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光伏发电系统中Z源逆变器的控制技术研究

陈艳  
【摘要】:太阳能以其独特的优点成为可再生能源的选择,因此光伏发电技术成为了新能源领域的研究热点,未来光伏发电能否普及,在很大程度上取决于系统自身的成本、转换效率、可靠性、灵活性等诸多因素。Z源逆变器作为一种新的变换拓扑有其特殊性,它采用两个电感和两个电容组成无源网络连接光伏阵列与逆变桥,通过控制其特有的直通工作状态时间来实现逆变器直流侧升压,从而达到在单级系统上实现传统的两级控制。Z源逆变器用于光伏发电系统在降低光伏系统成本、提高系统可靠性及改善系统效率等方面都具有积极的意义。本文选用Z源逆变器作为光伏系统的功率变换单元,在此基础上进行其高效并网的关键控制技术的研究及其相关非线性行为的分析,主要内容包括以下几个方面: ①根据光伏电池的电气特性建立了光伏阵列通用模型,详细分析了光伏阵列在局部阴影条件下的多峰值特性。为克服传统最大功率点跟踪(MPPT)算法在多峰值跟踪过程易陷入局部最优的困境,提出了一种基于双载波混沌搜索的最大功率点跟踪算法,有效地实现了多峰值下的最大功率点寻找。为进一步提高搜索效率与搜索精度,在该算法的基础上结合空间尺度变换大大改善了搜索效果。 ②根据Z源逆变器在直通状态和非直通状态下的等效电路,建立了Z源逆变器直流链电路的状态空间模型,引入了直流闭环控制提高系统的给定跟踪能力和抗干扰能力。从系统存在的非线性问题出发,建立适用于非线性控制的Z源逆变器直流链仿射模型,提出了采用基于微分几何理论的精确线性化方法对该模型进行线性化处理,该线性化过程不同于传统建模在某一平衡点处进行近似线性化的处理,打破了传统建模只在平衡点周围进行小扰动下才准确的局限。结合最优化控制使系统获得优良稳定的高品质输出。为了进一步推广,针对不对称Z源网络做进一步分析,在其控制部分引入零动态设计,在不影响其控制性能的前提下简化了控制。 ③研究了Z源光伏逆变器并网逆变侧的控制技术。通过不同逆变控制策略的对比,选择响应快精度高的滞环电流控制,为克服滞环电流控制中开关频率不固定导致滤波环节设计困难的问题,设计了定频滞环电流控制,分析定频原理,在其实现部分采用了对模型要求不高、设计简单且鲁棒性好的模糊控制技术。根据实际光伏逆变器输出误差变化范围,设计了相应的隶属度函数及控制规则,并依照输出电流与参考电流之间不出现松弛跟踪的原则设计了逆变侧滤波电感。最后在定频的基础上采用逻辑分析将直通矢量插入滞环控制。 ④由于在仿真中发现Z源逆变器直流链存在的若干非线性现象,指出传统小信号建模分析省略部分高阶量的局限性,验证了Z源逆变器光伏系统属于反馈控制型逆变器的非线性本质。从状态方程出发分别讨论Z源逆变器直流链与逆变侧的非线性行为,用以揭示其分岔及混沌特性。在分析Z源逆变器直流链与逆变侧工作原理的基础上,分别建立其频闪映射离散模型,采用Jacobian矩阵法、Lyapunov指数分析等方法对进行了准确、数值化的分析。对直流链部分选择输入电压Vi n和并网参考电流i ref作为变化参数,分别针对Z源电感、Z源电容、输入电压、参考电流等参数确定其稳定域;对逆变侧在直流链输出电压、反馈系数及输出滤波电感三者中任选其二,进行了双分岔参数的稳定域分析。该研究有助于预见变换器在不稳定状态甚至混沌态下的工作性能,为指导Z源光伏系统设计提高可靠性提供思路。


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