準(zhǔn)Z源級(jí)聯(lián)多電平光伏逆變器控制方法的研究.pdf

1、隨著光伏產(chǎn)業(yè)扶持政策的不斷出臺(tái)，全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)正持續(xù)快速發(fā)展。然而，光伏發(fā)電易受溫度和光照等自然條件影響，具有隨機(jī)性、不穩(wěn)定性、季節(jié)性等特點(diǎn)。單個(gè)光伏電池電壓較低，需要串聯(lián)很多個(gè)電池滿足用戶電壓等級(jí)要求。對(duì)于這種直接串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，光伏電池板局部陰影和失配將嚴(yán)重降低整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率。為了克服這個(gè)問題，已有大量研究采用級(jí)聯(lián)多電平逆變器(CMI)，將光伏板分配給多個(gè)獨(dú)立的H橋模塊，對(duì)各模塊分別進(jìn)行最大功率跟蹤來降低光伏電池板局部陰影和

2、失配導(dǎo)致的不利，以改善發(fā)電效率。但傳統(tǒng)H橋逆變模塊缺少升壓功能，光伏電池板最大功率點(diǎn)電壓的不同將導(dǎo)致不平衡的直流母線電壓;并且在光伏電壓寬范圍變化的情況下，對(duì)逆變器容量的要求倍增。近年，有研究提出在每個(gè)H橋模塊嵌入DC-DC變換器來平衡直流母線電壓，但是，附加的大量DC-DC變換器，不僅增加了功率電路和控制的復(fù)雜性，增加了成本，而且降低了系統(tǒng)效率。新近提出的準(zhǔn)Z源級(jí)聯(lián)多電平逆變器(qZS-CMI)，將準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)嵌入傳統(tǒng)CMI，不僅改善了

3、H橋模塊無法升壓的不足，且具有準(zhǔn)Z源逆變器(qZSI)的特點(diǎn)。將其應(yīng)用于光伏發(fā)電時(shí)，各H橋模塊均以單級(jí)功率變換實(shí)現(xiàn)升壓及直流-交流轉(zhuǎn)換，獨(dú)立地控制直流母線電壓;逆變橋同一橋臂的上下開關(guān)管可同時(shí)導(dǎo)通而不損壞;可實(shí)現(xiàn)分布式最大功率跟蹤;比傳統(tǒng)CMI減少1/3的模塊;等等。這些都有助于光伏發(fā)電系統(tǒng)成本的降低、可靠性的提高，受到了越來越多的關(guān)注。然而，對(duì)qZS-CMI這一新型拓?fù)涞难芯可刑幱诔醪诫A段，缺乏較深入的分析與控制設(shè)計(jì)。
　　本文

4、重點(diǎn)研究準(zhǔn)Z源級(jí)聯(lián)多電平光伏逆變器的控制方法，提出了兩種脈寬調(diào)制策略，以及系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法。具體如下：首先建立了較詳細(xì)的準(zhǔn)Z源H橋光伏逆變模塊模型。目前，在由qZS-CMI構(gòu)成的光伏系統(tǒng)方面，尚無系統(tǒng)完整的模型來指導(dǎo)其參數(shù)選取和控制器設(shè)計(jì)。本文以準(zhǔn)Z源H橋光伏逆變模塊為對(duì)象，考慮光伏板終端電容和兩倍頻脈動(dòng)功率影響，建立其統(tǒng)一的狀態(tài)空間方程，推導(dǎo)了兩倍頻脈動(dòng)分量模型和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)模型。依據(jù)兩倍頻脈動(dòng)分量模型，分析了阻抗參數(shù)對(duì)低頻脈動(dòng)分

5、量的影響，設(shè)計(jì)了抑制兩倍頻脈動(dòng)的整套阻抗元件參數(shù);動(dòng)態(tài)模型則為設(shè)計(jì)獨(dú)立的直流母線電壓平衡控制提供依據(jù)。其次提出了qZS-CMI的SVM方法。通過比較現(xiàn)有兩電平三相qZSI的空間矢量調(diào)制(SVM)，提出一種qZSI的SVM方法，以降低電感電流脈動(dòng)、提高效率;依此為基礎(chǔ)，結(jié)合qZS-CMI模塊化特點(diǎn)，將兩電平三相qZSI的SVM擴(kuò)展到qZS-CMI，提出qZS-CMI的SVM方法，并以仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的方法。與qZS-CMI已有的移相

6、正弦脈寬調(diào)制(PS-SPWM)相比，新調(diào)制方法具有電壓利用率高、占用資源少、模塊化、易于擴(kuò)展至任意級(jí)聯(lián)數(shù)目的優(yōu)點(diǎn)。再次提出了qZS-CMI的移相脈沖寬度幅值調(diào)制(PS-PWAM)，以減少qZS-CMI的開關(guān)動(dòng)作，降低功率損耗。研究了該調(diào)制方式下的損耗評(píng)估方法，比較了PS-PWAM和PS-SPWM兩種方法控制時(shí)qZS-CMI的功率損耗。仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的PS-PWAM方法，表明PS-PWAM可有效降低系統(tǒng)損耗，改善效率。此外，分析了

7、以新型寬能隙碳化硅(SiC)二極管作準(zhǔn)Z源二極管，進(jìn)一步從器件上減少損耗的情況。最后提出了光伏qZS-CMI的并網(wǎng)控制策略，包括分布式MPPT、獨(dú)立的直流母線電壓平衡控制，及單位功率因數(shù)并網(wǎng)控制。先以單相系統(tǒng)為對(duì)象，建立了其系統(tǒng)級(jí)傳遞函數(shù)模型，詳細(xì)設(shè)計(jì)了各調(diào)節(jié)器，以適應(yīng)寬范圍的光伏電壓變化與實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量并網(wǎng);再將所提出的控制方法進(jìn)行擴(kuò)展，研究了三相系統(tǒng)的控制策略。本文力從拓?fù)浼?jí)、調(diào)制級(jí)、控制級(jí)和器件級(jí)等方面，對(duì)準(zhǔn)Z源級(jí)聯(lián)多電平光伏逆變系統(tǒng)