Z源型光伏并網(wǎng)逆變器研究

　　1 引 言

　　太陽(yáng)能作為一種新興綠色能源，以其永不枯竭、無(wú)污染、不受地域資源限制等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的推廣應(yīng)用。近二，三十年來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展，戶(hù)用分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為太陽(yáng)能利用的主要方式之一。并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件和關(guān)鍵技術(shù)，并網(wǎng)逆變器不僅可以將光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，而且可以對(duì)交流電的頻率、電壓、電流、相位等進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的并聯(lián)功能。傳統(tǒng)的電壓源型逆變器(VSI)由于理論上的局限性，要求直流側(cè)的電壓高于交流側(cè)，因此需在光伏陣列和逆變器之間增加直流升壓環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。采用Z源型光伏并網(wǎng)逆變器可以使交流側(cè)輸出電壓高于直流側(cè)輸入電壓，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。此外新型逆變器開(kāi)關(guān)信號(hào)不需要設(shè)定死區(qū)，可有效減少輸出正弦波失真，并網(wǎng)電流的低諧波性，可顯著減少對(duì)電網(wǎng)的污染。本文在介紹Z源型光伏并網(wǎng)逆變器(VMZSPVGI)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并分析其工作原理的基礎(chǔ)上，采用有別于傳統(tǒng)PWM控制技術(shù)的無(wú)開(kāi)關(guān)死區(qū)的PWM控制策略，改善逆變器輸出電流的質(zhì)量。利用Matlab軟件對(duì)新的控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明理論分析的正確性和有效性。

　　2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　電壓模式Z源型光伏并網(wǎng)逆變器(VMZSPVGI)電路拓?fù)淙鐖D1所示。

　　圖1中：CPV為光伏陣列儲(chǔ)能電容，VPV為其兩端電壓，D為反向隔離二極管，L1、L2、C1、C2構(gòu)成Z型阻抗網(wǎng)絡(luò)，VPN為逆變橋輸入電壓，S1～S4是主逆變器4個(gè)主開(kāi)關(guān)器件，Lo為輸出濾波電感，Vgrid為電網(wǎng)電壓。根據(jù)VMZSPVGI的特點(diǎn)，可將電路分為Z源升壓子電路和全橋逆變子電路2個(gè)部分。

　　3 工作原理

　　3.1 Z源網(wǎng)絡(luò)分析

　　為了分析方便，使Z源儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)滿足對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)條件，取電感L1，L2和電容C1，C2滿足如下條件：

　　根據(jù)對(duì)稱(chēng)與等效原理，有：

　　Z源型光伏并網(wǎng)逆變器，當(dāng)逆變橋開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào)有足夠高的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，就可以不考慮防止橋臂直通的死區(qū)時(shí)間。因此根據(jù)VMZSPVGI是否為直通開(kāi)關(guān)狀態(tài)將電路工作模式分為2種情況：

　　(1)當(dāng)逆變器工作在非直通矢量狀態(tài)時(shí)，可以等效電路如圖2(a)所示；此時(shí)阻抗源輸入側(cè)二極管導(dǎo)通，因電感L1和L2的儲(chǔ)能作用，對(duì)于逆變橋的輸入端口在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期相當(dāng)于1個(gè)恒定電流源。電壓平衡方程為：

　　其中，Vd，VS，VPN分別為Z源網(wǎng)絡(luò)二極管D處于通態(tài)時(shí)輸入端電壓、直流電源電壓和逆變橋路直流母線電壓。

　　(2)當(dāng)逆變器工作在直通零矢量狀態(tài)時(shí)，等效電路如圖2(b)所示；電壓平衡方程為：

　　穩(wěn)態(tài)條件下，根據(jù)直流電感壓秒平衡原則，Z源儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)的電感在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中平均電壓為零，由式(3)和式(4)可得：

　　其中：T0+T1=T；T0為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中直通零狀態(tài)時(shí)間；T1為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中非直通狀態(tài)時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期時(shí)間。

　　由式(5)得Z源儲(chǔ)能電容電壓為：

　　在非直通矢量狀態(tài)下，逆變橋路直流母線電壓對(duì)輸入電壓的增益B為：

　　對(duì)于電壓逆變單元，交流輸出正弦電壓基波峰值與直流母線電壓的增益M為：

　　其中：vab為交流輸出電壓基波量。

　　因此對(duì)于整個(gè)VMZSPVGI，可輸出調(diào)制正弦波電壓：

　　由式(9)可以看出，通過(guò)控制逆變橋路的直通矢量占空比和正弦調(diào)制因子就可調(diào)節(jié)和控制滿足電網(wǎng)要求的交流電壓。

　　3.2 逆變橋的PWM控制

　　對(duì)于VMZSPVGI逆變橋的PWM控制，可由常規(guī)電壓源型逆變器(VSI)的單級(jí)性PWM調(diào)制擴(kuò)展得到。單級(jí)性調(diào)制時(shí)，2個(gè)橋臂的正弦載波相差180°，即：

　　所以，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，a，b兩橋臂的開(kāi)關(guān)函數(shù)狀態(tài)為零狀態(tài){0 0}；非零狀態(tài){1 0}；零狀態(tài){1 1}；非零狀態(tài){1 0)；零狀態(tài){0 0}。

　　VSI逆變器的功率管橋臂S1，S2的調(diào)制參考信號(hào)ua和功率管橋臂S3，S4的調(diào)制參考信號(hào)ub為：

　　對(duì)于VMZSPVGI的PWM調(diào)制，當(dāng)調(diào)制信號(hào)為umax=max(ua，ub)，為了在零矢量過(guò)程加人直通狀態(tài)占空比，必須將功率管上橋臂開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間增大，而功率管下橋臂開(kāi)關(guān)管保持不變，即：

　　式中，sx為開(kāi)關(guān)管S1，S3，sy為開(kāi)關(guān)管S2，S4。

　　當(dāng)調(diào)制信號(hào)為umin=min(ua，ub)，為了在零矢量過(guò)程加入直通狀態(tài)占空比，必須將功率管下橋臂開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間減小，而功率管上橋臂開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不變，即：

　　VMZSPVGI的PWM調(diào)制如圖3所示。

　　VMZSPVGI的PWM調(diào)制與傳統(tǒng)VSI的PWM相比，多了一組直通零矢量開(kāi)關(guān)模式，其開(kāi)關(guān)控制因子有2個(gè)：控制Z源儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)升壓的直通零矢量占空比因子；控制交流電壓輸出的正弦調(diào)制因子。分別定義開(kāi)關(guān)信號(hào)如下：

　　因此，可得VMZSPVGI的開(kāi)關(guān)模式如表1所示。

　　4 系統(tǒng)仿真

　　根據(jù)以上分析，在Matlab中構(gòu)建VMZSPVGI系統(tǒng)，其電氣參數(shù)如表2所示。

　　參照表2電氣參數(shù)，可得C=1 000μF，L=5 mH 50 A。另取光伏陣列輸出電容CPV=800 μF，輸出濾波電感Lo=10 mH 50A。

　　VMZSPVGI系統(tǒng)由以下幾部分組成：PWM波形發(fā)生模塊、開(kāi)關(guān)函數(shù)計(jì)算模塊、Z源網(wǎng)絡(luò)模塊、交流側(cè)并網(wǎng)模塊、光伏陣列及輸出濾波模塊，控制系統(tǒng)模塊。

　　并網(wǎng)電流仿真波形如圖4所示。

　　從仿真波形上可以看出VMZSPVGI系統(tǒng)在光伏陣列輸出電壓沒(méi)有較大波動(dòng)，并網(wǎng)電流處于穩(wěn)態(tài)情況下，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓頻率相同，相位相差180°，實(shí)現(xiàn)逆變器輸出端的單位功率因數(shù)(UPF)，滿足了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的要求。當(dāng)光伏陣列由于受到天氣的影響而出現(xiàn)輸出電壓大幅度波動(dòng)，引起并網(wǎng)電流出現(xiàn)階躍跳變時(shí)，從仿真圖上看出跳變后的并網(wǎng)電流仍然能夠保持與電網(wǎng)電壓頻率相同，相位相差180°，表現(xiàn)出良好的魯棒性。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中采用Z源型逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓源型逆變器可以充分適應(yīng)光伏陣列輸出電壓大范圍波動(dòng)的特點(diǎn)。

　　本文介紹Z源型光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并分析工作原理，在Matlab中構(gòu)建系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

　　仿真結(jié)果表明：采用Z源型逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在太陽(yáng)能電池輸出電壓出現(xiàn)階躍激增或突降時(shí)，系統(tǒng)能保持良好的魯棒性，并網(wǎng)電流諧波小，滿足光伏并網(wǎng)發(fā)電的要求。