单相单级并网光伏系统最大能量跟踪算法研究

【摘要】：电能是人们利用能源的一种重要载体,但是获得电能的传统化石燃料正面临日益枯竭的危机以及燃烧过程产生的环境污染问题,这已成为阻碍世界经济发展的主要瓶颈。为了化解能源危机、减轻环境污染、实现经济可持续发展,大力发展绿色可再生能源是当前全人类的迫切任务。本文以小型屋顶光伏并网发电系统的应用为研究背景,从提高系统的整体效率及提高输出电能质量的角度出发,以单相单级光伏并网发电系统为研究对象,对系统主电路、控制器优化设计、及最大能量跟踪控制算法进行了深入的研究。全文内容主要包括以下几个方面： 建立了光伏阵列的数学模型,根据数学模型用MATLAB软件对光伏阵列的输出特性进行了仿真；分析了目前比较常用的几种光伏逆变器拓扑结构,总结了它们的优缺点,通过对比分析确定了本文所研究的拓扑,并对主电路LCL滤波器参数进行了详细的设计,分析了LCL滤波器的性能及电网的不确定因素对LCL滤波器的影响。 由于常规PI控制器在跟踪正弦参考电流时存在原理性误差,因此本文采用比例谐振控制作为电流内环控制器,同时对控制器的参数进行了详细的设计,包括比例系数、积分系数、及阻尼系数,并总结了电流控制器参数设计的一般方法。由于单级式光伏并网系统电压外环输出参考电流幅值含有大量二次谐波成分,为了防止参考电流混入谐波,本文考虑在PLL环节前面增加一个零阶保持器。最后从仿真图可以看出,本文的参数设计方法能够保证系统具有良好的稳态及动态效果,并能保证良好的输出电能质量。 本文重点研究了光伏阵列的最大能量跟踪(MPPT)控制方法,文中指出目前常用的MPPT方法在实际应用当中存在的缺点,然后提出了本文所采用的MPPT控制方法。文章详细分析了基于极值搜索控制方法的原理,并且提出了控制器的优化方法。从仿真实验图可以看出,本文提出的改进型极值搜索控制方法相对于传统极值搜索方法和扰动观察法在动态性能及控制精度上有明显的优势。 本文制作了一台200W的实验样机来验证文中所提出的控制算法,对样机的硬件电路及软件流程图进行了详细的分析和说明,最后文章给出了实验波形,从实验图中可以看出,实验结果满足了设计的要求,论证了文中所提论点的正确性。 【关键词】：单相单级 光伏并网 比例谐振控制 参数设计 最大能量跟踪控制算法 极值搜索
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究光伏发电的背景和意义10-11
• 1.2 光伏发电的发展现状及前景11-13
• 1.2.1 国外光伏发电的现状及发展趋势11-13
• 1.2.2 国内光伏发电的现状及发展趋势13
• 1.3 光伏并网发电概述13-15
• 1.3.1 光伏并网标准14
• 1.3.2 光伏并网系统研究热点14-15
• 1.4 本文的主要研究内容15-17
• 第二章 单相光伏并网系统建模及设计17-31
• 2.1 光伏阵列特性及建模17-18
• 2.2 光伏逆变器的拓扑结构18-21
• 2.2.1 拓扑结构分类18-20
• 2.2.2 拓扑结构选择20-21
• 2.3 单相单级光伏并网主电路设计21-30
• 2.3.1 直流侧电容设计21-23
• 2.3.2 并网滤波器的设计23-27
• 2.3.3 LCL滤波器性能分析27-29
• 2.3.4 电网对LCL滤波器的影响29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 电流控制策略及控制器优化设计31-41
• 3.1 并网电流控制策略31-32
• 3.2 电流控制器参数优化设计32-36
• 3.2.1 比例系数k_p设计33-35
• 3.2.2 阻尼系数的设计35
• 3.2.3 比例系数的设计35-36
• 3.3 电压外环参数设计36-38
• 3.4 仿真结果38-39
• 3.5 本章小结39-41
• 第四章 基于极值搜索的最大能量跟踪控制方法41-52
• 4.1 最大能量跟踪控制算法41-43
• 4.1.1 恒电压法41
• 4.1.2 扰动观察法41-42
• 4.1.3 增量电导法42-43
• 4.1.4 光照突变条件下的误判分析43
• 4.2 基于极值搜索算法的MPPT方法43-49
• 4.2.1 极值搜索算法原理44-45
• 4.2.2 基于系统固有纹波的MPPT方法45-46
• 4.2.3 MPPT方法稳定性分析及优化设计46-47
• 4.2.4 补偿器K(s)优化设计47-49
• 4.3 仿真结果49-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 实验样机研制及实验结果52-61
• 5.1 实验样机设计指标52-53
• 5.2 控制电路部分设计53-55
• 5.2.1 采样及A/D电路53
• 5.2.2 保护电路53-55
• 5.3 软件部分55-56
• 5.3.1 程序流程图55-56
• 5.4 实验结果56-61
• 第六章 总结与展望61-62
• 6.1 本文总结61
• 6.2 未来工作展望61-62
• 参考文献62-65
• 致谢65

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