模块化光伏并网系统中微型逆变器和功率优化器结构和控制策略研究

【摘要】：近年来由环境污染引起的一系列社会问题得到了全社会广泛的关注,发展以光伏为代表的绿色新能源产业,无疑是解决环境问题,保持经济和社会可持续发展的重要手段。电力电子技术作为光伏并网发电系统中实现功率控制与变换的主要技术手段,迎来了快速发展的重要契机。 微型逆变器和功率优化器作为光伏并网系统中两种典型的模块化变流器,是近年来学术界和工业界研究的热点之一。两种变流器在结构和功能上既有不少相似之处,也有各自不同的特点和应用场合。本文主要针对微型逆变器和功率优化器的结构和控制策略进行了研究和探讨。 反激逆变器是微型逆变器结构中的典型代表。论文第二章对反激逆变器工作在DCM、CCM和BCM三种模式时的电路特性进行了分析和归纳,从功率密度、控制复杂度以及电路损耗等角度进行了对比。在此基础上,论文提出了一种BCM/DCM混合工作模式,在半个工频周期内反激逆变器交替工作在BCM或者DCM模式,在不增加额外电路成本的前提下提高了逆变器的效率。本文采用峰值电流模式控制变压器原边主开关峰值电流的形状,利用该峰值电流和并网电流之间的关系间接实现并网电流的正弦化。论文通过理论推导得到了理想情况下峰值电流基准的计算公式,并且分析了非理想情况下电路参数对并网电流THD的影响。在峰值电流基准计算公式的基础上,论文提出了一种改进的MPPT算法,通过扰动峰值电流基准公式中的输出功率变量实现MPPT功能。 论文第三章从反激逆变器的交错并联控制和效率提升两方面对反激逆变器进行了分析研究。针对两个子电路变压器励磁电感值不相等造成的逆变器效率下降问题,论文提出了一种交错并联闭环相位控制方法,在不影响反激逆变器效率的前提下保证了两个子电路具有稳定的相位关系。在Mathcad软件的帮助下,论文建立了反激逆变器的损耗模型,总结了各部分损耗的计算方法。为了提高逆变器在不同输出功率下的效率,论文提出了一种全功率范围内反激逆变器效率的优化方法。控制器根据逆变器的不同输出功率选择相应的工作模式,通过DCM和BCM模式之间以及交错并联和单路模式之间的切换,有效提高了逆变器在整个输出功率范围内的效率。 论文第四章首先简要介绍了基于功率优化器的光伏发电系统,其中串联在直流母线之间的功率优化器只需要完成最大功率点追踪(MPPT)功能,而后级的逆变电路需要通过稳定直流母线电压维持前后两级能量的平衡。论文指出了功率优化器的输出电压范围受到功率优化器所选拓扑的限制。为了提高系统的能量利用率,论文采用级联型Buck/Boost电路作为功率优化器的主电路。在此基础上,论文建立了功率优化器Buck和Boost两种模式下的小信号交流模型,根据该模型对单个功率优化器以及由串联功率优化器组成的系统的稳定性进行了分析。 论文第五章首先指出基于功率优化器的光伏发电系统中的第二级逆变电路必须采用特殊拓扑以抑制系统中的共模漏电流。在此基础上论文提出了一种采用交错并联结构的双Buck逆变电路,并对电路的主要硬件参数进行了设计和优化。第二级逆变电路采用了传统的电压外环与电流内环相结合的控制策略。论文利用精确反馈线性化方法设计了控制器的电流环,通过对直流母线电压和电网电压的前馈补偿减小了逆变电路输入输出电压扰动对并网电流质量的影响。论文根据逆变器能量守恒原理建立了电压环控制器的模型,并且理论证明了直流母线电压中的两倍工频纹波是造成并网电流中三次谐波含量的主要原因。在此基础上,本章提出了一种新颖的电压环纹波补偿方法,控制器计算出直流母线电压中两倍工频纹波的瞬时值,与传统直流母线电压参考值相加作为新的直流母线电压参考值。在不增加额外元器件的情况下,减小了逆变电路并网电流的THD；在并网电流的THD相同的条件下,减小了直流母线电容。 【关键词】：光伏并网 微型逆变器 反激逆变器 峰值电流控制 交错并联 变换效率 电能质量 最大功率点追踪 功率优化器 功率解耦
【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】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-43
• 1.1 课题的研究背景11-25
• 1.1.1 光伏电池特性11-15
• 1.1.2 光伏并网逆变器的几种主要结构15-17
• 1.1.3 光伏发电并网逆变器的市场分析17-23
• 1.1.4 光伏发电并网逆变器的发展趋势23-25
• 1.2 微型逆变器的研究现状25-35
• 1.2.1 微型逆变器的拓扑25-32
• 1.2.2 反激逆变器的关键技术32-35
• 1.3 功率优化器的研究现状35-40
• 1.3.1 功率优化器的拓扑和控制策略35-37
• 1.3.2 单相并网逆变器的拓扑和控制策略37-40
• 1.4 课题的选题意义及主要研究内容40-43
• 1.4.1 课题的选题意义40-41
• 1.4.2 课题的主要研究内容及创新点41-43
• 第二章 反激逆变器及其控制策略的研究43-71
• 2.1 引言43
• 2.2 反激逆变器特性分析43-49
• 2.2.1 电流断续模式43-46
• 2.2.2 电流连续模式46-47
• 2.2.3 电流临界断续模式47-49
• 2.3 BCM/DCM混合模式下并网电流控制策略49-64
• 2.3.1 想情况时的电流基准49-56
• 2.3.2 主要参数设计56-59
• 2.3.3 非理想情况下的电流基准59-64
• 2.4 基于峰值电流控制的最大功率点跟踪算法64-66
• 2.5 仿真和实验结果66-70
• 2.6 本章小结70-71
• 第三章 交错并联反激逆变器的优化研究71-99
• 3.1 引言71
• 3.2 交错并联模式下BCM/DCM混合控制71-73
• 3.3 交错并联反激逆变器的相位控制策略73-86
• 3.3.1 励磁电感偏差带来的影响75-79
• 3.3.2 闭环控制方法79-83
• 3.3.3 仿真和实验波形83-86
• 3.4 反激逆变器的损耗模型86-93
• 3.5 全功率范围内反激微型逆变器效率的优化方法93-98
• 3.6 本章小结98-99
• 第四章 基于功率优化器的光伏发电系统及其控制策略的研究99-129
• 4.1 引言99
• 4.2 基于功率优化器的光伏发电系统概述99-103
• 4.3 功率优化器的拓扑选择和主要参数设计103-105
• 4.3.1 功率优化器的拓扑选择103-104
• 4.3.2 功率优化器主要参数设计104-105
• 4.4 功率优化器的控制器设计105-121
• 4.4.1 Boost模式下的控制器设计106-111
• 4.4.2 Buck模式下的控制器设计111-116
• 4.4.3 功率优化器之间的相互影响116-121
• 4.5 功率优化器的启动及保护控制策略121-122
• 4.6 仿真和实验波形122-128
• 4.7 本章小结128-129
• 第五章 基于功率优化器的光伏发电系统中的逆变电路及其控制策略129-156
• 5.1 引言129
• 5.2 逆变电路的拓扑选择129-140
• 5.2.1 基于功率优化器的光伏发电系统的共模漏电流129-131
• 5.2.2 逆变电路的优化设计131-135
• 5.2.3 逆变电路损耗分析135-137
• 5.2.4 逆变电路的实验结果137-140
• 5.3 逆变电路的控制策略140-155
• 5.3.1 电流环控制器建模141-144
• 5.3.2 电压环控制器建模144-147
• 5.3.3 电压环动态响应和并网电流THD147-151
• 5.3.4 纹波补偿151-155
• 5.4 本章小结155-156
• 第六章 结论与展望156-161
• 6.1 基于微型逆变器与基于功率优化器的光伏发电系统的比较分析156-157
• 6.2 论文工作总结157-159
• 6.3 未来工作与展望159-161
• 参考文献161-173
• 攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利173-175
• 致谢175-176

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