基于光伏水泵系统的变频高压输电研究

作     者：吴龙飞 

作者单位：云南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘祖明

授予年度：2023年

学科分类：080804[工学-电力电子与电力传动] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：光伏发电 交-直-交变频器 SPWM控制 谐波 LC滤波器 变压器 

摘      要：近年来,依靠太阳能驱动水泵提水进行农业灌溉、供给人畜饮水的项目逐渐增多,光伏水泵在云南地区的应用也取得了积极的进展。光伏水泵利用太阳能发电系统将太阳能直接转化为电能,进而驱动电动机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源地提水。然而,鉴于光伏水泵系统应用地区的特殊性,在安装光伏水泵系统时考虑到地形等因素,很多时候光伏方阵会远离泵站,常规电力输送所产生的线损将会是一个影响系统经济性的问题,此时就需要采用变频高压输电来降低输电线损。这种方法虽然增加了一段高压输电线路,但与低压输电技术方案相比,投资显著降低,对光伏水泵系统的长远运行是十分有利的。因此,对光伏水泵系统的变频高压输电研究具有十分重要的意义。(1)根据太阳电池的数学模型,使用Matlab/Simulink搭建了仿真模型,得到了太阳电池在标准测试条件下(STC,1000 W/m,25℃)的I-V和P-V输出特性;根据“五参数法(I、V、I、V、P)搭建了太阳电池的工程模型,模拟了不同太阳辐照度下(400 W/m、600 W/m、800 W/m、1000 W/m)和不同温度下(15℃、25℃、35℃、45℃)光伏组件的输出特性。(2)交-直-交变频器根据中间直流电路储能元件的不同分为电压型变频器和电流型变频器,使用Matlab/Simulink分别对电压型变频器和电流型变频器的整流部分搭建仿真模型分析,包括电容滤波的三相不可控整流电路(直流侧有电感和无电感)、三相桥式全控整流电路(电阻负载和阻感负载);对交-直-交变频器逆变电路部分进行分类建模仿真,包括三相电压型逆变电路和三相电流型逆变电路,通过仿真分别得出了不同电路的特性;分析了PWM技术的基本原理,为后续章节的研究提供了理论依据。(3)使用Matlab/Simulink搭建了交-直-交变频器电路的仿真模型,模拟了交-直-交变频器输出侧电压和电流的波形情况。将调制比设置为0.8,研究了不同载波频率时(1 k Hz、1.5 k Hz、2 k Hz、2.5 k Hz、3 k Hz、5 k Hz)变频器输出侧电压和电流的谐波情况;将载波频率设置为2 k Hz,研究了不同调制比(0.1-0.9)时变频器输出侧电压和电流的谐波情况。根据不同滤波器的特点选择LC滤波器(星形连接方式)作为本文的滤波器类型,使用Matlab/Simulink对所设计的滤波器进行验证,分析了滤波后的交-直-交变频器输出侧的电压和电流谐波情况,得出滤波后的THD和THD分别为4.07%和0.42%,取得了较好的滤波效果。(4)从理论方面分析了三相变压器空载合闸的瞬态过程;使用Matlab/Simulink搭建了变压器空载合闸励磁涌流的仿真模型,模拟了三相变压器励磁涌流波形的情况;搭建仿真电路分析了变压器的负载运行和空载运行,分别得出了在变压器负载运行和空载运行条件下各电压和电流的变化情况。最后,对变频高压输电系统进行了经济性分析。