单相数字式光伏并网逆变器的研究与设计.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：4.00M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1背景与意义

1.2并网逆变器的国内外应用现状

1.3并网逆变器的技术现状

1.4本文的主要研究内容

第二章并网逆变器的硬件设计

2.1系统主电路拓扑

2.2基于DSP的控制电路设计

第三章太阳电池最大功率点跟踪研究

3.1太阳电池的原理和输出特性

3.2太阳电池最大功率点跟踪方法

3.3基于移相全桥电路的电导增量法

第四章光伏并网逆变输出级控制

4.1逆变器输出级电路结构及调制方式

4.2单相光伏并网逆变数学模型

4.3并网逆变输出控制目标

4.4逆变器输出级控制技术研究

第五章基于ATmega64的人机交互子系统

5.1子系统硬件设计

5.2子系统与控制系统的通信

5.3子系统软件设计

第六章实验和总结

6.1实验调试及分析

6.2总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

中山大学硕士学位论文单相数字式光伏并网逆变器的研究与设计姓名：罗力申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：沈玉樑20090605

单相数字式光伏并网逆变器的研究与设计电力电子与电力传动罗力沈玉棵教授摘要近年来，光伏发电技术取得了长足的进步，太阳能已经成为当今能源的一个重要补充。光伏并网发电是太阳能大规模利用的必然趋势。本文以光伏并网发电系统的核心设备并网逆变器为研究对象，首先给出了单相光伏并网逆变器的详细的硬件设计过程，然后对光伏阵列的最大功能点跟踪、逆变器的特性及控制方法、并网系统的人机交互子系统等进行了深入的研究。并网逆变器的硬件设计是整个系统的基础和难点之一。本文设计了1套额定功率为3KW的两级式光伏并网逆变器，采用F2812DSP作为系统的控制核心。文章对整个硬件的设计过程和电路原理进行了详细分析。为提高系统效率，光伏阵列都要求工作在最大功率点处。本文在分析了各种MPPT方法的优缺点的基础上，提出了基于移相全桥电路的电导增量法，给出了整个算法在DSP中的实现过程。并网逆变器输出级的跟踪控制技术是系统设计的关键点之一。本文详细分析了逆变器输出级的电路工作模式和数学模型，深入分析了T型输出滤波器的原理及电网电压对输出电流的影响，提出了基于前馈补偿的数字PI控制，并给出了其在DSP中的实现过程。为完成对并网系统的监控和设置，设计了人机交互子系统，该系统是一个小型嵌入式系统，用MODBUS协议实现了子系统和控制系统的通信。本文详细分析了整个子系统的软硬件设计过程。最后，对整个系统进行了实验验证，结果表明了系统方案的可行性，系统实现了稳定可靠运行。关键词：光伏并网，最大功率点跟踪，LCL滤波器，数字PI控制，人机交互

ResearchandDesignoftheDigitalSingle—phasePhotovoltaicGrid-connectedInverterPowerElectronicsLuoLiProf．ShenYulianABSTRACTWiththedevelopmentofphotovoltaic(Pv)technologies，solarenergyhasbeenoneofthemostimportantcompensation．Forlargescaleutilizationofsolarenergy,photovoltaic酣d—connectedsystemwillbethemainapplicationsinthefuture．ThisthesisfocuSesonthe葩d-connectedinverterwhichisthekeydeviceofPVgrid．connectedsystem．Arlalyzmgtheprocessofhardwaredesign,thenresearchingonthemaximumpowerpointtracking(MPPT)methodsforPVarrays，thecharacteristicsandcontrolstrategiesof鲥d—connectedinverter,thehuman-computerinteractionsubsystem．Thehardwaredesignisthebasicandoneofdifficultiesinthesystem．Atwo。stage酣d．connectedinverterisdesignedinthispaper．Theprocessofdesignisintroduced．Andtheprinciplesofcircuittopologyaleanalyzedfully．MPPTisthemostimportantmethodforimprovingthesystemefficiency．SomeMPPTmethodsareanalyzedandcomparedinthispaper．Animprovedincrementalconductancealgorithmwhichisbasedonphase—shiftfullbridgecircuitisproposed．TherealizationprocessofthisalgorithminDSPF2812isstudiedtoo．Thetrackingcontroltechnologyof西d·connectedinverteroutputstageisoneofthecrucialtechnologyofPVinverter．Inthispaper,therunmodeandmathematicalmodelofoutputstageofPVinverterisstudied，thenanalyzingthedigitalPIcontrolalgorithmwhichbaseonfeedforwardcompensationcontroller．TorealizethemonitorandsettingofPV鲥d-connectedinverter,ahumanIT

computerinteractionsubsystemisdevelopedinthisthesis．ThecommunicationbetweensubsystemandPVcontrolsystemisrealizedbyMODBUScommunicationprotoc01．Inthispaper,analyzingthedesignprocessofthewholesubsystem，includinghardwareandsoftware．Atlast，didsomeexperimentsinlabtoverifythecontrolstrategy．Theresultshaveverifiedthetheoreticalanalyseswhichisproposedinthispaper．KeyWord：photovoltaicgdd-connected，maximumpowerpointtracking，LCLfilter，digitalPIcontrolalgorithrn，human—computerinteractionHI

论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导。F，独立进行研冗工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：l军勿日期：∥f}年多月7日学位论文使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其学位论文作者签名：l胃而日期：J刃，年∥月7日导师签名：多忆圳趣日期：川年‘’月7日知识产权保护声明本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：4形匆J日期：j口叩年莎月7日

1．1背景与意义第一章引言弟一早亏I苗作为一种重要的可再生能源发电技术，近年来，太阳能光伏(Photovoltaie，PV)发电取得了巨大的发展，光伏并网发电已经成为人类利用太阳能的主要方式之一。目前，我国已成为世界最大的太阳能电池和光伏组件生产国，年产量已达到100万千瓦。但我国光伏市场发展依然缓慢，截至2007年底，光伏系统累计安装100MWp，约占世界累计安装量的l％，产业和市场之间发展极不平衡。为了推动我国光伏市场的发展，国家出台了一系列的政策法规，如《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《可再生能源十一五发展规划》等。这些政策和法规明确了太阳能发电发展的重点目标领域【5】：在偏远地区利用太阳能光伏发电解决无电人口用电问题；在经济较发达、现代化水平较高的大中城市，建设与建筑物一体化的屋顶并网太阳能光伏发电设施；在太阳能资源丰富的西北地区建设几个较大规模的太阳能光伏电站和太阳热发电示范项目。《可再生能源中长期发展规划》还明确规定了大型电力公司和电网公司必须投资可再生能源，到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例要达到3％以上。对于这一目标的实现，光伏发电无疑会起到非常关键的作用。当下，我国地方和企业正积极共建兆瓦级以上光伏并网电站，全国已建和在建的兆瓦级并网光伏电站共11个(2008年5月前估计)，典型的如甘肃敦煌IOMW并网光伏特许权示范项目，青海柴达木盆地的1000MW大型荒漠太阳能并网电站示范工程，云南石林166MW并网光伏实验示范电站。可以预见，在接下来的几年里，光伏并网发电市场将会为我国摆脱目前的金融危机提供强大的动力，光伏产业依然会持续以往的高增长率，光伏市场的前景仍然令人期待。光伏并网发电系统是利用电力电子设备和装置，将太阳电池发出的直流电转变为与电网电压同频、同相的交流电，从而既向负载供电，又向电网馈电的有源逆变系统。按照系统功能的不同，光伏并网发电系统可分为两类：一种是带有蓄电池的可调度式光伏并网发电系统；一种是不带蓄电池的不可调度式光伏并网发电系统。典型的不可调度式光伏并网发电系统如图1．1所示。l

本地负载图1-1不可调度式光伏并网发电系统从图1．1中可知，整个并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、连接组件、计量装置等组成，对于可调度式光伏并网发电系统还包括储能用的蓄电池组。并网逆变器是整个并网发电系统的核心设备，承担着光伏阵列的最大功率点跟踪、直流逆变、防孤岛效应等诸多功能。总的来说，光伏并网发电系统对并网逆变器有以下几点要求嘲：1要求具有较高的逆变效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率，让逆变器自身的功率损耗尽可能小。2．要求直流输入电压有较宽的适应范围。由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，这就要求逆变器必须能在较大的直流输入电压范围内正常工作，并保证交流输出电压的稳定。3．要求具有较高的可靠性和严格的保护措施。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选．和完善的保护功能。4．由于是并网运行，逆变器的输出应为失真度小的正弦波，要做到与电网电压同频同相，不能对电网有干扰和谐波污染。目前，IEEEStd929-2000标准啊要求并网逆变器总谐波失真(TI-ID)小于5％，3、5、7、9次谐波小于4％，11～15次小于2％，35次以上小于O．3％。目前，光伏并网发电的成本已降至2元／KWH，但是对于大规模应用来说，成本依然过高，大多数国家主要靠政府补贴来推动光伏并网发电，对上网电价采取了差额补贴或固定上网电价的方式。而制约光伏发电成本进一步下降的主要原因

是硅料和并网逆变器的成本过高。据专家预测，随着技术的进步，在今后的几年里光伏发电成本可望降至1元／KWH，甚至可望与常规发电成本持平，这对大规模推广光伏发电无疑是非常有利的一面。因此，开发高性能低价格的光伏并网逆变器不但对降低光伏发电成本具有积极作用，同时还具有极大的市场前景。另外，随着电力电子器件的高频化和微处理器性能的飞速提高，使得电力电子设备的全数字化控制日益增多，模拟控制己逐渐被数字控制取代，一些先进的数字控制技术也开始应用于各种电力电子设备的研发当中。与传统的采用模拟芯片控制的逆变器相比，光伏并网逆变器从一开始就采用全数字控制，除主电路变化不大以外，控制电路及控制方法都有很大的差别。目前，由于涉及到知识产权和商业化因素，国内外关于光伏并网的数字控制系统设计和数字控制方法研究的文献还比较少。同时，跟国外的光伏并网发电技术相比，我国的技术水平还有一定的差距，就并网逆变器而言，我国自主研发生产的知名品牌并不多，大部分的光伏示范工程都采用进口的国外品牌，导致光伏并网发电系统的造价高、依赖性强，制约了光伏并网系统在国内市场的发展和推广。因此开展对光伏并网逆变器的研究，掌握并网逆变器关键技术对推广光伏并网发电系统，实现节能减排有着十分重要的作用。1．2并网逆变器的国内外应用现状太阳能光伏并网发电始于20世纪80年代，由于光伏并网逆变器在并网发电中所起的核心作用，世界上主要的光伏系统生产商都推出了各自商用的并网逆变器产品。这些并网逆变器在电路拓扑、控制方式、功率等级上都有其各自特点，其性能和效率也参差不齐。目前在国内外市场上比较成功的商用光伏并网逆变器主要有以下几种：1．德国SMA公司的SunnyBoy系列光伏逆变器【8J艾思玛太阳能技术股份公司(SMASolarTechnologyAG)是全球光伏逆变器第一大生产供应商，并引领着全球光伏领域的技术创新和发展。该公司推出的SunnyBoy系列光伏组串逆变器是目前为止并网光伏发电站最成功的逆变器，市场份额高达60％。其在国内的典型工程包括大兴天普“50kWp大型屋顶光伏并网示范电站"、深圳国际园林花卉博览园1MWp光伏并网发电工程等。

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