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太阳能光伏发电由于不受能源资源、原材料和应用环境等因素的限制,具有广阔的发展前景,是解决传统化石能源危机和环境污染问题的有效途径,并逐步成为21世纪的主导能源。逆变器是光伏发电系统能量转换和控制的核心设备,对整个系统的高效、安全、稳定运行至关重要。其中,非隔离型三电平逆变器拓扑具有输出波形质量高、开关损耗低、器件电压应力小、系统效率高等显著优势,在光伏并网逆变器领域极具发展潜力。然而,受制于高比例可再生能源的接入、光伏电池板复杂运行环境、光伏阵列连接形式等因素的影响,非隔离型三电平光伏逆变器的运行面临诸多复杂工况,如交流侧电网故障、无变压器并网架构引发漏电流、直流侧不平衡等。若对上述复杂工况控制不力,将导致并网失败、设备损坏,甚至威胁人身安全,给逆变器乃至电力系统的安全可靠运行带来严峻挑战。而非隔离型三电平光伏逆变器在复杂工况下的相关理论及关键调控技术尚未完善,严重制约其大规模应用。上述复杂工况的具体成因及危害论述如下。交流输出侧:电网故障频发,并网导则要求并网逆变器须具备低电压穿越能力。但传统控制方法存在参数较多、设计复杂或系统动态响应慢等固有局限性,难以满足低电压穿越对并网电流快速精准性的要求,甚至造成逆变器切机而无法正常运行,导致低电压穿越失败。此外,三电平光伏逆变器系统自身固有的中点电压不平衡问题引发并网电流畸变,电磁干扰增大,严重时会损坏逆变器设备。尤其当电网电压跌落时,中点电压不平衡程度随功率因数的降低而加剧,极大增加了中点平衡控制难度。直流输入侧:为降低系统成本,采用无变压器并网架构,而光伏电池板自身的寄生电容、逆变器及电网之间形成共模回路,逆变器输出的共模电压在寄生电容上快速充放电,使得共模回路中产生较大漏电流,极易超过国家标准规定的漏电流限值,直接威胁人身安全。此外,独立光伏阵列连接形式是实现系统降本增效的理想方案,但美中不足是造成直流侧电容电压不平衡,传统调制方法难以有效应对,遂使得并网电流谐波含量增大,严重影响系统的并网稳定运行。为此,本文以非隔离型三电平光伏逆变器为研究对象,以提升并网逆变器在复杂工况下的电网适应性、系统可靠性和安全性为目标,重点突破低电压穿越工况下并网电流快速精准控制、全功率因数范围内中点电压平衡控制、漏电流和共模谐振电流同时抑制、直流侧不平衡工况下并网电流低谐波调制等方法,以满足光伏发电系统“高可靠性、高效率、高安全性、低谐波”的高品质并网要求。本文的主要研究工作及创新如下:1.针对低电压穿越工况下并网电流快速精准跟踪控制难题,首先建立了电网电压跌落时三电平逆变器系统的欧拉-拉格朗日模型,揭示了电网电压不平衡对并网电流闭环控制的影响机理;在此基础上,基于阻尼注入原理和李雅普诺夫稳定性判据提出了混合无源控制新方法。新方法利用无源控制的快速性,实现并网电流的快速跟踪控制;通过引入前馈量,准确消除电网电压负序干扰量的影响,实现了低电压穿越工况下并网电流的精准跟踪控制,提升了逆变器系统的电网适应性。最后,给出系统稳定性分析,证明提出方法能有效保障系统稳定。2.特定谐波消除调制方法是提高逆变器效率、降低系统损耗的首选方案。然而,求解谐波消除方程组的传统优化算法大多计算量大、实现复杂,或易陷入局部最优导致过早收敛。加之,当电网电压发生故障时,为满足低电压穿越要求,逆变器须向电网注入无功功率,导致系统中点平衡控制难度剧增,造成并网电流波形畸变,甚至威胁设备安全运行。为此,本文建立了三电平特定谐波消除的矢量化模型,并揭示了冗余小矢量和电流方向对中点电压的影响机理;在此基础上,一方面,通过引入考虑当前和最优适应度值的负指数惯性权重因子,设计了收敛速度快、求解精度高的改进型粒子群优化算法,以求解谐波消除方程组获得开关角度;另一方面,提出了适用于全功率因数范围的增强型中点平衡控制方法,通过增加输出电流方向自由度,实现了低电压穿越工况下的中点电压平衡控制,并获得了高品质的并网电流。3.改进型LC滤波器是实现非隔离型三电平光伏逆变器系统漏电流抑制的有效手段。然而其引发共模谐振电流,使得逆变器输出电流严重畸变,影响系统的稳定性。为此,本文建立了共模环路电流模型,详细分析了改进型LC滤波器抑制漏电流和产生共模谐振电流的原因,在此基础上,利用无源控制理论、零状态可测理论和李雅普诺夫稳定性判据,提出了一种二阶时域无源控制方法,有效抑制了共模环路电流中的共模谐振电流。此外,利用李雅普诺夫稳定性理论证明了提出方法能有效保证系统的全局渐进稳定性。本文提出的二阶无源控制器基于时域,更加直观清晰,有效避免了频域到时域转换过程中的误差放大问题,控制更加精准。4.独立光伏阵列连接形式可有效减少由光伏板失配或阴影遮挡等造成的功率损失,对提高系统效率、增加功率输出意义重大。然而,该连接形式极易导致直流侧电容电压不相等,传统调制方法会造成输出电流畸变,威胁系统并网稳定运行。为此,本文提出了一种采用大、中、零矢量合成的新型调制方法,通过引入电容电压不平衡因子,修正了基本电压矢量的位置,从而获得了改进型空间矢量图;利用伏秒平衡原理,计算直流侧不平衡工况下基于不平衡因子的各电压矢量的占空比,并优化设计开关序列,获得了低谐波的并网电流。综上所述,本文针对三电平光伏逆变器低电压穿越工况下并网电流的快速精准跟踪控制、低电压穿越工况下系统自身的中点电压平衡控制、无变压器并网运行时漏电流和共模谐振电流的同时抑制、直流侧不平衡工况下并网电流的低谐波调制等四方面开展了研究,并取得了创新性研究成果,实现了光伏发电系统的高品质并网要求,为非隔离型三电平光伏逆变器的发展和大规模应用提供指导和借鉴。