基于改進(jìn)型準(zhǔn)Z源的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

【摘要】：隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及傳統(tǒng)能源危機日益嚴(yán)重,綠色新能源得到迅速發(fā)展,太陽能以其成本低廉、無污染,且取之不盡、用之不竭等優(yōu)點得到越來越多的關(guān)注。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是當(dāng)今太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢,對于緩解世界能源危機和改善環(huán)境污染問題具有重大的理論和現(xiàn)實意義。為了進(jìn)一步提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行效率與安全穩(wěn)定性,本文以三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究對象,針對系統(tǒng)中的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、局部陰影下最大功率點跟蹤算法、快速孤島檢測算法及低電壓穿越控制策略等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究,并設(shè)計光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺進(jìn)行實驗研究。準(zhǔn)Z源逆變器(qZSI)是以Z源逆變器(ZSI)為基礎(chǔ)的一種改進(jìn)型電路拓?fù)?因其克服了ZSI固有的諸多缺陷,己在光伏并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而qZSI與ZSI的升壓倍數(shù)相同,故對于存在較大輸入范圍的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言仍略顯不足。因此,為了提高qZSI的升壓能力,本文將抽頭電感應(yīng)用到qZSI當(dāng)中,提出了一種改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器(TqZSI)。通過調(diào)節(jié)抽頭電感的匝比,在大幅度提升升壓能力的同時降低了電容電壓應(yīng)力。詳細(xì)分析了TqZSI的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理,并從升壓能力及器件電壓應(yīng)力等方面與傳統(tǒng)qZSI及開關(guān)電感型準(zhǔn)Z源逆變器(SL-qZSI)進(jìn)行分析與比較,同時推導(dǎo)和建立了改進(jìn)型準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的小信號模型,分析各參數(shù)變化對系統(tǒng)特性的影響。仿真結(jié)果表明,相對于qZSI及SL-qZSI,TqZSI具有更高的升壓能力以及更小的器件電壓應(yīng)力。最大功率點跟蹤(MPPT)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的必備功能之一,在局部陰影條件下,光伏陣列由于不匹配現(xiàn)象致使其輸出功率呈現(xiàn)多功率峰值點特性,傳統(tǒng)MPPT算法可能無法跟蹤到全局最大功率點。針對這一問題,本文利用Matlab建立光伏陣列在局部陰影條件下的仿真模型,通過對光伏陣列在不同陰影條件下的輸出特性進(jìn)行仿真與分析,歸納總結(jié)出光伏陣列在復(fù)雜光照條件下功率峰值點的分布規(guī)律,并根據(jù)這一規(guī)律提出一種改進(jìn)型MPPT算法,實現(xiàn)了系統(tǒng)在有/無陰影條件下均能快速跟蹤到全局最大功率點這一目標(biāo),有效提升了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體運行效率。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展,孤島問題日益突顯,根據(jù)《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》,小型光伏電站在接入電網(wǎng)時應(yīng)具備孤島檢測功能。針對于傳統(tǒng)被動檢測法存在較大的檢測盲區(qū),主動檢測法會對電能質(zhì)量造成影響,本文重點分析研究光伏并網(wǎng)逆變器在孤島情況下的輸出特性,公共耦合點(PCC)處電壓不平衡度的動態(tài)變化特性及其與有功電流之間的相互關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上提出基于有功電流-電壓不平衡度正反饋的孤島檢測方法,通過檢測PCC處電壓不平衡度來判定孤島是否發(fā)生。在正常情況下,有功電流-電壓不平衡度正反饋回路的引入,幾乎不會對光伏并網(wǎng)逆變器輸出電能質(zhì)量造成影響,而在孤島情況下,正反饋回路將會使PCC處電壓不平衡度快速偏離正常范圍,實現(xiàn)了無盲區(qū)與非破壞性孤島檢測。同時設(shè)定偽孤島的判定條件,能夠有效避免偽孤島情況下的誤操作,有效提高了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。為了計算PCC處電壓不平衡度,需要正確提取電網(wǎng)正序電壓分量及負(fù)序電壓分量,針對這一問題,本文重點分析研究基于解耦的正、負(fù)序電壓分量檢測算法,并給出其工程實現(xiàn)方法。國家電網(wǎng)公司規(guī)定大中型光伏電站在接入電網(wǎng)時應(yīng)具備低電壓穿越(LVRT)能力,以提高并網(wǎng)發(fā)電的輸電質(zhì)量和維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文通過建立光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)平衡跌落與不平衡跌落情況下的數(shù)學(xué)模型,分析光伏并網(wǎng)逆變器在兩種情況下的輸出特性,重點研究在電網(wǎng)不平衡跌落條件下,以抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流為目標(biāo),適用于改進(jìn)型準(zhǔn)Z源并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越控制策略。通過采用正序變流器與負(fù)序變流器并聯(lián)的雙變流器結(jié)構(gòu),對光伏并網(wǎng)逆變器的正序輸出電流、負(fù)序輸出電流分別進(jìn)行控制,從而實現(xiàn)抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流的影響與波形發(fā)生畸變。同時,提出一套光伏并網(wǎng)逆變器在低電壓期間有功電流與無功電流的設(shè)定方法,使其能夠在電網(wǎng)跌落時為電網(wǎng)提供無功支持。最后,搭建以數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F28335為核心的光伏并網(wǎng)逆變器實驗平臺,對上述所提TqZSI、快速孤島檢測算法及低電壓穿越控制策略進(jìn)行實驗驗證,實驗結(jié)果驗證了理論分析及控制策略的正確性與有效性。 【關(guān)鍵詞】：抽頭電感 準(zhǔn)Z源 局部陰影 全局最大功率點 電壓不平衡度 正反饋 低電壓穿越 負(fù)序電流
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 光伏發(fā)電概述11-12
• 1.1.1 國外光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀11
• 1.1.2 國內(nèi)光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀11-12
• 1.2 課題研究意義12-13
• 1.3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀13-21
• 1.3.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)13-14
• 1.3.2 準(zhǔn)Z源逆變器研究現(xiàn)狀14-17
• 1.3.3 局部陰影下最大功率點跟蹤算法研究現(xiàn)狀17-18
• 1.3.4 孤島檢測算法研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3.5 低電壓穿越控制策略研究現(xiàn)狀20-21
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)21-23
• 第二章 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器研究23-52
• 2.1 抽頭電感結(jié)構(gòu)分析23
• 2.2 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器工作原理與穩(wěn)態(tài)分析23-28
• 2.3 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器調(diào)制策略研究28-33
• 2.3.1 簡單升壓SPWM控制28-29
• 2.3.2 最大升壓SPWM控制29-30
• 2.3.3 最大升壓SVPWM控制30-32
• 2.3.4 直通狀態(tài)分段SVPWM控制32-33
• 2.4 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器性能分析33-37
• 2.4.1 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器升壓能力分析33-34
• 2.4.2 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器器件應(yīng)力分析34-37
• 2.4.3 抽頭電感自身參數(shù)影響分析37
• 2.5 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)建模與分析37-41
• 2.5.1 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)小信號模型37-39
• 2.5.2 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化分析39-41
• 2.6 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源并網(wǎng)逆變器控制策略41-43
• 2.6.1 三相并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型41-42
• 2.6.2 基于電網(wǎng)電壓定向的空間矢量控制42-43
• 2.7 仿真研究43-50
• 2.7.1 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器仿真分析43-48
• 2.7.2 并網(wǎng)控制策略仿真分析48-50
• 2.8 本章小結(jié)50-52
• 第三章 局部陰影下最大功率點跟蹤算法研究52-74
• 3.1 光伏電池數(shù)學(xué)模型與輸出特性52-54
• 3.2 局部陰影下光伏陣列輸出特性研究54-63
• 3.2.1 熱斑效應(yīng)54
• 3.2.2 局部陰影下光伏陣列輸出特性54-63
• 3.3 局部陰影下最大功率點跟蹤算法63-68
• 3.3.1 傳統(tǒng)MPPT算法63-65
• 3.3.2 基于改進(jìn)型準(zhǔn)Z源光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的MPPT實現(xiàn)原理65-66
• 3.3.3 多峰值最大功率點跟蹤改進(jìn)算法66-68
• 3.4 仿真研究68-72
• 3.4.1 改進(jìn)型MPPT算法仿真69-72
• 3.4.2 傳統(tǒng)變步長P&O法多功率峰值仿真72
• 3.5 本章小結(jié)72-74
• 第四章 快速孤島檢測算法研究74-91
• 4.1 孤島效應(yīng)74-75
• 4.1.1 孤島效應(yīng)的發(fā)生機理74-75
• 4.1.2 孤島效應(yīng)的危害75
• 4.1.3 孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)75
• 4.2 基于有功電流—電壓不平衡度正反饋的孤島檢測方法75-78
• 4.2.1 孤島檢測原理76-77
• 4.2.2 偽孤島判定條件77-78
• 4.2.3 電壓不平衡度閥值的選取78
• 4.3 電壓正負(fù)序分量提取算法78-80
• 4.4 仿真研究80-89
• 4.4.1 電壓正負(fù)序分量提取算法仿真80-84
• 4.4.2 孤島檢測算法仿真84-89
• 4.5 本章小結(jié)89-91
• 第五章 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略91-99
• 5.1 電網(wǎng)電壓跌落時光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行特性91-93
• 5.1.1 電網(wǎng)電壓平衡跌落時光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行特性91
• 5.1.2 電網(wǎng)電壓不平衡跌落時光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行特性91-93
• 5.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略93-95
• 5.2.1 電網(wǎng)電壓平衡跌落時低電壓穿越控制策略93-94
• 5.2.2 電網(wǎng)電壓不平衡跌落時低電壓穿越控制策略94-95
• 5.3 仿真研究95-98
• 5.3.1 電網(wǎng)電壓平衡跌落時仿真結(jié)果95-97
• 5.3.2 電網(wǎng)電壓不平衡跌落時仿真結(jié)果97-98
• 5.4 本章小結(jié)98-99
• 第六章 基于改進(jìn)型準(zhǔn)Z源的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實驗研究99-112
• 6.1 基于改進(jìn)型準(zhǔn)Z源的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺99-101
• 6.2 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器實驗研究101-104
• 6.2.1 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器升壓能力實驗研究101-102
• 6.2.2 電容電壓應(yīng)力實驗研究102-104
• 6.3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)實驗研究104-105
• 6.4 電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生裝置實驗研究105
• 6.5 電網(wǎng)電壓正負(fù)序分量提取算法實驗研究105-107
• 6.6 快速孤島檢測算法實驗研究107-108
• 6.7 低電壓穿越控制策略實驗研究108-110
• 6.8 本章小結(jié)110-112
• 第七章 全文總結(jié)與展望112-114
• 7.1 總結(jié)112-113
• 7.2 展望113-114
• 參考文獻(xiàn)114-120
• 攻讀博士學(xué)位期間以第一作者發(fā)表的論文120
• 攻讀博士學(xué)位期間申請的發(fā)明專利120
• 攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項目120-121
• 致謝121

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