并网/独立双模式逆变器的设计与实现

摘要

近几年环境污染和能源危机的出现，新能源的开发和利用已成为研究的热点，特别是在太阳能发电领域。随着国家政策的支持，大型光伏电站和家用光伏发电系统的不断建设，促进了清洁能源的开发和利用;特别是近几年国家对分布式发电的推广，允许户用光伏系统发电上网，并对上网电价进行补贴。由于并网光伏逆变器只能实现并网运行的功能，混合型光伏系统的组成部分比较复杂，都不能实现紧凑性、多功能的户用光伏系统。
　　本文基于并网/独立双模式逆变器为研究对象，设计了双模式逆变器的整机主回路结构和采用了合理的控制方法。光伏组件的MPPT的跟踪采用Boost电路实现，蓄电池的充放电控制采用Buck-Boost电路实现，逆变桥采用H6拓扑结构，解决了漏电流的问题，并对H6拓扑结构进行了比较详细的工作状态分析。
　　单周期控制是一种基于大信号的非线性控制策略，具有控制电路简单，控制效果响应迅速、性能可靠等优点。通过对模拟单周期控制方式的分析，实现了数字单周期控制的方法，并将数字单周期控制应用在双模式逆变器的独立工作模式下，体现了单周期控制策略的优点，并在MATLAB的仿真环境中进行了验证。
　　分析了双模式逆变器并网控制策略和离网控制策略，采用了在电流环的基础上加入电压环的并网控制策略，采用PR控制器提高了对交流信号跟踪的精度。分析了双模式切换过程，提出了双模式切换步骤，实现了两种模式的无缝切换，使系统具有很好的稳定性和抗扰动性。在并网到脱网时，通过调节逆变器输出电压的频率来加快电压过零，加快晶闸管的关断，快速完成脱网。
　　最后在5KW逆变器的实验平台上，对设计的控制算法进行了实验验证，分析不足之处，并进行工作任务的总结，针对课题完成的情况和存在的问题，对今后工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 新能源发展现状

1．1．2 光伏发电系统的形式

1．1．3 独立光伏发电系统

1．1．4 并网光伏发电系统

1．1．5 混合发电系统

1．2 双模式逆变器的介绍

1．2．1 双模式逆变器的技术规范

1．2．2 双模式逆变器的国内外研究现状

1．2．3 双模式逆变器的电路拓扑

1．2．4 双模式逆变器的控制方式

1．3 本论文主要做的工作

第二章 并网／独立双模式逆变器的电路拓扑结构

2．1 并网／独立双模式逆变器整机电路结构

2．2 DC-DC电路拓扑分析

2．2．1 Boost电路结构

2．2．2 Buck-Boost电路结构

2．3 DC-AC电路拓扑结构分析

2．3．1 单相全桥H6拓扑结构

2．3．2 工作模态分析

2．3．3 漏电流分析

2．4 本章小结

第三章 单周期控制技术

3．1 单周期控制的基本原理

3．2 单周期控制在单相全桥逆变器中应用

3．2．1 双极性控制方式

3．2．2 双极性单周期控制的数字方法实现

3．2．3 单极性控制方式

3．2．4 单极性控制方式数字化实现

3．2．5 单周期控制方式的比较

3．3 单周期控制方式仿真

3．3．1 双极性PWM波控制输出部分

3．3．2 单极性PWM波控制输出部分

3．4 本章小结

第四章 双模式逆变器的设计及模式切换控制

4．1 PR控制器设计

4．1．1 准PR控制器

4．1．2 准PR控制器的参数比较

4．1．3 PR控制器离散化

4．2 锁相环技术

4．2．1 锁相环的组成

4．2．2 数字锁相环的软件实现

4．2．3 MATLAB仿真与实验验证

4．3 双模式逆变器的并网运行

4．3．1 电流控制方式

4．3．2 逆变器并网控制系统设计

4．3．3 MATLAB仿真及实验验证

4．4 双模式逆变器的离网运行

4．4．1 离网逆变器工作状态分析

4．4．2 离网逆变器整体控制系统设计

4．4．3 MATLAB仿真与验证

4．5 并网／独立模式切换过程分析

4．5．1 开关动作分析

4．5．2 无缝切换过程

4．5．3 双模式逆变器加快晶闸管关断的方法

4．5．4 离网模式到并网模式的切换

4．5．5 并网模式到离网模式的切换

4．5．6 仿真与结果

4．6 本章小结

第五章 控制系统软硬件设计和结果分析

5．1 控制电路设计

5．1．1 控制器外围电路

5．1．2 采样及保护电路设计

5．1．3 PWM驱动电路

5．2 控制系统的软件设计

5．2．1 主程序流程框图

5．2．2 中断程序控制

5．3 结果分析

5．3．1 单周期控制单极性调制

5．3．2 数字锁相环实验波形

5．3．3 离网控制策略实验波形

5．3．4 并网控制策略实验波形

5．3．5 模式切换实验波形

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文主要完成的工作

6．2 后续工作与展望

附录 硬件平台

参考文献

致谢