电气工程及其自动化专业光伏单相逆变器并网控制技术研究-开题报告-文献综述-外文翻译.docx
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1、摘 要随着“绿色环保”概念的提出,以解决电力紧张,环境污染等问题为目的的新能源利用方案得到了迅速的推广,这使得研究可再生能源回馈电网技术具有了十分重要的现实意义。如何可靠地、高质量地向电网输送功率是一个重要的问题,因此在可再生能源并网发电系统中起电能变换作用的逆变器成为了研究的一个热点。本文以全桥逆变器为对象,详细论述了基于双电流环控制的逆变器并网系统的工作原理,推导了控制方程。内环通过控制LCL滤波中的电容电流,外环控制滤波后的网侧电流。大功率并网逆变器的开关频率相对较低,相对于传统的L 型或LC 型滤波器,并网逆变器采用LCL 型输出滤波器具有输出电流谐波小,滤波器体积小的优点,在此基础上
2、本系统设计了LCL滤波器。本文分析比较了单相逆变器并网采用单闭环和双闭环两种控制策略下的并网电流,并对突加扰动情况下系统动态变化进行了分析。在完成并网控制系统理论分析的基础上,本文设计并制作了基于TMS320LF2407DSP的数字化控制硬件实验系统,包括DSP 外围电路、模拟量采样及调理电路、隔离驱动电路、保护电路和辅助电源等,最后通过MATLAB仿真软件进行验证理论的可行性,实现功率因数为1的并网要求。 关键词 并网逆变器;LCL滤波器;双电流环控制;DSPAbstractWith the concept of”Green and Environmental Protection”was
3、proposedAll kinds of new energy exploitation program are in the rapid promotion,which is in order to solve the power shortage,pollution and other issuesIt makes exploring renewable energy feedback the grid technology has a very important practical significanceHow to deliver power into the grid relia
4、bly and quality is an important problem,the inverter mat Can transform the electrical energy in the system of the renewable resource to be fed into the grid is becoming one of the hot points in intemational researchBased on the bridge inverter the analysis of the working principle and the deduction
5、of the control equation have been presented. The strategy integrates an outer loop grid current regulator with capacitor current regulation to stabilize the system. The current regulation is used for the outer grid current control loop. The frequency of switching is slower in the high power grid-con
6、nected inverter. Compared with tradition type L or type LC, output filter and output currents THD of type LCL are all smaller.So on this basis, the system uses the LCL filter. This paper compares the net current of the single-phase inverter and net single loop and double loop under two control strat
7、egies, and the case of sudden disturbance of the dynamic change of the system.In complete control system on the basis of theoretical analysis, design and production of this article is based on TMS320LF2407DSPs digital control hardware test system, including the DSP external circuit, analog sampling
8、and conditioning circuit, isolation, driver circuit, protection circuit and auxiliary power, etc., via MATLAB software to validate the feasibility of the theory.Achieve power factor is 1 and network requirements.Keywords Grid-connected inverter;LCL filter; Double current loop control;DSP摘要Abstract第1
9、章 绪论1.1 国内外可再生能源开发的现状及前景1.1.1 可再生能源开发的现状及前景11.1.2 可再生能源并网发电系统1.2 并网逆变器的研究现状及趋势1.3 本文的结构及主要内容第2章 单相并网逆变器总体设计2.1 并网逆变器组成原理及主体电路硬件设计2.1.1 系统逆变主体电路拓扑结构及原理82.1.2 系统主体电路参数设计92.2 逆变器的SPWM调制方式分析2.3 LCL滤波器的设计2.3.1 利用隔离变压器漏感确定LCL滤波142.3.2 LCL滤波器数学模型及波特图分析152.3.3 LCL滤波器的参数设计162.4 并网控制策略的提出2.4.1 电流型并网模型分析182.4.
10、2 几种控制方法分析202.4.3 使用双电流闭环控制策略232.5 本章小结25第3章 系统仿真及结果分析3.1 单相逆变器开环仿真3.2 单相逆变器并网单闭环仿真分析3.3 基于双电流环的单相逆变器并网仿真分析3.4 突加扰动时系统动态分析3.5 本章小结第4章 数字化并网控制系统硬件设计4.1 基于DSP的并网控制系统整体设计4.2 系统电路设计4.2.1 DSP外围电路设计334.2.2 模拟信号采样电路344.2.3 隔离、驱动电路364.2.4 多功能控制电源设计374.2.5 保护电路设计384.3 本章小结结论参考文献致谢附录1附录2附录3第1章 绪论1.1 国内外可再生能源开
11、发的现状及前景1.1.1 可再生能源开发的现状及前景自20世纪50年代以来,随着经济活动的增加,世界能源消耗急剧上升,世界能源消耗增长了20倍。然而,通过增加能源消耗促进经济发展的粗放增长方式已造成全球大气、土壤、水源等诸多方面环境质量的严重下降,暴露出以煤炭等常规能源为主的能源结构的弊端。上个世纪70年代西方发生石油危机以来,人们逐渐认识到,矿物能源终会有耗尽之时,人类要维持自身的生产生活,就必须开发新的能源,特别是可再生能源。由此,世界上掀起了一股开发利用可再生能源的热潮,特别是1992年联合国世界环境与发展大会后,世界各国都将积极推动可再生能源的发展当作21世纪能源发展的基本选择,并在全
12、世界范围内达成了广泛的共识【1】。可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源,它对环境无害或危害极小,而且资源分布广泛,适宜就地开发利用。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。世界各国发展可再生能源的动因和方向有较大差别。发达国家发展可再生能源的主要目的是:应对气候变化,减排温室气体;保护环境,减少大气污染;能源来源多样化,保障能源安全;保持技术优势,扩大出口等。而发展中国家发展可再生能源的目的主要是在于:解决农村能源问题,扩大能源供应和缓解能源短缺。因此,世界各国发展可再生能源所采取的战略也有一定的差别。在可再生能源技术方面,美国、欧
13、洲、日本等发达国家都是世界上的领先者,许多成功的经验和技术值得学习和借鉴。这些国家以科技为先导,采取多种激励措施,将先进技术转化为产业,并拥有了最大份额的市场。美国政府一直都将促进可再生能源的开发利用作为其能源政策的核心内容之一,并以法律的形式规定了一系列减税和生产补贴政策,促进和支持可再生能源的开发和利用。2005年8月的(2005年国家能源政策法)明确要求为太阳能、地热能、生物能等可再生能源的开发提供资助,还对核电以及天然气给予了相关政策支持。欧盟自20世纪90年代初开始就高度重视能源战略。1997年,欧盟在可再生能源发展白皮书中提出,可再生能源在一次能源中的比例要由1997年的6提高到2
14、010年的12,2020年提高到20,2050年提高到50。1999年欧盟发布的欧洲共同体战略起飞白皮书提出了实现可再生能源份额提高的行动计划,行动计划包括;进一步鼓励可再生能源利用的政策、加强成员国之间的合作、鼓励各国在可再生能源领域内的投资,并加强可再生能源的信息传播与服务。德国政府自20世纪70年代起,就开始花大力气促进可再生能源技术的开发,迄今已投入研究经费17.4亿欧元,并在诸多方面取得显著成效。如德国的风能发电量占全球的三分之一,并占德国电力生产总量的4,远高于世界0.4的平均水平。日本是一个常规能源极度短缺的国家,这一状况促使日本形成了积极开发和利用可再生能源的观念。自1973年
15、石油危机后,日本开始大力提高能源效率,实施能源多样化方针,并积极引进天然气和核能,摆脱对石油的依赖。同时,太阳能发电和风能发电在日本也得到了迅速发展和普及。到2001年,天然气在日本能源消费构成中所占的比例已经从第一次石油危机时的1.5提高到138,核电占日本能源消费的比例则达到14.1。日本政府制定的新日光计划(19942030)提出:到2010年可再生能源供应量和常规能源的节能量要占能源供应总量的10,2030年达到34【2】。中国作为一个迅速崛起的发展中国家,面临着经济增长与环境保护的双重压力。2004年6月,我国在能源中长期发展规划纲要中提出要大力开发水电、积极推进核电、鼓励发展风电、
16、生物质能等可再生能源,到2020年中国可再生能源发电装机容量将占总装机容量的30以上。2005年2月28日,我国颁布了中华人民共和国可再生能源法,将可再生能源列为能源发展的优先领域,明确规范了政府和社会在可再生能源开发利用方面的责任与义务,并制定了一系列制度和措旌,为可再生能源的发展提供了法律保障。2006年3月公布的“十一五”规划也明确提出;要构筑稳定、经济、清洁的能源供应体系,大力发展可再生能源。规划提出,到2020年把可再生能源占一次能源供应的比重,从目前的7提高到15。为实现这一目标,中国未来15年将大约需要投资1.5万亿元。经过多年的发展,我国可再生能源的开发利用己取得了很大进展,其
17、中小水电、太阳能利用和沼气能开发的规模和技术发展水平均处于国际领先地位,风电装机容量也位居世界第10位,至2003年底,全国己建成36个风电厂,并网风力发电装机容量为56.9万KW,单机容量750KW以下大型风力发电设备已形成了自主生产能力,兆瓦级的大型风力发电设备正在研发。第二届国际可再生能源大会于2005年11月7日至8日在北京人民大会堂召开,共有78个国家和地区的政府代表参加,联合国秘书长安南和国家主席胡锦涛向大会发来书面致辞。大会通过了北京宣言,呼吁各国加快可再生能源的发展,以应对能源压力。胡锦涛主席在给大会的致辞中强调:“加强可再生能源开发利用,是应对日益严重的能源和环境问题的必由之
18、路,也是人类社会实现可持续发展的必由之路。国际社会应该在研究开发、技术转让、资金援助等方面加强合作,使可再生能源在人类经济社会发展中发挥更大作用,造福各国人民。”他还指出“加强全球合作,妥善应对能源和环境挑战,实现可持续发展,是世界各国的共同愿望,也是世界各国的共同责任。大力发展可再生能源已成为国际社会的共识。”【3】1.1.2 可再生能源并网发电系统一般能源从其原始状态到输入电网的过程大体可分为:能源转化、能量转移或二次转化、能量存储及功率控制等步骤4。各种能源由于其转化为电能的方式不同,将其送入电网时必须使用交流技术按用户的要求对其进行调整和控制;另外,大部分可再生能源直接产生的能量通常是
19、不稳定的,它们在并网时如果不加控制和调节,就会对电网造成冲击,同时为了保证将尽可能多的有功能量送入电网,在可再生能源发电系统中还要加上储能环节,这些过程都需要利用变流技术对其进行控制,因此可再生能源在从其原始状态转化到可供人们实际应用的电能过程中与变流技术是密不可分的。一般的可再生能源并网发电系统由直流侧处理电路、储能装置,直流负载,逆变器、滤波电路等组成,其系统组成结构图见图1-1:图1-1 可再生能源并网发电系统组成结构图直流侧处理电路主要是DCDC电路或ACDC电路,由于可再生能源有多种形态,且转化为电能的方式不同,决定了可再生能源在转化为直流电能时有不同的直流侧处理电路,如光伏发电需使
20、用DCDC电路,而风力发电则需使用ACDC电路(整流器)。控制器及储能装置的主要作用是当可再生能源受外界因素的影响很大时,经转化后的电能很不稳定,此时需要采用储能装置将电能储存起来,这样不仅有利于能量回馈的控制,而且可以使系统更加稳定的运行。逆变器是可再生能源并网发电系统的核心组成部分。并网用逆变器除了能将可再生能源产生的电能输送给公用电网外,还应该具有很高的可靠性、完善的保护功能以及较高的效率。目前,可再生能源并网发电系统的主要研究热点也集中在逆变器这部分。滤波电路包括滤波器和隔离变压器。隔离变压器的主要作用是保证逆变电压和电网电压匹配,同时使电网和可再生能源发电系统相互电气隔离;滤波器的主
21、要作用是用来滤除并网电流的谐波。1.2 并网逆变器的研究现状及趋势伴随着世界范围内开发利用可再生能源的热潮,很多国家都纷纷研发了光伏发电、风力发电等可再生能源并网发电系统。人们对可再生能源并网发电的技术进行了大量的研究,并使得该技术得到了迅速的发展和应用5。目前广泛应用于可再生能源回馈电网系统中的方案是;首先将可再生能源转化成电能的形式,然后将电能调节成满足正弦波脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)全桥逆变器需要的直流电压,最后经SPWM全桥逆变器将可再生能源回馈给交流电网。在整个系统中最主要的环节就是逆变器,它采用的是SPWM逆变技术。在理论
22、和实践上,这种方案能够满足可再生能源回馈电网的要求,但由于该方案使用了同步、锁相(PLL)、SPWM脉冲发生器、低通滤波等诸多模拟环节,而且控制方法比较落后,因此使得并网逆变装置的控制繁琐,电路复杂,可靠性低,硬件成本高,并网效果不是十分理想,产品价格昂贵,应用得到限制。但是,随着世界各国对可再生能源开发重视程度的不断提高,针对并网逆变器的技术研究也越来越多,人们针对以往控制技术的不足,纷纷提出了很多的研究方向,其大体可以分为以下几个方向6:1 并网逆变器的拓扑分类及控制方法的研究目前研究人员提出针对不同的系统要求,逆变器应该有着各种不同的拓扑结构,对于功率较小的并网逆变器可以采用高效、低成本
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