微逆变器光伏并网发电系统的研究与设计

【摘要】：随着世界各国对能源危机与环境问题的日益重视，太阳能发电已成为可再生能源利用的主力军。其中微逆变器光伏并网发电系统由于具有能量利用最大化、长使用寿命、即插即用等诸多优点，被认为是未来光伏产业的重要发展方向，也成为了近年来人们关注的热点。本文针对目前微逆变器的特点与存在的问题，对其拓扑结构与控制策略展开了深入的理论分析，并进行了详细的仿真与实验研究，为微逆变器的产品化提供了理论基础与技术支持。 本文首先分析了微逆变器光伏并网系统的技术要求，在此基础上提出了由BOOST变换器、有源箝位反激变换器以及SCR全桥换流电路组成的三级式微逆变器拓扑结构，该拓扑具有电气隔离功能，并采用薄膜电容来实现功率解耦功能以延长微逆变器的使用寿命；本文对各级变换器的工作原理进行了详细的分析，推导了其关键参数的设计；为了能在输出电流按正弦规律大幅变化的情况下保证主功率开关管的ZVS开关，本拓扑中采用了非互补控制的有源箝位技术；并根据电网电压的大小，对箝位开关管提出了一种优化的控制方式从而进一步提升了微逆变器的转换效率。 为了解决采用低容量薄膜电容替代铝电解电容时存在的母线电压不易控制的问题，本文提出了基于滞环控制的母线电压调节方案，可兼顾稳定性与快速性，可靠地控制系统输入输出间的功率平衡且不会向电网产生过大的并网电流振荡；为保证并网电流的质量，本文建立了有源箝位反激变换器的小信号模型，推导了并网电流的控制器参数设计；为避免采用传统的扰动观测法带来的误判与搜寻速度慢等问题带来的能量浪费，本文采用了三点权重、变步长的扰动观测法进行最大功率点跟踪控制，同时提出了无需进行光伏电池电流检测的MPPT方案，省去了电流霍尔传感器，降低了微逆变器的成本。 最后，本文进行了微逆变器光伏并网发电系统的实验研究，研制了200W的微逆变器实验样机，对其中各级硬件电路和软件控制程序进行了详细的设计。实验结果验证了本文理论分析的正确性与可行性，为微逆变器光伏并网系统的应用提供了实验基础。 【关键词】：微逆变器 有源箝位反激变换器 直流母线电压控制 并网电流控制 最大功率点跟踪
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615;TM464
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题背景与研究意义8-9
• 1.2 微逆变器光伏并网发电系统的结构与特点9-10
• 1.3 微逆变器光伏并网发电系统的研究现状10-15
• 1.3.1 微逆变器拓扑结构的研究现状10-12
• 1.3.2 微逆变器控制策略的研究现状12-15
• 1.4 本文主要研究内容15-16
• 第2章 微逆变器光伏并网发电系统的拓扑结构分析16-34
• 2.1 微逆变器拓扑结构分析16-21
• 2.1.1 微逆变器拓扑结构要求分析16-17
• 2.1.2 高效率变换技术分析17
• 2.1.3 无电解电容功率变换技术分析17-21
• 2.2 系统总体拓扑结构21-22
• 2.3 BOOST 变换器分析22
• 2.4 有源箝位反激变换器分析22-33
• 2.4.1 有源箝位反激变换器的工作原理分析23-28
• 2.4.2 有源箝位反激变换器的参数设计28-31
• 2.4.3 有源箝位反激变换器的仿真分析31-33
• 2.5 SCR 全桥换流电路分析33
• 2.6 本章小结33-34
• 第3章 微逆变器光伏并网发电系统的控制策略研究34-47
• 3.1 直流母线电压控制技术研究34-39
• 3.1.1 采用低容量薄膜电容时母线电压的控制问题34-35
• 3.1.2 母线电压的滞环控制方案35-37
• 3.1.3 母线电压控制仿真分析37-39
• 3.2 并网电流控制分析39-43
• 3.2.1 有源箝位反激变换器的建模分析39-43
• 3.2.2 并网电流控制环分析43
• 3.3 最大功率点跟踪控制分析43-46
• 3.3.1 三点权重比较、变步长的 MPPT 控制方案43-46
• 3.3.2 无电流传感器 MPPT 技术研究46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 微逆变器光伏并网发电系统的样机设计47-61
• 4.1 微逆变器系统主功率电路研制47-55
• 4.1.1 BOOST 变换器硬件设计48-51
• 4.1.2 有源箝位反激变换器硬件设计51-54
• 4.1.3 SCR 全桥换流电路硬件设计54-55
• 4.2 微逆变器系统控制电路研制55-57
• 4.2.1 信号检测电路设计55
• 4.2.2 辅助电源电路设计55-56
• 4.2.3 DSP 控制电路设计56-57
• 4.3 微逆变器系统软件设计57-60
• 4.3.1 微逆变器的工作模式控制58
• 4.3.2 数字锁相环（PLL）58-59
• 4.3.3 母线电压与并网电流控制环59-60
• 4.3.4 MPPT 控制环60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 微逆变器光伏并网发电系统的实验分析61-67
• 5.1 控制电路实验波形61-62
• 5.2 有源箝位反激变换器的实验结果62-63
• 5.3 微逆变器最大功率点跟踪实验结果63-64
• 5.4 微逆变器母线电压控制实验结果64-65
• 5.5 微逆变器并网实验结果65-66
• 5.6 实验结果分析66
• 5.7 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-73
• 攻读学位期间发表的学术论文73-74
• 致谢74

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