基于碳化硅功率器件的3kW光伏逆变器设计与控制研究

摘要

新能源发电是当今社会的热点，随着化石燃料的日益枯竭，光伏发电无疑是其中很好的能源替代方案。光伏逆变器是光伏发电中的重要一环，承接着将光伏阵列发出的直流电转为交流电并网输入网测。同时光伏逆变器的效率和性能对光伏发电系统至关重要，高效稳定的逆变器可以将更多的太阳能转化为电能并稳定的持续发电，对节能减排建设环保型能源系统有很大帮助。　　第一章首先阐述了光伏发电的社会价值和现状，以及光伏发电系统的分类，介绍了SiCMOSFET这一种新型宽禁带器件的特点以及在光伏发电领域的应用前景，最后说明了本文的研究内容和研究意义。　　第二章介绍了光伏电池的分类并对其原理进行分析，结合光伏电池的特点为使得发电效率最高介绍了MPPT方法，扰动观测法是常用的MPPT方法，但是存在跟踪较慢以及跟踪误差问题，通过对一系列MPPT方法的对比得出一种基于辐照变化的的MPPT方法。　　第三章首先针对前级BOOST进行器件选型和设计，对于小功率段的光伏逆变器，逆变器部分工业更倾向采用全桥拓扑进行设计，全桥拓扑的稳定性好并且功率器件用量更少，本文对H4全桥拓扑进行分析并介绍倍频调制的工作原理，同时进行硬件设计，包括母线电容，功率器件的选型以及采样，供电电路的设计等，同时对电路的磁性器件进行设计来优化系统性能。　　第四章建立了PSIM仿真平台验证设计参数同时搭建样机进行试验，同时对系统控制方式进行研究分析，对MPPT部分进行小信号建模分析，对于系统电路通过对前级升压电路的电压环以及主拓扑的双环控制的研究得出传递函数并对参数进行优化，并同时通过伯德图验证其准确性，工业应有常使用试凑法，本文通过传递函数分析以及参数优化并得出伯德图供工业应用借鉴。同时介绍了锁相环的原理以及对比分析了CostasPLL和基于SOGI的单相锁相环，最后介绍了孤岛效应的原因以及一般应对方案，有待后续进一步研究。　　第五章对系统损耗进行分析得出理论损耗分布以及理论效率最高点，得出SiC逆变器理论效率高达98.62%，通过搭建实验平台验证样机功能，通过开环测试确保系统可以安全工作，然后进行闭环实验得出并网波形以及各功率段整机效率，通过和传统逆变器效率对比得出使用SiCMOSFET后系统效率更高，能耗更小。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 光伏发电的背景和研究意义

1.2 光伏发电的发展现状

1.2.1 国内外行业发展状况

1.2.2 光伏并网系统的体系结构分类

1.2.3 光伏并网逆变器的分类

1.3 SiC器件在光伏产业的前景与应用

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究意义

第 2 章 光伏发电的MPPT技术研究

2.1 光伏电池工作原理

2.1.1 光伏电池的分类

2.2 光伏电池的工作原理及MPPT技术

2.2.1 光伏电池的工作原理分析

2.2.2 光伏电池组件的等效电路模型

2.2.3 恒定电压法

2.2.4 电导增量法

2.2.5 扰动观察法

2.2.6 模糊控制法

2.2.7 提出一种新的MPPT方法

2.3 本章小结

第 3 章 SiC单相光伏逆变器硬件设计

3.1 逆变器结构与调制方式

3.1.1 SiC单相光伏逆变器结构框图

3.1.2 单极倍频SPWM调制方式

3.2 硬件设计与器件选型

3.2.1 技术指标

3.2.2 逆变电路设计

3.2.3 驱动电路设计

3.2.4 辅助电源设计

3.2.5 Boost电路参数设计

3.3 外围辅助电路设计

3.3.1 采样电路设计

3.3.2 绝缘阻抗检测电路设计

3.4 本章小结

第 4 章 SiC单相光伏逆变器控制策略研究

4.1 最大功率点跟踪技术

4.1.1 控制原理介绍

4.1.2 MPPT控制方法

4.1.3 基于扰动检测法的误判分析和修正

4.2 单相并网逆变器环路控制

4.2.1 Boost输入电压环控制

4.2.2 电压电流双闭环控制

4.2.3 锁相环控制

4.2.4 仿真平台搭建

4.3 孤岛效应及孤岛检测

4.3.1 孤岛效应发生机理与危害

4.3.2 孤岛效应检测

4.4 本章小结

第 5 章 光伏发电系统测试与分析

5.1 全桥逆变模型损耗分析

5.1.1 体二极管损耗

5.1.2 MOSFET损耗

5.1.3 输出滤波电感损耗

5.1.4 理论损耗分布

5.2.1 开环负载实验步骤

5.2.2 开环负载实验波形

5.3 闭环并网实验测试

5.3.1 闭环并网实验步骤

5.3.2 闭环并网实验波形

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录B 攻读硕士学位期间主研的科研项目