三相光伏并网逆变器及其控制

授予单位代码学号或申请号密 级中 原 工 学 院硕 士 学 位 论 文论文题目 : 三相光伏并网逆变器及其控制研究生姓名 : 严 攀 研究方向 : 电力电子及光伏并网发电技术指导教师 : 王晓雷 教授指导教师单位 : 中原工学院学科专业名称 : 控制理论与控制工程 申请学位级别 : 硕士论文提交日期 : 2012 年 3 月 论文答辩日期 : 2012 年 3 月培养单位 : 中原工学院学位授予单位 : 中原工学院答辩委员会主席 : 中 原 工 学 院学 位 论 文 原 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所作的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名：年 月 日中 原 工 学 院学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书本人完全了解中原工学院有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于中原工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适合本声明。学位论文作者签名： 指导教师签名：年 月 日 年 月 日中原工学院硕士学位论文 摘要I 三相光伏并网逆变器及其控制专 业：控制理论与控制工程硕 士 生：严攀指导教师：王晓雷 教授摘 要光伏并网发电过程是将直流电变为交流电并将能量输送给电网，逆变器是太阳能电池和大电网连接的核心设备，它的稳定性和可靠性决定了输送电能的质量，为了提高发电质量，需要对系统的硬件和软件做深入的分析。本文对这两个方面都做出了比较详细的数学推导，并进行了理论仿真，然后在此基础上搭建了硬件平台，对这些算法进行了初步的验证，给出了相应的实验结果。首先，本文对光伏阵列的结构进行了分析，并搭建了阵列的仿真模型，从仿真模型的 P— U 曲线可以看出阵列存在最大输出功率，并在此基础之上就最大功率跟踪问题做出了深入思考，在传统的算法基础之上提出了一种算法，仿真表明该算法比传统算法具有更好地跟踪效果。接着，本文对逆变器的拓扑结构做出了说明，并选择了单级式的拓扑结构作为本文研究对象。对于 L 型和 LCL 型的滤波器结构而言，其数学模型是不同的，并网电流的控制算法也要做相应的改变。 对于电压型逆变器， 本文采用直接电流控制，分别对滞环控制和三角波比较控制做出了分析。特别地，对于 LCL 型滤波器在同步坐标系下因其复杂的解耦，本文引入了 PR 控制，搭建了 matlab 仿真对上述算法进行了仿真和对比分析。最后， 本文就 L， LCL 滤波器还有采样电路进行了理论计算， 搭建了实验平台，用 TMS320F2812 做核心控制器对理论算法进行了初步的验证，给出了实验波形。关键词： 光伏并网发电 最大功率点跟踪 直接电流控制 PR控制中原工学院硕士学位论文 摘要II Three-phased Photovoltaic Grid-connected Inverter And ControlSpeciality: Control Theory and Control Engineering Name: Yan Pan Supervisor: Professor Wang Xiaolei Abstract The photovoltaic power generation process is making the direct current to the alternating current and transmissing to the grid, the inverter is the core equipment of the connection between solar cells and grid, its stability and reliability determine the quality of the electrical energy transmission.In order to improve the quality of power generation, a in-depth analysis on hardware and software of the system have done. This paper have made a more detailed mathematical derivation and theoretical simulation on these two aspects, have also made a preliminary validation of these algorithms and given the corresponding experimental results on a hardware platform. First, this paper analyzes the structure of the photovoltaic array, then builds a simulation model of the PV array. The exist of maximum output power of the P-U curve can be seen from the simulation model, a deep thinking of the maximum power point tracking also have done on this basis, and proposes a new algorithm simulation shows that has a better tracking results compared with the traditional algorithm. Then, this paper describes the topology of the inverter, and selects single-stage topology as a research object. For L-and LCL-filter structure, the mathematical model is different, and the net current control algorithms also need to do the appropriate change. In this paper,direct current control is used on voltage source inverter, and respectively analysises hysteresis control and the triangle wave comparing control. In particular, because decoupling of the LCL type filter in the synchronous coordinate system is complicated, this paper introduces PR control, sets up a matlab simulation to simulate and give comparative analysis of the above algorithm. Finally, this paper gives theoretical calculations of the L-and LCL-filter and sampling circuit, builds an experimental platform using TMS320F2812 as core controller to do a preliminary validation of the theoretical algorithm, and gives the experimental 中原工学院硕士学位论文 摘要III waveforms. Key words： Grid-connected Photovoltaic Power； Maximum Power Point Tracking；Direct current control； PR control 中原工学院硕士学位论文 目录I 目 录1.绪论 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11.1 课题研究背景及意义 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11.2 太阳能发展的最新动态 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11.3 简述太阳能电池的分类 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11.4 我国太阳能资源 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21.5 太阳能光伏发电系统的其他应用 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21.6 本文的所做的工作 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 32.光伏阵列的电气特性 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42.1 太阳能电池的基本原理 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42.2 光伏阵列的建模和特性分析 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42.2.1 光伏阵列的数学模型 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42.2.2 不同光照强度下光伏阵列的的 I— U 及 P-U 特性特征曲线 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 62.2.3 不同温度下光伏阵列的 I— U 及 P-U 特性特征曲线 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 72.3 最大功率点控制策略及仿真 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 82.3.1 固定电压法（ C&T ） ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 82.3.2 扰动观测法（ perturb&observe algorilhms, P&O） · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 82.3.3 电导增量法（ Incremental Conductance） ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 82.3.4 牛顿插值算法（ Newton method） · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 92.4 本章小结 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 143.三相单级式光伏并网逆变器的控制策略 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 153.1 光伏并网逆变器电力质量技术要求 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 153.2 光伏并网逆变器拓扑结构 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 153.2.1 并网逆变器拓扑结构分类 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 153.2.2 本系统的拓扑结构以及分析 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 163.3 三相单级式光伏并网逆变器的工作原理 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 193.3.1 三相半桥 L 型滤波器数学模型 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 193.3.2 三相半桥 LCL 型滤波器数学模型 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 223.3.3 并网电流控制技术 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 243.3.4 并网逆变器算法的仿真及其分析 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 253.4 本章小结 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 36中原工学院硕士学位论文 目录II 4.光伏并网逆变器主电路的搭建 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 374.1 霍尔传感器的使用 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 374.2 光伏并网逆变器采集部分的设计 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 384.2.1 电压采样和电流采样调理 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 384.2.2 用于捕获口的过零检测电路 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 434.3 IGBT 驱动及保护电路的实现 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 444.3.1 驱动电路 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 444.3.2 过流、过压、过温及短路保护 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 444.4 本章小结 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 465.基于 DSP2812 并网逆变器的实现 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 475.1 开环 SPWM 波的 DSP 实现 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 475.2 开环 SVPWM 波的 DSP 实现 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 495.3 定时滞环 PWM 波的 DSP 实现 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 515.4 DSP 的 AD 采集的实现 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 515.5 关于锁相功能的思考与实现 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 525.6 数字 PI 控制器、 PR 控制器 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 535.6.1 数字 PI 控制器的 DSP 实现 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 535.6.2 数字 PR 控制器的 DSP 实现 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 555.7 实验结果 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 565.8 本章总结 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 576.总结与展望 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 586.1 总结 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 586.2 展望 ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 58参考文献 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 59附录：研究生阶段发表论文 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 62致 谢 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 63中原工学院硕士学位论文 第一章 绪论1 1.绪论1.1 课题研究背景及意义不言而喻，随着时间的推移，化石燃料的不断枯竭，势必人们会越来越清醒的认识到，能源问题将是一个制约人类发展的重大问题，不得不提前做好充分思想准备，以及必要的行动。不可再生能源会因消耗而减少，人们都把目光投向可再生能源的开采和利用。太阳能是可再生能源的一种，它在前期投入后，管理以及运行费用少，同时无噪声污染，是一种很好的自然资源。同时它在我国也分布广泛，充分利用好太阳能将对我国的经济以及生态环境有重大而深远的影响。1.2 太阳能发展的最新动态 [1]煤，石油等是可再生能源，总有用完的一天，人类社会若要长久发展，不得不提前考虑可再生能源的利用，现在很多国家开始关注太阳能这一块天地，并在积极寻求有效开采太阳能的办法。下面介绍了几种目前太阳能利用的新动向。（ 1）最新太阳能采集装置 —— 氦气球美国技术人员 Joseph Cory和航天工程师 Pini Gurfil 话费多年时间一同对氦气球进行了开发，并获得了成功。研究发现 10ft(1ft=0.3048m)大的气球可以输出一千瓦左右的能量，这对采集太阳能来说其意义是非常深远的。（ 2）有机薄膜太阳能电池新型的有机薄膜电池的转换效率较传统的效率高。与原来两层的构造相比，它加入一层混合薄膜，这样就变为三层了，由于面积增加从而提高了太阳能利用率。（ 3）南非发明廉价太阳能电池在南非的约翰内斯堡大学维维安艾伯特发明了一种新型的太阳能电池板，该电池板是一层只有 5 m的特种感光合金，这大大提高了太阳能电池板的材料利用率，从而有效地降低了光电转换的成本。1.3 简述太阳能电池的分类太阳能电池按照不同的材料可以分为硅和化合物，其中硅又可以分为晶体和非晶体，化合物可以分为铟硒铜、碲化镉、砷化镓、磷化铟。对于晶体而言，可分为单晶体多晶体薄膜式多晶。太阳能电池的分类如图 1.1所示：中原工学院硕士学位论文 第一章 绪论2 太阳能电池硅化合物晶体非晶体单晶多晶薄膜式多晶铟硒铜 碲化镉砷化镓 磷化铟图 1.1 太阳能电池的分类1.4 我国太阳能资源我国有着十分丰富的太阳能资源， 全国太阳年照射量可达 23350 ~ 8370 /MJ m ,平均值大约为 2