基于Z源網(wǎng)絡(luò)的三端口光伏系統(tǒng)研究

【摘要】：太陽(yáng)能以資源豐富、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)成為解決能源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)破壞問(wèn)題最重要的新型能源之一。隨著人類(lèi)環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)和光伏電池價(jià)格逐漸下降，各國(guó)都致力于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的開(kāi)發(fā)和使用。然而，太陽(yáng)能光伏發(fā)電受外部環(huán)境影響比較大，波動(dòng)的輸出功率很難為負(fù)載或者電網(wǎng)提供穩(wěn)定、連續(xù)的電能。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，具有存儲(chǔ)能力的三端口光伏系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于獨(dú)立用戶、航天太空站、可調(diào)度并網(wǎng)等領(lǐng)域，它不僅增強(qiáng)了太陽(yáng)能光伏使用的靈活性，而且還提高了系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)能光伏模塊的利用率和并網(wǎng)的電能質(zhì)量及延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，本文對(duì)三端口光伏系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、能量協(xié)調(diào)控制、并網(wǎng)控制策略和孤島檢測(cè)技術(shù)等進(jìn)行了深入研究。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 三端口光伏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因?yàn)檗D(zhuǎn)換級(jí)數(shù)和開(kāi)關(guān)器件多及高頻變壓器的應(yīng)用不僅增加了系統(tǒng)的體積和重量，而且還增加了系統(tǒng)的損耗。為了克服上述缺點(diǎn)，同時(shí)保護(hù)蓄電池充放電的安全，本文提出了基于Z源網(wǎng)絡(luò)的新型三端口光伏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集升降壓、逆變、雙向充放電、最大功率點(diǎn)跟蹤等功能于一體。其簡(jiǎn)潔緊湊的結(jié)構(gòu)和高效的工作方式降低了系統(tǒng)體積、重量和成本，提高了太陽(yáng)能光伏模塊的利用率和系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。 基于Z源網(wǎng)絡(luò)的三端口光伏系統(tǒng)的Z源逆變器部分采用在SPWM零狀態(tài)處插入直通占空比的單級(jí)控制策略，通過(guò)調(diào)節(jié)直通占空比和調(diào)制因子分別實(shí)現(xiàn)直流母線升壓和系統(tǒng)逆變輸出的控制，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)。但是在感性負(fù)載情況下，逆變輸出波形出現(xiàn)畸變現(xiàn)象并且諧波含量大，為此本文提出了一種改進(jìn)的SPWM控制方法。在不增加外部器件的前提下，換向時(shí)開(kāi)啟上橋臂為電流提供續(xù)流通道，從而消除輸出電流和電壓波形的畸變現(xiàn)象，降低了輸出電流的諧波含量，提高了系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。通過(guò)建立基于Z源網(wǎng)絡(luò)的三端口光伏系統(tǒng)的小信號(hào)模型分析了Z源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、直通占空比，負(fù)載和輸入電壓等系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)其輸出特性的影響。 太陽(yáng)能光伏模塊輸出功率隨外界環(huán)境變化而變化，具有較大的波動(dòng)性，將會(huì)影響負(fù)載的正常運(yùn)行或注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量?；赯源網(wǎng)絡(luò)的三端口光伏系統(tǒng)通過(guò)控制蓄電池的充放電，可以消除天氣對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。因此三端口的能量管理是保證太陽(yáng)能光伏模塊、蓄電池和負(fù)載三者之間高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)太陽(yáng)能光伏模塊和負(fù)載之間的供求關(guān)系及蓄電池所處的狀態(tài)，本文提出了一種適用于基于Z源網(wǎng)絡(luò)的三端口光伏系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)控制方法，在保證負(fù)載穩(wěn)定工作的前提下，提高了太陽(yáng)能光伏模塊的利用率和延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。 基于Z源網(wǎng)絡(luò)的三端口光伏系統(tǒng)輸出端不僅可連接負(fù)載構(gòu)成獨(dú)立型光伏系統(tǒng)而且還可連接電網(wǎng)形成可調(diào)度型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是使注入電網(wǎng)的電流值保持恒定，避免了太陽(yáng)能光伏模塊輸入功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的不利影響，而且還具有調(diào)節(jié)晚間電網(wǎng)峰值的作用。本文采用準(zhǔn)比例諧振并網(wǎng)電流控制方法，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小了并網(wǎng)電流的波動(dòng)，并且通過(guò)修正調(diào)制系數(shù)和電網(wǎng)前饋補(bǔ)償控制消除Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓波動(dòng)和電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)輸出電流的影響，進(jìn)一步提高并網(wǎng)的電能質(zhì)量。 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)除了要求具有控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持同頻同相的能力之外，還應(yīng)具備孤島檢測(cè)能力。因?yàn)楣聧u現(xiàn)象一旦發(fā)生，如果光伏并網(wǎng)系統(tǒng)繼續(xù)工作，可能損壞設(shè)備或者威脅到人身安全。由于孤島危害的嚴(yán)重性，系統(tǒng)的孤島檢測(cè)需快速、準(zhǔn)確，并且兼顧注入并網(wǎng)的電能質(zhì)量。為此本文提出一種基于有功功率變化的正反饋主動(dòng)頻移法，將有功功率的變化量引入正反饋偏移量中，增加了頻率的偏移量，從而加速公共節(jié)點(diǎn)電壓頻率的偏移，縮短檢測(cè)孤島的時(shí)間。 在上述理論研究和仿真分析的基礎(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)了以TMS320F2812為主控制芯片的基于Z源網(wǎng)絡(luò)的三端口光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了獨(dú)立型的三端口能量協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)和并網(wǎng)型的并網(wǎng)電流控制、孤島檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的基于Z源網(wǎng)絡(luò)的三端口光伏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的正確性和可行性。 【關(guān)鍵詞】：三端口 Z源 能量協(xié)調(diào)控制 光伏并網(wǎng) 孤島檢測(cè)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TM615
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-33
• 1.1 課題研究的目的和意義15-16
• 1.2 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光伏發(fā)電現(xiàn)狀16-20
• 1.2.1 國(guó)外太陽(yáng)能光伏發(fā)電現(xiàn)狀16-19
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏發(fā)電現(xiàn)狀19-20
• 1.3 三端口光伏系統(tǒng)綜述20-26
• 1.3.1 光伏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)20-22
• 1.3.2 三端口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)22-24
• 1.3.3 儲(chǔ)能技術(shù)24-25
• 1.3.4 蓄電池充電控制技術(shù)25-26
• 1.4 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)技術(shù)綜述26-31
• 1.4.1 并網(wǎng)電流控制技術(shù)26-28
• 1.4.2 孤島檢測(cè)技術(shù)28-30
• 1.4.3 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)30-31
• 1.5 本課題研究的主要內(nèi)容31-33
• 第2章 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)的研究33-49
• 2.1 引言33
• 2.2 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)33-41
• 2.2.1 三端口光伏系統(tǒng)的工作模式34-37
• 2.2.2 三端口光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)37-41
• 2.3 感性負(fù)載時(shí) Z 源工作狀態(tài)與控制策略41-45
• 2.3.1 感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生畸變的原因43-44
• 2.3.2 改進(jìn)的 SPWM 控制策略44-45
• 2.4 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真分析45-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第3章 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)輸出特性分析49-64
• 3.1 引言49
• 3.2 基于 Z 源的三端口光伏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)小信號(hào)分析49-57
• 3.2.1 Z 源網(wǎng)絡(luò)小信號(hào)分析50-54
• 3.2.2 蓄電池充放電電路小信號(hào)分析54-56
• 3.2.3 逆變電路小信號(hào)分析56-57
• 3.3 系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)輸出動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性的影響57-62
• 3.3.1 Z 源網(wǎng)絡(luò)電容對(duì)系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性的影響57-58
• 3.3.2 Z 源網(wǎng)絡(luò)電感對(duì)系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性的影響58-59
• 3.3.3 直通占空比對(duì)系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性的影響59-61
• 3.3.4 負(fù)載阻值變化對(duì)系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性的影響61-62
• 3.4 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)輸出特性的仿真分析62-63
• 3.5 本章小結(jié)63-64
• 第4章 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)能量控制策略的研究64-83
• 4.1 引言64
• 4.2 鉛酸蓄電池的充放電特性分析64-67
• 4.2.1 鉛酸蓄電池的充電特性分析65-66
• 4.2.2 鉛酸蓄電池的放電特性分析66-67
• 4.3 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)充放電控制策略67-77
• 4.3.1 鉛酸蓄電池充電的控制策略67-73
• 4.3.2 鉛酸蓄電池放電的控制策略73-77
• 4.4 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)的三端口協(xié)調(diào)控制策略77-82
• 4.5 本章小結(jié)82-83
• 第5章 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)83-99
• 5.1 引言83
• 5.2 基于 Z 源的三端口光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)83-85
• 5.3 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電流控制85-91
• 5.3.1 電容電壓紋波前饋控制85-88
• 5.3.2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的準(zhǔn)比例諧振控制策略88-90
• 5.3.3 并網(wǎng)電流控制的仿真分析90-91
• 5.4 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)的孤島檢測(cè)91-97
• 5.4.1 孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)91-92
• 5.4.2 基于有功變化的新型主動(dòng)頻移孤島檢測(cè)方法92-94
• 5.4.3 孤島檢測(cè)仿真分析94-97
• 5.5 本章小結(jié)97-99
• 第6章 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究99-110
• 6.1 引言99
• 6.2 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)99-102
• 6.2.1 主電路結(jié)構(gòu)99-100
• 6.2.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)100-102
• 6.3 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)102-105
• 6.3.1 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路和采樣電路設(shè)計(jì)103-105
• 6.3.2 系統(tǒng)主程序和中斷程序設(shè)計(jì)105
• 6.4 基于 Z 源的三端口光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析105-109
• 6.4.1 獨(dú)立型光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析106-108
• 6.4.2 并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析108-109
• 6.5 本章小結(jié)109-110
• 結(jié)論110-112
• 參考文獻(xiàn)112-123
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文123-125
• 致謝125-126
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷126

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行業(yè)動(dòng)態(tài)    

太陽(yáng)能光伏發(fā)電綜述    李春鵬;張廷元;周封;

太陽(yáng)能系統(tǒng)用鉛酸蓄電池綜述    楊勇;

小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)    李進(jìn)國(guó),金新民

光伏系統(tǒng)中蓄電池過(guò)充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)    王菊芬,楊海平,李宣富,易良廷

非逆變光伏系統(tǒng)在住宅公共照明的應(yīng)用    張騫;孫鵬飛;韓慧鋒;

光伏系統(tǒng)應(yīng)用中的若干誤區(qū)    楊金煥;陳中華;

光伏發(fā)電在美國(guó)電力工業(yè)中的應(yīng)用    楊金煥;陳中華;

固定式獨(dú)立光伏系統(tǒng)中光伏方陣設(shè)計(jì)    李杰慧;劉祖明;李景天;

獨(dú)立光伏系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范簡(jiǎn)介    劉祖明;李杰慧;楊鴻雁;周立新;康樂(lè);

光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能鉛酸蓄電池    周慶申;孔德龍;華壽南;

新興光伏行業(yè)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定    李志堅(jiān);楊舸;李毅;

獨(dú)立光伏系統(tǒng)中光伏功率與蓄電池容量的匹配設(shè)計(jì)    李杰慧;劉祖明;

中國(guó)光伏發(fā)電的發(fā)展及前景    羅雪蓮;

深圳南玻大廈光伏幕墻技術(shù)    謝士濤;黃向陽(yáng);何清;

青海將建百萬(wàn)千瓦級(jí)太陽(yáng)能基地    吳晶晶

光伏系統(tǒng)功率跟蹤技術(shù)    合肥 周民康

深圳羅湖區(qū)：為高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化創(chuàng)造條件    本報(bào)記者 崔大寧

NS SolarMagic電源優(yōu)化器：提高光伏系統(tǒng)性能    

省委中心組召開(kāi)學(xué)習(xí)會(huì)    記者 莫自才　通訊員 張啟才

合肥開(kāi)發(fā)商尋找節(jié)能新招    劉傳勛

太陽(yáng)能發(fā)電要突破應(yīng)用瓶頸    本報(bào)記者 毛學(xué)農(nóng)

甬合互補(bǔ)化“危”為“機(jī)”    通訊員 陳梓軍　記者 宦建新

共筑安全聯(lián)盟護(hù)航綠色能源    記者 丁瑩

太陽(yáng)能電力零距離接近傳統(tǒng)電力    張力正

海洋環(huán)境下船用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)特性研究    孫玉偉

基于Z源網(wǎng)絡(luò)的三端口光伏系統(tǒng)研究    高志強(qiáng)

獨(dú)立光伏系統(tǒng)中蓄電池管理的研究    歐陽(yáng)名三

高效能空間薄膜聚光光伏系統(tǒng)研究    馬宏財(cái)

光伏跟蹤系統(tǒng)智能控制方法的研究    徐曉冰

光伏產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力研究    陳曉燕

光伏發(fā)電系統(tǒng)中Z源逆變器的控制技術(shù)研究    陳艷

基于平面鏡反射的聚光光伏系統(tǒng)研究    張海燕

小型光伏系統(tǒng)及其關(guān)鍵問(wèn)題研究    胡義華

數(shù)字化光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變技術(shù)研究    張文

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置的研制    丁世明

中國(guó)多晶硅光伏系統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià)    傅銀銀

基于直流微網(wǎng)的光伏系統(tǒng)研究    孫濛濛

光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)    謝偉

建筑模塊化光伏系統(tǒng)及其控制策略    周毓穎

光伏系統(tǒng)用鉛酸蓄電池循環(huán)特性的研究    馬洪斌

太陽(yáng)能光伏技術(shù)與建筑一體化應(yīng)用初探    宣曉東

稀土輻射器熱光伏系統(tǒng)余熱發(fā)電研究    龐志偉

基于自抗擾控制技術(shù)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)研究    梁芳

混合光伏系統(tǒng)的數(shù)字化控制方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)    于冰