共直流母线型模块化光伏并网发电系统相关关键技术研究

【摘要】：近年来,为缓解能源危机和环境污染,太阳能、风能等清洁可再生能源得到了广泛的应用。在光伏发电系统中,为了提高系统转换效率和可靠性,模块化结构受到越来越多的青睐并成为学术界的研究热点。论文对共直流母线型的模块化光伏并网发电系统的相关关键技术进行了较为深入的研究。针对系统前级的直流模块,采用内置变压器和内置变压器倍压单元实现高增益高效率变换；针对系统后级的逆变模块并联,采用线性功率控制改善系统的动态性能,提高系统的稳定性和可靠性。 首先,本文将变压器嵌入传统的交错并联Boost变流器中,形成非隔离型高增益变流器。通过对隔离型变流器中常用的整流结构进行重构,演绎出内置变压器结构作为电压增益拓展单元,实现了变流器电压增益的大幅提升,避免了开关管工作在极限占空比状态,同时降低了开关管的电压应力,可采用低导通电阻、高性能开关管降低导通损耗。采用有源箝位电路有效的吸收内置变压器漏感的能量,抑制开关管的关断电压尖峰。主开关管和箝位开关管均实现了零电压软开关,减小了开关损耗,提升了效率。内置变压器的漏感抑制了输出二极管的反向恢复电流,减小了反向恢复损耗,降低了EMI噪声。变流器的输入电感以及交错并联结构有效降低了输入电流纹波,减小对输入侧电解电容的冲击。此外,本文总结了内置变压器结构的形成规律和升压机理,据此可演绎出一系列含内置变压器结构的非隔离型高增益变流器,为新型高增益变流器的生成提供了新的方法。 其次,本文将倍压整流电路与内置变压器结合,形成内置变压器倍压单元作为电压增益拓展单元,实现变流器电压增益的进一步提升。改进后的变流器进一步降低了输出二极管的电压应力,同时电压增益更高,开关管的电压应力更低,使该变流器更适合应用于高增益变换场合。为了简化驱动电路,采用无源箝位方案,提高了变流器的可靠性。开关管实现了零电流开通,箝位二极管实现了自然关断,降低了开关损耗,提高了效率。 再次,为了实现逆变模块并联运行,本文设计了50kW光伏并网逆变模块。模块采用T型三电平拓扑,提高了效率和可靠性。为了设计模块控制系统,建立了T型三电平光伏并网逆变器小信号模型,进而得到控制系统框图,设计了关键控制参数。此外,模块采用无功功率扰动作为主动孤岛检测方案。实验结果显示,逆变模块具有良好的稳态性能和动态性能,并网电流各次谐波均符合国家标准,主动孤岛检测快速有效。模块结构采用分层设计,散热效率高。整个系统仅有一个并网接口,方便模块的安装和更换。 最后,本文设计了光伏并网逆变模块并联系统。该系统采用层次控制架构,各个模块地位均等。模块控制输出电流实现并网发电,处于控制系统上层的中央控制器控制直流母线电压。论文采用线性功率控制方案,将直流母线电压信息引入到模块电流控制环的参考中,使逆变模块由恒功率特性变为根据母线电压变化的线性功率特性。当母线电压变化时,逆变模块可快速调整输出电流,提高了系统的动态性能,抑制了功率剧烈变化时母线电压的波动,降低了通讯速率对系统的影响。即使通讯线故障,系统仍可维持运行,提高了稳定性和可靠性。此外,设计了100kW模块化光伏并网逆变器工程样机,样机性能良好,运行稳定,体现了线性功率控制的工业应用价值。 论文对共直流母线型的模块化光伏并网发电系统相关关键技术的研究有助于推动光伏发电的发展。 【关键词】：光伏 模块化 内置变压器 高增益 线性功率控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM46;TM615
【目录】：

• 致谢6-7
• 摘要7-9
• Abstract9-14
• 第1章 绪论14-31
• 1.1 引言14
• 1.2 光伏并网发电系统的结构14-19
• 1.3 高增益高效率变流器研究现状19-25
• 1.3.1 采用耦合电感及其与倍压电容组合升压的高增益变流器20-22
• 1.3.2 采用内置变压器及其与倍压电容组合升压的高增益变流器22-24
• 1.3.3 采用交错并联结构的高增益变流器24-25
• 1.4 并网逆变模块并联技术研究现状25-28
• 1.5 论文研究内容28-31
• 第2章 含内置变压器的高增益变流器31-52
• 2.1 基于全波整流结构的交错并联Boost变流器32-36
• 2.1.1 变流器拓扑的形成32-33
• 2.1.2 理想静态工作模态33-35
• 2.1.3 变流器工作特性分析35-36
• 2.2 基于桥式整流结构的有源箝位交错并联Boost变流器36-49
• 2.2.1 变流器拓扑的形成36-37
• 2.2.2 静态工作过程37-40
• 2.2.3 变流器工作特性分析40-47
• 2.2.4 实验验证47-49
• 2.3 含内置变压器的非隔离型高增益变流器的演绎规律49-51
• 2.4 本章小结51-52
• 第3章 含内置变压器倍压单元的高增益变流器52-79
• 3.1 基于内置变压器倍压单元的有源箝位交错并联Boost变流器53-69
• 3.1.1 变流器拓扑的形成53-55
• 3.1.2 静态工作过程55-59
• 3.1.3 变流器工作特性分析59-66
• 3.1.4 实验验证66-68
• 3.1.5 由桥式整流结构演绎的含内置变压器倍压单元的高增益变流器68-69
• 3.2 基于内置变压器倍压单元的无源箝位交错并联Boost变流器69-78
• 3.2.1 变流器拓扑的形成69-70
• 3.2.2 静态工作过程70-73
• 3.2.3 变流器特性73-75
• 3.2.4 实验验证75-78
• 3.3 本章小结78-79
• 第4章 光伏并网逆变模块79-98
• 4.1 光伏并网逆变模块的设计79-82
• 4.2 T型三电平并网逆变器小信号模型82-88
• 4.3 光伏并网逆变模块的控制系统88-91
• 4.4 主动孤岛检测91-94
• 4.5 实验验证94-97
• 4.6 本章小结97-98
• 第5章 光伏并网逆变模块并联运行的线性功率控制98-114
• 5.1 模块化光伏并网逆变器的控制架构98-100
• 5.1.1 模块化光伏并网逆变器的主从控制架构98-99
• 5.1.2 模块化光伏并网逆变器的层次控制架构99-100
• 5.2 模块化光伏并网逆变器的线性功率控制100-103
• 5.2.1 线性功率控制101-102
• 5.2.2 线性功率控制的实现方式102-103
• 5.3 线性功率控制系统与关键参数选取103-108
• 5.3.1 基于线性功率控制的控制系统103-105
• 5.3.2 关键参数的选取105-108
• 5.4 实验验证108-111
• 5.5 模块化光伏并网逆变器的工程应用111-113
• 5.6 本章小结113-114
• 第6章 总结与展望114-116
• 6.1 论文工作总结114-115
• 6.2 今后工作展望115-116
• 参考文献116-125
• 攻读博士学位期间发表的论文125-126

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