三相光伏并网逆变器的研究

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3.0 高德中 2024-11-19 9 4 1.61MB 53 页 15积分

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摘要

随着当今经济的快速发展，人们对能源的需求日益增长，然而像煤、石油、

天然气等不可生能源的储量已经十分有限。同时，这些能源对环境也产生了严重

的污染。太阳能、风能等作为绿色无污染的新能源日益受到人们的青睐。新能源

发电并网是必然趋势，而并网逆变器是发电并网系统的关键设备。本文对整个光

伏并网系统进行了研究，提出了可行的控制策略。

本文首先分析了光伏发电系统的现状及发展趋势。光伏逆变器拓扑结构的选

取是综合分析了各种拓扑结构的优缺点，本文提出了单级式带工频隔离的拓扑结

构，并根据选取的拓扑结构分析了并网逆变器的工作原理。设计了控制电路和保

护电路，并通过理论计算，确定了主电路参数元件型号的选取，建立了在不同坐

标系下的数学模型并提出了电压外环电流内环的双环控制策略。同时本文对最大

功率跟踪控制以及孤岛检测的控制方法进行了研究，根据所提出的控制策略，采

用MATLAB 仿真软件，搭建了 10kW 光伏并网逆变器仿真模型，得到了较为满

意的仿真结果。最后，搭建了一台 10kW 的实验样机，采用 DSP2812 和FPGA

作为全数字控制器，得到了预期的实验结果，验证了控制策略的可行性。

关键词：光伏并网逆变器、最大功率跟踪（MPPT）、孤岛效应

ABSTRACT

With the economic developing rapidly, people’s demand for energy are growing.

But such as the coal, oil and natural gas is very limited. At the same time, these the

energy produce serious pollution to the environment either. The solar energy and the

wind energy, as a green non-pollution new energy increasingly get the favour of

people. Feedback the New energy power to the grid is an inevitable trend, while the

grid inverter power grid system is the key equipment to Photovoltaic grid-connceted

systerm. In this paper, the whole photovoltaic (PV) grid system is researched and the

practical control strategy is put forward.

This paper firstly analyzes the photovoltaic power generation system of the

present situation and the developing trend. The photovoltaic inverter topology

structure is analyzed the selection of comprehensive advantages and disadvantages of

various topology structures. The single levels of power frequency of isolation with

topological structure is put forward at last. According to the selection of topology

analysis the principle of the grid inverter. The control circuit and the protection circuit

is designed. According to the theoretical calculation, the main circuit parameter is

determined and based on the voltage and electric of the double loop circuit control

strategy is put forward. The control strategy analysis the Maximum Power Point

Tracking and detecting method for island condition in PV grid system．According to

the proposed control strategy built a 10 kW photovoltaic (PV) grid inverter simulation

model ,using MATLAB simulation software. It produces the satisfied results of the

simulation. Finally, a 10 kW experimental prototype is built, using DSP2812 and

FPGA as digital controller. The expected results show the feasibility of the control

strategy.

Key words: Photovoltaic Grid Connected Inverter, MPPT, Islanding

Effect

III

摘要

ABSTRACT

第一章绪论................................................................................................................. 1

§1.1 选题背景和意义............................................................................................... 1

§1.2 太阳能发电的国内外现状和发展趋势........................................................... 2

§1.3 论文主要研究内容 .......................................................................................... 4

第二章系统结构和工作原理..................................................................................... 5

§2.1 光伏并网逆变器系统结构 .............................................................................. 5

§2.2 常见的光伏并网逆变器拓扑结构的比较....................................................... 5

§2.2.1 单级式带工频隔离并网逆变器................................................................ 6

§2.2.2 带DC-DC 无隔离变压器光伏并网逆变器 ............................................. 6

§2.2.3 多级式带高频隔离变压器光伏逆变器.................................................... 6

§2.3 10KW光伏并网逆变器拓扑结构的选取........................................................ 7

§2.4 工作原理........................................................................................................... 8

§2.5 本章小结........................................................................................................... 9

第三章三相光伏发电并网逆变器主电路设计....................................................... 10

§3.1IGBT 的选取 ................................................................................................... 10

§3.2 隔离变压器设计............................................................................................. 10

§3.3 直流母线电容的确定..................................................................................... 11

§3.4 滤波器设计..................................................................................................... 12

§3.5 本章小结......................................................................................................... 14

第四章控制系统的设计......................................................................................... 15

§4.1 光伏并网逆变器的控制策略概述................................................................. 15

§4.2 系统建模......................................................................................................... 16

§4.2.1 静止坐标系下大信号平均模型.............................................................. 16

§4.2.2 同步坐标下的平均模型.......................................................................... 17

§4.3 电流内环控制器设计..................................................................................... 18

§4.4 电压外环控制器设计..................................................................................... 20

§4.5 锁相环设计..................................................................................................... 22

§4.6 本章小结......................................................................................................... 23

第五章最大功率跟踪控制（MPPT）技术及孤岛效应的研究 ............................ 24

§5.1 最大功率跟踪控制技术................................................................................. 24

§5.1.1 定电压跟踪法..........................................................................................24

§5.1.2 扰动观测法.............................................................................................25

§5.1.3 电导增量法..............................................................................................27

§5.2 孤岛效应.........................................................................................................28

§5.2.1 孤岛的发生与检测..................................................................................29

§5.2.2 被动式孤岛检测的策略..........................................................................31

§5.2.3 主动式孤岛检测策略..............................................................................33

§5.3 本章小结.........................................................................................................34

第六章系统仿真研究和实验研究...........................................................................36

§6.1 系统仿真研究.................................................................................................36

§6.2 系统实验研究.................................................................................................39

§6.3 本章小结.........................................................................................................44

第七章全文总结与展望...........................................................................................45

参考文献.....................................................................................................................47

第一章绪论

§1.1 选题背景和意义

人类的生产生活离不开能源。如今人类所需要主要的动力能源主要依赖煤、

石油、天然气等不可生资源的大量消耗。在经济日益快发展的今天，人们对能源

的需求日益增大。伴随着不可再生能源的过度消耗，社会已经出现了严重的能源

危机并且环境污染已经变得日益严峻[1]。这些问题已经引起了各个国家的高度关

注，以此开发新能源已经达成共识。全球人口在2007 年时已达到 65 亿，能源需

求达到 15TW；预计到2050 年时全世界人口将达到 100 亿左右，此时能源需求

会在 40-60TW，届时人类需求的能源只能依托大力开发新能源。但是，风能资

源可开发的约为 2TW，生物发电资源约为 3TW，在世界范围内水资源能量总和

约为 4.6TW，其中具有开发价值的也只占很小一部分，约为 0.9TW。人类到目

前为止还不能完全掌握可控核能技术的开发，因此开发核能的争议很大，安装目

前核能资源的利用和开发，预计限制最多可以开发 3TW。太阳能是一种永不会

枯竭的可再生能源，每年照到地球上的太阳能约为 120000TW，具有开发价值的

资源高达 600TW，因此，未来太阳能将成为人类需求能源的最大来源。

太阳能作为一种绿色无污染的可再生能源跟其它能源相比，具有独特的优势：

（1）零排放：无燃料消耗，无噪声，无污染；

（2）太阳能资源具有普遍性：不受地域的限制，只存在不同地区之间光照量

多少的差别；

（3）分布式的发电电力系统结构：不仅可以提高整个能源供应系统的可靠性

还可以提高供电系统安全性；

(4)光伏发电具有可预测的优点，因此规律性强，在电力调度方面跟风力发

电相比具有很强的优势。

（5）光伏发电与建筑集成：节约土地面积；

（6）光伏电池板生产需要的原材料主要为硅，硅资源异常丰富，在地壳中含

量约占 26%。

因此，太阳能具有其它能源无法比拟的优势，太阳能发电的快速发展必将带

来巨大的经济效益和社会效益。光伏发电是电力电子行业应用的重要领域，同时，

光伏产业的发展也促进了电力电子行业的发展。目前，光伏发电并网、无功补偿、

谐波抑制等相关领域的发展促进了光伏系统的应用领域。全世界人类对新能源的

开发越来越重视，光伏发电将迅速发展，并将在未来能源开发中占有越来越重要

的地位。经过多年的研究发展，光伏并网发电系统技术已经比较成熟，然而还存

在一小部分的技术难点有待解决，对于这些未完善的问题并不影响光伏发电在大

三相光伏并网逆变器的研究

电网中的应用。致力于光伏并网发电系统既可以完善现有的理论，又可以进一步

促进发电效率的提升，同时还可以提供电网的质量和可靠性。

§1.2 太阳能发电的国内外现状和发展趋势

目前国内外对太阳能光伏发电的研究主要致力于两方面，一方面通过对太阳

能电池材料的研究来提升电池转换效率，同时降低光伏发电成本；另一方面研究

高效率、高可靠性、具有多种功能的并网逆变器。如图 1-1 所示，光伏发电的预

测成本会逐年降低。预计到2015 年，光伏发电成本将接近火电和水电的成本。

届时，光伏产业将达到全新的快速发展。目前，各个国家和地区的光伏行业的发

展很不平衡，如图 1-2 所示，2010 年全球光伏按区域在市场份额有着很大的不同。

其中，德国、意大利两国占有的市场份额超过 60%以上。

图1-1 光伏发电成本预测图1-2 2010 年全球光伏按区域市场份额

光伏并网发电系统可以按照电网接入点分为配电侧（电压 400V/230V）并网

光伏发电系统和输电侧（10kV/35kV/110kV）并网光伏发电系统。在城市中的光

伏并网发电系统的并网点一般在电网的配电侧（400V/230V）,也成为分布式发电

系统，其特点如下：

（1）并网点在配电侧；

（2）电流是双向的，可以从配电网取电，也可以向配电网送电；

（3）大部分光伏电量直接被负载消耗掉，自发自用；

（4）分“上网电价”方式（双价制）和“净电量”方式（平价制）;

（5）大部分安装在建筑物上，安装功率受建筑面积和并网点容量的限制，

从1kW 到数百千瓦不等。

输电侧光伏并网发电系统大部分安装在不能用作农田或者荒漠地，有时也安

装在大型建筑物上，其特点：

（1）在发电侧并网，属于像风电场一样的发电站，电流是单方向的；

（2）并入高压电网（10kV/35kV/110kV）；

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摘要：

I摘要随着当今经济的快速发展，人们对能源的需求日益增长，然而像煤、石油、天然气等不可生能源的储量已经十分有限。同时，这些能源对环境也产生了严重的污染。太阳能、风能等作为绿色无污染的新能源日益受到人们的青睐。新能源发电并网是必然趋势，而并网逆变器是发电并网系统的关键设备。本文对整个光伏并网系统进行了研究，提出了可行的控制策略。本文首先分析了光伏发电系统的现状及发展趋势。光伏逆变器拓扑结构的选取是综合分析了各种拓扑结构的优缺点，本文提出了单级式带工频隔离的拓扑结构，并根据选取的拓扑结构分析了并网逆变器的工作原理。设计了控制电路和保护电路，并通过理论计算，确定了主电路参数元件型号的选取，建立了在不同...

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