非隔离型Z源光伏并网逆变系统关键技术的研究

单功率级Z源逆变器因其结构简单、输出波形畸变小等优点，非常适用于光伏发电等输入电压变化范围较大的场合。但是，现有的Z源并网逆变器需要采用额外的工频变压器进行电气隔离，从而增加了系统的成本、体积、重量并降低了系统的效率。因此，研究非隔离型Z源光伏并网逆变器具有重要的理论和实际应用价值。 申请者拟从抑制共模电流和直流分量的关键技术入手，提出新型非隔离型Z源光伏并网逆变器拓扑结构和相应的调制策略,并分析了开关管结电容对共模电压的影响。研究Z源网络参数、功率器件的开关换流过程，对比分析单相非隔离型Z源逆变器与传统Z源逆变器在开关应力和系统损耗两方面的差异。提出一种新的控制算法来抑制直流分量的输出，使用两个补偿环节分别抑制由于调制脉宽不对称和并网电流检测误差导致的直流分量。在传统Y源逆变器的基础上增加了一个电感和一个电容，提出一种新型Y源逆变器拓扑结构。改进Y源逆变器不仅解决了传统Y源逆变器输入电流不连续的问题，而且减小漏感对逆变系统的影响，电压升压比进一步提高，同时各元件的电压应力与传统Y源逆变器一致。 逆变器运行包括孤岛和并网两种模式，二者的无缝切换是保证负载持续不间断供电、改善电能质量、提高供电灵活性和可靠性的关键，具有重要的研究意义。针对低压电力线的阻抗的特点，采用适用于阻性情况下的下垂方程，保证有功功率和无功功率能够进行充分的解耦控制。提出了光伏逆变器电压型并网控制策略，在阻性下垂控制的基础上增加了功率环或直流母线电压环，解决了电压控制型逆变器并网功率易受电网波动影响等问题，增强了光伏逆变器对功率的控制能力，满足了始终以最大有功功率并网和维持直流母线电压稳定的要求。提出了模式切换控制策略，基于下垂理论实现了预同步功能，保证了切换过程的平滑过渡。 本项目的研究成果将为低成本、高效率、高可靠性的Z源光伏并网逆变系统的广泛应用奠定基础，也为非隔离型光伏并网逆变系统的设计提供技术支持和理论指导。同时，研究成果能够有效提高能源利用率，提高负载供电可靠性，保证了切换过程的平滑无冲击，为微网实际工程做好控制方面的理论和技术储备。 2100433B

单功率级Z源逆变器因其结构简单、输出波形畸变小等优点，非常适用于光伏发电等输入电压变化范围较大的场合。但是，现有的Z源并网逆变器需要采用额外的工频变压器进行电气隔离，从而增加了系统的成本、体积、重量并降低了系统的效率。因此，研究非隔离型Z源光伏并网逆变器具有重要的理论和实际应用价值。.申请者拟从抑制共模电流和直流分量的关键技术入手，提出一簇新型的非隔离型Z源光伏并网逆变器拓扑结构和相应的调制策略。完善系统控制策略，实现直流侧与交流侧的解耦控制和升降压工作模态的柔性切换, 保证系统的稳定运行。在此基础上,研究Z源网络参数、功率器件的开关换流过程、电流纹波和并网电流的THD对逆变器效率的影响，从而得到提高系统效率的有效控制方法。本项目的研究成果将为低成本、高效率、高可靠性的Z源光伏并网逆变系统的广泛应用奠定基础，也为非隔离型光伏并网逆变系统的设计提供技术支持和理论指导。

第1章 绪论 1

1.1 光伏发电 1

1.2 光伏并网发电系统 2

1.2.1 集中式 3

1.2.2 串式和多串式 3

1.2.3 交流模块式 3

1.3 光伏并网逆变器 4

1.3.1 工频隔离型 4

1.3.2 高频隔离型 4

1.3.3 非隔离型 5

1.4 非隔离光伏并网逆变器关键技术 6

1.4.1 漏电流抑制技术 6

1.4.2 入网滤波器 7

1.4.3 直流侧控制技术 8

1.4.4 进网电流控制技术 10

1.4.5 锁相环技术 12

1.4.6 非理想电网的影响 13

1.5 本书的主要内容 14

第2章 光伏并网逆变器的漏电流抑制技术 16

2.1 概述 16

2.2 桥式逆变拓扑漏电流系统化分析模型 17

2.3 漏电流抑制途径 21

2.4 常见单相桥式逆变拓扑漏电流抑制机理分析 22

2.4.1 采用抑制途径A的桥类逆变拓扑 22

2.4.2 采用抑制途径B的桥类逆变拓扑 31

2.4.3 采用抑制途径C的桥类逆变拓扑 35

2.4.4 常见单相桥式逆变拓扑小结 42

2.5 单相非隔离桥式逆变拓扑的构造 42

2.5.1 改进型H5拓扑 43

2.5.2 改进型Heric拓扑 44

2.5.3 H5变化拓扑1的改进 44

2.6 三相并网逆变器的漏电流抑制 45

2.6.1 采用抑制途径A的拓扑 45

2.6.2 采用抑制途径B的拓扑 46

2.7 本章小结 48

第3章 光伏并网逆变器的入网滤波器 49

3.1 概述 49

3.2 L滤波器及参数设计 49

3.2.1 L滤波器结构 49

3.2.2 设计依据 50

3.2.3 设计实例 51

3.3 LCL滤波器及参数设计 52

3.3.1 LCL滤波器结构 52

3.3.2 设计依据 53

3.3.3 设计实例 55

3.4 LLCL滤波器及参数设计 63

3.4.1 LLCL滤波器结构 63

3.4.2 设计依据 64

3.4.3 设计实例 65

3.5 本章小结 68

第4章 光伏并网逆变器的直流侧控制技术 69

4.1 概述 69

4.2 最大功率点跟踪（MPPT）控制 69

4.2.1 恒定电压法 70

4.2.2 电导增量法 71

4.2.3 扰动观察法 73

4.3 NPC半桥逆变器直流侧电容电压均衡控制 74

4.3.1 NPC半桥逆变器等效电路 74

4.3.2 电容电压自平衡机理 77

4.3.3 闭环控制对电容电压均衡的影响 86

4.3.4 电容电压均衡控制 89

4.3.5 半桥并网逆变器均压控制策略 93

4.4 本章小结 94

第5章 光伏并网逆变器的电流控制技术 96

5.1 概述 96

5.2 单L滤波并网逆变器的电流控制技术 96

5.2.1 电流控制的稳定性 97

5.2.2 基波电流跟踪 99

5.2.3 进网电流谐波失真的原因 101

5.2.4 进网电流低频谐波抑制 106

5.2.5 典型的三相L滤波并网逆变器电流控制 108

5.3 LCL滤波并网逆变器的谐振现象 110

5.3.1 LCL滤波器固有谐振 110

5.3.2 单进网电流闭环控制 111

5.3.3 单逆变器侧电流闭环控制 113

5.4 LCL滤波并网逆变器的无源阻尼技术 115

5.5 LCL滤波并网逆变器的有源阻尼技术 117

5.5.1 有源阻尼控制机制 117

5.5.2 基于附加单变量反馈的有源阻尼 118

5.5.3 前向通路附加数字滤波器的有源阻尼 127

5.6 LCL滤波并网逆变器的多变量反馈控制技术 128

5.6.1 基于零点配置的控制技术 129

5.6.2 基于极点配置的控制技术 140

5.7 LCL滤波并网逆变器的低频谐波电流抑制技术 144

5.7.1 低频谐波的抑制方案 144

5.7.2 谐波抑制的分析模型 145

5.7.3 电网电压谐波的影响 146

5.7.4 逆变器桥臂输出电压扰动的影响 148

5.8 本章小结 150

第6章 光伏并网逆变器的锁相技术 151

6.1 概述 151

6.2 电网电压过零点检测法 152

6.3 数字锁相环技术 152

6.3.1 三相数字锁相环 153

6.3.2 单相数字锁相环 158

6.4 不平衡电网下的数字锁相环 162

6.5 本章小结 167

参考文献 168 2100433B

第1章 绪论

1．1 背景与意义

1．1．1 光伏发电的背景与意义

1．1．2 课题的意义

1．2 光伏并网发电关键技术的研究现状

1．2．1 光伏并网发电的关键技术

1．2．2 国内外研究现状

1．3 本书的主要研究内容

第2章 光伏并网发电功率控制结构与原

2．1 典型的光伏并网发电系统结构

2．1．1 可调度与不可调度系统

2．1．2 隔离型与非隔离型系统

2．1．3 单级式、两级式与多级式系统

2．1．4 典型系统性能比较

2．2 功率补偿光伏并网发电系统结构与性能分析

2．2．1 系统基本结构

2．2．2 系统主要功能

2．3 具有有功、无功补偿功能的双向功率变换器结构与原理分析

2．3．1 双向DC／DC变换器

2．3．2 双向PWM逆变器

2．4 本章小结

第3章 光伏电池特性与最大功率跟踪控制

3．1 光伏电池特性分析

3．1．1 光伏电池运行机理与数学模型

3．1．2 光伏组件的外特性模型

3．1．3 光伏组件的特性分析

3．2 最大功率跟踪原理及其实现

3．2．1 最大功率跟踪分析

3．2．2 最大功率跟踪的实现方式

3．3 最大功率跟踪的典型算法

3．3．1 恒电压控制法

3．3．2 干扰观测法

3．4 光伏发电最大功率跟踪支持向量机控制

3．4．1 常用最大功率跟踪控制的局限性

3．4．2 最小二乘支持向量机最大功率跟踪控制特性

3．4．3 最小二乘支持向量机原理

3．4．4 最大功率跟踪最小二乘支持向量机预测建模

3．4．5 基于最小二乘支持向量机的最大功率跟踪控制及仿真

3．5 本章小结

第4章 光伏并网发电的功率稳定控制

4．1 基于大功率的复合储能系统结构与特性分析

4．1．1 系统结构及运行模态

4．1．2 系统特性分析

4．2 基于大功率复合储能的光伏并网发电有功分级补偿控制

4．2．1 有功分级补偿控制原理

4．2．2 复合储能系统容量优化配置

4．2．3 基于模糊PID的双向DC／DC变换器的控制及仿真

4．2．4 有功补偿特性与仿真分析

4．3 本章小结

第5章 光伏并网发电与无功补偿的一体化控制

5．1 并网发电与无功补偿统一控制原理

5．1．1 一体化系统结构及控制原理

5．1．2 基于高速、实时的电流检测技术

5．1．3 基于直接电流控制的并网电流跟踪控制

5．2 双向PWM逆变器的空间矢量算法

5．2．1 双向PWM逆变器空间矢量分布与合成

5．2．2 SVPWM波的产生

5．3 光伏发电、无功补偿一体化控制仿真研究

5．3．1 光伏系统向电网馈电模式仿真

5．3．2 电网向负载供电模式仿真

5．4 本章小结

第6章 功率补偿控制实验研究

6．1 实验系统总体方案

6．1．1 实验系统实现方式

6．1．2 实验系统功能分析

6．1．3 主要实验研究

6．2 并网逆变器的参数设计

6．2．1 IGBT的选择

6．2．2 直流侧电容的选择

6．2．3 滤波电感的选择

6．3 接口与数字控制系统设计

6．3．1 无功补偿数字系统与接口实现方案

6．3．2 主要接口电路设计

6．3．3 控制程序设计

6．4 基于研究内容的实验研究

6．4．1 光伏阵列的最大功率跟踪实验

6．4．2 有功功率补偿实验

6．4．3 并网发电实验

6．4．4 无功功率补偿实验

6．5 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录A 基于DLL的控制程序

附录B 2013年3月晴天数据

附录C 2012年12月雾天数据

附录D 2013年3月用电量数据2100433B