无变压器结构光伏并网逆变器拓扑及控制研究

【摘要】：近二十年来,光伏并网技术得到了快速发展,各种不同类型和功率等级的光伏系统相继得以应用。由于光伏发电组件的价格昂贵,在光伏并网系统设计时,要求并网逆变装置应尽可能地提高并网环节的效率、同时减小并网设备的体积和重量。而传统并网逆变器为了保证并网系统的安全运行,一般采用变压器进行电隔离,但变压器的引入会使系统效率降低,体积和重量增加。因此,近年来多种新型的无变压器光伏并网逆变器拓扑相继提出。与传统光伏并网逆变器相比,新型逆变器具有更高的效率,更小的体积和重量。但是无变压器拓扑也存在其自身的缺点,即无变压器系统的共模漏电流会对人身安全造成潜在危险。如何可靠抑制无变压器结构中的共模漏电流成为了一个研究难点,对于共模漏电流产生原因、影响因素和漏电流大小的分析和计算方法还没有人系统地进行过分析和说明。 本文首次采用基尔霍夫定律在时域和复频域下对光伏系统漏电流产生原理进行了系统分析,提出了一套光伏系统共模漏电流分析和计算方法,为如何可靠抑制共模漏电流奠定了理论基础。随后,通过仿真和实验分析和比较了多种现有的新型无变压器结构光伏并网逆变器的共模漏电流,同时对于这些拓扑首次利用PLECS功率仿真模块仿真并通过实验,给出了新型拓扑的器件损耗分布图及效率比较图。在损耗分布图绘制过程中,作者发现当采用Active NPC拓扑时,如果采用不同的PWM策略,器件的开关损耗分布也会随之改变,基于此作者在第五章中提出了“功率损耗分布可调”的PWM调制方法,可使Active NPC拓扑的器件损耗分布均衡,克服了传统NPC拓扑器件损耗分布不均的缺点。 另外,在作者前期工作中,发现在单相并网逆变器并网电流控制中,当采用比例积分(PI)控制时,电流无法无误差地追踪正弦电流指令,实际电流值与指令值之间具有一定的相位误差。在论文并网控制部分中,作者通过使用一种新型比例谐振控制器(PR)实现了对单相逆变器并网电流的无误差控制。随后作者又成功地将PR控制器应用到三相静止坐标系电流控制中,为了进一步提高三相并网逆变器的响应速度,作者在原有控制方法的基础上,提出了一种带有比例系数的正序网压前馈控制方法,其良好的动态响应特性和控制特性得到了仿真及实验的验证。 综上,本篇论文在原理分析,拓扑研究,并网控制三个方面提出了自己新的观点,均得到了仿真及实验的验证。 【关键词】：光伏并网系统 无变压器结构 共模漏电流 逆变器拓扑 效率 开关损耗分布 并网控制策略
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM464
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 序9-15
• 第一章 引言15-23
• 1.1 选题背景15-16
• 1.2 光伏发电产业的发展现状16-20
• 1.2.1 国外光伏发电产业发展现状16-18
• 1.2.2 国内光伏发电产业发展现状18-19
• 1.2.3 光伏并网逆变器产业发展现状19-20
• 1.3 光伏并网发电产业的展望20-21
• 第一章 参考文献21-23
• 第二章 光伏并网发电系统及其并网逆变器拓扑技术分析23-43
• 2.0 章序23
• 2.1 光伏并网系统23-26
• 2.1.1 集中式拓扑23-24
• 2.1.2 链式拓扑及多重链式拓扑24-26
• 2.1.3 AC模块式拓扑及H桥级联式拓扑26
• 2.2 光伏并网发电系统并网标准及无变压器结构拓扑26-34
• 2.2.1 光伏并网发电系统并网标准26-29
• 2.2.2 传统隔离变压器结构拓扑及所存在的问题29-32
• 2.2.3 现有无隔离变压器结构拓扑及所存在的问题32
• 2.2.4 有/无隔离变压器结构拓扑比较以及待解决问题32-34
• 2.3 光伏并网发电系统其他相关问题34-36
• 2.3.1 最大功率点跟踪(MPPT)控制34-35
• 2.3.2 孤岛/并网运行35-36
• 2.4 本文选题与主要研究内容36-38
• 第二章 参考文献38-43
• 第三章 光伏并网系统共模漏电流分析43-63
• 3.0 章序43
• 3.1 光伏并网系统分布电容43-46
• 3.1.1 分布电容的位置及其产生原理43-45
• 3.1.2 分布电容的作用原理45-46
• 3.2 共模电压与共模漏电流分析46-57
• 3.2.1 共模漏电流分析46-51
• 3.2.2 共模漏电流FFT计算分析及分布电容影响51-57
• 3.3 双极性PWM调制无变压器结构光伏并网逆变器57-59
• 3.3.1 双极性PWM调制57-58
• 3.3.2 双极性PWM调制的缺点58-59
• 3.4 实验验证59-60
• 3.5 本章小结60-61
• 第三章 参考文献61-63
• 第四章 新型无变压器结构光伏并网逆变器63-95
• 4.0 章序63
• 4.1 H桥改进型拓扑63-80
• 4.1.1 传统H桥无变压器结构拓扑63-66
• 4.1.2 直流侧旁路全桥拓扑66-70
• 4.1.3 高效率可靠性逆变器拓扑70-74
• 4.1.4 H5拓扑74-77
• 4.1.5 实验验证77-79
• 4.1.6 H桥拓扑比较79-80
• 4.2 中性点钳位(NPC)改进型拓扑80-90
• 4.2.1 传统中性点钳位(NPC)拓扑80-83
• 4.2.2 Conergy NPC拓扑83-86
• 4.2.3 Active NPC拓扑86-87
• 4.2.4 实验验证87-90
• 4.3 本章小结90
• 第四章 参考文献90-92
• 第四章 附录A 实验设备92-93
• 第四章 附录B PLECS仿真开关模型93-95
• 第五章 并网Active NPC拓扑的PWM策略95-113
• 5.0 章序95
• 5.1 传统ACTIVE NPC拓扑PWM策略95-97
• 5.2 DF ACTIVE NPC PWM策略97-101
• 5.3 ALD ACTIVE NPC PWM策略101-111
• 5.3.1 ALD PWM策略101-104
• 5.3.2 ALD PWM调制方法104-107
• 5.3.3 ALD PWM策略仿真与实验结果107-111
• 5.3.4 ALD PWM策略综述111
• 5.4 本章小结111-112
• 第五章 参考文献112-113
• 第六章 光伏并网逆变器并网控制策略研究113-141
• 6.0 章序113-114
• 6.1 单相光伏并网逆变器总体控制策略概述114-116
• 6.1.1 双级式光伏并网逆变器控制策略114-115
• 6.1.2 单级式光伏并网逆变器控制策略115-116
• 6.1.3 单级式与双级式并网逆变器控制方法比较116
• 6.2 单相光伏并网系统并网电流控制116-125
• 6.2.1 传统网压前馈比例积分控制117-118
• 6.2.2 电流环比例谐振(PR)控制118-119
• 6.2.3 性能比较119-123
• 6.2.4 PR控制器算法实现123-124
• 6.2.5 单相并网电流控制实验124-125
• 6.3 三相光伏并网PR电流控制中的网压前馈问题分析125-135
• 6.3.1 三相静止坐标系(α-β)中的PR并网电流控制126-129
• 6.3.2 网压前馈问题分析及仿真129-132
• 6.3.3 三相并网电流控制实验132-135
• 6.4 本章小结135-136
• 第六章 参考文献136-138
• 第六章 附录A 实验系统框图138-139
• 第六章 附录B 滤波器设计参数139-141
• 第七章 结论141-145
• 7.1 全文工作总结141-142
• 7.2 博士期间发表论文、专利情况142-143
• 7.3 后续工作展望143-145
• 关键词索引145-147
• 作者简历147-151
• 学位论文数据集151

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