开关电感型准Z源并网系统建模与控制的研究

发布时间：2017-07-18 21:18

  本文关键词：开关电感型准Z源并网系统建模与控制的研究

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【摘要】：随着传统化石能源的逐渐枯竭,环境保护的要求越来越高以及新能源价格的逐步降低,新能源取代传统化石能源成为能源利用领域的大趋势。太阳能中的光伏发电作为一种受地域影响较小,使用较为便捷的新能源利用形式,正受到国内外学者受到越来越多的关注。本课题研究了光伏并网系统中的开关电感准Z源拓扑,详细阐述了该拓扑的动态模型和控制原理,设计了具有各项主要功能的开关电感型准Z源光伏并网发电装置。第一章阐述了光伏并网发电技术的研究意义和发展状况。全面介绍了光伏并网发电系统中的关键技术：MPPT技术、有功无功解耦的并网技术、反孤岛技术等。分析并概括了光伏并网逆变系统的四种拓扑结构,阐述了课题中开关电感型准Z源拓扑的发展历程。最后概括了本课题的研究工作。第二章研究开关电感型逆变器的拓扑结构,阐述了三种拓扑的工作原理,继而对相关参数和指标进行比较：①在相同直通比D下对升压因子G进行比较,推导出其中一种拓扑在升压能力上具有优势。②比较了三种拓扑在相同升压因子G下电容的电压应力和电感的电流应力,结论是三种拓扑各有优劣仿。最后通过仿真和实验验证了上述结论。第三章对开关电感型准Z源拓扑进行交流小信号建模。使用状态空间平均法(SSA)得到了系统的信号流图,根据信号流图推导出了小信号传递函数Cvd(s)和Cvi(s),对主要的传递函数使用零极点图进行了动态特性分析,通过仿真和实验证明了分析结果的准确性。传递函数的分析结果是Gvd(s)有右半平面零点而Gvi(s)没有,动态性能受无源器件参数影响较大。据此确定了系统的直流侧电压控制方案以及无源器件的选择方案。第四章对样机和实验装置的各种控制方案进行了研究。首先建立了光伏阵列的工程模型并进行了仿真验证,根据模型特点分析了系统的最大功率点跟踪算法。研究了在本课题的实验装置中实现MPPT跟踪的具体方案(两种控制方案中二选一)。研究了基于电网电压矢量的并网电流控制策略。提出了使用PCC点电压进行正反馈的主动式反孤岛控制策略。最后探索了新型的平坦系统控制方案。第五章对装置构建的全过程进行了叙述。首先根据并网的要求提出了系统的整体技术方案。之后根据技术指标要求对各个功率器件进行了参数和型号的选择。给出了实验装置的测控电路设计过程和软件程序的设计结果。最后叙述了装置开发过程中各个阶段的方案和实验结果。第六章进行了总结和展望,概述了本课题已经取得的理论和工程成果以及有待进一步研究的科研内容。
【关键词】：光伏并网 开关电感型准Z源 小信号模型 孤岛检测 MPPT
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-15
• 1.1 课题研究背景8-9
• 1.2 光伏并网发电系统的关键技术9-11
• 1.3 光伏并网发电系统的拓扑结构11-12
• 1.4 新型的开关电感型准Z源光伏并网逆变系统12-14
• 1.4.1 Z源和准Z源逆变器12-13
• 1.4.2 开关电感型准Z源逆变器13-14
• 1.5 本文的主要工作14-15
• 第二章 拓扑结构15-27
• 2.1 各类开关电感准Z源逆变器的拓扑结构15-19
• 2.1.1 开关电感Ⅰ型准Z源拓扑结构15-17
• 2.1.2 开关电感Ⅱ型和Ⅲ型准Z源拓扑结构17-19
• 2.2 三类开关电感准Z源拓扑的比较分析19-26
• 2.2.1 升压能力比较19-22
• 2.2.2 功率器件的电流电压应力比较22-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第三章 开关电感型准Z源系统建模27-41
• 3.1 开关电感型准Z源逆变器的交流小信号建模过程27-34
• 3.1.1 开关电感准Z源阻抗网络信号流图的推导过程27-29
• 3.1.2 d到V_(CI)的传递函数G_(vd)(s)的推导过程29-31
• 3.1.3 传递函数G_(vd)(s)的数学模型分析31-32
• 3.1.4 i_0到V_(CI)的传递函数G_(id)(s)的推导过程32-33
• 3.1.5 传递函数G_(id)(s)的数学模型分析33-34
• 3.2 建模结果的仿真验证34-37
• 3.2.1 传递函数G_(vd)(s)建模结果验证35-36
• 3.2.2 传递函数G_(vi)(s)建模结果验证36-37
• 3.3 参数优化设计37-39
• 3.4 实验验证39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 系统的控制原理41-61
• 4.1 太阳能电池的基本原理和电路特性41-42
• 4.1.1 太阳能电池基本原理41
• 4.1.2 光伏阵列的Ⅰ-Ⅴ特性曲线41-42
• 4.2 光伏阵列的工程特性和建模42-45
• 4.2.1 光伏阵列Ⅰ-Ⅴ特性分析和MPPT问题42-43
• 4.2.2 光伏阵列的工程模型43-44
• 4.2.3 光伏阵列的工程模型的仿真实现44-45
• 4.3 光伏阵列的MPPT算法45-47
• 4.3.1 恒电压跟踪法46
• 4.3.2 电导增量法46-47
• 4.3.3 扰动观察法47
• 4.4 开关电感型准Z源光伏并网系统的MPPT实现方案47-49
• 4.5 开关电感型准Z源系统的并网控制策略49-51
• 4.5.1 光伏并网系统数学模型49-50
• 4.5.2 基于dq坐标系下的电流解耦控制50-51
• 4.6 开关电感型准Z源系统的反孤岛控制策略51-57
• 4.6.1 光伏发电系统的反孤岛方案52-55
• 4.6.2 基于电压正反馈的主动式孤岛检测方案55-57
• 4.7 一种新型的平坦系统控制策略介绍57-59
• 4.8 本章小结59-61
• 第五章 系统硬件平台搭建及实验结果61-81
• 5.1 系统整体技术方案61-62
• 5.1.1 系统整体功能61-62
• 5.1.2 并网技术指标62
• 5.2 主回路功率器件的设计及质量要求62-67
• 5.2.1 开关电感准Z源电容和电感参数的选取63-64
• 5.2.2 开关电感准Z源逆变器全桥IGBT的选取64-65
• 5.2.3 开关电感准Z源网络二极管的选取65-66
• 5.2.4 交流侧滤波电感的选取66
• 5.2.5 隔离变压器选择66-67
• 5.3 测量与控制电路设计67-71
• 5.3.1 电压采集和调理电路68
• 5.3.2 电流采集和调理电路68-69
• 5.3.3 过压过流保护电路69-71
• 5.4 系统软件及程序设计71-73
• 5.4.1 主程序72-73
• 5.4.2 PWM中断程序73
• 5.4.3 故障中断子程序73
• 5.5 课题各阶段实验分析73-80
• 5.5.1 开关电感准Z源不带MPPT功能并网实验74-75
• 5.5.2 开关电感准Z源带MPPT功能离网实验75-77
• 5.5.3 开关电感准Z源带MPPT功能并网实验77-78
• 5.5.4 开关电感型准Z源带MPPT和孤岛功能并网实验78-80
• 5.6 本章小结80-81
• 第六章 总结与展望81-83
• 6.1 总结81-82
• 6.2 展望82-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-86
• 攻读硕士学位期间发表的论文及项目情况86

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