本文是一篇电气自动化论文，本文以注入式电压源变换器作为重点研究对象，旨在优化传统大功率并网变换器，从而降低高比例电力电子设备对光伏并网系统造成的不良影响，实现优化电能质量，并缓解系统开关损耗较大等潜在问题。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
当前，我国正致力于推动电力系统结构向清洁低碳、安全可靠、灵活高效、智能友好和开放互动转型，力争在2030年前达到碳达峰，2060年前实现碳中和。这一重大战略决策是党中央经过深思熟虑做出的，对中华民族的永续发展和构建人类命运共同体起着至关重要的作用[1]。中国在全球清洁能源发展中承担着举足轻重的角色，根据国家能源局显示，2023年全球可再生能源新增装机5.1亿千瓦，我国新增约2.9亿千瓦、占比超50%，且全国新能源总装机突破10亿千瓦，证明我国已经成为推动世界清洁能源发展的重要力量。中国企业清洁能源投资遍布海外各地区，涵盖风电、光伏发电、水电等重要领域，在实现互利共赢的基础上，有力支撑了相关国家能源结构向绿色低碳转型[2]。
我国太阳能资源禀赋较好，据国家能源局数据显示：2021-2023年光伏新增装机容量逐年递增，发展迅速。2023年一季度末，全国可再生能源装机达到12.58亿千瓦，全国光伏发电装机容量达到4.25亿千瓦，已成为我国电力装机不可或缺的一环[3]。截至2023年12月底，全国累计发电装机容量约29.2亿千瓦。其中，光伏发电装机容量6.09亿千瓦。2023年全国新增光伏装机共计2.1688亿千瓦，同比大幅增长148%,几乎是近四年光伏新增装机容量之和[4]。我国可再生能源发展的步伐已迈入新时代，光伏发电作为我国实现绿色低碳转型的重要载体，其光伏发电新增装机量、光伏发电利用率稳步增长已成为新趋势。因此，开展光伏发电并网系统研究，符合国家政策导向，对经济社会发展方式、能源产业结构优化、应对气候危机等具有重要意义。预计未来几年，光伏发电产业将跨向飞速增长的第一梯队。图1-1为我国2013-2023年光伏发电新增装机容量和同比增长率图。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 光伏发电前沿技术研究现状
众所周知，光伏发电作为可持续发展战略的领航技术，基于优化光伏电池效率从而掌握新能源产业发展主导权，是当前各国提升光伏发电产业强度的主要措施。因此国际各大厂商将目光聚焦于发展高效光伏电池技术，从而实现差异化竞争优势。
以日本科研团队为代表的量子点光伏电池技术，早在2014年就已取得突破性进展，冈田至崇教授带领的东京大学尖端科学技术中心研究团队，以量子点光伏电池为核心研究方向，实现26.8％的单元转换效率，刷新了量子点光伏电池效率转换记录，其聚光强度约增幅14倍。2015年，欧盟着手实施“百万千瓦级先进光伏制造工厂计划”以推动光伏电池大规模生产[5]。2016年，澳大利亚新南威尔士大学研究人员成功研制34.5%转换效率的四层光伏电池模块，创下非聚光型光伏电池模块转换效率的全球最高纪录[6]。截至2022年第四季度，美国FirstSolar的碲化镉（CdTe）薄膜组件实验室成功实现22.1%的光电转换效率，其量产平均转换效率达到16.1%，逐渐接近晶体硅光伏电池的产业化水平[7]。世界各国大力推崇新型光伏电池技术，致力于立足国际光伏产业技术前沿，旨在早日完成能源结构转型。
我国同样意识到新能源产业的不可替代性，并大力支持光伏产业技术发展。2015年我国推出光伏“领跑者”计划[8]，积极推广先进光伏技术产品，并采用竞争性方式配置市场资源。据项目数据统计观察，业主对于高效光伏电池产品热情度较高，90%以上的用户认可并采购高效光伏电池产品。国家《“十四五”能源领域科技创新规划》指出以TOPCon（Tunnel Oxide Passivating Contacts）电池技术为重点，充分利用高效光伏电池低损耗、高双面率、优质弱光响应等特性，最大程度发挥光电转换效率，推动我国早日实现双碳目标。
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第二章 注入式电压源变换器工作机理及调制策略研究
2.1 九电平注入式电压源变换器拓扑及工作机理分析
2.1.1 九电平注入式电压源变换器拓扑结构分析
传统电压源型变换器对系统设计精度要求高，器件应力大，并且在大功率应用场景，全控开关器件需串、并联使用，其暂态电压不均衡问题难以解决。利用电力电子器件和先进控制策略对传统电压源型变换器进行柔性改造已逐渐成为研究热点。基于上述分析，结构精简、谐波畸变率低、经济性佳、功率控制灵活的多电平注入式电压源变换器应运而生。注入式电压源变换器从拓扑结构层面主要分为主电路（串联结构的十二脉波变换电路）和注入电路（n组单相全桥或半桥级联），本章着重探究注入电路为全桥子模块拓扑的注入式电压源变换器。
九电平注入式电压源变换器拓扑结构如图2-1所示：
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2.2 九电平注入式电压源变换器调制策略研究
2.2.1 主电路调制策略研究
首先针对主电路触发模态进行具体分析，要求主电路上的开关元件以相位间隔30°的顺序触发，开关频率为50 Hz，任意时刻均存在六只开关器件同时导通，每只开关器件均导通0.01 s(180°)，为了直观阐述所提出的主电路开关器件触发模态，通过示意图2-4表示：
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第三章 注入电路全桥子模块电压平衡控制策略研究 ............................. 26
3.1 直流侧电容与注入电路子模块电容数学关系推演分析 ................... 26
3.2 低频遍历均压算法控制策略研究 .......................... 27
第四章 直流汇集式光伏系统与控制策略研究 ................................. 40
4.1 光伏电池建模及输出特性研究 .................................. 40
4.1.1 光伏电池数学建模 .................................... 40
4.1.2 光伏电池输出特性 ...................40
第五章 注入式变换器在光伏并网中的控制策略研究 .............................. 49
5.1 注入式变换器光伏并网系统的综合控制策略研究 ......................... 49
5.1.1 注入式变换器控制策略分析 .............................. 49
5.1.2 注入式变换器光伏并网系统的综合控制策略分析 ................................... 50
第五章 注入式变换器在光伏并网中的控制策略研究
5.1 注入式变换器光伏并网系统的综合控制策略研究
5.1.1 注入式变换器控制策略分析
为保证变换器较好的应用于光伏并网工况，系统综合控制策略设计有如下目标：
目标1：构建的九电平注入式电压源变换器，需满足注入特性并实现较好的电能质量变换，也就是对注入式变换器触发模态的准确性提出要求，确保实现软开关技术、消谐技术、多级变换技术等，使注入式变换器在光伏并网系统中具备较好的适用性。
目标2：探究注入式变换器光伏并网系统的综合控制策略，需满足光伏系统输出功率平滑入网，在直流汇集式光伏系统最大效率工作模式下，实现单位功率因数并网的同时度量注入式电压源变换器的无功补偿能力，在一定裕度内输出容性或感性无功，从而增强系统可靠性，降低系统经济成本。
传统三相变换器采用SPWM调制以电网电压矢量E为参考，通过控制变换器端口电压U实现变换器的四象限运行。如图5-1所示：
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总结与展望
本文以注入式电压源变换器作为重点研究对象，旨在优化传统大功率并网变换器，从而降低高比例电力电子设备对光伏并网系统造成的不良影响，实现优化电能质量，并缓解系统开关损耗较大等潜在问题，主要进行了以下研究：
（1）架构了一种以注入理念为基础的大功率并网变换器，以传统十二脉波电路为基础，通过建立注入电路实现多级变换。深度分析主电路与注入电路工作原理，构建合理的触发逻辑使开关器件工作于低频场合、导通或关断于零电压时刻，交流侧经多级变换输出优质波形。
（2）对比新型优化算法和传统算法对于开关器件工作频率、电容电压波动及控制器算力三组指标的影响，探究不同算法的优劣从而定义系统最优控制方案。仿真验证了时间尺度优化算法综合控制效果最佳，遵循不必要不排序原则，使得开关器件工作频率较小、电容电压波动较低，易于硬件电路实现。
（3）计及光伏并网系统功率匹配要求，结合光伏电池输出特性与MPPT控制技术，制定直流汇集式光伏并网系统，采用独立MPPT控制策略实现直流汇集式光伏系统的最大功率输出，仿真结果表明该控制策略简单可行，系统具备较高独立性水平，每组光伏阵列皆可实现最大效率工作，与理论推演基本一致。
（4）以电压注入特性合理实现为目标，综合探究光伏并网系统控制策略，实现注入式变换器光伏系统单位功率因数并网运行。计及变换器容量限制，在一定裕度内控制变换器输出感性或容性无功。进一步地，拓展以HBSM子模块拓扑结构为基础的注入式变换器光伏并网系统，并完成综合控制策略研究。仿真验证了上述两种注入式变换器光伏并网系统均可实现电压注入技术、全功率输出，并保证光伏并网系统输送功率平滑入网。
参考文献（略）