储能型准Z源级联多电平光伏逆变系统的建模、设计和控制

随着传统化石能源危机的逼近和环境污染问题的加剧,光伏发电以取之不尽用之不竭、清洁、环保等优势,受到了国内外的广泛的关注,被看作是最具前景的新能源之一。然而,太阳能光伏发电易受环境条件(温度、光照、天气等)的影响,具有间歇性和不稳定性;而且,单个光伏电池的输出电压较低,一般不能满足用户的要求,这些问题都需要通过功率变流器来解决。功率变流器作为连接光伏电池和用户/电网的核心部件,其结构、可靠性和效率等对整个系统有着至关重要的作用。储能型准Z源级联多电平逆变器(ES-qZS-CMI)集储能系统、准Z源网络、级联多电平逆变器于一身,在光伏发电系统中,具有独特的优点:(1)可以独立实现每个模块的最大功率追踪(MPPT)控制;(2)各个模块以单级功率变换实现升压;(3)允许同一个桥臂上的两个开关管同时导通而不损坏器件;(4)不需要添加额外的设备就能实现能量的存储;(5)能够根据用户的需求灵活的输出功率,平抑PV功率的波动;(6)谐波低、效率高、可靠性好等等。因此,该结构一经提出,便成为了研究的热点。然而,目前对储能型准Z源级联多电平逆变系统的研究尚处于初始阶段,缺乏深入的理论分析和研究。本文重点研究储能型准Z源级联多电平逆变器的模型、设计和控制方法,具体如下:首先,建立了储能型准Z源逆变器的详细模型,并依此提出了一种用于抑制二倍频脉动的阻抗网络参数的设计方法。目前,在对储能型准Z源级联多电平逆变器(ES-qZS-CMI)的研究中,还没有完整的模型来指导阻抗网络参数的设计。本文以储能型准Z源逆变模块(ES-qZSI)为研究对象,建立了完整、详尽的数学模型。该模型既考虑了光伏板终端电容和储能系统对二倍频脉动的影响,也打破了原有准Z源逆变器模型中两个电感、两个电容分别相等的限制,同时也兼顾了系统在白天和晚上运行的两种不同情况。然后根据所建立的模型,分析了阻抗网络参数对二倍频脉动分量的影响,提出了一种抑制二倍频纹波脉动的最优化阻抗网络参数设计方法。其次,针对所研究的储能型准Z源级联多电平光伏发电系统在白天和夜晚不同的运行情况,提出了一种适用于夜晚运行和白天运行的综合控制策略。在白天阳光充足时,控制系统由光伏电池向负载供电,储能系统起功率平抑的作用;在夜晚阳光不足时,光伏电池从系统中切除,由储能单元维持系统的运行。再次,提出了一种适用于储能型准Z源级联多电平逆变器的多维度调制(IMD-PWM)方法;并根据此调制技术,提出了一种直流母线电压平衡控制方法。该调制方法能够考虑到逆变器产生期望输出电压所需要的所有的开关组合,具有普遍性和通用性。同时,该方法避免了复杂的坐标变换和三角函数运算,大大简化了运算,降低了系统对硬件的需求,有利于模块的扩展。另外,根据此调制方法所设计的准Z源级联多电平逆变系统的直流母线电压平衡控制策略,能够有效减少控制过程中PI调节器的数量,提高系统的稳定性。然后,提出了各模块储能电池的荷电状态(SOC)平衡控制方法。有效降低了储能电池损坏、寿命减少的风险,提高了系统的可靠性。最后,针对原有研究只关注ES-qZS-CMI PV系统的有功传输而不能改善电网电能质量的问题,提出了一种既能实现光伏并网发电又能同时进行无功补偿的综合控制方案。本文力从模型、设计和控制等方面对储能型准Z源级联多电平光伏逆变器进行研究,分别进行了理论分析,仿真和实验验证,其研究内容将进一步促进储能型准Z源级联多电平逆变器在光伏发电系统中的应用,促进其理论完善及光伏发电技术的创新和发展。