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光伏级联多电平逆变器并网的变指数积分复位控制算法研究

林璧媛  
【摘要】:光能作为新能源的典型代表之一,通过光伏板和逆变器组成的发电系统,可转换为用途广泛、便于传输的电能。逆变器是光伏发电系统的核心设备,其性能直接影响整个发电系统的效率和可靠性。多电平逆变器因其具有较小的电压应力,较低的电磁干扰和开关损耗,且输出电压谐波含量少等优点而广泛使用,可有效解决传统两电平逆变器拓扑存在的上述问题。除了不断优化逆变器的拓扑结构,采用先进的控制理论以保证逆变器准确的跟踪、稳定的输出以及良好的动态性能,也成为国内外学术界和工业界研究的热点。现有的光伏多电平逆变器并网控制方法可划分为三个模块,每个模块中的算法分别为:最大功率点跟踪控制(Maximum Point Tracking,MPPT)、解耦控制和脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)。为了进一步使得控制算法适应逆变器高功率、高电压和高性能要求,本文提出了变指数积分复位控制(Variable Exponent based Integral Reset Control,VEIRC),其研究工作和创新工作有如下几点:(1)对MPPT控制器模块进行改进:以开关管-二极管级联型多电平逆变器为研究对象,通过调整对开关管-二极管级联型多电平逆变器中每个级联单元内光伏电源的光照强度,分析最大功率点(Maximum Power Point,MPP)的分布特点,并提出了最大功率点扫描算法(Maximum Power Point Scanning,MPPS),设计出便携式的最大功率点扫描控制器(Maximum Power Point Scanner,MPPSer)。MPPSer控制器实现的原理是在电流换向的间隙,断开交流侧能量的注入,将控制器中的受控电压源(Controlled Voltage Source,CVS)接入直流侧,并给直流侧的光伏电源两端施加电压,获得光伏特性曲线:功率-电压(P-V)和电流-电压(I-V)曲线,计算出全局最大功率点(Global Maximum Power Point,GMPP)。通过仿真和半实物实验证明了MPPS算法和MPPSer控制器的实用性。(2)对PWM发生器模块进行改进:根据已建立的光伏级联型多电平逆变器并网电路,根据多种逆变器非线性控制算法之间的共性,提出了变指数积分复位控制器(Variable Exponent based Integral Reset Controller,VEIRCer)。它用通用公式描述了多种控制算法的调制波和载波,并用S-R触发器的Q(k-1)状态取代了对多电平逆变器每个级联模块输出电压的采样。与单周控制器(One Cycle Controller,OCCer)和能量平衡控制器(Energy Balance Controller,EBCer)等几种常用的积分复位控制器相比,它减少了采样环节,简化了计算,实现更多的功能,例如降低冲击对逆变器系统的影响,抑制尖峰电压和抗电源干扰,并通过仿真和半实物实验证明了该控制器的性能。(3)进一步提出了一种参数自适应的VEIRC控制算法,参数由原来的给定值改成自适应,并综合应用最大功率点扫描测试仪和变指数积分控制器,以便更好地实现对光伏并网系统的控制。其中,参数的整数部分采用模糊控制算法,小数部分采用多目标优化算法,并进行了控制算法稳定性的证明和动态性能的分析,证明了所提出的参数自适应VEIRC控制算法具有良好的动态响应调节和稳态误差调节特性,具有一般性理论和实际意义。综上所述,本论文以基于开关管-二极管级联多电平逆变器的光伏并网系统为研究对象,提出了变指数积分复位控制算法,对现有的算法中的MPPT控制模块和PWM发生器模块进行改进,实现参数自整定,以提高控制算法的性能和逆变器的输出效果。


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