基于智能MPPT控制的光伏逆变器的设计与实现

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现如今,人们越来越注重地球资源的消耗所带来的环境污染问题,传统能源的持续消耗已经不再符合当今社会的发展趋势,开发清洁的可再生能源刻不容缓。随着光伏产业的持续发展,太阳能的研究与利用已然在新能源中独占鳌头,而利用光伏发电缓解了传统化石能源的使用带来的诸多负面影响,越来越受到人们的青睐。光伏逆变器作为光伏发电系统的核心部件,对其性能的不断优化升级一直是国内外学者的研究热点。光伏逆变器不同于传统的逆变器,它需要将光伏阵列或者组件所产生的光生直流电经过电力变换转化成人类日常生活生产所需要的交流电或并入交流电网。光伏发电的输出功率与负载有密切关系,随着外界条件的变化,光伏发电的功率输出具有一个最大值,需要采用最大功率跟踪(MPPT)技术使得光伏发电系统或者光伏组件能够提供最大的功率输出,这就需要光伏逆变器技术。光伏逆变器中决定发电功率及输出电能质量的核心技术是最大功率点跟踪技术和并网技术。最大功率点跟踪技术是对光伏阵列或者组件的最大输出功率进行有效跟踪,以获取其最大功率,极大限度的利用太阳资源。并网技术是要把跟踪到的最大功率电能成功有效的馈送到电网中,要做到这一点就必须研究相应的逆变器的并网控制策略。光伏微型逆变器是将单个组件进行并网输出的,它强化了光伏发电系统对阴影遮挡的抵抗力,目前对光伏微型逆变器的研究逐渐增多。本文主要对光伏微型逆变器MPPT控制相关的控制方法和技术进行了分析研究,选择采用模糊逻辑控制策略进行MPPT控制技术。基于模糊理论,研究设计了模糊逻辑控制器,以光伏组件的输出功率变化量和功率变化率为控制器的二维输入量,输出控制量为占空比信号。首先,在MATLAB/Simulink软件环境下建立了仿真模型,仿真模拟结果表明:所设计的模糊控制器具有比较理想的控制效果。其次,对逆变器的并网控制策略进行了研究,设计了双闭环并网控制策略对并网电流进行控制,其中电流内环控制并网电流与电网电压达到同频同相,加入电网电压前馈补偿设计以消除电网电压对并网电流的影响;还设计了电压外环控制,以保证直流母线电压能够稳定运行。最后,在MATLAB/Simulink软件环境下建立了光伏逆变器全系统仿真模型,模拟结果表明:所设计的控制策略成功有效,满足设计要求,达到设计目标。基于控制理论的分析与仿真模型的建立及仿真结果,设计研制了额定功率为190W的光伏微型逆变器。对器件选择和硬件电路进行了分析和设计,其中包括:前级升压电路、后级逆变电路、EMI滤波电路、辅助电源电路、驱动电路设计、控制电路设计和检测电路设计等。所有的硬件电路基于Altium Designer10软件环境下进行设计完成,选择采用高性能的16位dsPIC33FJ16GSX04系列单片机作为本逆变器的主控芯片,在MPLAB-X-IDE软件程序集成开发环境下完成控制程序的编译,使用PICkit3.5程序烧写器烧录程序文件到芯片中。本文最终利用设计并制作完成的190W光伏微型逆变器和190W组件,构建了光伏并网实验平台,进行了实验测试研究。在系统的相同测试条件下与采用传统光伏微型逆变器构建的光伏并网系统进行了测试对比。其结果表明:本文设计的光伏微型逆变器构建的系统相比较于传统的微型逆变器构建的系统能够获得较高的发电量,并实现成功并网。
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