三相混合箝位型三电平光伏发电系统研究与设计

【摘要】：近年来,随着光伏发电系统容量的不断提高,多电平光伏逆变系统得到了迅速发展。多电平功率变换器具有耐压值高、开关应力小等优点,并且能以较低的开关频率实现高质量波形输出。对于多电平光伏发电系统仍然存在较多的问题需要去研究,比如中点电位平衡问题、系统漏电流问题、直流电压利用率问题、开关频率优化问题、控制策略简化问题、抗三相不平衡问题以及上述问题的综合优化问题等。考虑到上述问题,本课题分别对三相三线制混合箝位三电平光伏逆变系统以及三相四线制混合箝位三电平光伏逆变系统进行了相关控制方法和理论、实验研究,分别针对这两种不同的结构得出其多目标最优化方案。 首先对太阳能光伏发电的发展和多电平光伏发电系统的研究背景和意义进行了相关分析。对传统多电平光伏系统存在的诸多问题进行研究之后,提出了本课题的研究内容和目标。 其次对三相混合箝位型三电平三线制逆变系统的电容充放电回路以及控制方法进行了相关研究,并针对箝位电容放电回路总结出了三条新的实用性的结论。在传统SPWM方式以及注入三次谐波方式的基础上,提出了适合本拓扑结构的两相控制方式。通过分析两相控制方式下的箝位电容充放电回路可知箝位电容可以顺利充放电,从而可以保证中点电位的可靠平衡。但是,无论是两相控制方式还是SPWM方式,都是在传统载波移相方法基础上的。通过分析其开关矢量并结合总结出的三条新的放电结论可知,传统载波移相方法不能充分利用所有的放电回路,这样会导致箝位电容的放电过程偏慢,从而使得系统的动态输出THD有所增加并增加了箝位电容出现泵升可能性。为此,结合总结出的结论,在原有PWM信号的基础上对SPWM方式和两相控制方式的PWM信号进行了相应地改进。改进过后箝位电容放电过程变得更加迅速,从而可以改善系统的动态输出,有效保证箝位电容电压不会超过直流母线电压的一半并可以很好地保证中点电位的平衡。两相控制方式还可以提高约15%的直流母线电压利用率以及减少约1/3的开关损耗。针对两相控制方式,对此拓扑结构的独立运行与并网运行两种模式的控制方法进行了分析。需要说明的是,两相控制方式还适用于更多电平数的逆变系统。 再者对三相四线制混合箝位型三电平光伏逆变系统的电容充放电回路以及控制方法进行了相关研究。在上述研究基础上,提出了针对此拓扑结构的3D-SPWM方式。此方式不仅控制简单,还能有效保证中点电位的平衡、削减系统漏电流并可有效抑制三相负载不平衡。对于此拓扑结构的逆变系统,3D-SPWM即可满足系统控制要求而无需控制更加复杂的3D-SVPWM方式。针对3D-SPWM方式,对适合此拓扑结构的独立运行与并网运行两种方式的控制方法进行了分析。 最后对三相混合箝位型三电平光伏发电系统的硬件部分与软件部分分别进行了详细地分析,建立了基于FPGA的三电平光伏逆变系统实验平台。经过相关仿真研究后,在此实验平台上进行了实验验证。相关仿真与实验结果表明本文提出的针对混合箝位多电平三相三线系统的两相控制方式以及针对三相四线系统的3D-SPWM方式是有效的。 【关键词】：三相三线制混合箝位三电平逆变器 两相控制方式 三相四线制混合箝位三电平逆变器 3D-SPWM方式 FPGA
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 目录4-7
• CONTENTS7-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 第一章 绪论14-19
• 1.1 光伏产业的发展及背景14-15
• 1.2 多电平逆变器在光伏发电中的背景及意义15-16
• 1.3 多电平光伏发电系统的国内外研究现状16-17
• 1.4 课题研究的主要内容和预期目标17-19
• 1.4.1 课题的主要研究内容17
• 1.4.2 具有独立/并网功能的混合箝位式三电平光伏逆变器指标17
• 1.4.3 本文的主要工作17-19
• 第二章 三相三线制混合箝位三电平光伏逆变器及控制方法19-37
• 2.1 拓扑结构及工作原理19-20
• 2.2 电容充放电回路分析20-25
• 2.2.1 箝位电容充电回路21-22
• 2.2.2 箝位电容放电回路22-24
• 2.2.3 保证中点电位可靠平衡的三条结论24-25
• 2.3 适用于混合箝位三电平三相三线制逆变器的调制方法25-31
• 2.3.1 SPWM方式25-27
• 2.3.2 注入三次谐波方式27-28
• 2.3.3 两相控制方式28-31
• 2.4 PWM信号的改进31-34
• 2.4.1 对SPWM方式生成PWM信号的改进31-33
• 2.4.2 对两相方式生成PWM信号的改进33-34
• 2.5 基于两相控制的光伏系统独立运行控制分析34-35
• 2.6 基于两相控制的光伏系统并网运行控制分析35-36
• 2.7 本章小结36-37
• 第三章 三相四线制混合箝位三电平光伏逆变器及控制方法37-48
• 3.1 系统结构37-38
• 3.2 电容充放电回路分析38-40
• 3.3 系统漏电流分析40-42
• 3.3.1 三相四线制混合箝位三电平逆变器漏电流模型40-41
• 3.3.2 保证系统漏电流较低的条件41-42
• 3.4 系统独立运行3D-SPWM控制方法42-44
• 3.5 系统并网运行3D-SPWM控制方法44
• 3.6 三相四线制逆变系统3D-SPWM和3D-SVPWM的归一性44-45
• 3.7 2D-SPWM和3D-SPWM控制方式比较45-46
• 3.7.1 独立运行时对各指标的影响45-46
• 3.7.2 并网运行时对各指标的影响46
• 3.8 本章小结46-48
• 第四章 三相混合箝位三电平光伏逆变系统硬件设计48-58
• 4.1 系统设计48-49
• 4.2 滤波电路设计49-51
• 4.2.1 光伏系统独立运行时LC滤波器设计49-50
• 4.2.2 光伏系统并网运行时LCL滤波器设计50-51
• 4.3 驱动电路设计51-52
• 4.4 检测电路设计52-55
• 4.4.1 电压检测电路52-53
• 4.4.2 电流检测电路53-54
• 4.4.3 ADS8364六通道同步采样模数转换器54-55
• 4.5 保护电路设计55-57
• 4.5.1 过电流保护电路55-56
• 4.5.2 温度保护电路56-57
• 4.6 锁相环电路设计57
• 4.7 控制电路设计57
• 4.8 本章小结57-58
• 第五章 三相混合箝位三电平光伏逆变系统软件设计58-73
• 5.1 QUARTUS Ⅱ软件介绍58-59
• 5.2 系统复位模块设计59-60
• 5.3 系统同步模块设计60-61
• 5.4 采样模块设计61-62
• 5.5 保护模块设计62-64
• 5.6 锁相环模块设计64-65
• 5.7 sin表存储与地址发生器模块65-66
• 5.8 中心控制模块设计66-69
• 5.8.1 PI控制器模块66-67
• 5.8.2 独立运行控制模块67-68
• 5.8.3 并网运行控制模块68-69
• 5.9 PWM发生模块设计69-71
• 5.10 逻辑资源与时序的优化71-72
• 5.11 本章小结72-73
• 第六章 系统仿真与实验结果分析73-86
• 6.1 三相三线制两相控制方式对系统性能的影响73-77
• 6.1.1 独立运行实验分析73-76
• 6.1.2 并网运行仿真分析76-77
• 6.2 三相四线制结构相关仿真与实验波形分析77-85
• 6.2.1 独立运行实验分析77-79
• 6.2.2 并网运行仿真分析79-82
• 6.2.3 锁相环测试82-83
• 6.2.4 改进PWM信号后的相关实验波形83-85
• 6.3 本章小结85-86
• 总结与展望86-87
• 参考文献87-92
• 致谢92-93
• 读研期间发表的论文和参加的科研项目93-94
• 学位论文评阅及答辩情况表94

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