发电系统研究

【摘要】：随着世界能源危机日益加剧和自然生态环境日趋恶化，清洁可再生能源尤其是太阳能的开发利用正受到世界各国越来越广泛的关注，太阳能已成为世界新能源的主要形式之一。 本文以太阳能光伏发电为背景，介绍了光伏发电的意义和发展现状及趋势，概述了光伏并网发电技术的发展。并网逆变器作为光伏并网发电系统中的关键部件，其拓扑结构和控制策略是当前研究的热点。本文针对传统电压源并网逆变器的局限性和不足，提出了一种新型的单级升压逆变器光伏并网发电系统。该系统逆变器与传统电压源逆变器相比，其特点是引入一个耦合电感升压网络，利用逆变桥桥臂直通零矢量在单级结构上实现可控升压和逆变，且能适应输入电压在较大范围内变化的场合，可满足光伏发电的要求，因此该系统具有广阔的应用前景。 本文首先介绍了单级升压逆变器的拓扑结构、等效电路以及工作原理，并对单级升压逆变器的两种升压特性进行了详细的分析，且在较高升压特性下设计了耦合电感。其次研究了适用于单级升压逆变器的SPWM和SVPWM调制策略。通过归纳和总结各种直流母线电压控制方法的优缺点，研究了一种可变电容电压的直流母线电压控制方法。然后研究了单级升压逆变器应用于光伏并网发电系统的控制策略，包括并网电流内环控制策略、直流母线电压环控制策略和最大功率点跟踪控制策略。根据网侧数学模型，研究了基于电网电压合成矢量定向的电流环控制策略，在同步旋转dq坐标系下实现对并网电流有功和无功的独立控制。在传统扰动观察法上进行改进，研究了一种变步长扰动观察法最大功率点跟踪控制策略，并利用Matlab/Simulink软件搭建了系统仿真模型和进行了仿真研究，验证了控制策略的正确性和可行性。 最后设计开发了一套1kW应用于光伏并网发电系统的单级升压逆变器的原理样机。在以Freescale公司的DSP芯片MC56F8335为核心的软件环境中编写了控制程序，完成了独立实验和并网实验研究。实验结果表明了理论分析的正确性和有效性，同时表明了单级升压逆变器具有很好的升压逆变功能，在输入电压变化下能够灵活地调节直流母线电压并且输出高质量的并网电流，同时能够较好地跟踪到光伏电池最大功率，实现光伏电池高效率利用。 【关键词】：单级升压逆变器 耦合电感 直通零矢量 光伏并网 最大功率点跟踪
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 课题背景14-15
• 1.1.1 世界能源危机与自然环境恶化14
• 1.1.2 太阳能光伏发电的优势和发展现状14-15
• 1.2 光伏并网发电技术的研究现状和发展15-19
• 1.2.1 并网逆变器拓扑结构的研究16-18
• 1.2.2 并网控制策略的研究18-19
• 1.2.3 并网滤波器的研究19
• 1.3 新型单级升压逆变器光伏并网系统19-21
• 1.4 本文的主要内容21-22
• 第二章 单级升压逆变器22-28
• 2.1 单级升压逆变器工作原理22-23
• 2.2 单级升压逆变器升压特性23-25
• 2.2.1 较低升压特性24
• 2.2.2 较高升压特性24-25
• 2.3 耦合电感设计25-27
• 2.3.1 耦合电感参数计算25-26
• 2.3.2 耦合电感设计26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 单级升压逆变器的控制策略28-41
• 3.1 单级升压逆变器的调制策略28-34
• 3.1.1 单级升压逆变器 SPWM 控制28-31
• 3.1.2 单级升压逆变器 SVPWM 控制31-34
• 3.2 直流母线电压控制方法34-38
• 3.2.1 直流母线电压控制的重要性及特殊性34-35
• 3.2.2 直流母线电压直接控制方法35-36
• 3.2.3 直流母线电压间接控制方法36-38
• 3.3 仿真研究38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 单级升压逆变器光伏并网系统控制策略41-59
• 4.1 单级升压逆变器光伏并网控制系统总体设计41-42
• 4.2 并网电流内环控制策略42-46
• 4.2.1 并网逆变器数学模型42-43
• 4.2.2 控制策略43-46
• 4.3 直流母线电压环控制策略46-47
• 4.4 光伏电池最大功率点跟踪控制策略47-55
• 4.4.1 光伏电池等效模型与输出特性47-49
• 4.4.2 光伏电池的建模49-51
• 4.4.3 最大功率点跟踪基本原理51-52
• 4.4.4 最大功率点跟踪方法52-55
• 4.5 仿真结果55-58
• 4.6 本章小结58-59
• 第五章 单级升压逆变器光伏并网系统设计59-73
• 5.1 系统硬件设计59-67
• 5.1.1 主电路设计59-63
• 5.1.2 控制电路设计63-67
• 5.2 系统软件设计67-72
• 5.2.1 DSP 控制软件设计68-72
• 5.2.2 CPLD 控制软件设计72
• 5.3 本章小结72-73
• 第六章 实验结果及分析73-82
• 6.1 系统硬件实验平台73
• 6.2 独立实验73-77
• 6.2.1 开环实验73-74
• 6.2.2 直流母线电压闭环实验74-75
• 6.2.3 最大功率点跟踪实验75-77
• 6.3 并网实验77-81
• 6.3.1 并网电流内环实验77-79
• 6.3.2 直流母线电压环实验79-80
• 6.3.3 最大功率点跟踪实验80-81
• 6.4 本章小结81-82
• 第七章 总结与展望82-84
• 7.1 全文工作总结82
• 7.2 后续工作展望82-84
• 参考文献84-88
• 致谢88-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的项目89

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