太阳能光伏发电系统产生正弦波的优化研究

【摘要】：能源是人类社会生存和发展的动力源泉。当今,各种节能的科学技术正在快速的发展。太阳能的开发利用步伐在这种潮流当中也迅速发展。关于太阳能的开发利用,太阳能的光伏发电利用是其的一个主要组成部分。 太阳能的光伏发电主要利用了太阳能辐射能量,通过太阳能光伏阵列收集辐射能量,进而将辐射能量转换为电能,这些电能通过电能收集装置储存起来或者直接通过逆变器转换为工频电能馈送到电网。本文针对并网运行的单相光伏逆变器,采用有效的最大功率点跟踪(MPPT)外环、瞬时值的比例-谐振(PR)控制算法的电流内环,既保证了并网逆变器输出的正弦波零静态误差,又保证了逆变器的输出正弦波形的质量(THD)。为此,论文主要对系统的电路拓扑结构、控制方法以及并网过程中的正弦波电流和反孤岛保护等技术进行了分析研究。 本文首先针对太阳能的光伏发电现状进行分析,表明现在太阳能光伏发电的关键技术,总结了一些关于单相并网逆变器的基本原理和逆变器发电系统的拓扑结构,并指出太阳能光伏阵列的转换效率是可以充分地提高的,其关键的技术是最大功率点跟踪(MPPT)算法。通过该算法,整套太阳能发电系统的太阳能利用效率会得到相当大的提高。 其次,太阳能逆变器的核心是控制器算法。本文比较各种电流环控制算法而提出采用比例谐振(PR)控制算法的逆变器,它的跟踪曲线比传统的采用PI控制算法的逆变器好。而根据自动控制理论的方法,它的参数整定也是较为容易的,只要遵循几条基本原则即可获得较为理想的控制效果。针对本文的研究对象(正弦波优化问题),比例谐振(PR)控制算法正是非常合适的,该算法与传统的比例积分(PI)算法相比较,PR算法拥有了算法简单且容易调整参数的特点,而且PR算法特别地针对正弦波给定的对象,可以提供一个频率上的较大增益,满足生成正弦波(50Hz)的苛刻需求。因而,本文主要针对比例谐振(PR)算法进行展开,分析算法的特点与参数整定步骤,进而通过MATLAB仿真的措施进行算法验证。 最后,针对正弦波的优化问题,本文进行具体硬件上的因数讨论,如电磁兼容、电路信号检测、逆变器H桥的驱动问题等。通过分析各个区域硬件的组成,比较各种功能相似而硬件组成不同的电路结构,表明本文的硬件结构是为了尽量提高输出电流波形质量而采取的办法,虽然电路结构有简单的也较复杂的,但是从研究出来的实际电流波形看来,电路结构是正确的,合理的。 【关键词】：并网逆变器 比例谐振算法 并网电流波形
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-15
• 1.1 引言11-12
• 1.2 光伏发电的现状12-13
• 1.3 太阳能光伏发电的关键技术13
• 1.4 本文所做的工作13-15
• 2 单相并网逆变器的基本原理及技术15-24
• 2.1 单级式与双级式15-16
• 2.2 逆变器系统的拓扑结构16-18
• 2.3 最大功率点跟踪18-20
• 2.4 并网逆变器的结构及其控制方法20-23
• 2.4.1 并网逆变器的结构20-21
• 2.4.2 电流滞环控制方法21-22
• 2.4.3 电流内环的软件控制方法22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 3 光伏电池板阵列最大功率点跟踪方法研究24-29
• 3.1 常规寻找最大功率点的方法介绍24-27
• 3.1.1 非自寻优算法24-25
• 3.1.2 自寻优算法25-27
• 3.2 变步长的扰动观测方法27-28
• 3.3 本章小结28-29
• 4 孤岛检测方法的研究29-34
• 4.1 孤岛产生的起源及其保护标准29-30
• 4.2 孤岛常规的检测方法30-32
• 4.2.1 主动式检测方法30
• 4.2.2 被动式检测方法30-32
• 4.3 过/欠压和过/欠频检测32-33
• 4.4 本章小结33-34
• 5 逆变器软件控制器设计34-46
• 5.1 控制系统的结构34
• 5.2 并网型的逆变器结构及其控制理论34-37
• 5.3 单相并网型逆变器的同步信号形成方法37-40
• 5.3.1 正弦波数据表法38-39
• 5.3.2 采样法39-40
• 5.4 单相并网型逆变器的控制方法40-44
• 5.4.1 电流滞环控制42
• 5.4.2 比例积分控制42-44
• 5.4.3 比例谐振控制44
• 5.5 本章小结44-46
• 6 比例谐振电流控制器46-53
• 6.1 比例谐振控制器的设计理念46-48
• 6.2 比例谐振控制器的组成与分析48-51
• 6.2.1 比例谐振控制器的开环传递函数48-50
• 6.2.2 比例谐振控制器的参数整定50-51
• 6.3 本章小结51-53
• 7 逆变器的硬件电路设计53-68
• 7.1 逆变器电路的设计53-63
• 7.1.1 逆变器的电磁兼容分析53-55
• 7.1.1.1 接地54
• 7.1.1.2 工作电源的电磁兼容54-55
• 7.1.2 逆变器的DSP控制模块55-60
• 7.1.2.1 微控制器DSP55
• 7.1.2.2 数据采集通道55-56
• 7.1.2.3 隔离与驱动56-58
• 7.1.2.4 保护电路58-59
• 7.1.2.5 控制信号的脉宽限制电路59-60
• 7.1.3 逆变器的主电路功率模块60-63
• 7.2 主电路的硬件参数考虑与调整63-67
• 7.2.1 逆变器的功率等级考虑64
• 7.2.2 逆变器输出波形的滤波方案64-65
• 7.2.3 逆变器PCB的抗干扰设计65-67
• 7.3 本章小结67-68
• 8 单相单级式光伏并网发电系统的设计结果68-72
• 8.1 逆变器的实验环境及设备68
• 8.2 逆变器的并网运行状况68-70
• 8.3 逆变器的电流波形的谐波分析70-72
• 9 结论72-74
• 参考文献74-76
• 致谢76-77
• 附录77-81

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