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基于储能型准Z源级联H桥逆变器的光伏发电系统控制研究

1引言

1.1背景介绍与分析

随着全球能源需求的不断增长和化石能源的逐渐枯竭，开发可再生能源成为人类社会的迫切需求。太阳能光伏发电作为一种清洁、可再生的能源形式，近年来得到了广泛的研究和应用。然而，光伏发电系统存在输出功率波动大、对电网影响等问题，因此需要通过储能设备和高效的逆变器进行调控。

储能型准Z源级联H桥逆变器具有结构简单、控制灵活、能效高等优点，被认为是提高光伏发电系统性能的关键技术。本文旨在通过对储能型准Z源级联H桥逆变器的研究，提出一种高效的光伏发电系统控制策略，以提高系统性能和可再生能源的利用率。

1.2研究目的与意义

本研究的主要目的如下：

分析储能型准Z源级联H桥逆变器的工作原理和结构特点，为后续控制策略的设计提供理论依据；

建立光伏发电系统的数学模型，为系统控制和性能优化提供依据；

设计一种适用于储能型准Z源级联H桥逆变器的光伏发电系统控制策略，实现最大功率点跟踪（MPPT）和储能系统的高效运行；

通过仿真和实验验证所提控制策略的有效性和可行性，为实际应用提供参考。

本研究对于提高光伏发电系统的稳定性和能效，促进可再生能源的开发利用具有重要意义。

1.3文献综述

近年来，关于光伏发电系统控制和储能型逆变器的研究取得了许多成果。文献[1]提出了一种基于准Z源级联H桥逆变器的光伏发电系统控制策略，实现了MPPT和储能系统的优化运行。文献[2]对储能型逆变器的工作原理和结构进行了详细分析，为后续研究提供了理论基础。文献[3]建立了一种考虑温度、光照等环境因素的光伏发电系统数学模型，为控制策略设计提供了依据。

然而，现有研究在控制策略的优化和系统集成方面仍存在一定的局限性。因此，本文针对这些不足，提出了一种基于储能型准Z源级联H桥逆变器的光伏发电系统控制策略，旨在实现系统的高效运行和性能优化。

2储能型准Z源级联H桥逆变器原理与结构

2.1储能型准Z源级联H桥逆变器的工作原理

储能型准Z源级联H桥逆变器是一种新型的电力电子变换器，结合了准Z源网络与级联H桥结构的特点，能够在光伏发电系统中实现高效率、高功率密度及良好的输出波形质量。其工作原理基于以下几个核心要点：

准Z源网络：该网络具有升降压的能力，能够适应光伏电池输出电压的变化，提高系统的灵活性。

级联H桥：通过多组H桥的级联，可以提升系统的电压和功率等级，同时降低单一桥臂的开关压力。

储能元件：引入储能元件（如超级电容器或电池）可以平衡功率波动，提高系统对负载变化的适应性。

在这种逆变器中，光伏电池的输出首先连接到准Z源网络，通过该网络进行电压的调整。然后，经过级联H桥进行逆变，将直流电转换为与电网频率和相位相匹配的交流电。

2.2逆变器的主要组成部分与结构特点

储能型准Z源级联H桥逆变器主要由以下几个部分组成：

准Z源网络：包括两个电感、两个电容以及四个开关元件，构成一个四端网络，用于升降压操作。

级联H桥单元：由多个H桥单元级联而成，每个H桥单元包含四个开关元件和一个中心点，用于生成多电平输出。

储能元件：超级电容器或电池，用于存储和释放能量，提高系统对负载变化的响应速度。

控制单元：用于控制开关元件的通断，以实现所需的电能转换。

结构特点：

高效率：通过优化开关策略，减少了开关损耗，提高了整体转换效率。

高功率密度：级联结构使得在较小的体积和重量下实现较高功率输出。

电压适应性：准Z源网络可以应对较大的输入电压变化范围。

良好的输出波形：多电平输出减少了谐波含量，提高了电能质量。

灵活的控制策略：可以根据实际需求，调整控制参数，实现最大功率点跟踪（MPPT）及储能系统管理。

以上结构特点使得该逆变器在光伏发电系统中具有较大的应用潜力，有助于提升系统的稳定性和电能转换效率。

3.光伏发电系统建模与控制策略

3.1光伏发电系统的数学建模

光伏发电系统的数学建模是研究的基础，通过模型可以准确描述光伏电池的输出特性与外部环境因素之间的关系。本节主要建立光伏电池的单一-diode模型和双-diode模型，分析两种模型的优缺点及其适用场合。单一-diode模型由于其结构简单、计算方便，在工程实际中被广泛使用。然而，当光照强度变化较大时，单一-diode模型的精度会有所下降。因此，双-diode模型被提出来改善这一问题，它能更精确地描述光伏电池的非线性特性。

在建模过程中，考虑了温度、光照强度、负载电阻等对光伏电池输出特性的影响，并利用MATLAB/Simulink搭建了相应的数学模型。通过对比实验数据与模型输出，验证了模型的准确性。

3.2控制策略分析

3.2.1MPPT控制策略

最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking,MPPT）控制策略是提高光伏系统发电