光伏并网逆变器及其控制研究

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1、湘潭大学 硕士学位论文 光伏并网逆变器及其控制研究 姓名：邹晓 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：易灵芝 20080503 I 摘 要 摘 要 在光伏并网系统中，逆变器是核心部件，其效率的高低、可靠性的好坏将直接影 响整个并网系统的性能。本文通过比较小型光伏并网系统的几种拓扑结构和配置方 案，选定单级式无变压器方式并网逆变器为对象展开研究。 光伏并网控制目标是：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量正弦波，且 与电网电压同频、同相。通过对目前常用的几种并网逆变器的控制算法进行分析， 本文采用滞环电流控制算法实现并网电流跟踪。传统的滞环电流控制算法具有实现 简单、动态响应

2、快、对负载参数变化不敏感、电流跟踪误差小等优点，但也存在开 关频率随电流变化率变化而波动，造成网侧滤波电感设计困难，功率模块应力及开 关损耗增大的不足。本文通过对滞环电流控制算法的原理和开关频率波动的原因进 行分析，提出了基于积分法的定频算法和基于最小二乘法的定频算法，这两种算法 主要的优点是完全可以采用数字控制器实现，无需额外的模拟电路。通过利用 MATLAB 中的 Simulink 工具箱，搭建单相光伏并网系统仿真模型，仿真结果表明， 这两种算法在保持滞环电流控制算法优点的同时，较好实现了滞环开关频率的稳定。 三相光伏并网系统常采用三相半桥拓扑的并网逆变器实现并网， 由于三相开关控 制相互

3、干扰，因此这种系统难以直接采用单相并网系统的滞环电流控制算法。为实 现三相光伏并网系统的定频滞环电流控制，本文在分析传统三相电流解耦控制算法 的基础上，提出一种基于线电流的解耦算法，成功地将单相系统中定频滞环电流控 制算法移植到三相系统中。同样利用 MATLAB 进行建模，仿真结果表明，定频滞环 电流控制算法在三相光伏并网系统中是可行的，可以实现向电网注入与电网电压同 频、同相的高质量正弦波。 关键词：光伏并网逆变器；定频滞环电流控制；电压空间矢量；最大功率跟踪关键词：光伏并网逆变器；定频滞环电流控制；电压空间矢量；最大功率跟踪 II Abstract In Photovoltaic Grid

4、-connected system, inverter is key part, whose efficiency and reliability will influence the performance of the whole system. By comparing topology and configuration of several programes in small photovoltaic grid-connected system, single-stage photovoltaic grid-connected inverter without transforme

5、r is selected to study. The target of control in photovoltaic grid-connected system is ensuring the output current of the inverter circuits to be the sine waves of quality, with the same frequency and phase as the grid. By analyzing the several common control algorithms of inverter, adopt hysteresis

6、 current control algorithm to make the output current of inverter tracking the grid. As it is well known, the hysteresis control is characterized by unconditioned stability, very fast response, and good accuracy. On the other hand, the basic hysteresis technique exhibits also several undesirable fea

7、tures, such as variable switching frequency and heavy interference among the phases in case of three-phase systems with isolated neutral. By analyzing the hysteresis current control algorithm and the reasons for switching frequency fluctuations, provide two algorithms of stabilizing the switching fr

8、equency, the first is based on integration and the second is based on least squares method. By simulating based on MATLAB, the result proves the two algorithms not only maintain the advantage of traditional hysteresis current control algorithm, but also achieve a stable switching frequency. For usin

9、g the constant frequency hysteresis current control algorithm in case of three-phase systems with isolated neutral, by analyzing the traditional three-phase current decoupling control algorithm, a new decoupling algorithm based on line current is provide in this paper. The simulation result shows th

10、at the new constant frequency hysteresis current control algorithm is available in case of three-phase systems. The output current of inverter is the sine waves of quality, with the same frequency and phase as the grid. Keywords: photovoltaic grid-connected inverter; constant frequency hysteresis cu

11、rrent control algorithm; voltage space vector; MPPT 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保

12、留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士论文 光伏并网逆变器及其控制研究 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 太阳能光伏发电的意义太阳能光伏发电的意义 化石燃料和工业革命结合创造了人类历史上辉煌的文明时代， 但同时也造成资源 极大浪费和生态环境的破坏，能源危机与环境污染已成为当代人类发展所面临的巨 大挑战。在 21 世纪初进

13、行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为 39.9 年，天然气可采量为 61 年，煤炭可采量为 227 年1。因此，寻求新的替代能源已迫 在眉睫。太阳能就是一种理想的替代者，地球表面接受的太阳能辐射能够满足全球 能源需求的 1 万倍，每天到达地球表面的辐射可生产 1700kW.h 电能，国际能源署数 据显示，只要在全球 4的沙漠上安装太阳能光伏发电系统，就足以满足全球能源需 求1,2。由于人类大量使用矿物能源，全世界每天产生约一亿吨温室效应气体，如果 不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升几米，四分之一的人 类生活空间将由此受到极大威胁3。 太阳能光伏发电最重要的特征是

14、在发电过程中只 排放很少的 CO2，是真正的绿色能源，可作为解决人类文明快速发展与环境污染这 一矛盾的有效途径之一。 中国是一个能源生产和消费大国。 作为世界上最大的发展中国家和经济速度发展 最快的国家，中国的能源消耗增长速度也居世界之首。2006 年能源消费总量为 24.6 亿吨标准煤，比 2005 年增长 9.32。然而中国能源开采和利用技术落后，传统高能 耗产业比重大，单位 GDP 能耗落后于发达国家，甚至比世界平均水平落后许多，这 加剧了中国能源替代形势的严重性和紧迫性。中国电力科学院的研究表明，在考虑 到充分开发煤电、水电和核电的情况下，2010 年和 2020 年电力供需的缺口仍然

15、分别 为 6.4和 10.74。这个缺口正是需要用可再生能源发电进行补充的。而太阳能光 伏发电可能在未来中国的能源供应中占据主要位置。 总之，太阳能光伏发电对经济、社会和环境保护都具有重要意义。 1.2 太阳能光伏发电系统分类太阳能光伏发电系统分类 光伏发电系统按与电力系统关系分类， 通常分为独立光伏发电系统和并网光伏发 电系统。独立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而独立运行的发电系统，通常 建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。并网光伏发电系统是与电 力系统连接在一起的发电系统，像其他类型发电站一样，可为电力系统提供有功和 无功电能1,2。 并网光伏发电系统应用范围比较广，分为

16、下面两类： (1) 集中式并网发电系统：集中式并网电站一般容量较大，通常在几百千瓦到兆 湘潭大学硕士论文 光伏并网逆变器及其控制研究 2 瓦级。由于这种光伏发电系统占地面积大，而且要有尽可能长的日照时间，因此通 常建造在沙漠或荒漠地区。目前，干燥的沙漠约占世界陆地面积的 1/3，这些地区具 有丰富的太阳辐射资源。有专家预测，只要利用撒哈拉沙漠的 91.5进行光伏发电， 就可满足到 2100 年全球的用电量1。这种系统一般采用集中式逆变器联网模式，如 图 1-1(a)所示，将光伏组件串/并联连接，产生直流高压和电流，增加输出功率6,7。 (2) 分散式并网发电系统： 分散式并网系统一般容量较小， 在几千瓦到几十千瓦， 这种发电系统一般与建筑相结合，系统连接到局域电网的配电盘上，其电力与电网 电力混合在一起向负载供电。这种系统一般采用串式逆变器，如图 1-1(b)所示6,7， 将几个光伏组件串联起来成一串，每一串接到各自的逆变器上去。16 个太阳能模块 串联后总的开路电压可达到 720V， 适合 1000