一种H6拓扑非隔离型光伏并网逆变器的研究--《安徽理工大学》2014年硕士论文
一种H6拓扑非隔离型光伏并网逆变器的研究
【摘要】：随着光伏技术的日益发展,对太阳能的利用逐渐从无电地区发展到有电地区,许多国家都推出了光伏发电计划。目前我国在这一方面的应用,主要是在大型电站方面,在家用型屋顶光伏应用还是比较少的。从全球发展趋势来看,小型化、智能化和模块化将是未来光伏并网型逆变器主要发展趋势。在光伏并网发电系统中,逆变器实现把太阳能电池板产生直流电能转化为和电网同频同相的交流电能并且馈入电网,光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的枢纽单元。不同的应用场合可以选择不同的并网型逆变器,本文的研究方向是分布式光伏发电系统,主要针对单相非隔离型光伏并网逆变器进行研究。
文章首先概述了光伏并网发电的国内外发展情况及研究现状,对光伏并网发电系统做了简要介绍。其次,在单相并网逆变器的模型上分析了共模漏电流的产生机理,得到了不同拓扑不同PWM调制策略下的漏电流产生条件。在总结了能够抑制共模漏电流的不同拓扑结构的基础上,提出了一种对共模漏电流抑制作用较好且高效率的H6桥式逆变拓扑。以此为基础,给出了一款两级式单相非隔离型光伏并网逆变器总体设计方案。
接着,详细分析研究了光伏并网逆变器的控制策略。在分析总结了目前常用的最大功率点追踪控制策略基础上,提出了一种基于瞬时功率检测的变步长式扰动观察法MPP控制策略。由于光伏并网型逆变器存在直流输入电压波动、逆变桥壁需要死区控制和电网不稳定等问题,从而导致逆变器并入电网的电流存在波形畸变,电能质量下降等问题,并网电流控制采用基于电网电压前馈的双闭环PI控制方案。电网电压前馈环节消除了电网的干扰,利用双闭环PI控制方法改善逆变器的动态特性。
最后,利用仿真软件Matlab/simulink,对所设计的光伏并网发电系统进行了理论仿真,仿真结果表明设计的正确性、合理性。在实验室试制了一台2KW光伏并网逆变器试验样机,详细分析了硬件电路及基于DSP芯片的系统控制软件的设计,实验结果验证了设计的合理性。
【关键词】：
【学位授予单位】：安徽理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TM464【目录】：
摘要5-6Abstract6-121 绪论12-22 1.1 课题背景及意义12-14 1.2 光伏发电国内外状况及前景14-15
1.2.1 国外发展状况及前景14
1.2.2 国内发展状况及前景14-15 1.3 光伏并网发电系统研究现状15-20
1.3.1 光伏并网发电系统概述15-17
1.3.2 光伏并网发电系统体系结构17-18
1.3.3 光伏并网发电系统电路拓扑研究现状18-20 1.4 论文主要内容20-222 光伏并网系统共模漏电流分析及抑制措施22-33 2.1 光伏并网系统中分布电容分析22-23 2.2 单相非隔离型并网逆变器共模漏电流模型23-27 2.3 单相非隔离型并网逆变器无共模漏电流条件27-28 2.4 一种非隔离型对称H6拓扑28-333 系统总体设计方案33-39 3.1 系统总体设计33-34 3.2 DC/DC电路分析34-39
3.2.1 Boost电路结构及工作原理34-35
3.2.2 Boost电路实现MPPT分析35-37
3.2.3 Boost电路中参数计算37-394 光伏并网逆变器控制策略研究39-49 4.1 光伏并网逆变器总体控制策略39-41
4.1.1 两级式光伏并网逆变器控制策略39-40
4.1.2 单级式光伏并网逆变器控制策略40
4.1.3 两级式协调控制策略40-41 4.2 两级式光伏并网逆变器MPPT控制方式41-43 4.3 光伏并网逆变器并网电流控制43-47
4.3.1 电压外环控制策略44-45
4.3.2 电流内环控制策略45-47 4.4 基于Simulink的控制系统仿真分析47-495 光伏并网逆变系统实验分析49-68 5.1 系统构成49 5.2 系统硬件设计49-60
5.2.1 主电路基本器件选型49-52
5.2.2 DSP端口配置及外围电路设计52-56
5.2.3 驱动电路设计56-57
5.2.4 采样电路设计57-60 5.3 系统软件设计60-65
5.3.1 主程序框架及流程图60-61
5.3.2 软件锁相环实现61-63
5.3.3 SPWM调制实现63
5.3.4 扰频法孤岛检测实现63-65 5.4 系统实验及分析65-686 总结与展望68-69参考文献69-72致谢72-73作者简介及读研期间主要科研成果73
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京公网安备75号一种新型单相非隔离型光伏并网逆变器研究
> 一种新型单相非隔离型光伏并网逆变器研究
一种新型单相非隔离型光伏并网逆变器研究
下面分析H6拓扑结构的共模电压。如图3所示，电网电压正半周，当V2，V5导通时，A点对直流地电压为输入电压Udc，B点对直流地电压为零。此阶段共模电压压ucm=0．5(Udc+0)=0．5Udc。本文引用地址： 当V2，V5关断时，V1&，VD2续流。此时利用关断的V2，V4的结电容实现均压，A点对直流地电压为0．5Udc。同样，利用关断的V3，V5的结电容实现均压，B点对直流地电压也为0．5Udc。此阶段，uCM=0．5(0．5Udc+0．5Udc)=0．5Udc。 电网电压负半周期的共模电压分析与正半周期类似，其值也是0．5Udc。漏电流可表示为：icm=Cpvducm／dt。可知，ucm在整个周期都保持不变，则其漏电流为零，因此，该拓扑能够抑制漏电流的产生。3 并网控制方法 为实现逆变并网，采用如图4所示的控制策略，在此重点研究PR控制算法。PI控制器在电网基波频率处的增益为有限值，系统存在稳态跟踪误差。PR控制器的传递函数DPR(s)=kp+2krs／(s2+&02)。PR控制器在基波频率处的增益为：
可见，PR控制器在基波频率处的增益趋近于无穷大，可实现对某一固定频率正弦指令信号的无静差跟踪控制。而并网运行时，要求控制的输出电流与电网电压频率和相位一致，以实现单位功率因数并网发电。因此，在并网逆变系统中，PR控制器比PI控制器，具有更好的跟踪效果，更适用于对并网电流的控制。 实际系统中，由于理想PR控制器难以实现，可采用一种易于实现的准PR控制器，其传递函数为：
其中，&0=314 rad／s，只需适当地选择3个控制参数kp，kr和&c。4 实验结果 根据上述分析，设计了一台2 kW的单相光伏并网逆变器实验样机。实验参数为：输入电压UPV为200～380 V；升压后的Udc=400 V；输出电压ug=220 V；输出频率fac=50 Hz；Boost电感L1=1．2 mH；光伏阵列输入电容C1=190&F；直流母线电容C2=1 500&F；输出滤波电感L2=L3= 1 mH；输出滤波电容C3=4．7&F。此外，核心控制板采用浮点型DSP：TMS320F28335。 通过WT3000功率分析仪测量得到的单相光伏并网逆变器的输入电压Upv输入电流Ipv、并网电压uac、并网电流iac的波形如图5a所示。其中，该样机在功率近似2 kW时效率可达96．822％，且近似单位功率因数运行，具有较好的性能。 图5b示出iac的总谐波柱状图。电流总谐波含量在功率为2 kW时，其值为1．206％，远优于国际专用标准IEEE Std．和UL1741对谐波的要求，从而验证了PR算法的优越性。5 结论 研究了一种新型两级式单相非隔离型光伏并网逆变器，该逆变器由前级Boost升压电路和后级H6桥式拓扑结构组成，有效抑制了漏电流的产生。通过采用跟踪性能更好的PR控制算法，提高了并网电流的品质。最后通过实验结果证明了该电路拓扑在消除漏电流的同时，具有优良的入网波形质量和高转换效率。
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>&太阳能发电系统：非隔离型并网逆变器的优点和缺点分析
太阳能发电系统：非隔离型并网逆变器的优点和缺点分析
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&在隔离型并网系统中，变压器将电能转化成磁能，再将磁能转化成电能，显然这一过程将导致能量损耗。一般数千瓦的小能量变压器导致的能量损失可达5%，甚至更高。因此，提高光伏并网系统效率的有效手段便是采用无变压器的非隔离型光伏并网逆变器的结构。
在非隔离系统中，由于省去了笨重的工频变压器或复杂的高频变压器，系统结构变简单，质量变轻，成本降低并具有相对较高的效率。
非隔离型并网逆变器按拓扑结构可以分为单级和多级两类
单级非隔离型光伏并网逆变器
光伏阵列通过逆变器直接耦合并网，因而逆变器工作在工频模式。另外，为了使直流侧电压达到能够直接并网的电压等级，一般要求光伏阵列具有较高的输出电压，这便使得光伏组件乃至整个系统必须具有较高的绝缘等级，否则将容易出现漏电现象。
多级非隔离型光伏并网逆变器结构
功率变换部分一般由DC/DC和DC/AC多级变换器级联组成，由于在该类拓扑中一般需要采用高频变换技术，因此也称为高频非隔离型光伏并网逆变器。
需要注意的是，由于在非隔离型的光伏并网系统中，光伏阵列与公共电网是不隔离的，这将导致光伏组件与电网电压直接连接。而大面积的太阳能电池组不可避免的与地之间存在较大的分布电容，因此，会产生太阳能电池对地的共模漏电流。而且由于无工频隔离变压器，该系统容易向电网注入直流分量。
实际上，对于非隔离并网系统，只要采取适当措施，同样可以保证主电路和控制电路运行的安全性，另外由于非隔离光伏并网逆变器具有体积小，质量轻，效率高，成本低等优点，这使得该结构将成为今后主要的光伏并网逆变器结构。
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一种基于MOSFET的H_6桥非隔离光伏并网逆变器_王丛
第12卷第2期2013年4月
江南大学学报(自然科学版)
JournalofJiangnanUniversity(NaturalScienceEdition)
Vol．12Apr．No．22013
一种基于MOSFET的H6桥非隔离光伏并网逆变器
王丛，惠晶
（江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122）
要：在非隔离型光伏并网系统中，抑制共模电流是一个关键技术问题。根据目前的研究现状，分析了一种H6拓扑结构，其主要特点是能够使续流回路避开MOSFET的反并联二极管，使此拓扑摘
具有高效、稳定、输出电流失真度小等优点。文中详细分析了H6拓扑的工作原理和调制方式，并与其他拓扑的器件损耗作对比，经过1kW试验样机验证了此拓扑可很好地抑制共模电流。关键词：光伏并网；非隔离；共模电流
中图分类号：TM46文献标志码：A文章编号：（40－05
ATransformlessPhotovoltaicGrid-ConnectedInverter
BasedonH6TopologybyMOSFET
WANGCong，HUIJing*
（SchooloftheInternetofThing，JiangnanUniversity，Wuxi214122，China）
Abstract：Intransformlessgrid-connectedinverters，theeliminationofleakagecurrentisoneofthekeytechnologies．Accordingtothepresentsituationofresearches，anewtopologynamedH6isproposed．Inthistopology，MOSFETbodydiodereverse-recoveryisescapedinthecontinuingcurrentcircuitsotheH6configurationfeatureshighefficiency，morestabilityandlow-outputac-currentdistortion．Thispaperfocusesonworkingprincipleandmodulationindetail，andithaslowerdevicelosscomparedwithothertopology．Finallytheresultsoftheeliminationofleakagecurrentareexperimentallyvalidated．
Keywords：PVgrid-connected，transformerless，leakagecurrent
近年来，我国光伏并网发电技术发展迅速，得
但是，光伏发电系统到了国家政策和财政的支持。
发电成本高，是阻碍其普及的关键因初期投资大、
素。因此，探索低成本、高效率、高可靠的光伏发电系统具有重要意义。
传统光伏并网系统中常采用输出变压器的隔离型并网逆变器，在电网和光伏板之间产生电气隔离，保证人身安全，同时也可以提供电压匹配和进网电流直流分量抑制，但工频变压器增加了体积、重量和成本，而高频变压器又使控制复杂化，降低
收稿日期：；
修订日期：。
非隔离型光伏逆变器以其效率高、体积小、成
在中小功率领域已成为当今光伏逆变本低的优势，
器应用中的主流。但是由于光伏组件与公共电网是
不隔离的，大面积的太阳能电池组与地之间存在较因而形成了由寄生电容、滤波元件大的分布电容，
和电网阻抗组成的共模谐振回路。开关管高频动作将变电压加在寄生电容上产生高频的共模电流，进而带来传导和辐射干扰、进网电流谐波及损耗的增加，甚至危及设备和人员安全。
基金项目：中央高校自主科研计划青年基金项目（JUSＲP11022）；无锡市重点实验室项目（CMES0915）。作者简介：王丛（1988—），女，山东潍坊人，控制工程专业硕士研究生。
*通信作者：惠晶（1957—），男，陕西西安人，教授，硕士生导师。主要从事电力电子与电力传动等研究。
Email：jingh@126．com
贡献者：singhkkt
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非隔离型光伏并网逆变器共模电流分析
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