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一种新型逆变器交流侧功率解耦电路及其控制策略

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中国电机工程学报 2020年第22期40卷 7440-7451页

作者：章勇高付伟东刘鹏严胜常玉华东交通大学江西省南昌市330013

针对单相逆变器直流母线耦合大量二倍频功率分量,提出一种基于Buck-Boost模式下的AC级功率解耦电路。该电路并联于逆变器交流侧,以实现脉动功率在交流侧就地解耦,并且减小逆变器系统的二倍频脉动回路。分析解耦电路工作原理,推导出解耦... 详细信息

针对单相逆变器直流母线耦合大量二倍频功率分量,提出一种基于Buck-Boost模式下的AC级功率解耦电路。该电路并联于逆变器交流侧,以实现脉动功率在交流侧就地解耦,并且减小逆变器系统的二倍频脉动回路。分析解耦电路工作原理,推导出解耦电路开关管的开关时序。设计相应的脉冲能量调制(pulse energy modulation,PEM)策略对解耦功率进行精准调控。建立仿真和实验平台,测试结果证明该解耦电路及PEM控制策略能有效缓冲二倍频功率脉动,逆变器系统中电容器容值大幅度下降。

关键词：功率解耦二倍频功率脉动脉冲能量调制

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一种基于Buck/Boost电路的新型微逆变器功率解耦电路

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电力系统及其自动化学报 2020年第4期32卷 29-34页

作者：章勇高孔令韬许莹莹华东交通大学电气与自动化工程学院南昌330013

针对微逆变器中存在的二次功率扰动问题,提出了一种新型四开关功率解耦电路。详细分析了基于Buck/Boost电路的新型功率解耦电路的4种工作模式,推导了采用脉冲能量调制控制策略原理,并对电路关键参数进行设计。该电路并联在逆变器交流输... 详细信息

针对微逆变器中存在的二次功率扰动问题,提出了一种新型四开关功率解耦电路。详细分析了基于Buck/Boost电路的新型功率解耦电路的4种工作模式,推导了采用脉冲能量调制控制策略原理,并对电路关键参数进行设计。该电路并联在逆变器交流输出侧,不仅能够明显抑制母线电压和直流输入侧电流中的二次纹波,而且可以将大电解电容替换成小容量长寿命的薄膜电容。最后,仿真实验验证了该拓扑的有效性和合理性。

关键词：二次功率扰动微逆变器功率解耦 Buck/Boost 脉冲能量调制

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新型分布式发电光伏并网逆变器研究

新型分布式发电光伏并网逆变器研究

作者：邹文骏华东交通大学

学位级别：硕士

在全球范围内随着能源的不断消耗以及污染的不断加剧,使用新能源进行并网发电的技术越来越成为了科技工作者的研究重点。光伏并网逆变器是将分布式光伏发电系统与电网进行连接的重要装置,是分布式光伏并网发电系统的核心,对整个发电系... 详细信息

在全球范围内随着能源的不断消耗以及污染的不断加剧,使用新能源进行并网发电的技术越来越成为了科技工作者的研究重点。光伏并网逆变器是将分布式光伏发电系统与电网进行连接的重要装置,是分布式光伏并网发电系统的核心,对整个发电系统的稳定运行起到关键的作用。所以,对光伏并网逆变器进行研究具有重要的意义。本文简要介绍了并网逆变器的各种电路拓扑结构,并详细研究了用于小型分布式发电系统的低成本逆变器电路拓扑结构,即三开关单级升降压并网逆变器,该逆变器使用的开关管数量少,拓扑结构简单、输出效率高且升降压范围广的优点。分析了逆变器工作在电感电流断续模式下,对闭环SPWM方法的PID控制器参数进行优化。本文设计一种综合指标J,该指标能同时反映系统的鲁棒性和系统的偏差积分性能,采用全空间循环搜索的方法,寻找最优的J值,最终得到PID控制器优化后的参数。仿真及实验研究表明对PID参数优化后,在输入电压发生较大变化时,该逆变器的输出电流能够维持稳定,且与电网电压同步,THD较低。在本论文中,分析了一种基于能量控制的逆变器调制方法:脉冲能量调制(PEM)。使用Lyapunov稳定性判据来分析PEM逆变器的稳定性。这种调制技术是以能量控制为基础的,通过计算每个开关周期的能量需求大小来计算脉冲宽度,从而实现逆变器控制。能量需求由输出电压和参考电流计算,逆变器的调制度是基于瞬时能量需求进行计算的。并且还建立PEM逆变器的小信号等效模型,与PWM逆变器相比,PEM升降压逆变器的性能得到了较大的提升。仿真结果表明,PEM方法能够提供更稳定的正弦输出量,具有较低的THD值,并且能够适用于更宽的直流输入电压及更宽的输出功率范围。

关键词：并网逆变器小信号模型 PID控制器参数脉冲能量调制

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基于功率解耦的光伏微逆变器的研究

基于功率解耦的光伏微逆变器的研究

作者：宫昆鹏安徽理工大学

学位级别：硕士

太阳能光伏发电系统在可再生能源中占有重要地位,而光伏逆变器是光伏发电系统中的重要组成部分。由于光伏逆变器直流侧的功率基本恒定而交流侧功率为正弦规律变化,这将造成逆变器交直流侧的功率不平衡,从而引起光伏逆变器直流侧出现纹... 详细信息

太阳能光伏发电系统在可再生能源中占有重要地位,而光伏逆变器是光伏发电系统中的重要组成部分。由于光伏逆变器直流侧的功率基本恒定而交流侧功率为正弦规律变化,这将造成逆变器交直流侧的功率不平衡,从而引起光伏逆变器直流侧出现纹波电流或纹波电压。常规措施是在光伏逆变器直流侧并联一个大的电解电容来缓冲这种功率不平衡,但电解电容相对于光伏逆变器系统的使用寿命较短,会影响到光伏逆变器系统的寿命。因此,本文基于对光伏逆变器的研究,通过寻求一种更好的方式来代替电解电容,解决光伏逆变器直流侧和交流侧的功率不平衡问题。本文首先对光伏逆变器直流侧产生不平衡脉动功率和二次纹波电流的原因及其危害进行了研究,在分析光伏逆变器功率解耦与控制策略的基础上,经过比较分析,得出了光伏差分逆变器既能逆变又能实现功率解耦,以及电容利用率高等优点,因此选择单相差分升降压光伏逆变器作为研究对象,来解决功率不平衡,分析了差分逆变器的工作原理,并建立了逆变器的小信号模型。其次,本文对差分升降压光伏逆变器的拓扑结构进行了选择,使逆变器有两个共射极连接的开关管,同时有两个开关管在电网频率下工作,而在一个开关周期内只有两个开关管交替在高频下工作,从而最大限度的降低了开关管的损耗。逆变器采用脉冲能量调制技术(PEM),使用能量基准控制(激活)开关管,而不是以电压/电流为基准,这样更加直接,可以确保直流输入功率(能量)等于交流输出功率(能量),而且与普通逆变器解耦相比可以避免在解耦二阶纹波的同时引入高阶纹波。对差分逆变器控制策略进行改进,将原有的开环控制策略改进成闭环控制策略,引入了反馈环节,将设计的参考值与采样实际值进行比较,提高了解耦精度和抗干扰能力。最后,对所研究的光伏差分逆变器及脉冲能量调制控制,在建立的小信号模型上,进行了稳定性的分析,使用Matlab/Simulink对研究的光伏差分逆变器进行了系统仿真并在单相差分逆变系统原理样机上展开了实验验证。仿真和实验结果表明了用光伏差分逆变器来代替电解电容处理功率不平衡问题的可行性。图[52]表[1]参[80]

关键词：光伏逆变器差分功率解耦脉冲能量调制

光伏微逆变器的交流侧泛Buck-Boost功率解耦技术研究

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光伏微逆变器的交流侧泛Buck-Boost功率解耦技术研究

作者：孔令韬华东交通大学

学位级别：硕士

随着光伏发电系统的推广,光伏微逆变器因具有发电量大、可靠性高、保证最大功率点跟踪的特点受到越来越多的关注,逐步成为未来分布式光伏系统发展的趋势。输入输出瞬时功率不平衡是微逆变器主要的研究问题,电网侧的两倍频交流分量传递... 详细信息

随着光伏发电系统的推广,光伏微逆变器因具有发电量大、可靠性高、保证最大功率点跟踪的特点受到越来越多的关注,逐步成为未来分布式光伏系统发展的趋势。输入输出瞬时功率不平衡是微逆变器主要的研究问题,电网侧的两倍频交流分量传递到输入端会减少微逆变器的寿命,干扰最大功率点跟踪效果。针对微逆变器二倍频功率扰动问题,本文提出了一种交流侧泛Buck-boost功率解耦技术,设计的四种能实现能量双向流动的解耦电路均并联在逆变器交流侧,不同拓扑都可等效工作在Buck,Boost或Buckboost的模式中。从拓扑结构、工作模式及解耦性能三方面分析了设计的四个解耦电路,以及每种拓扑抑制二次谐波的能力,讨论了脉冲能量缓冲的计算方法。介绍了交流侧功率解耦的基本原理,阐述了设计的交流侧电力电子功率耦合电路的电路结构和工作模式。研究了解耦电路的小信号模型,讨论了脉冲能量的计算方法,功率解耦电路采用脉冲调制策略。利用Matlab/Simulink 2014a软件分别建立了传统两级式微逆变器的仿真、以及基于四种功率解耦电路的两级式微逆变器的仿真,进行对比仿真研究,同时做了多工况的比较。根据仿真结果对四种拓扑从解耦能力,解耦电容电压方面进行对比,对比四种解耦拓扑得出了单模态六开关Buck-Boost解耦电路在性能方面具有优势。仿真结果表明,三模态六开关Buck-boost功率解耦电路抑制电压二次谐波效果最优,单模态六开关Buckboost功率解耦电路抑制电流二次谐波效果最优。泛Buck-boost功率解耦技术可以在不依赖母线大电压情况下,大幅降低解耦电容容值,实现无电解电容,延长系统使用期限。搭建了基于功率解耦电路的两级式微逆变器实验平台,对一种功率解耦电路进行了实验。实验结果验证了理论和拓扑的正确性,可以用更长寿命更小容量的薄膜电容替代传统大电解电容,实现了无电解电容。

关键词：二次功率扰动交流侧功率解耦微逆变器脉冲能量调制

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一种新型光伏并网逆变器研究

一种新型光伏并网逆变器研究

作者：李洋华东交通大学

学位级别：硕士

可再生能源对全球能源危机的缓解以及对相应环境问题的改善所起的作用，已经变得越来越不可替代。光伏并网发电也日渐发挥着它的作用，但是高成本、低效率以及不能适应更大范围的直流输入电压等问题是传统工频降压逆变器等面临的主要问... 详细信息

可再生能源对全球能源危机的缓解以及对相应环境问题的改善所起的作用，已经变得越来越不可替代。光伏并网发电也日渐发挥着它的作用，但是高成本、低效率以及不能适应更大范围的直流输入电压等问题是传统工频降压逆变器等面临的主要问题。为了满足对大范围直流输入电压适应性的要求，逆变器大多采用DC-DC变流器和传统降压逆变器级联的结构，其缺点是成本和开关损耗较高。本文回顾和讨论了不同类型的单相逆变器拓扑。单级式逆变器具有诸如高效率，低成本，结构紧凑等优点，成为光伏并网逆变器的研究热点之一。本文对单级式并网逆变器展开进一步研究，围绕一种新型的三开关反激buck-boost逆变器展开分析，该逆变器通过buck-boost电路对直流输入电压进行升高或降低，而且通过单级电路将电能输送给电网。光伏并网逆变器连接了光伏阵列和电网，而实现对逆变器的有效控制显得尤其重要。PWM控制技术由于具有简单易于实现以及仅需通过低通滤波就可直接解调的优点，从而得到广泛应用。闭环SPWM控制策略具有动态响应快，跟踪性能好，以及对直流输入电压变化的适应性强等优点，但控制系统中PID参数需根据不同工作点进行实时调整，从而增加了控制器的设计难度。本文在PWM控制策略的基础上，提出一种基于能量平衡的新控制策略，称为脉冲能量调制（PEM）。即在一个开关周期内，按照所需的输出能量与反激电感储存的能量平衡原则来计算脉冲宽度。首先，本文对三开关并网逆变器分别针对电感电流在断续导通模式（DCM）和电流连续模式（CCM）展开了详细地分析以推导脉冲宽度的计算方法。其次，分别采用SPWM和PEM两种控制策略对三开关逆变器进行了仿真研究，仿真结果显示功率因数接近于1，THD小于5%，输入电压范围为50V00V，表明基于PEM控制策略的三开关逆变器具有单位功率因数运行，较低THD的输出电流，以及对大范围直流输入电压有更好的适应性等优点。最后，为了验证所研究的三开关逆变器及其PEM控制策略的有效性，搭建了500W的实验平台，设计了基于dsPIC33FJ64MC506的控制系统。

关键词：单相单级 buck-boost 逆变器脉冲能量调制大范围直流电压的适应性

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光伏逆变器及交流侧功率解耦方法研究

光伏逆变器及交流侧功率解耦方法研究

作者：熊健华东交通大学

学位级别：硕士

全球经济的飞速发展,使得能源消耗、温室效应、环境污染日益加剧。然而化石燃料总量有限,可开采量日益减少,大力开发绿色可再生能源成为解决能源问题的必然途径,而光伏能源因为分布广、无污染、易获取成为社会关注热点。然而,在单相光... 详细信息

全球经济的飞速发展,使得能源消耗、温室效应、环境污染日益加剧。然而化石燃料总量有限,可开采量日益减少,大力开发绿色可再生能源成为解决能源问题的必然途径,而光伏能源因为分布广、无污染、易获取成为社会关注热点。然而,在单相光伏并网系统中,由于输入、输出侧瞬时功率不匹配,使系统中存在二次功率扰动,严重影响了MPPT的效果与并网电流质量。通过一些特定的控制算法能够抑制二次纹波,但却不能从根本上消除二次功率扰动,采用功率解耦技术可以很好的解决这一问题。分析了光伏逆变器中功率解耦原理和国内外学者的众多研究工作。按技术特点将功率解耦方法分为PV级解耦、DC-link级解耦和AC级解耦三大类。从技术难度,器件成本,解耦效果等方面进行对比总结。指出AC级解耦方法既可以抑制二次功率扰动,又可以利用交流侧高电压降低解耦电容值,相比DC-Link级解耦方法具有明显优势。根据已有的PV级功率解耦电路,提出了AC级功率解耦电路的概念,在不改变传统的两级式逆变器结构的基础上,将功率解耦电路并联于变换器的输出侧,充当有源功率滤波器(APF)以补偿脉动能量,从而抑制逆变器中的二次扰动功率。本文提出了3种新型的用于光伏逆变器的AC级功率解耦拓扑。首先,介绍了两级式光伏并网逆变器的工作原理,通过建立系统的小信号模型,讨论了环路参数的选取方法。然后,分别阐述了3种AC级功率解耦拓扑的设计思路,详细分析了每种拓扑的工作过程,状态切换条件。接着,将脉冲能量调制(PEM)策略应用于AC级功率解耦拓扑,分析了PEM信号的产生原理,推导出PEM信号占空比的计算模型。对比3种解耦电路在电路结构和控制上的特点,选取了其中的一种六开关Buck/Boost解耦拓扑进行仿真研究,仿真结果验证了其方法的合理性。最后,根据系统的性能指标和解耦电路的特点,给出了硬件电路的设计方法和设计过程,建立了带AC级功率解耦电路的两级式逆变器实验平台。对整个系统进行开环控制,测试了解耦电路的输入电流,解耦电容电压波形,测试结果与预期的一致,证明了理论分析的正确性。

关键词：二次功率扰动功率解耦两级式逆变器脉冲能量调制

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分布式光伏微逆变器交流侧功率解耦研究

分布式光伏微逆变器交流侧功率解耦研究

作者：王增强华东交通大学

学位级别：硕士

易扩展、模块化设计、发电量多、热插拔和低成本是微逆变器的主要优点,这也使得微逆变器成为未来分布式光伏逆变器的主要发展方向。由于电网侧功率含有二倍工频脉动的功率,这使得母线电压及直流侧电流产生二次纹波,影响逆变器输出侧并... 详细信息

易扩展、模块化设计、发电量多、热插拔和低成本是微逆变器的主要优点,这也使得微逆变器成为未来分布式光伏逆变器的主要发展方向。由于电网侧功率含有二倍工频脉动的功率,这使得母线电压及直流侧电流产生二次纹波,影响逆变器输出侧并网电流的质量以及直流侧MPPT的稳定,导致了直流侧燃料电池和光伏电池利用率降低,常用方法是并联一个大的电解电容在光伏组件出端来解决这个问题,但是电解电容短暂的使用寿命严重影响了逆变器的使用寿命,本文设计了一种交流侧功率耦合拓扑,通过PEM控制,对电路中的二次脉动功率进行吸收,降低母线电容的容值,从而更换成长寿命的薄膜电容,延长微逆变器的整体使用寿命。功率解耦电路依据功率耦合拓扑的结构部或者位置分为PV级,DC-link级,AC级解耦、三端口解耦四大类,对比分析了各类方法的技术特点,做出了总结归纳。介绍了功率耦合电路工作的原理,研究了耦合电路的输入输出特性与功率耦合动态特性,分析了逆变和耦合电路的时域与频域关系。介绍了设计的交流侧电力电子功率耦合电路的电路结构,工作模式。研究了主电路的小信号模型和PWM控制策略,分析解耦电路不同工作模式时的脉冲宽度计算方法。利用Matlab/Simulink 2015b仿真软件对所提出功率解耦拓扑,进行了基于交流侧并联功率解耦的光伏微逆变器的仿真研究,进行了不同工况下的仿真研究,结果表明解耦电路在负载功率高于500W时对并网性能的影响随负载功率上升而变小,负载功率在500W之前解耦电路对两级式逆变器的解耦效果最好。同时根据仿真结果对四种拓扑从解耦能力,解耦电容电压方面进行对比,对比四种解耦拓扑得出了单模态六开关Buck-Boost解耦电路在性能方面具有优势。选择单模态六开关Buck-Boost解耦电路进行硬件实验,介绍了整个实验平台组成以及各个组成部分的硬件电路设计,并就实验结果进行了总结分析,最后发现硬件实验结果与理论结果一致,功率解耦电路对主电路二次纹波起到了抑制作用,可以将短寿命的电解电容替换为长寿命的薄膜电容,延长微逆变器的整体使用寿命。

关键词：二次功率扰动功率解耦两级式逆变器脉冲能量调制

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具有功率解耦能力的升降压逆变器

电工技术 2021年第24期 136-139,143页

作者：宫昆鹏安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232000

在单相光伏并网逆变器中,若要逆变器交流侧瞬时功率满足并网的需要,则在逆变器直流侧会产生不平衡脉动功率和二阶纹波电流,影响直流输入源利用率。为了减小直流侧的二次纹波,一般并联大容量的电解电容器,但电解电容器体积大且寿命较短... 详细信息

在单相光伏并网逆变器中,若要逆变器交流侧瞬时功率满足并网的需要,则在逆变器直流侧会产生不平衡脉动功率和二阶纹波电流,影响直流输入源利用率。为了减小直流侧的二次纹波,一般并联大容量的电解电容器,但电解电容器体积大且寿命较短。介绍了一种带有功率解耦电路的单相升降压逆变器,采用基于脉冲能量调制的有源功率解耦控制,将二阶纹波功率输送到薄膜电容,实现功率解耦。最后仿真验证了升降压逆变器功率解耦的有效性。

关键词：逆变器二次纹波功率解耦脉冲能量调制

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