光伏发电高效利用的关键技术研究

【摘要】：近年来,光伏并网发电系统在发达国家得到大规模应用,但在发展中国家发展缓慢,其瓶颈在于其经济性较差。提高光伏发电系统的经济性,除了提高光电转换效率外,发展高效的逆变器结构和电能利用架构是可行的突破口。论文重点从高效率非隔离并网逆变器技术和分布式直流供电(直流微网)架构开展研究工作。 非隔离型并网逆变器(TLGCI)结构不含变压器,拥有变换效率高,体积、重量和成本低等优势,论文致力于非隔离光伏并网逆变器相关技术研究。首先详细介绍两级式非隔离并网逆变器的设计过程,包括直流变换器和交流逆变器拓扑、最大功率点跟踪(MPPT)、直流母线电压控制和进网电流控制等环节的设计。出于系统分级优化和控制的方便,提出采用交错开关方式的双管Buck-Boost变换器为前级直流变换器,可以实现储能电感最小、有能量直接传输模态且控制电路简单,是一种高性价比的方案。通过并网逆变器样机性能测试和分析,得出高效率非隔离并网逆变器需要着力解决漏电流(LC)和低阻抗进网滤波器问题。 光伏并网逆变器中变压器的消除使得电池板与电网之间有了电气连接,漏电流可能会大幅增加,带来安全隐患。论文建立了较完善的非隔离单相并网逆变器共模分析模型,总结出两条消除开关频率共模电压的途径,并将其应用到两大类并网逆变器拓扑,即全桥类和半桥类光伏并网逆变器结构中。在H5全桥逆变器结构中加入一支可控开关管和分压电容构成双向箝位支路,可以实现续流阶段时续流回路电位处于电池电压一半的固定电压,并保证了功率传输阶段输出电流仅流经3支开关管,有效降低了导通损耗。另外,箝位支路的加入使得电池侧正端引入的高频开关管和箝位开关管的电压应力仅为输入电池电压的一半,有利于效率的进一步提高。论文从逆变器效率和漏电流抑制效果两方面比较了几种专利拓扑和本文提出的电路拓扑(简称oH5),论证了所提出拓扑是一种优化结构。在半桥类逆变器结构中,由于电容桥臂和开关管桥臂中点寄生电容的不同使得原有拓扑结构的漏电流抑制效果并不理想,论文提出了“滤波支路抵消法”、“寄生支路抵消法”和“全抵消法”三种可能的补偿措施,并从可实现性和实际测试效果两个方面说明了“全抵消法”的优越性。 高可靠性同样是非隔离光伏并网逆变器的重要要求。然而,非隔离型桥式逆变器的桥臂同样存在直通的危险。论文通过引入双降压式半桥逆变器(DBHBI)防桥臂直通结构增强了桥式并网逆变器的可靠性,提出一种新型的分裂电感中点箝位三电平逆变器(SI– NPCTLI),并将其推广至三相系统中。同样地,在oH5拓扑中引入DBHBI结构实现了提高可靠性的目的。 三阶LCL进网滤波器具有阻抗小和谐波抑制能力强等优势,结合非隔离光伏并网逆变器拓扑可以实现高效率和高性能。论文在综合了现有文献关于LCL滤波器设计方法的基础上采用“折中”的思想提出一种滤波器参数设计流程,兼顾工程经验和理论优化。针对现有文献关于LCL滤波器有源阻尼(AD)方法研究不完善的现状,开展采用状态变量反馈增加控制对象阻尼方法的系统化研究。提出一种新型的采用网侧电感电压微分反馈的有源阻尼方法,并结合进网电流采用准谐振控制器详细讨论了逆变器控制结构和参数的设计过程。 论文最后在光伏等可持续能源高效利用架构方面做了部分前期探索,介绍一种基于直流供电的分布式发电系统——直流微网。在详细介绍系统架构和关键技术后重点讨论了系统组成所需的四种基本接口电路的拓扑选择:直流微网与大电网接口电路选择带隔离变压器的多台单相双向AC/DC变换器,可以优化效率,降低待机损耗;直流微网与储能设备接口电路选用三通道非隔离双向DC/DC变换器,配置超级电容为储能设备,可以实现动态功率的快速平衡,大幅提高供电品质;在直流微网双供电母线接口电路中,提出低压蓄电池侧采用电流源型半桥拓扑和高压侧选用电压源型半桥拓扑,组成电流源型半桥-电压源型半桥完全对偶、对称的组合式结构。并在电流源侧加入有源箝位网络实现开关管的零电压开通(ZVS)和消除电压尖峰;提出对两个半桥产生的方波电压进行相移角控制和对电流源半桥的主开关管占空比实行PWM控制以实现端电压波动时变压器两端电压匹配,从而有效降低环流损耗和实现全范围ZVS。在直流微网的光伏接口电路中,针对双管Buck-Boost变换器的电路结构提出增加一个附加绕组和两只辅助二极管实现原续流二极管的零电流关断和辅助二极管的关断电流下降率可控,大幅降低了变换器的开关损耗。上述接口变换器的开发为直流微网实验演示平台构建、进一步研究可持续能源发电的高效利用技术打下了一定的基础。 【关键词】：并网逆变器 非隔离 漏电流 LCL滤波器 有源阻尼 直流微网 双向AC/DC变换器 双向DC/DC变换器 有源箝位 ZVS
【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】：2010
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-20
• 第一章 绪论20-36
• 1.1 太阳能的利用20-22
• 1.2 光伏并网发电系统的结构22-23
• 1.2.1 集中式22-23
• 1.2.2 串式和多串式23
• 1.2.3 模块式23
• 1.3 光伏并网逆变器的结构23-25
• 1.3.1 工频隔离型23-24
• 1.3.2 高频隔离型24-25
• 1.3.3 非隔离型25
• 1.4 非隔离并网逆变器的关键技术问题及现状25-30
• 1.4.1 漏电流抑制25-26
• 1.4.2 进网电流质量26-28
• 1.4.3 最大功率点跟踪(MPPT)技术28-29
• 1.4.4 反孤岛技术29-30
• 1.5 分布式发电技术30-34
• 1.6 本文的研究意义和主要内容34-36
• 1.6.1 本文的研究意义34
• 1.6.2 本文的主要研究内容34-36
• 第二章 两级式非隔离光伏并网逆变器研制36-55
• 2.1 引言36
• 2.2 两级式并网逆变器的电路结构36-45
• 2.2.1 直流变换器36-42
• 2.2.2 逆变器42-45
• 2.3 两级式并网逆变器的控制策略45-47
• 2.3.1 最大功率点跟踪(MPPT)45
• 2.3.2 直流母线电压控制45-46
• 2.3.3 进网电流控制46-47
• 2.4 实验研究47-53
• 2.4.1 直流变换器实验研究48-49
• 2.4.2 逆变器实验研究49-50
• 2.4.3 整机性能测试与分析50-53
• 2.5 本章小结53-55
• 第三章 非隔离光伏并网逆变器拓扑技术研究55-94
• 3.1 引言55
• 3.2 单相并网逆变器的漏电流分析模型55-60
• 3.2.1 单相并网逆变器共模等效电路推导57-59
• 3.2.2 漏电流的消除方法59-60
• 3.3 全桥类单相并网逆变器漏电流抑制技术60-73
• 3.3.1 采用合适的电路结构和SPWM 开关组合方式60-72
• 3.3.2 采用电路参数匹配方式72-73
• 3.4 半桥类单相并网逆变器漏电流抑制技术73-81
• 3.4.1 采用合适的电路结构和SPWM 开关组合方式74-75
• 3.4.2 采用电路参数匹配方式75-81
• 3.5 高可靠性低漏电流非隔离光伏并网逆变器81-92
• 3.5.1 SI–NPCTLI 的构成和特性分析81-84
• 3.5.2 SI–NPCTLI 的控制策略84-87
• 3.5.3 仿真研究87-91
• 3.5.4 实验研究91-92
• 3.5.5 非隔离型全桥并网逆变器的可靠性提高92
• 3.6 本章小结92-94
• 第四章 低阻抗进网滤波器及控制技术研究94-128
• 4.1 引言94
• 4.2 LCL 滤波器及设计方法94-101
• 4.2.1 高频谐波电流抑制的理论分析95-99
• 4.2.2 LCL 滤波器的参数设计99-101
• 4.2.3 滤波器设计结果与分析101
• 4.3 LCL 滤波器的有源阻尼方法研究101-111
• 4.3.1 AD 控制结构的基础103-108
• 4.3.2 几种AD 控制结构的比较108-111
• 4.4 单相并网逆变器进网电流控制器设计实例111-120
• 4.4.1 阻尼环设计111-115
• 4.4.2 进网电流控制器设计115-120
• 4.5 AD 控制结构的扩展120-127
• 4.5.1 补偿环节组合120-122
• 4.5.2 状态变量组合122-127
• 4.6 本章小结127-128
• 第五章 基于新能源供电的分布式直流供电系统探讨128-154
• 5.1 引言128-129
• 5.2 直流供电系统129-134
• 5.2.1 已有直流微网架构130-132
• 5.2.2 拟研究的系统架构132-133
• 5.2.3 主要研究内容133-134
• 5.2.4 研究规划134
• 5.3 直流微网与电网接口单元134-139
• 5.3.1 双向AC/DC 变换器134-135
• 5.3.2 变换器性能测试135-139
• 5.4 直流微网与储能设备接口单元139-143
• 5.4.1 非隔离多通道双向DC/DC 变换器139-140
• 5.4.2 变换器性能测试140-143
• 5.5 直流微网中双直流母线接口单元143-149
• 5.5.1 大升压比隔离双向DC/DC 变换器143-146
• 5.5.2 变换器性能测试146-149
• 5.6 光伏电池与直流母线接口单元149-153
• 5.6.1 可升降压非隔离DC/DC 变换器150-151
• 5.6.2 光伏接口单元的控制策略151-152
• 5.6.3 光伏接口单元的实验情况152-153
• 5.7 本章小结153-154
• 第六章 全文工作总结与展望154-157
• 6.1 本文研究工作总结154-155
• 6.2 后续工作展望155-157
• 参考文献157-170
• 致谢170-171
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文171-173

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