独立光伏发电系统中双向变换器控制及二次纹波电流抑制方法研究

摘要

大规模开发和利用可再生能源是解决能源危机和环境污染问题的重要途径之一。在可再生能源中，太阳能具有的储量无穷大和对环境无危害等特点，其主要利用形式是光伏发电。本文主要研究独立光伏发电系统中双向变换器的控制方法以及二次纹波电流的抑制。
　　双向变换器是发挥独立光伏发电系统中储能单元作用并实现系统能量管理的重要装置，其工作性能对整个系统至关重要。双端有源全桥变换器具有结构对称和易于实现软开关等优点，是常用的双向变换器之一。本文分析了移相控制双端有源全桥变换器的工作原理及其功率传输特性，讨论了开关管结电容对变换器软开关范围的影响。为了表征双端有源全桥变换器在不同端电压和传输功率时的工作性能，本文提出变换器在整个工作范围内的平均效率的概念，通过对各部分损耗的分析，以获得尽可能高的平均效率为优化目标对电感进行了优化设计。研制了一台额定功率为6kW的独立光伏发电系统原理样机，对双端有源全桥变换器进行了实验验证，实验结果验证了上述理论分析的正确性。
　　当两端电压不匹配时，移相控制双端有源全桥变换器不能在全负载范围内实现软开关。为此，本文在移相控制的基础上，在变换器两侧全桥单元引入脉宽调制，从而得到一种脉宽调制加移相控制的控制方法。通过对不同工作模态中软开关实现和电感电流有效值的分析，本文得到了一种优化的脉宽调制加移相控制方法。在该控制方法下，变换器在传输一定功率时电感电流有效值大幅减小，并且能在接近整个负载范围内实现软开关，使变换器的平均效率得到进一步提升。最后，在6kW原理样机上，验证了所提出控制方法的有效性。
　　在独立光伏发电系统中，逆变器瞬时输出功率以两倍输出电压频率脉动，这会导致光伏阵列、单向变换器、双向变换器、储能单元中存在两倍输出频率的脉动电流，即二次纹波电流。二次纹波电流不仅会降低整个独立光伏发电系统的效率，而且还会对光伏阵列的最大功率点跟踪以及储能单元的寿命造成影响。本文分析了独立光伏发电系统各个工作模式下二次纹波电流在系统中的传播情况，以最常见的基于单电压环控制的DC-DC变换器为例，从阻抗的角度分析了当系统中DC-DC变换器控制母线电压时，单纯降低电压环截止频率用于抑制二次纹波电流的抑制方法的局限性，进而提出了基于修订母线电压给定的二次纹波电流抑制方法，并选用 PI-R控制器予以配合，以获得良好的抑制效果。从阻抗的角度对所提出的二次纹波电流抑制方法进行了解释。所提出的抑制方法不仅能够有效抑制系统中的二次纹波电流，不会影响变换器的动态特性，而且易于实现，通用性强，可以应用于各种拓扑和不同应用场合。最后，在6kW独立光伏发电系统原理样机上，验证了所提出二次纹波电流抑制方法的有效性。

目录

声明

1 绪论

1.1 太阳能的特点

1.2 光伏发电的发展现状及其主要应用

1.3 光伏发电系统的结构

1.4 双端有源桥变换器的研究现状

1.5 二次纹波电流抑制

1.6 本文的研究意义及主要研究内容

2 移相控制双端有源全桥DC-DC变换器

2.1 引言

2.2 移相控制双端有源全桥变换器的工作原理

2.3 移相控制时的功率传输及软开关特性

2.4 移相控制双端有源全桥变换器的参数设计

2.5 实验验证

2.6 本章小结

3 PWM加移相控制双端有源全桥DC-DC变换器

3.1 引言

3.2 PWM加移相控制双端有源全桥变换器的工作原理

3.3 PWM加移相控制双端有源全桥变换器的功率传输特性

3.4 PWM加移相控制方法的优化

3.5 PWM加移相控制最终优化模态的选择

3.6 PWM加移相控制效率分析及比较

3.7 实验验证

3.8 本章小结

4 基于修订直流母线电压的二次纹波电流抑制方法

4.1 引言

4.2 二次纹波电流在独立光伏发电系统中的传导

4.3 单电压环控制时二次纹波电流定量分析

4.4 基于修订母线电压给定的二次纹波电流抑制方法及其阻抗解释

4.5 所提出二次纹波电流抑制方法下的控制器设计

4.6 实验验证

4.7 本章小结

5 工作总结及展望

5.1 全文总结

5.2 下一步工作

致谢

参考文献

在学期间的研究成果及发表的学术论文