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基于级联H桥拓扑的光伏并网逆变器及其应用中的关键技术研究

赵涛  
【摘要】:级联H桥(Cascaded H-bridge,CHB)多电平逆变器由于其优越的综合性能,在光伏并网发电场合具有很好的市场应用潜力和发展前景。一方面,因其组件级可关断、组件级MPPT以及多电平的输出电压等优点,在中小功率高效户用型光伏发电场合具有显著的优势;另一方面,其模块化多电平结构不仅可以将系统扩展到较高的电压和功率等级,而且可实现无工频升压变压器的高效超大功率的直挂式并网接入,尤其适用于单机20MW以上的光伏发电系统。然而,功率不平衡问题是CHB光伏逆变器的关键问题之一,现阶段的研究有待进一步改进;此外,基于CHB的直挂式光伏逆变器的发展正处于起步阶段,为了在工程应用中充分发挥该拓扑的优势,需要对其拓扑、运行模式和控制策略等进行深入研究。本文聚焦上述关键问题并进行了系统而深入研究,所做的研究工作和创新如下:(1)针对单相CHB光伏逆变器的功率不平衡引起H桥(H-Bridge,HB)过调制的问题,分别提出一种基于改进型混合调制技术的功率不平衡控制策略和一种基于无功功率补偿的功率不平控制策略,并对其优缺点进行了对比分析;(2)针对改进型混合调制技术和无功功率补偿策略存在的问题,分别提出一种优化的三次谐波补偿策略和一种多次谐波补偿策略,其中多次谐波补偿策略相比于其他控制方法综合性能较优;(3)针对基于三相CHB的直挂式光伏逆变器模块中LLC变换器的谐振电流具有包络纹的问题,分析了包络纹波产生的机理,阐述了包络纹波对整个系统的影响,并提出了一种基于准PR调节器的谐振电流包络纹波抑制策略;(4)针对基于三相CHB的直挂式光伏逆变器在故障冗余条件下模块间传输功率不均衡的问题,提出了一种基于零序电压补偿的功率均衡控制策略,并分析了补偿零序电压对整个系统的影响;(5)针对基于三相CHB的直挂式光伏逆变器在低电压穿越过程中出现的有功功率回流的问题,分别提出了一种基于有功电流注入的控制策略和一种基于零序电压补偿的控制策略,其中零序电压补偿控制策略的适用性较强;此外,搭建了单相CHB光伏逆变器和基于三相CHB的直挂式光伏逆变器的仿真模型并制作了实验样机,对所提出的控制策略进行验证。


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