基于改进型准Z源的光伏并网发电系统关键技术研究

【摘要】：随着国民经济快速发展以及传统能源危机日益严重,绿色新能源得到迅速发展,太阳能以其成本低廉、无污染,且取之不尽、用之不竭等优点得到越来越多的关注。光伏并网发电系统是当今太阳能发电技术发展的主流趋势,对于缓解世界能源危机和改善环境污染问题具有重大的理论和现实意义。为了进一步提高光伏并网发电系统的运行效率与安全稳定性,本文以三相光伏并网发电系统为研究对象,针对系统中的逆变器拓扑结构、局部阴影下最大功率点跟踪算法、快速孤岛检测算法及低电压穿越控制策略等关键技术进行了深入系统的研究,并设计光伏并网发电系统实验平台进行实验研究。准Z源逆变器(qZSI)是以Z源逆变器(ZSI)为基础的一种改进型电路拓扑,因其克服了ZSI固有的诸多缺陷,己在光伏并网发电领域得到广泛应用。然而qZSI与ZSI的升压倍数相同,故对于存在较大输入范围的光伏并网发电系统而言仍略显不足。因此,为了提高qZSI的升压能力,本文将抽头电感应用到qZSI当中,提出了一种改进型准Z源逆变器(TqZSI)。通过调节抽头电感的匝比,在大幅度提升升压能力的同时降低了电容电压应力。详细分析了TqZSI的拓扑结构及工作原理,并从升压能力及器件电压应力等方面与传统qZSI及开关电感型准Z源逆变器(SL-qZSI)进行分析与比较,同时推导和建立了改进型准Z源网络的小信号模型,分析各参数变化对系统特性的影响。仿真结果表明,相对于qZSI及SL-qZSI,TqZSI具有更高的升压能力以及更小的器件电压应力。最大功率点跟踪(MPPT)是光伏并网发电系统的必备功能之一,在局部阴影条件下,光伏阵列由于不匹配现象致使其输出功率呈现多功率峰值点特性,传统MPPT算法可能无法跟踪到全局最大功率点。针对这一问题,本文利用Matlab建立光伏阵列在局部阴影条件下的仿真模型,通过对光伏阵列在不同阴影条件下的输出特性进行仿真与分析,归纳总结出光伏阵列在复杂光照条件下功率峰值点的分布规律,并根据这一规律提出一种改进型MPPT算法,实现了系统在有/无阴影条件下均能快速跟踪到全局最大功率点这一目标,有效提升了光伏并网发电系统的整体运行效率。随着光伏并网发电系统的不断发展,孤岛问题日益突显,根据《光伏电站接入电网技术规定》,小型光伏电站在接入电网时应具备孤岛检测功能。针对于传统被动检测法存在较大的检测盲区,主动检测法会对电能质量造成影响,本文重点分析研究光伏并网逆变器在孤岛情况下的输出特性,公共耦合点(PCC)处电压不平衡度的动态变化特性及其与有功电流之间的相互关系,并在此基础上提出基于有功电流-电压不平衡度正反馈的孤岛检测方法,通过检测PCC处电压不平衡度来判定孤岛是否发生。在正常情况下,有功电流-电压不平衡度正反馈回路的引入,几乎不会对光伏并网逆变器输出电能质量造成影响,而在孤岛情况下,正反馈回路将会使PCC处电压不平衡度快速偏离正常范围,实现了无盲区与非破坏性孤岛检测。同时设定伪孤岛的判定条件,能够有效避免伪孤岛情况下的误操作,有效提高了光伏并网发电系统的运行稳定性。为了计算PCC处电压不平衡度,需要正确提取电网正序电压分量及负序电压分量,针对这一问题,本文重点分析研究基于解耦的正、负序电压分量检测算法,并给出其工程实现方法。国家电网公司规定大中型光伏电站在接入电网时应具备低电压穿越(LVRT)能力,以提高并网发电的输电质量和维持系统的稳定运行。本文通过建立光伏并网逆变器在电网平衡跌落与不平衡跌落情况下的数学模型,分析光伏并网逆变器在两种情况下的输出特性,重点研究在电网不平衡跌落条件下,以抑制网侧负序电流为目标,适用于改进型准Z源并网逆变器的低电压穿越控制策略。通过采用正序变流器与负序变流器并联的双变流器结构,对光伏并网逆变器的正序输出电流、负序输出电流分别进行控制,从而实现抑制网侧负序电流的影响与波形发生畸变。同时,提出一套光伏并网逆变器在低电压期间有功电流与无功电流的设定方法,使其能够在电网跌落时为电网提供无功支持。最后,搭建以数字信号处理器(DSP)TMS320F28335为核心的光伏并网逆变器实验平台,对上述所提TqZSI、快速孤岛检测算法及低电压穿越控制策略进行实验验证,实验结果验证了理论分析及控制策略的正确性与有效性。 【关键词】：抽头电感 准Z源 局部阴影 全局最大功率点 电压不平衡度 正反馈 低电压穿越 负序电流
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 光伏发电概述11-12
• 1.1.1 国外光伏发电发展现状11
• 1.1.2 国内光伏发电发展现状11-12
• 1.2 课题研究意义12-13
• 1.3 光伏并网发电系统研究现状13-21
• 1.3.1 光伏并网发电系统结构13-14
• 1.3.2 准Z源逆变器研究现状14-17
• 1.3.3 局部阴影下最大功率点跟踪算法研究现状17-18
• 1.3.4 孤岛检测算法研究现状18-20
• 1.3.5 低电压穿越控制策略研究现状20-21
• 1.4 本文主要研究内容及论文结构21-23
• 第二章 改进型准Z源逆变器研究23-52
• 2.1 抽头电感结构分析23
• 2.2 改进型准Z源逆变器工作原理与稳态分析23-28
• 2.3 改进型准Z源逆变器调制策略研究28-33
• 2.3.1 简单升压SPWM控制28-29
• 2.3.2 最大升压SPWM控制29-30
• 2.3.3 最大升压SVPWM控制30-32
• 2.3.4 直通状态分段SVPWM控制32-33
• 2.4 改进型准Z源逆变器性能分析33-37
• 2.4.1 改进型准Z源逆变器升压能力分析33-34
• 2.4.2 改进型准Z源逆变器器件应力分析34-37
• 2.4.3 抽头电感自身参数影响分析37
• 2.5 改进型准Z源网络建模与分析37-41
• 2.5.1 改进型准Z源网络小信号模型37-39
• 2.5.2 改进型准Z源网络参数变化分析39-41
• 2.6 改进型准Z源并网逆变器控制策略41-43
• 2.6.1 三相并网逆变器数学模型41-42
• 2.6.2 基于电网电压定向的空间矢量控制42-43
• 2.7 仿真研究43-50
• 2.7.1 改进型准Z源逆变器仿真分析43-48
• 2.7.2 并网控制策略仿真分析48-50
• 2.8 本章小结50-52
• 第三章 局部阴影下最大功率点跟踪算法研究52-74
• 3.1 光伏电池数学模型与输出特性52-54
• 3.2 局部阴影下光伏阵列输出特性研究54-63
• 3.2.1 热斑效应54
• 3.2.2 局部阴影下光伏阵列输出特性54-63
• 3.3 局部阴影下最大功率点跟踪算法63-68
• 3.3.1 传统MPPT算法63-65
• 3.3.2 基于改进型准Z源光伏并网发电系统的MPPT实现原理65-66
• 3.3.3 多峰值最大功率点跟踪改进算法66-68
• 3.4 仿真研究68-72
• 3.4.1 改进型MPPT算法仿真69-72
• 3.4.2 传统变步长P&O法多功率峰值仿真72
• 3.5 本章小结72-74
• 第四章 快速孤岛检测算法研究74-91
• 4.1 孤岛效应74-75
• 4.1.1 孤岛效应的发生机理74-75
• 4.1.2 孤岛效应的危害75
• 4.1.3 孤岛检测标准75
• 4.2 基于有功电流—电压不平衡度正反馈的孤岛检测方法75-78
• 4.2.1 孤岛检测原理76-77
• 4.2.2 伪孤岛判定条件77-78
• 4.2.3 电压不平衡度阀值的选取78
• 4.3 电压正负序分量提取算法78-80
• 4.4 仿真研究80-89
• 4.4.1 电压正负序分量提取算法仿真80-84
• 4.4.2 孤岛检测算法仿真84-89
• 4.5 本章小结89-91
• 第五章 光伏并网发电系统低电压穿越控制策略91-99
• 5.1 电网电压跌落时光伏并网发电系统运行特性91-93
• 5.1.1 电网电压平衡跌落时光伏并网发电系统运行特性91
• 5.1.2 电网电压不平衡跌落时光伏并网发电系统运行特性91-93
• 5.2 光伏并网发电系统低电压穿越控制策略93-95
• 5.2.1 电网电压平衡跌落时低电压穿越控制策略93-94
• 5.2.2 电网电压不平衡跌落时低电压穿越控制策略94-95
• 5.3 仿真研究95-98
• 5.3.1 电网电压平衡跌落时仿真结果95-97
• 5.3.2 电网电压不平衡跌落时仿真结果97-98
• 5.4 本章小结98-99
• 第六章 基于改进型准Z源的光伏并网发电系统实验研究99-112
• 6.1 基于改进型准Z源的光伏并网发电系统实验平台99-101
• 6.2 改进型准Z源逆变器实验研究101-104
• 6.2.1 改进型准Z源逆变器升压能力实验研究101-102
• 6.2.2 电容电压应力实验研究102-104
• 6.3 光伏并网发电系统并网实验研究104-105
• 6.4 电网电压跌落发生装置实验研究105
• 6.5 电网电压正负序分量提取算法实验研究105-107
• 6.6 快速孤岛检测算法实验研究107-108
• 6.7 低电压穿越控制策略实验研究108-110
• 6.8 本章小结110-112
• 第七章 全文总结与展望112-114
• 7.1 总结112-113
• 7.2 展望113-114
• 参考文献114-120
• 攻读博士学位期间以第一作者发表的论文120
• 攻读博士学位期间申请的发明专利120
• 攻读博士学位期间参加的科研项目120-121
• 致谢121

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