太陽能的開發(fā)和利用是緩解全球能源短缺問題的重要途徑,光伏(Photovoltaic PV)發(fā)電也因此成為人類利用可再生能源實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的研究熱點之一。光伏逆變器作為連接光伏電池板和電網(wǎng)的接口,是光伏發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換與控制的核心,其性能不僅影響和決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)是否能夠高效可靠、穩(wěn)定安全地運行,同時也是影響整個光伏發(fā)電系統(tǒng)壽命的主要因素。本文針對單相光伏逆變器的輸出波形畸變、漏電流、高滲透率造成的電網(wǎng)過壓以及效率低四個關鍵性問題,重點研究了單相非隔離型光伏逆變器的調(diào)制策略優(yōu)化設計、無功功率補償?shù)母倪M以及利用碳化硅(Silicon Carbide SiC)器件提高逆變器效率的軟開關方法。死區(qū)效應的改善和共模漏電流抑制是非隔離型光伏逆變器優(yōu)化研究的兩個重要方面。在單相非隔離型光伏逆變器中:一方面,開關驅(qū)動信號的死區(qū)時間設置帶來了死區(qū)效應從而造成逆變器基波電壓的損失和輸出波形的畸變。另一方面,由于器件結(jié)電容的影響,逆變器的共模電壓會產(chǎn)生高頻波動,進一步影響逆共模漏電流抑制效果。為提高逆變器的輸出波形質(zhì)量、減小共模電壓波動,本文提出了一種單位功率因數(shù)工況下H6逆變器的改進調(diào)制策略。在該調(diào)制策略中,直流側(cè)的兩個高頻解耦開關對逆變器的輸出電壓進行調(diào)制,均無需增加任何死區(qū)時間;低頻H橋切換逆變器的輸出電壓正負極性,且在續(xù)流模式期間組成了兩條對稱路徑共享電流,開關均無需并聯(lián)額外電容便可自然有效地減小結(jié)電容造成的共模電壓波動。實驗結(jié)果表明,輸出電流波形總諧波失真(Total Harmonic Distortion THD)和共模電壓波動與傳統(tǒng)逆變器相比分別減小了2.04%和75%。另外,逆變器中僅有的兩個高頻開關采用了開關速度快、開關損耗低的SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET),并且高頻開關的體二極管均不導通。與純IGBT的逆變器相比,采用混合型器件的H6逆變器在控制成本的同時,還可以提高逆變器的效率及功率密度。無功功率補償是光伏逆變器輔助電網(wǎng)改善電壓質(zhì)量的有效措施之一。首先,為了對電網(wǎng)進行無功補償,逆變器需要具備無功輸出能力。本文基于單相混合非隔離型H6光伏逆變器,提出了一種混合型的調(diào)制策略。逆變器在正功率區(qū)域內(nèi)采用單位功率因數(shù)工況下改進的調(diào)制策略;在負功率區(qū)域內(nèi)采用非單位功率因數(shù)工況下改進的調(diào)制策略,即在改進的調(diào)制策略基礎上,增加高頻開關,構(gòu)建續(xù)流回路。實驗結(jié)果表明,逆變器不僅可以輸出無功功率,而且還保持了高輸出波形質(zhì)量、低共模電壓波動的優(yōu)點。其次,當光伏逆變器參與到電網(wǎng)的無功補償時,逆變器的無功功率最大可輸出容量和輸出效率將成為電網(wǎng)關注的重要指標。當前光伏逆變器的無功功率容量通常以有功功率的額定值為標準,但實際電路中當逆變器注入有功功率或無功功率時,由于逆變器運行回路的差異性,各器件將產(chǎn)生不同的損耗。因此,當考慮器件的物理限制因素時,逆變器的實際有功及無功功率可輸出容量也有所不同。本文從三種典型的光伏逆變器運行原理出發(fā),分析計算了各器件對應的損耗,并通過建立器件熱模型,得到了逆變器實際可輸出的最大有功、無功功率容量及相應的輸出效率。根據(jù)逆變器有功、無功功率容量的差異性,本文提出了一種含有無功功率約束的因子的改進功率約束模型,為電網(wǎng)提供了更加準確的光伏逆變器無功功率可輸出容量信息。最后通過對單相H6光伏逆變器的無功容量的仿真分析可以看出,逆變器實際可輸出無功容量比額定值高14.29%。結(jié)果表明逆變器有更大的無功功率容量供電網(wǎng)調(diào)度從而進行無功補償,這對電網(wǎng)為光伏發(fā)電系統(tǒng)制定合理的無功調(diào)度以及無功輸出補償策略有著重要意義。為提高逆變器的效率,實現(xiàn)逆變器軟開關以降低開關損耗成為了光伏逆變器的研究熱點之一。本文首先根據(jù)逆變器中硅型絕緣柵雙極晶體管(Silicon Insulated Gate Bipolar Translator Si IGBT)實際的開關電壓電流波形,對IGBT的軟開關條件重新進行了整理分類。然后綜合考慮逆變器成本及效率,提出了一種利用SiC器件實現(xiàn)逆變器軟開關的方法。通過增加一個SiC MOSFET,為串聯(lián)回路中IGBT提供適當?shù)仃P斷信號來實現(xiàn)IGBT的零電壓硬電流(Zero Voltage Hard Current ZVHC)軟開通和零電流硬電壓(Zero Current Hard Voltage ZCHV)軟關斷條件,從而降低開關損耗。實驗結(jié)果表明IGBT在軟開關條件下,減少了高達90%的開通損耗和57%的關斷損耗�？紤]到IGBT器件固有特性的影響,本文不僅對軟開關方法的調(diào)制參數(shù)進行了優(yōu)化設計,而且還為軟開關方法中的SiC MOSFET提出了一種改進的調(diào)制策略,可通過減小IGBT電壓變化率,進一步降低關斷損耗。本文提出的軟開關方法設計思路簡單,當其應用到光伏逆變器時,在不改變原逆變器的調(diào)制策略的情況下,根據(jù)逆變器的運行原理設計相應的拓撲結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)逆變器的軟開關。當IGBT減少的開關損耗越多,逆變器工作的頻率越高,軟開關逆變器的效率也越高。本文最后還提出了兩種H6軟開關逆變器的應用實例,當IGBT開關損耗降低70%,逆變器工作在100kHz時,軟開關逆變器的效率可提升至少1.4%。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM464
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 研究工作的背景與意義
    1.2 單相非隔離型光伏逆變器及SiC器件應用國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 死區(qū)時間的減少及補償
        1.2.2 共模漏電流的抑制
        1.2.3 提供無功功率補償
        1.2.4 減少IGBT開關損耗
    1.3 本文的主要貢獻與創(chuàng)新
    1.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排
第二章 單相非隔離型H6光伏逆變器的關鍵問題研究
    2.1 逆變器的結(jié)構(gòu)及調(diào)制策略分析
    2.2 不同功率區(qū)域中的逆變器運行模式
        2.2.1 正功率區(qū)域
        2.2.2 負功率區(qū)域
    2.3 非隔離型逆變器中的共模漏電流
        2.3.1 共模漏電流的抑制
        2.3.2 結(jié)電容對共模電壓波動的影響
    2.4 本章小結(jié)
第三章 單相混合非隔離型H6光伏逆變器的改進調(diào)制策略設計
    3.1 逆變器的改進調(diào)制策略設計
        3.1.1 逆變器的結(jié)構(gòu)及調(diào)制
        3.1.2 逆變器的運行原理
    3.2 逆變器共模電壓分析
    3.3 提高逆變器輸出波形質(zhì)量的仿真及實驗
        3.3.1 仿真結(jié)果
        3.3.2 實驗結(jié)果
    3.4 減小逆變器共模電壓波動的仿真及實驗
        3.4.1 仿真結(jié)果
        3.4.2 實驗結(jié)果
    3.5 本章小結(jié)
第四章 改進的無功調(diào)制策略以及功率約束模型
    4.1 逆變器的無功輸出能力分析
    4.2 改進的混合型無功調(diào)制策略的設計
    4.3 具有無功輸出能力的逆變器仿真及實驗
        4.3.1 仿真結(jié)果
        4.3.2 實驗結(jié)果
    4.4 基于無功容量研究的功率約束改進模型
        4.4.1 逆變器有功及無功功率輸出容量的計算方法
        4.4.2 逆變器輸出功率的容量及損耗分析
        4.4.3 逆變器功率約束模型的改進及無功容量仿真
    4.5 本章小結(jié)
第五章 利用SiC器件實現(xiàn)逆變器軟開關的方法
    5.1 IGBT的軟開關分類
    5.2 利用SiC器件實現(xiàn)IGBT軟開關的方法設計
    5.3 軟開關方法在雙脈沖電路中的仿真及實驗
        5.3.1 電路原理分析
        5.3.2 仿真結(jié)果
        5.3.3 實驗結(jié)果
    5.4 軟開關方法的調(diào)制策略優(yōu)化以及在逆變器中的應用
        5.4.1 軟開關方法的調(diào)制策略優(yōu)化設計
        5.4.2 兩種單相H6軟開關逆變器
    5.5 本章小結(jié)
第六章 全文總結(jié)與展望
    6.1 全文總結(jié)
    6.2 后續(xù)工作展望
致謝
參考文獻
攻讀博士學位期間取得的成果

【參考文獻】

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