三相光伏发电并网逆变器的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 4.79MB 59 页 15积分

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摘要

随着全球范围内能源紧缺和安全问题的日益突出，人类必须开发利用可再生

能源以实现可持续发展。而随着现代科技的不断进步，太阳能光伏发电技术取得

了巨大的发展。当前，光伏发电成本越来越低，同时利用高性能的数字芯片DSP，

使得一些先进的控制策略能够应用于光伏并网逆变器的控制器中。

本文首先在对比分析各种光伏并网逆变器拓扑的基础上，针对输出采用 LCL

滤波器的 100kW光伏并网逆变器的实际要求，设计了带隔离变压器的单级性光伏

并网逆变器的拓扑结构并对其工作原理进行了详细介绍；并同时分别介绍了

100kW光伏并网逆变器主电路元器件参数的选择、控制电路设计和保护电路设计。

在此基础上，本文针对采用 LCL 滤波器对系统带来的不稳定性，提出了以逆

变侧电流和直流母线电压作为反馈变量的双环控制策略。基于瞬时无功理论设计

了软件锁相，基于光伏电池数学模型，利用 MATLAB 建立了太阳能光伏阵列通用

的仿真模型，并将此电池模型用在三相光伏并网逆变仿真系统中；系统带有最大

功率跟踪功能，能很好地实现光伏发电系统最大功率点的跟踪。通过仿真分析表

明该控制策略的可行性与正确性。

最后以 TMS320F2812 为控制核心，搭建了 100kW光伏并网逆变器样机，在

此装置上完成了光伏并网逆变器的相关实验研究，实验装置运行稳定可靠。实验

结果表明该变流器具有良好的并网性能，同时也进一步验证了该系统控制策略的

正确性。

关键词：光伏并网逆变器 LCL滤波器最大功率跟踪数字控制

ABSTRACT

With the problem of energy scarcity and security becoming more and more serious,

in order to maintain sustainable development, it is necessary to develop the renewable

and green energy. With the advances of mordern technology, solar photovoltaic power

has a greatly developed. Now, the cost of photovolataic energy becomes lower and

lower, and by use of high-performance Digital Signal Processor(DSP)chip, it is possible

that some advanced control strategies can be applied on the Photovoltaic grid-connceted

systerm.

Fristly, on the basis of analyzing all kinds of photovoltaic grid-connected inverter

topology, unipolar photovoltaic grid-connected Inverter with isolation transformer is

designed to meet the need of 100kW photovoltaic inverter with LCL filter in this paper.

The work principle of unipolar photovoltaic grid-connected inverter is introduced in

detail. At the same time selection of parameters of the main circuit components control

circuit design and protection circuit design of 100kW photovoltaic inverter are

introduced in this paper.

On the basis of above, the two-loop control strategy which uses inverter side of the

current and DC bus voltage as the feed-back control variable is proposesed to overcome

the instability of the photovoltaic inverter with LCL filter in this paper.software PLL is

designed based on instantaneous reactive power theory, and a simulation model for

photovoltaic array simulator under Matlab is built up bases of the mathematical

modules of PV arrays. The simulation model for photovoltaic array simulator is used in

three phase photovoltaic grid-connected system. the system includes the function of

Maximum Power Point Tracking(MPPT), making photovoltaic grid-connected inverter

work in the best point. simulation results verifies the correctness of the analysis and

variability of the strategy.

Finally an experimental platform of photovoltaic grid-connected inverter is

developed. Experimental results show that the inverter has an excellent grid-connected

characteristics, which also verifies the validity of the proposed control system.

Key word: Photovoltaic Grid connected Inverter, LCL filter, MPPT,

DSP control

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 太阳能光伏发电的背景及意义 ...................................................................... 1

§1.2 太阳能发电的现状和趋势 .............................................................................. 2

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

第二章三相光伏并网逆变器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 光伏并网系统常用拓扑概述 .......................................................................... 5

§2.3 100KW 三相光伏并网逆变器拓扑结构及工作原理 .....................................7

§2.4 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

§3.1 LCL 滤波器的设计 ........................................................................................ 10

§3.1.1 滤波器性能仿真分析 .............................................................................14

§3.2 直流母线电容的确定 .................................................................................... 15

§3.3 隔离变压器设计 ............................................................................................ 16

§3.4 IGBT 的选择 .................................................................................................. 16

§3.5 本章小结 ........................................................................................................ 17

第四章三相光伏发电并网逆变器的控制系统的设计 ...........................................18

§4.1 基于 LCL 滤波器的数学模型 ...................................................................... 18

§4.1.1 ABC 静止坐标系下的模型 .....................................................................18

§4.1.2 两相旋转坐标下的数学模型 .................................................................20

§4.2 电压电流双环控制器设计 ............................................................................ 22

§4.2.1 LCL 控制策略的研究 ............................................................................. 22

§4.2.2 电流内环控制器的设计 .........................................................................24

§4.2.3 电压外环控制器的设计 .........................................................................27

§4.2.4 阻尼电阻对系统稳定性能的影响 .........................................................28

§4.3 锁相环设计 .................................................................................................... 30

§4.3.1 锁相环原理 .............................................................................................30

§4.3.2 软件锁相环仿真与实验 .........................................................................34

§4.4 MPPT 控制方法的研究 ................................................................................. 35

§4.4.1 光伏电池工作原理及其数学模型 .........................................................35

§4.4.2 光伏电池输出特性与仿真研究 .............................................................37

§4.4.3 最大功率跟踪技术 ..................................................................................39

§4.5 本章小结 ........................................................................................................ 42

第五章系统仿真研究与实验研究 ...........................................................................43

§5.1 系统仿真研究 ................................................................................................ 43

§5.2 系统实验研究 ................................................................................................ 46

§5.2.1 样机研制 .................................................................................................46

§5.2.2 实验系统设计 ..........................................................................................46

§5.3 本章小结 ........................................................................................................ 51

第六章全文小结与展望 ...........................................................................................52

参考文献 .....................................................................................................................53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .........................................56

致谢 ...........................................................................................................................57

第一章绪论

§1.1 太阳能光伏发电的背景及意义

随着人类社会的不断发展，人们的日常生活与工业生产活动需要大量的能源。

目前，利用的电能主要有火电、水电和核电等三种。但是，由于化石燃料的地区

分布不均匀性，造成了世界上绝大部分国家的能源供应紧张，无法满足其经济、

社会发展的需要，同时由于储存量有限，在目前世界能源结构中，随着经济的发

展、人们社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长[1]，世界上的化石

能源可利用量将枯竭。随着化石能源的消耗，能源危机已逐渐的展现在人类面前。

中国的能源资源存储量情况更是严峻。如果无节制地开采到 21 世纪中叶全球

将面临石油、天然气等矿物燃料耗尽的严重威胁。按目前能源储藏量与开采速度

的比例计算，全球石油可开采 40 年，天然气大约 60 年，煤炭可开采约 200 年。

如果再考虑到现在世界石油消费量每年大约增长 2％，这样计算每隔 35 年，消费

总量将增加一倍多。目前发达国家人均石油消费量是最贫穷地区的消费总量的 15

倍。据世界卫生组织预计，到 2060 年时全球人口将达 100～110 亿左右。如果到

时世界上所有人的矿物和能源消费量全部达到今天发达国家的人均消费量，那么

地球上的 35 种矿物将有 1／3在40 年内将被完全消耗干净，包括所有的石油、天

然气、煤炭和铀。按 2000 年底的统计，我国探明的可开发能源总储量约占世界总

量的 10.1%，其组成结构为：原煤占 58.8%，原油占 3.4%，天然气占 1.3%，水资

源占 36.5%。在 20 世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、

天然气和煤炭等化石能源。由于煤、石油等化石燃料的燃烧，每年大约有数十万

吨硫等有害物质排向大气，使得大气环境遭到严重破坏。同时由于目前大量排放

CO2等温室气体导致了地球上产生了明显的温室效应，引起全球气候变暖；同时水

力发电也受到水力资源以及季节的限制和影响，有时还可能造成当地生态平衡的

破坏；核电在正常情况下使用是无污染的，但如果万一发生核泄漏，那么后果将

十分严重，而且核废料的处理到目前为止仍然是一个世界亟待解决的严峻问题。

当前人类文明的快速发展与地球生存环境的恶化己经成为一对非常突出的矛

盾，从而给全世界能源工作者提出了严峻的挑战。为了解决以上矛盾和实现可持

续发展战略，开发和利用可再生能源已成为人类必须采取的措施。在众多可再生

能源中，太阳能将成为 21 世纪最重要的清洁能源之一，利用太阳能光伏发电具有

以下优点[2]：

三相光伏发电并网逆变器的研究

(l)无污染：没有任何污染物质以及光、电磁波、声音、机械噪音等排放；

(2)可再生：可以无限次使用，能够直接输出高质量的电能，具有良好的可持

续利用的特性；

(3)太阳能资源的普遍性：不受地域的限制，只存在不同地区之间光照量多少

的差别；

(4)分布式的电力系统结构：可以提高整个能源供应系统的可靠性和安全性；

(5)能源、发电、用户在同一地域：可以大幅度的节省远距离输变电设备等的

投资费用；

(6)光伏发电与建筑集成：可以很大程度的节省发电基地使用的土地面积。

因此太阳能无疑是符合可持续发展战略的最理想的绿色能源，我国太阳能资

源的分布主要有以下特点：太阳能辐射量较大的地区都处在北纬 22°～35°一带；

太阳能年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，

基本上是南部低于北部；同时由于南方地区云雾雨较多，在北纬 30°～40°一带，

太阳能的分布随着纬度的增加而增长。从全国太阳能年辐射总量的分布来看，西

部和北部的等地区的总辐射量和日照时数为全国最高，属于世界太阳能资源较丰

富地区之一；我国东部、南部及东北为太阳能资源中等地区。

近年来，国家不断加大西藏太阳能应用的投资，西藏有关部门也更加重视太

阳能的开发和利用，先后实施了“阳光计划”、“科学之光计划”和“阿里光电计

划”，解决了阿里地区 7万人的用电问题，使得阿里地区告别了无电的历史，并在

全区内实现了乡一级农牧民的所有用电问题。太阳能属于“绿色能源”，它的利用

不仅是西藏常规能源短缺的一个很好的补充，对西藏的环境保护也有着积极的作

用。

§1.2 太阳能发电的现状和趋势

太阳能电池是利用材料的光伏效应直接将太阳能变成电能的半导体器件。在

1954 年第一块商业实用的硅太阳能电池与第一座原子能发电站在美国同时诞生，

在1959 年太阳能电池被应用在空间，在 1973 年世界能源危机后被逐步转到地面

使用。光伏发电通常分为独立式和并网式两种光伏发电系统。独立式光伏发电站

包括偏远地区的民用供电系统，通信站台电源供应系统，太阳能户用电源系统，

太阳能路灯等能够独立运行的光伏发电系统。光伏并网发电系统是指交流侧与电

网相连，并向电网输送电能的光伏发电系统。目前光伏并网发电系统的方式有：

沙漠电站并网发电系统与屋顶并网发电系统。沙漠电站系统通常是建设在无人居

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摘要：

摘要随着全球范围内能源紧缺和安全问题的日益突出，人类必须开发利用可再生能源以实现可持续发展。而随着现代科技的不断进步，太阳能光伏发电技术取得了巨大的发展。当前，光伏发电成本越来越低，同时利用高性能的数字芯片DSP，使得一些先进的控制策略能够应用于光伏并网逆变器的控制器中。本文首先在对比分析各种光伏并网逆变器拓扑的基础上，针对输出采用LCL滤波器的100kW光伏并网逆变器的实际要求，设计了带隔离变压器的单级性光伏并网逆变器的拓扑结构并对其工作原理进行了详细介绍；并同时分别介绍了100kW光伏并网逆变器主电路元器件参数的选择、控制电路设计和保护电路设计。在此基础上，本文针对采用LCL滤波器对系统带...

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