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原创 光伏逆变技术大赛

【原创】单相Quasi-Z源级联多电平光伏并网逆变器(理论+仿真+软硬件+调试)

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lfs1568
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本网技师
  • 2017-4-16 23:27:48
研究生毕业一段时间了,趁着这个逆变器活动,把研究生期间做过的一个课题【单相Quasi-Z源级联多电平光伏并网逆变器】分享给大家,同时回想一段经历,一股干劲……后面师弟在这个基础上,接着完成了【三相Quasi-Z源级联多电平光伏并网逆变器】、提升功率、优化设计……

这里主要从理论、仿真、软件设计、硬件设计、系统联调等不同方面简单介绍,期待能够给大家带来一定启发,学习一些新知识。

下面首先简要说一下拓扑结构和研究内容:

Quasi-Z源级联多电平光伏并网逆变器作为一种新型拓扑结构(见下图),集合了级联多电平逆变器和Quasi-Z源逆变器的优势:釆用分布式MPPT控制,最大限度收集太阳能;允许光伏阵列输出电压宽范围变化;具有直通量和调制度两个自由度,同时兼顾MPPT和并网电流质量等。

单相准Z光伏并网逆变器拓扑结构

单相准Z光伏并网逆变器拓扑结构

基于这种拓扑结构,进行了相关理论、控制方法和实验研究,并给出1.6 kW样机详细设计过程。

(1) 深入研究传统级联H桥型光伏并网逆变器控制策略,结合准Z源网络工作原理,提出一种适用于单相准Z源级联多电平光伏并网逆变器的新型控制策略。该策略引入了调制度补偿方案,可以有效克服各种因素引起的直流链电压漂移问题,实现能量利用率最优。
(2) 基于提出的新型控制策略,在MATLAB/Simulink软件中搭建系统闭环仿真平台。通过不断调试相关参数并分析仿真结果,充分证明了控制策略的准确性,同时为后期软件编程提供数据参考。
(3) 基于Quartus II 11.0编程环境,采用原理图法和Verilog语言联合编写程序;
(4) 基于模块化思想,设计并完成逆变器硬件电路设计;
(5) 搭建实验样机,结合实际实验室环境,设计了独立运行实验。


后面会不断更新内容,希望大家多关注…………



nc965
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  • 2017-4-17 05:34:06
 
关注,收藏,期待详解
世纪电源网-恬恬
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  • 2017-4-17 08:56:38
 
期待接下来的内容讲解
lfs1568
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  • 2017-4-17 22:57:50
 
1.  基本理论:

以H桥单元为例,其调制方式有双极性调制和单极性调制两种。

单极性调制:在一个开关周期内,两只开关管工作在高频互补模式,另外两只开关管工作在基频互补模式,每半个输出电压周期切换一次状态;开关损耗小;效率高;THD低;

双极性调制:在一个开关周期内,4只功率管都工作在高率模式,即载波频率;开关损耗大;效率低;THD高;


lfs1568
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本网技师
  • 2017-4-17 22:59:11
 
双极性调制和单极性调制简图
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lfs1568
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  • 2017-4-17 23:05:40
 
当采用单极性调制方式时,每一个H桥功率单元有4种工作模态:正向导通时输出电压为E,反向导通时输出电压为-E,正向旁路和反向旁路时均输出电压为0,如图所示。即单极性调制可以输出3种电平。

其中三电平驱动状态表如表所示:

当采用双极性调制方式时,每一个H桥功率单元有2种工作模态:正向导通时输出电压为E,反向导通时输出电压为-E,如图所示。即双极性调制可以输出2种电平。

其中两电平驱动状态表如表所示


搭建基于matlab的仿真模型,测试结果如下:




单极性调制

单极性调制

单极性调制--状态表

单极性调制--状态表

双极性调制

双极性调制

双极性调制-状态表

双极性调制-状态表

单极性仿真波形

单极性仿真波形

双极性仿真波形

双极性仿真波形
lfs1568
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  • 2017-4-17 23:10:48
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不考虑准Z源网络,级联H桥型逆变器工作原理:采用单极性倍频调制方式,则一个H桥功率单元可以输出3种电平。若有3个功率单元级联,则可以输出电平数目。
假设逆变单元输出电压为分别为,则其总输出电压为:Vout=V1+V2+V3。基于前述讨论,每个H功率单元可以输出E0-E三种电平。故Vout可以输出3E2EE0-E-2E-3E7种电平。
另外,系统的输出电平数目还与调制度有密切关系。以3模块级联为例,见表所示。

电平数目与调制度的关系--独家

电平数目与调制度的关系--独家
lfs1568
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  • 2017-4-17 23:14:28
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级联H桥型多电平逆变器PWM控制方法:
目前多电平逆变器采用的PWM控制技术主要包括以下几种:阶梯脉宽调制技术、矢量空间SVPWM控制技术、载波层叠CD-PWM控制技术和载波移相CPS-PWM控制技术。
阶梯脉宽调制技术采用每个级联H桥单元输出与基波信号同频的方波叠加形成阶梯波来逼近正弦波。这种调制方法的优点是简单可靠、对器件开关频率要求低,而缺点是谐波含量高、动态性能差。
电压空间矢量法是通过组合逆变器各桥臂的控制信号,使逆变器输出电压的运行轨迹趋近于圆形。这种调制方法的优点是直流电压利用率高、输出谐波小、易于数字化实现;缺点是对于五电平以上的级联逆变器不适合,因为随着电平数目的增加,电压空间矢量数目将急剧增加,控制将变得异常复杂。
根据载波相位之间的关系,载波层叠控制方法划分为载波同相层叠法、载波正负方向层叠法和载波相邻反相层叠法。这种调制方法的优点是波形效果好、开关频率低、效率高,而缺点是电压利用率相对较低一些。
载波移相CPS-PWM控制技术针对级联型多电平逆变器的工作特性而提出。这种调制方法的优点是可以使用较低的开关频率实现高频载波效果,各个模块之间输出功率实现自然均衡。
在CPS-PWM控制技术中,若采用双极性调制方式,各个载波信号相位依次互差2π/N;采用单极性调制方式,各个载波信号相位依次互差π/N。其中N为级联H桥功率单元的数量。此时,生成SPWM信号的方法有2种方式:一是用具有幅值和频率相同,但相位不同的个载波和同一个调制波作比较,产生个SPWM驱动信号,去控制个H桥功率单元;二是用具有幅值和频率相同,但相位不同的N个载波和两个幅值和频率相同但相位相反的调制波作比较,产生个SPWM驱动信号,去控制个H桥功率单元。


lfs1568
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  • 2017-4-17 23:16:54
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单相3H桥级联CPS-SPWM驱动信号逻辑电路:
采用单极性倍频调制方式,它包括3部分:调制波发生器,载波发生器和比较电路。调制波发生器包括调制度给定和频率给定两部分。载波发生器给定各H桥功率单元载波相位互差π/3,而H桥功率单元左、右桥臂相位互差π。比较电路的功能是当调制信号大于载波信号时输出高电平,反之输出低电平。这样可以得到驱3H桥功率单元的12SPWM信号。


驱动逻辑架构

驱动逻辑架构
lfs1568
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  • 2017-4-17 23:20:44
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Quasi-Z拓扑结构及优势:

Quasi-Z源级联多电平逆变器除了具有独立式MPPT控制、易于模块化和扩展、无需均衡电容电压、输出电平为2N+1等优势外,还拥有自己独特的优势:每个模块同时具备直通量和调制度两个自由度,可同时兼顾MPPT和并网电流质量;具备升压功能,可维持母线电压的稳定;引入无源网络,增强了器件安全性,提高了抗干扰能力;无需额外设置开关死区时间,消除电压波形畸变。



下一次主要讲解Quasi-Z源逆变器建模。谢谢。
lfs1568
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本网技师
  • 2017-4-17 23:25:57
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谢谢关注
nc965
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  • 2017-4-18 14:29:00
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咨询一下,你这个拓扑好像是没有接地的,严重的EMI 问题是如何应对的?
抽刀断水
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本网技工
  • 2017-5-3 19:23:33
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受益匪浅
cjf6221
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本网技师
  • 2017-6-27 22:17:22
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非常棒,我也是在做级联多电平逆变器,感觉这个拓扑很有意思,楼主厉害!
我自己也搭建了一个级联多电平逆变器系统,三相的,用dsp28335实现的,不过我是做电池储能的,也就是输入端口都是放的电池模块。目前开环调试成功,感觉闭环不好做了,主要是涉及到各个电池模块电压均衡。楼主这个拓扑貌似不存在电压均衡控制这个问题。

期待你的建模。
maplelhf
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高级工程师
  • 2020-11-7 09:00:23
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mark!!!
jian13223
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助理工程师
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