第 1 章 緒論

1.1 T 型三電平光伏并網(wǎng)逆變器的研究目的及意義
在形式多樣的太陽能利用技術(shù)中，光伏并網(wǎng)發(fā)電無疑是一種主要的形式，很早就受到許多西方國家的高度重視，德國、美國、日本等國家自從 20 世紀 70 年代開始，就投入到對光伏發(fā)電技術(shù)的研究中，在太陽能電池的效率和材料、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)投入生產(chǎn)的形式等方面不斷取得突破性進展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，技術(shù)也日漸成熟。相比之下，我國太陽能資源豐富，有巨大的開發(fā)潛能，從 1958 年開始研究至今，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了較好的基礎(chǔ)，生產(chǎn)了大量光伏發(fā)電組件，與此同時，獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。但是，情況并不容樂觀，與國外相比，國內(nèi)的太陽能電池技術(shù)仍然有所欠缺，例如光電轉(zhuǎn)換效率低、封裝效果差，與國外相比，在整體上存在一定的差距，更重要的是，光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電技術(shù)并不成熟，尤其是并網(wǎng)逆變器和控制器沒有實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品的可靠性較低，大多產(chǎn)品都是進口的國外產(chǎn)品[1]。在新能源和清潔能源備受矚目的新世紀，促進開發(fā)利用太陽能是一個國家實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路，是各國能源戰(zhàn)略互相較量的硬實力的體現(xiàn)，光伏發(fā)電技術(shù)標志著一個國家對太陽能利用的能力，因此，必須盡快掌握其核心技術(shù)。
光伏并網(wǎng)逆變器的作用是聯(lián)系初始太陽能與公用電網(wǎng)的紐帶，這個環(huán)節(jié)決定著電能轉(zhuǎn)換的效率和質(zhì)量，因此，要求并網(wǎng)逆變器具有較高的效率和可靠性，同時要求逆變輸出的并網(wǎng)電流總諧波失真（Total Harmonic Distortion, THD）較小。近年來，光伏發(fā)電工業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，在這種日益注重效率和可靠性的系統(tǒng)中，想要在效率和成本之間取得平衡，在解決逆變系統(tǒng)固有問題的同時，提高逆變電源輸出的電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性顯得尤為重要，這也是本文主要的研究目的。

T 型中點箝位型三電平光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)是近年來得到應(yīng)用的一種拓撲結(jié)構(gòu)，自從被提出來就得到了各國學者的高度重視，其電路本身具有的優(yōu)點被學者們廣泛關(guān)注，對其進行了大量研究。但是該結(jié)構(gòu)存在中點電位波動的固有問題，也會產(chǎn)生較高的共模電壓，這些問題在整體上大大拉低了系統(tǒng)的性能，是亟待解決的問題。解決以上這些問題，可以顯著提高并網(wǎng)逆變器的整體性能。本文在比較了三電平逆變器拓撲電路的基礎(chǔ)上，重點針對 T 型三電平逆變器，分析了電路的結(jié)構(gòu)特點、換流過程及工作原理，并建立了 T 型三電平逆變器的數(shù)學模型。

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1.2 國內(nèi)外光伏逆變器的發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)外光伏逆變器行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國的光伏發(fā)電技術(shù)多是直流發(fā)電形式，直流系統(tǒng)易于設(shè)計，成本又低，在我國的西北地區(qū)用的都是直流系統(tǒng)。但負載直流電壓不同，難以使系統(tǒng)標準化。而主要用戶多為交流負載，直流形式的光伏產(chǎn)品難以市場化。雖然如此，在新能源發(fā)展的大環(huán)境下，國內(nèi)的光伏發(fā)電行業(yè)迅速發(fā)展起來，其中并網(wǎng)逆變器行業(yè)不斷崛起，發(fā)展迅速。截至到 2014 年，知名的光伏逆變器的生產(chǎn)企業(yè)主要有[2]：合肥陽光電源、特變電工股份有限公司、華為、中國南車、廣東易事特電源、深圳科士達、北京科諾偉業(yè)、正泰集團、山億新能源、北京能高自動化等，這些企業(yè)在可再生能源并網(wǎng)發(fā)電方面已有一定的基礎(chǔ)，生產(chǎn)的產(chǎn)品具有較廣闊的市場。南車集團在 2009 年涉足光伏領(lǐng)域，經(jīng)過 4 年的發(fā)展，公司產(chǎn)品已經(jīng)遍布于國內(nèi)十幾個省市，2013 年研制的低成本、小體積 500 千瓦的光伏逆變器在青海光伏電站裝機并投入使用，該產(chǎn)品已經(jīng)可以同國外同類產(chǎn)品相媲美。通信企業(yè)華為自 2012 年進軍光伏逆變行業(yè)，在短期內(nèi)即成功生產(chǎn)出具有競爭力的產(chǎn)品，在組串式小型逆變器的市場彰顯了雄厚實力。華為的跨界進軍得到了中廣核集團的大力支持，中廣核表示在指定工程中只選用組串式逆變器。華為在可再生新能源領(lǐng)域注入數(shù)字信息技術(shù)，有利于實現(xiàn)兩個產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，對智能電網(wǎng)行業(yè)具有巨大的推動作用。但是，因為美國對中國光伏產(chǎn)品進行“雙反”打擊，難以擴展國外光伏市場，因此更多的企業(yè)將長遠目標鎖定在國內(nèi)。近年來我國政府陸續(xù)推出了支持新能源的政策，使得光伏市場在國內(nèi)不斷擴大。

與國內(nèi)相比，國外研究光伏逆變器較早。在全球范圍內(nèi)，歐美國家是光伏逆變器市場的主要集中地，是生產(chǎn)廠家的主要分布地區(qū)。截止 2013 年 9 月，主導光伏逆變器市場的廠家?guī)缀鮼碜詺W洲，市場份額達到了 80%以上。隨著近年來光伏逆變器行業(yè)競爭越來越激烈，提高各自實力尤為重要，使得許多大型光伏廠家進行并購。在全球范圍 內(nèi) ， 實 力 較 強 的 光 伏 逆 變 器 知 名 廠 商 仍 然 集 中 在 歐 美[3]。 德 國 的SMASolarTechnologyAG（SMA）是全球范圍內(nèi)在逆變器領(lǐng)域的頭號企業(yè)，2013 年，SMA 以收購中國江蘇兆伏愛索新能源股份的形式進入了中國市場。德國的 KACO 新能源公司專業(yè)生產(chǎn)逆變器，因此其技術(shù)水平相對較高。

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第 2 章 T 型三電平逆變器的工作原理分析

2.1 三電平逆變器的拓撲分類
經(jīng)過了四十多年的發(fā)展，多電平逆變器的拓撲電路已經(jīng)形成了以二極管中點箝位型（Neutral Point Clamped, NPC）、飛跨電容型、H 橋級聯(lián)型這三種拓撲電路為基礎(chǔ)，以及這三種結(jié)構(gòu)形式經(jīng)過變化和組合衍生出來的電路拓撲，這些電路奠定了多電平逆變器的硬件基礎(chǔ)。
2.1.1 三電平逆變器的主要拓撲電路
二極管箝位型電路的每相電路有兩個二極管，二極管將其與橋臂上連接點的電壓箝位到零，也就是直流母線電壓中點的電位，還能避免兩個分壓電容發(fā)生短路。飛跨電容箝位型逆變器的電路如圖2.2所示，其工作原理與二極管箝位型類似。但由于三相各有一個箝位電容，使得逆變器的開關(guān)狀態(tài)選擇過程更加多變，同時增加了系統(tǒng)的空間體積，成本較高，封裝難度加大。

比較以上三種拓撲結(jié)構(gòu)，共同的優(yōu)點是它們均適合應(yīng)用在高壓大功率的領(lǐng)域，輸出電壓的波形更接近正弦波，諧波含量少，開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗小，且電磁干擾不強。二極管箝位型的電路結(jié)構(gòu)簡單，容易擴展，其缺點是需多個箝位二極管，對耐壓要求高，每相開關(guān)管的損耗分布不均，存在中點電位波動問題。飛跨電容型電路的開關(guān)狀態(tài)組合形式多樣、控制簡單，缺點是電路需要多個箝位電容，成本高，存在中點電位波動問題，控制復(fù)雜，開關(guān)損耗較大。級聯(lián)型電路無中點電位波動問題，電壓低容量小，易于模塊化，缺點是需多個獨立的直流電源。

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2.2 T 型三電平逆變器的工作原理分析
2.2.1 T 型三電平逆變器的拓撲分析
T 型逆變電路與二極管箝位型電路相比，每相省去了兩個箝位二極管，以兩個開關(guān)管串聯(lián)形成一個雙向開關(guān)連接于直流分壓電容中點與每相兩個垂直連接的開關(guān)管之間，每相的四個開關(guān)管兩兩連接，一橫一縱，形成了一個“T”字形的結(jié)構(gòu)形式。橫向串聯(lián)的兩個開關(guān)管的接法可以分為共射集連接和共集電極連接方式，如圖 2.5 所示。
圖 2.5（a）所示的共射極三相 T 型電路需要 7 路獨立的柵極驅(qū)動電源，圖 2.5（b）所示中的共集電極三相 T 型電路需要 5 路獨立的柵極驅(qū)動電源，因此，共集電極電路更利于提高功率密度；但是共射極連接方式需要的阻斷電壓低，同時具有較低的開關(guān)損耗和傳導損耗[64,65]。由于逆變器對損耗要求較高，所以本文針對的研究對象是基于共射極結(jié)構(gòu)形式進行的。T 型三電平逆變器的電路結(jié)構(gòu)如圖 2.6 所示，光伏電池輸出為原始的直流電壓信號，逆變器三相輸出通過 RL 濾波后與電網(wǎng)負載連接，三相逆變器由 12 個開關(guān)器件（IGBT）構(gòu)成，逆變器的每一相包含了 4 個開關(guān)器件，T1和 T4分別連接直流供給電壓的正母線和負母線，T2和 T3連接直流環(huán)中點和負載。C1和 C2是直流側(cè)的兩個分壓電容。每相的橋臂的輸出可連接到直流母線的正端、中性點和負端，要得到正電平，可閉合 T1，要得到零電平可閉合 T2和 T3，得到負電平可閉合 T4來分別實現(xiàn)。但是這種實現(xiàn)方式需要一個依賴電流的換向序列。因此，可以采用另一種更簡單的獨立于電流方向的換向方法。獨立于電流方向的換向方法就是當 T1和 T2同時閉合時得到正電平，當 T2和T3同時閉合時得到零電平，當 T3和 T4閉合時得到負電平，那么電流換向自然會沿著正確的支路進行，同時獨立于電流方向。
2.2.2 T 型三電平逆變器的換流過程分析
下面通過圖 2.7 舉例來說明電路的換流過程。

首先，考慮三電平逆變器輸出正電平轉(zhuǎn)換到零電平的情況，輸出為正電平時，其輸出端與正母線端相連，T1和 T2閉合。為了轉(zhuǎn)換到中性點零電位，T1斷開，經(jīng)過導通延遲后使 T3閉合。在 T1關(guān)斷的過程中，電流自然的流經(jīng) T2和 T3的體二極管 D3到中點零電位，該過程如圖 2.7（a）所示。而當電流為負相時，原理相同，其換流過程如圖 2.7（b）所示。相反的，若要從零電平轉(zhuǎn)換到正電平，則首先使開關(guān)管 T3斷開，經(jīng)過導通延遲后使得 T1閉合。

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第 3 章 基于模型預(yù)測的三電平逆變器的中點電位控制.............21
3.1 功率逆變器的控制技術(shù)分類及特點 ........................21
3.2 模型預(yù)測控制原理 .......................................23
第 4 章 基于模型預(yù)測的三電平逆變器的共模電壓抑制..........35
4.1 T 型三電平并網(wǎng)逆變器的共模電壓分析 .................... 35
4.1.1 共模電壓產(chǎn)生的原因................................. 35

第 5 章 結(jié)論...............................................47

第 4 章 基于模型預(yù)測的三電平逆變器的共模電壓抑制

三電平逆變器的開關(guān)管數(shù)量較多，控制目標也多，除了存在中點電位波動問題，還會產(chǎn)生較大的共模電壓。由于模型預(yù)測控制可以利用一個指標函數(shù)對多個目標進行約束，因此，可增加指標函數(shù)的控制目標，同時實現(xiàn)對三電平并網(wǎng)逆變器的中點電位平衡控制和共模電壓抑制。

4.1 T 型三電平并網(wǎng)逆變器的共模電壓分析
4.1.1 共模電壓產(chǎn)生的原因
現(xiàn)代電力電子器件得到了快速的發(fā)展，與此同時，帶動了以電力電子開關(guān)器件為主體的大功率電力電子行業(yè)的快速發(fā)展。在諸多應(yīng)用中，逆變器控制技術(shù)不斷發(fā)展，其開關(guān)頻率逐漸提高，開關(guān)管的開關(guān)頻率已經(jīng)達到幾十千赫茲甚至更高。雖然這些都顯著的提高了逆變器系統(tǒng)的性能，與此同時，，也產(chǎn)生了一些負面影響。高電壓變化率的共模電壓就是其中一種，共模電壓會通過寄生電容產(chǎn)生較高頻率的對地漏電流，形成電磁干擾，會使負載設(shè)備壽命減短，同時危害人身安全。
與二極管箝位型三電平逆變器相似，T 型三電平并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)也要解決中點電位平衡控制的固有問題，此外，還不可避免的會產(chǎn)生較大的共模電壓，因此需要采取有效的措施對并網(wǎng)逆變器的共模電壓進行抑制。
4.1.2 共模電壓的數(shù)學模型

由以上分析可以知道，當 T 型三電平并網(wǎng)逆變器的直流電壓值設(shè)置一定時，其產(chǎn)生的共模電壓僅取決于逆變器的輸出電壓，而其輸出電壓又取決于開關(guān)狀態(tài)，因此，開關(guān)狀態(tài)直接決定了逆變器共模電壓的大小。T 型三電平并網(wǎng)逆變器的開關(guān)狀態(tài)與共模電壓的對應(yīng)關(guān)系如表 4.1 所示。由表 4.1 可以直觀的看到，共模電壓的峰值是隨著對空間矢量的選擇而變化的，共有 7 種值。其中，共模電壓的最小值為 0，而最大值則達到直流電壓的一半。因此，本文主要對較大的共模電壓峰值進行抑制。

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第 5 章 結(jié)論

作為太陽能初始能源與電網(wǎng)連接的關(guān)鍵設(shè)備，并網(wǎng)逆變器的性能在整個發(fā)電過程中尤為重要。T 型三電平逆變器與傳統(tǒng)的三電平逆變器相比，在光伏并網(wǎng)領(lǐng)域中具有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。本文基于 T 型三電平并網(wǎng)逆變器電路，針對中點電位的平衡控制及共模電壓抑制兩個主要問題，進行了深入研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：

由于時間及自身能力有限，本文的研究還存在不足之處。對 T 型三電平并網(wǎng)逆變器而言，能夠?qū)崿F(xiàn)中點電位的平衡控制的同時，兼顧共模電壓的抑制固然是比較理想的，但是采用模型預(yù)測控制方法不能夠完全消除共模電壓，只能將其抑制在較小的范圍內(nèi)。因此，今后要對該問題進行進一步的研究。

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參考文獻（略）

本文編號：242324