基于准Z源变流器的串联模块集成式光伏并网系统关键技术研究

This research proposes a series connected module integrated converter (MIC) based photovoltaic (PV) system using Quasi-Z-Source Converter (QZSC). As a basic module, the QZSC minimizes the switching device number; features single-stage conversion and is completely immune to EMI. The cascaded structure can reduce the voltage gain requirement for each module, which is perfectly suitable for the QZSC due to its own characteristics. The study begins with introduction of energy storage component into MIC. Operation principles of individual module as well as the series connected system is investigated. Novel method to embed shoot-through states is presented. With dynamic dead-band reversion, shoot-through states can be embeded into conventional non-active states without doubling the switching frequency. Linear feedback is used to module QZSC's impedence network. And maximum power point tracking for individual module is achieved by linear system control strategy. Finallly, system control strategy is presented, with which closed-loop control of the grid current and MPPT for individual module can be both achieved. The research content enriches the theory family of the quasi-Z-source converter. At the mean time, it lays a foundation for the practical use of the MIC based grid-connected PV system, which has both theoretical and practical value.

课题提出基于准Z源变流器（QZSC）的串联模块集成型光伏并网系统研究。QZSC作为基本模块拓扑，具有开关器件少、单级变换、抗EMI干扰强等优点；系统采用交流串联结构并网，可降低单个模块的升压要求，符合QZSC的工作特点。课题引入储能元件至模块集成系统，研究模块本身及串联系统的工作机理；提出基于动态死区电平翻转的新型直通植入方法，降低开关频率；采用反馈线性化方法建立QZSC阻抗源网络模型，并基于线性系统控制理论实现模块最大功率点跟踪控制；根据系统和模块的功率交换机理，提出串联模块并网控制策略，实现并网电流闭环控制和独立的最大功率点跟踪。课题研究内容是对准Z源变流器理论的完善和拓展，同时也为模块集成式光伏并网系统的实用化推广打下基础，具有重要理论意义和应用价值。

本课题提出基于准Z源变流器（QZSC）的串联模块集成型光伏并网系统研究，将QZSC作为基本模块拓扑，采用交流串联结构并网。课题完成主要研究内容包括：1）模块设计，提出二倍基频功率抑制拓扑及参数计算方法，提出适用于储能输入的双向功率模块设计方法；2）系统设计，根据实际工况设计系统参数，提出模块输出功率有差异情况下的系统参数设计及优化方法；3）理论建模，提出基于反馈线性化建立精确QZSC阻抗源网络模型的方法，提出QZSC阻抗源网络模型的精确降阶方法；4）并网控制，提出并网电流过零畸变分析与抑制方法，提出考虑模块功率差异的级联多电平逆变器并网控制方法；5）样机实现，设计基于主从式结构的串联模块集成式QZSC光伏并网系统样机，对课题理论方法进行验证。. 课题设计的主从式构架基于主控制器、扩展接口及从控制器，实现了6模块级联QZSC样机；基于有源功率解耦的单相QZSI二倍频纹波抑制方法，将传统直流侧电容容值降低为原来的八分之一；提出逆变器功率因数角在[-π/2，π/2]内变化时桥臂的电压、电流应力分析方法，给出新增回路交流解耦电容取值及其电压参考值的整定方法；提出的光伏并网逆变器非互补混合脉宽调制下电流过零畸变抑制策略，通过电感参数设计和并网控制技术可使并网电流谐波畸变率降低25%~35%；定义模块功率差异度β，得到β与直流母线电压、级联模块数的量化关系，用于直流电压参考值整定或指导级联模块数选取；采用自动功率平衡的最大功率点跟踪算法及多调制波移相SPWM方法，实现直流母线电压平衡控制及独立模块最大功率点跟踪。. 课题所做工作拓展了基于QZSC的光伏变流器应用，完善了交流模块串联型光伏并网系统协调控制理论，提出了具有普适性的QZSC模块线性化建模方法和控制策略，实现了模块独立MPPT及并网控制，并确保了闭环控制系统具有良好的静态和动态性能。课题研究内容是对准Z源变流器理论的完善和拓展，同时也为模块集成式光伏并网系统的实用化推广打下基础，具有较重要理论意义和应用价值。