无工频变压器太阳能光伏发电并网逆变器设计

【摘要】：太阳能发电技术以其绿色清洁而愈加受到人们的关注。作为太阳能发电技术的一个重要分支，光伏发电技术正被广泛地应用。光伏发电技术按照结构可以分为离网型和并网型两种主要形式，其中并网型结构现已逐渐成为发展的主流，具有广阔的应用前景。本文针对无工频变压器结构的光伏并网逆变器的主电路拓扑结构及参数计算、控制电路设计及控制策略进行分析和研究。 对于主电路的拓扑结构，本文对现今广泛使用的单级式结构的特点进行了分析并总结出优缺点，针对单级式结构的不足，提出了Boost斩波电路加单相全桥逆变电路的两级式结构。该结构省去了传统的工频变压器，整个结构具有体积小、效率高、控制分开且易于实现等优点。在确定了主电路结构后，依据拟定的指标，逐一地完成主电路各组成元件参数的计算任务。 在确定了主电路的结构及参数之后，根据各被控量及控制要求，设计出并网逆变器的采样电路，各被控量的采集均借助于霍尔传感器完成。 对比几种常见的光伏阵列最大功率点跟踪方法，本文采用使用较为广泛、技术相对成熟的功率扰动跟踪法，并依靠于Boost斩波电路来完成最大功率点跟踪任务。Boost斩波电路在完成最大功率点跟踪任务的同时，又实现了直流电压的提升，以备给后级逆变电路提供足够的直流电压支撑。 建立单相全桥逆变电路的数学模型，进而确定了电压外环、电流内环的并网控制方案。外环电压控制用于稳定逆变器的直流输入电压并给出内环的电流参考值，电流内环用于实现单位功率因数并网。电流参考信号的频率与相位信息，本文利用基于移相滤波器的单相锁相环来完成。在分析了传统PI控制器在跟踪非零频信号的固有缺点之后，本文采用准PR控制器来完成内环电流的跟踪任务。对于并网逆变器的反孤岛效应研究，采用有源频率偏移法来实现。 基于对并网逆变器的分析研究，利用Matlab/Simulink工具箱、PLECS和Pspice等仿真软件分别对主电路、控制电路及控制策略进行了仿真研究。通过仿真结果，进一步验证所设计系统的正确性。 在分析、设计及仿真的基础之上，搭建出并网逆变器的实际应用电路，并最终实现预期的设计目标。 最后，对所做研究进行了概括，并归纳出工作中的不足与今后待完善的方向。 【关键词】：并网逆变器 Boost斩波电路 准PR控制器 Matlab仿真研究
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题背景11
• 1.2 光伏发电国内外应用及研究现状11-13
• 1.2.1 光伏发电国内外应用现状11-12
• 1.2.2 光伏发电国内外研究现状12-13
• 1.3 光伏发电的主要应用形式13-15
• 1.3.1 光伏发电主要结构及应用场合13-14
• 1.3.2 单级式并网结构存在的问题14-15
• 1.4 本课题主要研究内容及设计任务15-17
• 1.4.1 课题的主要研究内容15-16
• 1.4.2 课题的具体设计任务16-17
• 第2章 光伏并网逆变器主电路设计17-30
• 2.1 Boost 斩波电路硬件参数设计17-25
• 2.1.1 伏秒平衡定理17-18
• 2.1.2 Boost 斩波电路结构及原理18-21
• 2.1.3 Boost 斩波电路参数计算21-23
• 2.1.4 IGBT 驱动电路设计23-24
• 2.1.5 IGBT 关断缓冲电路设计24-25
• 2.2 单相全桥逆变电路硬件参数设计25-29
• 2.2.1 单相逆变电路的拓扑结构25-26
• 2.2.2 单相全桥逆变电路参数计算26-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第3章 光伏并网逆变器控制电路设计30-37
• 3.1 霍尔传感器选型30-32
• 3.1.1 闭环霍尔电流传感器30-31
• 3.1.2 闭环霍尔电压传感器31-32
• 3.2 采样调理电路设计32-36
• 3.2.1 直流电压采样电路设计32
• 3.2.2 直流电流采样电路设计32-33
• 3.2.3 交流电压采样电路设计33-34
• 3.2.4 交流电流采样电路设计34-35
• 3.2.5 电网电压同步检测电路设计35-36
• 3.3 本章小结36-37
• 第4章 光伏并网逆变器控制策略研究37-56
• 4.1 升压斩波电路最大功率点跟踪研究37-42
• 4.1.1 光伏电池基本原理及电路特性37-39
• 4.1.2 最大功率点跟踪原理与方法研究39-42
• 4.2 单相全桥逆变电路并网控制研究42-55
• 4.2.1 全桥逆变器并网控制方法42-43
• 4.2.2 单相全桥并网逆变器建模43-44
• 4.2.3 电流调节器设计44-48
• 4.2.4 电压调节器设计48-49
• 4.2.5 电网电压前馈补偿控制研究49-50
• 4.2.6 单相锁相环研究50-52
• 4.2.7 有源频率偏移式反孤岛效应研究52-55
• 4.3 本章小结55-56
• 第5章 光伏并网逆变器仿真及实验56-76
• 5.1 主电路仿真研究56-58
• 5.1.1 Boost 斩波电路仿真研究56-57
• 5.1.2 单相全桥逆变电路仿真研究57-58
• 5.2 控制电路仿真研究58-61
• 5.2.1 直流采样电路仿真研究58-59
• 5.2.2 交流采样电路仿真研究59-60
• 5.2.3 电网电压同步检测电路仿真研究60-61
• 5.3 光伏并网逆变器控制策略仿真研究61-70
• 5.3.1 光伏阵列通用仿真模型搭建61-63
• 5.3.2 最大功率点跟踪仿真研究63-64
• 5.3.3 输出电流控制仿真研究64-65
• 5.3.4 单相软件锁相环仿真研究65-67
• 5.3.5 反孤岛效应仿真研究67-68
• 5.3.6 光伏并网逆变器总体仿真研究68-70
• 5.4 光伏并网逆变器实验70-75
• 5.4.1 驱动电路调试70-71
• 5.4.2 采样电路调试71
• 5.4.3 Boost 斩波电路实验71-73
• 5.4.4 单相全桥逆变电路实验73
• 5.4.5 逆变电路输出电流控制实验73-74
• 5.4.6 光伏并网逆变器并网实验74-75
• 5.5 本章小结75-76
• 结论76-77
• 参考文献77-81
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果81-82
• 致谢82

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