光伏并網(wǎng)模擬裝置的研制

【摘要】：隨著當(dāng)今能源的消耗日益劇增和傳統(tǒng)能源的日趨減少,以及使用傳統(tǒng)能源所帶來(lái)的一系列相關(guān)問(wèn)題逐漸增加,如環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等諸多問(wèn)題,對(duì)于開發(fā)新能源的需求越來(lái)越大。當(dāng)今各國(guó)都在致力于新能源的開發(fā),如原子能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等。在最近十年的發(fā)展中,太陽(yáng)能得到了迅速發(fā)展。目前作為基礎(chǔ)設(shè)施的電力行業(yè)正在努力利用太陽(yáng)能,為電力的發(fā)展注入新的生機(jī)與活力。光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為時(shí)代的潮流和制約太陽(yáng)能應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。 太陽(yáng)能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源,可以大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用到日常生活以及工業(yè)上,它的應(yīng)用受到極大發(fā)展,具有廣闊的應(yīng)用前景。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電是開發(fā)利用太陽(yáng)能的一種有效手段,受到越來(lái)越多的關(guān)注。對(duì)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電的研究是一個(gè)既具有理論價(jià)值也有現(xiàn)實(shí)意義的課題。另外,隨著集成芯片的快速發(fā)展,出現(xiàn)了各種高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片(如FPGA),使得各種先進(jìn)的控制策略成功實(shí)現(xiàn),并快速應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器。這一趨勢(shì)使得光伏并網(wǎng)發(fā)電成為太陽(yáng)能光伏利用的主要發(fā)展趨勢(shì),得到快速的發(fā)展。 本課題對(duì)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置進(jìn)行了研制,重點(diǎn)研究了交流逆變器,其中控制算法主要采用了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制算法和并網(wǎng)電流波形控制方法。在文中進(jìn)行了詳細(xì)地論證和討論。 本文首先分析了太陽(yáng)能光伏電池的工作原理和基本特性,在此基礎(chǔ)上建立了光伏電池的等效電路和數(shù)學(xué)模型。介紹了目前比較常用的MPPT控制技術(shù)的原理并且對(duì)其進(jìn)行了比較論證。 重點(diǎn)研究了光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浜碗娏骺刂撇呗?建立了光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型,分析對(duì)比了不同的控制方案。對(duì)并網(wǎng)逆變器的濾波方式也進(jìn)行了一些研究和分析,對(duì)比了L和LCL兩種濾波方式,給出了濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。 本設(shè)計(jì)以ALTERA公司的Cyclone Ⅱ EP2C35F672C6(FPGA)作為系統(tǒng)的控制核心,以全橋逆變電路為功率變換主回路,采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)作為逆變電路控制信號(hào),主要在硬件上研究各模塊的實(shí)現(xiàn),并結(jié)合Protel DXP軟件將各模塊硬件電路制作出來(lái),搭建調(diào)試,在軟件的配合下,完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。 設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置具有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)、輸出相位和頻率跟蹤參考信號(hào)功能。該系統(tǒng)采用數(shù)字式閉環(huán)反饋控制,確保變壓器反饋信號(hào)和參考信號(hào)之間同頻同相。DC-AC功率變換部分效率高達(dá)84%,輸出電壓波形失真度小于5%,具有輸入欠壓保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)以及故障排除后的自動(dòng)恢復(fù)等功能。設(shè)計(jì)了L和LCL兩種濾波器,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了這兩種方式的濾波效果；采用主電路和控制電路一體化的方案設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的PCB印制電路板,PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了主電路和控制電路一體化設(shè)計(jì)時(shí)的電磁兼容問(wèn)題。通過(guò)帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)和并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)證明了控制策略和硬件設(shè)計(jì)的正確性,系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。 本設(shè)計(jì)主要在硬件上研究各模塊的實(shí)現(xiàn),并結(jié)合Protel DXP軟件將各模塊硬件電路制作出來(lái),搭建調(diào)試,在軟件的配合下,完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。在此背景下,本論文對(duì)太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的核心器件—并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了較深入的研究,以最大限度的利用太陽(yáng)能作為主要目標(biāo),采用ALTERA公司生產(chǎn)的Cyclone ⅡEP2C35F672C6對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,開展了太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 經(jīng)過(guò)近一年的理論學(xué)習(xí)和潛心研究,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：(1)具有最大功率跟蹤(MPPT)功能；(2)具有頻率跟蹤功能；(3)當(dāng)RS=RL=30Q時(shí),DC-AC變換器的效率η≥60%；(4)當(dāng)RS=RL=30Q時(shí),輸出電壓uo的失真度THD≤5%；(5)具有輸入欠壓保護(hù)功能；(6)具有輸出過(guò)流保護(hù)功能； 從各部分的測(cè)試結(jié)果來(lái)看,本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案完全可行。然而由于開發(fā)時(shí)間、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)水平等原因,系統(tǒng)還存在著一些不足,亟待改進(jìn)。 【關(guān)鍵詞】：光伏并網(wǎng) 逆變器 最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT) 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TM615
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 前言10-11
• 第2章 選題背景11-18
• 2.1 課題來(lái)源、研究目的及意義11-12
• 2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-16
• 2.3 研究的主要內(nèi)容16-18
• 第3章 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模擬裝置設(shè)計(jì)原理18-32
• 3.1 逆變?cè)?/span>18-21
• 3.2 正弦脈寬調(diào)制SPWM21-24
• 3.3 SPWM在單相全橋逆變器中的運(yùn)用24-27
• 3.4 最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)27-32
• 第4章 總體規(guī)劃32-34
• 4.1 系統(tǒng)總體方案的選擇32
• 4.2 正弦逆變器主電路結(jié)構(gòu)32
• 4.3 正弦逆變器的控制32-33
• 4.4 MPPT功能33
• 4.5 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)手段33-34
• 第5章 方案論證34-42
• 5.1 DC-AC逆變模塊方案論證34-35
• 5.2 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路方案論證35
• 5.3 濾波器模塊方案論證35
• 5.4 控制器模塊方案論證35
• 5.5 測(cè)量模塊方案論證35-38
• 5.6 MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤方案論證38-42
• 第6章 過(guò)程論述42-61
• 6.1 MPPT控制模塊的算法42-45
• 6.2 LC濾波模塊中電容和電感的選擇45-46
• 6.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)46-55
• 6.4 軟件實(shí)現(xiàn)55-61
• 第7章 結(jié)果分析61-65
• 7.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能61
• 7.2 測(cè)試方案61-62
• 7.3 測(cè)試結(jié)果62-64
• 7.4 誤差產(chǎn)生及改進(jìn)方法64-65
• 第8章 總結(jié)65-66
• 參考文獻(xiàn)66-69
• 致謝69-70
• 附錄70-77
• 個(gè)人簡(jiǎn)介77-78

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