两级式单相光伏并网逆变器的控制策略研究

【摘要】：随着环境污染及能源短缺的日益严重，世界各国越来越注重对可再生清洁能源的开发与利用，太阳能由于其分布广泛、可以循环利用等特点得到广泛应用，光伏发电作为太阳能利用的主要形式，也得到了快速发展。光伏并网逆变器作为光伏发电系统的核心部件，其拓扑及控制策略的选择对光伏发电系统各方面性能起到决定作用。 本文主要研究了两级式单相光伏并网逆变器的不同控制策略对光伏逆变系统的体积、效率和控制性能等方面的影响。论文首先分析了两级式光伏并网逆变器传统控制策略的具体实现方法，在此基础上对基于扰动观察法的最大功率点跟踪算法参数的优化选取展开了讨论，并建立了采用电压、电流双闭环控制的系统数学模型，为控制参数的优化奠定了理论基础。其次，研究了一种新型的分时复合控制策略，对其入网电流控制部分建立了数学模型并进行了优化设计；同时，深入分析了光伏侧电压二次脉动产生的原因及对应抑制方法，提出一种基于分时复合控制策略的最大功率点跟踪方法；分析了光伏阵列输出电压波动对光伏电池利用率的影响，推导了端电压波动和光伏电池利用率之间内在关系，并提出了电路主要储能元件的参数设计方法。最后，介绍了损耗分析的基本原理和逆变电路开关器件损耗计算方法，并针对两种控制策略分别进行了损耗分析，从理论上比较了基于两种控制策略的电路损耗分布情况及其对系统效率的影响。 本文在MATLAB/Simulink环境下，搭建了两级式光伏并网逆变器不同控制策略的仿真模型，在理论分析和仿真的基础上，搭建了两台基于TMS320F2808型DSP的光伏并逆变器实验平台，对两种控制策略的硬件和软件进行了设计，通过硬件平台对前文的理论分析和光伏并网逆变器的各项基本功能开展了实验验证。仿真和实验结果表明：两种控制策略均可以保证光伏并网逆变器正常工作；在相同功率等级下，分时复合控制策略比传统控制策略损耗小、效率高，但是两种控制策略的变换器体积并无明显差别；同时，分时复合控制在实现容易程度、稳定性及并网电流THD方面较传统控制策略要差。 【关键词】：光伏并网逆变器 最大功率点跟踪 传统控制策略 分时复合控制策略 变换效率 损耗分析
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 图表清单9-13
• 注释表13-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 研究背景14-16
• 1.2 光伏并网逆变器的研究现状16-21
• 1.2.1 光伏并网逆变器的主要系统结构16-18
• 1.2.2 光伏并网逆变器拓扑18-21
• 1.3 两级式单相光伏并网逆变器的控制策略21-24
• 1.4 本文主要研究内容及意义24-26
• 1.4.1 本文主要研究内容24
• 1.4.2 本文主要研究意义24-26
• 第二章 两级式单相光伏并网逆变器传统控制策略研究26-47
• 2.1 系统结构和控制原理26-27
• 2.2 最大功率点跟踪(MPPT)技术27-37
• 2.2.1 光伏阵列输出特性27-28
• 2.2.2 最大功率点跟踪方法概述28-31
• 2.2.3 扰动观察法建模31-33
• 2.2.4 仿真分析33-35
• 2.2.5 实验研究35-37
• 2.3 并网电流控制技术37-44
• 2.3.1 进网电流环建模设计38-41
• 2.3.2 直流母线电压环建模设计41-42
• 2.3.3 仿真分析42-43
• 2.3.4 实验研究43-44
• 2.4 整机性能测试与分析44-46
• 2.5 本章小结46-47
• 第三章 两级式单相并网逆变器分时复合控制策略研究47-63
• 3.1 分时复合控制方法概述47-49
• 3.2 基于分时复合控制策略的系统环路设计49-56
• 3.2.1 “Buck”工作模式电路建模分析49-52
• 3.2.2 “Boost”工作模式电路建模分析52-56
• 3.3 基于分时复合控制策略的最大功率点跟踪的实现56-59
• 3.3.1 光伏侧电压二次脉动分析与抑制56-58
• 3.3.2 最大功率点跟踪实现方式58-59
• 3.4 仿真分析59-62
• 3.5 本章小结62-63
• 第四章 基于分时复合控制策略的电路参数设计与实现63-74
• 4.1 光伏侧功率解耦电容的优化设计63-68
• 4.1.1 端电压波动对光伏电池利用率的影响分析63-67
• 4.1.2 光伏侧功率解耦容的选取67-68
• 4.2 母线电容设计68-70
• 4.3 Boost 电感设计70-71
• 4.4 实验研究71-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第五章 两种控制策略的系统损耗分析与比较74-84
• 5.1 损耗分析原理及计算74-75
• 5.2 传统控制策略的系统损耗75-79
• 5.2.1 前级 Boost 开关器件损耗76
• 5.2.2 后级全桥开关器件损耗76-78
• 5.2.3 系统储能元件损耗78-79
• 5.3 分式复合控制策略的系统损耗79-82
• 5.3.1 “Buck”工作模式开关器件损耗80
• 5.3.2 “Boost”工作模式开关器件损耗80-81
• 5.3.3 系统储能元件损耗81-82
• 5.4 两种控制策略系统效率比较82-83
• 5.5 本章小结83-84
• 第六章 总结与展望84-86
• 6.1 全文工作总结84
• 6.2 下一步工作展望84-86
• 参考文献86-92
• 致谢92-93
• 在学期间发表的论文及参与完成的项目93

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