模块化非隔离光伏并网逆变器及发电系统研究

【摘要】：可再生能源尤其是光伏发电系统初期投资大、发电成本高，故并网逆变器以及并网发系统效率的提高对于缩短成本回收周期，更快地创造经济效益具有重要意义。本文以模块化和高效率为核心，研究非隔离光伏并网逆变器及系统中的关键技术。 针对基于直流总线的模块化光伏并网发电系统，提出了一种改进的以直流总线电压作为信息载体的功率变换管理和控制方法，旨在实现能量最优利用和系统运行模式的平滑切换。将系统分为四种运行模式，分别是孤岛运行蓄电池放电、并网运行网侧接口变换器整流、并网运行网侧接口变换器逆变、孤岛运行光伏接口变换器输出恒压。分析了系统运行模式与系统功率流的关系，设计令直流总线电压决定系统运行模式和模式切换，而无需中央控制器，降低了系统成本，提高了系统可靠性。分别给出了光伏、网侧和储能接口变换器的控制方法，使得系统在极端条件下，如孤岛运行蓄电池满电荷状态仍能达到功率平衡。 研究非隔离并网逆变器共直流和交流母线并联运行，提出了功率电路拓扑并联工作及进网电流解耦的条件。深入分析了各种非隔离全桥拓扑形式和PWM（Pulse Width Modulation）调制方式的逆变器并联运行模态，指出双极性PWM逆变器并联运行时并联逆变器间的进网电流自然解耦；单极性倍频PWM逆变器并联运行时并联逆变器的进网电流存在高频耦合，但电流基波分量解耦；单极性PWM逆变器并联运行时并联逆变器间的电流存在高频耦合，导致电流基波分量耦合，不可并联运行。低漏电流的改进型全桥并网逆变器拓扑也可实现并联逆变器间的进网电流自然解耦。提出一种模块化光伏并网发电系统欧洲效率优化控制方法，分析了直流母线电压变化趋势与PV（Photovoltaic）发电功率的内在关系，在逆变器中采用两个不同限幅值的直流母线电压调节器，实现根据PV发电功率的变化，自然启用相应的电压调节器，确保各台逆变器优先运行在设定的最高效率点。当PV发电功率较大时逆变器再转向满载运行，从而优化模块化系统的欧洲效率，且无需增加硬件成本。 非隔离型并网逆变器拥有变换效率高，体积小、重量轻、成本低等优势，但系统中的漏电流会大幅增加，带来安全隐患。研究了非中点钳位和中点钳位两类非隔离全桥并网逆变器拓扑，旨在发现兼顾低漏电流和高效率的新型电路拓扑。基于传统H5拓扑，在光伏电池输出端和桥臂任意中点之间引入一支开关管，构造一条新的功率传输通路，提出了一种六开关非隔离并网逆变器拓扑（H6拓扑）。新拓扑在功率传输模态时，进网电流半个工频周期流过三支开关管，而另半个工频周期流过两支开关管，故相对于H5拓扑，降低了通态损耗，提高了变换效率，有利于热应力均衡，并仍满足抑制漏电流的条件；比较分析了H5、Heri（cHighly Efficient ReliableInverter Concept）和H6的拓扑结构、损耗和成本，指出H6拓扑实际是H5和Heric拓扑的折衷。H6拓扑的变换效率高于H5拓扑、但略低于Heric拓扑；共模特性优于Heric拓扑、但略劣于H5拓扑。提出由P-NPCC（Positvie-Neutral Point Clamped Cell）和N-NPCC（Negative-NetrualPoint Clamped Cell）两种基本单元构造中点钳位逆变器拓扑族的统一方法，研究了中点钳位非隔离全桥逆变器拓扑的生成机理和推演方法，揭示了中点钳位逆变器拓扑族的内在联系，按照提出的基本单元可以得到现有的中点钳位非隔离全桥光伏并网逆变器拓扑，如oH5和FB-DCBP（Full Bridge-DC Bypass），以及一族新的中点钳位非隔离全桥并网逆变器拓扑。以所提出的PN-NPC拓扑为例详细分析了其工作原理，并与oH5、FB-DCBP拓扑作了损耗的比较分析，PN-NPC拓扑共模特性与FB-DCBP相同并优于oH5，且变换效率最优。 高可靠性、高效率和高功率密度始终是电力电子装置追求的目标。总结归纳了五电平全桥逆变器拓扑生成的两种方式：①三电平全桥与输入分压电容和钳位支路组合；②三电平半桥与两电平桥臂组合。将上述拓扑生成方式推广至双降压式逆变器，提出了一族五电平双降压式全桥并网逆变器拓扑，具有高变换效率、高功率密度和低EMI（Electromagnetic Interference）的特点。研究了所提五电平双降压式全桥并网逆变器的工作原理，并对几种拓扑进行了损耗和成本的对比分析。开关管串联型五电平双降压式全桥逆变器拓扑的变换效率最高，而中点钳位型五电平双降压式全桥逆变器拓扑的电路开销最少。 对以上研究分别搭建了相应的实验平台，进行了充分的实验研究，验证了上述分析的正确性和可行性。 【关键词】：并网逆变器 非隔离逆变器 无变压器逆变器 漏电流 模块化 效率 直流总线 直流微网 多电平逆变器
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第一章 绪论16-35
• 1.1 概述16-17
• 1.2 光伏并网发电系统结构17-20
• 1.2.1 集中式17
• 1.2.2 常规串式和多串式17-18
• 1.2.3 交流模块式18-19
• 1.2.4 直流模块式19
• 1.2.5 主从式结构19-20
• 1.3 分布式发电技术20-23
• 1.3.1 分布式发电20-22
• 1.3.2 分布式功率变换22-23
• 1.4 并网逆变器23-32
• 1.4.1 光伏并网逆变器拓扑结构23-25
• 1.4.2 低漏电流非隔离型25-29
• 1.4.3 五电平逆变器29-32
• 1.5 本文的研究意义和主要内容32-35
• 1.5.1 研究意义32-33
• 1.5.2 论文的主要工作33-35
• 第二章 模块化光伏并网发电系统功率变换管理和控制35-54
• 2.1 系统架构和功率管理方法35-38
• 2.1.1 系统架构35
• 2.1.2 基于 DBS 的分布式功率管理方法35-37
• 2.1.3 运行模式转换与功率流分析37-38
• 2.2 接口变换器及其控制方法38-44
• 2.2.1 光伏侧接口变换器38-40
• 2.2.2 网侧接口变换器40-43
• 2.2.3 储能接口变换器43-44
• 2.2.4 接口变换器额定容量设计原则44
• 2.3 实验结果与分析44-53
• 2.4 结论53-54
• 第三章 非隔离并网逆变器并联运行和效率优化54-75
• 3.1 传统非隔离全桥并网逆变器并联运行54-59
• 3.1.1 双极性传统全桥并网逆变器并联54-55
• 3.1.2 单极性倍频传统全桥并网逆变器并联55-58
• 3.1.3 单极性传统全桥并网逆变器并联58-59
• 3.2 改进型非隔离全桥并网逆变器并联运行59-63
• 3.2.1 进网电流解耦条件59-60
• 3.2.2 低漏电流非隔离全桥并网逆变器并联60-61
• 3.2.3 实验结果与分析61-63
• 3.3 优化的欧洲效率控制策略63-73
• 3.3.1 系统结构63-64
• 3.3.2 直流母线电压控制与分析64-68
• 3.3.3 效率优化控制68-70
• 3.3.4 实验结果与分析70-73
• 3.4 结论73-75
• 第四章 单相非隔离并网逆变器研究75-104
• 4.1 单相并网逆变器的漏电流模型分析75-77
• 4.2 非中点钳位非隔离全桥并网逆变器77-90
• 4.2.1 H6 拓扑构成与原理分析77-80
• 4.2.2 H6 拓扑与 H5 拓扑和 Heric 拓扑之间的联系80-81
• 4.2.3 拓扑损耗的分析与比较81-84
• 4.2.4 H6 拓扑族拓展84-87
• 4.2.5 实验结果与分析87-90
• 4.3 中点钳位非隔离全桥并网逆变器90-102
• 4.3.1 中点钳位单元91
• 4.3.2 NPC 非隔离全桥拓扑族推演91-93
• 4.3.3 PN-NPC 全桥并网逆变器的分析93-94
• 4.3.4 中点钳位非隔离逆变器拓扑族拓展94-97
• 4.3.5 中点钳位型拓扑的损耗比较分析97-98
• 4.3.6 实验结果与分析98-102
• 4.4 结论102-104
• 第五章 五电平双降压式并网逆变器104-128
• 5.1 五电平双降压式逆变器拓扑构造方法104-109
• 5.1.1 最简五电平全桥逆变器及其拓扑构造方式104-105
• 5.1.2 工作模态和调制策略分析105-108
• 5.1.3 实验结果与分析108-109
• 5.2 五电平双降压式逆变器拓扑族109-119
• 5.2.1 拓扑生成方式109-111
• 5.2.2 中点钳位型五电平 DBFBI 拓扑分析111-113
• 5.2.3 开关管串联型五电平 DBFBI 拓扑分析113-115
• 5.2.4 五电平 DBFBI 拓扑比较分析115-119
• 5.3 控制方法与实现119-122
• 5.4 实验结果与分析122-127
• 5.4.1 三电平和五电平 DBFBI 实验比较122-125
• 5.4.2 开关管和二极管串联五电平 DBFBI 实验结果125-127
• 5.5 结论127-128
• 第六章 总结与展望128-130
• 6.1 全文工作总结128-129
• 6.2 进一步工作的展望129-130
• 参考文献130-140
• 致谢140-141
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文141-144

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