开关电感型准Z源光伏并网逆变系统关键技术研究

【摘要】：并网逆变器在光伏并网发电系统中占据核心位置,起着光伏模块与公用电网的桥梁连接作用。Z源逆变器(Z Source Inverter, ZSI)相对于传统的电压源型逆变器(Voltage Source Inverter, VSI)具有明显优势,如利用上下桥臂直通实现升压、单级变换易于提高转换效率、输出波形畸变率低等优点,其研究对于输入电压等级较低的新能源发电尤其是光伏发电场合具有极其重要的意义。然而,Z源逆变器仍然存在着一定的局限性,如输入电流断续、升压能力有限、启动冲击电流大、器件应力过高、在大功率场合存在较大直通电流等问题。针对上述问题,本文从电路结构、模型分析及控制、应用方面进行探讨和研究,主要内容如下：针对传统开关电感型准Z源逆变器在低直通比下升压能力有限的缺点,本文对传统开关电感进行了改进,用自举电容替代传统开关电感中的一个二极管,提出了一种新型开关电感准Z源逆变器,没有改变器件数量和电路复杂度的情况下,在低直通比时能实现较高的升压倍数。在最大升压控制和最大恒定升压控制两种调制策略的基础上,将新型开关电感准Z源拓扑分别与传统准Z源拓扑、开关电感型准Z源拓扑进行对比分析,仿真和实验结果表明新型开关电感准Z源拓扑不仅具有更强的升压能力,而且在电容和开关器件应力、电感电流脉动、二极管反向电压和转换效率等方面都具有一定的优势。为进一步研究新型开关电感准Z源逆变器的稳态和暂态性能,利用状态空间平均法建立了小信号模型,综合考虑了负载、阻抗网络器件、直通比等因素,并利用零极点图对系统性能进行分析,为阻抗网络的优化设计和逆变器控制器设计提供了理论依据。结合传统的直流链电压间接控制法和直接控制法,提出了一种改进型直接控制方式,利用采样的两个电容电压之和代替直流链电压进行闭环控制,保证直流链电压稳定。结合MPPT算法、直流链电压闭环控制及并网电流控制,提出了一种适用于准Z源光伏系统的并网控制方式,仿真结果和实验结果证明,该策略不仅能有效地实现系统最大功率跟踪控制及网络阻抗的直流链电压稳定,而且能保证较好的动态跟踪效果。传统电流断续型准Z源逆变器相对于电流连续型拓扑具有较小的电容电压应力,但是因为输入电流断续而无法使光伏电池处于最佳工作状态。针对此,本文提出了一种延展型开关电感准Z源拓扑,将电流断续型准Z源拓扑与传统boost电路相结合,实现了输入电流连续,通过两级升压提高了系统升压能力,而且在最大恒定升压调制方式下,该拓扑相对于传统准Z源拓扑和开关电感型拓扑具有较小的电容电压应力、直流链电压应力、二极管反向电压应力以及较高的转换效率。当Z源逆变器应用于输入电压较低、输出电流较大的场合,较大的直通比会增大直通电流,因而不利于器件的选择,且会增加系统的体积和成本,降低转换效率。针对此,本文将多个隔离型准Z源逆变器模块以输入并联输出并联的方式组合在一起,利用并网控制方式实现功率均分以降低单个逆变器模块的功率,从而降低器件的电压电流应力。提出了两种隔离式开关电感型准Z源逆变器,相比传统隔离式准Z源拓扑具有更大的升降压能力,更适用于输入输出需要电气隔离、且输入电压波动较大的场合。在传统滞环控制的基础上提出了一种适用于Z源／准Z源系统的定频准滞环控制方式,具有固定的开关周期和直通时间,通过计算得出并网电流的上升和下降时间,且并网电流只具有上环宽或者下环宽。将定频准滞环控制方式应用于输入并联输出并联型准Z源并网逆变系统中,仿真和实验证明该控制方式不仅能够实现阻抗网络直流链电压的稳定升压控制,而且电流跟踪效果良好。 【关键词】：开关电感 准Z源 器件应力 转换效率 小信号建模 直流链电压控制 直通电流 输入并联输出并联 定频准滞环
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 光伏发电研究现状11-13
• 1.1.1 光伏发电背景及发展现状11-12
• 1.1.2 光伏发电应用现状12-13
• 1.2 光伏并网逆变器研究现状13-16
• 1.2.1 并网控制技术研究现状13-14
• 1.2.2 最大功率跟踪技术研究现状14
• 1.2.3 孤岛与低电压穿越技术研究现状14-15
• 1.2.4 光伏并网逆变器结构研究现状15-16
• 1.3 Z源逆变器研究现状16-22
• 1.3.1 Z源阻抗网络结构研究现状17-20
• 1.3.2 Z源逆变器调制策略研究现状20
• 1.3.3 Z源逆变器模型分析及并网控制策略研究现状20-21
• 1.3.4 Z源逆变器存在的问题21-22
• 1.4 本文主要研究内容和论文结构22-23
• 第二章 新型开关电感准Z源逆变器23-54
• 2.1 开关电感准Z源逆变器基本电路23-24
• 2.2 新型开关电感准Z源逆变器24-29
• 2.2.1 新型开关电感准Z源电路工作原理24-27
• 2.2.2 仿真及实验27-29
• 2.3 新型开关电感准Z源逆变器中的关键问题29-30
• 2.3.1 电容电压应力、电感电流脉动29-30
• 2.3.2 二极管应力30
• 2.3.3 损耗分析30
• 2.4 最大升压控制下的逆变器分析30-46
• 2.4.1 电容电压应力32-34
• 2.4.2 电感电流脉动34-36
• 2.4.3 主电路开关管应力以及二极管反向电压36-37
• 2.4.4 直通电流及效率37-40
• 2.4.5 仿真及实验40-46
• 2.5 最大恒定升压控制下的电路分析46-53
• 2.5.1 电容电压应力分析47-48
• 2.5.2 电感电流脉动48-50
• 2.5.3 仿真与实验50-53
• 2.6 本章小结53-54
• 第三章 新型开关电感准Z源逆变器建模分析与控制54-75
• 3.1 新型开关电感准Z源逆变器网络阻抗的模型建立54-65
• 3.1.1 状态空间平均模型的建立54-60
• 3.1.2 状态空间平均模型的分析60-61
• 3.1.3 状态空间平均模型的仿真及实验61-65
• 3.2 基于新型开关电感准Z源光伏并网系统控制方法的研究65-74
• 3.2.1 光伏电池模型65-67
• 3.2.2 最大功率跟踪控制67-68
• 3.2.3 阻抗网络直流链电压闭环控制68
• 3.2.4 并网电流控制68-69
• 3.2.5 光伏并网系统控制69-70
• 3.2.6 仿真及实验结果分析70-74
• 3.3 本章小结74-75
• 第四章 延展型开关电感准Z源逆变器75-92
• 4.1 输入电流断续型开关电感准Z源逆变器75-76
• 4.2 延展型开关电感准Z源逆变器76-79
• 4.3 延展型拓扑器件应力分析79-83
• 4.3.1 最大恒定升压控制79-80
• 4.3.2 延展型拓扑电容电压应力分析80-82
• 4.3.3 延展型拓扑直流链及二极管电压应力分析82-83
• 4.4 仿真与实验83-90
• 4.4.1 延展型拓扑在简单升压控制下的仿真及实验结果83-84
• 4.4.2 延展型拓扑在最大恒定升压控制下的仿真及实验结果84-87
• 4.4.3 最大恒定升压控制下三种拓扑的效率测试实验结果87-90
• 4.5 本章小结90-92
• 第五章 输入并联输出并联型准Z源逆变器92-109
• 5.1 输入并联输出并联型逆变器系统92-93
• 5.2 高频变压器隔离型准Z源拓扑93-99
• 5.2.1 隔离型开关电感准Z源逆变器工作原理94-96
• 5.2.2 隔离型改进开关电感准Z源逆变器工作原理96-98
• 5.2.3 仿真与实验结果分析98-99
• 5.3 输入并联输出并联型准Z源并网逆变系统99-108
• 5.3.1 IPOP型隔离准Z源并网逆变系统控制结构100-101
• 5.3.2 定频准滞环控制方式101-104
• 5.3.3 仿真验证104-106
• 5.3.4 实验验证106-108
• 5.4 本章小结108-109
• 第六章 全文总结与展望109-111
• 6.1 总结109-110
• 6.2 展望110-111
• 参考文献111-119
• 攻读博士学位期间发表的论文119
• 攻读博士学位期间参加的科研项目119-120
• 致谢120

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