三电平光伏并网逆变器的模块化控制研究

【摘要】：三电平模块化光伏并网逆变器,在发挥三电平拓扑电压畸变率低、谐波含量少、运行效率高等优点的同时,通过模块化结构在不增加功率开关管电流应力的情况下,使系统的容量成倍的增加,降低了生产周期和生产成本,有效地优化了系统的轻载效率。然而,与三电平模块化光伏并网逆变器相关的理论和技术尚未形成体系,制约了其在大规模光伏并网发电系统中的应用,具体表现在三电平零序环流产生机理、三电平调制策略、三电平零序环流的抑制策略、低电压穿越时的中点平衡控制和无功电流快速补偿等方面。本文针对三电平模块化光伏并网逆变器,从零序环流、调制策略、低电压穿越时中点平衡控制和无功电流快速补偿等方面进行研究,为其在光伏系统中的大规模应用奠定基础。论文的主要研究工作与创新如下：1)针对三电平模块化光伏并网逆变器的环流问题,指出环流的主要成分为零序环流,分析零序环流的流通路径,建立零序环流的等效模型,并根据激励源的不同将零序环流分成三类：一类、二类和三类零序环流,为后续章节零序环流的抑制策略奠定基础。2)针对三电平调制策略对零序环流的影响,分析三电平模块化光伏并网逆变器的调制策略需要满足的条件,然后对比常见的三电平调制策略的优缺点,选择无小矢量参与的空间矢量调制(LMZVM)作为三电平模块化光伏并网逆变器的基本调制策略,并研究其矢量算法和载波算法的统一性。3)针对三电平模块化光伏并网逆变器的一类零序环流,提出一种共享中线的抑制方案；针对二类零序环流的高频分量,提出一种基于改进型LCL滤波器的抑制方案；针对二类零序环流的低频分量,研究一种基于准谐振调节器的抑制方案；最后,证明上述方案对三类零序环流抑制的有效性。4)针对低电压穿越时三电平逆变器的中点电位不平衡问题,利用对称分量法分析正序有功、正序无功、负序有功、负序无功对中点电位的影响,并提出一种基于零矢量分解的中点平衡控制策略；针对低电压穿越时无功电流补偿速度问题,提出一种“边锁边补”的并行补偿方式和一种基于电网电压微分的跌落快速检测单元,减小了无功电流的补偿时间。搭建了30kW的三电平模块化光伏并网逆变器实验平台,通过该实验平台,分别对三电平调制零序环流的影响、零序环流的分类与抑制策略、低电压穿越时无功功率的快速补偿和中点平衡控制进行了有效地验证。 【关键词】：三电平逆变器 模块光伏并网系统 零序环流 调制策略 低电压穿越 无功电流补偿 中点平衡控制
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615;TM464
【目录】：

• 致谢9-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-22
• 1 绪论22-35
• 1.1 选题的背景22-23
• 1.2 选题的意义23-30
• 1.2.1 模块化光伏并网系统结构的研究意义23-26
• 1.2.2 三电平光伏逆变器的研究意义26-29
• 1.2.3 三电平模块化光伏并网逆变器的研究意义29-30
• 1.3 课题的研究现状30-34
• 1.3.1 模块化光伏并网系统结构的研究现状30-32
• 1.3.2 三电平逆变器的研究现状32-34
• 1.4 本文的主要研究内容34-35
• 2 三电平模块化光伏并网逆变器的拓扑与控制35-45
• 2.1 拓扑结构35-37
• 2.2 工作模式37
• 2.3 效率优化方案37-39
• 2.4 控制结构39-42
• 2.5 热点问题42-44
• 2.6 本章小结44-45
• 3 三电平模块化光伏并网逆变器的零序环流建模与分析45-57
• 3.1 环流的定义45-46
• 3.2 三电平零序环流的环路分析46-49
• 3.3 三电平零序环流的建模与分类49-53
• 3.3.1 三电平零序环流的建模50-51
• 3.3.2 三电平零序环流的分类51-53
• 3.4 三电平与两电平的零序环流对比53-56
• 3.4.1 三电平与两电平的零序环流对比53-55
• 3.4.2 三电平与两电平的零序环流成分对比55-56
• 3.5 本章小结56-57
• 4 三电平模块化光伏并网逆变器的调制策略57-76
• 4.1 调制策略的基本要求57-59
• 4.1.1 零序环流对调制策略的要求57-58
• 4.1.2 调制策略的其他要求58-59
• 4.2 调制算法概述与对比59-69
• 4.2.1 基于载波调制的策略60-61
• 4.2.2 基于空间矢量调制的策略61-66
• 4.2.3 LMZVM调制策略的优势66-69
• 4.3 LMZVM矢量调制和载波调制69-75
• 4.3.1 LMZVM的矢量调制69-70
• 4.3.2 LMZVM的载波调制70-72
• 4.3.3 LMZVM零序调制波的谐波分析72-75
• 4.4 本章小结75-76
• 5 三电平模块化光伏并网逆变器的零序环流抑制76-109
• 5.1 一类零序环流的抑制76-79
• 5.2 二类零序环流高频分量的抑制79-88
• 5.2.1 二类零序环流的高频分量的抑制79-84
• 5.2.2 改进型LCL滤波器的优化84-86
• 5.2.3 改进型LCL滤波器的桥臂电感设计86-88
• 5.3 二类零序环流低频分量的抑制88-106
• 5.3.1 LMZVM的低频零序环流分析88-92
• 5.3.2 二类零序环流的低频分量的抑制92-96
• 5.3.3 不同零序调节器的作用96-103
• 5.3.4 准谐振调节器的抑制103-106
• 5.4 三类零序环流的抑制106-108
• 5.5 本章小结108-109
• 6 三电平模块化光伏并网逆变器的低电压穿越研究109-149
• 6.1 低电压穿越的要求与控制109-121
• 6.1.1 低电压穿越的要求109-112
• 6.1.2 电网电压的跌落类型分析112-116
• 6.1.3 低电压穿越的电流控制116-121
• 6.2 低电压穿越的中点平衡控制121-142
• 6.2.1 不同矢量对中点电位的影响121-126
• 6.2.2 LMZVM调制的中点电位分析126-133
• 6.2.3 基于零矢量分解的中点平衡控制133-138
• 6.2.4 中点平衡控制的载波调制实现方法138-142
• 6.3 低电压穿越的无功电流快速补偿142-148
• 6.3.1 无功电流补偿速度的影响因素142-144
• 6.3.2 影响因素的排列关系144-145
• 6.3.3 基于电网电压微分的跌落快速检测单元145-148
• 6.4 本章小结148-149
• 7 实验研究149-172
• 7.1 实验平台的搭建149-154
• 7.1.1 实验平台概述149-150
• 7.1.2 控制电路150-151
• 7.1.3 采样、驱动和保护电路151-153
• 7.1.4 “产学研”项目和现场应用153-154
• 7.2 实验一：三电平调制策略对零序环流的影响154-158
• 7.2.1 三电平调制策略对高频零序环流的影响154-156
• 7.2.2 三电平调制策略对低频零序环流的影响156-158
• 7.3 实验二：零序环流的分类和抑制158-165
• 7.3.1 一类零序环流及其抑制策略的实验159-160
• 7.3.2 二类零序环流的高频分量及其抑制策略的实验160-161
• 7.3.3 二类零序环流的低频分量及其抑制策略的实验161-164
• 7.3.4 三类零序环流及其抑制策略的实验164-165
• 7.4 实验三：低电压穿越技术165-171
• 7.4.1 无功电流补偿速度的验证165-167
• 7.4.2 低电压穿越时的中点平衡控制167-171
• 7.5 本章小结171-172
• 8 总结与展望172-175
• 8.1 论文工作的总结172-173
• 8.2 未来工作的展望173-175
• 参考文献175-187
• 攻读博士学位期间的学术活动及成果情况187-188

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