光伏发电逆变控制系统的研究

论文摘要

随着社会的快速发展,对能源的需求越来越大,使人们不断地想办法开发和利用新型能源。光伏发电越来越受到各国的重视,而光伏发电逆变系统的研究也成为了一项较为热点的课题。本文就是在这种背景下针对光伏发电逆变控制系统进行研究,设计了一套基于三相四桥臂逆变拓扑结构和DSP、FPGA协同控制的光伏发电逆变控制系统,并对该逆变系统的样机实验平台进行实验验证,各项性能指标满足实际需要。本文以幅相控制策略为核心,对单相SPWM控制系统进行设计与实现。在三相四桥臂逆变器解耦控制的基础上,加入了幅相控制,形成了电压和相位的多环控制系统。通过系统的建模仿真,验证了系统的可行性。首先针对三相不平衡和非线性负载,在分析了原有带三相不平衡负载逆变器拓扑的基础上,本文提出了基于三相四桥臂逆变拓扑结构的主电路的设计,并选取了IGBT作为功率开关器件。同时为了满足逆变系统的工频正弦输出,本文还对电力滤波器进行了设计,并确定了电路系统参数。其次本文对逆变器的控制系统进行了设计。为了使数据采样、算法控制和驱动信号的产生能够同时进行,本系统的中央控制单元采用了以DSP与FPGA为核心的设计思想。DSP负责数据的采集和算法的控制；FPGA负责产生驱动信号,并完成命令、状态的发送与接收。设计了中央控制单元DSP与FPGA硬件电路的最小系统,并通过软件设计实现控制算法和功能。然后对逆变系统的通讯管理系统进行了设计。在通讯管理系统中,PLC作为核心,负责接收触摸屏发送的控制命令和参数,并将其发送到中央控制单元完成指令动作和参数设定,同时PLC还要将中央控制单元采集的数据和状态发送到触摸屏中进行外部显示,而PLC与控制单元的连接主要是通过与FPGA之间的通讯来实现。本文在Modbus通讯协议的基础上,定义了适用于本系统的数据发送和接收格式,并通过程序上的设计实现了系统的通讯。最后本文设计并搭建了光伏发电逆变控制系统的实验平台,通过实验调试模拟现场的环境,并采集了实验调试过程中的数据和波形,而且对实验的结果进行了分析。实验结果表明,系统各项指标达到了预期目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光伏发电逆变系统的现状和前景
• 1.1.1 国内外光伏发电的现状和发展趋势
• 1.1.2 国内外光伏逆变器的研究现状
• 1.1.3 逆变技术发展趋势
• 1.2 光伏发电系统简介
• 1.2.1 独立运行光伏发电系统
• 1.2.2 并网光伏发电系统
• 1.2.3 混合型光伏发电系统
• 1.3 本课题的主要研究工作
• 1.4 本章小结
• 第2章 光伏发电逆变系统主电路结构
• 2.1 光伏发电系统对逆变器要求
• 2.1.1 光伏发电系统对逆变器要求
• 2.1.2 逆变器的类型
• 2.1.3 逆变器的工作原理
• 2.2 电压型逆变电路
• 2.2.1 单相电压型逆变电路
• 2.2.2 三相电压型逆变电路
• 2.3 具有带不平衡负载的三相逆变器的拓扑结构
• 2.3.1 △/Y变压器的逆变器
• 2.3.2 中点形成变压器（NFT）式三相逆变器
• 2.3.3 分裂电容式的三相逆变器
• 2.3.4 组合式三相逆变器
• 2.3.5 三相四桥臂逆变器
• 2.4 逆变系统的主电路
• 2.4.1 直流侧滤波电容的选择
• 2.4.2 IGBT器件及其驱动板的选择
• 2.5 电力滤波器设计
• 2.5.1 滤波器结构
• 2.5.2 滤波器参数理论计算
• 2.5.3 分析与验证
• 2.6 本章小结
• 第3章 光伏逆变系统的控制策略
• 3.1 太阳能充电控制器
• 3.1.1 控制器类型
• 3.1.2 控制器性能特点
• 3.2 逆变器控制方式
• 3.2.1 PWM调制方式
• 3.2.2 逆变器的消谐控制技术
• 3.2.3 逆变器的功率因数校正
• 3.3 单相SPWM双闭环控制
• 3.3.1 控制系统结构
• 3.3.2 幅值相位转化
• 3.3.3 电压控制
• 3.3.4 相位控制
• 3.4 三相四桥臂逆变器解耦控制
• 3.4.1 解耦控制理论分析
• 3.4.2 控制参数的选择
• 3.4.3 三相四桥臂逆变器解耦控制建模
• 3.5 系统仿真结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 控制系统的设计与实现
• 4.1 逆变系统的主控制电路
• 4.1.1 主控制电路实现
• 4.1.2 核心芯片的选取
• 4.1.3 DSP最小系统设计
• 4.1.4 FPGA最小系统设计
• 4.1.5 主控制电路抗干扰设计
• 4.2 光伏逆变系统软件整体流程
• 4.3 控制算法的DSP实现
• 4.3.1 控制算法的主程序流程
• 4.3.2 单相控制算法实现
• 4.3.3 零相控制算法实现
• 4.4 SPWM波形生成的FPGA实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 通讯管理系统
• 5.1 通讯结构组成
• 5.1.1 三菱FX2N系列PLC
• 5.1.2 上位机触摸屏PWS6A00T-P
• 5.1.3 通信接口及其通信协议
• 5.2 PLC与FPGA数据通信的实现
• 5.2.1 Modbus协议及CRC校验
• 5.2.2 自定义通信数据格式
• 5.2.3 PLC发送与接收数据的特点
• 5.2.4 数据通信模块
• 5.3 触摸屏与PLC通信设置
• 5.4 本章小结
• 第6章 系统实验结果及分析
• 6.1 实验系统的组成
• 6.2 实验结果及分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢