大型太阳能光伏电站并网逆变系统研究

【摘要】：当今社会人类正面临着能源短缺和环境恶化的巨大危机,为了化解危机人类不断探索开发利用绿色可再生能源的新理论和新方法。太阳能光伏发电既有助于缓解能源短缺也有助于阻止环境恶化,因此成为了电气工程界热门的学术研究方向之一。电力电子技术的不断进步以及光伏电池生产成本的不断下降,使太阳能光伏发电从补充能源转变为替代能源成为可能。随着功率及功率密度的不断提高,并网运行将成为太阳能光伏发电最主要的运行方式。本文的研究对象为大型太阳能光伏电站并网逆变系统,该系统具有集中式发电、大功率并网、有功无功解耦控制等特征。 首先,本文通过对太阳能光伏发电最大功率点跟踪的基础理论以及最新理论的研究,提出了一种实用的最大功率点跟踪方法,即基于光伏电池平均物理特性曲线的MPPT方法；通过对锁相环的基础理论以及最新理论的研究,明确了最为有效的锁相环设计理论和方法;通过对三相电压型PWM整流器建模及其控制的基础理论以及最新理论的研究,阐述了PWM整流器的工作原理和拓扑结构,推导了主开关SPWM变换环节的小信号数学模型,分析了能够实现PWM整流器有功分量和无功分量解耦控制的基于dq变换的双闭环控制方案；通过对PWM整流器参数设计原理和经典参数设计公式的研究,建立了一套适用于大功率整流器参数设计的公式,公式推导力求精确,从而有效避免了经典参数设计公式源于推导简化而造成的应用于大功率PWM整流器参数设计时可能出现的参数范围上限值小于下限值的情况。 其次,本文在理论研究的基础上设计了一套适用于大型太阳能光伏并网发电的具有最大功率点跟踪、孤岛检测、有功无功解耦控制的大功率三相电压型SPWM控制逆变系统,并且利用电力电子仿真软件PSIM进行了系统仿真,给出了仿真电路和仿真波形,验证了逆变系统设计的合理性；通过与传统MPPT方法应用的对比,仿真验证了基于光伏电池平均物理特性曲线的MPPT方法的实用性。 再次,本文在理论设计的基础上进行了结构设计,包括通讯系统结构设计控制系统结构设计、主电路系统结构设计；进行了数字信号处理设计,包括锁相环系统数字信号处理设计、控制系统数字信号处理设计；进行了电路设计,包括电源电路设计、采样电路设计、隔离电路设计、驱动电路设计、主电路设计。 最后,本文在对三相电压型SPWM控制逆变系统研究和设计的基础上,进行了三相电压型SVPWM控制逆变系统的研究和分析。通过对SVPWM控制基本原理的研究,提出了一种SVPWM控制的应用技术；推导了主开关SVPWM变换环节的小信号数学模型；进行了三相电压型SVPWM控制逆变系统的理论设计,仿真验证了系统设计的合理性以及所设计应用技术的实用性。 另外,本文在附录部分设计了一套逆变系统小功率原理验证装置,通过试验验证了控制系统设计的合理性和实用性。 【关键词】：光伏并网发电 MPPT 孤岛检测 SPWM控制 SVPWM控制
【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;TM464
【目录】：

• 目录4-7
• CONTENTS7-11
• 摘要11-13
• ABSTRACT13-17
• 第1章 绪论17-27
• 1.1 太阳能光伏并网发电的背景17-19
• 1.1.1 社会发展对能源的需求17
• 1.1.2 化石能源的枯竭17-18
• 1.1.3 地球能量之源——太阳能18
• 1.1.4 光伏电池技术的快速发展18
• 1.1.5 光伏产业的全面发展18-19
• 1.2 太阳能光伏并网发电系统概述19-23
• 1.2.1 太阳能光伏并网发电系统类型19-20
• 1.2.2 太阳能光伏并网逆变系统典型结构20
• 1.2.3 太阳能光伏并网逆变系统典型并网方式20-21
• 1.2.4 太阳能光伏并网逆变系统相关技术21-23
• 1.3 大型太阳能光伏并网发电系统概述23-25
• 1.3.1 光伏组件阵列介绍23
• 1.3.2 大型太阳能光伏并网逆变系统23
• 1.3.3 大型太阳能光伏电站监控及调度系统23-24
• 1.3.4 大型太阳能光伏电站通讯系统及微机保护24-25
• 1.4 本文的主要研究内容25-27
• 第2章 光伏发电最大功率点跟踪(MPPT)技术27-33
• 2.1 光伏电池的数学模型及电气外特性27-28
• 2.2 现有最大功率点跟踪技术特点分析28-29
• 2.3 基于光伏电池平均物理特性曲线的MPPT方法29-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第3章 锁相环技术33-45
• 3.1 锁相环基本原理33-36
• 3.1.1 鉴相器数学模型介绍33-35
• 3.1.2 环路滤波器数学模型介绍35
• 3.1.3 压控振荡器数学模型介绍35-36
• 3.2 锁相环环路滤波器结构及参数设计36-40
• 3.2.1 RC积分滤波器设计36-37
• 3.2.2 比例积分滤波器设计37-39
• 3.2.3 PI+惯性环节调节器设计39-40
• 3.3 三相电压锁相环结构及参数设计40-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 三相电压型SPWM整流器建模及其控制技术45-77
• 4.1 整流器主电路等效平均电路模型及双环控制回路设计45-52
• 4.1.1 三相静止坐标系下整流器主电路等效平均电路模型及双环控制回路设计45-48
• 4.1.2 dq旋转坐标系下整流器主电路等效平均电路模型及双环控制回路设计48-52
• 4.2 整流器双环控制回路数学模型52-56
• 4.2.1 主开关SPWM变换环节传递函数52-56
• 4.2.2 主开关SPWM变换环节直流侧电流与交流侧相电流峰值关系56
• 4.2.3 整流器双环控制回路数学模型56
• 4.3 整流器电感、电容设计56-76
• 4.3.1 基于L型滤波的整流器交流侧电感设计56-66
• 4.3.2 基于LCL型滤波的整流器交流侧电感、电容设计66-71
• 4.3.3 整流器直流侧电容设计71-76
• 4.4 本章小结76-77
• 第5章 大型太阳能光伏电站并网逆变系统理论设计与仿真77-95
• 5.1 整流器电感、电容设计77-80
• 5.1.1 基于L型滤波的整流器交流侧电感设计77-78
• 5.1.2 基于LCL型滤波的整流器交流侧电感、电容设计78-80
• 5.1.3 整流器直流侧电容设计80
• 5.2 整流器控制回路参数设计80-85
• 5.2.1 整流器流控制器设计81-83
• 5.2.2 整流器电压控制器设计83-85
• 5.3 MPPT控制方案设计85-87
• 5.3.1 基于传统控制方法(扰动观察法)的控制方案设计85-86
• 5.3.2 基于光伏电池平均物理特性曲线方法的控制方案设计86-87
• 5.4 逆变系统理论仿真87-94
• 5.4.1 仿真方案设计87-88
• 5.4.2 仿真目标设计88
• 5.4.3 仿真结果88-94
• 5.4.4 仿真结论94
• 5.5 本章小结94-95
• 第6章 逆变系统结构设计95-103
• 6.1 通讯系统结构设计95-97
• 6.1.1 现场总线——CAN总线介绍95
• 6.1.2 RS-485总线介绍95-96
• 6.1.3 通讯系统结构设计96-97
• 6.2 控制系统结构设计97-99
• 6.2.1 TMS320F28335芯片介绍97-99
• 6.2.2 控制系统结构设计99
• 6.3 主电路系统结构设计99-102
• 6.3.1 电力电子全控型器件介绍99-101
• 6.3.2 电力电子器件的驱动101
• 6.3.3 电力电子器件的保护101-102
• 6.3.4 IPM智能功率模块102
• 6.3.5 主电路系统结构设计102
• 6.4 本章小结102-103
• 第7章 逆变系统数字信号处理设计103-107
• 7.1 数字信号处理系统的基础数据采集103
• 7.2 数字信号处理系统的数据处理103-104
• 7.3 数字信号处理系统数字处理模块的数字化104-106
• 7.3.1 惯性环节的数字化104-105
• 7.3.2 PI调节器的数字化105-106
• 7.3.3 积分器的数字化106
• 7.4 整流器双环控制回路数学模型再分析106
• 7.5 本章小结106-107
• 第8章 逆变系统电路设计107-117
• 8.1 电源电路设计107-110
• 8.1.1 小功率电源设计107-109
• 8.1.2 隔离电源模块介绍109
• 8.1.3 大功率电源设计109-110
• 8.2 采样电路设计110-113
• 8.2.1 采样隔离电路设计111
• 8.2.2 运算放大器介绍111-112
• 8.2.3 有源滤波器设计112
• 8.2.4 调理电路设计112-113
• 8.3 TMS320F28335芯片管脚介绍113
• 8.4 驱动信号隔离电路设计113-114
• 8.5 大功率IGBT驱动电路设计114-115
• 8.6 大功率IGBT保护电路设计115-116
• 8.6.1 故障信号检测电路介绍115
• 8.6.2 抑制、缓冲电路介绍115-116
• 8.7 主电路设计116
• 8.8 本章小结116-117
• 第9章 三相电压型SVPWM整流器建模及其控制技术117-129
• 9.1 SVPWM控制及应用技术117-121
• 9.1.1 SVPWM控制技术简介117-120
• 9.1.2 SVPWM应用技术研究120-121
• 9.2 整流器主开关SVPWM变换环节数学模型121-125
• 9.2.1 一种特殊载波的SPWM控制分析121-124
• 9.2.2 SVPWM整流器主开关PWM变换环节传递函数124-125
• 9.3 三相电压型SVPWM整流器双环控制回路数学模型125-126
• 9.4 三相电压型SVPWM逆变系统理论仿真126-128
• 9.4.1 仿真方案设计127
• 9.4.2 仿真结果127-128
• 9.5 本章小结128-129
• 第10章 总结与展望129-131
• 10.1 主要内容总结129-130
• 10.2 进一步工作130-131
• 附录 逆变系统小功率原理验证装置设计131-139
• 参考文献139-149
• 致谢149-150
• 学位论文评阅及答辩情况表150

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