一种基于MMC的光伏并网系统

摘要

随着全球经济的快速发展，能源短缺与环境污染问题变得愈来愈严峻。为解决能源供应问题同时改善环境，各国竟相发展绿色可再生能源，常见的有太阳能、水能、风能、生物能、地热能和海洋能等。这些能源具有快速再生的特点，在消耗一部分后能快速得到补充，且对环境污染小。在诸多新能源中，太阳能具有资源广泛、易于开采使用等优点，因而得到越来越多的关注。光伏发电技术是利用太阳能的主要形式，局部阴影条件下光伏发电效率优化和提高一直是该技术领域的一个研究热点与难点。光伏并网拓扑结构优化是解决这一问题的有效方法。本文结合模块化多电平拓扑分布式的结构特点在分布式能源发电中的独特优势，设计了一种新型的模块化多电平光伏并网拓扑结构。
　　首先，介绍了模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)的基本结构和运行机理，并分析了光伏电池的输出特性，建立了光伏支路和阵列模型，分析局部阴影条件下光伏阵列功率失配的原因。结合两者的工作特性，完成了基于MMC的光伏发电系统的结构设计，并分析了其基本运行机理。
　　其次，结合对所提拓扑运行特性的分析，为其设计了相应的控制策略，具体包括:最大功率跟踪控制、冗余控制、稳压控制和并网控制四部分。最大功率跟踪控制实现各个光伏组件的最大功率点电压捕获;冗余控制和稳压控制有利于桥臂能量平衡，减小因局部阴影下最大功率点电压波动引起的相间环流;并网控制实现系统并网运行。同时，分析了系统调制策略的选择依据，系统采用载波移相调制策略。
　　再次，根据提出新型拓扑结构及其控制方法，对比常规组串式结构，进行对比仿真。根据仿真结果得出结论，所提新型光伏并网拓扑结构在子模块故障和局部阴影条件下均能够稳定运行。而且相对于常规组串式结构，本拓扑还具有太阳能的利用率高，硬件投入少、谐波含量低等优点。
　　最后，对所搭建的光伏实验平台进行系统介绍，包括控制板芯片的介绍;子模块电容、桥臂电感的选取;PCB板的设计;采样电路以及各种电压、电流保护电路的设计;软件流程图，最后并给出相关实验验证结果，表明在同等光照条件下，本文所提拓扑结构相对传统组串式结构能输出功率更大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题研究背景及其意义

1．1．1 太阳能及其发电技术

1．1．2 国内外光伏发电发展现状

1．2 光伏发电系统结构和应用问题

1．3 MMC在光伏并网系统中的应用

1．4 本文项目来源和章节安排

第2章 基于MMC的光伏发电拓扑优化设计

2．1 MMC器拓扑结构及其运行机理

2．2 光伏电源模型及其输出特性

2．3 基于MMC光伏发电系统结构设计

2．4 本章小结

第3章 控制策略研究

3．1 最大功率点跟踪控制

3．2 相间平衡控制设计

3．2．1 冗余控制

3．2．2 稳压控制

3．3 并网控制设计

3．3．1 并网原理

3．3．2 并网策略的选择

3．4 调制策略的选择

3．5 本章小结

第4章 仿真研究

4．1 仿真模型的搭建

4．2 冗余模块电压补偿仿真研究

4．3 局部阴影仿真研究

5．4 本章小结

第5章 实验平台的研制

5．1 光伏实验平台

5．1．1 实验平台结构

5．1．2 主控制板介绍

5．2 主电路参数设计

5．3 采样和保护电路设计

5．4 PCB板设计

5．5 系统软件设计

5．5．1 DSP端口配置

5．5．2 软件流程设计

5．6 实验结果

5．7 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间取得的研究成果

致谢