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基于Z源网络的光伏并网逆变系统的研究

刘鸿鹏  
【摘要】:光伏并网发电是太阳能最重要的应用形式,具有广阔的发展前景。并网逆变器是连接光伏阵列模块和电网的关键部件,其拓扑结构和控制策略是当前研究的热点。本文所研究的Z源光伏并网逆变器属于单级系统,具有结构简单、允许逆变桥同一桥臂上下功率器件直通、输出波形畸变小等优点。该拓扑结构特别适用于光伏发电等输入电压变换范围比较大的场合。 本文对单相Z源光伏并网逆变器的拓扑结构和并网控制策略进行了深入的研究。具体内容包括以下几个方面: 深入分析了单相Z源光伏并网逆变器的电路拓扑、升压原理、换流过程和开关管电流电压应力,并详细分析了单相Z源光伏并网逆变器的损耗,从而为系统的散热设计、器件和开关频率的选取提供了重要的依据。 建立了Z源网络电路的小信号模型,并分析了Z源网络各参数变化对其输出特性的影响。Z源光伏并网逆变器采用了单级系统的双级控制策略,通过调节直通占空比和调制因子分别实现最大功率跟踪控制和逆变器并网电流控制。在光伏并网系统中,并网电流的频繁变化将会对电网的电能质量带来负面影响。为此,本文在分析已有并网电流幅值控制方法的基础上,提出了单周期电容电压调节法来控制并网电流幅值。该方法能够在一个工频周期内完成对光伏并网电流的调整,从而改善了并网电流的波形质量,减小了并网电流的波动。 无变压器型光伏并网逆变器体积小、效率高、造价低,被广泛地应用于小功率光伏并网系统中。本文分析了Z源光伏并网逆变器和全桥逆变器共模电流的产生机理。其中,Z源逆变器和采用单极性调制方式的全桥逆变器的共模电压是高频脉冲电压,会产生共模电流。因此需要在电网侧加入工频变压器来消除共模电流。而在双极性PWM调制方式下,全桥逆变器的共模电压恒定,不产生共模电流。但是,此调制方式不能消除输出电流的直流分量。过大的直流分量会使变电所变压器工作点偏移,增加电网电缆的腐蚀,烧毁输入保险,甚至增加谐波含量。为此本文提出一种新型控制算法来抑制直流分量的输出。该算法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引起的直流分量。它无需增加外围硬件电路,并且所增加的环节只占用很少的控制芯片资源。 定电压跟踪法控制精度差,但在低光照强度下具有更高的效率,而扰动观察法在高光照强度下具有较高的效率。为此,本文将定电压跟踪法、扰动观察法与Z源逆变器的特点有机的结合,提出一种适用于Z源光伏并网逆变器的变直通占空比扰动观察方法。采用定电压法启动Z源光伏并网逆变器,从而减小了系统在启动过程中频繁的扰动,提高逆变器稳定性。在低光照强度下应用定电压跟踪法,而在高光照强度下使用扰动观察法,从而提高了整个系统在不同的光照强度下最大功率跟踪算法的效率。 当电网因为故障或者停电维修而跳脱时,若系统不能及时检测出断电状态且迅速将自身切离电网,将会发生孤岛效应。孤岛情况一旦发生,常会导致一系列严重的问题。为此,光伏并网系统应具有防止孤岛现象的功能,从而保证系统的正常工作。本文详细分析过/欠压、过/欠频被动式孤岛检测方案和滑模频移主动式检测方案的工作原理以及在不同坐标系下的非检测区域。由于滑模频移法未设初始相位,理论上不能保证电网瞬间触发频率偏移。为此,本文提出一种新型的自适应滑模频移方法。该方法设置了初始相位角,并且在实测频率偏差超出误差范围时,以正反馈方式增加最大相位角和初始相位角,从而加速了公共节点电压频率的偏移,缩短了检测孤岛的时间。 在上述工作的基础上,研制开发了一套1.5kW单相Z源光伏并网逆变器装置。本装置以TMS320F2812为主控制芯片,整机的最大效率在94%以上,功率因数超过了0.99。实验结果验证了所提出的新型控制算法的正确性和可行性。


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