（电力电子与电力传动专业论文）串联型z源逆变器应用于光伏发电的关键技术研究.pdf

i i il li ll li ii i ii i i ii ii ly 18116 6 0 n a n ji n gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o n r e s e a r c ho ng r i d - c o n n e c t e dp v s y s t e m f 、 厅一 一 b a s e d0 ns e r i e s 乙一s o u r c ei n v e r t e r a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y w e ij u k u i a d v i s e db y p r o f e s s o rx i es h a o ju n s u b m i t t e di np a v i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 j l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天人学硕十学位论文 摘要 串联型z 源逆变器是一种新颖的功率变换拓扑，直通状态的引入，使得这种单级式结构能 够实现通常需要d c d c + d c a c 的两级式结构才能够完成的升降压变换功能，冈此在光伏发电 等输入电压会在人范同内变化的场合，串联型z 源逆变器有着广阔的廊j h j 前景。 本文首先介绍了串联型z 源逆变器的i ：作原理，然后研究了一种适用丁该逆变器的 s v p w m 凋制策略，提高了z 源网络的等效开关频率，并且分析了在这种s v p w m 调制策略f 电路参数的设计依据。 对直流链电压控制方法进行了5 r 1 纳和总结，在吸收了各自优点的基础上，提出了一种直流 链峰值电压间接控制方法。该控制方法原理简单，实现方便，能够在变化的输入电压下保持直 流链峰值电压为恒定值，一方面稳定了逆变部分的静态i ：作点，另一方面也降低了逆变部分调 节器的设计难度。 将串联型z 源逆变器应用于光伏并网，根据其网侧数学模型，研究了并网电流在同步旋转 由坐标系下的解耦控制策略，使得并网电流的有功和无功分量可以独立控制。设计了系统的控 制方法，使得串联型z 源光伏并网逆变器实现了通常需要两级式结构才能够实现的升压、并网 和最人功率点跟踪的功能。 研究了串联型z 源逆变器带l c 滤波器时的数学模型，并通过仿真验证了模型的正确性。 针对直通占空比到z 源电容电压这一对控制至关重要的传递函数进行了深入的分析和研究，进 行降阶处理后，设计了采用零极点补偿的调节器，显著增加了系统的带宽，增强了系统的稳定 性。 设计了额定容量为3 k v a 的原理样机，对直流链峰值电压间接控制方法进行了仿真和实验 验证，并在低电压下验证了串联型z 源光伏并网逆变器的可行性以及所采用控制策略的有效性。 实验结果均表明了理论分析的正确性。 关键词：z 源逆变器，串联型，直通，s v p w m ，光伏并网，m p p t 串联型z 源逆变器心用于光伏发i 【l 的关键技术研究 a b s t r a c t 1 1 1 es e r i e sz s o u r c ei n v e r t e ri san o v e lp o w e rc o n v e r s i o nt o p o l o g y b yi n s e r t i n gs h o o t t h r o u g h s t a t e ，i tc o u l df u l f i l lt h eb u c k b o o s tf u n c t i o nw h i c hg e n e r a l l yc o u l do n l yb ed o n eb yt w o s t a g e t o p o l o g ys u c ha sd c d c + d c a c t h u st h es e r i e sz - s o u r c ei n v e r t e rh a sag r e a tf u r t u r ei nt h ef i e l d j w i t haw i d ei n p u tv o l t a g er a n g e ，s u c ha sp v g r i d - c o n n e c t e ds y s t e m 1 1 1 i sp a p e ra n a l y s e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h es e r i e sz s o u r c ei n v e r t e rf i r s t a n dt h e ns t u d i e s o na ni m p r o v e ds v p w m ，w h i c hc o u l di n c r e a s et h ee q u a ls w i t c h i n gf r e q u e n c yo ft h ez s o u r c e n e t w o r k 1 1 1 ed e s i g n e dp r i n c i p l eo fh a r d w a r eb a s e do nt h i ss v p w mi sa l s oa n a l y z e d t h ed c l i n kv o l t a g ec o n t r o lm e t h o d sa r es u m m a r i z e d ，a n da f t e ri n t r o d u c i n gt h e i rv i r t u e s ，t h i s p a p e rp r o p o s e sa ni n d i r e c tc o n t r o lm e t h o df o rt h ed c l i n kp e a kv o l t a g e t h ep r i n c i p l eo ft h em e t h o d i ss i m p l e ，a n dc o u l db er e a l i z e dc o n v e n i e n t l y i tc o u l dh o l dt h ed c - l i n kp e a i ( v o l t a g ea sac o n s t a n t w h i l et h ei n p u tv o l m g ei sv a r y i n g ，w h i c hn o to n l ym a k et h ei n v e r t e rp a r tw o r ki nas t e a d ys t a t e ，b u t a l s or e d u c et h ed e s i g n i n gd i f f i c u l t yo fa d j u s t m e n to ft h ei n v e r t e rp a r t t h i sp a p e ra l s op r o p o s e sas e r i e sz - s o u r c eg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m t h e ns t u d i e so nt h e d e c o u l p i n gc o n t r o ls t r a t e g yo fg r i dc u r r e n ti n 由r e f e r e n c eb a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，w h i c h m a k e st h ea c t i v ea n dr e a c t i v ec u r r e n tc a nb ec o n t r o l l e dr e s p e c t i v e l y t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h e s y s t e mi sd e s i g n e d , w h i c hc o u l df u l f i l lt h ef u n c t i o n so fb o o s tv o l t a g e ，g r i d - c o n n e c t e da n dm p p t s y n c h r o n o u s l y t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es e r i e sz s o u r c ei n v e r t e rw i t hl cf i l t e ra n drl o a di sr e s e a r c h e d ， a n dv e r i f i e db ys i m u l a t i o n t h et r a n s f e rf u n c t i o no fz s o u r c ec a p a c i t o rv o l m g et os h o o t - t h r o u g hd u t y c y c l ei si n - d e p t hs t u d i e d a f t e rr e d u c e d - o r d e rt r e a t m e n t ，ap o l e - z e r oc o m p e n s a t i o nr e g u l a t o ri s d e s i g n e d ，w h i c hi n c r e a s e st h eb a n d w i d t ha n dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e ms i g n i f i c a n t l y a3 k v ap r o t o t y p ei sb u i l tu p ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es c h e m e sa l ea l s oi n t r o d u c e d s i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e nt od e m o n s t r a t et h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e di n d i r e c tc o n t r o lm e t h o d o fd c - l i n kp e a kv o l m g e t h es e r i e sz - s o u r c eg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e ma n di t sc o n t r o ls t r a t e g ya 聆 ， v e r i f i e dw i t hal o wg r i dv o l t a g e a l lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r y k e yw o r d s ：z - s o u r c ei n v e r t e r ,s e r i e s ，s h o o t - t h r o u g h ，s v p w m ，g r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m ， m p p l r 南京航空航犬人学硕十学何论文 目录 第一章绪论1 1 1z 源逆变器1 1 2z 源逆变器的应川领域概述2 1 3 串联型z 源光伏并网逆变器3 1 3 1 常规光伏并网逆变器的结构3 1 3 2 串联型z 源光伏并网逆变器3 1 3 3 串联型z 源光伏并网逆变器的特点4 1 4 本文的研究内容5 第二章串联型z 源逆变器7 2 1 串联型z 源逆变器的l ：作原理_ 7 2 2 串联型z 源逆变器的一种1 e 止常i ：作状态8 2 3 适用于串联型z 源逆变器的s v p w m 调制策略9 2 3 1 调制原理9 2 3 2 实验结果1 l 2 4 串联型z 源逆变器的参数设计1 2 2 4 1z 源网络的设计：。1 2 2 4 2 功率器件的设计1 5 2 5 本章小结1 6 第三章串联型z 源逆变器的直流链电压控制方法研究1 7 3 1 直流链电压控制的重要性和特殊性1 7 3 2 直流链电压控制方法l8 3 2 1 直流链峰值电压直接控制方法18 3 2 2 直流链峰值电压间接控制方法2 0 3 2 3 直流链峰值电压控制方法总结2 2 3 3z 源电容电压可变的直流链峰值电压间接控制方法2 3 3 3 1 控制原理2 4 3 3 2 仿真研究2 5 3 3 3 实验研究2 6 3 4 本章小结2 8 i i i 串联型z 源逆变器7 啦用于光伏发l u 的关键技术研究 第四章串联型z 源并网逆变器的研究2 9 4 1 串联型z 源逆变器的并网控制策略研究2 9 4 1 1 并网电流控制方法3 0 4 1 2 并网电流的控制结构3 0 4 1 3 控制系统结构3 4 4 1 4 软f ，i ：设计3 5 4 1 5 仿真和实验结果一3 8 o 4 2 席川- j 二光伏发叱的串联型z 源并网逆变器的设计4 0 4 2 1 光伏电池最人功率点跟踪4 l 4 2 2 串联型z 源光伏并网逆变器的控制系统设计4 3 4 2 3 仿真和实验研究4 5 4 3 本章小结4 8 第五章串联型z 源逆变器的建模及调 ，器设计4 9 5 1 串联型z 源逆变器的数学模型4 9 5 1 1 等效电路模型4 9 5 1 2 状态空间平均法建模5 0 5 1 3 模型的仿真验证5 3 5 1 4 传递函数的简化5 4 5 2 直流链峰值电压间接控制的闭环设计5 6 5 3 仿真验证5 8 5 4 本章小结5 9 第六章总结与展望6 0 6 1 全文_ 1 ：作总结6 0 6 2 进一步j i ：作展望6 0 参考文献。6 2 j 至； 谢。6 6 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的项目一6 7 j 南京航空航天大学硕士学位论文 图目录 图1 1 电压型z 源逆变器l 图1 2 基于z 源逆变器的直驱式风力发电系统2 图1 3 基于z 源逆变器的燃料电池一蓄电池混合电力机车牵引系统2 图1 4 基于z 源逆变器的光伏发电系统2 图1 5 常规光伏并网逆变器3 图1 6 串联型z 源逆变器4 图1 7 串联型z 源光伏并网逆变器4 图2 1 串联型z 源逆变器的等效电路7 图2 2 非正常工作状态等效电路图8 图2 3 非正常状态下的直流链电压波形9 图2 4s v p w m 矢量图1 0 图2 5 传统的和适应于串联型z 源逆变器的s v p w m 。1 0 图2 6 调制比m - - - 0 8 、直通占空比d o = 0 2 5 。l l 图2 7z 源电感电流纹波示意图1 3 图2 8z 源电感与输入电压的关系曲线1 3 图2 9 直通信号、z 源电容电流及电压的波形1 4 图2 1 0 心圪与口的关系曲线1 5 图3 1 直流链电压波形。1 8 图3 2 直流链峰值电压直接控制方法1 9 图3 3 峰值检测电路。1 9 图3 4 峰值电压比例检测控制。2 0 图3 5 直流链电压与检测电压波形2 0 图3 6 恒定z 源电容电压控制2 l 图3 7 引入除法器的可变z 源电容电压控制2i 图3 8 输入电压前馈控制2 2 图3 9 直流链峰值电压间接控制。2 4 图3 1 0 直流链峰值电压间接控制方法的稳态仿真波形2 5 图3 1 l 直流链峰值电压间接控制方法的动态仿真波形2 6 图3 1 2 直流链峰值电压间接控制方法的稳态仿真波形2 7 v 串联型z 源逆变器应用于光伏发电的关键技术研究 图3 1 3 输入电压波动时的动态实验波形2 7 图3 1 4 负载突变时的实验波形2 7 图4 1 串联型z 源光伏并网逆变器。2 9 图4 2 并网工作方式下a 相的等效电路和电压电流矢量图3 0 图4 3 串联型z 源光伏并网逆变器的网侧电路。3 l 图4 4 三种坐标关系图3 2 图4 5 电流环的解耦控制框图3 4 图4 6 系统的并网控制框图3 4 图4 7 主程序流程图3 6 图4 8c a p 4 中断子程序流程图3 6 图4 9t 1 下溢中断子程序流程图一3 7 图4 1 0s v p w m 与直通零矢量的合成部分的流程图3 7 图4 1 l 串联型z 源逆变器的并网仿真波形3 8 图4 1 2 输入电压为5 0 v 时的并网实验波形3 9 图4 1 3 输入电压为8 0 v 时的并网实验波形3 9 图4 1 4 输入电压为l1 0 v 时的并网实验波形4 0 图4 15 并网电流突变动态实验波形4 0 图4 16 光伏电池的输出特性4 l 图4 17m p p t 控制框图。4 3 图4 18 逆变部分控制结构图4 4 图4 1 9 串联型z 源光伏并网逆变器的控制结构4 5 图4 2 0 光伏电池的模拟电路4 6 图4 2 l 串联型z 源光伏并网逆变器的仿真波形4 6 图4 2 2 串联型z 源光伏并网逆变器的实验波形4 7 图5 1 串联型z 源逆变器带l c 滤波器、阻性负载4 9 图5 2 直流等效电路。4 9 图5 - 3 不同开关模式下的等效电路。5 0 图5 4g 回的b o d e 图5 3 图5 5p s i m 仿真下的的b o d e 图。5 4 图5 6 额定工作状态下g “回的零极点分布图5 4 图5 7 降阶前和降阶后的b o d e 图5 5 图5 8 直流链峰值电压间接控制原理图。5 6 图5 1 2 加入了调节器后系统的开环传递函数b o d e 图5 8 图5 1 3 额定状态卜的稳态波形5 9 图5 1 4 输入电压突变时的动态仿真波形5 9 串联型z 源逆变器应用十光伏发i u 的关键技术研究 表清单 表5 1 额定i ：作状态+ 卜的电路参数一5 3 南京航空航犬人学硕十学何论文 注释表 s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 止弦脉宽调制 s v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ) 空间欠量调制 m p p t ( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g )最人功率点跟踪 e s r ( e q u a is e r i e sr e s i s t o r ) 等效串联电阻 c c m ( c u r r e n tc o n t i n u o u sm o d e ) 电流迮续模式 l l 、l 2 、l z 源电感丁直通时间 c i 、c 2 、c z 源电容 瓦 开关周期 i l l 、i l 2 、i z 源电感电流 开关周期 圪，、圪z 源电容电压p o输出功率 v l l 、v l 2 、v l z 源电感电压 e 参考电压相角 输入电压 a 圪，一圪6 z 源电容电压纹波 直流链电压 屯z 源电感电流纹波 所 直流链峰值电压 l l z 源电感电流平均值 d o 、d o 直通占空比 n o 、v b o , v 岛 桥臂中点电压 口升压因子 e w e b , e c 三相电网电压 m 、m 调制比 | 口、l b 、l c 三相并网电流 输入电流 l n 、l b 、厶、匆 输出滤波电感l d c 相电压峰值 凡 滤波电感寄生电阻 一乃8 个电压欠量 忍 功率管损耗等效电阻 圪、以相邻两个电压欠量 e 电网电压有效值 圪 电压零矢量l电网电流有效值 矿 参考电压欠量 t o 电网角频率 瓦、乃、瓦 欠量作用时间 y ts e 峰值电压检测值 电网电流d 轴分量输出电压有效值k 啊 电网电流q 轴分量0输出滤波电容 v d输出电压d 轴分量 s | 、s 2 、s 3 开关 v 叮输出电压q 轴分量 局 比例系数 e d电网电压d 轴分量x i积分系数 串联型z 源逆变器应用十光伏发电的关键技术研究 p 叮 电网电压q 轴分量 直通调制波 i i l 非直通状态母线输入 i i 2直通状态母线输入平 平均电流 均电流 m p p 处光伏输出电压 l e 等效电感 三角载波幅值 c e 等效电容 r e 等效电阻 尺 负载电阻 k 低频增益&开犬函数 南京航空航大人学硕十学位论文 第一章绪论 本章首先介幺f 了近儿年提出的z 源逆变器及其应川领域，然后给山了z 源逆变器的改进拓 扑一串联型z 源逆变器的拓扑结构，并将串联型z 源逆变器应州丁光伏并网，分析了它的特 点，最后阐述了本文的研究内容和意义。 1 1z 源逆变器 z 源逆变器的概念是2 0 0 2 年由密歇根州立人学的彭方上 教授提出的，它可以克服传统逆 变器的一些不足，为功率变换技术提出了一种新的变换器拓扑和理论。 根据电源性质的不同，z 源逆变器可分为电压型与电流型两种。本文以电压型z 源逆变器 为研究对象，后文如无特别说明均指二相电压型z 源逆变器。图1 1 给出了电压型z 源逆变器 的电路拓扑，它通过一个z 源网络将逆变侧与电源耦合起来，其中z 源网络由两个相同的电感 三，、厶和两个相同的电容c ，、q 构成。z 源网络的引入，使得逆变器桥臂既能直通也能开路， 因此z 源逆变器具有传统电压源和电流源逆变器所不具备的一些优点，具体可概括为以下儿点： m 厶 戈* 一， 一砖 八 c ivc 2 一一 一消 一负 一 7 职 矽入i m = 婶l 图1 1 电压型z 源逆变器 1 ) z 源逆变器的输入电源既可以为电压源也可以为电流源，增加了应用上的灵活性； 2 ) z 源逆变器的逆变桥既可以是电压源结构也可以是电流源结构，即开关可以是功率管和 二极管的反- 并联组合或是串联组合： 3 ) 能够实现升降压变换的功能。由于z 源逆变器桥臂可以直通，并且利用其直通功能，z 源逆变器可以实现直流侧的升压，其交流输出电压不再受限于输入电压，从而可以实现单级升 降压变换，理论上z 源逆变器的输出电压可以为任意值； 4 ) 逆变器桥臂既可以直通也可以开路，因此由电磁干扰所造成的开关管误开通或误关断不 会对变换器造成损坏； 5 ) 逆变器同一个桥臂的上下开关管之间不需要加入死区时间( 电压型) 或重叠导通时间( 电 流型) ，冈此输山波形没有畸变。 串联型z 源逆变器应用十光伏发i 乜的关键技术研究 1 2z 源逆变器的应用领域概述 由1 1 节的分析可知，z 源逆变器具有升压的功能，冈此特别适用丁输入电压会在人范同 内变化的场合。近年来，世界范闱内的能源供需矛盾日益突出，世界各国都在一方面：1 y 能降耗， 一方面寻求新的替代能源。冈此，各种绿色能源如风力发电1 2 引、燃料电池旧引和光伏发电m 1 得剑了迅速的发展。这些能量发生装置随着负载和环境冈素的变化，其输山电压波动范围很人， 冈此z 源逆变器在这些新能源发电领域具有j “阔的庇川价值。 文献 1 2 ，1 3 将z 源逆变器应州丁直驱式风力发电系统，能够实现系统的宽范嗣变速运行， 具有单级结构及效率高等优点，如图1 2 所示。 i = 确嚣 六 t 图1 2 基丁z 源逆变器的直驱式风力发电系统 文献 1 4 将z 源逆变器应用于燃料电池一蓄电池混合电力机车牵引系统，具有电路结构简 洁、可靠性高、宽恒功率转速比范同等优点，如图1 3 所示。 图1 3 基于z 源逆变器的燃料电池一蓄电池混合电力机车牵引系统 文献 1 5 1 9 探讨了将z 源逆变器应用于光伏发电系统，能够在单级功率变换中实现升降 压、最大功率点跟踪以及网侧电流的控制功能，并且功率开关不需加入死区，输出波形好且可 靠性高，电路结构简洁，如图1 4 所示。 2 图1 4 基于z 源逆变器的光伏发电系统 1 2 毗z e o 南京航空航天人学硕十学何论文 此外，还有些文献探讨了z 源逆变器在电机凋速系统、混合动力汽下系统心中的应川， 另有一些文献对三电平z 源逆变器进行了细致地研究憎引。以上研究表明，z 源逆变器在新能源 发电、电动汽车等场合有着很好的应川前景。 1 3 串联型z 源光伏并网逆变器 1 3 1 常规光伏并网逆变器的结构 常规的光伏并网逆变器的结构如图1 5 所示。图1 5 ( a ) 为单级式并网系统，由d c a c 和i ： 频升压变压器组成，其结构简单，效率高。d c a c 环节将光伏电池输出的直流电变换成和电网 匹配的交流电，：l ：频升压变压器实现升压和隔离功能。但是，由丁这种单级式结构只有一个能 量变换环节，控制时既要保证并网电流的幅值、正弦度和相位，又要考虑跟踪光伏电池的最人 功率点，使得控制上一般都很复杂。而且j i ：频变压器的存在增加了系统的体积、损耗以及噪音 等。当光伏电池输出电压足够高时，可以使用不含j 1 ：频变压器的单级式系统。但这种系统需要 保证在最低输入电压下仍能实现并网，这无疑增加了系统的安装容量。 p vd c a cf i l t e rt r a n s f o r r n e r ( a ) 单级式 p vd c d cd c 协cf i l t e r ( ( b ) 两级式 图1 5 常规光伏并网逆变器 由丁单级式井网系统存在的诸多缺点，目前普遍采刚的是图1 5 ( b ) 所示的两级式并网系 统。两级式系统由d c d c 和d c a c 两部分组成，d c d c 环节实现升压和最大功率点跟踪( m p p t ) 的功能，d c a c 环节实现并网功能。由于有两个能量变换环节，这种系统带来了控制上的简便， 而且没有：i ：频变压器，减小了系统的体积。然而由于d c d c 环节的存在，增加了开关器件的数 目，降低了系统的效率。 1 3 2 串联型z 源光伏并网逆变器 串联型z 源逆变器是图1 1 中的传统z 源逆变器的改进拓扑，新型拓扑所用的电路元件与 传统拓扑一样，其z 源网络也是对称的，不同之处在于，二极管和逆变桥的位置互换，其电路 拓扑如l 玺i1 6 所示幢引。 与传统z 源逆变器一样，串联型z 源逆变器也是通过桥臂的直通状态来实现升压功能的， 3 串联型z 源逆变器应用于光伏发i u 的关键技术研究 并且其升压能力与传统z 源逆变器相同。在保留了传统z 源逆变器所有优点的同时，串联型z 源逆变器还具有一个新的优点：z 源电容电压极性与输入电压一致，而传统拓扑中两者是相反 的，这样在得到同样的直流链峰值电压时z 源电容电压能人人减小他”引。这样，在相同的输入 电压和升乐要求下，串联型z 源逆变器中的z 源电容的体积、成本都得到了一定程度的下降， 冈此，串联型z 源逆变器在新能源发电领域有着更加j 阔的应刖前景。 ：厶澄7 - 匠 图1 6 串联型z 源逆变器 本文将串联型z 源逆变器应用于光伏发电，其电路结构如图1 7 所示。 图1 7 串联型z 源光伏并网逆变器 串联型z 源逆变器的输入为光伏电池，输出经电感滤波后接到三相电网。由于串联型z 源 逆变器具有升压能力，冈此完全能够胜任光伏发电这种输入电压在宽范围内变化的场合。 1 3 3 串联型z 源光伏并网逆变器的特点 z 源网络的引入，以及独特的升压功能，使得串联型z 源光伏并网逆变器特点鲜明且优势 明显，主要有以下几点： 1 ) 从电路结构上讲，串联型z 源光伏并网逆变器是单级式结构，但其具有图1 5 中的单级 式结构所不具备的升压功能，而且不含工频升压变压器，能够显著降低系统的体积、重量、以 及安装容量等等。 2 ) 从控制方法上讲，串联型z 源光伏并网逆变器除了具有逆变环节的控制，还含有直流升 压环节的控制。因此，串联型z 源光伏并网逆变器的控制与图1 5 中的两级式并网系统相似， 能够很方便地实现升压、并网以及最人功率点跟踪的功能，另外，比两级式并网系统少了一个 功率管，降低了系统的成本。 4 、 南京航空航天人学硕十学位论文 3 ) 与基丁传统z 源逆变器的光伏并网系统相比，由丁采川了串联型z 源逆变器，在保证相 同的升压能力的同时，显菥降低了z 源电容的电压，这样住相同的功率等级下，z 源电容的体 积、重量、成本等可以得剑一定稃度的降低。 冈此，串联型z 源光伏并网逆变器兼具了单级式并网结构、两级式并网结构以及基于传统 z 源逆变器的光伏并网系统的一些优点，完全能够满足光伏发电的要求。 1 4 本文的研究内容 串联型z 源逆变器能提供传统电压源型逆变器所没有的升压功能，能够适应输入电压宽范 嗣变化的场合。将其应用丁新能源发电系统中，相比传统的两级式功率变换，其土电路少川一 个有源器件，电路结构简沾，同时由丁桥臂可以直通，其可靠性高，不会由丁电磁干扰而造成 功率管损坏：相比丁传统z 源逆变器，z 源电容的电压显著降低，从而有利丁系统的成本、体 积的降低。 本文住对串联型z 源逆变器电路结构进行分析的基础上，将其应川丁光伏并网领域，研究 了它的直流链峰值电压间接控制方法，使其直流链峰值电压不受输入电压波动的影响，同时研 究了系统的并网控制策略，在这种单级式拓扑中同时实现了升压、并网和最人功率点跟踪的功 能。 本文的内容将从以下方面具体展开： 第一章介绍了课题的研究背景、研究内容和研究意义。首先介绍了z 源逆变器的概念，介 绍了传统z 源逆变器并概述了其在新能源发电领域的应用，然后在介绍了传统的并网系统的结 构的基础上研究了一种串联型z 源光伏并网逆变器方案，概括了其所具有的特点。 第二章首先介绍了串联型z 源逆变器的：i ：作原理及其非正常j r ：作状态产生的原冈，在此基 础上研究了一种适用于串联型z 源逆变器的s v p w m 调制策略，结合此调制策略给出了电路参 数的设计依据。 第三章首先分析了串联型z 源逆变器的直流链电压在控制上的重要性和特殊性，然后从直 接控制和间接控制两方面总结了直流链峰值电压的控制方法，在此基础上提出了一种z 源电容 电压可变的直流链峰值电压间接控制方法，详细分析了该控制方法的原理，并分别进行了仿真 和实验验证。 第四章首先研究了串联型z 源逆变器的并网技术，设计了并网的控制结构，并根据串联型 z 源并网逆变器在同步旋转由坐标系下的网侧数学模型研究了并网电流的解耦控制策略，在此 基础上介绍了系统的控制软件的设计，并进行了仿真和实验的验证。然后将串联型z 源并网逆 变器应刚丁光伏发电，研究了能同时实现升压、并网和最人功率点跟踪功能的弗网控制技术， 井给出了仿真和实验结果。 5 串联型z 源逆变器j 畦用于光伏发i u 的关键技术研究 6 第五章建立了串联犁z 源逆变器带l c 滤波器时的数学模型，指出了当采川p i 控制时存在 的问题，然后研究了调节器的设计，并给山了仿真验证。 第六章对全文进行了总结和同顾，指山现有j ：作的不足之处，并提出进一步的研究思路。 - 南京航空航大人学硕十学何论文 第二章串联型z 源逆变器 本章详细地介纠了串联型z 源逆变器，分析了它的稳态jj ：作原理以及它的一种1 ：止常1 ：作 状态，研究了一种适应丁串联型z 源逆变器的s v p w m 调制策略，并在此基础上分析了逆变器 的参数设计方法，给出了参数确定的依据。 2 1 串联型z 源逆变器的工作原理 图1 为串联型z 源逆变器从直流侧看进去的等效电路1 2 3 1 。当逆变桥处于直通状态时，桥臂 短路，其等效电路图如图2 1 ( a ) ；当逆变桥处丁传统的8 种非直通状态时，桥臂可用一电流源 表示，等效电路图如图2 1 ( b ) ，其中当逆变桥：l ：作于2 种传统零欠量状态时，电流源为零。 ( a ) 直通状态( b ) 非直通状态 图2 1 串联型z 源逆变器的等效电路 z 源网络是一个对称的网络，即，吒? 吒，c ，= c 2 = c ，稳态二i ：作状态下有： 叱12v l 22 吃 匕i = v c 2 = 屹 ( 2 1 ) 假设在一个开关周期正内，逆变桥臂：i ：作丁直通状态的占空比为d d ，此时二极管d ，截止， 由等效电路图2 1 ( a ) ，得： 睨2 + 匕 ( 2 2 ) 崎= 0 、。 非直通状态的占空比为1 d d ，此时二极管d ，导通，由等效电路图2 j l ( b ) ，得 ：2 1 2 = + 圪一叱 ( 2 3 ) 匕= - v l 、 稳态时，根据z 源电感的伏秒平衡，- i nz 源电容的电压为： 圪= 击 逆变桥直流链电压峰值为： ( 2 4 ) 7 串联型z 源逆变器j 妊用于光伏发l 【l 的关键技术研究 巧= + 2 v c 2 丁二云= b ( 2 5 ) 其中，b ： ! 1 是由直通零欠量得到的升压冈子。 1 2 d o 假设逆变器的调制比为m ，则逆变器输出的相电压的峰值可以表示为： ：丢叫：丢脚 ( 2 6 ) 当输入电压较低时，通过加入适当的直通1 1 i 空比d o ，使b i ，就可以实现升压的功能： 当输入【乜压足以产生所需的输出电压时，就不需要加入直通状态了，此时d o = 0 ，b = i ，z 源电容电压忙0 ，串联型z 源逆变器等效丁普通逆变器。可见，通过选择适当的m 和召，就可 以使逆变器实现升压的功能，理论上可以得剑任意高的输出电压。 2 2 串联型z 源逆变器的一种非正常工作状态 通过研究发现，串联型z 源逆变器还存在一种非正常i ：作状态，它存在丁非直通状态中， 这种1 卜正常i ：作状态将极人地影响逆变器的性能。 由图2 1 ( b ) 所示的1 f 直通状态等效电路可得： 2 一_ o ( 2 7 ) l 020 十吃 其中为直流电源输入电流，幻为流过二极管的电流，i l 、i c 分别为z 源电感和电容的电 流，则流过二极管的电流为： i d = 2 i t 一 ( 2 8 ) 正常j j ：作情况下，非直通时电流连续，即i d 0 。但当电路一f ：作在轻载情况下，就有可能出 现i a 0