光伏發(fā)電逆變控制系統(tǒng)的研究

【摘要】：隨著社會(huì)的快速發(fā)展,對(duì)能源的需求越來越大,使人們不斷地想辦法開發(fā)和利用新型能源。光伏發(fā)電越來越受到各國的重視,而光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的研究也成為了一項(xiàng)較為熱點(diǎn)的課題。本文就是在這種背景下針對(duì)光伏發(fā)電逆變控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了一套基于三相四橋臂逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和DSP、FPGA協(xié)同控制的光伏發(fā)電逆變控制系統(tǒng),并對(duì)該逆變系統(tǒng)的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足實(shí)際需要。 本文以幅相控制策略為核心,對(duì)單相SPWM控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在三相四橋臂逆變器解耦控制的基礎(chǔ)上,加入了幅相控制,形成了電壓和相位的多環(huán)控制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的建模仿真,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。 首先針對(duì)三相不平衡和非線性負(fù)載,在分析了原有帶三相不平衡負(fù)載逆變器拓?fù)涞幕A(chǔ)上,本文提出了基于三相四橋臂逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主電路的設(shè)計(jì),并選取了IGBT作為功率開關(guān)器件。同時(shí)為了滿足逆變系統(tǒng)的工頻正弦輸出,本文還對(duì)電力濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì),并確定了電路系統(tǒng)參數(shù)。 其次本文對(duì)逆變器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。為了使數(shù)據(jù)采樣、算法控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生能夠同時(shí)進(jìn)行,本系統(tǒng)的中央控制單元采用了以DSP與FPGA為核心的設(shè)計(jì)思想。DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和算法的控制；FPGA負(fù)責(zé)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào),并完成命令、狀態(tài)的發(fā)送與接收。設(shè)計(jì)了中央控制單元DSP與FPGA硬件電路的最小系統(tǒng),并通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制算法和功能。 然后對(duì)逆變系統(tǒng)的通訊管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在通訊管理系統(tǒng)中,PLC作為核心,負(fù)責(zé)接收觸摸屏發(fā)送的控制命令和參數(shù),并將其發(fā)送到中央控制單元完成指令動(dòng)作和參數(shù)設(shè)定,同時(shí)PLC還要將中央控制單元采集的數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)送到觸摸屏中進(jìn)行外部顯示,而PLC與控制單元的連接主要是通過與FPGA之間的通訊來實(shí)現(xiàn)。本文在Modbus通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上,定義了適用于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收格式,并通過程序上的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的通訊。 最后本文設(shè)計(jì)并搭建了光伏發(fā)電逆變控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試模擬現(xiàn)場的環(huán)境,并采集了實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中的數(shù)據(jù)和波形,而且對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。 【關(guān)鍵詞】：光伏發(fā)電 三相四橋臂逆變器 幅相控制 解耦控制 FPGA
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TM615
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-21
• 1.1 光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的現(xiàn)狀和前景13-17
• 1.1.1 國內(nèi)外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)13-15
• 1.1.2 國內(nèi)外光伏逆變器的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.1.3 逆變技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)16-17
• 1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介17-19
• 1.2.1 獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)17
• 1.2.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)17-18
• 1.2.3 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)18-19
• 1.3 本課題的主要研究工作19
• 1.4 本章小結(jié)19-21
• 第2章 光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)21-37
• 2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器要求21-23
• 2.1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器要求21-22
• 2.1.2 逆變器的類型22
• 2.1.3 逆變器的工作原理22-23
• 2.2 電壓型逆變電路23-26
• 2.2.1 單相電壓型逆變電路23-26
• 2.2.2 三相電壓型逆變電路26
• 2.3 具有帶不平衡負(fù)載的三相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)26-29
• 2.3.1 △/Y變壓器的逆變器27
• 2.3.2 中點(diǎn)形成變壓器(NFT)式三相逆變器27-28
• 2.3.3 分裂電容式的三相逆變器28
• 2.3.4 組合式三相逆變器28-29
• 2.3.5 三相四橋臂逆變器29
• 2.4 逆變系統(tǒng)的主電路29-33
• 2.4.1 直流側(cè)濾波電容的選擇30
• 2.4.2 IGBT器件及其驅(qū)動(dòng)板的選擇30-33
• 2.5 電力濾波器設(shè)計(jì)33-35
• 2.5.1 濾波器結(jié)構(gòu)33-34
• 2.5.2 濾波器參數(shù)理論計(jì)算34
• 2.5.3 分析與驗(yàn)證34-35
• 2.6 本章小結(jié)35-37
• 第3章 光伏逆變系統(tǒng)的控制策略37-59
• 3.1 太陽能充電控制器37-39
• 3.1.1 控制器類型37-38
• 3.1.2 控制器性能特點(diǎn)38-39
• 3.2 逆變器控制方式39-44
• 3.2.1 PWM調(diào)制方式39-41
• 3.2.2 逆變器的消諧控制技術(shù)41-44
• 3.2.3 逆變器的功率因數(shù)校正44
• 3.3 單相SPWM雙閉環(huán)控制44-47
• 3.3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)44-45
• 3.3.2 幅值相位轉(zhuǎn)化45
• 3.3.3 電壓控制45-46
• 3.3.4 相位控制46-47
• 3.4 三相四橋臂逆變器解耦控制47-53
• 3.4.1 解耦控制理論分析47-50
• 3.4.2 控制參數(shù)的選擇50-51
• 3.4.3 三相四橋臂逆變器解耦控制建模51-53
• 3.5 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析53-57
• 3.6 本章小結(jié)57-59
• 第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)59-75
• 4.1 逆變系統(tǒng)的主控制電路59-68
• 4.1.1 主控制電路實(shí)現(xiàn)60-61
• 4.1.2 核心芯片的選取61-63
• 4.1.3 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)63-65
• 4.1.4 FPGA最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)65-67
• 4.1.5 主控制電路抗干擾設(shè)計(jì)67-68
• 4.2 光伏逆變系統(tǒng)軟件整體流程68-69
• 4.3 控制算法的DSP實(shí)現(xiàn)69-71
• 4.3.1 控制算法的主程序流程69-70
• 4.3.2 單相控制算法實(shí)現(xiàn)70-71
• 4.3.3 零相控制算法實(shí)現(xiàn)71
• 4.4 SPWM波形生成的FPGA實(shí)現(xiàn)71-73
• 4.5 本章小結(jié)73-75
• 第5章 通訊管理系統(tǒng)75-85
• 5.1 通訊結(jié)構(gòu)組成75-78
• 5.1.1 三菱FX2N系列PLC76-77
• 5.1.2 上位機(jī)觸摸屏PWS6A00T-P77
• 5.1.3 通信接口及其通信協(xié)議77-78
• 5.2 PLC與FPGA數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)78-82
• 5.2.1 Modbus協(xié)議及CRC校驗(yàn)79
• 5.2.2 自定義通信數(shù)據(jù)格式79-80
• 5.2.3 PLC發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的特點(diǎn)80-81
• 5.2.4 數(shù)據(jù)通信模塊81-82
• 5.3 觸摸屏與PLC通信設(shè)置82-84
• 5.4 本章小結(jié)84-85
• 第6章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析85-91
• 6.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成85-86
• 6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析86-89
• 6.3 本章小結(jié)89-91
• 第7章 總結(jié)與展望91-93
• 參考文獻(xiàn)93-97
• 致謝97

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