基于功率前馈的单级式三相光伏并网逆变器的研究

【摘要】：单级式光伏并网系统仅需要一级能量变换就可以完成最大功率点跟踪(MPPT)和并网两个功能，因此在效率和成本上都有较大的优势，但是与此同时也会带来一些缺点，如控制复杂，直流母线电压过高等，所以深入研究单级式光伏并网逆变系统，对于未来新能源问题的解决有重要的研究价值和研究意义。 本文以单级式三相光伏并网逆变器为研究对象。首先分析了光伏电池的原理与输出特性并建立其数学模型，根据光伏电池的输出特性对比分析定电压跟踪法、扰动观察法和电导增量法这三种常用MPPT算法的优缺点。在此基础上提出了一种“钟摆式”MPPT算法，同时对该算法进行了理论分析，并将其与传统扰动观察法进行仿真对比，突出了“钟摆式”MPPT算法的优势。 其次，对单级式三相光伏并网逆变器的数学模型与控制策略进行了详细的研究与分析。针对传统双环控制中直流母线电压响应慢，不利于MPPT的快速搜索，本文将功率前馈算法应用于本系统的的外环控制中，并将其与传统的双环PI控制进行仿真对比。此外，针对实际并网控制中调节器设计不合理，参数试凑等问题，对PI调节器参数设计进行了深入研究，通过详细的理论推导得出一种新型设计PI调节器的方法。在完成MPPT算法与逆变器控制策略的分析后，将“钟摆式”MPPT算法与基于功率前馈的双环控制相结合，对单级式三相光伏并网逆变系统进行了整体的仿真研究。 最后，本文对整个系统的硬件和软件进行了详细的设计。在设计的基础上搭建了一套3kVA的单级式三相光伏并网逆变器样机，通过数字控制，完成了整个系统的实验验证。实验结果验证了“钟摆式”MPPT算法以及基于功率前馈控制方案的可行性和有效性。 【关键词】：单级式光伏逆变器 最大功率点跟踪 PI调节器 功率前馈
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.2 国内外光伏并网发电的现状及趋势11-12
• 1.3 光伏并网发电系统介绍12-14
• 1.3.1 两级式光伏并网发电系统12-13
• 1.3.2 单级式光伏并网发电系统13-14
• 1.4 光伏并网发电控制技术研究现状14-16
• 1.4.1 最大功率点跟踪技术研究现状14
• 1.4.2 并网控制技术研究现状14-16
• 1.5 课题的研究内容16-18
• 第2章 光伏最大功率点跟踪技术18-33
• 2.1 前言18
• 2.2 光伏电池的原理和输出特性18-22
• 2.2.1 光伏电池原理18-19
• 2.2.2 光伏电池数学模型19-20
• 2.2.3 光伏电池仿真模型及输出特性20-22
• 2.3 最大功率点跟踪控制算法的研究22-29
• 2.3.1 单级式最大功率点跟踪原理22-24
• 2.3.2 常用最大功率点跟踪算法24-27
• 2.3.3 “钟摆式”MPPT 算法27-29
• 2.3.4 直流母线电压崩溃的现象29
• 2.4 最大功率点跟踪仿真29-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 单级式光伏并网系统控制策略33-53
• 3.1 前言33
• 3.2 三相并网逆变器的低频数学模型33-37
• 3.2.1 abc 坐标系下逆变器数学模型33-35
• 3.2.2 dq 坐标系下逆变器数学模型35-37
• 3.3 电流内环控制策略37-43
• 3.3.1 电流内环设计37-39
• 3.3.2 电流环 PI 调节器的设计39-43
• 3.4 功率前馈控制43-45
• 3.5 逆变器双环控制仿真45-46
• 3.6 单级式光伏并网逆变系统仿真46-52
• 3.6.1 不同光照下的系统仿真48-50
• 3.6.2 不同温度下的系统仿真50-52
• 3.7 本章小结52-53
• 第4章 系统软硬件设计53-64
• 4.1 前言53
• 4.2 系统硬件设计53-60
• 4.2.1 直流母线电容设计53-54
• 4.2.2 输出滤波电感的设计54-57
• 4.2.3 主功率管的选取57
• 4.2.4 驱动电路的设计57-58
• 4.2.5 采样电路的设计58-60
• 4.3 控制系统软件设计60-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第5章 系统实验研究64-73
• 5.1 前言64
• 5.2 三相逆变器并网实验64-68
• 5.2.1 带载电流闭环实验65-66
• 5.2.2 锁相环实验66-67
• 5.2.3 并网实验67-68
• 5.3 双环控制对比实验68-69
• 5.4 MPPT 实验69-72
• 5.5 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-79
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果79-80
• 致谢80-81
• 作者简介81

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