具有共模漏电流抑制能力的单相无变压器型光伏逆变技术研究

【摘要】：近年来,全球环境污染与能源短缺等问题不断加剧,世界各国纷纷从战略的角度加强扶持清洁可再生能源的发展。太阳能光伏发电因其资源丰富、清洁高效的特点而受到了广泛的关注。随着光伏发电行业相关技术的深入发展,光伏发电系统的成本不断降低,全球的光伏装机总量持续攀升。光伏发电技术的应用也已经进入了由政策驱动逐渐向市场驱动的过渡阶段。但是,光伏发电系统前期投入高,成本回收周期长,因此如何进一步地降低系统成本,提高系统的发电效率及其可靠性,进而缩短投资回收周期成为了光伏发电行业最为关注的问题。在户用型分布式光伏并网发电系统中,无变压器型逆变器因成本低、电能转换效率高的优点而倍受用户以及光伏系统集成商的青睐。但是,在无变压器型系统中,并网逆变器与光伏电池板的寄生电容以及电网会构成共模回路,若并网系统的共模电压存在高频脉动,则会在回路中产生不可忽视的共模漏电流,导致并网逆变系统无法满足并网标准中关于共模漏电流限值的规定。 本文围绕无变压器型光伏并网系统中的共模漏电流问题展开研究。文章分析了无变压器型电路的共模漏电流抑制条件,得到了两类具有共模漏电流抑制能力的单相拓扑结构：基于对称电感配置的电路结构和基于非对称电感配置的电路结构。继而从这两种电路结构分别出发,探索具有共模漏电流抑制能力的单相逆变电路的形成方法以及共模漏电流的优化方案。 首先,论文从高性能的HERIC电路推导得到了基于对称电感配置结构的混合全桥电路。通过对混合全桥电路的基本工作模态的分析,证明了该电路具有共模漏电流抑制能力的结论。在此基础上,文中给出了混合全桥电路的PWM控制方法,并且分析了该PWM控制策略下的混合全桥电路的工作特性。讨论了滤波电感不对称、开关动作不同步等电路非理想因素对电路的共模特性造成的影响,并给出了工程化时的共模特性优化方法。对比了混合全桥电路结构与其他对称电感配置电路的电路特性,强调了混合全桥电路的工业应用价值。并搭建了3kW的实验测试平台,验证了混合全桥结构的正确性。 其次,论文分析了电路中的寄生参数以及参数差异性对基于对称电感结构的无变压器型逆变电路中的共模漏电流的影响,并且以highly efficient and reliable inverter concept (HERIC)电路为例,给出了系统寄生参数相关的共模谐振电路模型,得到高频共模电压扰动与电路寄生参数之间的关系。基于上述分析,提出了进一步消除系统高频共模漏电流的共模电压箝位结构,并且将该结构运用于已有的全桥型对称电感配置电路进行优化,有效降低了已有拓扑方案中的共模电压的高频扰动,减小了电路寄生参数对系统共模漏电流的影响。并以基于有源电压箝位的HERIC电路为例,验证了共模电压箝位结构的有效性。 再次,提出了一种基于非对称电感配置结构的带有飞跨电容结构的多电平电路。该电路由飞跨电容三电平Buck结构与工频换相结构组合而成,不仅继承了多电平电路转换效率高、滤波电感小的优点,而且保留了工频换相结构对电路中的高频共模漏电流的抑制能力,降低了电路直流输入电压。通过对该电路的工作模态的分析,提出了相对应的PWM控制方法。然后从优化电路转换效率和功率密度的角度出发,给出了电路中参数的设计方法,并通过实验测试平台,验证了该电路的工作特性。 最后,运用上述理论,结合并网标准以及安全规范,设计完成了具有高可靠性、高转换效率的3kW的单相非隔离光伏并网逆变器产品,该产品经过实践论证与第三方机构的评测,已基本达到了工业界主流产品的水平。 【关键词】：并网逆变器 共模漏电流 高转换效率 无变压器型逆变器 多电平
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615;TM464
【目录】：

• 致谢6-7
• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 目录11-14
• 第1章 绪论14-35
• 1.1 引言14-17
• 1.2 变压器型光伏并网系统的共模漏电流问题17-20
• 1.2.1 光伏电池组件的对地寄生电容17
• 1.2.2 光伏并网系统中的对地共模漏电流17-19
• 1.2.3 共模漏电流相关的安规标准19-20
• 1.3 共模漏电流抑制条件20-22
• 1.4 单相无变压器型光伏并网逆变器的研究现状22-33
• 1.4.1 对称电感配置电路拓扑22-27
• 1.4.2 非对称电感配置电路拓扑27-32
• 1.4.3 研究现状小结32-33
• 1.5 论文研究内容33-35
• 第2章 基于对称电感配置的混合全桥电路35-52
• 2.1 混合全桥电路的推导35-36
• 2.2 混合全桥电路的特性分析36-39
• 2.3 混合全桥电路的共模漏电流优化39-43
• 2.3.1 理想条件下的共模电流波形39-40
• 2.3.2 非理想因素40-43
• 2.4 对称电感配置电路结构的内在关系43-45
• 2.5 拓扑性能对比45-48
• 2.5.1 电路元器件的对比45-46
• 2.5.2 电路损耗的对比46-48
• 2.6 实验结果48-51
• 2.7 本章小结51-52
• 第3章 对称电感配置拓扑结构的共模电压箝位方法52-70
• 3.1 对称电感配置拓扑结构的共模电压谐振问题52-55
• 3.2 共模电压箝位方法55-64
• 3.2.1 共模电压箝位结构55-57
• 3.2.2 共模电压箝位的接入节点57-58
• 3.2.3 箝位结构形成方法58-64
• 3.3 有源箝位型HERIC的仿真与实验结果64-69
• 3.3.1 电路结构与工作模式64-66
• 3.3.2 仿真以及实验结果66-69
• 3.4 本章小结69-70
• 第4章 基于非对称电感配置的飞跨电容多电平电路70-83
• 4.1 基于工频换相结构的多电平拓扑的推导70-72
• 4.1.1 Coolcept电路的特性70-71
• 4.1.2 新型电路结构的推导71-72
• 4.2 电路的工作特性分析72-77
• 4.2.1 电路工作模态72-74
• 4.2.2 电路的共模特性74-75
• 4.2.3 飞跨电容电压控制75-77
• 4.3 电路器件的选型设计77-79
• 4.3.1 功率器件的选型77
• 4.3.2 滤波电感的感值设计77-78
• 4.3.3 飞跨电容的容值计算78-79
• 4.4 实验结果79-82
• 4.5 本章小结82-83
• 第5章 单相无变压器型光伏并网逆变器的工程应用实例83-93
• 5.1 单相光伏并网系统的典型参数以及电路配置83-85
• 5.2 单相光伏系统设计介绍85-90
• 5.2.1 控制软件框架85-86
• 5.2.2 硬件设计86-89
• 5.2.3 共模漏电流的优化89-90
• 5.3 单相3kW无变压器型光伏并网逆变器产品90-92
• 5.4 本章小结92-93
• 第6章 总结与展望93-96
• 6.1 论文工作总结93-94
• 6.2 今后工作展望94-96
• 参考文献96-103
• 攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利103

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