单相双级光伏并网逆变器拓扑及其控制策略研究

发布时间：2020-10-29 23:54

　　 单相双级光伏并网逆变器以其光伏电压利用率好、结构高效且装机配置灵活等特点被广泛应用于分布式光伏发电系统。但传统的单相双级并网逆变器拓扑是通过Boost前级来控制直流母线电压恒定,输入电压实际上经历了先升压后降压的变换过程,会产生额外的开关损耗。因此,该拓扑结构的理论效率并未最大化。针对分布式发电系统高效性的需求,本文以单相双级并网逆变系统为研究对象,从结构优化和效率提升两方面改善双级并网逆变器的拓扑。在此改进拓扑的系统平台下,从小信号线性化模型、带直接电流控制器的非线性模型以及非线性开关状态模型三个方面对系统电流控制策略展开研究。本文首先针对直流母线电压恒定的双级并网逆变器拓扑中效率未最大化问题,并结合已有双级并网逆变器拓扑结构特征,从功率器件选择、桥臂结构演变和缩短电流回路路径等方面优化现有拓扑,给出了一种高效的Boost-Buck双模式切换的双级并网逆变器拓扑;给出了改进拓扑主电路中关键器件的参数设计方式;在此基础上,分别对母线电压恒定的传统拓扑和Boost-Buck双模式分时控制的改进拓扑中半导体功率器件和储能器件的损耗进行理论分析和对比,损耗计算结果表明改进后拓扑在整机效率上可提升近1.8%,而且开关频率越高,改进拓扑高效性优势越明显。工程样机的实验结果验证了改进拓扑的可行性和在整机效率上的优越性。然后,为得到可适用于改进拓扑的电流控制策略,本文搭建了系统小信号线性化模型。输出滤波电感电流与Boost占空比之间的小信号传递函数的幅相特性表明,在传统直接电流控制下Boost变换器难以对输出电流实现稳定控制。通过引入Boost电感电流作为次目标电流,给出了Boost-Buck混合电流控制方式。为解决独立载波调制过程中Boost和Buck高频开关相互切换时能量振荡导致波形畸变的问题,提出了基于双载波交叠的Boost-Buck混合电流控制策略。物理实验验证了Boost-Buck混合电流控制策略的可行性,双载波交叠的设计方式以较小的开关损耗为代价有效地抑制了Boost和Buck高频功率开关双模式切换时产生的波形畸变。进一步地,通过对基于传统直接电流控制的非线性数学模型进行数值仿真求解,给出了以光伏输入电压为分岔参数的慢变和快变尺度分岔图,分析表明Boost变换器控制上的不稳定现象实质为一种非线性的混沌现象。为抑制混沌电流中非规则的波形,通过在目标参考电流上施加一定幅度且具有最优扰动相位的共振正弦信号,增强混沌信号中较弱的周期成分,抵消较强的周期成分,使系统回到稳定的周期轨道上。另一方面,提出了两种状态关联优化的混沌抑制方法,通过优化耦合系数改变状态变量之间的关联性使原本在混沌区域的状态变量向有序稳定的状态转换。仿真实验验证了在具体的输入参数下所提出的混沌行为抑制方法的有效性。最后,针对改进拓扑中Boost和Buck高频功率开关的协调同步控制和动态性能优化的问题,搭建了基于有限开关控制集的非线性开关状态数学模型,推导出了离散化的电流预测模型并建立以直流母线电压和输出滤波电感电流为目标的评价函数。通过设置权重因子、计算状态变量的预测值和目标评价函数的寻优,得到接近理想控制目标的功率开关状态控制量。最终的仿真分析和实验结果证明了有限控制集的模型预测电流控制方法在Boost-Buck双级并网逆变器同步控制上的有效性和适用性。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM464
【部分图文】：

(a) BHB-II 型功率开关 PWM 实验波形 图 2.13 母线电压恒定和双模式分时切(a) BHB-II 型电压电流实验波形 图 2.14 母线电压恒定和双模式切换控在不同输入电压条件下（150V~500V换控制的双级并网逆变器进行整机效率测3kW 额定输出功率下进行 6 次测量，测量可知，双模式切换的 BHB-IV 型双级并网

感电流iLf的实验波形如图2.14所示，BHB-II的母线电压稳定控制在380V，而BHB-IV的母线电压波形为部分正弦，当电网电压绝对值|vg|小于输入电压 vin时，母线电压 vdc基本与输入电压 vin相等，当电网电压绝对值|vg|大于输入电压 vin时，母线电压带一定包络的正弦波头，a、b 点间输出电压也呈现多台阶特征。BHB-II 的 Boost 电感电流为 100Hz 的类正弦波；而 BHB-VI 型逆变器由于旁路二极管 Db1的作用

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文其计算公式如下：10% 20% 30% 50% 75% 100%0.04 0.05 0.12 0.21 0.53 0.05CEC (2-37)5% 10% 20% 30% 50% 100%0.03 0.06 0.13 0.1 0.48 0.2EU (2-38)其中，ηx%为逆变器工作在 x%的额定功率情况下的效率。
【参考文献】

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1 杨晓光;姜龙斌;冯俊博;汪友华;;一种新型高效无变压器型单相光伏逆变器[J];电工技术学报;2015年08期

2 王强;张化光;褚恩辉;刘秀翀;侯利民;;软开关PWM逆变器拓扑结构及效率分析[J];电机与控制学报;2009年03期

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本文编号：2861654