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光伏发电并网逆变器的设计

刘洋  
【摘要】:随着社会生产的日益发展,随着能源消耗的不断增长和生态环境的日益恶化,全球范围内的能源危机也日益突出。太阳能作为当前世界上最清洁、最现实、最富有、最有大规模开发利用前景的可再生能源之一,得到了社会各界的广泛关注。在太阳能的利用中,光伏发电又是其主要发展方向之一。随着光伏组件成本的不断降低和光伏发电技术的不断进步和完善,太阳能将逐渐由现在的补充能源向替代能源过度。由于目前光伏产业界还没有统一的标准,又因为功率等级及应用场合的不同,使各种拓扑结构的光伏发电系统都得以尝试使用。随着不断的摸索与进步,独立发电系统和并网发电系统将成为光伏发电系统中的主流。但是独立发电系统中的输出电压和并网发电系统中逆变器的并网运行控制是目前光伏发电产业发展中的两大难题。在此背景下,本文针对光伏发电并网逆变器进行分析研究。在前人的基础上,对一些光伏发电系统中的一些关键问题如最大功率点跟踪、光伏发电系统控制策略、调制方式等做了详细的理论分析,并在此基础上设计出了上述问题的优化方案。 首先,针对光伏发电现状进行分析,了解到目前光伏发电产业所面临的严峻环境和要推动光伏发电产业不断发展所面临的问题,并对光伏发电系统进行了详细介绍,提出了光伏并网发电系统对并网逆变器的要求。 其次,光伏发电主要利用了太阳光辐射能量,通过光伏电池阵列收集辐射能量,进而将辐射能量转换为电能,这些电能通过电能储能系统储存起来供给负载或者直接通过逆变器转换为工频电能馈送到电网。在对光伏电池的电气特性进行详细分析后,建立了基于Matlab的数学模型并进行仿真,并对其电气特性进行验证。太阳能光伏阵列的转换效率是可以充分提高的,其关键的技术是最大功率点跟踪(MPPT)技术。通过对几种常用的最大功率点跟踪技术进行分析,设计出了变步长的电导增量法,用来提高光伏发电系统的太阳能利用效率 再次,光伏发电系统主电路主要由DC/DC变换器、DC/AC逆变器、滤波器三部分构成。分析了光伏发电系统的主电路结构和工作特性、原理,在此基础上对DC/DC变换器进行了详细的分析,在几种常用的拓扑结构中选出最合适的拓扑结构boost变换器。对功率开关管器件进行了介绍,但是由于成本及条件的限制,分立元件将替代智能功率模块IPM。由于在IGBT的应用中,随着电压、电流频率的不断增加,需要搭建缓冲电路对IGBT进行保护,于是设计了RCD缓冲电路,并对其工作原理进行了详细分析,电路参数也进行了计算。针对主电路的特点对滤波器的结构进行了选择,研究了逆变电路的滤波器的设计思想和设计方法,计算出了主电路的关键参数,并进行仿真验证。 然后,对光伏发电并网逆变器的控制电路进行优化设计。设计了高效率的驱动电路,并对其缺陷部分进行完善,增加了负偏压电路和保护电路,保证了驱动电路的安全稳定运行。根据光伏发电系统所需检测的信号的特性,设计合适的检测电路,保证控制系统对光伏发电整个系统的监测和运行的控制;同时为了给控制系统稳定供电,还设计了辅助电源来保证供电电压的稳定性;对逆变器的控制方法也进行了介绍,提出了双闭环控制方案。双闭环控制器包括平均值控制器和瞬时值控制器。其中,外环为平均值控制器,内环为瞬时值控制器。外环使用平均值控制器,具有较高的输出精度;内环通过瞬时值控制获得快速的动态性能,保证输出畸变率较低。并对控制策略进行了仿真,验证了其对谐波的控制有很好的效果。 最后,在对光伏发电系统驱动电路的工作特性、原理详细分析的基础上,对SVPWM调制技术进行了详细的离散化分析,最终选择SVPWM调制技术来驱动光伏发电系统,并详细设计了其实现方法。并对采用SVPWM调制技术得到的实验波形进行了频谱分析,给出了载波比因素等对谐波的影响。根据控制方案设计了由微控制器MB90562控制的光伏发电并网逆变器的软硬件装置,完成了数字化设计,减少了部分软件系统的执行过程,加快了系统的执行速度。


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