太陽(yáng)能交流模塊逆變器及其控制技術(shù)的研究.pdf

1、隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源的大量消耗使全球面臨著能源危機(jī)，世界各國(guó)都在致力于新能源的開發(fā)和利用。太陽(yáng)能以其資源豐富、可以再生、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，成為最具開發(fā)潛力的新能源之一。而太陽(yáng)能電池和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電得到了長(zhǎng)足的發(fā)展并成為太陽(yáng)能利用的主流。在多種太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式中，太陽(yáng)能交流模塊將單個(gè)光伏組件和小功率逆變器組合起來(lái)并入單相低壓電網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)克服了光伏陣列由于部分陰影遮擋和光伏組件串并連

2、帶來(lái)的功率損耗，容易實(shí)現(xiàn)光伏組件和逆變器間的最佳配合。交流模塊被認(rèn)為是當(dāng)前和未來(lái)并網(wǎng)逆變器的重要發(fā)展方向，這種模塊面臨的挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)成本、效率和使用壽命的最優(yōu)化。基于此，本論文針對(duì)當(dāng)前太陽(yáng)能交流模塊的特點(diǎn)和問(wèn)題，對(duì)交流模塊逆變器及其控制技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。
　　并網(wǎng)逆變器是整個(gè)太陽(yáng)能交流模塊發(fā)電系統(tǒng)的核心，本文將電容閑置技術(shù)引入傳統(tǒng)的反激逆變器，提出改進(jìn)的交流模塊逆變器結(jié)構(gòu)。新型逆變器僅采用四個(gè)開關(guān)，其中兩個(gè)開關(guān)工作于高頻，

3、用于實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤和調(diào)整并網(wǎng)電流波形；另兩個(gè)開關(guān)工作于低頻，用于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的正負(fù)極性。簡(jiǎn)潔的電路結(jié)構(gòu)和工作方式降低了系統(tǒng)的成本。文中分析了所提逆變器的工作原理，給出了其PWM控制模式，并通過(guò)對(duì)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)六個(gè)工作狀態(tài)的分析闡述了其工作模式和能量交換過(guò)程。
　　由于中間解耦電容處于閑置運(yùn)行方式，文中將逆變器分解成相對(duì)獨(dú)立的前級(jí)直流電路和后級(jí)逆變電路，并進(jìn)一步將前后級(jí)電路簡(jiǎn)化等效成統(tǒng)一的電路形式，統(tǒng)一電路本質(zhì)上工作于Buck-

4、Boost方式。通過(guò)對(duì)逆變器工作過(guò)程的詳細(xì)分析表明，斷續(xù)導(dǎo)電模式、電容閑置技術(shù)和吸收電容的應(yīng)用，使高頻開關(guān)工作于零電流開通和零電壓關(guān)斷狀態(tài)，軟開關(guān)運(yùn)行有利于提高系統(tǒng)效率；電容閑置技術(shù)還使得單相逆變電路的功率脈動(dòng)轉(zhuǎn)移到中間解耦電容的電壓波動(dòng)上，取消了大容量電解電容的使用，這對(duì)于提高系統(tǒng)的使用壽命具有重要意義；而吸收電容還給反激變壓器的漏感能量回饋提供了通道，減小了關(guān)斷時(shí)開關(guān)上的電壓過(guò)沖，提高了電路的可靠性。
　　除了高頻開關(guān)的軟開關(guān)

5、運(yùn)行，要提高系統(tǒng)的整體效率，需要根據(jù)光伏電池模塊的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整其工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近。本文在綜合擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上，提出新的擾動(dòng)匹配法最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，通過(guò)調(diào)整主開關(guān)的占空比，使逆變器的輸入阻抗等于光伏電池模塊的等效輸出阻抗，從而定位最大功率點(diǎn)。該方法只需在占空比上加入一定的擾動(dòng)，通過(guò)比較光伏電池模塊電壓的波動(dòng)值和平均值，就可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。因此，所提方法無(wú)需檢測(cè)光伏電池的輸出電流，節(jié)省了測(cè)量和控

6、制系統(tǒng)成本，也不需要復(fù)雜的運(yùn)算，同時(shí)可以保證最大功率點(diǎn)的跟蹤準(zhǔn)確性。分析表明，通過(guò)擾動(dòng)開關(guān)占空比或開關(guān)頻率都能對(duì)逆變器的輸入阻抗進(jìn)行調(diào)整，為此文中提出兩種擾動(dòng)匹配跟蹤方法：占空比擾動(dòng)匹配法和等效開關(guān)頻率擾動(dòng)匹配法，并對(duì)所提方法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)和討論。
　　交流模塊逆變器一方面需要捕獲太陽(yáng)能電池的最大功率，另一方面還以并網(wǎng)電流的形式向電網(wǎng)和負(fù)載提供能量。針對(duì)中間解耦電容電壓含有穩(wěn)態(tài)的二倍頻波動(dòng)，本文在峰值電流控制方法的基礎(chǔ)上，利用反

7、激變壓器的能量等值原理，提出前饋SPWM校正控制保證并網(wǎng)電流的波形質(zhì)量；針對(duì)中間解耦電容電壓的平均值還會(huì)隨著電路傳輸功率的變化而改變，文中進(jìn)一步提出采用電容電壓平均值的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流幅值的控制。所提并網(wǎng)電流幅值和波形的聯(lián)合控制方案只需檢測(cè)中間解耦電容電壓就可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的控制，省去了反激變壓器原邊電流的測(cè)量，節(jié)省了控制系統(tǒng)成本。
　　交流模塊逆變器由于與電網(wǎng)連接，除了光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量控制，還需要進(jìn)行反孤島效應(yīng)檢測(cè)和保護(hù)。

8、本文在對(duì)有功干擾法和主動(dòng)頻移法的優(yōu)缺點(diǎn)分析基礎(chǔ)上，提出一種有功干擾法和正反饋頻移法相結(jié)合的孤島效應(yīng)綜合檢測(cè)方法。正常情況下只進(jìn)行主動(dòng)頻移法檢測(cè)，當(dāng)頻率偏差達(dá)到一定值時(shí)，啟動(dòng)有功干擾法，同時(shí)對(duì)輸出電壓的幅值和頻率進(jìn)行檢測(cè)判斷。二者的結(jié)合取長(zhǎng)補(bǔ)短，既避免了常態(tài)下并網(wǎng)電流質(zhì)量的惡化和周期性的功率損失，又加快了檢測(cè)時(shí)間、縮小了檢測(cè)盲區(qū)。
　　基于所提出的新型交流模塊逆變器拓?fù)?、最大功率點(diǎn)跟蹤方案、并網(wǎng)電流控制方法和孤島檢測(cè)技術(shù)，搭建了10