光伏微电网系统控制器的研究

摘要

为了研究光伏微电网系统的并网运行、离网运行、并/离网运行自动切换并调节控制光伏逆变器输出的电能质量。本课题以光伏发电为前提,建立了光伏微电网系统的仿真模型,并设计了微电网控制器来负责控制整个光伏微电网系统的运行,该控制器不仅可以完成对光伏阵列的最大功率跟踪控制,也可以根据是否有孤岛效应使光伏微电网系统运行于并网模式或离网模式。当光伏逆变器并网运行时,逆变器输出的电网电压与频率被电网钳制,微电网控制器只需控制并网电流与电网电压同频同相即可;当光伏逆变器离网运行时,光伏微电网系统相当于一个电压源,微电网控制器需要在无电网电压参考的情况下,根据参考值调节逆变器的输出电压幅值及频率,以保证重要负荷的正常运行。
　　首先,根据光伏电池的基本工作原理及等效模型,推导出了其输出特性曲线表达式,搭建了光伏电池的仿真模型,并实现了最大功率跟踪控制,仿真结果表明该模型的稳定性和有效性。其次,重点介绍了光伏微电网系统中控制器的基本结构及其工作原理,推导了DC/AC逆变桥在 dq坐标系下的数学模型表达式,根据数学模型表达式演化的结构图,详细地分析了 PQ控制策略的功率、电流解耦原理以及 V/f控制策略的电压、电流解耦原理;同时也介绍了 SVPWM调制算法的基本原理、孤岛检测方法,并对光伏微电网控制器的并/离网切换控制策略进行了分析。然后,对光伏微电网控制器以及光伏发电主电路的硬件进行了设计,如 DSP主控芯片的选型、模拟信号采样与调理电路、IPM驱动及保护电路等硬件的设计,并根据主电路参数设计原则确定有关电感及电容的取值范围;对控制系统的软件进行了设计,按照功能和任务,根据软件的分层思想,可以将程序分为主控控制层、算法层以及接口层三个基本层次。
　　最后,在 Simulink中搭建了光伏微电网系统的并网运行、离网运行以及并/离网运行切换的仿真模型进行仿真测试,仿真结果获得了光伏逆变器在多种运行状态下的运行特性,通过分析其运行特性曲线,验证了仿真模型的有效性,为光伏微电网硬件的设计提供了可靠的理论平台。

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第 1 章 绪论

1.1 研究光伏微电网系统控制器的背景及意义

1.2 光伏微电网系统的拓扑结构

1.3 本文的主要研究的内容

第 2 章 光伏电池的仿真及 MPPT 控制

2.1 光伏电池的数学模型

2.2 光伏电池模型的建立

2.3 光伏电池的输出仿真

2.4 光伏电池 MPPT 控制

2.5 本章小结

第 3 章 光伏微电网控制器的控制策略及 SVPWM 算法

3.1 DC/AC 逆变器数学模型的分析

3.2 光伏微电网控制器的控制策略

3.3 微电网控制器并/离网切换控制策略

3.4 SVPWM 算法介绍

3.5 本章小结

第 4 章 光伏发电主电路及微电网控制器硬件的设计

4.1 光伏微电网系统的设计指标

4.2 光伏发电主电路的设计

4.3 控制系统电路的设计

4.4 硬件电路抗干扰措施

4.5 本章小结

第 5 章 光伏微电网控制器的软件设计

5.1 软件层次的设计

5.2 系统软件的设计

5.3 主要子程序的设计

5.4 本章小结

第 6 章 光伏微电网系统的仿真与实验调试

6.1 光伏发电并网模型的仿真

6.2 光伏发电离网模型的仿真

6.3 光伏发电系统的并/离网切换仿真

6.4 光伏发电系统调试与实验分析

第 7 章 全文总结与展望

7.1 主要工作总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 A 微电网控制器的 PCB 图

附录 B 交流信号的 AD 采样子程序

附录 C dq 坐标变换子程序

附录 D SVPWM 产生子程序

攻读学位期间的研究成果