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基于并网逆变器电能质量与变换效率的若干关键技术研究

作　者: 杨波
导　师: 何湘宁
学　校: 浙江大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 并网逆变器变换效率电能质量无变压器型并网逆变器死区两级式系统预测电流控制
分类号: TM464
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

世界能源危机和环境污染已经成为制约人类社会可持续发展的严重问题。以太阳能、风能等为代表的分布式发电和并网逆变技术在发展可再生能源、实现我国节能减排中具有重要的战略意义和应用价值。在分布式发电系统中,并网逆变器作为能量传输的通道,如何实现尽可能高的变换效率和电能质量是一个重要的研究课题。论文围绕这两个关键问题,在总结、归纳当前研究现状和技术发展的基础上,主要从以下几个方面进行深入研究：无变压器型并网逆变器电路拓扑及其调制方式、并网逆变器死区补偿和消除方法、两级式并网逆变器建模和控制策略、并网逆变器电流控制技术等。首先,论文在分析无变压器型并网逆变器对地共模漏电流产生原理的基础上,推导了无变压器型并网逆变器共模谐振电路的数学模型,给出了无变压器型并网逆变器的无共模漏电流条件。根据无共模漏电流条件,论文提出一种对称H6结构的无变压器型并网逆变器拓扑结构,并基于该拓扑,实现了单极性SPWM和倍频SPWM调制策略。单极性调制有利于提高拓扑的变换效率和降低系统的散热难度；倍频调制则提高了拓扑的等效工作频率,使并网电流谐波含量和THD下降,有效改善了并网电能质量。论文还详细研究了该对称H6结构无变压器型并网逆变器在非理想条件下存在的并网电流与输出电压的相移问题、开关器件的死区时间问题和开关器件寄生结电容的平衡条件。其次,论文在分析电压源型逆变器死区效应产生原理的基础上,推导了理想条件下死区效应的数学模型,详细分析了功率器件开通和关断时间、导通压降等固有非线性特征及零电流箝位现象对逆变器死区效应的影响,并获得了死区电压导致的并网电流基波损失、基波相移和低次谐波注入的数学表达式。在上述基础上,论文提出一种基于无效器件原理的在线自适应死区消除方法。该方法通过在线跟踪负载变化,自适应地计算合理的电感电流过零区域宽度,能够较准确地实现电流过零区域和非过零区域中死区效应的分别消除,有效降低输出电压和电流的低次谐波含量和THD,改善并网电能质量,该方法对电流过零区域内电压、电流畸变的抑制效果尤为明显。利用DSP实现的在线自适应算法降低了对电流检测器件特性和精度的依赖,增强了该方法的工程实用性和可靠性。然后,论文从两级式并网发电系统出发,推导了高增益有源箝位软开关交错并联Boost变流器稳态特性更为准确的数学模型。模型证明该变流器的电压增益表达式与占空比、耦合电感匝比、耦合电感等效漏感、变流器开关频率以及负载大小有关,具有较高的精度,有利于提高两级式系统的控制精度和最大功率点跟踪效果。针对作为功率后级的并网逆变器,论文提出一种带双补偿环节的直接电流控制方法。该方法建立在PI控制器基础之上,通过增加两个前馈补偿环节,在不影响双环控制系统稳定性的前提下,能有效消除直流母线电压和电网电压各次谐波及随机扰动对并网电流THD的影响。为实现并网电流对正弦参考的无静差跟踪,论文还提出一种预测电流控制的改进模型,证明了传统预测电流控制的基本模型仅是该改进模型的一个特例。应用该改进模型的预测电流控制方法除能提高并网电流的跟踪精度,减小并网电流的谐波含量和THD外,还能有效抑制模型参数特别是滤波电感参数发生匹配失真时对系统稳定性造成的影响,降低并网电流发生振荡的概率,使控制系统鲁棒性加强。最后,利用上述研究成果,论文完成了并网逆变器在电梯能量回馈单元、光伏并网发电系统和绿色节能电子负载三种工程实例中的应用工作。产品测试和应用实践证明,研发产品的主要技术参数已达到或超过目前工业界主流产品的性能水平。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-11
目录  11-14
第1章绪论  14-40
  1.1 引言  14-17
    1.1.1 能源危机与环境污染  14-16
    1.1.2 可再生能源与节能减排  16-17
  1.2 并网逆变器的研究热点  17-21
    1.2.1 并网逆变器的变换效率  17-19
    1.2.2 并网逆变器的电能质量  19-21
  1.3 并网逆变器的研究现状  21-36
    1.3.1 无变压器型并网逆变器的研究现状  21-28
    1.3.2 死区补偿和消除方法的研究现状  28-32
    1.3.3 并网电流控制技术的研究现状  32-36
  1.4 本文的主要研究内容和成果  36-40
第2章无变压器型并网逆变器的研究  40-73
  2.1 无变压器型并网逆变器的共模漏电流模型  40-48
    2.1.1 带工频变压器并网逆变器的共模电路建模  40-42
    2.1.2 无变压器型并网逆变器的共模电路建模  42-47
    2.1.3 无变压器型并网逆变器共模谐振电路的频域分析  47-48
  2.2 无变压器型并网逆变器的无共模漏电流条件  48-50
    2.2.1 不对称滤波电感配置(L_A=0或L_B=0)  49
    2.2.2 对称滤波电感配置(L_A=L_B)  49-50
  2.3 一种对称H6结构的无变压器型并网逆变器  50-55
    2.3.1 单极性SPWM调制策略  50-53
    2.3.2 倍频SPWM调制策略  53-55
  2.4 非理想条件下的工作情况分析  55-65
    2.4.1 并网电流与输出电压的相移问题  55-58
    2.4.2 功率器件的开关死区问题  58-62
    2.4.3 开关器件结电容的平衡条件  62-65
  2.5 仿真与实验结果  65-72
  2.6 本章小结  72-73
第3章并网逆变器死区效应消除方法的研究  73-97
  3.1 死区效应的建模与分析  73-79
    3.1.1 考虑电流过零区域的理想死区效应模型  73-77
    3.1.2 非理想条件对死区效应的影响  77-79
  3.2 死区效应对并网电流的影响  79-83
    3.2.1 死区效应对并网电流谐波的影响  80-81
    3.2.2 死区效应对并网电流基波的影响  81-83
  3.3 一种在线自适应的死区消除方法  83-90
    3.3.1 死区消除原则  83-84
    3.3.2 过零误差宽度  84-86
    3.3.3 并网逆变器与离网逆变器交流侧的等效统一电路  86-87
    3.3.4 在线自适应方法  87-90
  3.4 仿真与实验结果  90-95
    3.4.1 仿真验证  90-93
    3.4.2 实验结果  93-95
  3.5 本章小结  95-97
第4章两级式并网逆变器的建模与控制策略研究  97-126
  4.1 一种具有电压高增益的两级式并网逆变系统  97-101
    4.1.1 光伏电池阵列的配置分析  97-100
    4.1.2 一种两级式光伏并网逆变系统的拓扑结构和控制方式  100-101
  4.2 高增益有源箝位软开关交错并联Boost变流器建模  101-106
    4.2.1 稳态模型分析  102-105
    4.2.2 仿真结果验证  105-106
  4.3 带补偿环节的并网逆变器双环控制策略  106-110
    4.3.1 实现功率双向流动的电压外环控制  106-108
    4.3.2 带双补偿环节的电流内环控制  108-110
  4.4 两级式并网逆变器基于功率平衡的MPPT方法  110-112
  4.5 实验结果验证  112-117
  4.6 一种改进型的预测电流控制方法  117-124
    4.6.1 预测电流控制的基本模型  118-119
    4.6.2 预测电流控制的改进模型  119-122
    4.6.3 实验结果验证  122-124
  4.7 本章小结  124-126
第5章并网逆变器的工程实例和应用研究  126-145
  5.1 基于DSP数字控制通用平台的系统构架  126-127
  5.2 无源滤波元件的设计和选型  127-132
    5.2.1 并网滤波电感的设计和选型  128-130
    5.2.2 直流母线电容的设计和选型  130-132
  5.3 电梯能量回馈单元  132-138
    5.3.1 电梯能量回馈单元的电路结构  133-135
    5.3.2 电梯能量回馈单元的节电效果  135-136
    5.3.3 电梯能量回馈单元的型号和技术参数  136-138
  5.4 光伏并网发电系统  138-142
    5.4.1 单相两级式无变压器型光伏并网逆变器  138-140
    5.4.2 三相单级式工频隔离光伏并网逆变器  140-142
  5.5 绿色节能电子负载  142-144
  5.6 本章小结  144-145
第6章总结与展望  145-148
  6.1 论文工作总结  145-147
  6.2 今后工作展望  147-148
附录A 工程实例照片  148-150
参考文献  150-162
攻读博士学位期间的主要研究成果  162-164
致谢  164

基于并网逆变器电能质量与变换效率的若干关键技术研究

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