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太阳能并网发电系统关键技术研究

作　者: 相海涛
导　师: 严仰光
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 光伏并网逆变器最大功率点跟踪抗孤岛效应保护频率漂移相位偏移间歇性双向扰动检测盲区多逆变器并网系统
分类号: TM464
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

并网逆变器是太阳能发电系统中最重要的能量转换设备。本文对单相太阳能并网逆变器的电压和电流闭环控制、最大功率点跟踪控制以及抗孤岛效应保护功能等关键技术进行研究，有助于提高系统的性能和可靠性。介绍了并网逆变器的基本电路结构和控制方法，给出了产品设计例证。针对单级逆变器的直流输入电压范围非常宽、控制系统优化设计困难这个问题，提出采用脉宽调制器载波和比例-积分控制器随工作电压变化而同步改变的变参数控制方法，保证输出电流闭环控制在整个输入电压工作范围内都稳定可靠的工作。对于两级逆变器，在分析前级Boost变换器工作模式和电路模型基础上，研究了输入电压-电流双闭环控制系统的设计和实现方法。最大功率点跟踪是太阳能逆变器的基本功能。第三章首先介绍太阳能电池等效电路模型和电压-电流特性以及相关标准中指定的最大功率跟踪效率的评估方法，得出了扰动-观察法的电压扰动步长、扰动周期的设计要求，给出设计结果并分析跟踪的精度。电池电压的调节是通过基于并网功率最大化的电压闭环跟踪控制实现的。根据电池电压控制环路的动态响应特性，提出电压扰动周期的设计方法及功率计量时段选择方法，具有稳态好和跟踪精度高的优点。单级并网逆变器的母线电压存在两倍于电网频率的电压纹波，这会带来一定的功率损失，给出了该功率损失与直流工作电压和纹波电压的关系。抗孤岛效应保护是小型并网逆变器最重要的保护功能之一。第四章首先分析了测试采用的谐振负载的阻抗特性和频率保护孤岛检测方法失效的原因，给出频率保护方法的检测盲区计算和仿真方法。介绍常规频率扰动和相位扰动方法的工作原理，计算频率上下限和扰动策略对检测盲区的影响，在此基础上分析负载阻抗频率特性、锁相控制误差和电流环相位跟踪误差等因素对孤岛频率的影响，提出孤岛频率的计算方法，并给出仿真和实验验证结果。根据孤岛系统的相位关系，提出采用间歇性相位或频率扰动、双向相位或频率扰动以及加大频率扰动周期三种办法，可以减小孤岛检测的盲区，并减小扰动对电流波形质量的影响。随着太阳能并网发电应用的扩大，同一电网并列点会有多个发电系统。本文给出了多个电流型逆变器并网系统的数学分析方法，分析各逆变器相位（或频率）扰动策略和同步关系对孤岛检测的影响，在此基础上给出一种多逆变器并网系统的抗孤岛效应保护策略，并进行了仿真和实验验证。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-14
第一章绪论  14-24
  1.1 概述  14
  1.2 太阳能并网发电系统的结构与特点  14-18
    1.2.1 太阳能发电的特点  14-15
    1.2.2 小型太阳能逆变器的功能与特点  15-16
    1.2.3 小型并网逆变器的结构形式  16-18
  1.3 分布式发电并网标准的相关要求  18-20
    1.3.1 逆变器性能方面的要求  19
    1.3.2 电网保护方面的要求  19-20
  1.4 太阳能逆变器的关键控制问题  20-21
    1.4.1 电流控制方法  20
    1.4.2 最大功率点跟踪控制  20-21
    1.4.3 抗孤岛效应保护方法  21
  1.5 本文研究内容及意义  21-24
    1.5.1 研究内容  21-22
    1.5.2 研究意义  22-24
第二章并网逆变器的设计与控制  24-50
  2.1 单级并网逆变器设计  24-29
    2.1.1 电路结构和工作原理  24-25
    2.1.2 主电路参数设计  25-29
  2.2 逆变电流闭环控制  29-38
    2.2.1 电流控制框图  29-30
    2.2.2 电流环变参数控制  30-31
    2.2.3 电流闭环的数字控制实现  31-33
    2.2.4 直流母线电压控制  33-38
  2.3 两级并网逆变器设计与控制  38-46
    2.3.1 两级逆变器的电路结构  38
    2.3.2 Boost 变换器的工作模式  38-41
    2.3.3 Boost 变换器参数设计  41-42
    2.3.4 Boost 变换器的控制  42-44
    2.3.5 Boost 变换器实验结果  44-46
    2.3.6 并网电流和母线电压控制  46
  2.4 样机试验数据  46-48
  2.5 本章小结  48-50
第三章太阳能电池最大功率点跟踪控制  50-65
  3.1 太阳能电池的特性  50-54
    3.1.1 电池电路模型及其特性  50-52
    3.1.2 最大功率点跟踪性能测试方法  52-54
  3.2 最大功率点跟踪方法设计  54-63
    3.2.1 电压纹波对 MPPT 效率的影响  54-56
    3.2.2 扰动-观察法设计  56-59
    3.2.3 基于并网功率最大化的 MPPT 控制  59-63
  3.3 本章小结  63-65
第四章抗孤岛效应保护技术研究  65-106
  4.1 抗孤岛保护测试电路与负载  65-72
    4.1.1 抗孤岛测试电路  65-66
    4.1.2 RLC 负载特性分析  66-67
    4.1.3 孤岛下的运行模式  67-68
    4.1.4 孤岛下系统稳定性分析  68-70
    4.1.5 孤岛系统的相位关系  70-72
  4.2 检测盲区分析  72-76
    4.2.1 锁相控制与孤岛频率  72-74
    4.2.2 过/欠频保护的检测盲区  74-76
  4.3 相位偏移孤岛检测方法  76-80
    4.3.1 相位偏移法的原理  76
    4.3.2 间歇性双向相位偏移方法  76-78
    4.3.3 相位偏移设计方法  78-80
  4.4 主动频率扰动方法  80-86
    4.4.1 频率扰动方法原理  80-82
    4.4.2 频率扰动方法检测盲区分析  82-84
    4.4.3 频率扰动策略改进方法  84-86
  4.5 多逆变器并网数学分析方法  86-88
    4.5.1 电流源并联工作模式分析  86-87
    4.5.2 相位扰动分析  87-88
  4.6 扰动的工程设计方法  88-89
    4.6.1 扰动幅度设计  88-89
    4.6.2 扰动周期设计  89
  4.7 抗孤岛保护仿真实验  89-95
    4.7.1 孤岛频率仿真结果  89-93
    4.7.2 相位扰动对孤岛频率的影响  93-95
  4.8 实验设计及验证  95-104
    4.8.1 抗孤岛保护功能检测方法  95-96
    4.8.2 相位扰动方法实验  96-99
    4.8.3 频率扰动方法实验  99-104
  4.9 本章小结  104-106
第五章工作总结及展望  106-108
参考文献  108-116
致谢  116-117
在学期间的研究成果及发表的学术论文  117-118
附录  118-122

太阳能并网发电系统关键技术研究

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