分布式发电单相并网逆变器的新型功率解耦及控制方法

Renewable energy based distributed generation systems have experienced rapid growth both domestically and internationally. These roof-top photovoltaic systems, small wind turbine systems and hybrid systems all require many single-phase grid-connected inverters integrated in distribution power systems. Traditional single-phase inverters generally adopt large dc link electrolytic capacitors to provide the 2nd-order harmonic power pulsation in the output power, resulting in large size and poor reliability of the inverters. This project will propose and investigate innovative power decoupling topologies for single-phase voltage source inverters, focusing on the theory and control based on ac-side film capacitor decoupling and new pulse energy modulation; will conduct simulation studies and experimental versification using off-line simulation, hardware-in-the-loop simulation and prototype inverters; and will evaluate the performance of the proposed novel inverter topology and pulse energy modulation in terms of power quality, reliability and efficiency. The project intends to provide innovative inverter technologies for distributed generation systems based on renewable energy.

随着我国分布式可再生能源发电系统的飞速发展，如民宅屋顶光伏系统、小型风机发电系统以及互用风光储混合系统，未来配电系统将存在大量的单相并网逆变器。但是传统的单相逆变器通常用直流电解电容来提供输出功率中固有的二倍频波动分量（即功率解耦），使逆变器体积大、可靠性差。本项目将单相电压源型逆变器为对象，研究具有交流侧薄膜电容功率解耦的逆变器拓扑结构，研究交流侧电容功率解耦方法的理论和脉冲调制方法及其在功率解耦的单相电压源型逆变器中的实现。从而提出新型交流侧电容功率解耦技术和原创型具有交流侧薄膜电容功率解耦的单相逆变器拓扑结构及其基于脉冲能量的调制方法，并通过硬件在环实时仿真以及样机实验验证所提出的理论、方法和拓扑，从逆变器的输出电能质量、可靠性以及效率等三个方面对所提出的新型拓扑及其脉冲能量调制方法予以评估，以便为基于可再生能源的分布式发电系统提供在电力电子方面的原创型技术。

随着分布式可再生能源发电系统的飞速发展，如户用光伏系统、小型风电系统以及户用风光储混合系统，未来配电系统将存在大量的单相并网逆变器。但传统的单相逆变器通常用大电解电容来提供输出功率中固有的二倍频波动分量（即被动功率解耦），这导致逆变器体积增大、可靠性降低。. 针对单相逆变器的新型功率解耦技术，本项目提出若干主动功率解耦新拓扑并设计了相应的主动功率解耦控制方法，同时将改进的新型脉冲能量调制法（PEM）应用于所提拓扑，最后对新型主动功率解耦拓扑的寿命进行了评估：.(1) 提出了若干新型主动功率解耦拓扑，包括：具有升压和主动功率解耦功能的拓扑、差分式和两级式Buck-Boost型主动功率解耦拓扑以及基于三桥臂的具有主动功率解耦和共模漏电流抑制功能拓扑，配合控制将传统直流侧被动解耦电容容值降低了80%以上；.(2) 针对上述拓扑，提出了引入解耦电容电流前馈的闭环主动功率解耦控制、基于输入电流直接预测的主动功率解耦控制等控制方法，提升了主动解耦控制的鲁棒性，在非理想情况下仍可将直流侧电流中二倍频成分从30%降低至5%；并同时将四象限运行控制应用于所提新功率解耦拓扑，使其在提供电网电压支撑、V2G系统等场景下的应用成为可能；.(3) 本项目将项目组所提新型PEM技术应用于所提拓扑中，并提出了改进的闭环PEM，降低了采样误差对调制的影响，提高了PEM调制的鲁棒性，解决了传统SPWM的调制精度受H型逆变桥的直流母线电压波动影响的问题；.(4) 提出了一种基于任务剖面的逆变器寿命预测方法对所提拓扑进行了寿命评估，并通过蒙特卡罗数值仿真计算得到所提新拓扑的具有一定置信水平的预测寿命；同时搭建了半实物仿真平台和使用宽禁带半导体器件的逆变器样机以用于逆变器控制算法的验证和新拓扑性能的评估。. 本项目所获得的原创性技术成果可用于单相逆变器产品以降低逆变器体积和成本、提升可靠性；并且所提不同主动功率解耦拓扑和新型调制方法具有较宽的适用性，可用于不同场景下的电力电子变流器以提高变流器综合性能。