基于光伏发电系统的三电平逆变器设计.docx
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基于光伏发电系统的三电平逆变器设计
中国矿业大学
本科生毕业论文
姓名:
张云凤学号:
04072002
学院:
信息与电气工程学院
专业:
电气工程与自动化
论文题目:
基于三电平的光伏发电系统逆变器研究
专题:
指导教师:
徐瑞东职称:
讲师
2011年06月徐州
中国矿业大学毕业论文任务书
学院信息与电气工程学院专业年级电气工程2007-8班学生姓名张云凤
任务下达日期:
2011年02月21日
毕业论文日期:
2011年02月21日至2011年06月15日
毕业论文题目:
基于三电平的光伏发电系统逆变器研究
毕业论文专题题目:
毕业论文主要内容和要求:
主要设计内容:
(1)了解太阳能和光伏产业的发展前景,深入研究光伏电池的工作原理;
(2)学习三电平逆变器的拓扑结构和工作原理以及其控制要求
(3)学习传统的SVPWM算法的原理和实现步骤,在三电平逆变器并网控制方式上,采用电压外环与电流内环双闭环控制系统,实现直流侧电压与网侧电流的控制;
(4)完成不少于3000字相关外文文献翻译;
(5)完成毕业设计。
院长签字:
指导教师签字:
中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书
指导教师评语(①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力;③研究内容的理论依据和技术方法;④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
指导教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书
评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;④工作量的大小;⑤取得的主要成果及创新点;⑥写作的规范程度;⑦总体评价及建议成绩;⑧存在问题;⑨是否同意答辩等):
成绩:
评阅教师签字:
年月日
摘要
在将太阳能转化为电能时,三电平逆变器更适合大容量,高电压变频场合,具有开关器件工作在较低频率下可以获得较好的波形,开关损耗相对较低,效率高,电路的电磁干扰小等优点。
本文首先阐述了国内的光伏发电的现状,在对三电平逆变器PWM控制技术研究背景以及目前三电平PWM控制技术的研究现状进行了分析研究的基础上,研究了三电平逆变器的工作原理,详细分析了二极管箝位型三电平逆变器的拓扑结构和控制要求以及三电平逆变器的中点不平衡问题;再次,在控制方法上,本文选用了调制比大、能够优化输出电压波形、母线电压利用率高的SVPWM,研究了传统的SVPWM算法的原理和实现步骤,并建立了仿真模型进行分析,在三电平逆变器并网控制方式上,采用电压外环与电流内环双闭环控制系统,实现了直流侧电压与网侧电流的控制。
关键词:
光伏系统;三电平;空间矢量调制(SVPWM);中点电压平衡;光伏逆变器。
ABSTRACT
Intheprocessofthetransformationofsolarenergyintoelectricity,thethree-levelinverterismoresuitableinconditionoflargecapacityandhighvoltagefrequencyconversion.Whenitisused,thefollowingadvantagescanbeembodied.Switchingdevicecangetbetterwaveformsatthelowerfrequency;switchinglosseswouldbereducedtoarelativelylowlevelandhighefficiencybeachieved;andthe ElectroMagneticInterferenceofelectriccircuitisweak.Withtheseadvantages,thethree-levelinverteriswidelyused.
Firstly,thispaperexpoundsthedomesticpresentconditionofthePVpower,probesintotheworkingprinciplesofthesolarcells,thebackgroundandpresentsituationofthethree-levelinverterPWMcontrollingtechnology.Secondly,itanalyzestheworkingprinciplesofthethree-levelinverterandelaboratesthetopologyandcontrollingrequirementsoftheground-clampdiodeclampedthree-levelinverteraswellastheimbalanceofthepointofthethree-levelinverter.Finally,intermsofthecontrollingmethod,thisthesischoosesSVPWMthatcanprovidelargemodulationrangeandhighDCvoltageutilizationratioandoptimizeswitchingwaveforms,diggingouttheprinciplesandimplementationstepsofthetraditionalalgorithmofSVPWM,andestablishingthesimulationmodelforanalysis.Inthecontrollingmodeofthethree-levelinverter,thedoubleclose-loopcontrolledsystemthatcomprisesofthevoltageexternalloopandtheinnerelectriccircuitisusedinordertorealizethecontrolofdcvoltageandacsidecurrent.
Keywords:
PhotovoltaicSystems;Three-Level;SpaceVectorModulation(SVPWM);Mid-pointVoltageBalance;Photovoltaicinverter.
1绪论
1.1太阳能和光伏发电
能源是人类一切活动的物质基础。
在某种意义上讲,人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。
社会经济发展的重要问题。
在人类文明史上,人类不断地从自然索取和探寻适合生存和发展的各种能源,能源的使用一定程度反应了人类进步的步伐,从原始社会开始,化石能源逐渐成为能源的主要来源,这种状况一直延续到科技发达的今天。
然而随着人类需求日益增加,化石能源正面临日益枯竭的危险,此外,化石能源的使用带来的严重后果不容忽视。
在当今世界,能源的发展,能源和环境,是全世界、全人类共同关心的问题,也是我国社会经济发展的重要问题。
太阳能取之不尽,用之不竭,无环境污染等优越性,又由于太阳能电池的主要原料—硅的储量十分丰富,随着其的快速发展和转换效率的不断提高发展成本的日趋降低,所以,全球能源专家认为太阳能是最具有发展前景的的绿色能源。
自二十世纪八十年代以来工业发达国家充分利用自身的优势,巨资加速光伏发电技术,大规模的投资有力的推动了技术的进步,从而光伏发电技术日趋成熟,步入了实用的商业化阶段。
近20年来,我国通过技术引进和自主创新,我国的光伏产业已初规模。
“十二五”能源规划中提出:
“推进能源科技创新,大力发展风能、太阳能、生物质能以及清洁煤利用、核能、智能电网、新能源汽车、分布式能源等新兴能源科技装备技术。
”据统计:
2008年底,我国太阳能光伏电池年产量已达200万千瓦,占全球市场的30%以上。
2009年中国光伏发电装机容量已达750万千瓦,占全球市场的44%,这标志着太阳能光伏发电技术已经进入规模化应用阶段。
2009年,中国光伏发电增长迅速,2009年,国家相继出台了“金太阳”示范工程、“屋顶工程”等一系列支持光伏产业发展的政策,有效拉动了国内市场的光伏应用需求,由此带动了我国光伏发电的大规模应用。
可见,我国光伏产业正在高速发展中。
1.2三电平逆变器PWM控制技术研究背景
1980年,日本长冈科技大学的A.Nabae等人在IEEE工业应用(IAS)年会上首次提出了中点箝位式(NeutralPointClamp)三电平逆变器[6]。
它的出现为高压大功率逆变器的研究开辟了一条新的思路,其后在高压大容量变换场合得到了广泛的应用。
目前,三电平逆变器是实现大容量、高压电机控制方法之一,相对于传统的大容量逆变器结构,多电平逆变器在高压大容量化和高性能化之间实现了很好的结合。
然而,在三电平及多电平电路的研究和应用中,因为开关器件众多以及电路自身问题,比如中点电位不平衡问题,所以需要对其开关状态进行合理控制。
而脉宽调制(PWM)控制技术随着电压型逆变器的应用越来越广泛已经逐渐成为变换器研究和应用中的一个共性且核心技术,多电平变换器更是如此。
PWM(PulseWidthModulation)控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即利用开关器件的开通关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列,以实现输出变频、调压并有效地控制和消除谐波的一种技术。
在传统两电平变换器PWM控制技术中有包括载波调制法、谐波消除法和电压空间矢量调制法等诸多成熟的PWM方法[1]。
而这些PWM控制思想也可以推广到多电平变换器的控制中。
多电平PWM控制技术是多电平研究的关键核心技术。
但是多电平变换器PWM控制的目标多、性能指标要求高,其PWM控制技术较复杂。
然而,多电平变换器是从三电平变换器结构中发展起来的,三电平变换器的研究是多电平研究的基础,而且三电平变换器的PWM控制技术相比之于其他更高电平的PWM控制技术要简单,但向更高电平拓展却相比两电平更方便。
所以,研究和应用多电平PWM控制技术首先应先从三电平PWM控制技术的研究做起。
综合上述介绍,开展对三电平变换器PWM控制技术的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
1.3三电平PWM控制技术的研究现状
三电平逆变器的PWM技术是逆变器研究中的关键控制技术,它与逆变器的拓扑结构的提出而共生,不仅决定着逆变的实现与否,而且也对系统的输出波形质量,损耗和效率有着直接影响。
到目前为止,人们已经提出了大量的多电平逆变器的PWM控制方法,主要方法有:
(1)载波调制法[11314]
载波调制(CarrierPWM)PWM控制技术,就是通过载波和调制波的比较,得到开关脉宽控制信号。
主要方法是载波层叠法(CarrierDispositionPWM),它是从两电平载波调制方法中直接扩展而来,是由两组频率和幅值相同的三角载波上下层叠,且两组载波对称分布于同一个调制波的正负半波,通过调制波分别与两个载波的比较结果控制开关器件动作。
根据三角载波之间相位关系的排列不同,可以分为:
(a)同相层叠方式(PhaseDisposition,PD),
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