开关电感型Z源逆变器及其在光伏并网系统中的应用研究

摘要

随着人类能源危机的日益加重，新能源发电技术受到了越来越多的关注。太阳能发电作为一种新兴的绿色能源，具有永不枯竭、无污染、不受地域限制等优点，成为了最受关注的新能源发电方式，也最有可能成为将来人类的主要能源形式。太阳能发电技术是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池板将太阳能直接转化为电能的发电技术，具有不消耗化石燃料、电能就地生产，不需要长距离输送、没有环境污染、可靠性高、寿命长、安全性能好、适合分布式发电、与其他能源系统兼容等优点，特别适用于传统电网不方便达到的偏远地区的供电。太阳能发电系统主要包括光伏电池板、逆变器及其控制系统组成，目标是通过控制并网逆变器实现并网电流与电网电压同相位，并网电流谐波畸变率低，并能适应光伏电池板功率随着环境因素变化的特性即实现最大功率跟踪功能。并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部件和关键技术。传统的光伏并网逆变器主要有电压源型和电流源型的并网逆变器，传统的逆变器都存在一定的缺点与局限性，比如传统的电压源逆变器不能实现单级的升压功能，在光伏并网系统中应用时要加入前级的Boost升压电路，这样增加了系统的体积与成本降低了效率，而且传统的电压源并网逆变器不允许同-桥臂的上下管同时导通，为了增强系统的可靠性要对同一桥臂的上下管导通信号中加入死区时间，而死区的加入会影响逆变器输出的并网电流的波形质量。
　　Z源逆变器的提出克服了传统逆变器的不足。Z源逆变器是在传统电压源逆变器和直流电源之间接入-个由电感、电容组成的对称阻抗网络而形成的新型电力电子变换电路，通过同-桥臂的上下管同时导通形成直通状态实现单级的升压与逆变功能提高了系统效率，较传统逆变器Z源逆变器允许同-桥上下管直通克服了传统逆变器因电磁干扰而造成的误导通从而损坏逆变器的情况，而目不需要加入死区时间提高了逆变输出的波形质量。由于Z源逆变器较传统的逆变器具有上述独特的优点所以一经提出就受到了广泛的关注与研究，对Z源逆变器的研究主要集中在其拓扑的改进与并网控制的控制策略方面的研究。
　　本文通过研究传统Z源逆变器的特点，提出一种新型的开关电感型的Z源逆变器，分析其工作原理和控制方法为其在光伏并网系统中的应用打下基础，并采用改进的无差拍解耦控制策略将开关电感型的Z源逆变器应用到光伏并网系统中。本文研究工作主要包括以下三个部分。
　　第一部分，对传统Z源逆变器进行研究，在此基础上提出开关电感型的Z源逆变器，并分析其工作原理和控制方法并通过MATLAB仿真与实验验证。并对两者的性能进行比较得出开关电感型Z源逆变器在光伏并网系统中应用的优越性。
　　第二部分，分析研究现有的基于Z源的光伏并网控制策略，提出改进的无羞拍解耦控制策略与改进的空间矢量相结合的控制方法并将其应用在开关电惑型的Z源并网系统中。并通过MATLAB仿真软件对控制策略进行仿真与实验验证。
　　第三部分，调试基于开关电感型Z源逆变器的光伏并网样机，重点对逆变器控制部分的硬件电路部分进行设计与调试，主要包括电压电流采集模块、故障捡测模块、锁相环模块、开关量模块、开关信号的光耦隔离模块等。并给出主要的软件控制设计方法，最终实现样机的基本并网运行动能。
　　最后对本文所做的工作进行了总结，并对需要进一步开展的工作以及进一步的研究方向进行了展望。