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户用式光伏并网发电控制策略的研究

作　者: 任碧莹
导　师: 钟彦儒；同向前
学　校: 西安理工大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 光伏并网发电系统光伏电池模型最大功率点跟踪数字锁相环有限冲击响应滤波器预测电流控制电感参数在线估计孤岛检测
分类号: TM615
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着世界能源危机和环境污染日趋严重,光伏发电系统受到各国政府的高度重视。特别是户用式光伏发电系统,作为未来光伏应用中重要领域之一,应用前景十分广阔,成为当前国内外学者研究的热点。本文针对户用式单相光伏并网发电系统,在最大功率点跟踪算法、数字锁相环、并网电流控制和孤岛保护等控制策略方面分别进行了深入的理论分析和探讨。首先,针对光伏电池的电流-电压非线性特性及其受光照强度和电池温度影响的特点,在描述了光伏电池原理基础上,研究了光伏电池外特性机制和物理特性机制,分别建立了各自的仿真模型。根据仿真结果与实测数据的对比分析,验证了模型的正确性,为进一步研究最大功率点跟踪算法以及深入研究并网控制策略奠定了良好的基础。其次,深入研究了光伏阵列最大功率点跟踪问题。在详细介绍常规的最大功率点跟踪方法基础上,提出了一种新颖的间歇变步长搜索算法,包括定时变步长搜索和定时定占空比控制两个过程。在起动阶段或外界环境变化较大时,以较短定时时间间隔连续进行变步长跟踪搜索,确保快速达到最大功率点；在外界环境变化较小时,维持较长定时时间的最优定占空比控制。仿真与实验结果验证了该新方法不仅可以有效降低持续扰动而引起的功率波动,而且即使在外界条件变化时也能实现快速跟踪最大功率点。第三,深入探讨了一种数字锁相环的实现方法。在分析了三相并网锁相控制方法基础上,结合有限冲击响应(FIR)数字滤波器具有线性相移的特点,提出了基于有限冲击响应数字滤波器线性相移控制的单相数字锁相环方法。设计了有限冲击响应滤波器,构建了两相正交电压矢量信号,参照三相并网系统基于αβ静止坐标系到dq同步旋转坐标系的数字锁相环原理,采用同步采样技术确保滤波器系数恒定的方法,实现了基于虚拟两相直角坐标系的数字锁相环控制。该方法能够快速准确地实现锁相,而且不受谐波、电压频率和幅值波动等因素影响,并通过仿真和实验结果进行了验证。第四,针对传统的预测电流控制方法在滤波电感参数不匹配时可能出现的稳态相位差甚至系统不稳定问题,提出了一种用于预测电流控制的滤波电感参数在线估计方法。通过简化单相光伏并网发电系统的等效电路,建立了平均电感参数的在线估计方程。针对电感参数变化、逆变器输出电流幅值变化以及注入一定的谐波电流、电网电压幅值变化和注入一定幅值的谐波电压等各种情况,进行了仿真和实验研究,结果表明该方法有效地解决了滤波参数不匹配带来的问题。最后,深入研究了两种新型的孤岛检测方法。针对被动检测方法中的过/欠电压、过/欠频率检测法和主动检测法中常用的主动频率偏移法存在的孤岛检测盲区问题,分别提出了基于交替电流扰动法的孤岛检测方法和2N周期扰动法的孤岛检测方法。这两种方法都是打破了单纯依靠检测公共耦合点电压频率是否超出规定频率范围的判断准则,而是根据公共耦合点相邻周期间的电压频率差是否正负连续交替变化来有效地识别非检测区内的孤岛现象。为防止多台并网逆变器输出的扰动电流相互抵消而引起的无法识别孤岛现象,又提出了多台逆变器并网孤岛检测同步技术。仿真和实验结果验证了上述方法既能够识别各种条件下的孤岛现象,也可以解决非检测区问题,同时适用于多台逆变器并网运行。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-22
  1.1 发展现状  10-12
    1.1.1 能源危机以及环境问题  10
    1.1.2 太阳能在新能源中的地位  10-12
  1.2 户用式光伏发电系统的国内外发展现状  12-15
    1.2.1 国外发展现状  12-13
    1.2.2 我国发展现状及存在的问题  13-15
  1.3 光伏并网发电系统的主要研究内容  15-20
    1.3.1 阵列组成形式  16-17
    1.3.2 变换器拓扑结构  17-18
    1.3.3 最大功率点跟踪  18-19
    1.3.4 并网逆变器及其控制方法  19-20
    1.3.5 孤岛效应保护  20
  1.4 本文主要研究内容  20-22
2 光伏电池模型的研究  22-35
  2.1 光伏电池基础  22-26
    2.1.1 光伏电池原理  22-23
    2.1.2 光伏电池分类  23-24
    2.1.3 光伏电池输出特性  24-26
  2.2 光伏电池外特性研究及其建模  26-28
    2.2.1 基于伏安外特性的光伏阵列模型  26-27
    2.2.2 基于PSIM软件的光伏电池外特性仿真模型  27-28
  2.3 光伏电池物理特性研究及其建模  28-33
    2.3.1 光伏电池物理机制数学表达  28-30
    2.3.2 基于PSIM软件的光伏电池仿真模型  30-31
    2.3.3 仿真结果及光伏电池组件实测数据  31-33
  2.4 本章小结  33-35
3 光伏阵列最大功率点跟踪方法的研究  35-50
  3.1 常规最大功率点跟踪方法介绍  35-38
  3.2 基于模糊控制的最大功率点跟踪算法研究  38-42
    3.2.1 MPPT电路结构  39
    3.2.2 模糊控制算法  39-41
    3.2.3 仿真结果  41-42
  3.3 基于间歇变步长搜索法的最大功率点跟踪研究  42-49
    3.3.1 间歇变步长搜索法的工作原理  42-44
    3.3.2 仿真结果  44-46
    3.3.3 实验结果  46-49
  3.4 本章小结  49-50
4 并网系统中数字锁相环的研究  50-70
  4.1 锁相环工作原理  50-51
  4.2 三相锁相环原理  51-53
  4.3 基于模拟滤波器的正交信号数字锁相环设计  53-56
    4.3.1 二阶低通模拟滤波器设计  53-55
    4.3.2 仿真电路和仿真结果  55-56
  4.4 基于双FIR滤波器的数字锁相环实现  56-68
    4.4.1 FIR数字滤波器基本原理  57-60
    4.4.2 FIR数字滤波器设计  60-64
    4.4.3 仿真电路和仿真结果  64-68
  4.5 实验结果  68-69
  4.6 本章小结  69-70
5 基于在线电感估计的预测电流控制方法  70-85
  5.1 并网电流控制方法  70-72
  5.2 单相并网预测电流控制原理  72-73
  5.3 滤波电感变化引起的问题  73-74
  5.4 滤波电感在线估计原理  74-78
  5.5 仿真结果  78-81
  5.6 实验结果  81-83
  5.7 本章小结  83-85
6 孤岛检测方法的研究  85-107
  6.1 孤岛的含义及其保护标准  85-87
  6.2 孤岛检测方法概述  87-91
    6.2.1 被动式检测法  87-89
    6.2.2 主动式检测法  89-91
  6.3 周期交替电流扰动法  91-98
    6.3.1 工作原理  91-94
    6.3.2 t_2的选择  94-95
    6.3.3 变化状态判定次数N_(ref)的确定  95
    6.3.4 仿真结果  95-96
    6.3.5 实验结果  96-98
  6.4 2N周期电流扰动法  98-101
    6.4.1 检测原理  98-99
    6.4.2 仿真结果  99-100
    6.4.3 实验结果  100-101
  6.5 多台光伏并网逆变系统的孤岛检测同步方法  101-106
    6.5.1 孤岛检测同步原理  102
    6.5.2 仿真结果  102-106
  6.6 本章小结  106-107
7 总结与展望  107-110
  7.1 全文总结  107-108
  7.2 发展与展望  108-110
致谢  110-111
参考文献  111-119
攻读博士学位期间发表的论文  119

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