單相雙級光伏并網逆變器以其光伏電壓利用率好、結構高效且裝機配置靈活等特點被廣泛應用于分布式光伏發(fā)電系統。但傳統的單相雙級并網逆變器拓撲是通過Boost前級來控制直流母線電壓恒定,輸入電壓實際上經歷了先升壓后降壓的變換過程,會產生額外的開關損耗。因此,該拓撲結構的理論效率并未最大化。針對分布式發(fā)電系統高效性的需求,本文以單相雙級并網逆變系統為研究對象,從結構優(yōu)化和效率提升兩方面改善雙級并網逆變器的拓撲。在此改進拓撲的系統平臺下,從小信號線性化模型、帶直接電流控制器的非線性模型以及非線性開關狀態(tài)模型三個方面對系統電流控制策略展開研究。本文首先針對直流母線電壓恒定的雙級并網逆變器拓撲中效率未最大化問題,并結合已有雙級并網逆變器拓撲結構特征,從功率器件選擇、橋臂結構演變和縮短電流回路路徑等方面優(yōu)化現有拓撲,給出了一種高效的Boost-Buck雙模式切換的雙級并網逆變器拓撲;給出了改進拓撲主電路中關鍵器件的參數設計方式;在此基礎上,分別對母線電壓恒定的傳統拓撲和Boost-Buck雙模式分時控制的改進拓撲中半導體功率器件和儲能器件的損耗進行理論分析和對比,損耗計算結果表明改進后拓撲在整機效率上可提升近1.8%,而且開關頻率越高,改進拓撲高效性優(yōu)勢越明顯。工程樣機的實驗結果驗證了改進拓撲的可行性和在整機效率上的優(yōu)越性。然后,為得到可適用于改進拓撲的電流控制策略,本文搭建了系統小信號線性化模型。輸出濾波電感電流與Boost占空比之間的小信號傳遞函數的幅相特性表明,在傳統直接電流控制下Boost變換器難以對輸出電流實現穩(wěn)定控制。通過引入Boost電感電流作為次目標電流,給出了Boost-Buck混合電流控制方式。為解決獨立載波調制過程中Boost和Buck高頻開關相互切換時能量振蕩導致波形畸變的問題,提出了基于雙載波交疊的Boost-Buck混合電流控制策略。物理實驗驗證了Boost-Buck混合電流控制策略的可行性,雙載波交疊的設計方式以較小的開關損耗為代價有效地抑制了Boost和Buck高頻功率開關雙模式切換時產生的波形畸變。進一步地,通過對基于傳統直接電流控制的非線性數學模型進行數值仿真求解,給出了以光伏輸入電壓為分岔參數的慢變和快變尺度分岔圖,分析表明Boost變換器控制上的不穩(wěn)定現象實質為一種非線性的混沌現象。為抑制混沌電流中非規(guī)則的波形,通過在目標參考電流上施加一定幅度且具有最優(yōu)擾動相位的共振正弦信號,增強混沌信號中較弱的周期成分,抵消較強的周期成分,使系統回到穩(wěn)定的周期軌道上。另一方面,提出了兩種狀態(tài)關聯優(yōu)化的混沌抑制方法,通過優(yōu)化耦合系數改變狀態(tài)變量之間的關聯性使原本在混沌區(qū)域的狀態(tài)變量向有序穩(wěn)定的狀態(tài)轉換。仿真實驗驗證了在具體的輸入參數下所提出的混沌行為抑制方法的有效性。最后,針對改進拓撲中Boost和Buck高頻功率開關的協調同步控制和動態(tài)性能優(yōu)化的問題,搭建了基于有限開關控制集的非線性開關狀態(tài)數學模型,推導出了離散化的電流預測模型并建立以直流母線電壓和輸出濾波電感電流為目標的評價函數。通過設置權重因子、計算狀態(tài)變量的預測值和目標評價函數的尋優(yōu),得到接近理想控制目標的功率開關狀態(tài)控制量。最終的仿真分析和實驗結果證明了有限控制集的模型預測電流控制方法在Boost-Buck雙級并網逆變器同步控制上的有效性和適用性。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM464
【部分圖文】：

(a) BHB-II 型功率開關 PWM 實驗波形 圖 2.13 母線電壓恒定和雙模式分時切(a) BHB-II 型電壓電流實驗波形 圖 2.14 母線電壓恒定和雙模式切換控在不同輸入電壓條件下（150V~500V換控制的雙級并網逆變器進行整機效率測3kW 額定輸出功率下進行 6 次測量，測量可知，雙模式切換的 BHB-IV 型雙級并網

感電流iLf的實驗波形如圖2.14所示，BHB-II的母線電壓穩(wěn)定控制在380V，而BHB-IV的母線電壓波形為部分正弦，當電網電壓絕對值|vg|小于輸入電壓 vin時，母線電壓 vdc基本與輸入電壓 vin相等，當電網電壓絕對值|vg|大于輸入電壓 vin時，母線電壓帶一定包絡的正弦波頭，a、b 點間輸出電壓也呈現多臺階特征。BHB-II 的 Boost 電感電流為 100Hz 的類正弦波；而 BHB-VI 型逆變器由于旁路二極管 Db1的作用

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文其計算公式如下：10% 20% 30% 50% 75% 100%0.04 0.05 0.12 0.21 0.53 0.05CEC (2-37)5% 10% 20% 30% 50% 100%0.03 0.06 0.13 0.1 0.48 0.2EU (2-38)其中，ηx%為逆變器工作在 x%的額定功率情況下的效率。
【參考文獻】

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1 楊曉光;姜龍斌;馮俊博;汪友華;;一種新型高效無變壓器型單相光伏逆變器[J];電工技術學報;2015年08期

2 王強;張化光;褚恩輝;劉秀翀;侯利民;;軟開關PWM逆變器拓撲結構及效率分析[J];電機與控制學報;2009年03期

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本文編號：2861654