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级联准Z源多电平逆变器光伏并网发电电气工程系统

时间:2018-12-09 16:11来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电气工程论文,电气工程一级学科是湖北省重点学科和特色学科,是国内一流建设学科,电力与新能源学科群是湖北省优势特色学科群。
本文是一篇电气工程论文,电气工程一级学科是湖北省重点学科和特色学科,是国内一流建设学科,电力与新能源学科群是湖北省优势特色学科群。学院拥有电气工程一级学科博士点、控制科学与工程一级学科硕士点,具有电气工程、控制工程专业学位型硕士点,具有电气工程领域、控制工程领域工程硕士学位授予权。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电气工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 课题背景和研究意义
近年来,随着环境被污染的案例日益变多、传统的石油、天然气、煤炭等化石能源消耗严重,清洁的新型能源的开发和利用已成为社会发展的必然趋势【1】。其中,太阳能开发利用已成为全球能源转型的最重要领域之一,近年来,我国光伏发电累计装机和年度新增装机均居全球首位【2-3】。我国在 2016 年底发布了新能源发展的最新规划,其中《太阳能发展“十三五”规划》中对太阳能的发展做出了定义:我国预计在 2020 年底,光伏装机量将再次得到明显提升,预计全国装机量达到 1.05 亿千瓦,同等情况下可节省标准煤 1.4 亿吨,其中太阳能中的光热发电等能源利用率将达到 0.05 亿千瓦。另外,在同年发布了《中国光伏产业发展路线图》,对光伏发电产业说了详细说明,其中指出随着技术的发展,制作工艺的成熟,晶体硅的价格已相对于 2010 年下降了大约 73%,单晶体电池以及多晶体电池的转换效率均提升了约 2%,光伏电池板的寿命也提升了大约 5 至 10年。清洁的光伏能源已为社会带来了显著的贡献,随着新能源技术的逐步成熟,光伏发电行业已成为我国较别国的优势行业之一【4】。在光伏发电系统中,逆变器是其中最主要的模块之一,决定了光伏发电系统的电能转换效率和发电的稳定性【5-6】。传统光伏逆变器易受到后级 MPPT 电路的影响,导致其输入电压范围有固定要求、还存在着抗干扰能力差,桥臂易损坏等缺点。对于传统的光伏逆变器存在的问题,由彭教授首先提出了 Z 源逆变器拓扑结构,Z 源逆变器一方面通过加入由电容电感组成的阻抗网络以单级拓扑替代了传统逆变器 DC/DC 加 DC/AC 的结构;另一方面,由于逆变器的同相桥臂可以直接导通,减小了由于在同相桥臂上下管之间加入死区而造成的输出波形畸变,而且提高了逆变器的可靠性,不会因为桥臂直通导致功率管损毁【7】。彭教授对 Z 源逆变器的电路拓扑进行了改进,进而提出了准 Z 源逆变器,它不仅具有 Z 源逆变器的所有特点,还有直流输入电流连续、可有效抑制了电磁干扰等优点,得到了广泛的应用【8】。另外,随着高压输电、矿场等大功率设备应用场合越来越多,级联多电平逆变器由于具有功率等级高、输出谐波含量低的优点而被广泛应用【9】。级联多电平逆变器是由诸多子模块级联而成,由于输出的电压为多电平状态,所以谐波畸变率较传统两电平逆变器小;较中点钳位型逆变器,级联型不存在电容电压不均衡的问题;若要实现系统高压、低频运行,只需利用小功率的器件即可;易于模块化设计【10-11】。由于每个子逆变器都需要单独且相互隔离的直流电源进行供电,使得级联H桥多电平逆变器非常适合燃料电池、光伏发电等多直流电源供电的新能源行业。
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1.2 光伏发电技术发展概况及研究现状
随着新能源产业的日益壮大,光伏逆变器的技术以及产业链也逐步完善,在国外,以中小功率等级的装置为主;在国内,由于土地面积较大,所以主要以大功率等级电站为主,在大功率等级的技术方面我国较国外具有较高的领先水平,中小功率等级的光伏产业随着国家政策的扶持,规模也逐步扩大【12】。我国光伏发电技术在世界上已属前列,但在工艺、稳定性、智能化方面与国外还有一定差距。逆变器作为光伏发电系统中的核心部件和关键技术所在,主要分为三类:集中式、组串式与微型并网逆变器。(1) 集中式并网逆变器:其特点是逆变器主电路结构简单,当整个逆变器系统容量达到兆瓦级,单位成本较组串式与微型逆变器较低。但是整机体积通常较大,且当电池板特性存在差异或者局部被影阴遮挡时,系统的输出功率会降低,使光伏电池板不能工作在各自的最大功率点,发电量下降,造成资源浪费【13】;(2) 组串式并网逆变器:该类型逆变器功率等级相对较小(通常为5~30kW),不需要经过直流汇流箱与直流配电柜,其将直流电转为交流电后,将交流电汇总然后并网。然而,当多台逆变器并联时,其接入点的谐波较难抑制,会影响电网运行的稳定性【14-15】;(3) 微型并网逆变器:微型并网逆变器可对每块光伏电池板单独进行逆变,其优点是可以对每块光伏电池板进行独立的最大功率点跟踪,可发挥整个系统的最大效能,从而有效避免弱光发电差、木桶效应。同时也无需直流汇流箱或者交流汇流箱,安全性得到了提高,实现了光伏发电的模块化设计、降低了系统的安全隐患、较传统逆变器寿命更长。但其也有一些缺点,比如输入电压范围有限,需加装变压器来拓宽电压范围、桥臂不可直通,开关器件容易损坏、成本较高等。
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2 级联准 Z 源多电平逆变器光伏发电系统
 
2.1 级联准 Z 源多电平逆变器光伏发电系统工作原理
基于级联准 Z 源多电平逆变器的光伏并网发电系统功率拓扑结构如图 2-1 所示,该系统由两个准 Z 源逆变器子模块级联而成,每个子模块的结构相同,都由以下几个部分构成:光伏电池板(PVn)、电感(Ln)电容(Cn)以及二极管(Dn)构成的阻抗网络、单相 H 桥构成的逆变器。光伏电池板是每个子模块的直流输入源并与一个稳压电容(CPVn)相并联,经过电感电容构成的阻抗网络,直流输入电压得到提升,通过控制单相 H 桥的功率开关器件的开通关断,使得直流电逆变为可调频调幅的交流电,最后将两个模块的交流输出侧串联起来,经过网侧滤波电抗器(L)将电能并入大电网。基于级联准Z源多电平逆变器的光伏并网发电系统中子模块直流侧接入的是光伏电池板,当光照强度、温度等外部因素发生变化时,光伏电池板输入的电压会时刻变动,其最大功率点也时刻发生变化,此时就需要对最大功率点进行跟踪。其次需要对子模块的直通占空比进行实时控制,使直流电压得到提升。由于由两个子模块级联而成,所以逆变器的输出电压有五个电平,相对于两电平逆变器,输出电压的谐波畸变率大幅降低。
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2.2 级联准 Z 源多电平逆变器光伏发电系统数学模型
 
2.2.1 准 Z 源逆变器数学模型
准 Z 源逆变器功率拓扑结构图如图 2-2 所示。由电感电容构成的阻抗网络中的电容用于存储电能变换中的能量,可以使电压保持近似稳定;电感可以使电流保持近似连续的状态,以防功率开关管工作于直通状态时因电流过大而损坏功率开关器件。阻抗网络的存在可以使原本禁止的同相桥臂直通的状态得到有效利用,且在无需升压级的情况下就可获得较高的输出电压。由于同相桥臂可以直通,使得系统的安全性得到了提高,且可以有效避免因为在传统逆变器中加入死区时间而导致的输出电压畸变问题。单相全桥逆变器由四个 MOSFET 器件构成,每个 MOSFET 有开通、关断两种工作模式,因此单相全桥逆变器的工作状态可以分为六种,六种工作状态可分为有效矢量与零矢量两种。当 MOSFET 动作且直流母线电压被加到负载上时,这时的工作状态为有效矢量;当上桥臂两个 MOSFET 或下桥臂两个 MOSFET 同时导通时,就会造成负载短路,这时的工作状态被称为零矢量状态。在传统的单相全桥逆变器中,有效矢量与零矢量各有两个。另外,同一桥臂的上下开关管同时导通的状态是被禁止的,是因为会导致电路短路而损毁开关器件,一般会在上下桥臂开通与关断时加入死区时间避免。然而,准 Z源逆变器正是将这种被禁止的状态利用起来,实现了单级升压的功能。
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3 级联准 Z 源多电平逆变器光伏并网发电系统仿真分析..... 13
3.1 级联准 Z 源多电平逆变器光伏发电系统控制框图 ....... 13
3.2 仿真分析........... 13
3.2.1 级联准 Z 源多电平逆变器开环仿真分析 ................ 13
3.2.2 光伏电池板特性仿真分析............... 15
3.2.3 级联准 Z 源多电平逆变器光伏并网系统不同工况仿真分析 .......... 16
3.4 本章小结 .......... 20
4 实验研究与分析..... 21
4.1 实验平台介绍................ 21
4.2 硬件设计 .......... 22
4.3 级联准 Z 源多电平逆变器光伏并网发电系统的软件设计 ........ 26
4.3.1 主程序设计............. 27
4.3.2 中断程序设计......... 27
4.4 实验结果及分析 ........... 29
4.5 本章小结 .......... 32
5 结论与展望............. 33
5.1 结论...... 33
5.2 进一步研究的工作展望............. 33
 
4 实验研究与分析
 
在本文第二章从理论上分析了级联准 Z源逆变器多电平逆变器光伏发电系统的数学模型,在第三章对级联准 Z 源逆变器多电平逆变器光伏发电系统的控制框图进行了详细分析说明,并对级联准 Z 源逆变器多电平逆变器光伏发电系统在不同工况的特性进行了仿真分析。本章将对本课题所用到的硬件实验平台和软件程序做详尽的阐述,并在实验平台上对级联准 Z 源多电平逆变器光伏发电系统进行实验验证。
 
4.1 实验平台介绍
实验平台如图 4-1 所示,整个系统由两个子模块级联构成,每个子模块主要包括主电路、驱动电路、采样及调理电路、控制电路和电源电路。直流侧光伏电池板采用的是昌日新能源公司生产的光伏组件,型号为 CR150M(P)。实验平台实物图如图 4-1 所示。主电路是由光伏电池板、准 Z 源阻抗网络、单相全桥逆变电路和网侧滤波电感组成的级联多电平逆变器,主要完成将光伏电池板的直流电转化为交流电的功能,其中硬件电路还包括直流电压、直流电流、网侧电压、网侧电流的采样,以及 MOSFET 的驱动电路;调理电路主要完成对采样电路采集到的模拟信号进行电平转换,以及对模拟信号中的杂波进行滤波处理,以满足 DSP 的 AD 管脚输入要求,还将完成保护电路的设计和主电路与控制电路之间的信号连接;控制电路主要完成对控制算法的处理并产生 PWM 波、电流电压采样和 A/D 转换。表 4-1 为实验平台的设计指标。
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结论
 
本文主要对级联准 Z 源多电平逆变器在光伏并网发电系统中的应用进行了研究。首先对级联准 Z 源多电平逆变器的数学模型进行了推导、对工作原理进行了分析。其次对逆变器的调制方式、控制策略等进行了研究。最后对级联准 Z 源多电平逆变器的外部环境条件一致、光照强度不一致、光照强度突变三种工况进行了仿真分析。通过仿真和实验可以得到以下总结:
(1)本文首先验证了级联准 Z 源逆变器的性能,通过仿真与开环实验结果可以看出,相比于传统光伏逆变器,级联准 Z 源多电平逆变器在无 DC/DC 级的情况下,通过阻抗网络就可实现升压,拓宽了直流电压的输入范围,且输出五电平电压更逼近正弦波。
(2)本文验证了级联准 Z 源多电平逆变器应用于光伏并网发电系统中的优势,由仿真结果可以看出,两个模块在光照强度均匀、光照强度不均匀、光照强度突变三种工况下均可以工作于各自的最大功率点,有效避免了木桶效应,提高了能量利用率。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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