基于光伏发电系统的三电平逆变器设计.doc

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莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀膈肃蚈虿袈芈薄蚈羀肁蒀蚇膃芇蒆蚆袂腿莂蚆羄莅蚀蚅肇膈薆蚄腿莃蒂蚃衿膆莈螂羁莁芄螁肃膄薃螀螃莀蕿螀羅芃蒅蝿肈蒈莁螈膀芁蚀螇袀肄薆螆羂艿蒁袅肄肂莇袄螄芇芃袄袆肀蚂袃肈莆薈袂膁腿蒄袁袀莄莀袀羃膇虿衿肅莂薅羈膇膅蒁羈袇莁莇薄罿膃莃薃膂葿蚁薂袁节薇薂羄蒇蒃薁肆芀荿薀 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（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；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（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 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。ABSTRACTIn the process of the transformation of solar energy into electricity, the three-level inverter is more suitable in condition of large capacity and high voltage frequency conversion. When it is used, the following advantages can be embodied. Switching device can get better waveforms at the lower frequency; switching losses would be reduced to a relatively low level and high efficiency be achieved; and theElectro Magnetic Interference of electric circuit is weak. With these advantages, the three-level inverter is widely used. Firstly, this paper expounds the domestic present condition of the PV power, probes into the working principles of the solar cells, the background and present situation of the three-level inverter PWM controlling technology. Secondly, it analyzes the working principles of the three-level inverter and elaborates the topology and controlling requirements of the ground-clamp diode clamped three-level inverter as well as the imbalance of the point of the three-level inverter. Finally, in terms of the controlling method, this thesis chooses SVPWM that can provide large modulation range and high DC voltage utilization ratio and optimize switching waveforms, digging out the principles and implementation steps of the traditional algorithm of SVPWM, and establishing the simulation model for analysis. In the controlling mode of the three-level inverter, the double close-loop controlled system that comprises of the voltage external loop and the inner electric circuit is used in order to realize the control of dc voltage and ac side current.Key words: Photovoltaic Systems; Three-Level; Space Vector Modulation (SVPWM); Mid-point Voltage Balance; Photovoltaic inverter.目 录1 绪 论11.1太阳能和光伏发电11.2三电平逆变器PWM控制技术研究背景11.3三电平PWM控制技术的研究现状21.4本文的主要研究内容32 太阳能电池工作原理和电路特性42.1 太阳能电池工作原理和构造42.2 太阳能电池的工作特性53 三电平逆变器的拓扑结构73.1 三电平逆变器的工作原理73.2三电平逆变器的数学模型93.3三电平空间矢量原理103.4 参考电压矢量合成原则123.5 三电平逆变器SVPWM控制策略133.5.1 坐标变换133.5.2 参考矢量的合成153.5.3 参考矢量所在区域的判断153.5.4开关矢量作用时间计算163.5.5 开关优化选择183.6 三电平逆变器并网控制策略223.7 中点不平衡问题233.7.1开关矢量对中点电位的影响243.7.2中点不平衡的控制策略264 仿真过程及结果274.1仿真过程274.1.1 扇区判断274.1.2区域判断284.1.3矢量合成时间计算294.1.4 SVPWM生成模块294.1.5 并网控制模块304.2仿真结果305 总 结34翻译部分36英文原文36中文翻译46致 谢56中国矿业大学2011届本科生毕业设计（论文） 第61页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（Neutral Point Clamp）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