H桥级联型光伏并网逆变器调制策略的优化研究

摘要

H桥级联型多电平逆变器由于其模块化的设计，每个模块的直流侧都可以接光伏板并实现独立的MPPT控制。从而作为新一代的光伏并网逆变器已经成为当下的研讨热门，与传统的中点钳位型逆变器相比，级联H桥逆变器具有输出电压谐波含量小、输出滤波器体积较小、易于模块化等诸多优点，因此级联H桥逆变器在光伏并网逆变器中具有很好的应用前景。
　　当H桥级联型逆变器应用在光伏发电场合时，每个模块的直流侧光伏电池板工作在相同MPP时，采用传统的载波移相调制策略可以使得逆变器输出电压的等效开关频率倍频化，从而消除低频边带谐波。但当各个H桥模块的直流侧光伏板由于环境、自身老化等因素导致模块功率不平衡时，这种调制方法的倍频效应将会失效。同时，为了节省成本取消H桥级联逆变器直流侧的隔离变压器，这就会导致光伏板对地寄生电容与电网的连接产生漏电流，从而危及系统和人生安全，传统的H4桥级联型拓扑在功率完全平衡的情况下，漏电流调制方法抑制效果较好，但当直流侧功率不平衡的情况下，抑制效果将会降低甚至失效。
　　为此本文重点针对上述两个问题做了以下几点研究:
　　(1).通过简化的谐波分析法得出了级联H桥逆变器应用载波移相时的输出电压谐波表达式，并分析模块光伏板功率不平衡情况下对输出电压谐波特性的影响。为了消除这种影响，本文提出一种移相角实时变化的改进载波移相调制策略(MPSPWM)，该方法通过实时调整载波移相角从而消除由模块功率不平衡导致的输出电压低频谐波（载波频率及其倍数次）畸变，提高逆变器输出电压的电能质量。
　　(2).针对直流侧功率不平衡情况下漏电流抑制问题，提出了一种H6桥级联型拓扑，并对其进行了详细的漏电流数学建模分析，并得出漏电流数学表达式，并在直流侧功率不平衡的基础上将改进载波移相调制策略(MPSPWM)应用于H6桥级联型拓扑，与传统的H4桥级联型拓扑应用载波层叠解决漏电流问题相比，本文所提方法能够在直流侧功率不平衡的情况下很好的解决漏电流抑制问题。
　　(3).设计搭建了单相H桥级联仿真模型和实验样机，详细介绍了仿真模型参数和样机软硬件设计方案，最后仿真与实验验证了所提的改进调制策略的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 常见非隔离型多电平光伏并网逆变器拓扑

1．2．1 中点钳位型拓扑

1．2．2 飞电容型拓扑

1．2．3 级联模块型拓扑

1．3 H桥级联型光伏并网逆变器存在问题与研究现状

1．3．1 H桥级联型光伏并网逆变器存在问题

1．3．2 国内外研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第二章 H桥级联型光伏并网逆变器运行原理

2．1 H桥级联型光伏并网逆变器

2 ．2 H桥级联型光伏并网逆变器调制策略

2．2．1 低频方波调制

2．2．2 高频载波调制

2．3 H桥级联型光伏并网逆变器控制策略

2．3．1 控制的基本原理与目标

2．3．2 电压环控制

2．3．3 电流环控制

2．3．4 功率平衡控制

2．4 本章小结

第三章 H桥级联型光伏并网逆变器载波移相调制策略优化

3．1 H桥级联型逆变器输出电压谐波分析

3．1．1 傅立叶展开介绍

3．1．2 单H桥模块输出电压谐波分析

3．1．3 多H桥模块级联输出电压谐波分析

3．2 改进载波移相调制策略

3．2．1 改进载波移相调制策略基本原理

3．2．2 三模块级联系统改进载波移相调制策略

3．2．3 三模块级联系统改进载波移相调制策略有效性分析

3．2．4 三模块级联系统改进载波移相调制策略控制流程

3．3 仿真分析

3．3．1 功率平衡下MPSPWM调制与PSPWM调制对比仿真

3．3．2 功率不平衡下MPSPWM调制与PSPWM调制对比仿真

3．4 本章小结

第四章 H桥级联型光伏并网逆变器漏电流抑制策略优化

4．1 级联型光伏并网逆变器漏电流分析

4．1．1 H4桥级联型并网逆变器漏电流抑制策略存在问题分析

4．1．2 H6桥级联型并网逆变器漏电流分析

4．2 H6桥级联型光伏并网逆变器漏电流抑制调制策略

4．3 仿真分析

4．3．1 两模块级联系统仿真对比

4．3．2 三模块H6桥级联在功率不平衡情况下应用MPSPWM调制仿真

4．4 本章小结

第五章 样机搭建与实验分析

5．1．1 样机参数概述

5．1．2 样机控制系统介绍

5．1．3 从站通讯硬件设计

5．1．4 硬件电路设计

5．2 软件及流程设计

5．2．1 主站软件设计

5．2．2 从站软件设计

5．3 样机实验及实验结果分析

5．3．1 功率平衡下MPSPWM调制与PSPWM调制对比实验

5．3．2 功率不平衡下MPSPWM调制与PSPWM调制对比实验

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文