有源钳位谐振直流环节三相光伏并网逆变器关键技术研究

随着我国太阳能光伏产业和智能电网技术的发展，研究微型光伏并网逆变器的拓扑和控制技术，是我国微型电网接入技术的重要发展方向。本项目为了解决分布式光伏发电装置在兆瓦级光伏电站的大规模应用中的部分关键问题，开展了有源钳位谐振直流环节三相光伏并网逆变器的研究。拟通过深入分析电路运行的内在规律，进行参数的优化设计，并通过搭建实验装置进行控制方案的实施和效率的对比实验。研究内容有：基于直流母线的"双幅"控制技术，通过预测谐振脉冲换流技术实现PWM并网逆变输出，解决了该拓扑的控制瓶颈，改善了并网输出性能；通过脉宽预测实现了无传感器的高频直流环节控制，降低控制成本；还通过瞬时反馈动态调节，解决了钳位电压的平衡问题，避免了电解电容的使用，解决了使用寿命问题。该项目的研究成果解决了有源钳位谐振直流环节逆变器的PWM并网问题，提高了逆变器的工作频率，实现了三相光伏交流组件的高功率密度，高效率，低成本，长寿命。

三相微型光伏并网逆变器的拓扑和控制技术，对于分布式光伏发电在MW级光伏电站大规模应用至关重要。本项目针对有源钳位谐振直流环节逆变器的拓扑结构，对其应用于微功率三相光伏系统的关键问题进行了研究。研究主要内容及主要成果有：对传统软开关拓扑在微型三相逆变器中的适用性问题进行了研究，表明在微功率场合采用辅助电路换流的方式能够解决di/dt或者dv/dt的问题，但辅助电路的引入带来的额外损耗以及对逆变器控制性能的影响问题不容忽视。谐振直流环节逆变器辅助电路简单损耗小，优于其它软开关拓扑，其在微功率场合的应用值得研究；通过深入分析电路运行的内在规律，计算了箝位比，谐振电路的特征阻抗，直流环节谐振频率和开关频率等各因素对直流环节损耗的影响，给出了系统的优化设计参数；分析了双幅控制的实现条件，电容电压平衡的影响因素，给出了以薄膜电容作为钳位电容的理论依据，达到微型功率下谐振直流环节逆变器钳位电路的小参数和长寿命的设计目的；本项目的主要贡献之一是提出并实现了钳位开关无传感器的固定脉宽控制方案，不需要检测高速开关下的钳位开关电流，只需要通过对逆变器换流状态的反馈进行钳位开关的脉宽预测，实验证明通过预设脉宽的方式实现直流母线的双幅振荡是可行的；项目的主要贡献之二是为解决谐振直流环节逆变器换流时刻必须与直流母线电压谐振至零的时刻同步所带来的开关“次谐波”问题和换流响应速度的问题，提出了以预测换流时间缩短开关延时的方案。该方案的前提是换流时刻可预测，则根据直流母线工作状态可估算母线过零时刻，因此可以通过对直流母线工作模式的预先调整，将直流电压的过零时刻调整到与逆变器的换流时刻一致，采用DSP控制器使这一设计思想得到了实现；项目的另一重要贡献是提出了基于有源钳位的滑模控制策略并通过了实验验证，该策略解决了传统滑膜控制中的抖振问题和变频问题，并且改善了逆变器的并网电流质量，可用于谐振直流环节逆变器的并网控制。本项目的研究成果适用于三相微逆变器的应用领域，通过直流环节的反馈动态调节，解决了钳位电压的平衡问题，通过采用薄膜钳位电容，解决了使用寿命问题。所提出的钳位开关控制方案和逆变器换流预测技术对于优化控制性能有重要的意义，有源钳位滑膜控制技术解决了逆变控制的变频问题，与直流环节控制相结合，解决了该拓扑的控制瓶颈，改善了并网输出性能。