三相三电平光伏并网发电系统中若干关键技术的研究

【摘要】：20世纪以来,随着经济全球化步伐的不断加速,工业和经济迅猛发展,能源的需求急剧增加’。而石化能源的日益匮乏和环境的不断污染已经成为制约人类社会发展的两大重要因素,因此世界各国均把大力发展新能源作为重要的能源战略决策。其中太阳能以其无噪声、无污染、可持续利用等一系列优点,成为目前最具发展潜力的绿色能源之一。光伏并网发电是太阳能利用的主要形式之一,深入地研究光伏并网发电技术,对于解决能源危机,减少环境污染,促进经济健康发展具有重大的战略意义。本文基于二极管箝位式的三电平光伏并网逆变平台,对并网逆变器中的一些关键技术进行了深入的研究。 针对光伏阵列最大功率点追踪的问题,分析了现有的各种最大功率点追踪方法,比较了各自的优缺点,指出扰动观察法是性价比较高的一种方法。针对扰动观察法在光照快速变化情况下的误判问题,在dP-PO (dP-Perturbation and Observation\功率差值-扰动观察法)方法基础上,引入光照变化加速度的概念,对光照变化过程进行了更精确的建模,进一步减少最大功率跟踪过程中的误判现象。同时,利用功率守恒原理,对光伏阵列输出和逆变器输出功率之间的关系进行了分析,得出通过比较扰动前后并网电流的变化来实现最大功率点追踪的方法。这种方法不需要对光伏阵列的输出电压和电流进行检测,降低了系统的成本。仿真和实验结果表明,上述方法是可行的,并且系统在动态调节过程中能够保持稳定。 针对逆变器并网前电网同步电压相序和缺相的检测问题,对目前常用的检测方法进行了归类分析,比较了各自的优缺点,并指出最适合并网逆变器的检测方法应该是：不需要搭建额外的硬件电路,只需利用控制时必须采集的数据,在数字控制芯片内部通过简单的算法就能实现相序检测,并且对三相电网电压畸变的情况不敏感。接着,在三相并网逆变器锁相环dq-PLL的基础上,提出了一种通过检测电网电压角频率来判断三相电网相序的方法。这种方法只需要使用并网逆变器正常工作时需要检测的三相电网电压,无需增加额外的硬件。仿真结果表明,这种相序检测方法是可行的,并且在电网存在直流分量、谐波、不平衡等畸变的情况下仍能正常工作。 针对逆变器并网工作后的孤岛检测问题,对现有的孤岛检测方法进行了深入的分析和比较,指出孤岛检测技术的发展方向是：电网正常时,对输出电能质量的影响要小；电网断电时,能够迅速检测出“孤岛”现象。针对上述两点,提出了一种基于无功电流-频率正反馈的孤岛检测方法,推导了正反馈成立的参数条件,讨论了方法实施的具体步骤。仿真和实验证明,在电网正常时,该方法对系统几乎没有扰动,但是一旦电网出现“孤岛”的情况,无功电流和频率之间的正反馈会让频率迅速朝一个方向变化,直到触发孤岛保护。 针对LCL滤波器的谐振问题,分析了目前常用的消除谐振的方法,比较了各自的优缺点,指出目前的方法存在损耗增加、引入噪声或者设计难度较大等问题。为了从瞬时功率的角度对谐振电流进行补偿,对目前几种坐标系下的瞬时功率理论进行了分析,得出的结论是p-q-r理论对三相电流的控制有足够的自由度。最后,在p-q-r理论基础上,分析了p-q-r中坐标变换及功率的定义,得出改善输出电流波形的方法,并将其应用在并网逆变器的控制中。仿真和实验证明,这种方法能够有效改善LCL滤波器的谐振问题,提高输出波形质量。应用在三相三电平光伏并网逆变器中,在降低电流THD的同时,系统还能够保持稳定。 【关键词】：三电平 并网 最大功率点跟踪 相序检测 孤岛检测 p-q-r理论
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-39
• 1.1 光伏发电的研究背景和意义11-17
• 1.1.1 光伏发电的必要性11-12
• 1.1.2 光伏发电的优点和问题12-13
• 1.1.3 光伏发电的发展现状13-14
• 1.1.4 国外光伏发电的发展现状14-15
• 1.1.5 国内光伏发电的发展现状15-17
• 1.2 光伏发电系统介绍17-21
• 1.2.1 概述17
• 1.2.2 光伏电池种类17-19
• 1.2.3 独立运行光伏系统19
• 1.2.4 并网发电光伏系统19-20
• 1.2.5 独立运行光伏系统和并网运行光伏系统的比较20-21
• 1.3 光伏并网发电系统拓扑结构介绍21-23
• 1.3.1 单级式三相光伏并网发电系统21-22
• 1.3.2 两级式三相光伏并网发电系统22-23
• 1.3.3 多级式三相光伏并网发电系统23
• 1.4 光伏并网发电系统的研究热点23-29
• 1.4.1 如何提高光伏阵列的利用效率24-25
• 1.4.2 电网的故障检测25-27
• 1.4.3 并网电能质量的改善27-29
• 1.5 本文主要的研究工作29-31
• 参考文献31-39
• 第二章 光伏电池最大功率点追踪方法的研究39-71
• 2.1 光伏电池的原理和特性39-42
• 2.2 经典的最大功率点跟踪方法介绍42-50
• 2.2.1 MPPT控制的基本原理42-43
• 2.2.2 恒定电压跟踪法43-45
• 2.2.3 扰动观察法45-46
• 2.2.4 电导增量法46-48
• 2.2.5 其它MPPT方法48-50
• 2.3 扰动观察法的改进50-55
• 2.3.1 变步长扰动观察法51-53
• 2.3.2 dP-P&O方法53-55
• 2.4 MPPT优化方案55-59
• 2.4.1 dP-P&O方法的优化55-56
• 2.4.2 MPPT实现方法的优化56-59
• 2.5 MPPT优化方案的仿真和实验59-66
• 2.5.1 MPPT优化方案的仿真59-63
• 2.5.2 MPPT优化方案的实验63-66
• 2.6 本章小结66-68
• 参考文献68-71
• 第三章 电网的相序检测71-93
• 3.1 常用的相序检测方法71-81
• 3.1.1 典型的硬件检测电路71-76
• 3.1.2 典型的软硬件结合检测电路76-79
• 3.1.3 典型的相序检测算法79-81
• 3.2 基于锁相环dq-PLL的电网相序检测81-91
• 3.2.1 dq-PLL的工作原理81-83
• 3.2.2 基于dq-PLL的相序检测方法83-85
• 3.2.3 相序检测仿真研究85-91
• 3.3 本章小结91-92
• 参考文献92-93
• 第四章 电网的孤岛检测93-128
• 4.1 孤岛检测的常用方法93-107
• 4.1.1 电网端检测法93-95
• 4.1.2 逆变器端检测法95-107
• 4.2 基于无功电流-频率正反馈孤岛检测方法107-124
• 4.2.1 无功电流-频率正反馈孤岛检测方法的原理107-113
• 4.2.2 无功电流-频率正反馈孤岛检测方法的仿真验证113-117
• 4.2.3 无功电流-频率正反馈孤岛检测方法的实验研究117-120
• 4.2.4 无功电流-频率正反馈法和无功扰动法的比较120-124
• 4.3 本章小结124-125
• 参考文献125-128
• 第五章 输出滤波器分析及电能质量改善128-166
• 5.1 输出滤波器特性及控制策略分析128-136
• 5.1.1 L型滤波器的滤波特性及其并网控制策略128-130
• 5.1.2 LC型滤波器的滤波特性及其并网控制策略130-133
• 5.1.3 LCL型滤波器的滤波特性及其并网控制策略133-136
• 5.2 LCL滤波器常用的谐振尖峰抑制方法136-140
• 5.2.1 无源阻尼法136-137
• 5.2.2 虚拟电阻法137-138
• 5.2.3 基于超前网络的有源阻尼法138-140
• 5.3 各种坐标系下的瞬时功率理论比较140-148
• 5.3.1 a-b-c坐标系下的瞬时功率理论140-142
• 5.3.2 α-β-0坐标系下的瞬时功率理论(p-q理论)142-143
• 5.3.3 d-q-0坐标系下的瞬时功率理论143-145
• 5.3.4 p-q-r坐标系下的瞬时功率理论(p-q-r理论)145-148
• 5.4 应用p-q-r理论对谐振电流进行补偿148-161
• 5.4.1 p-q-r理论的作用机理148-151
• 5.4.2 应用p-q-r理论对LCL滤波器的谐振问题进行补偿151-152
• 5.4.3 补偿效果的仿真验证152-158
• 5.4.4 补偿效果的实验验证158-161
• 5.5 本章小结161-162
• 参考文献162-166
• 第六章 工作总结与展望166-169
• 6.1 工作总结166-167
• 6.2 工作展望167-169
• 读博期间发表的论文169-170
• 作者简历170

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