本文是一篇电气自动化论文，本文旨在研究qZSI的并网控制，深入研究LCL滤波器下的系统控制技术，以及电网电压不平衡条件下qZSI的模型预测控制技术。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 光伏发电动态概述
近年来，全球的新能源产业在整个使用范围迅速增大，科技运用也在不断的提高，消耗费用逐年在递减，可以预测出它的发展前途良好。许多国家都将光伏发电作为重点新兴产业，光伏发电的应用越来越广泛。从2001年到2017年，光伏的发展速度突飞猛进。在全球，总装机容量从1.25GW增至304.3GW，年增长率可达40.98%。然而，中国的新能源产业，更是表现出前所未有的潜力，全球各地都有设置工厂，产品的出口率居高不下，出口国家和地区已达200多个，已经成为战略性新兴产业，在国际上具有较强的核心竞争力。英国是最早研究和试验光伏发电技术的国家。在政府部门的支持，以及技术创新成果的双向鼓励下，英国的光伏产业持有向上急速发展趋势。在全球光伏发电产业中，太阳能发电一直遥遥领先，使得整个光伏产业的进步动态由太阳能发电的发展效率和发展动向决定。其中，东南亚和越南的光伏市场很受欢迎，它的能源供给年增长率可达10%，加上越南它在光伏发电方面有着自身的优势，吸引了很多光伏企业前来投资，近年来，光伏发电已经占据整个工业领域，发展事态良好[1,2]。
随着行业经验的积累、技术的进步以及经济规模不断扩大，在最近的十年内，光伏发电成本骤然下降。自2010年至今，光伏发电和集中热发电的成本下降的绩点分别达到82%和47%。根据最新公布的《招标采购协议》数据，2021年度投产项目中，太阳能光伏发电比燃煤发电价格低1/5，相比于2019年下降42%，平均价格可达到0.039美元/千瓦时。2020年，中国光伏系统的价格已降至每峰值瓦特0.5美元，预测到2025年，新型光伏发电机组发电的成本不高于0.3元/千瓦时[2]。
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1.2 Z源逆变器的研究现状
1.2.1 拓扑结构研究现状
随着时代科技的进步，演变出逆变器拓扑的类型有很多种，依据前级输入电源的差异，主要分为电压源和电流源。它广泛应用于电机驱动、分布式交流供电系统、静止无功发生器(SVG, Static Var Generator)和补偿器(SVC, Static Var Compensator)。然而，传统逆变器存在以下缺点：(1) 电磁干扰容易导致上、下桥臂开关器件直接短路，造成器件损坏，即抗干扰能力差、可靠性低，存在严重的死区时间；(2) 输出电压范围有限，或低于或高于输入电压，即只有升压功能或降压功能，不能实现升降压一体化；(3) 它们的主电路不能互换，即电流型逆变器和电压型逆变器不能相互代替。
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综合上述传统逆变器的不足，2003年彭方正教授提出Z源逆变器(ZSI, Z-source Inverter)的拓扑结构来弥补不足。Z源逆变器通过一组电感器L1和L2以及一组电容器C1和C2的双端口网络连接到X型，以提供阻抗源，将逆变器与后续直流电源或负载耦合[18-20]。本文以准Z源逆变器(qZSI, quasi Z-source Inverter)举例说明，其结构如图1.5所示。
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2 光伏系统建模及qZ SI建模
2.1 光伏系统模型及其控制
2.1.1 光伏电池的数学模型
光伏电池是一种半导体器件，可完成光电之间的能量转换。光伏特效应的原理：当有太阳光照射电池板时，半导体材料吸收光子能量，然后产生空穴电子对，飘移到P区，结果使得N区带负电荷，P区带正电荷，产生光生电动势。具体过程如图2.1所示。
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光伏电池板用硅作为原材料，现实生活中，普遍使用的单晶硅模型有两种：单二极管和双二极管。如今单二极管的模型已经很成熟和完善，因此本论文采用单二极管模型。 如图2.2所示，单二极管模型的等效电路包含电流源、一个反并联二极管、并联电阻1R和串联电阻2R。
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2.2 qZSI的建模与分析
三相准Z源并网光伏系统的结构有三部分组成，分别有光伏阵列、准Z源阻抗网络逆变器及滤波电感，主电路结构拓扑如图1.5所示。其中，准Z源阻抗网络，由电感L1、L2和电容C1、C2及二极管D1构成，C3为直流滤波电容。
2.2.1 qZSI的工作原理分析
在qZSI中，直通状态的引入，使得工作状态与传统VSI有很大的区别，传统VSI必须加入死区时间，避免功率管直通而烧坏。而qZSI利用两种不同的的工作状态，可使直通与非直通之间转化达到升降压的目的，且避免出现死区。
本文提出一种准Z源逆变器电流应力计算方法，既通过分离直通和非直通两种状态计算出各器件电流的平均值和有效值，给出整个系统模型电流的解析式。通过理论分析和仿真验证可得如下结论：
(1) 采用改进型最大恒升压控制策略改变调制因子从而改变电流应力的大小，调制因子的增加会导致电流应力的减小。
(2) 从建立的整个系统模型方程形式可看出电流应力不仅与电感电流和负载电流有关，还和调制因子M有关。
(3) 本文所建解析模型适用于对准Z源逆变器系统各器件电流应力做出快速准确的评估，有利于元件参数的选取。
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3 LCL滤波型qZSI的光伏并网控制 ................................ 22
3.1 LCL型准Z源并网逆变器的数学模型 ...................... 22
3.2 LCL型滤波器其谐振特性 ........................ 24
3.3 LCL滤波器参数设计 ................................... 26
4 不平衡电网下qZSI的控制 ............................. 36
4.1 瞬时功率 .......................................... 36
4.2 不平衡电网下并网逆变器的控制策略 ............................ 38
5 不平衡电网下qZSI的模型预测控制 ............................. 44
5.1 qZSI模型预测控制原理 ............................... 44
5.2 qZSI的预测模型 ......................... 45
5 不平衡电网下qZ SI的模型预测控制
5.1 qZSI模型预测控制原理
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MPC是一种良好的控制策略，MPC控制更高精度的方法是通过在线优化，进而与传统控制方法相比较，有很好的系统性能指标和良好的稳定性[73]。MPC控制的步骤由三方面完成： (1) 建立预测模型，然后预测下一时刻的状态。它是MPC的基础，在进行后续的滚动优化，反馈校正的时候首先要完成这一步。另一方面，MPC控制对状态进行预测时，对控制对象的准确度要求不高，仍然可以准确预测，这是MPC的优点之一。
(2) 滚动优化。依据局部条件，建立代价函数，MPC可以完成多变量控制，并在很短的时间内完成局部优化。
(3) 反馈修正。通过滚动优化，得到的局部优化，是当前时间的最优状态。当时间走到下一刻时，在下一刻重新进行滚动优化，可以实现新的局部优化，即反馈修正。
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结论
qZSI综合单级和两极并网逆变器结构的所有优势于一体，不存在死区时间，能压缩体积，减少系统成本。但qZS启动冲击电流高，稳态电流应力大。此外，LCL滤波器连接在并网逆变器交流侧滤波时，效果显著，但本身存在谐振，造成系统不稳定。本文旨在研究qZSI的并网控制，深入研究LCL滤波器下的系统控制技术，以及电网电压不平衡条件下qZSI的模型预测控制技术。得出以下结论：
(1) 通过分离准Z源逆变器直通和非直通两种状态计算出各器件电流的平均值和有效值，给出整个系统模型电流的解析式。采用改进型最大恒升压控制策略改变调制因子改变电流应力的大小，调制因子的增加会导致电流应力的减小。从建立的整个系统模型方程形式可看出电流应力不仅与电感电流和负载电流有关，还和调制因子M有关。本文所建解析模型适用于对准Z源逆变器系统各器件电流应力做出快速准确的评估，有利于元件参数的选取。
(2) 分析LCL滤波器谐振产生的原因，减弱谐振的控制方法，详细的分析了有源阻尼法，对比了反馈逆变器输出电流控制方法，分裂电容电流法，反馈并网电流和电容电流的双闭环控制法，三种有源阻尼方法，对其控制的稳定性，谐振抑制效果进行了研究。仿真结果验证了该方法可有效抑制谐振，完成单位功率因数并网，同时能满足并网电流谐波的电能质量要求，并且LCL滤波器的滤波效果显著，好于L型滤波器。
(3) 当电网电压不平衡时，通过计算瞬时功率，在两相静止坐标系下，尽管可以抑制有功、无功功率2倍频，但计算并网电流时发现三次谐波量较多，且根据电网电压不平衡度改变而改变；采用MPC电流限幅控制策略，把电流约束在额定状态下，减小因电网电压不平衡，造成参考电流迅速增大的概率，继而防止逆变器因电流过大而被烧坏。
(4) 在qZ SI的MPC电流算法中，直通状态由计算子代价函数和电感电流预测值的来确定，减少计算量；在两相静止坐标系下，MPC完成qZSI并网系统的控制，不需PLL、PWM调制和控制器参数整定，使得系统的稳定性提高。当电网电压不平衡时，MPC电流控制策略，可以灵活的控制电网功率和负序电流，而不存在并网电流正负序的分离，减小并网电流谐振畸变的概率。
参考文献（略）