光伏并网逆变系统控制策略研究

【摘要】：光伏并网发电是未来太阳能光伏利用的主要形式。随着高性能数字信号处理器的出现,一些先进的控制策略在光伏并网控制系统中的应用成为可能。另外,逆变系统是光伏并网发电系统的重要组成部分,随着新能源技术的发展,光伏并网逆变器应当拓展新的功能。本文以光伏并网逆变系统的控制策略为研究对象,以提高并网电能质量、增强可靠性、优化控制性能、扩展系统功能、调节电网电能质量为研究目标,根据单相并网逆变器、三相并网逆变器和双模式逆变器控制中存在的问题以及工程应用的新要求,对其进行深入研究和探讨,展开的工作如下： (1)为了解决三相光伏并网系统中并网电压畸变严重时传统锁相方法精度不高以及市电频率突变而引起锁相精度变差的问题,提出了一种新的三相全数字自适应闭环锁相算法。该锁相算法在三相闭环同步锁相原理的基础上,结合开环锁相与闭环锁相的优点,采用带有自适应控制的二阶低通滤波器来实现对市电频率自适应跟踪,能快速准确地追踪市电电压正序基波分量的相位。通过仿真将改进后的数字锁相方法与已有的开环、闭环锁相方法进行比较,仿真及实验结果验证了该锁相方法的正确性及实用性。 (2)为了优化并网逆变器的控制性能及提高可靠性,围绕并网逆变控制器设计中存在的问题及电路的可靠性,从三个方面提出了改进措施。针对单相H6桥并网逆变器在市电电压过零点附近存在母线短路的风险,设计了带有过零点死区控制的驱动电路；针对单相光伏并网系统中直流母线电压纹波比较大的现象,通过优化逆变器电压环控制器的设计,提出了一种新型的数组滤波器,对逆变电压环控制器输出中的交流分量进行检测与滤除,有效地抑制电压纹波对输出电流参考的不利影响,从而降低并网电流的畸变率；同时,针对并网逆变器小电流输出时由于滤波电感非线性特点导致电流环控制器带宽降低的现象,通过优化逆变器电流环控制器的设计,提出了一种串联电感补偿控制算法,随着电感值的变化实时调节电流环控制器的增益,优化电流环控制器在不同功率下的追踪能力。仿真及实验结果验证了所提出的对控制器的优化策略的有效性及实用性。 (3)采用同一个三相三电平光伏逆变电路集成并网和离网两种功能,首先推导出双模式逆变器离／并网运行状态下的数学模型；基于多旋转矢量控制方法,分别设计出三相离／并网矢量控制器以实现离网运行时负载能正常工作以及单位功率因数并网；对离网运行模式下的逆变器提出了一种矢量并机下垂法以保证无线并联逆变器的均流控制。仿真及实验结果验证了所采用的矢量控制策略的可行性。 (4)针对光伏并网逆变器如何更加有效地调节电网电能质量的问题,提出了一种多机集中补偿策略来控制具有有源滤波功能的并网逆变器组,主要根据每台逆变器剩余功率按一定的任务率实时地分配补偿任务,统一控制整个逆变器组以提高并网逆变器的无功和谐波电流补偿容量及避免单机过补偿的目的。仿真结果验证了该策略的有效性。 【关键词】：光伏并网 闭环锁相 双模式逆变器 矢量控制 无线并联 谐波抑制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615;TM464
【目录】：

• 致谢8-9
• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 1 绪论13-30
• 1.1 光伏发电的背景及意义13-14
• 1.2 全球光伏产业快速发展14-16
• 1.3 光伏发电系统的分类16-20
• 1.4 光伏并网发电的发展现状20-22
• 1.5 光伏并网逆变电路拓扑22-26
• 1.5.1 光伏并网逆变器主电路拓扑22-24
• 1.5.2 光伏双模式逆变系统结构24-26
• 1.6 光伏并网逆变控制技术26-28
• 1.6.1 并网电流控制技术26-27
• 1.6.2 三相锁相技术27-28
• 1.6.3 光伏并网发电与电能质量治理的统一控制技术28
• 1.7 本文的主要研究内容28-30
• 2 三相并网逆变器锁相方法研究30-51
• 2.1 引言30-31
• 2.2 市电正序负序零序分析31-33
• 2.2.1 市电正序分量推导31-33
• 2.2.2 零序分量的作用33
• 2.3 同步旋转坐标变换33-35
• 2.3.1 αβγ坐标系的建立33-35
• 2.3.2 旋转变换35
• 2.4 三相闭环锁相的基本原理35-37
• 2.5 改进的三相闭环锁相37-41
• 2.6 二阶滤波器离散化41-43
• 2.7 频率自适应锁相算法43-44
• 2.8 三相锁相新算法控制器参数设计44-45
• 2.9 仿真45-48
• 2.9.1 谐波分量仿真45-47
• 2.9.2 三相电压不平衡仿真47
• 2.9.3 频率及相位突变仿真47-48
• 2.10 实验结果48-49
• 2.11 本章小结49-51
• 3 单相光伏并网逆变控制器的优化51-66
• 3.1 引言51-53
• 3.2 H6桥并网逆变器过零点死区设计53-55
• 3.3 H6桥并网逆变控制器设计55-56
• 3.4 电压环数组滤波器设计56-58
• 3.5 电流环电感前馈补偿设计58-60
• 3.6 仿真60-63
• 3.7 实验结果63-65
• 3.8 本章小结65-66
• 4 三相双模式逆变器矢量控制技术研究66-99
• 4.1 引言66
• 4.2 双模式逆变器工作模式简述66-68
• 4.3 双模式逆变器控制方法68
• 4.4 逆变系统离网运行控制技术68-78
• 4.4.1 三相逆变系统离网运行分析68-72
• 4.4.2 正序矢量控制72-73
• 4.4.3 多旋转坐标矢量控制73-76
• 4.4.4 逆变器离网运行控制器设计76-78
• 4.5 逆变系统离网运行无线并联控制技术78-84
• 4.5.1 矢量并机下垂法78-81
• 4.5.2 矢量并机稳定性分析81-82
• 4.5.3 输出电压直流量控制82-84
• 4.6 并网矢量控制84-85
• 4.7 三电平空间矢量脉宽调制85-89
• 4.7.1 三电平基本矢量介绍85-87
• 4.7.2 三相四线三电平空间矢量调制87-89
• 4.8 仿真结果89-93
• 4.9 实验结果93-98
• 4.10 本章小结98-99
• 5 多机集中补偿控制提高电网电能质量99-112
• 5.1 引言99-100
• 5.2 无功补偿及谐波抑制的实现100-102
• 5.2.1 谐波及无功电流检测100-102
• 5.2.2 补偿算法实现102
• 5.3 多机集中补偿控制策略102-107
• 5.3.1 瞬时剩余功率103-105
• 5.3.2 补偿任务分配105-107
• 5.4 仿真分析107-110
• 5.5 本章小结110-112
• 6 结论与展望112-114
• 参考文献114-124
• 作者简历124
• 攻读博士学位期间发表的学术论文124

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