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1、华中科技大学 硕士学位论文 直流模块式光伏并网发电系统运行技术研究 姓名：胡欢 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：段善旭 20090101 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 随着世界能源短缺和环境污染形势的日益严峻，人们开始把目光转向资源丰富、 清洁无污染的太阳能。太阳能的应用十分广泛，而与建筑集成的住宅型光伏并网发电 系统由于其不占用宝贵的土地资源，节约投资成本，可改善室内温度等优点成为了各 国政府和学者的关注热点。它是实现绿色建筑的重要途径，也是当今光伏发电系统的 重要发展趋势。 本文选取适合于建
2、筑集成光伏发电系统应用场合的并联直流模块式系 统为研究对象，对系统的变换拓扑、MPPT 控制策略、并网技术和双模式切换技术等 方面进行了研究。 并联直流模块式光伏并网发电系统具有能量转化效率高、 抗光伏组件参数失配能 力强、扩容简单等优点，但是它要求系统前级 DC/DC 变换器具有较高的电压增益和 较小的输入电压、电流纹波等特点。本文详细分析了能满足上述要求的带有源箝位的 电流馈入型半桥拓扑的工作原理。 并根据一个开关周期中电路的各种运行模态推导出 了各开关管实现 ZVS 的条件、系统电压增益和开关管电压电流应力的表达式，为变 换器的参数设计提供了依据。 为了充分发挥光伏并网发电系统中光伏组件
3、的作用， 系统需要具有最大功率点跟 踪（MPPT）的功能。本文对几种常用的 MPPT 方法进行了详细的阐述和对比，分析 了 MPPT 方法中误判的产生机理，重点讨论了采样误差、采样时间、变化步长对导纳 增量法跟踪性能的影响。 实验中采用恒定电压法和导纳增量法相结合的控制策略实现 了直流模块式光伏并网发电系统的 MPPT 功能。 集中逆变器是连接系统与电网的变换装置。 本文首先分析了不同调制方式下无变 压器单相全桥拓扑中的漏电流问题。其次，设计和分析了一种带滤波电容电流补偿和 电网电压前馈环节的电感电流内环的并网控制策略。 推导出考虑零阶保持和滞后一拍 的影响后并网控制器参数的稳定范围，并结合极
4、点配置的方法确定了控制器的参数。 实验结果验证了该控制策略的有效性。为了实现系统双模式的平滑切换，系统独立运 行模式下采用电感电流内环输出电压外环的控制策略。 分析了系统双模式切换的基本 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II 流程。针对并网运行模式到独立运行模式的切换过程导致的负载电压失控问题，对基 于自然换流和基于强迫换流的两种控制方法进行仿真对比， 得出了基于强迫换流的切 换控制策略能够较快的关断切换开关，缩短负载电压失控时间的结论。 关键词：关键词：光伏并网发电系统；直流模块式；电流馈入型半桥；最大功率点跟踪； 漏电流；双模式
5、切换 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III Abstract Due to the shortage of energy and pollution of environment, solar power, which is abundant and clear, has attracted lots of attention recently. Building integration photovoltaic generation system is one of hot research areas because it t
6、akes no land resources and can improve indoor temperature. It can realize “green building” and stands for the trend of photovoltaic generation. The research work in this thesis mainly focuses on the paralleled DC-module-based photovoltaic generation system, which including topology of the system, co
7、ntrol strategy of MPPT, grid-connected technology and two-mode transfer technology. Paralleled DC-module-based photovoltaic generation system has the advantages of high efficiency in energy transformation, strong robust to mismatch of parameters, and easy implementation of capacity improvement. It d
8、emands high voltage gain, low input ripple voltage and current in the former DC-DC stage. In this thesis, a current-fed half bridge converter is analyzed in detail. By deducing working principle in a switching cycle, key parameters including dead-time, voltage gain, and expression for voltage and cu
9、rrent stress are obtained, which provide guide for the system design. MPPT is necessary in order to utilize the PV module with high efficiency. By introducing and comparing several typical MPPT methods, this thesis discusses mechanism of misjudgment in MPPT, especially the effect to incremental cond
10、uctance method caused by sampling error, sampling time and step variation. Experiments are carried out by adopting the combination of constant voltage method and incremental conductance method. Inverter is utilized as the interface between system and grid. Firstly, this thesis analyzes the leakage c
11、urrent problem by adopting different modulation scheme in non-isolated single phase full bridge topology. Then, a grid connected control strategy with filter capacitor current compensation and grid voltage feed forward is analyzed and designed. The stability range of controller is deduced when consi
12、dering zero-holder and one beat delay. Parameters of controller are obtained by pole assignment and experiment 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IV results validate the effectiveness of the method. Lastly, in order to realize smooth transfer between two mode working conditions, two loop
13、 control strategy is adopted when the system is working independently. The process of two mode transfer is analyzed. In order to analyze the time when output voltage is out of control during the transfer from grid-connected working to independently working, this thesis compares the two control metho
14、ds: naturally current commutating and constrainedly current commutating. According to the simulation results, conclusion can be got that constrainedly current commutating based transfer strategy can cut off the switch quicker thus it reduces the time when the output voltage is out of control. Keywor
15、ds: Photovoltaic generation system; DC-module-based; Current-fed half bridge converter; MPPT; Leakage current; Two mode transfer 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
16、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，即： 学校有权保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。 本人授权华中科技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。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 研究背景及研究现状 众所周知，能源短缺和环境污染已经成为许多国家亟待解决的重大问题。寻找
