發(fā)布時間：2020-10-15 21:27

　　 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(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的研究熱點(diǎn)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(yùn)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(guān)鍵性問題,重點(diǎn)研究了單相非隔離型光伏逆變器的調(diào)制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)、無功功率補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)以及利用碳化硅(Silicon Carbide SiC)器件提高逆變器效率的軟開關(guān)方法。死區(qū)效應(yīng)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(guān)驅(qū)動信號的死區(qū)時間設(shè)置帶來了死區(qū)效應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(guān)對逆變器的輸出電壓進(jìn)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(fù)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(guān)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(shí)驗(yàn)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(guān)采用了開關(guān)速度快、開關(guān)損耗低的SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET),并且高頻開關(guān)的體二極管均不導(dǎo)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(bǔ)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(jìn)行無功補(bǔ)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(jìn)的調(diào)制策略;在負(fù)功率區(qū)域內(nèi)采用非單位功率因數(shù)工況下改進(jìn)的調(diào)制策略,即在改進(jìn)的調(diào)制策略基礎(chǔ)上,增加高頻開關(guān),構(gòu)建續(xù)流回路。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。其次,當(dāng)光伏逆變器參與到電網(wǎng)的無功補(bǔ)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(guān)注的重要指標(biāo)。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn),但實(shí)際電路中當(dāng)逆變器注入有功功率或無功功率時,由于逆變器運(yùn)行回路的差異性,各器件將產(chǎn)生不同的損耗。因此,當(dāng)考慮器件的物理限制因素時,逆變器的實(shí)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(yùn)行原理出發(fā),分析計(jì)算了各器件對應(yīng)的損耗,并通過建立器件熱模型,得到了逆變器實(shí)際可輸出的最大有功、無功功率容量及相應(yīng)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(jìn)功率約束模型,為電網(wǎng)提供了更加準(zhǔn)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(shí)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(jìn)行無功補(bǔ)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(bǔ)償策略有著重要意義。為提高逆變器的效率,實(shí)現(xiàn)逆變器軟開關(guān)以降低開關(guān)損耗成為了光伏逆變器的研究熱點(diǎn)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(shí)際的開關(guān)電壓電流波形,對IGBT的軟開關(guān)條件重新進(jìn)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(shí)現(xiàn)逆變器軟開關(guān)的方法。通過增加一個SiC MOSFET,為串聯(lián)回路中IGBT提供適當(dāng)?shù)仃P(guān)斷信號來實(shí)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(guān)斷條件,從而降低開關(guān)損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明IGBT在軟開關(guān)條件下,減少了高達(dá)90%的開通損耗和57%的關(guān)斷損耗�？紤]到IGBT器件固有特性的影響,本文不僅對軟開關(guān)方法的調(diào)制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),而且還為軟開關(guān)方法中的SiC MOSFET提出了一種改進(jìn)的調(diào)制策略,可通過減小IGBT電壓變化率,進(jìn)一步降低關(guān)斷損耗。本文提出的軟開關(guān)方法設(shè)計(jì)思路簡單,當(dāng)其應(yīng)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(yùn)行原理設(shè)計(jì)相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)逆變器的軟開關(guān)。當(dāng)IGBT減少的開關(guān)損耗越多,逆變器工作的頻率越高,軟開關(guān)逆變器的效率也越高。本文最后還提出了兩種H6軟開關(guān)逆變器的應(yīng)用實(shí)例,當(dāng)IGBT開關(guān)損耗降低70%,逆變器工作在100kHz時,軟開關(guān)逆變器的效率可提升至少1.4%。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(yīng)用國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 死區(qū)時間的減少及補(bǔ)償
        1.2.2 共模漏電流的抑制
        1.2.3 提供無功功率補(bǔ)償
        1.2.4 減少IGBT開關(guān)損耗
    1.3 本文的主要貢獻(xiàn)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(guān)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(yùn)行模式
        2.2.1 正功率區(qū)域
        2.2.2 負(fù)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(jìn)調(diào)制策略設(shè)計(jì)
    3.1 逆變器的改進(jìn)調(diào)制策略設(shè)計(jì)
        3.1.1 逆變器的結(jié)構(gòu)及調(diào)制
        3.1.2 逆變器的運(yùn)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(shí)驗(yàn)
        3.3.1 仿真結(jié)果
        3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    3.4 減小逆變器共模電壓波動的仿真及實(shí)驗(yàn)
        3.4.1 仿真結(jié)果
        3.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    3.5 本章小結(jié)
第四章 改進(jìn)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(jìn)的混合型無功調(diào)制策略的設(shè)計(jì)
    4.3 具有無功輸出能力的逆變器仿真及實(shí)驗(yàn)
        4.3.1 仿真結(jié)果
        4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    4.4 基于無功容量研究的功率約束改進(jìn)模型
        4.4.1 逆變器有功及無功功率輸出容量的計(jì)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(jìn)及無功容量仿真
    4.5 本章小結(jié)
第五章 利用SiC器件實(shí)現(xiàn)逆變器軟開關(guān)的方法
    5.1 IGBT的軟開關(guān)分類
    5.2 利用SiC器件實(shí)現(xiàn)IGBT軟開關(guān)的方法設(shè)計(jì)
    5.3 軟開關(guān)方法在雙脈沖電路中的仿真及實(shí)驗(yàn)
        5.3.1 電路原理分析
        5.3.2 仿真結(jié)果
        5.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    5.4 軟開關(guān)方法的調(diào)制策略優(yōu)化以及在逆變器中的應(yīng)用
        5.4.1 軟開關(guān)方法的調(diào)制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)
        5.4.2 兩種單相H6軟開關(guān)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(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間取得的成果

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2842266