Z源型光伏并网逆变器研究

　　1 引 言

　　太阳能作为一种新兴绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。近二，三十年来，太阳能光伏发电技术得到了持续的发展，户用分布式光伏并网发电已经成为太阳能利用的主要方式之一。并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部件和关键技术，并网逆变器不仅可以将光伏阵列发出的直流电转化为交流电，而且可以对交流电的频率、电压、电流、相位等进行控制以实现与电网的并联功能。传统的电压源型逆变器(VSI)由于理论上的局限性，要求直流侧的电压高于交流侧，因此需在光伏阵列和逆变器之间增加直流升压环节，增加了系统的复杂性。采用Z源型光伏并网逆变器可以使交流侧输出电压高于直流侧输入电压，简化系统结构和设计。此外新型逆变器开关信号不需要设定死区，可有效减少输出正弦波失真，并网电流的低谐波性，可显著减少对电网的污染。本文在介绍Z源型光伏并网逆变器(VMZSPVGI)拓扑结构并分析其工作原理的基础上，采用有别于传统PWM控制技术的无开关死区的PWM控制策略，改善逆变器输出电流的质量。利用Matlab软件对新的控制策略进行仿真验证，仿真结果证明理论分析的正确性和有效性。

　　2 电路拓扑结构

　　电压模式Z源型光伏并网逆变器(VMZSPVGI)电路拓扑如图1所示。

　　图1中：CPV为光伏阵列储能电容，VPV为其两端电压，D为反向隔离二极管，L1、L2、C1、C2构成Z型阻抗网络，VPN为逆变桥输入电压，S1～S4是主逆变器4个主开关器件，Lo为输出滤波电感，Vgrid为电网电压。根据VMZSPVGI的特点，可将电路分为Z源升压子电路和全桥逆变子电路2个部分。

　　3 工作原理

　　3.1 Z源网络分析

　　为了分析方便，使Z源储能网络满足对称网络条件，取电感L1，L2和电容C1，C2满足如下条件：

　　根据对称与等效原理，有：

　　Z源型光伏并网逆变器，当逆变桥开关器件的触发驱动信号有足够高的开关频率时，就可以不考虑防止桥臂直通的死区时间。因此根据VMZSPVGI是否为直通开关状态将电路工作模式分为2种情况：

　　(1)当逆变器工作在非直通矢量状态时，可以等效电路如图2(a)所示；此时阻抗源输入侧二极管导通，因电感L1和L2的储能作用，对于逆变桥的输入端口在1个开关周期相当于1个恒定电流源。电压平衡方程为：

　　其中，Vd，VS，VPN分别为Z源网络二极管D处于通态时输入端电压、直流电源电压和逆变桥路直流母线电压。

　　(2)当逆变器工作在直通零矢量状态时，等效电路如图2(b)所示；电压平衡方程为：

　　稳态条件下，根据直流电感压秒平衡原则，Z源储能网络的电感在一个开关周期中平均电压为零，由式(3)和式(4)可得：

　　其中：T0+T1=T；T0为一个开关周期中直通零状态时间；T1为一个开关周期中非直通状态时间；T为开关周期时间。

　　由式(5)得Z源储能电容电压为：

　　在非直通矢量状态下，逆变桥路直流母线电压对输入电压的增益B为：

　　对于电压逆变单元，交流输出正弦电压基波峰值与直流母线电压的增益M为：

　　其中：vab为交流输出电压基波量。

　　因此对于整个VMZSPVGI，可输出调制正弦波电压：

　　由式(9)可以看出，通过控制逆变桥路的直通矢量占空比和正弦调制因子就可调节和控制满足电网要求的交流电压。

　　3.2 逆变桥的PWM控制

　　对于VMZSPVGI逆变桥的PWM控制，可由常规电压源型逆变器(VSI)的单级性PWM调制扩展得到。单级性调制时，2个桥臂的正弦载波相差180°，即：

　　所以，在一个开关周期中，a，b两桥臂的开关函数状态为零状态{0 0}；非零状态{1 0}；零状态{1 1}；非零状态{1 0)；零状态{0 0}。

　　VSI逆变器的功率管桥臂S1，S2的调制参考信号ua和功率管桥臂S3，S4的调制参考信号ub为：

　　对于VMZSPVGI的PWM调制，当调制信号为umax=max(ua，ub)，为了在零矢量过程加人直通状态占空比，必须将功率管上桥臂开关管的导通时间增大，而功率管下桥臂开关管保持不变，即：

　　式中，sx为开关管S1，S3，sy为开关管S2，S4。

　　当调制信号为umin=min(ua，ub)，为了在零矢量过程加入直通状态占空比，必须将功率管下桥臂开关管的导通时间减小，而功率管上桥臂开关管的导通时间不变，即：

　　VMZSPVGI的PWM调制如图3所示。

　　VMZSPVGI的PWM调制与传统VSI的PWM相比，多了一组直通零矢量开关模式，其开关控制因子有2个：控制Z源储能网络升压的直通零矢量占空比因子；控制交流电压输出的正弦调制因子。分别定义开关信号如下：

　　因此，可得VMZSPVGI的开关模式如表1所示。

　　4 系统仿真

　　根据以上分析，在Matlab中构建VMZSPVGI系统，其电气参数如表2所示。

　　参照表2电气参数，可得C=1 000μF，L=5 mH 50 A。另取光伏阵列输出电容CPV=800 μF，输出滤波电感Lo=10 mH 50A。

　　VMZSPVGI系统由以下几部分组成：PWM波形发生模块、开关函数计算模块、Z源网络模块、交流侧并网模块、光伏阵列及输出滤波模块，控制系统模块。

　　并网电流仿真波形如图4所示。

　　从仿真波形上可以看出VMZSPVGI系统在光伏阵列输出电压没有较大波动，并网电流处于稳态情况下，并网电流与电网电压频率相同，相位相差180°，实现逆变器输出端的单位功率因数(UPF)，满足了光伏发电系统并网的要求。当光伏阵列由于受到天气的影响而出现输出电压大幅度波动，引起并网电流出现阶跃跳变时，从仿真图上看出跳变后的并网电流仍然能够保持与电网电压频率相同，相位相差180°，表现出良好的鲁棒性。

　　5 结 语

　　在光伏并网发电系统中采用Z源型逆变器代替传统的电压源型逆变器可以充分适应光伏阵列输出电压大范围波动的特点。

　　本文介绍Z源型光伏并网逆变器的拓扑结构并分析工作原理，在Matlab中构建系统模型进行仿真验证。

　　仿真结果表明：采用Z源型逆变器的光伏并网发电系统在太阳能电池输出电压出现阶跃激增或突降时，系统能保持良好的鲁棒性，并网电流谐波小，满足光伏并网发电的要求。