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《中国矿业大学》 2011年 博士论文
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小型光伏系统及其关键问题研究

胡义华  
【摘要】:目前在全球范围内随着化石类能源的消耗和环境问题的日趋严重,许多国家把目光放在新能源领域,太阳能光伏发电可以从几瓦到数兆瓦,设计安装容易受地域限制较小、无噪音、长寿命以及几乎免维护等优良特点而日益成为新能源发电的主要形式之一。由于光伏系统初期投资大,因此研究光伏阵列故障诊断、最大功率点跟踪控制、新型并网拓扑及其并网控制算法对提高光伏系统可靠性、系统效率具有重要的意义。论文主要内容归纳如下: 在光伏电池数学模型基础上,对光伏电池板在正常情况和有阴影影响情况下的输出特性进行了仿真。通过采样电路和上位机监控软件,对光伏电池板在不同阴影影响情况下的输出特性进行了采样。在仿真和实验的基础上,对比光伏电池在正常情况和不同阴影影响情况下的输出特性,总结出在有阴影影响的情况下光伏电池板的输出特性的规律。建立了阴影下光伏阵列电压输出数学模型。 分析了光伏阵列故障点及其成因,利用MATLAB对光伏阵列在阴影情况下的输出特性进行了仿真,总结了光伏阵列在故障下输出特性的变化规律。针对光伏组串结构,研究了一种扰动输出电流同时检测各电池板电压的故障诊断方法。对于具有多组串结构的光伏阵列故障诊断,本文研究了支路电流检测与电池板电压检测相结合的故障诊断策略,对比了3种电压传感器放置方法,优化设计了传感器放置策略。将光伏阵列等效为矩阵,建立了权值节点矩阵,提出了基于权值边覆盖的最优电压传感器放置方法,并在此基础上以3×3光伏阵列为例,分析了各种故障下电压传感器的特征值。提出了一种多层次的光伏阵列故障诊断以及故障阵列的处理方法。 对光伏电池板的数学模型及其输出功率与占空比的函数关系进行分析,提出了一种两阶段变步长最大功率点跟踪策略。利用MATLAB/Simulink仿真软件建立了基于状态方程的光伏系统仿真模型。通过仿真对比分析了扰动观测法、模糊控制策略、变步长控制策略和两阶段变步长控制策略,仿真结果表明两阶段变步长具有良好的快速性和稳定性。最后搭建硬件实验平台,实验结果验证了本文提出控制策略的正确性。在阴影影响下光伏阵列输出特性存在多个局部最大功率点,传统最大功率点跟踪算法不能区别真正的最大功率点。利用MATLAB仿真软件对不同阵列在不同光照及温度下输出特性进行了仿真,归纳了光伏阵列在阴影下导数-电压输出特性的变化规律。研究了基于导数等效面积的最大功率点所在区间定位以及求导采样点确定方法,并在区间定位方法基础上了提出了多极值点最大功率点跟踪方法。建立基于状态方程的系统仿真模型对本文提出算法进行了仿真验证,搭建实验平台对本文提出的最大功率点跟踪方法进行了验证。仿真与实验结果验证了本文提出方法的正确性。此外将光伏阵列的故障诊断方法进一步拓展,研究了一种基于故障诊断策略相结合的多极值点最大功率点跟踪控制策略。 分析了两类升压型直流变换器拓扑结构,结合耦合电感类拓扑结构与Luo变换器的特点提出一种高升压比的升压型直流变换器拓扑结构。文中分析了这种拓扑结构工作原理,并且讨论了拓扑在连续模式和断续模式下的工作状态。设计了拓扑的主要参数,并通过实验验证了理论的正确。由于光伏阵列的输出电压较低,研究了一种新型升压型多电平单相光伏并网逆变器拓扑结构,并提出了与之相应的PWM控制策略。该拓扑结构由前级升压功率变换器、直流三电平功率变换器以及工频逆变器三部分组成。根据拓扑结构可输出多电平的特点,提出了分段滞环控制策略,该控制策略可以降低开关管开关频率和输出电流的谐波含量,提高系统效率。利用MATLAB仿真软件建立了仿真模型,对提出的拓扑及控制策略进行了仿真。研制实验样机,利用TMS320LF2812作为控制器对提出的算法进行了实验验证。仿真与实验结果都验证了本文提出拓扑结构以及控制算法的正确性。进一步对装置的可拓展性进行了研究,设计了前级并联的拓扑结构以及控制算法,并通过仿真和实验验证了方案的正确性。


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