太阳能光伏发电系统的控制问题研究

【摘要】： 世界能源危机和环境污染使得开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展成为人类必须采取的措施。近年来,太阳能光伏发电技术和产业得到了长足的发展,太阳能光伏发电不仅是当今能源的一个重要补充,更具备成为未来主要能源之一的潜力。 本文以太阳能光伏发电系统为研究对象,对其中的控制问题,包括光伏阵列模型的建立、光伏阵列最大功率点跟踪控制方法、DC/DC变换器及并网控制策略、孤岛检测、远程监控等进行了系统深入的研究。本文的主要工作和成果如下: 1.光伏阵列应用特性是太阳能光伏发电系统研究中的最基本问题,本文在厂家提供的常见参数的基础上,提出了光伏阵列的四参数工程模型,该模型能复现光伏阵列在任意温度及光强下的特性,为电路仿真和系统设计提供了基础。 2.最大功率点跟踪控制方法是太阳能光伏发电系统中提高系统效率的重要手段。本文在分析介绍恒电压法、扰动观察法和电导增量法基础上,提出了恒压法结合扰动观察法、恒压法结合电导增量法的最大功率点跟踪控制方法。 3.DC/DC变换器在太阳能光伏发电系统中具有广泛应用。针对Buck和Boost变换器,在Σ-Δ(sigma-delta)调制器的基础上,引入指数趋近律的滑模变结构控制器设计方法,对系统实现了固定的开关频率,并可通过对控制参数的调节来调整系统性能。 4.并网电流的跟踪控制是太阳能光伏并网发电系统中的关键技术之一,基于滑模变结构控制,对单级式单相并网系统采用L,LC滤波器的情况进行了研究,为了克服常见Buck型并网逆变器直接并网时要求光伏阵列电压高于电网电压,研究了使用Boost型逆变器进行并网。 5.孤岛效应是太阳能光伏并网系统中必须解决的问题。本文分析了孤岛产生的原因及常见孤岛检测方法。在太阳能光伏并网发电系统中,为了获得最大输出功率,并网电流幅值要随外部环境变化而变化。并网时,由于大电网的钳制作用,公共耦合点电压等于电网电压;断网时,变化的并网电流幅值将导致公共耦合点电压的变化,基于此提出了并网电流幅值扰动的孤岛检测算法。 6.开发了以DSC+CPLD为控制核心,IPM组成主电路的单相光伏并网系统的软硬件装置,在此基础上,开发了以ARM为核心的光伏并网发电的远程监控系统,系统采用以太网以实现远程监控。 7.最后,总结全文,指出了有待于进一步研究的方向。 【关键词】：光伏 最大功率点跟踪 DC/DC变换器 并网 滑模控制 孤岛检测
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-29
• 1.1 太阳能和光伏发电12-15
• 1.1.1 利用太阳能的必然性12-14
• 1.1.2 光伏发电的优点及存在的问题14-15
• 1.2 国内外研究现状15-28
• 1.2.1 光伏发电系统分类15-16
• 1.2.2 光伏阵列仿真模型16
• 1.2.3 提高光伏阵列的利用效率16-18
• 1.2.4 光伏并网发电系统电路拓扑结构18-22
• 1.2.5 光伏并网发电系统控制方法22-26
• 1.2.6 孤岛检测方法26-28
• 1.3 论文研究的主要内容28-29
• 第2章 光伏阵列四参数模型29-37
• 2.1 光伏电池及其分类29-30
• 2.2 光伏电池的原理及其结构30-31
• 2.3 光伏阵列的四参数工程模型31-37
• 2.3.1 四参数工程模型的求解31-33
• 2.3.2 光伏阵列的光强及温度对其I-V特性的影响33-34
• 2.3.3 结果对比34-37
• 第3章 光伏阵列MPPT控制方法研究37-58
• 3.1 光伏阵列的最大功率点跟踪控制常用方法37-43
• 3.1.1 MPPT控制基本原理37-39
• 3.1.2 恒压法39-40
• 3.1.3 扰动观察法40-42
• 3.1.4 电导增量法42-43
• 3.2 恒压法结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用43-47
• 3.2.1 恒压法结合扰动观察法算法流程43-44
• 3.2.2 仿真及分析44-47
• 3.3 恒压法结合电导增量法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用47-52
• 3.3.1 恒压法结合电导增量法算法流程47-49
• 3.3.2 仿真及分析49-52
• 3.4 基于Boost电路的MPPT方法研究52-58
• 3.4.1 系统设计52-54
• 3.4.2 实验结果54-58
• 第4章 DC-DC变换器的滑模控制研究58-72
• 4.1 滑模控制的概念和设计58-60
• 4.1.1 滑模控制的基本概念58-59
• 4.1.2 滑模控制系统的设计59-60
• 4.2 基于Σ-Δ调制器的CCM Buck变换器的滑模控制60-65
• 4.2.1 电流连续型Buck变换器仿射非线性系统模型60-61
• 4.2.2 Σ-Δ调制61-62
• 4.2.3 CCM Buck滑模控制器设计62-63
• 4.2.4 仿真及分析63-65
• 4.3 基于Σ-Δ调制器的CCM Boost变换器的滑模控制研究65-72
• 4.3.1 电流连续型Boost变换器仿射非线性系统模型65-67
• 4.3.2 CCM Boost滑模控制器设计67
• 4.3.3 仿真及分析67-72
• 第5章 光伏并网发电系统的控制器设计72-96
• 5.1 单电感L型滤波器单级式光伏并网发电系统72-77
• 5.1.1 系统组成72-73
• 5.1.2 滑模控制器设计73-74
• 5.1.3 MPPT算法设计74-75
• 5.1.4 仿真研究75-77
• 5.2 LC型滤波器单级式光伏并网发电系统77-82
• 5.2.1 滑模控制器设计79
• 5.2.2 仿真研究79-80
• 5.2.3 PI+滑模控制方法及仿真研究80-82
• 5.3 基于Boost逆变器的单相光伏并网系统82-86
• 5.3.1 Boost逆变器及滑模控制器设计82-83
• 5.3.2 Boost逆变器组成的单级式光伏并网系统83-84
• 5.3.3 仿真研究84-86
• 5.4 并网发电系统中的孤岛检测技术86-94
• 5.4.1 并网标准86-87
• 5.4.2 孤岛检测非检测区存在原因87-89
• 5.4.3 电流幅值扰动在孤岛检测中的应用89-94
• 5.5 并网发电系统中的无功补偿及谐波抑制94-96
• 第6章 光伏并网发电系统设计与实现96-108
• 6.1 并网系统硬件设计96-103
• 6.1.1 系统的结构96-97
• 6.1.2 系统的工作模式97
• 6.1.3 系统主电路硬件设计97-98
• 6.1.4 采用DSC+CPLD作为光伏并网逆变器控制核心98-100
• 6.1.5 检测电路硬件设计100-103
• 6.2 并网系统整体软件流程103-105
• 6.3 实验结果105-108
• 第7章 光伏并网发电系统的远程监控108-120
• 7.1 监控子系统的设计108-111
• 7.1.1 系统结构108-109
• 7.1.2 ARM芯片特点109-110
• 7.1.3 以太网网络芯片特点110-111
• 7.2 监控子系统的硬件实现111-115
• 7.2.1 键盘接口电路111-113
• 7.2.2 液晶显示接口电路113
• 7.2.3 SD卡接口电路113-114
• 7.2.4 串口接口电路114
• 7.2.5 以太网网络芯片接口电路114-115
• 7.3 监控子系统的软件流程115-120
• 第8章 结论与展望120-122
• 参考文献122-128
• 致谢128-129
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果129-130

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