光伏并网逆变器及其反孤岛控制策略研究

论文摘要

能源紧缺与环境恶化是二十一世纪日益严重的全球性问题。随着人类文明不断的向前发展，全球工业化对能源的需求也不断增长。作为传统能源的煤、石油和天然气等一次能源将最终走向枯竭，人类正面临着严峻的能源危机，必须尽早寻找新的替代能源，能源问题已成为关系整个国民经济和国家安全的社会问题。本文首先介绍了光伏发电技术的研究背景和研究意义。针对现有光伏发电技术中的各种主电路拓扑，分析其优缺点，选择了一种带工频变压器的单级型三相光伏并网逆变器主电路拓扑。该主电路拓扑有变压器隔离，一方面可防止光伏电池相对于地的寄生电容产生的漏电流流入电网，对电网造成危害；另一方面当光伏电池的母线电压较低时，也可起到升压的作用。针对已选电路拓扑，分析其控制策略，包括最大功率点跟踪（MPPT）、孤岛检测及其反孤岛保护、并网跟踪控制等方面，所有的功能均在三相逆变器这一级中实现。MPPT采用实验室提出的一种新的控制方法，实现了在最大功率点（MPP）处没有振荡，在外界环境变化较快时，避免了误判。并网跟踪控制要实现光伏逆变器输出的并网电流与电网电压频率相同、相位相同，利用对电网电压的锁相以及根据MPPT可得到并网指令电流。在深入研究现有的孤岛检测方法的基础上，分析对比了各种检测方法的优缺点及适用场合，提出了一种新的主动式的孤岛检测方法。该方法通过给指令电流施加一个以正弦规律变化的相位扰动，当负载为线性负载时，电流频率超出规定的阈值，断网后便可通过判断负载上电压的频率来确定是否发生孤岛效应。新方法属于开环控制，且无检测盲区。最后，利用ST公司的Cortex-M3内核的ARM对本文三相光伏并网逆变器的控制系统进行数字化实现。其中包括PWM生成模块，MPPT、动态调节器、并网指令电流的数字化实现等。对本文的主电路拓扑和控制算法进行了初步的实验验证。实验结果证实了本文方案的可行性，以及理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1.绪论
• 1.1. 光伏发电技术概述
• 1.1.1. 光伏发电技术的研究背景及意义
• 1.1.2 光伏发电技术的发展现状
• 1.2. 光伏发电技术的国家标准
• 1.3. 光伏并网逆变器主电路拓扑的分类
• 1.4. 孤岛效应概述
• 1.4.1. 孤岛效应的概念及产生原因
• 1.4.2. 孤岛效应的危害
• 1.4.3. 孤岛的检测方法概述
• 1.5. 光伏组件概述
• 1.5.1. 光伏组件的原理
• 1.5.2. 光伏组件的输出特性
• 1.5.3. 光伏组件的参数
• 1.5.4. 影响光伏组件输出的因素
• 1.6. 最大功率点跟踪概述
• 1.6.1. 最大功率点跟踪原理
• 1.6.2. 最大功率点跟踪方法概述
• 1.7. 本文所做工作及章节安排
• 2.三相光伏并网逆变器的结构及其控制策略
• 2.1. 技术指标
• 2.2. 主电路结构及其运行原理
• 2.2.1. 系统结构框图
• 2.2.2. 主电路及其工作原理
• 2.3. 最大功率点跟踪策略
• 2.4. 并网逆变控制策略
• 2.4.1. 指令电流的生成
• 2.4.2. 电流跟踪控制原理
• 2.4.3. 闭环动态设计
• 2.5. 本章小结
• 3.孤岛检测方法研究
• 3.1. 孤岛检测方法概述
• 3.1.1. 被动检测法
• 3.1.2. 主动检测法
• 3.2. 本实验室新方法的研究
• 3.2.1. 新方法原理
• 3.2.2. 参数计算
• 3.3. 本章小结
• 4.系统硬件电路设计
• 4.1. 主电路设计
• 4.2. 基于ARM的控制电路设计
• 4.3. 驱动电路设计
• 4.4. 检测电路设计
• 4.5. 过流检测及过流保护电路的设计
• 4.6. 本章小结
• 5.系统软件设计
• 5.1. STM32及KEIL MDK介绍
• 5.2. PWM波形生成模块
• 5.2.1. 定时器介绍
• 5.2.2. PWM波形生成
• 5.3. A/D采样模块
• 5.4. 锁相环设计
• 5.5. 最大功率点跟踪设计
• 5.6. 调节器设计
• 5.7. 本章小结
• 6.实验研究
• 6.1. 实验平台介绍
• 6.2. ADC实验结果
• 6.3. 开环实验调试结果
• 6.4. 本章小结
• 7.总结及展望
• 7.1. 总结
• 7.2. 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢