三相光伏并网控制系统研究

摘要

随着全球能源危机和环境污染的日益严重,开发和利用清洁的可再生能源势在必行。太阳能是当前世界上最清洁、最具有大规模开发前景的可再生能源之一。太阳能的利用受到了世界各国的普遍关注,其中光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势,因此光伏并网发电技术成为了重要的研究方向。此外,随着高性能的数字信号处理芯片(DSP)的发展,使得一些先进的控制策略应用于光伏并网逆变器成为可能。本文以单级式三相光伏并网发电系统为研究对象,深入分析其工作原理、拓扑结构并建立数学模型,针对光伏阵列的最大功率点跟踪方法、并网发电系统的控制策略等问题进行全面系统的研究。首先,本文根据太阳能电池的电气特性以及光伏阵列在不同的光照强度和环境温度下的输出特性,分别对目前几种经典的定步长最大功率跟踪方法进行简要分析；由于单级式三相光伏并网发电系统中存在光照强度突然减弱而引起直流母线失压甚至崩溃的问题,采用变步长的扰动观察法解决该问题。本文采用基于SVPWM具有前馈补偿的同步矢量电流PI控制器对三相光伏并网系统公共点电流实现闭环控制,同时补偿电网谐波。控制系统为双环控制,外环为电压控制环,利用一个PI调节器使光伏阵列输出电压工作在最大功率点；内环为电流控制环,利用2个PI调节器分别对同步旋转坐标变换的d、q轴电流进行解耦控制。其次,本文在充分研究近年来光伏发电领域重要成果的基础上,设计了一套10kW的三相光伏并网系统,对系统的拓扑结构、数字控制电路、主功率电路等进行了详细的设计,给出了设计要点和计算方法。按照设计方案,搭建了实验样机；为各种光伏三相并网控制算法提供了灵活可靠的硬件实验平台。最后,本文在三相光伏并网系统样机上进行了实验,记录了实验波形,并给出分析。结果表明,本文的控制策略实现了预定的控制目标。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 背景与意义

1.1.1 全球能源危机及面临的环境问题

1.1.2 中国的太阳能资源

1.1.3 太阳能光伏发电系统

1.1.4 光伏并网发电发展现状

1.2 光伏发电并网逆变系统的技术现状与发展

1.2.1 光伏并网系统逆变器接入方式

1.2.2 三相光伏并网逆变器主电路拓扑现状

1.2.3 并网电流控制技术

1.2.4 光伏发电对并网电流控制技术要求

1.2.5 光伏并网逆变器具备调节电能质量功能

1.3 课题来源与本文所做的工作

2 三相光伏并网逆变器控制系统研究

2.1 光伏阵列与最大功率点跟踪

2.1.1 光伏阵列模型

2.1.2 光伏阵列的最大功率跟踪

2.2 光伏并网逆变器的工作原理

2.2.1 光伏并网逆变器系统的电路结构

2.2.2 并网变流器的工作原理

2.3 并网逆变器控制方案与调制方式的选择

2.3.1 基于静止坐标系与旋转坐标系的控制方案

2.3.2 SPWM与SVPWM调制方式

2.4 电流控制策略

2.4.1 控制系统结构

2.4.2 软件锁相环

2.4.3 电网谐波补偿

2.4.4 电流环控制器

2.4.5 电压外环控制器的设计

2.4.6 并网逆变器低电压穿越技术

2.5 小结

3 三相光伏并网逆变系统硬件设计及控制策略的软件实现

3.1 并网逆变器功率主电路设计及选型

3.1.1 光伏阵列的设计

3.1.2 直流EMI滤波器选型及作用

3.1.3 主功率逆变模块计算及选取

3.1.4 变压器选取

3.1.5 交流EMI滤波器选型及作用

3.1.6 供电电源设计

3.2 基于DSP的控制系统设计

3.2.1 数据采样电路设计

3.2.2 光纤隔离驱动电路设计

3.3 直流母线电容的计算与选型

3.4 并网滤波电抗器的设计

3.5 控制系统软件设计思路

3.5.1 主程序流程

3.5.2 中断服务子程序的设计

3.6 变步长的扰动观察法流程

3.7 前馈稳压控制的软件流程

3.8 程序模块化设计实现

3.9 小结

4 系统仿真与实验研究

4.1 系统仿真结果

4.1.1 稳态特性

4.1.2 瞬态特性

4.2 基于DSP的10kW单级式三相光伏并网系统实验研究

4.3 小结

5 全文总结与工作展望

5.1 全文总结

5.2 今后工作展望

致谢

参考文献

在校学习期间所发表的论文、专利、获奖