（电力电子与电力传动专业论文）基于新型z源逆变器的光伏发电技术的研究.pdf

s t u d yo fg r i d c o n n e c t e dp vt e c h n o l o g yb a s e d o nt h en e w z s o u r c ei n v e r t e r a b s t r a c t n o w a d a y s ，o na c c o u n to ft h ep r o b l e m so fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d e x h a u s t i o no fe n e r g yr e s o u r c e sb e c o m i n gw o r s ea n dw o r s e ，e x p l o r i n g a n d u s i n go fn e we n e r g yb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s o l a re n e r g yi s o n eo f t h em o s tc l e a n ，p r a c t i c a la n dl a r g es c a l er e g e n e r a t i o ne n e r g yr e s o u r c e s t h e w h o l ew o r l df o c u s e so nt h eu s eo fp h o t o v o l t a i c ( p v ) t h ep vg r i d c o n n e c t e d s y s t e mw i l lb et h em a i nu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g y ，s o i tw i l lb ed e v e l o p e d r a p i d l y t h ei n v e r t e ri s t h el a s to rt h eo n l yo n ep o w e rc o n v e r t e rs t a g eo f g r i d c o n n e c t e dp vs t a t i o n ，w h o s ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yw i l li n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m h et r a d i t i o n a lc o n v e r t e ri n c l u d e sv o l t a g e s o u r c ec o n v e r t e ra n dc u r r e n ts o u r c ec o n v e r t e r h o w e v e r ，b o t ho ft h e c o n v e r t e r sh a v eb a r r i e r sa n dl i m i t a t i o n s f o rm a k i n gt h ew h o l ep vg e n e r a t i n g s y s t e mm o r ef l e x i b l e ，r e l i a b l ea n di m p r o v e 。t h eq u a l i t yo fe l e c t r i c i t y ，an e w z s o u r c ei n v e r t e rt o p o l o g yi sa d o p t e di nt h es y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n ds u p e r i o r i t yo ft h en e wz 。s o u r c e i n v e r t e ra r ed e s c r i b e df i r s t l y ，a n di t sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dp w m c o n t r o l s t r a t e g ya r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e nt h ed e v i c e sv o l t a g ea n d c u r r e n ts t r e s si s a n a l y z e d a n a l y z i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fp vg r i d - c o n n e c t e ds y s t e mb a s e d o nt h en e wz s o u r c ei n v e r t e a n dt h ec o n t r o la d j u s t o r sh a v eb e e nd e s i g n e d t h r o u g ht h er o o tl o c u sm e t h o d i no r d e rt ov a l i d a t et h ea n a l y s i sc o n c l u d e f i n a l l yas e to fn e wz s o u r c e i n v e r t e rs y s t e m si sb u i l tu n d e rg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m ，t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e np e r f o r m e dt oc o n f i r mt h ea n a l y s i s t h e ya r e q u i t ec o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e y w o r d s ：t h el l e w z s o u r c ei n v e r t e r 、p vg r i d c o n n e c t e d 、p a r a m e t e r d e s i g n 、m p p t 插图清单 图1 1 世界能源发展趋势1 图1 2 中国光伏市场份额变化趋势图3 图卜3 单相光伏并网逆变器电路结构3 图l 一4 按功率变换级数分类的拓扑结构4 图1 5 非隔离型并网光伏逆变器结构5 图1 6 工频隔离型并网光伏逆变器结构5 图1 7 高频隔离并网光伏逆变器结构5 图1 8 传统型逆变器拓扑结构6 图1 9z 源型逆变器的常规拓扑结构7 图1 1 0 新型z 源逆变器拓扑结构图8 图2 1 新型z 源逆变器9 图2 2 新型z 源逆变器系统等效电路1 l 图2 3 传统对称规则采样的s p w m 控制1 3 图2 4 调制策略改造方法1 3 图2 5 调制信号表达式求图1 4 图2 6 直通状态下的电流求解图1 6 图2 7 恒开关频率调制下单相直通开关状态电流走向图1 7 图2 8 两种拓扑z 源电容电压比较2 0 图2 9 常规型z 源逆变器启动时冲击电流2 0 图2 1 0 两种拓扑的等效电路2 l 图3 1 系统组成结构框图2 2 图3 2 控制示意图2 3 图3 3a 相并网电流控制结构图2 4 图3 - 4 加入前馈的电流控制结构图2 4 图3 5 简化后的a 相电流内环框图2 5 图3 - 6 增益未调整前的电流环根轨迹与阶跃响应图2 7 图3 7 系统初始阻尼比为孝= 0 7 0 7 时对应的电流环根轨迹与阶跃响应图2 7 图3 8 电流内环调节器最终设计2 9 图3 - 9i ，、i o 与j ，结构关系示意图：3 0 图3 1 0 电压外环控制结构图3 0 图3 11 光伏阵列输出等效电路3 l 图3 1 2 光伏阵列输出电压闭环控制简化结构图3 2 图4 1 不同光照下的i v 和v p 曲线3 3 图4 2 不同温度下的i v 和v p 曲线3 3 图4 3 数字式光伏模拟器结构图3 4 图4 4 扰动观测法典型m p p t 过程示意3 7 图4 5 扰动观测法的流程图3 8 图4 6 典型光伏电池p u 特性的d p d v 变化特征3 8 图4 7 电导增量法流程图3 9 图4 8 孤岛问题研究电网拓扑结构4 0 图4 - 9 光伏并网发电系统的功率流图4 0 图4 10 反孤岛策略的分类4 2 图4 11 反孤岛测试电路4 3 图5 1 实验主电路p c b 制作图4 5 图5 2 系统结构图4 5 图5 3 电容电压开关周期内充放电过程4 7 图5 4 电感电流充放电脉动状态图4 8 图5 5 主电路实物图5 0 图5 - 6 逆变器交流侧稳态矢量关系5 1 图5 7 直流电压采样设计原理图5 4 图5 8 电网电压及过零时刻捕获检测原理图5 5 图5 - 9 交流电流采样电路原理图5 5 图5 1 0 控制采样电路实物图5 6 图5 1 l 主程序流程图和子程序相应功能一5 7 图5 1 2 系统软件流程图5 9 图5 13 实验平台6 0 图5 1 4 逆变器特性波形6 1 图5 15z 源电感电流与母线电压对应波形6 1 图5 1 6 三相并网电流稳态波形6 2 图5 1 7a 相电网电压和并网电流稳态波形；：6 2 图5 1 8 并网电流动态阶跃波形6 3 图5 1 9z 源电容电压与并网电流稳态、动态波形6 4 图5 2 0 不同光伏阵列电压的系统波形6 5 图6 1z 源型三电平拓扑6 7 图6 2 二极管协助的升降压变流器6 7 表格清单 表2 1 传统变流器开关模式9 表2 2 直通下开关模式1 0 表2 3 恒开关频率直通零矢量调制下单相直通时开关管电流应力图1 8 表3 1 系统仿真参数2 6 表4 1 不同m p p t 的比照。3 6 表4 2 反孤岛测试的不同测试状态4 3 表4 3i e e es t d 1 5 4 7 1 3 允许的孤岛效应检测时间4 4 独创性声明 本人声明所牛交的! 学位论文是本人在导师指导f 进行的研究i ：作及取得的研究成果。据 我所矢u ，除了文中持别加以际注和致澍的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰，弓过的 研究成果，也不包含为获得金g 墨：l 些i ：兰 或其他教育机构的学伊或证f5 而使川过的 材料。与我一同i ：作的同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明行表示谢 意。 张糍：霸劫弼一剁。年蹈吒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹上些厶堂有关保留、使删学能论文的规定，有权保留并 向国家有关部fj 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文破夯阅和借阅。本人授权丝 l ? 业人，7 ：可以将。：! ：何论文的全部或部分内窬编入有关数据庠进行检索，可以采删影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权ls ) 讹糍：衍弼 签字日期：纠口年y 月喑 ：学位论文作者毕业后左向： f 。忭单何： 通讯地址： 2 导师签名：么 签字同期：加f o 年4 月万日 电焉： 邮编： 致谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的导师张兴教授。在攻读硕士学位 近三年的时间里，张老师无论是在学习上，还是在生活上都给予了我悉心 的指导和亲切的关怀。张老师渊博的知识、深厚的学术造诣、严谨求实的 治学态度和勇于开拓的科学精神，都给我留下了深刻的印象，令我受益匪 浅，敬佩不己。 在课题选题和研究阶段，有幸得到南京航天航空大学汤雨老师的支持 和帮助，在此谨向他致以诚挚的谢意。 另外，还要感谢我们实验室的老师和同窗好友：杨淑英、谢震、王付 胜、刘芳、陈欢、江涛、黎芹、廖军、蒲道杰、童诚、谭理华、曾凡超、 朱波、赵芬、李少林等。在日常生活学习中，他们同样也给予了我热情的 帮助，令我终身难忘。在此，祝愿他们在今后的学习、工作和生活中一帆 风顺，万事如意。 最后，谨以此文向对我学业倾力支持的父母以及所有关心、帮助和支 持过我的人们表示最诚挚和深切的谢意。 作者：戚振彪 2 0 1 0 年3 月 第一章绪论 1l 课题研究的背景和意义 2 0 0 9 年哥本哈根会议的召开，“低碳”经济生活的提出，新能源开发与 利用问题一再成为人类关注的热点。太阳能作为一种无污染的可再生能 源，备受关注。太蹦能每天有相当于数亿万桶石油燃烧的能量到达地面， 不论是从现在倡导的可持续发展之路来审视，还是从解决现实能源供应问 题出发，开发和利用太阳能资源都具有重大的战略意义。全球能源力面的 专家们认都一致定，太珂1 能将成为2 1 世纪最重要的能源之一。 目前太阳能资源的利用方式多种多样，其中太阳能并网发电口”是最主 要发展方向之一，是光伏技术步入太规模发电阶段、成为电力工业组成部 分之一的重大技术步骤_ ”。近些年，很多的统计机构都对此做了统计，资 料表明，世界光伏井网发电市场近几年来得到了快速的发展，从光伏装机 容量看1 9 9 6 年只有7 m w p 的装机容量，仅仅过了四年即2 0 0 0 年，装机容量 突增到1 4 0 m w p ；其中的光伏发电中并网比例也从1 0 上升到2 0 0 0 年的 5 0 。欧洲j r c 在2 0 0 7 年做了关于光伏发电产业的预测，记录如下到2 0 3 0 年太阳能发电将在世界电力的供应中达到l o 以上，到2 0 5 0 年光伏发电将 占电力供应总能耗的2 0 ，到2 2 世纪末光伏发电产业将在能源结构中起到 主导作用。下圈1 一l 是欧洲j r c 关于能源结构的预测。 圈1 1 世界能源发展趋势 111 世界各国光伏并网产业的发展 近几年睫着能源的紧缺，各个国家对光伏产业也投入了大量的财力 和物力，得使世界内的光伏发电快速发展1 6 - s ，2 0 0 7 一年时间全球太阳能 新的装机容量就达到2 8 2 6 m w p ，其中德国大约占到4 7 ，西班牙大约占 到2 3 ，日本大约占到g ，美国大约占到8 。下面将简单介绍各个国家 光伏产业的发展概况和相关扶持政策。 ：l i | | 瓣 hi 德国作为起先倡导太阳能利用的国家，光伏并网发电产业一直走在了 世界的前列。2 0 0 7 年一年的并网安装量就突破了1 0 0 0 兆瓦( 1 1o o m w ) ，年底 的并网累积安装量达到了3 8 0 0 兆瓦。德国的光伏产业得到如此快速的发展 与联邦内阁对可再生能源的认同是息息相关的。他们在去年十一月又通过 了一系列的可再生能源法方案。 西班牙2 0 0 9 年5 月西班牙政府出台正式法规可再生能源法，这 一法规的颁布，大丈促进了西班牙可再生能源的发展，特别是光伏产业。 紧接着，西班牙政府又宣布又一重大举措，近期五年内投a 5 亿欧元支持 可再生能源。这一系列法规和资金的投入，使得西班牙成为继德国之后的 又一个推动太阳能光伏产业发展的重要市场。 美国一一虽然各个州对于可再生能源的政策不尽相同，但都在光伏上 下了很大的文章。其中以加利福利亚州等州为代表，出台了各类对包括太 阳能在内的可再生能源的扶持政策。其2 0 0 7 年的安装量从2 0 0 6 年的1 4 l 兆 瓦上升到了2 5 9 兆瓦，年增长率近乎9 3 。 世界范围内还有很多其他的发达和发展中国家在倡导和大力发展光伏 产业，尤其是光伏并网系统的开发，例如日本、瑞士、法国、奥地利、加 拿大等。可见整个光伏井网市场在蓬勃发展中。 112 中国光伏并网产业的发展 我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年1 7 0 0 0 亿吨标准煤之多。 太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。 但相对于蓬勃发展的世界光伏产业，巾国光伏产业1 9 1 还处于起步阶 段，目前所建并网型光伏系统都为示范工程。不过，中国的光伏市场在近 些年发展很迅速，其中的光伏并网系统将逐年提高，下圈为中国光产业发 展预测图，分别为2 0 0 3 年、2 0 1 0 年、2 0 2 0 年、2 0 5 0 年的光伏份额预测图。 从图中可见预计到2 0 5 0 年中国的光伏并网将占到光状系统的8 0 左右。 心i - 2 中国光伏市场份额变化趋势圈 无论是风能、太阳能并网发电系统起着能源转换与能量传递的中间 结构一一逆变器是十分重要的。目前市场上应用到光伏并阿上的变流器以 电压源型逆变器为主，然而这类变流器理论上存在一定的局限性 1 l a 2 】，近 年来提出的z 源型逆变器具有一些优越的特性，它为电力电子中的功率变 换理念提供了一种新思路，理论上克服了传统型逆变器的缺点，能有效的 应用到很多应用场台。因此，进行基于这类z 源型逆变器的光伏并网发电系 统的相关技术的研究，对提高我国光伏并网产业的发展，特别足光伏逆变 器领域的技术水平的提高，进而大力发展光伏新能源，来解决目前世界范 围内的能源短缺问题具有重大的现实意义。 12 光伏并网逆变器的特点和要求 在光伏发电并网型系统中，井网逆变器是系统的核心。因此掌握光伏 并网逆变器技术对应用和推广光伏并网系统有着至关重要的作用。在光伏 并网系统中逆交器应该具备以下特点和要求： ( 1 ) 光伏电池的特性会随外部环境如温度、日照强度等的变化而变化， 因此光伏井网逆变器应该具备要最大限度地获取光伏电池的最大功率的 即具备最大功率跟踪控制技术。 ( 2 ) 当电网供电囚故障事故或停电维修而跳脱时各个用户端的光伏 并网发电系统应能及时检测出停电状态而将自身切离市电网络，以避免对 维修人员造成安全隐患，叩应具备反孤岛保护的能力。 ( 3 ) 对于光伏电池板来说自然环境的不同导致其直流输入电压的波 动范围比较大，因此需要光伏井网逆变器具有宽范围工作的能力。 ( 4 ) 对于应用到工程上的产品来说，希望光伏逆变器具有较低的成本， 较高的转换效率等。 l3 光伏并网逆变器分类及系统结构 目前，应用到光伏上的并网逆变器根据结构和系统连接的不同有不同 的分类标准。 根据并网系统与电网输出连接方式不同，光伏并网逆变器分为单相和 三相。如下图所示 凹l - 3 单相光伏井网逆变器电路结构 3 单相的光伏并网逆变器一般情况下都选用在户用的小型光伏系统上， 相对简单方便，操作容易；而三相光伏并网逆变器一般连接于三相电力系 统，主要应用到大型的光伏电站上。 根据光伏并网系统中有无隔离变压器，可分为隔离型光伏并网系统和 非隔离型光伏并网系统。其中又根据隔离变压器的工作频率可以作进一步 划分为：工频隔离型光伏并网系统和高频隔离型光伏并网系统。 按照并网系统中功率变换的变换级数，可以把光伏并网逆变器分为单 级式能量变换结构和多级式变换能量变换结构。 下面将简单概述上面几种情况的拓扑结构及适用范围。 1 3 1 按功率变换级数分类【1 3 】的拓扑结构 图1 - 4 ( a ) 所示为单级式光伏并网逆变器的结构框图。这种结构为一 级能量变换，不但可以完成直流电压的提升还可以完成交直流的变换。它 的优点为元器件较少，重量轻，损耗小效率高等。 ( a )单级式 嘞多级武 图1 4 按功率变换级数分类的拓扑结构 图1 - 4 ( b ) 示出了不同形式的多级式变流器拓扑结构有：d c d c a c 、 d c a c d c a c 和d c a c a c 。其中d c d c a c 两级式为目前光伏并网系 统中较为常用的一种拓扑结构。在光伏并网系统中，这种结构可以使得每 一级充分发挥作用，完成系统中不同的控制。如前级d c d c 可用于光伏 阵列输入电压的升降，级d c a c 可用于并网和最大功率点跟踪。 1 3 2 按变压器分类的拓扑结构 1 3 2 1 非隔离型并网逆变器结构1 1 4 j 非隔离型并网逆变器是光伏阵列通过逆变器直接耦合并网，如下图 1 - 5 所示。从结构上看，这种并网光伏逆变器省去了笨重的工频变压器， 所以具有体积小、重量轻，效率高，成本较低等优点【6 】。 4 ， ， d c a c 扫 7 d c d c d ca c ， ， ， ， c a ) 单级非隔离型并网光伏逆变器 ( b ) 多级非隔离型并网光伏逆变器结构 图1 5 非隔离型并网光伏逆变器结构 1 3 2 2 隔离型并网光伏逆变器结构 在隔离型并网光伏逆变器中，又可以根据隔离变压器的工作频率，将 其分为工频隔离型和高频隔离型两类。 工频隔离型是并网光伏逆变器最常用的结构，也是目前市场上使用最 多的光伏逆变器类型，其结构如图1 - ( 5 所示：光伏阵列发出的直流电能通 过逆变器转化为5 0 h z 的交流电能，再经过变压器输入电网，同时完成电压 匹配以及隔离功能。 d c k c ， ， 工频变压器 电网 图1 6 工频隔离型并网光伏逆变器结构 高频隔离型并网光伏逆变器与工频隔离型并网光伏逆变器的不同在 于使用了高频变压器，从而具有较小的体积和质量，克服了工频隔离型并 网光伏逆变器的最大缺点。按电路拓扑结构来分类，高频隔离型并网光伏 逆变器主要有两种类型：d c - d c 变换型和周波变换型，其具体结构为图卜7 所示。 ， ， d e a c 难 d c ? c 高频变压器电网 a ) d c d c 变换型 d c a c 高频变压器 电网 b ) 周波变换型 图1 7 高频隔离并网光伏逆变器结构 1 3 传统光伏并网逆变器的局限 目前，市场上和研发机构广泛研究的光伏并网逆变器的产品类型为电 压源型逆变器居多，然而不管是电压源型逆变器还是电流源型逆变器都存 在理论上的局限性，如下： r y y n 刍r 上 蚂 门c 厂丫r n 丰k 0 刁 坞 l 。_ j ( a ) 传统电压源型逆变器( b ) 传统电流源型逆变器 图1 8 传统型逆变器拓扑结构 电压源型逆变器( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r v s i ) 拓扑的一个显著特 征是直流侧采用了大电容进行储能，其拓扑结构如图1 8 ( a ) 所示。它可看 作是由b u c k 变换电路拓展而来，这将使得逆变器输出电压总是低于直流输 入电压。尤其是光伏输出侧电压工作范围比较大的场合，通常要在v s i 输 入前端增加d c d c 变换器，从而使得系统存在两级变换，降低了效率，且 增加了控制的复杂程度。 同v s i 一样，电流源型逆变器( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r c s i ) 拓扑( 图 1 8 ( b ) ) 可看作是由b o o s t 变换电路拓展而来，这将使得逆变器输出电压 总是高于直流输入电压。因此，在一些需要低电压输出的场合，也需要额 外增加一个降压变换器，同样会带来系统效率下降，控制复杂化以及成本 增加等问题。 此外，在这两种传统型逆变器中，都可能会出现因电磁干扰而导致的 桥臂直通( 或开路) 现象，致使开关管因瞬时过流( 或过压) 而损坏，因此 系统的可靠性降低，为避免这一现象的发生，要在同一桥臂开关管互换导 通时加入死区时间，顾此失彼，这种死区的加入导致输出电压电流波形发 生畸变。 1 4 本文的主要研究内容 研究一种性能高、结构简单、效率优越的逆变器，作为新能源与传统 电网的接口0 5 - 1 7 】，构成并网发电系统，在不可再生能源日益匮乏的今天意 义重大。 文献【1 7 】首次提出了一种新拓扑结构一一z 源逆变器，通过引进一 个x 型交叉阻抗源网络，将逆变桥与电源耦合。( 这种x 型网络称之为z 源网 络，有两个相同的电感厶、厶和两个相同的电容c 。、c 2 组成。图1 - 9 所示为z 源型逆变器的常规拓扑结构。我们把这类具有z 源网络和类似z 源网络的拓 扑统称为z 源型变流器。) 6 kd c - - 枉z s o u r e “h b r i d g e i s o u r c eln e t w o r k i i n v e r t e r j 图1 9z 源型逆变器的常规拓扑结构 然而仅仅是这种z 源网络的引入，却有效的克服了上述传统型逆变器 的不足，同时得到传统型逆变器无法得到的新特性。具体归纳为： ( 1 ) 升压特性。拓扑结构的独特使得逆变桥可以有直通状态，通过控 制直通量的大小很容易实现与两级式光伏并网逆变器相类似的升压功能， 从而大大放宽了光伏阵列电压输入的范围，非常适合因自然环境变化等因 素导致的太阳能阵列电池板的电压大范围波动的应用场合，省去了常规的 两级式光伏并网逆变器中的d c d c 环节，并且能够达到与常规两级并网逆 变器系统相类似的性能。 ( 2 ) 由于新型z 源逆变器允许开关管直通导通而无死区时间，所以克 服了传统电压源型光伏并网发电系统由于死区时间所导致的电流畸变率 ( t h d ) 高的问题，理论上提高了回馈电能的质量。 ( 3 ) 从本质上讲，新型z 源逆变器的光伏并网发电系统为单级系统， 具有结构简单，高效率等优点。 上述可见，因为z 源网络很独特具有很大的灵活性，因此这几年得到了 很大的发展，特别是针对光伏的应用中，基于z 源网络衍生出了许多新型 变流器，使得这类变流器的理论体系更加完善，性能也更优异，应用更加 广泛。为了充分认识这类逆变器的性能在光伏发电系统应用上的潜力，本 文研究了一种新型z 源逆变器【1 8 , 1 9 】，如图l - 1 0 所示，这种结构是对常规 型z 源逆变器( 图卜9 ) 的一种改进，通过改进，相对于常规型z 源逆变 器的z 源储能网络的电容耐压值由几百伏降至几十伏，有效的减小了z 源 储能网络电容的体积和重量，而且理论上抑制了常规z 源型逆变器启动时 的内在电流冲击，在光伏并网发电应用上上更具有优势，本文将基于此新 型逆变器进行光伏并网发电技术的研究。 7 d 一 l ：+ 图1 1 0 新型z 源逆变器拓扑结构图 本文对基于新型三相z 源逆变器的光伏并网发电系统的核心问题进行 了较为深入的理论分析和研究。工作的重点可以总结如下： 第二章主要对新型z 源逆变器的拓扑及升降压工作原理给予了细致 的分析；详细分析了加入直通量的z 源变流器调制策略和逆变器所受电压 电流应力分析 第三章重点分析了新型z 源逆变器应用到光伏发电系统中的控制系 统设计。处于对光伏发电的有效并网的控制目标将整个控制系统分为三个 闭环控制结构。在对每一个闭环控制原理分析设计的基础上，采用 m a t l a b 仿真工具并结合经典控制理论知识对调节器参数进行详细的设 计；以系统的增益裕量和相位裕量进行稳定性验证，最终，得出满足系统 设计要求的调节器。 第四章主要对光伏并网中的关键技术进行分析和概述。 第五章实验的验证。主要包括基于这种新型z 源逆变器的光伏并网 发电系统的主电路参数设计和控制采样电路设计；之后给出了基于d s p 的 系统软件设计。最后，为了验证上述建模、控制策略的正确性，搭建了容 量为3 k w 的光伏并网发电系统实验平台，实验结果和仿真结果吻合，从而 验证了上述理论分析的正确性。 第二章新型z 源逆变器 2 1 新型z 源逆变器 2 1 1 新型z 源逆变器拓扑【1 8 , 1 9 如图2 - 1 所示，新型z 源逆变器拓扑结构由直流输入源( 蝴。) 、三相变 流桥( s 。s 。) 、z 源储能网络( l l = l 2 , c 1 = c 2 ) 、二极管d 四部分组成。 图2 i 新型z 源逆变器 2 1 2 新型z 源逆变器工作原理 d 由绪论知，相对于传统的变流器，新型z 源型逆变器不但可以工作在 正常的逆变器工作模式下还可以工作在直通状态下，因此，它包括了下面 几种工作模式： 其中令开关函数s 为： s = 0 燃回 亿， ( 1 ) 传统变流器的8 种工作模式，每个桥臂有两种正常的状态，所 以有2 3 = 8 种 表2 1 传统变流器开关模式 开关状态s ls 4s 3s 6s 5s 2 有效矢量 10 0 100l01 有效矢量 o10 ) 01l0o 1 有效矢量 001 ) 010lt0 有效矢量 110 lo10o1 有效矢量 101 ) 1001l0 9 有效矢量 o11 01 l0lo 传统零矢量 l11 1 0 101o 传统零矢量 000 01010l 状态1 ：开关管导通，状态0 ：开关管关断 状态x ：0 或1 ，x 与x 互补 ( 2 ) 直通模式，对于三相桥来说，可以有七种直通开关状态。如单 相直通( s l g l s 。、s ，和& 、s s 和s z ) 三种；双相直通三种；还有一种三相同 时直通；如下表所示 表2 - 2 直通下开关模式 开关状态s l s 4 s 3s 6s 5s 2 一“， v 二， 二 “k1 ，弓， 。一 宣通零矢量llxx x x 一 乏 ：直通零矢鼙xx 王lx又i ： 一- 一 ； 。直通零矢量xx x xl1 l 。三 直通零矢量l1llxx j j ，二 ，? 一 i ，直遂零矢量王lx xl ! # 。 ： h ：直通零矢量x xlll 1 g j 直通零矢量il1 一 l1】奄 ，d_jj，i 一：n ：? 落 状态1 ：开关管导通，状态0 ：开关管关断 状态x ：0 或1 ，x 与x 互补 在传统的电压型逆变器中，这七种直通模式是被禁止的，因为在这种 情况下，输入端直流稳压电容会因瞬间的直通而导致电流突增进而损坏开 关器件。但z 源储能网络的引入使的直通模式在逆变器中成为可能。因此， 表2 1 和表2 2 均为此类逆变器的开关状态共有1 5 种。直通模式下，z 源 储能网络本身通过电感电容的能量相互交换，避免了电流或电压的瞬间变 化，不但有效的保护的开关管器件，而且为逆变器提供了升降压特性。为 了进一步认识新型z 源逆变器的升降压特性，下面将进行电量关系分析。 为了分析的简便，首先假设z 源储能网络为对称网络【1 8 】，即： l l = l 2 ，c l = c 2( 2 2 ) 根据对称与等效原理有： i o 雠葛： 眨3 ， 由于此拓扑结构具有直通模式的开关状态，因此就一个开关周期t 中 新型z 源逆变器是否工作在直通开关状态可将图2 1 所示的电路分两种情 况来讨论，如图2 - 2 所示： ( a ) 非直通状态系统等效电路( b ) 直通状态系统等效电路 图2 - 2 新型z 源逆变器系统等效电路 1 当逆变器工作在非直通状态，即开关状态为表2 1 中8 种状态之一 时，此时二极管d 正向导通，网络储能电感通过负载放电，此时变流桥可 等效为一受控源f f o 此状态下的等效电路由图2 - 2 ( a ) ，记运行时间记为正， 则根据基尔霍夫定律得： j - 2 ：2 2 一吼- 2 一m l 2 2 一u l ( 2 4 ) i u i = + 2 2 当逆变器工作在直通状态，即开关状态为表2 2 中七种直通零矢量 状态之一时，此时二极管d 承受反压截止，网络电感通过网络电容进行充 电，变流桥被短路。此状态下的等效电路由图2 2 2 ( b ) ，记运行时间记为瓦， 且t o = 互- t , ，则根据基尔霍夫定律得： 卜剐d c + u c( 2 5 ) h 。= 0 ： 稳态条件下，根据直流电感的伏秒平衡原则， 在一个开关周期疋内平均电压为零，即： ( z + u c ) r o + ( 一五) = 0 化简式( 2 6 ) ，得z 源储能网络中的电容电压为： zz 肾藏；高 可知z 源电感l l ( l 2 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中：d o = 瓦t ，称为直通占空比。 由图2 - 2 ( a ) 在非直通状态下，根据基尔霍夫定律，逆变桥直流侧母 线电压u i n 可写成： 2 2 “c + 2 面1 2 b “a 。( 2 8 ) 式中：b = l ( 1 2 d o ) 称为为升压因子】。 由于逆变器的输出相电压峰值与逆变桥直流侧母线电压存在一定的 转换关系，联系式( 2 8 ) ，迸一步分析会得到输出相电压基波峰值v m 与输 入电压u 。之间存在如下的关系： v 卅= 聊监= 肌b = 堑( 2 9 ) 22 1 式中：b = - _ 1 ，m 为逆变器的调制度，当采用s p w m 调制策略时，m l ： l 一2 d o ， 采用s v p w m 调制策略时，m ；。 4 3 通过上述方程的推导，可以得到一个重要的结论：当新型z 源逆变器 应用于并网发电时，由于交流侧电压被电网所钳制，因此是不变的。这时， 只要选择合适的m 和b ，既可实现任意直流侧输入电压的并网，且不需要额 外的中间级变换电路，是一种主动形态的升降压变换电路。 2 。2 调制策略 前面分析，新型拓扑是利用逆变桥臂的直通状态来实现升压的，如何 在需要升压的场合，有效的引入直通零矢量，且不牺牲直流电压利用率， 获得相应的输出特性，将是本小节的研究重点。 从图2 2 中得知，非直通状态下的零矢量时，变流器等效为零值电流 源；直通状态下，变流器被短路。从直流侧看，都起到了短路负载的作用。 如果能在传统零矢量的作用时间内穿插直通零矢量，则有效矢量的作用时 间将不受任何影响，不但可以完成升压功能，而且不会影响到调制度m 。 因此可在传统p w m 调制策略的基础上进行相应地改造得到z 源型逆变器 的调制策略。 近几年，很多学者和研究结构对于z 源型逆变器的调制策略进行了大 量的研究，基本出发点都是从传统零矢量和直通零矢量对输出负载具有相 同的作用效果，对传统p w m 进行相应的改造。不同的改造方法具有不同 的优点，有的是对另一种方法的改进，有的是另辟心境，各具千秋。目前 在实验室实验中主要用到的有恒定直通零矢量控制【l5 1 、最大化直通零矢量 控制1 z l , 2 2 、恒开关频率直通零矢量控制2 3 ，2 4 1 、直通零矢量常占空比最大化 控常1 j 1 2 5 , 2 6 】等。其中恒定直通零矢量控制是较早应用到z 源型逆变器的控制 策略，其实现步骤相对比较简单，但是在其作用下的开关管电压应力较大， 升压的作用比较小且开关管的动作频率倍增。z 源型逆变器最大的优势是 独特的升压特性，针对此使得部分学者热衷于它的最大化的升压方法的探 讨，提出了一种最大化的直通零矢量的调制策略，它的核心思想是充分利 用传统零矢量，升压范围得到了很大的提高，然而有得有失，使得系统中 1 2 存在高次谐波。在充分认识学习这些方法的同时，综合考虐实验室条件和 宴现的可行性方面，本论文使用了一种恒开关频率直通零矢量控制调制策 略，这种方法在不增加开关频率的情况下，使得系统硬件电路的设计条件得到 了有效的降低，同时也方便在实验室使用的d s p 在不增加外围逻辑电路的情况 下实现。下面将详细分析它的改造过程及实现方式。 如下图2 - 3 所示为传统的对称规则采样的s p w m 控制【”i ，每个开关 周期t s 由两个相邻的有效矢量和两个传统零矢量( 图中阴影) 组成。 曰2 - 3 传统对称规则采样的s p w m 控制 上面理论分析已经得出传统零矢量状态和直通零矢量起了短路负载 的作用。改造出发点就是将传统零矢量的作用时间划分出固定的一部分由 直通零矢量作用时间来代替从而保证有效矢量作用时间保持不变。这种 改造方法可以有不同的方式，例如图2 - 4 所示 固s h o o t t hr o u g h “】 ”虿要罱三鎏蝥卫二二卫要至三孚 ( b ) 图2 - 4 调制策略改造方法 图2 - 4 ( a ) 中直通零矢量被平均地分在所有的传统零矢量中，并且他 们的位置都是固定的即都是出现传统零矢量的正中间。 图2 - 4 ( b ) 一个载波周期中的直通零矢量被平均地分成六等份，分别 添加在每个开关状态转换时刻的瞬间。这两种改造方法从圉中可以看出， 前一种的开关管动作频率倍增了，增加了开关管损耗，不利于效率的提高， 且过高的开关频率会对交流侧滤波电感和电容盼设计带来不便；后一种改 造方法它把直通零矢量添加在每个开关状态转换时刻的瞬间，可以看出没 有额外增加开关管动作频率，而且易于实现，这种改造方法也是奉实验采 用的调制策略，称为恒开关频率直通零矢量控制。由于直通时刻仅仅发生 在相邻两个开关状态转换之间是依靠上桥臂延迟关断和下桥臂提前导通 来实现一个桥臂的直通，其它桥臂开关管的开关状态则保持不变。因此， 每次的直通状悉都是由一个桥臂来承担，且不改变原先的丌关频率【2 ”，使 得z 源储能网络电感和电容的设计条件得到了有效的降低，同时也方便了d s p 在不增加外围逻辑电路的情况下实现p w m 生成。下面给出了d s p 环境下的具 体实现方案。 目s h o o h m 图2 - 5 调制信号表达式求图 如图2 - 5 所示，为了产生直通信号，同一桥臂上下开关管的调制信号 之间需插入一个直流偏移量a b ，如上图所示的调制波“；与吒之间、“品与 “：之间、“：与“二之间的差值； 在图2 - 5 中，构建相似三角形，由其得竺：里进行如下定义夸：c b ：玉、 c b f e6 d e = i 、f e 为载波中心平分线其值等于开关周期的四分之一郎4 。 故可以得到： a b = 等= ；吐( 21 0 ) 1 s j 此式即表明改造后的同一桥臂上下开关管调制信号之间的差值应为 2 哦，3 。因此改造过后的用于新型z 源逆变器的p w m 调制信号可进行如 下表示，为： “帅帅 “ “：。：”：。+ 三a 。o“m 2 ”m “+ ： “：n i - - u u m i 。+ - i ；a 。o “ i d “：l i d n ：“：i d 一当屯“m2 “m 一= d o “孟= 吒。一u 三。o “m i n p2 n 一 ( 2 1 1 ) 式中：y ：i 戥- 、甜二、瓦i 却、心血、墙印、砣i 衄分别为三相调制波中最大、 中间以及最小调制信号所对应桥臂的上、下开关管的调制信号。在图2 - 5 中对应为“1 1 1 0 , x2 “a 、 材m i d2 “b 、“m i n2 “c 。 2 。3 开关应力分析 2 3 1 开关电压应力分析 与传统的电压源逆变器一样，新型z 源逆变器的开关电压应力也是由 逆变桥前的输入端直流侧母线电压决定的。 然而分析可得在直通状态下新型z 源逆变桥的直流侧母线电压是为 零，因此这里所分析的开关电压应力主要指非直通状态下的直流侧母线电 压。此时开关电压应力可表示如下： 1 u i n = 2 z 七+ “d c = 奇“d c = b 甜如 ( 2 1 2 ) l z 口o 由上式和( 2 9 ) 可知，在逆变器的调制因子m 一定的情况下，逆变器 桥臂上的开关所承受的电压应力与输出电压成正比。反之，输出电压一定 的的情况下，m 越大，b 越小，则开光管所受的电压应力越小。所以在实 验中，基本思想是尽可能在m 最大的条件下获得需要的输出电压，这样即 减小了开关管所受的电压应力，也充分提高了电压利用率。 2 3 2 开关电流应力分析 本节所分析的开关电流应