模塊化非隔離光伏并網(wǎng)逆變器及發(fā)電系統(tǒng)研究

【摘要】：可再生能源尤其是光伏發(fā)電系統(tǒng)初期投資大、發(fā)電成本高，故并網(wǎng)逆變器以及并網(wǎng)發(fā)系統(tǒng)效率的提高對(duì)于縮短成本回收周期，更快地創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。本文以模塊化和高效率為核心，研究非隔離光伏并網(wǎng)逆變器及系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。 針對(duì)基于直流總線的模塊化光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)的以直流總線電壓作為信息載體的功率變換管理和控制方法，旨在實(shí)現(xiàn)能量最優(yōu)利用和系統(tǒng)運(yùn)行模式的平滑切換。將系統(tǒng)分為四種運(yùn)行模式，分別是孤島運(yùn)行蓄電池放電、并網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)側(cè)接口變換器整流、并網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)側(cè)接口變換器逆變、孤島運(yùn)行光伏接口變換器輸出恒壓。分析了系統(tǒng)運(yùn)行模式與系統(tǒng)功率流的關(guān)系，設(shè)計(jì)令直流總線電壓決定系統(tǒng)運(yùn)行模式和模式切換，而無(wú)需中央控制器，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性。分別給出了光伏、網(wǎng)側(cè)和儲(chǔ)能接口變換器的控制方法，使得系統(tǒng)在極端條件下，如孤島運(yùn)行蓄電池滿電荷狀態(tài)仍能達(dá)到功率平衡。 研究非隔離并網(wǎng)逆變器共直流和交流母線并聯(lián)運(yùn)行，提出了功率電路拓?fù)洳⒙?lián)工作及進(jìn)網(wǎng)電流解耦的條件。深入分析了各種非隔離全橋拓?fù)湫问胶蚉WM（Pulse Width Modulation）調(diào)制方式的逆變器并聯(lián)運(yùn)行模態(tài)，指出雙極性PWM逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)并聯(lián)逆變器間的進(jìn)網(wǎng)電流自然解耦；單極性倍頻PWM逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)并聯(lián)逆變器的進(jìn)網(wǎng)電流存在高頻耦合，但電流基波分量解耦；單極性PWM逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)并聯(lián)逆變器間的電流存在高頻耦合，導(dǎo)致電流基波分量耦合，不可并聯(lián)運(yùn)行。低漏電流的改進(jìn)型全橋并網(wǎng)逆變器拓?fù)湟部蓪?shí)現(xiàn)并聯(lián)逆變器間的進(jìn)網(wǎng)電流自然解耦。提出一種模塊化光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)歐洲效率優(yōu)化控制方法，分析了直流母線電壓變化趨勢(shì)與PV（Photovoltaic）發(fā)電功率的內(nèi)在關(guān)系，在逆變器中采用兩個(gè)不同限幅值的直流母線電壓調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)根據(jù)PV發(fā)電功率的變化，自然啟用相應(yīng)的電壓調(diào)節(jié)器，確保各臺(tái)逆變器優(yōu)先運(yùn)行在設(shè)定的最高效率點(diǎn)。當(dāng)PV發(fā)電功率較大時(shí)逆變器再轉(zhuǎn)向滿載運(yùn)行，從而優(yōu)化模塊化系統(tǒng)的歐洲效率，且無(wú)需增加硬件成本。 非隔離型并網(wǎng)逆變器擁有變換效率高，體積小、重量輕、成本低等優(yōu)勢(shì)，但系統(tǒng)中的漏電流會(huì)大幅增加，帶來(lái)安全隱患。研究了非中點(diǎn)鉗位和中點(diǎn)鉗位兩類非隔離全橋并網(wǎng)逆變器拓?fù)?，旨在發(fā)現(xiàn)兼顧低漏電流和高效率的新型電路拓?fù)??；趥鹘y(tǒng)H5拓?fù)洌诠夥姵剌敵龆撕蜆虮廴我庵悬c(diǎn)之間引入一支開關(guān)管，構(gòu)造一條新的功率傳輸通路，提出了一種六開關(guān)非隔離并網(wǎng)逆變器拓?fù)洌℉6拓?fù)洌?。新拓?fù)湓诠β蕚鬏斈B(tài)時(shí)，進(jìn)網(wǎng)電流半個(gè)工頻周期流過(guò)三支開關(guān)管，而另半個(gè)工頻周期流過(guò)兩支開關(guān)管，故相對(duì)于H5拓?fù)?，降低了通態(tài)損耗，提高了變換效率，有利于熱應(yīng)力均衡，并仍滿足抑制漏電流的條件；比較分析了H5、Heri（cHighly Efficient ReliableInverter Concept）和H6的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、損耗和成本，指出H6拓?fù)鋵?shí)際是H5和Heric拓?fù)涞恼壑浴6拓?fù)涞淖儞Q效率高于H5拓?fù)?、但略低于Heric拓?fù)洌还材Ｌ匦詢?yōu)于Heric拓?fù)?、但略劣于H5拓?fù)洹Ｌ岢鲇蒔-NPCC（Positvie-Neutral Point Clamped Cell）和N-NPCC（Negative-NetrualPoint Clamped Cell）兩種基本單元構(gòu)造中點(diǎn)鉗位逆變器拓?fù)渥宓慕y(tǒng)一方法，研究了中點(diǎn)鉗位非隔離全橋逆變器拓?fù)涞纳蓹C(jī)理和推演方法，揭示了中點(diǎn)鉗位逆變器拓?fù)渥宓膬?nèi)在聯(lián)系，按照提出的基本單元可以得到現(xiàn)有的中點(diǎn)鉗位非隔離全橋光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)洌鏾H5和FB-DCBP（Full Bridge-DC Bypass），以及一族新的中點(diǎn)鉗位非隔離全橋并網(wǎng)逆變器拓?fù)洹Ｒ运岢龅腜N-NPC拓?fù)錇槔敿?xì)分析了其工作原理，并與oH5、FB-DCBP拓?fù)渥髁藫p耗的比較分析，PN-NPC拓?fù)涔材Ｌ匦耘cFB-DCBP相同并優(yōu)于oH5，且變換效率最優(yōu)。 高可靠性、高效率和高功率密度始終是電力電子裝置追求的目標(biāo)?？偨Y(jié)歸納了五電平全橋逆變器拓?fù)渖傻膬煞N方式：①三電平全橋與輸入分壓電容和鉗位支路組合；②三電平半橋與兩電平橋臂組合。將上述拓?fù)渖煞绞酵茝V至雙降壓式逆變器，提出了一族五電平雙降壓式全橋并網(wǎng)逆變器拓?fù)洌哂懈咦儞Q效率、高功率密度和低EMI（Electromagnetic Interference）的特點(diǎn)。研究了所提五電平雙降壓式全橋并網(wǎng)逆變器的工作原理，并對(duì)幾種拓?fù)溥M(jìn)行了損耗和成本的對(duì)比分析。開關(guān)管串聯(lián)型五電平雙降壓式全橋逆變器拓?fù)涞淖儞Q效率最高，而中點(diǎn)鉗位型五電平雙降壓式全橋逆變器拓?fù)涞碾娐烽_銷最少。 對(duì)以上研究分別搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了充分的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了上述分析的正確性和可行性。 【關(guān)鍵詞】：并網(wǎng)逆變器 非隔離逆變器 無(wú)變壓器逆變器 漏電流 模塊化 效率 直流總線 直流微網(wǎng) 多電平逆變器
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TM464
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第一章 緒論16-35
• 1.1 概述16-17
• 1.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)17-20
• 1.2.1 集中式17
• 1.2.2 常規(guī)串式和多串式17-18
• 1.2.3 交流模塊式18-19
• 1.2.4 直流模塊式19
• 1.2.5 主從式結(jié)構(gòu)19-20
• 1.3 分布式發(fā)電技術(shù)20-23
• 1.3.1 分布式發(fā)電20-22
• 1.3.2 分布式功率變換22-23
• 1.4 并網(wǎng)逆變器23-32
• 1.4.1 光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)23-25
• 1.4.2 低漏電流非隔離型25-29
• 1.4.3 五電平逆變器29-32
• 1.5 本文的研究意義和主要內(nèi)容32-35
• 1.5.1 研究意義32-33
• 1.5.2 論文的主要工作33-35
• 第二章 模塊化光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率變換管理和控制35-54
• 2.1 系統(tǒng)架構(gòu)和功率管理方法35-38
• 2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)35
• 2.1.2 基于 DBS 的分布式功率管理方法35-37
• 2.1.3 運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換與功率流分析37-38
• 2.2 接口變換器及其控制方法38-44
• 2.2.1 光伏側(cè)接口變換器38-40
• 2.2.2 網(wǎng)側(cè)接口變換器40-43
• 2.2.3 儲(chǔ)能接口變換器43-44
• 2.2.4 接口變換器額定容量設(shè)計(jì)原則44
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析44-53
• 2.4 結(jié)論53-54
• 第三章 非隔離并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行和效率優(yōu)化54-75
• 3.1 傳統(tǒng)非隔離全橋并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行54-59
• 3.1.1 雙極性傳統(tǒng)全橋并網(wǎng)逆變器并聯(lián)54-55
• 3.1.2 單極性倍頻傳統(tǒng)全橋并網(wǎng)逆變器并聯(lián)55-58
• 3.1.3 單極性傳統(tǒng)全橋并網(wǎng)逆變器并聯(lián)58-59
• 3.2 改進(jìn)型非隔離全橋并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行59-63
• 3.2.1 進(jìn)網(wǎng)電流解耦條件59-60
• 3.2.2 低漏電流非隔離全橋并網(wǎng)逆變器并聯(lián)60-61
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析61-63
• 3.3 優(yōu)化的歐洲效率控制策略63-73
• 3.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)63-64
• 3.3.2 直流母線電壓控制與分析64-68
• 3.3.3 效率優(yōu)化控制68-70
• 3.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析70-73
• 3.4 結(jié)論73-75
• 第四章 單相非隔離并網(wǎng)逆變器研究75-104
• 4.1 單相并網(wǎng)逆變器的漏電流模型分析75-77
• 4.2 非中點(diǎn)鉗位非隔離全橋并網(wǎng)逆變器77-90
• 4.2.1 H6 拓?fù)錁?gòu)成與原理分析77-80
• 4.2.2 H6 拓?fù)渑c H5 拓?fù)浜?Heric 拓?fù)渲g的聯(lián)系80-81
• 4.2.3 拓?fù)鋼p耗的分析與比較81-84
• 4.2.4 H6 拓?fù)渥逋卣?/span>84-87
• 4.2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析87-90
• 4.3 中點(diǎn)鉗位非隔離全橋并網(wǎng)逆變器90-102
• 4.3.1 中點(diǎn)鉗位單元91
• 4.3.2 NPC 非隔離全橋拓?fù)渥逋蒲?/span>91-93
• 4.3.3 PN-NPC 全橋并網(wǎng)逆變器的分析93-94
• 4.3.4 中點(diǎn)鉗位非隔離逆變器拓?fù)渥逋卣?/span>94-97
• 4.3.5 中點(diǎn)鉗位型拓?fù)涞膿p耗比較分析97-98
• 4.3.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析98-102
• 4.4 結(jié)論102-104
• 第五章 五電平雙降壓式并網(wǎng)逆變器104-128
• 5.1 五電平雙降壓式逆變器拓?fù)錁?gòu)造方法104-109
• 5.1.1 最簡(jiǎn)五電平全橋逆變器及其拓?fù)錁?gòu)造方式104-105
• 5.1.2 工作模態(tài)和調(diào)制策略分析105-108
• 5.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析108-109
• 5.2 五電平雙降壓式逆變器拓?fù)渥?/span>109-119
• 5.2.1 拓?fù)渖煞绞?/span>109-111
• 5.2.2 中點(diǎn)鉗位型五電平 DBFBI 拓?fù)浞治?/span>111-113
• 5.2.3 開關(guān)管串聯(lián)型五電平 DBFBI 拓?fù)浞治?/span>113-115
• 5.2.4 五電平 DBFBI 拓?fù)浔容^分析115-119
• 5.3 控制方法與實(shí)現(xiàn)119-122
• 5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析122-127
• 5.4.1 三電平和五電平 DBFBI 實(shí)驗(yàn)比較122-125
• 5.4.2 開關(guān)管和二極管串聯(lián)五電平 DBFBI 實(shí)驗(yàn)結(jié)果125-127
• 5.5 結(jié)論127-128
• 第六章 總結(jié)與展望128-130
• 6.1 全文工作總結(jié)128-129
• 6.2 進(jìn)一步工作的展望129-130
• 參考文獻(xiàn)130-140
• 致謝140-141
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文141-144

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一種高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器的實(shí)現(xiàn)方案    陳潼;趙榮祥;

基于無(wú)差拍控制的并網(wǎng)逆變器    劉偉;戴瑜興;文勁松;

基于TMS320LF2407A的軟件鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    安小丹;梁暉;

并網(wǎng)逆變器的自動(dòng)重啟程序設(shè)計(jì)    姜憲明;黃曉江;冬雷;楊耕;

基于雙閉環(huán)重復(fù)控制的并網(wǎng)逆變器的研究    吳華波;

微網(wǎng)中并網(wǎng)逆變器的一種改進(jìn)下垂控制策略研究    史玉立;

基于頻率偏移法的光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測(cè)    陳曦;李亞楠;陳阿蓮;杜春水;張承慧;

一種基于dsPIC30F4011的并網(wǎng)逆變器鎖相控制方法    何占寧;夏東偉;劉玉朋;馬秀秀;

基于間接電流控制的改進(jìn)型雙BUCK并網(wǎng)逆變器    侯世英;肖旭;彭文雄;張闖;

并網(wǎng)逆變器直流注入控制策略研究    郭小強(qiáng);鄔偉揚(yáng);關(guān)雅娟;

基于dsPIC的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究    葉剛;

自主研制的10kW太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)    于元;張志文;王文靜;劉波;

LCL并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)電流控制技術(shù)研究    徐志英;許愛(ài)國(guó);謝少軍;湯雨;

并網(wǎng)調(diào)節(jié)的不間斷光伏電源    鄭萬(wàn)雷;劉文良;

基于狀態(tài)空間平均法的光伏并網(wǎng)逆變器控制建模(英文)    楊海柱;金新民;

京儀綠能光伏并網(wǎng)逆變器通過(guò)國(guó)際權(quán)威認(rèn)證    黃倩

呂全亞：把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化    本報(bào)記者 孫人杰　實(shí)習(xí)生 鐘天翼 黃星

光伏發(fā)電若要并網(wǎng) 直流先要變成交流    姜小莉 左裔

上廣電與AE聯(lián)合搶灘中國(guó)太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變器市場(chǎng)    楊娜

16家入圍關(guān)鍵設(shè)備目錄企業(yè)受益    本報(bào)記者 邢佰英

云南無(wú)線電公司與Power-One公司簽署光伏并網(wǎng)逆變器項(xiàng)目合作協(xié)議    記者 陳文忠

曹仁賢：清潔高效能源的守護(hù)者    本報(bào)記者 朱艷燕

兆伏集團(tuán)昂首光伏產(chǎn)業(yè)第一方陣    記者 姚秀峰

光伏逆變器在揚(yáng)并網(wǎng)    記者 鄒平　季煜

世博會(huì)為我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)提供范本    辛樺

模塊化非隔離光伏并網(wǎng)逆變器及發(fā)電系統(tǒng)研究    張犁

基于并網(wǎng)逆變器電能質(zhì)量與變換效率的若干關(guān)鍵技術(shù)研究    楊波

光伏發(fā)電高效利用的關(guān)鍵技術(shù)研究    肖華鋒

基于Z拓?fù)涞墓夥⒕W(wǎng)逆變器研究    程如岐

并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù)研究    姚志壘

無(wú)變壓器結(jié)構(gòu)光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浼翱刂蒲芯?nbsp;   馬琳

基于Z源網(wǎng)絡(luò)的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的研究    劉鴻鵬

多重電樞混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究    楊勇

LCL型并網(wǎng)逆變器的解耦控制與優(yōu)化設(shè)計(jì)    薛明雨

大功率光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)研究    馬亮

單相光伏并網(wǎng)逆變器的研制    施韻

500W光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)    朱銘煉

低成本小功率光伏并網(wǎng)逆變器研究    豐瀚麟

1kVA單級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的研制    孫繼健

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器及其功率解耦研究    王翀

光伏并網(wǎng)逆變器的研究    曹建平

10kW光伏并網(wǎng)逆變器的研制    劉志強(qiáng)

基于模糊控制技術(shù)的三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究    彭倬

光伏并網(wǎng)逆變器效率優(yōu)化研究    李敏

三電平光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略研究    張健