三电平光伏并网逆变器拓扑结构及控制策略的研究

【摘要】：随着全球经济的高速发展,能源短缺、环境污染成为社会发展必须面临的现实问题。太阳能作为一种新能源进行并网发电,是解决能源危机和环境污染的重要方式之一,因具有非常广阔的应用前景而在国内外得到迅速发展。本文主要创新点如下： 1)光伏并网逆变器作为光伏阵列与电网的连接装置,是光伏并网发电系统中的核心部件,在整个系统的运行中起着至关重要的作用。为了降低逆变器的成本和提高逆变器的效率,本文提出了一种新的交错并联—T型(Interleaved Boost and CCT,IBC)双三电平光伏并网逆变器拓扑结构。该拓扑由DC/DC侧采用交错并联三电平Boost变换器和由DC/AC侧采用CCT型三电平变换器组成。该拓扑DC/DC侧开关器件和二极管承受电压应力小、损耗少、输出的直流电压纹波小；DC/AC侧所需的功率器件和隔离驱动电源的数量少、每相桥臂的内外管发热均匀,有利于系统长期稳定运行；整个系统具有效率高、成本低等优点。 2)针对三电平拓扑结构固有的中点电位不平衡问题,提出一种混合式中点电位平衡的控制策略。该控制策略在调制系数为0≤m≤0.52时,采用一种基于参考电压矢量分解法的中点电位平衡控制策略,将三电平参考电压矢量分解为一个三电平的基矢量和一个两电平电压矢量的叠加,然后根据中点电位偏移的情况,结合三相电流,明确重叠区域的小六边形选择原则,充分利用冗余小矢量来调整中点电位的平衡；当调制系数为0.52m≤0.907时,采用一种基于虚拟空间矢量法的方法来调整中点电位的平衡。这种混合式控制策略能够在输出电压全范围内控制中点电位的平衡。 3)由于光伏并网逆变器工作时存在孤岛检测问题,本文对现有的孤岛检测策略进行了分析和比较,总结出孤岛检测技术必须具备的两个条件：当电网正常时,光伏并网系统对输出电能质量的影响要小；当电网断电时,光伏并网系统要快速检测出“孤岛”现象并迅速实施孤岛保护。针对以上两点,本文提出了一种新的基于小波变换与模糊神经网络的孤岛检测控制策略,并讨论了该控制策略实施的具体步骤。仿真和实验证明,孤岛检测控制策略在并网逆变器的功率与本地负载的功率匹配及失配的多种条件下均能有效识别,且该控制策略适合于单相和三相逆变器以及单台和多台逆变器并联运行时的孤岛识别。 另外,本文还做了如下的工作： 1)针对分布式发电系统通常呈现弱电网状态,容易出现电网电压不平衡的情况,此时常规控制方案不能处理负序分量,将影响系统内并网逆变器的正常工作。本文采用了一种解耦双同步坐标系PLL用于获取不平衡电压的正序相位和负序相位,同时分析了不平衡电网下的瞬时功率模型,并通过一个负序分量正序旋转变换矩阵将需要补偿的负序分量注入正序控制坐标系,进而实现直流侧电压纹波的抑制,保证了MPPT精度和较小的并网电流THD。仿真和实验验证了该方案的正确性和可靠性。 2)为满足光伏逆变器的并网要求,针对电网电压发生对称跌落和不对称跌落情况,本文采用了一种低电压穿越控制策略。该控制策略在电网发生对称跌落时,采用封锁电压外环,电流内环给定指定值；在电网发生不对称跌落时,采用电压前馈算法有效抑制跌落瞬间的电流冲击。该控制策略通过快速的正负序分量提取和精确的电网电压同步信号保证控制信号提取的实时性,抑制负序电流分量,保持三相电流平衡并动态调节无功电流输出满足无功支撑要求,采用有源阻尼控制保证系统的稳定运行。仿真和实验在多种不同的故障跌落条件下来进行测试,结果验证了在电网电压跌落时本文所采用的控制策略能够实现光伏并网发电系统低电压穿越。 【关键词】：三电平拓扑 孤岛检测 低电压穿越 SVPWM 并网逆变器
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615;TM464
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-30
• 1.1 光伏发电系统的研究背景和意义12-18
• 1.1.1 光伏发电的优点和缺点12-13
• 1.1.2 光伏发电的发展现状13-18
• 1.2 光伏发电系统介绍18-20
• 1.2.1 光伏离网发电系统18
• 1.2.2 光伏并网发电系统18-19
• 1.2.3 光伏离网发电系统和光伏并网发电系统的比较19-20
• 1.3 光伏并网发电系统介绍20-23
• 1.3.1 单级式三相光伏并网发电系统20-21
• 1.3.2 两级式三相光伏并网发电系统21-22
• 1.3.3 多级式三相光伏并网发电系统22-23
• 1.4 光伏并网逆变器的关键问题23-28
• 1.4.1 三电平拓扑结构与中点电位平衡23-24
• 1.4.2 电网的孤岛检测24-26
• 1.4.3 电网不平衡条件下的控制策略26-27
• 1.4.4 光伏并网逆变器的低电压穿越27-28
• 1.5 本文研究的主要内容28-30
• 2 三电平拓扑结构及中点电位平衡控制策略30-61
• 2.1 引言30
• 2.2 DC/DC侧两种三电平拓扑结构分析与比较30-35
• 2.2.1 交错并联三电平DCM模式下的工作过程分析31-35
• 2.2.2 两种三电平Boost变换器电流纹波分析35
• 2.3 DC/AC侧两种三电平拓扑结构分析与比较35-43
• 2.3.1 两种拓扑电路分析36-37
• 2.3.2 两种拓扑的换流过程及其开关损耗分析37-41
• 2.3.3 两种拓扑电压应力及损耗分析41-43
• 2.4 三电平中点电位平衡的控制策略43-57
• 2.4.1 中点电位波动产生的原因及危害性43-44
• 2.4.2 传统的三电平空间矢量SVPWM调制策略44-47
• 2.4.3 三电平空间矢量分解控制算法47-50
• 2.4.4 三电平中点电位平衡控制策略50-56
• 2.4.5 三电平混合式中点电位平衡控制策略56-57
• 2.5 仿真和实验结果57-59
• 2.6 小结59-61
• 3 基于小波变换与ANFIS的孤岛检测控制策略61-80
• 3.1 引言61
• 3.2 孤岛效应的检测61-63
• 3.3 小波变换与ANFIS的孤岛检测63-66
• 3.3.1 小波变换及其Mallat算法64
• 3.3.2 特征向量的选取及处理64-65
• 3.3.3 ANFIS模型的结构设计65-66
• 3.4 孤岛检测仿真建模实例66-74
• 3.4.1 样本数据获取及小波分解67-70
• 3.4.2 ANFIS网络识别结果讨论70-74
• 3.5 实验结果及分析74-78
• 3.6 小结78-80
• 4 电网不平衡条件下的光伏并网发电控制策略80-95
• 4.1 引言80
• 4.2 电网不平衡时并网逆变器运行特性80-84
• 4.2.1 电网不平衡时对PV发电的影响分析80-81
• 4.2.2 光伏并网逆变器输出功率波动对电网的影响分析81-83
• 4.2.3 电网不平衡时并网逆变器控制目标83-84
• 4.3 不平衡控制策略分析84-90
• 4.3.1 不平衡电压的描述84-85
• 4.3.2 解耦双同步坐标系PLL85-87
• 4.3.3 基于负序电流注入的不平衡控制策略87-90
• 4.4 仿真分析及实验验证90-94
• 4.4.1 仿真分析90-93
• 4.4.2 实验验证93-94
• 4.5 小结94-95
• 5 光伏并网系统低电压穿越控制策略95-116
• 5.1 引言95-97
• 5.2 电网故障引起并网点电压跌落分析97-99
• 5.2.1 三相平衡跌落故障分析97
• 5.2.2 三相不平衡跌落故障分析97-99
• 5.3 低电压穿越技术要求99-101
• 5.4 三电平逆变器的数学模型101-102
• 5.5 低电压穿越控制策略102-107
• 5.5.1 电网平衡跌落时的低电压穿越控制策略102-104
• 5.5.2 电网不平衡跌落时的低电压穿越控制策略104-107
• 5.6 仿真及实验结果分析107-115
• 5.7 小结115-116
• 6 总结与展望116-119
• 6.1 全文工作总结116-117
• 6.2 下一步工作的展望117-119
• 参考文献119-129
• 作者简历及在学研究成果129-134
• 学位论文数据集134

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