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Z源功率变换电路是Peng Fang z.教授提出的一种新型电力电子变换电路,因其具有的诸多优点,逐渐成为当今研究的热点。将Z源变换电路应用在光伏发电系统中会使系统获得一些新的工作特性,显著提高系统光电转换效率以及装置的可靠性,同时降低系统成本。拓扑结构上的改变,对系统的分析、设计也提出了新的要求。本文对基于Z源的三相光伏发电系统进行研究,全文分七章。
第一章首先,对太阳能电池的发展过程进行了介绍。概述了国外、国内太阳能电池发展情况及未来预测情况;其次,重点分析了光伏发电中的电力电子技术。按照与电网连接关系,光伏发电可以分成独立光伏发电和并网光伏发电两种应用形式。对独立光伏发电中蓄电池的三种充电控制器进行了分析与比较,并对交流逆变器按单级和多级进行了分类和介绍。对现有的并网光伏发电电路进行了分析和总结,比较了各自的优点和缺点:最后,提出了本文研究的Z源光伏逆变器,介绍了Z源逆变器的特点。就目前Z源逆变器在变换器主电路设计、工作状态分析、调制方案的研究情况,以及在变频调速,新能源发电的应用情况进行了介绍。并对本文研究的主要内容及其意义进行了阐述。
第二章对太阳能电池的物理特性进行了分析。日照强度和环境温度是影响太阳能电池电压/电流特性的最主要因素。本章首先对太阳能电池工作的物理原理进行了介绍,在此基础上分析了太阳的辐射特性,利用“大气质量”来衡量到达地球地面辐射的大小,并对标准测试条件下日照强度的计算进行了介绍;其次,在太阳能电池等效电路的基础上详细分析了影响太阳能电池输出电压/电流特性的各个物理因素,并给出了定量计算公式。在此基础上,结合研究需要建立了两种层次的Matlab/Simulink太阳能电池模型,即适用于电力系统研究层次的功率模型和电力电子变换器设计层次的详细电路模型。最后、对现有太阳能电池最大功率跟踪方案进行了分析总结,并结合前面建立的太阳能电池详细电路模型,利用模糊控制实现最大功率跟踪控制,并对模糊控制器进行了优化。
第三章对三相Z源逆变器的工作状态进行了分类,分析了各个工作状态下对应的物理模型,建立了空间平均状态方程,并就升压原理进行了分析;为了避免普通电压源变换器内部位于同一桥臂的上下两开关管,因同时导通而引起的短路故障,传统的脉宽调制(PWM)策略必须禁止同一桥臂上下直通状态的存在。为了把直通状态引入Z源逆变器,首先需要对传统PWM策略进行改进;对如何修改传统三角载波调制法和空间矢量调制法,以便实现直通状态的原理进行了分析。相比于三角载波调制法,空间矢量调制法(SVPWM)具有更高的直流利用率和便于数字化实现的优点,因此本章在传统的SVPWM策略的基础上制定了6扇区13段开关序列表,以实现适用于Z源逆变器的PWM调制策略;建立了三相Z源逆变器的开环控制仿真模型,验证了SVPWM的有效性,并与采用加入死区的常规电压源逆变器进行比较,说明了Z源逆变器在减少谐波方面的优点。
第四章对基于Z源逆变器的三相独立光伏发电系统进行了分析:在d-q坐标系下建立了系统的全阶物理模型:提出并设计了采用多变量线性状态反馈的非线性控制方案:根据该方案,运用仿真软件分析了在输入电压阶跃变化以及各种负载变化情况下,系统控制目标的实现情况。仿真结果显示采用新控制方案的Z源光伏独立发电系统在输入电压发生变化或者负载发生变化时,具有更快动态响应的优点。
第五章对基于Z源逆变器的三相光伏并网发电系统进行了研究:在d-q坐标系下建立了系统空间平均状态模型;参照可再生能源并网发电协议IEEE1547的要求,结合实际环境温度和日照强度变化特点,对系统各部分的时域响应特性进行了分析;对传统的扰动/观察法进行了改进,提出基于直接功率扰动的最大功率跟踪方案:在此基础上,提出了可以同时实现光伏电池最大功率跟踪、Z源阻抗网络升压、并网电流同步的综合三环控制策略;通过软件分析并验证了控制策略的有效性,并进一步分析了控制策略的鲁棒性。
第六章建立了基于DSP的Z源光伏并网发电系统的实验装置平台。并通过样机试验,进一步论证了Z源逆变器的工作特性以及性能。
第七章对本文开展的工作进行总结,并对需进一步开展的工作以及研究方向作了展望。