单相单级光伏LCL并网逆变系统控制策略研究

摘要

近年来，以光伏发电等新能源为代表的分布式发电系统发展迅猛，而并网方式是光伏发电的重要运行方式，它可缓解电力系统的负载压力，提高电力系统运行的可靠性和经济性。
　　在传统的光伏LCL并网逆变系统中，直流侧电压只有大于其最小需求电压时，逆变器才能有效控制并网电流，而最小需求电压随电网电压的增加而增加。为此需在单级逆变系统中串联多块光伏电池以提高其直流侧电压，但这提高了光伏并网发电系统的应用门槛。对此提出一种具有拓展功能的LCL并网逆变系统及其控制方法，在输入功率范围内该逆变系统对并网电流有较强的控制能力，对逆变器直流侧电压没有要求，且电网电压对其控制能力也没有影响。与传统LCL电路相比，所提LCL功能拓展电路同样具有较好的滤波效果。
　　光伏电池的输出特性具有强烈的非线性，其输出功率特性受光照强度和环境温度的影响很大，因此需要根据MPPT算法实时调整光伏电池的工作点，使其工作在最大功率输出状态。为更好的研究光伏电池最大功率点的跟踪，本文利用电池的四个工程技术参数建立了硅太阳电池的工程用数学模型。同时本文利用光伏单级式拓扑中直流侧电压存在的二次脉动，在传统电导增量法的基础上，根据光伏电池的直流电压、电流和2次脉动电压、电流提出了基于二次谐波的改进型MPPT算法，在跟踪上光伏的最大功率之后，除非工作点偏移了最大功率点，否则MPPT算法不再主动对输出电压进行反复扰动，从而减少了扰动造成的振荡，使光伏电池稳定可靠的工作在最大功率点。
　　LCL是一个无阻尼三阶系统，在控制系统中需要增加阻尼才能使其可靠的稳定运行。本文利用基波分量提取环节分别提取并网电流的基波分量的相位和幅值，等效增加系统阻尼和相位滞后，提高了系统稳定性。将所提LCL功能拓展电路应用于单相单级光伏LCL逆变并网系统，控制系统采用了电压电流双环控制，基于基波分量提取的电流控制器能够有效控制并网电流，从而控制系统的交换功率，实现输入功率与输出功率的平衡，通过电压外环，可以使光伏电池端电压无差跟踪MPPT控制器给出的最佳参考电压。
　　最后，在Matlab仿真软件中建立了单相单级式光伏逆变并网系统和其对应的控制系统，通过仿真分析了单块光伏电池在发生环境突变、电网电压突变情况下以及串并联多块电池情况下LCL逆变并网系统的性能，仿真结果验证了所提系统结构及其控制方法的正确性，结果表明该LCL并网逆变器能够有效控制并网电流，并使光伏电池稳定工作在最大功率点，对外界条件突变以及宽范围的电压输入都具有良好的适应能力。该系统较强的鲁棒性和设计灵活性能够降低单级式光伏发电的应用门槛，有利于实现分布式发电的推广应用。

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1 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 光伏并网发电系统的拓扑结构

1.3 国内外研究现状及问题

1.4 本文所作的主要工作

2 并网逆变系统中LCL功能拓展设计和性能分析

2.1 LCL电路的功能拓展

2.2 LCL功能拓展电路的参数设计

2.3 LCL功能拓展电路的性能分析

2.4 本章小结

3 光伏电池建模及最大功率跟踪控制

3.1 光伏电池建模分析

3.2 光伏电池最大功率跟踪算法研究

3.3 本章小结

4 单相单级式光伏逆变并网系统控制

4.1 并网电流基波分量提取系统

4.2 单相单级式光伏并网系统结构及控制系统

4.3 单相单级光伏LCL逆变并网系统仿真

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录A. 作者在读硕士期间发表的论文