储能型Quasi-Z源级联多电平光伏逆变器研究

【摘要】：太阳能光伏发电清洁、环保,是最具前景的新能源之一。而功率变换器则是光伏发电系统中的关键部件,其可靠性、运行效率以及制作成本对整个光伏发电系统至关重要。由于传统的单级式或两级式功率变换器在光伏发电应用中存在着不足,众多学者将研究目光投向了近年来提出的Z源逆变器(Z-Source Inverter,ZSI)和Quasi-Z源逆变器(Quasi-Z Source Inverter, qZSI),以及低谐波高效率的级联多电平逆变器(Cascade Multilevel Inverter, CMI)。本文根据研究现状,提出了三种新型逆变器拓扑,并将其应用于光伏发电系统,对其基本理论进行研究,并提出了相应的控制策略。具体如下： 首先,结合光伏发电的特点以及用户的需求,提出了适用于光伏发电系统的储能型qZSI (Energy Stored qZSI, ES-qZSI)。对ES-qZSI进行数学建模,详细分析了电路中各状态变量以及各功率的关系。将ES-qZSI分别应用于独立光伏发电系统以及并网光伏发电系统,并研究了相应的控制策略。特别地,针对系统中的储能电池,本文提出了储能电池能量管理控制策略来确保储能电池的安全工作。 其次,鉴于qZSI、ES-qZSI以及CMI的优点,提出了qZS级联多电平逆变器(qZS-CMI)和储能型qZS级联多电平逆变器(Energy Stored qZS-CMI, ES-qZS-CMI),并将这两种逆变器分别应用于光伏发电系统中。该部分研究主要包括以下几个方面： 针对qZS-CMI及其光伏发电系统,研究了其基本模块—ZSI模块。文中考虑2倍频分量对qZSI模块进行了数学建模,首次推导得出了精确计算系统状态变量2倍频分量的数学公式。以此为基础,分析了系统状态变量2倍频分量随qZS网络参数的变化规律,提出了抑制2倍频纹波的qZS网络参数设计方法。详细分析了qZSI模块中各器件的工作状态、换流过程以及导通电流,计算了qZSI模块的功率损耗以及运行效率。研究了qZSI模块的光伏发电控制策略,采用波特图法对系统中各控制器的参数进行了整定。该部分研究为此类qZS-CMI的参数设计、器件选取提供了重要依据。 针对qZS-CMI及其光伏发电系统,提出了该系统的控制方法,既可以实现对光伏电池的分布式MPPT控制,又可以确保每个模块拥有相同的直流母线电压,同时整功率因数并网。 针对ES-qZS-CMI及其光伏发电系统,提出了该系统的控制方法,既可以实现对光伏电池的分布式MPPT控制,又可以保证各模块输出功率平衡,而且可以满足用户／电网需求灵活地提供负载／并网功率,平抑PV功率的波动。 另外,分别研制了储能型qZS光伏发电系统样机、qZS级联多电平光伏发电系统样机以及储能型qZS级联多电平光伏发电系统样机,并对各样机进行了实验测试。实验结果验证了所提出的三种新型光伏逆变器及其光伏发电系统。 【关键词】：光伏发电 Quasi-Z源逆变器 储能型Quasi-Z源逆变器 级联多电平逆变器 电路建模 参数设计
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目录10-13
• 英文缩写词表13-14
• 1 引言14-28
• 1.1 光伏发电产业的发展现状14-15
• 1.1.1 世界各国光伏发电产业的发展14-15
• 1.1.2 我国光伏发电产业的发展15
• 1.2 光伏发电系统概述15-22
• 1.2.1 光伏发电系统的拓扑结构15-17
• 1.2.2 光伏发电系统中功率变换器的拓扑结构17-21
• 1.2.3 光伏发电系统中的储能技术21-22
• 1.3 基于qZSI的光伏发电系统研究现状22-23
• 1.4 本文的选题意义和主要研究内容23-28
• 1.4.1 本文的选题意义23-25
• 1.4.2 本文的主要研究内容25-28
• 2 储能型Quasi-Z源逆变器及其控制策略28-44
• 2.1 基本工作原理28-31
• 2.2 储能型Quasi-Z源独立光伏发电系统的控制策略31-37
• 2.2.1 光伏电池的MPPT控制31-33
• 2.2.2 整个系统的控制策略33-34
• 2.2.3 仿真结果34-35
• 2.2.4 实验结果35-37
• 2.3 储能型Quasi-Z源并网光伏发电系统的控制策略37-43
• 2.3.1 控制策略37-38
• 2.3.2 仿真验证38-41
• 2.3.3 实验验证41-43
• 2.4 本章小结43-44
• 3 储能型Quasi-Z源逆变器拓扑改进及其控制系统44-58
• 3.1 可能的不连续导通状态44-47
• 3.1.1 产生原理分析44-45
• 3.1.2 仿真验证45-47
• 3.2 具有储能电池能量管理的控制方法47-51
• 3.2.1 新控制系统47-48
• 3.2.2 储能电池能量管理的工作流程48-49
• 3.2.3 仿真验证49-51
• 3.3 储能型Quasi-Z源逆变器的主电路参数设计方法51-56
• 3.3.1 选定PV电池、明确系统设计要求51-52
• 3.3.2 储能电池额定电压和容量设计52-54
• 3.3.3 Quasi-Z网络电感、电容参数设计54-55
• 3.3.4 Quasi-Z网络二极管的选择55-56
• 3.4 储能型Quasi-Z源光伏发电系统实验平台56-57
• 3.5 本章小结57-58
• 4 Quasi-Z源级联多电平逆变器/储能型Quasi-Z源级联多电平逆变器拓扑及其单元模块的建模与分析58-86
• 4.1 Quasi-Z源级联多电平逆变器/储能型Quasi-Z源级联多电平逆变器拓扑58-60
• 4.2 Quasi-Z源H桥逆变器模块建模60-67
• 4.2.1 qZSI模块的直流分量模型61-62
• 4.2.2 qZSI模块的2倍频分量模型62-64
• 4.2.3 qZSI模块的完整模型64-65
• 4.2.4 仿真及实验研究65-67
• 4.3 抑制2倍频纹波的qZS网络参数设计方法67-71
• 4.3.1 设计方法分析67-68
• 4.3.2 仿真及实验研究68-71
• 4.4 Quasi-Z源H桥模块的损耗及效率分析71-85
• 4.4.1 qZSI模块电路的工作状态分析71-78
• 4.4.2 qZSI模块的损耗分析78-82
• 4.4.3 qZSI模块损耗理论计算结果分析82-84
• 4.4.4 qZSI模块效率的实验测试84-85
• 4.5 本章小结85-86
• 5 Quasi-Z源级联多电平光伏发电系统的控制86-112
• 5.1 Quasi-Z源H桥PV发电模块86-98
• 5.1.1 模块控制器设计87-96
• 5.1.2 仿真验证96-98
• 5.1.3 实验验证98
• 5.2 单相Quasi-Z源级联多电平PV发电系统的控制98-106
• 5.2.1 改进的载波移相SPWM调制方法99-100
• 5.2.2 qZS级联多电平系统直流侧的控制策略100-101
• 5.2.3 qZS级联多电平系统并网功率的控制101-102
• 5.2.4 仿真及实验验证102-106
• 5.3 三相Quasi-Z源级联多电平PV发电系统的控制106-110
• 5.3.1 系统结构及控制策略106-108
• 5.3.2 仿真结果108-110
• 5.4 本章小结110-112
• 6 储能型Quasi-Z源级联多电平光伏发电系统的控制112-126
• 6.1 单相储能型Quasi-Z源级联多电平PV发电系统的控制112-119
• 6.1.1 控制方法112-113
• 6.1.2 仿真验证113-115
• 6.1.3 实验验证115-119
• 6.2 三相储能型Quasi-Z源级联多电平PV发电系统的控制119-123
• 6.2.1 电路拓扑及其控制119-120
• 6.2.2 仿真结果120-123
• 6.3 Quasi-Z源/储能型Quasi-Z源级联多电平光伏系统样机123-125
• 6.4 本章小结125-126
• 7 结论126-128
• 参考文献128-136
• 作者简历136-142
• 学位论文数据集142

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