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太阳能交流模块逆变器及其控制技术的研究

谭光慧  
【摘要】: 随着全球经济的快速发展,传统化石能源的大量消耗使全球面临着能源危机,世界各国都在致力于新能源的开发和利用。太阳能以其资源丰富、可以再生、不污染环境等优点,成为最具开发潜力的新能源之一。而太阳能电池和电力电子技术的不断进步,使得太阳能光伏发电得到了长足的发展并成为太阳能利用的主流。在多种太阳能光伏发电系统的结构型式中,太阳能交流模块将单个光伏组件和小功率逆变器组合起来并入单相低压电网,这种结构克服了光伏阵列由于部分阴影遮挡和光伏组件串并连带来的功率损耗,容易实现光伏组件和逆变器间的最佳配合。交流模块被认为是当前和未来并网逆变器的重要发展方向,这种模块面临的挑战在于如何实现成本、效率和使用寿命的最优化。基于此,本论文针对当前太阳能交流模块的特点和问题,对交流模块逆变器及其控制技术进行了深入的研究。 并网逆变器是整个太阳能交流模块发电系统的核心,本文将电容闲置技术引入传统的反激逆变器,提出改进的交流模块逆变器结构。新型逆变器仅采用四个开关,其中两个开关工作于高频,用于实现最大功率点跟踪和调整并网电流波形;另两个开关工作于低频,用于实现并网电流的正负极性。简洁的电路结构和工作方式降低了系统的成本。文中分析了所提逆变器的工作原理,给出了其PWM控制模式,并通过对一个开关周期内六个工作状态的分析阐述了其工作模式和能量交换过程。 由于中间解耦电容处于闲置运行方式,文中将逆变器分解成相对独立的前级直流电路和后级逆变电路,并进一步将前后级电路简化等效成统一的电路形式,统一电路本质上工作于Buck-Boost方式。通过对逆变器工作过程的详细分析表明,断续导电模式、电容闲置技术和吸收电容的应用,使高频开关工作于零电流开通和零电压关断状态,软开关运行有利于提高系统效率;电容闲置技术还使得单相逆变电路的功率脉动转移到中间解耦电容的电压波动上,取消了大容量电解电容的使用,这对于提高系统的使用寿命具有重要意义;而吸收电容还给反激变压器的漏感能量回馈提供了通道,减小了关断时开关上的电压过冲,提高了电路的可靠性。 除了高频开关的软开关运行,要提高系统的整体效率,需要根据光伏电池模块的工作状态实时调整其工作点,使之始终工作在最大功率点附近。本文在综合扰动观察法和电导增量法的基础上,提出新的扰动匹配法最大功率点跟踪技术,通过调整主开关的占空比,使逆变器的输入阻抗等于光伏电池模块的等效输出阻抗,从而定位最大功率点。该方法只需在占空比上加入一定的扰动,通过比较光伏电池模块电压的波动值和平均值,就可以实现最大功率点跟踪。因此,所提方法无需检测光伏电池的输出电流,节省了测量和控制系统成本,也不需要复杂的运算,同时可以保证最大功率点的跟踪准确性。分析表明,通过扰动开关占空比或开关频率都能对逆变器的输入阻抗进行调整,为此文中提出两种扰动匹配跟踪方法:占空比扰动匹配法和等效开关频率扰动匹配法,并对所提方法进行了详细的推导和讨论。 交流模块逆变器一方面需要捕获太阳能电池的最大功率,另一方面还以并网电流的形式向电网和负载提供能量。针对中间解耦电容电压含有稳态的二倍频波动,本文在峰值电流控制方法的基础上,利用反激变压器的能量等值原理,提出前馈SPWM校正控制保证并网电流的波形质量;针对中间解耦电容电压的平均值还会随着电路传输功率的变化而改变,文中进一步提出采用电容电压平均值的闭环控制实现对并网电流幅值的控制。所提并网电流幅值和波形的联合控制方案只需检测中间解耦电容电压就可实现并网电流的控制,省去了反激变压器原边电流的测量,节省了控制系统成本。 交流模块逆变器由于与电网连接,除了光伏并网的电能质量控制,还需要进行反孤岛效应检测和保护。本文在对有功干扰法和主动频移法的优缺点分析基础上,提出一种有功干扰法和正反馈频移法相结合的孤岛效应综合检测方法。正常情况下只进行主动频移法检测,当频率偏差达到一定值时,启动有功干扰法,同时对输出电压的幅值和频率进行检测判断。二者的结合取长补短,既避免了常态下并网电流质量的恶化和周期性的功率损失,又加快了检测时间、缩小了检测盲区。 基于所提出的新型交流模块逆变器拓扑、最大功率点跟踪方案、并网电流控制方法和孤岛检测技术,搭建了100W的太阳能交流模块光伏并网发电系统实验平台。文中设计了主电路和控制系统,并进行了逆变器并网、最大功率点跟踪和孤岛检测等实验,最后进行了分析和评价。仿真、实验和评价结果表明:本文所提出的新型交流模块并网发电系统理论分析正确、实用方案可行、工作性能优越,为进一步研究奠定了重要的理论和实践基础。


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