光伏并网模拟装置的研制

【摘要】：随着当今能源的消耗日益剧增和传统能源的日趋减少,以及使用传统能源所带来的一系列相关问题逐渐增加,如环境污染、温室效应等诸多问题,对于开发新能源的需求越来越大。当今各国都在致力于新能源的开发,如原子能、风能、太阳能等。在最近十年的发展中,太阳能得到了迅速发展。目前作为基础设施的电力行业正在努力利用太阳能,为电力的发展注入新的生机与活力。光伏并网发电已经成为时代的潮流和制约太阳能应用的关键技术。 太阳能是一种清洁无污染的可再生能源,可以大规模开发应用到日常生活以及工业上,它的应用受到极大发展,具有广阔的应用前景。太阳能光伏并网发电是开发利用太阳能的一种有效手段,受到越来越多的关注。对太阳能光伏并网发电的研究是一个既具有理论价值也有现实意义的课题。另外,随着集成芯片的快速发展,出现了各种高性能数字信号处理芯片(如FPGA),使得各种先进的控制策略成功实现,并快速应用于光伏并网逆变器。这一趋势使得光伏并网发电成为太阳能光伏利用的主要发展趋势,得到快速的发展。 本课题对太阳能光伏并网发电模拟装置进行了研制,重点研究了交流逆变器,其中控制算法主要采用了最大功率点跟踪(MPPT)控制算法和并网电流波形控制方法。在文中进行了详细地论证和讨论。 本文首先分析了太阳能光伏电池的工作原理和基本特性,在此基础上建立了光伏电池的等效电路和数学模型。介绍了目前比较常用的MPPT控制技术的原理并且对其进行了比较论证。 重点研究了光伏发电并网逆变器的拓扑和电流控制策略,建立了光伏发电并网逆变器的数学模型,分析对比了不同的控制方案。对并网逆变器的滤波方式也进行了一些研究和分析,对比了L和LCL两种滤波方式,给出了滤波器参数的设计方法。 本设计以ALTERA公司的Cyclone Ⅱ EP2C35F672C6(FPGA)作为系统的控制核心,以全桥逆变电路为功率变换主回路,采用正弦脉宽调制技术(SPWM)作为逆变电路控制信号,主要在硬件上研究各模块的实现,并结合Protel DXP软件将各模块硬件电路制作出来,搭建调试,在软件的配合下,完全实现设计要求。 设计的光伏并网发电模拟装置具有最大功率点跟踪(MPPT)、输出相位和频率跟踪参考信号功能。该系统采用数字式闭环反馈控制,确保变压器反馈信号和参考信号之间同频同相。DC-AC功率变换部分效率高达84%,输出电压波形失真度小于5%,具有输入欠压保护、输出过流保护以及故障排除后的自动恢复等功能。设计了L和LCL两种滤波器,通过实验对比了这两种方式的滤波效果；采用主电路和控制电路一体化的方案设计了实验样机的PCB印制电路板,PCB设计过程中充分考虑了主电路和控制电路一体化设计时的电磁兼容问题。通过带负载实验和并网实验证明了控制策略和硬件设计的正确性,系统能够安全稳定可靠运行。 本设计主要在硬件上研究各模块的实现,并结合Protel DXP软件将各模块硬件电路制作出来,搭建调试,在软件的配合下,完全实现设计要求。在此背景下,本论文对太阳能并网发电系统中的核心器件—并网逆变器进行了较深入的研究,以最大限度的利用太阳能作为主要目标,采用ALTERA公司生产的Cyclone ⅡEP2C35F672C6对系统进行控制,开展了太阳能并网发电系统的理论和试验研究,具有十分重要的现实意义。 经过近一年的理论学习和潜心研究,该系统可实现如下功能：(1)具有最大功率跟踪(MPPT)功能；(2)具有频率跟踪功能；(3)当RS=RL=30Q时,DC-AC变换器的效率η≥60%；(4)当RS=RL=30Q时,输出电压uo的失真度THD≤5%；(5)具有输入欠压保护功能；(6)具有输出过流保护功能； 从各部分的测试结果来看,本系统的设计方案完全可行。然而由于开发时间、设计任务、设计水平等原因,系统还存在着一些不足,亟待改进。 【关键词】：光伏并网 逆变器 最大功率点跟踪(MPPT) 正弦脉宽调制(SPWM)
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 前言10-11
• 第2章 选题背景11-18
• 2.1 课题来源、研究目的及意义11-12
• 2.2 国内外研究现状12-16
• 2.3 研究的主要内容16-18
• 第3章 光伏并网发电系统模拟装置设计原理18-32
• 3.1 逆变原理18-21
• 3.2 正弦脉宽调制SPWM21-24
• 3.3 SPWM在单相全桥逆变器中的运用24-27
• 3.4 最大功率点跟踪(MPPT)27-32
• 第4章 总体规划32-34
• 4.1 系统总体方案的选择32
• 4.2 正弦逆变器主电路结构32
• 4.3 正弦逆变器的控制32-33
• 4.4 MPPT功能33
• 4.5 系统总体实现手段33-34
• 第5章 方案论证34-42
• 5.1 DC-AC逆变模块方案论证34-35
• 5.2 MOSFET驱动电路方案论证35
• 5.3 滤波器模块方案论证35
• 5.4 控制器模块方案论证35
• 5.5 测量模块方案论证35-38
• 5.6 MPPT最大功率点跟踪方案论证38-42
• 第6章 过程论述42-61
• 6.1 MPPT控制模块的算法42-45
• 6.2 LC滤波模块中电容和电感的选择45-46
• 6.3 系统硬件电路设计46-55
• 6.4 软件实现55-61
• 第7章 结果分析61-65
• 7.1 系统实现功能61
• 7.2 测试方案61-62
• 7.3 测试结果62-64
• 7.4 误差产生及改进方法64-65
• 第8章 总结65-66
• 参考文献66-69
• 致谢69-70
• 附录70-77
• 个人简介77-78

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