太陽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)，世界各國都在致力于新能源的開發(fā)和利用。太陽能以其資源豐富、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。而太陽能電池和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得太陽能光伏發(fā)電得到了長足的發(fā)展并成為太陽能利用的主流。在多種太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式中，太陽能交流模塊將單個光伏組件和小功率逆變器組合起來并入單相低壓電網(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?；诖?，本論文針對當(dāng)前太陽能交流模塊的特點(diǎn)和問題，對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)逆變器是整個太陽能交流模塊發(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開關(guān)，其中兩個開關(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，并通過對一個開關(guān)周期內(nèi)六個工作狀態(tài)的分析闡述了其工作模式和能量交換過程。
　　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獨(dú)立的前級直流電路和后級逆變電路，并進(jìn)一步將前后級電路簡化等效成統(tǒng)一的電路形式，統(tǒng)一電路本質(zhì)上工作于Buck-

4、Boost方式。通過對逆變器工作過程的詳細(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轉(zhuǎn)移到中間解耦電容的電壓波動上，取消了大容量電解電容的使用，這對于提高系統(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)斷時開關(guān)上的電壓過沖，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。本文在綜合擾動觀察法和電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上，提出新的擾動匹配法最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，通過調(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，通過比較光伏電池模塊電壓的波動值和平均值，就可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。因此，所提方法無需檢測光伏電池的輸出電流，節(jié)省了測量和控

6、制系統(tǒng)成本，也不需要復(fù)雜的運(yùn)算，同時可以保證最大功率點(diǎn)的跟蹤準(zhǔn)確性。分析表明，通過擾動開關(guān)占空比或開關(guān)頻率都能對逆變器的輸入阻抗進(jìn)行調(diào)整，為此文中提出兩種擾動匹配跟蹤方法：占空比擾動匹配法和等效開關(guān)頻率擾動匹配法，并對所提方法進(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。針對中間解耦電容電壓含有穩(wěn)態(tài)的二倍頻波動，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；針對中間解耦電容電壓的平均值還會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)檢測和保護(hù)。

8、本文在對有功干擾法和主動頻移法的優(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)綜合檢測方法。正常情況下只進(jìn)行主動頻移法檢測，當(dāng)頻率偏差達(dá)到一定值時，啟動有功干擾法，同時對輸出電壓的幅值和頻率進(jìn)行檢測判斷。二者的結(jié)合取長補(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，又加快了檢測時間、縮小了檢測盲區(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技術(shù)，搭建了10