双降压式光伏并网逆变器及其滑模控制非线性研究

摘要

现有双降压式光伏并网逆变器拓扑在并网电流续流期间并未实现直流电压与交流电网的隔离，共模电压高频变化，存在较大的高频共模漏电流，难以满足VDE-0126-1-1对漏电流的标准。因此若要并入电网，现有双降压式光伏并网逆变器需要安装昂贵的大体积隔离变压器或高压交流滤波电容器。针对该问题，本文在分析现有双降压式光伏并网逆变器拓扑和共模漏电流的基础上，提出具有低成本、小体积的无变压器型双降压式光伏并网逆变器拓扑，并对其共模漏电流抑制方法进行研究。滑模变结构控制具有动态相应快、鲁棒性强等优点，广泛地应用于对逆变器的控制中。滑模控制的逆变器本质上是一种由非线性控制方式控制的时变非线性系统，具有复杂的非线性行为。本文以滑模变结构控制无变压器型单电感配置双降压式光伏并网逆变器为例，对其非线性行为和非线性分析方法进行研究。本文主要研究内容包括：　　(1)针对采用单极性正弦脉冲宽度调制的传统对称电感配置双降压式光伏并网逆变器存在较大高频共模漏电流的问题，提出一种无变压器型对称电感配置双降压式光伏并网逆变器拓扑，并对其调制策略、工作模态和共模漏电流进行了研究。　　(2)倍频双降压式光伏并网逆变器具有并网电流纹波小和较高的等效开关频率等优点，但现有倍频双降压式光伏并网逆变器在整个工频周期内存在较大的高频共模漏电流。针对该缺陷，提出了一种无变压器型倍频双降压式光伏并网逆变器拓扑，并与现有倍频双降压式光伏并网逆变器进行了比较研究，研究表明高频共模漏电流得到了有效抑制。　　(3)单电感配置双降压式光伏并网逆变器具有滤波电感数少、体积小等优点，但现有单电感配置双降压式光伏并网逆变器在正半周期存在较大的高频共模漏电流。针对该缺陷，本文提出了一种无变压器型单电感配置双降压式光伏并网逆变器，研究表明该逆变器可有效抑制高频共模漏电流。然后，详细分析了该逆变器从非解耦模态转换到解耦模态时，开关管集电极-发射极电容对共模漏电流的影响，得出可通过集电极-发射极电容参数匹配的方法抑制其瞬态漏电流，并指出该方法可以应用在如无变压器型对称电感配置双降压式光伏并网逆变器，无变压器型倍频双降压式光伏并网逆变器等无变压器型并网逆变器拓扑中。　　(4)为了提高双降压式光伏并网逆变器的电能质量和功率等级，同时抑制其共模漏电流，本文提出一种无变压器型级联双降压式光伏并网逆变器拓扑，并给出了可保持其高频共模电压保持恒定的单极性双载波正弦脉宽调制策略。通过建立无变压器型级联双降压式光伏并网逆变器的高频共模等效模型，详细分析了该逆变器的工作模态和共模漏电流特性。同时，分析了电网电压对漏电流的影响，指出n个双降压式光伏并网逆变器级联时系统漏电流亦可得到有效抑制。　　(5)为了分析滑模控制无变压器型单电感配置双降压式光伏并网逆变器系统的非线性行为，本文首先采用频闪映射法建立了其离散迭代映射模型。然后，通过选择不同滑模控制系数ε绘制的折叠图发现系统存在一种从周期1态突变为倍周期态的状态突变现象，且状态突变位置随着参数的不同而不同。接着，详细分析了状态突变现象产生的机理，提出一种能正确判断状态突变点的判据，并给出一种新型变采样点逆变器分岔图绘制方法。该方法绘制的逆变器分岔图不仅能准确地确定滑模控制参数的稳定工作域，且能用于分析其分岔不稳定现象。

目录

声明

主要符号对照表

第1 章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 无变压器型PPGS 的共模漏电流问题

1.2.1 太阳能电池组件的对地寄生电容

1.2.2 PPGS中的对地共模漏电流

1.2.3 共模漏电流相关的安规标准及抑制条件

1.3 无变压器型光伏并网逆变器拓扑及其共模漏电流抑制研究现状

1.3.1 无变压器型桥式光伏并网逆变器

1.3.2 对称电感配置双降压式光伏并网逆变器拓扑

1.3.3 倍频DPGCI拓扑

1.3.4 单电感配置DPGCI拓扑

1.3.5 光伏并网逆变器共模漏电流的抑制研究

1.4 并网逆变器非线性行为研究现状

1.4.1 逆变器非线性行为研究的常用方法

1.4.2 并网逆变器非线性研究现状

1.5 本文主要工作

1.5.1 主要内容安排

1.5.2 主要创新点

第2 章无变压器型对称电感配置双降压光伏并网逆变器

2.1 引言

2.2 对称电感配置DPGCI

2.2.1 对称电感配置DPGCI共模等效模型

2.3.2 对称电感配置DPGCI工作模态及共模电压分析

2.3 无变压器型对称电感配置DPGCI

2.3.1 无变压器型对称电感配置DPGCI拓扑的推导

2.3.2 单极性SPWM调制及其共模等效模型

2.3.3 无变压器型对称电感配置DPGCI工作模态及共模电压分析

2.4 实验对比分析

2.4.1 基于QuaRC的数字电力电子控制平台

2.4.2 基于Simulink/QuaRC的无变压器型对称电感配置DPGCI实验系统

2.4.3 直接电流控制对称电感配置DPGCI系统及其实验分析

2.4.4 直接电流控制无变压器型对称电感配置DPGCI及其实验分析

2.4.5 效率测试与对比分析

2.5 本章小结

第3 章无变压器型倍频双降压式光伏并网逆变器

3.1 引言

3.2 倍频DPGCI

3.2.1 倍频DPGCI拓扑

3.2.2 倍频SPWM调制策略

3.2.3 倍频DPGCI共模电路等效模型

3.2.4 倍频DPGCI的工作模态及其共模漏电流分析

3.3 无变压器型倍频双降压式光伏并网逆变器

3.3.1 无变压器型倍频DPGCI拓扑

3.3.2 无变压器型倍频DPGCI调制策略及驱动波形

3.3.3 无变压器型倍频DPGCI共模等效电路

3.3.4 无变压器型倍频DPGCI工作模态及漏电流分析

3.4 直接电流控制及其电路仿真

3.4.1 直接电流控制倍频DPGCI及其电路仿真

3.4.2 直接电流控制无变压器型倍频DPGCI及其电路仿真分析

3.5 对比实验分析

3.5.1 基于Simulink/QuaRC的无变压器型倍频DPGCI实验系统

3.5.2 倍频DPGCI实验分析

3.5.3 无变压器型倍频DPGCI实验分析

3.5.4 效率测试与对比分析

3.6 本章小结

第4 章无变压器型单电感配置双降压式光伏并网逆变器

4.1 引言

4.2 单电感配置DPGCI 拓扑及其共模漏电流分析

4.2.1 单电感配置DPGCI拓扑及其调制策略

4.2.2 单电感配置DPGCI共模漏电流分析

4.3 无变压器型单电感配置DPGCI

4.3.1 无变压器型单电感配置DPGCI拓扑及其等效共模电路

4.3.2无变压器型单电感配置DPGCI工作模态及其共模漏电流

4.4 开关管集电极-发射极电容对漏电流的影响

4.4.1无变压器型单电感配置DPGCI的模态转换

4.4.2 模态1转换为模态2的过渡过程

4.4.3 模态3转换为模态4的过渡过程

4.5 对比实验分析

4.5.1 基于Simulink/QuaRC的无变压器型单电感配置DPGCI实验系统

4.5.2 单电感配置DPGCI实验结果分析

4.5.3 无变压器型单电感配置DPGCI实验结果分析

4.5.4 效率测试与对比分析

4.6 本章小结

第5 章 无变压器型级联型双降压式光伏并网逆变器

5.1 引言

5.2 无变压器型级联DPGCI 拓扑及其调制策略

5.3 无变压器型级联DPGCI 工作模态与高频共模漏电流分析

5.3.1 高频共模等效电路

5.3.2 无变压器型级联DPGCI高频共模漏电流分析

5.4 电网电压对漏电流的影响

5.4.1 对称无变压器型级联DPGCI低频共模漏电流分析

5.4.2 非对称型无变压器型级联DPGCI低频共模漏电流分析

5.5 无变压器型级联DPGCI 实验结果分析

5.5.1 双载波直流电流控制

5.5.2 基于Simulink/QuaRC的无变压器型级联DPGCI实验系统

5.5.3 无变压器型级联DPGCI实验结果与分析

5.6 本章小结

第6 章 无变压器型单电感配置DPGCI的滑模控制非线性行为研究

6.1 引言

6.2.1 SMC控制无变压器型单电感配置DPGCI系统

6.2.2 SMC控制无变压器型单电感配置DPGCI离散迭代映射模型

6.3 SMC控制无变压器型单电感配置DPGCI系统非线性行为分析

6.3.1 传统逆变器分岔图绘制与非线性行为分析

6.3.2 系统折叠图、时域图与频谱图分析

6.3.3 状态突变现象的产生机理

6.3.4 状态突变周期判据

6.3.5 状态突变判据数值仿真分析

6.4 变采样点分岔图的绘制与非线性行为分析

6.5 实验结果

6.5.1 状态突变判据实验分析

6.5.2 变采样点分岔图实验分析

6.6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果