光伏并网逆变器辨识建模方法及应用

【摘要】：能源危机和气候变化是当今全球面临的主要挑战之一。作为人类应对这些挑战的努力，太阳能光伏产业应运而生。光伏并网逆变器作为太阳能光伏电池阵列与公共电网的接口装置，是光伏并网发电系统中的核心部件，在新能源的开发利用中起到了至关重要的作用，对其进行研究具有重要意义。建立光伏并网逆变器的数学模型，是一切研究工作的基础。目前由逆变器供应商提供的数学模型都是基于机理建模法，通过大量简化假设而得到的，使用方难以判断其准确性，要通过逐个产品的验证测试来修正其模型，这对于设备使用方来说具有极大的难度，制约了分布式电源接入电力系统的建模、仿真、控制方法、电能质量等方面的研究与设计，因此迫切需要提出新的分布式电源逆变器建模方法来满足新能源并网系统的理论分析与建设需求。 针对光伏并网逆变器的建模问题，基于非线性系统辨识建模方法，较为深入地研究了不同光伏并网逆变器的建模问题，包括单相、三相光伏并网逆变器的辨识建模方法及三相光伏逆变器模型的系统仿真研究。 论文提出了单相光伏并网逆变器NARX模型的系统辨识方法。针对商用光伏并网逆变器的“黑箱”特征，以及现有的线性化建模方法无法解决逆变器的强非线性问题，将单相光伏并网逆变器视为“黑箱”，无需逆变器内部电路、功率开关器件等拓扑结构和参数及其控制系统的类型和逻辑关系，仅仅利用逆变器输入-输出两侧的外部测量数据，基于NARX模型非线性系统辨识技术，可建立较为准确的数学模型，实现对商用光伏并网逆变器准确描述其动态特性的可能。辨识所得单相光伏并网逆变器NARX模型结构简单，运算量小，在模型的复杂性和模型的精确性方面取了很好的平衡，适用于电力系统对并网光伏发电系统的调度、联合运行与协调控制、随机模拟等需要快速建模与简单模型结构的研究领域。 针对进一步提高辨识模型精度的问题，论文提出了基于Wiener模型的单相光伏并网逆变器模型辨识方法。方法基于非线性理论和离散时间方法，仍然将单相光伏并网逆变器视为“黑箱”，采集多时间阶段、不同典型光照条件下单相光伏并网逆变器的输入-输出信息，辨识出与“黑箱”特性等价的单相光伏并网逆变器Wiener模型。最后在相同实验条件下，对比分析了单相光伏并网逆变器Wiener模型与Hammerstein-Wiener模型以及本文第二章提出的NARX模型。结果表明，单相光伏并网逆变器Wiener模型及其辨识建模方法，能更好的反映实际单相光伏并网逆变器在不同天气条件下的动态行为，具有更高的精确度与适应性，但模型相对复杂，运算量较大。适用于需要精确使用光伏并网逆变器模型的场合。 光伏并网模式有单相模式和三相模式。辨识建模方法用于三相逆变器时，输入、输出变量多，模型复杂，模型参数难以辨识。在单相光伏并网逆变器辨识建模方法的基础上，提出了适用于三相光伏并网逆变器的非线性系统辨识建模方法。为了简化三相逆变器的建模，对三相系统进行了简化处理。在输入端，选取输入电压电流作为输入量；在输出端，借鉴对称三相电路的分析方法，任选一相有功无功输出用于辨识，然后根据三相对称关系进行重建。将辨识模型简化为双输入双输出系统，降低了辨识难度，对三相系统简化后分别应用NARX模型和Wiener模型构建了三相光伏逆变器的建模方法。 为了分析比较不同建模方法的优劣，建立了双级三相光伏并网发电仿真系统，在系统中对各种三相光伏并网逆变器模型(详细模型、NARX模型、Wiener模型)进行了仿真研究，优选了基于NARX模型的非线性系统辨识建模方法。所得模型结构简单、运算量小、模型精度较高，可作为三相光伏并网逆变器的辨识建模方法。 【关键词】：光伏 逆变器 系统辨识 NARX Wiener
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 绪论11-29
• 1.1 选题意义及研究背景11-19
• 1.1.1 太阳能资源概述11-12
• 1.1.2 太阳能光伏发电概述12-13
• 1.1.3 光伏发电系统分类13-14
• 1.1.4 光伏并网逆变器的发展概述14-16
• 1.1.5 光伏并网逆变器控制策略的发展概述16-19
• 1.2 光伏并网逆变器建模方法的研究现状19-27
• 1.2.1 机理建模法20-21
• 1.2.2 实验测试建模法21-27
• 1.3 本文主要研究内容27-29
• 2 单相光伏并网逆变器的 NARX 模型及其辨识方法29-51
• 2.1 引言29
• 2.2 NARX 模型29-32
• 2.2.1 回归分析器30
• 2.2.2 非线性估计器30-32
• 2.3 单相光伏并网逆变器 NARX 模型辨识32-39
• 2.3.1 逆变器辨识建模流程32-33
• 2.3.2 输入-输出数据的采集33-36
• 2.3.3 模型结构和参数辨识36-38
• 2.3.4 模型验证38-39
• 2.4 实验39-50
• 2.4.1 光伏并网发电实验系统39-42
• 2.4.2 单相光伏并网逆变器 NARX 模型的辨识结果42-47
• 2.4.3 逆变器 NARX 模型验证的结果与分析47-50
• 2.5 本章小结50-51
• 3 单相光伏并网逆变器的 Wiener 模型及其辨识方法51-67
• 3.1 引言51
• 3.2 Wiener 模型51-55
• 3.2.1 动态线性模块52-53
• 3.2.2 静态非线性模块53-55
• 3.3 单相光伏并网逆变器 Wiener 模型辨识55-59
• 3.3.1 逆变器辨识建模流程55-56
• 3.3.2 模型结构辨识56-58
• 3.3.3 模型参数辨识58
• 3.3.4 模型验证58-59
• 3.4 实验59-66
• 3.4.1 实验设计、数据采集与处理59-60
• 3.4.2 单相光伏并网逆变器 Wiener 模型的辨识结果60-61
• 3.4.3 逆变器 Wiener 模型与 Hammerstein-Wiener 模型的比较分析61-65
• 3.4.4 逆变器 Wiener 模型与 NARX 模型的比较分析65-66
• 3.5 本章小结66-67
• 4 三相光伏并网逆变器的辨识建模方法67-91
• 4.1 引言67-68
• 4.2 三相光伏并网逆变器的数字仿真详细模型68-75
• 4.2.1 详细模型的拓扑结构与参数69-70
• 4.2.2 详细模型的并网控制策略70-71
• 4.2.3 三相光伏并网逆变器详细模型仿真71-75
• 4.3 基于 NARX 模型的三相光伏并网逆变器辨识建模方法75-84
• 4.3.1 辨识建模流程75
• 4.3.2 输入-输出数据的采集75-76
• 4.3.3 模型结构和参数辨识76-81
• 4.3.4 逆变器三相输出重构81
• 4.3.5 模型验证81-84
• 4.4 光伏并网逆变器三相 Wiener 模型的辨识建模方法84-90
• 4.4.1 辨识建模流程84
• 4.4.2 输入-输出数据的采集84
• 4.4.3 模型结构和参数辨识84-87
• 4.4.4 逆变器三相输出重构87-88
• 4.4.5 模型验证88-90
• 4.5 本章小结90-91
• 5 三相光伏并网发电系统仿真及辨识模型优选91-107
• 5.1 引言91
• 5.2 三相光伏并网发电系统及其仿真研究91-99
• 5.2.1 DC-DC 升压变换器92-93
• 5.2.2 低通滤波器93
• 5.2.3 耦合变压器93
• 5.2.4 最大功率点跟踪控制93-96
• 5.2.5 三相光伏并网发电仿真系统参数96-97
• 5.2.6 三相光伏并网发电系统仿真研究97-99
• 5.3 三相光伏并网逆变器模型优选99-106
• 5.3.1 优选步骤99-100
• 5.3.2 模型仿真100-105
• 5.3.3 比较分析105-106
• 5.4 本章小结106-107
• 6 结论与展望107-109
• 6.1 全文总结107-108
• 6.2 后续工作展望108-109
• 致谢109-111
• 参考文献111-121
• 附录121-127
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录121
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目121-122
• C. 单相光伏并网逆变器 Wiener 模型系数122-126
• D. 三相光伏并网逆变器 Wiener 模型系数126-127

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