Z源逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電池MPPT和逆變器并網(wǎng)的單級控制

丁新平 盧 燕 錢照明 張 民 楊水濤

(1. 青島理工大學(xué)自動化工程學(xué)院 青島 266520 2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027)

1 引言

光伏發(fā)電作為一種具有廣闊前景的綠色能源發(fā)電方式近年來獲得了巨大的發(fā)展，在過去的 20年里，光伏發(fā)電的需求以每年20%～25%遞增[1-2]。光伏電池在應(yīng)用過程中主要的技術(shù)難題為：①如何最大限度地利用光伏電池產(chǎn)生的能量。由于光伏電池組的輸出功率是受日照強度和環(huán)境溫度影響的非線性函數(shù)，即使在外部環(huán)境穩(wěn)定的情況下，光伏電池組的輸出功率也會隨著外部負(fù)載的變化而變化。因此，為了最大限度地利用光伏電池組產(chǎn)生的能量，需要在光伏電池組和負(fù)載之間采用最大功率點跟蹤 (Maximum Power Point Tracking, MPPT)電路。②如何得到相對穩(wěn)定的直流鏈電壓。光伏電池組輸出的直流鏈電壓波動范圍很大，為了減小逆變器的電壓等級，繼而減小樣機和系統(tǒng)的費用、重量以及體積，同時減小光伏電池和電網(wǎng)的相互影響，必須有相應(yīng)的功率調(diào)整電路。

圖1所示為典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)整系統(tǒng)（PCS）。圖1a為單級控制結(jié)構(gòu)[3-7]，光伏電池模塊輸出功率MPPT控制和逆變器并網(wǎng)控制都由逆變電路完成。單級式光伏發(fā)電系統(tǒng)直接利用 DC/AC逆變器將光伏電池輸出的能量傳遞到電網(wǎng)，變換器效率較高，但是存在以下主要缺點：①輸入電壓較高，需要將大量光伏電池串聯(lián)使用，導(dǎo)致在非理想條件下（光伏板部分被遮蓋，低光強，灰塵覆蓋以及光伏電池老化等）功率損失嚴(yán)重[8]。②由于光伏電池最大功率點電壓隨著環(huán)境變化波動較大，單級逆變器無直流升壓環(huán)節(jié)，為了能夠滿足各最大功率點電壓時的并網(wǎng)要求，逆變器直流母線電壓需要跟蹤光伏電池最大功率點電壓在較大范圍內(nèi)波動，導(dǎo)致逆變器的功率容量較大。圖1b為級聯(lián)DC/DC電路的兩級控制結(jié)構(gòu)[9]。光伏電池模塊通過一個具有最大功率點跟蹤功能的DC/DC（通常為Boost電路）變流器連接到直流母線，直流母線通過逆變器直接并網(wǎng)發(fā)電。該電路的優(yōu)點是：①級聯(lián)Boost電路能夠減小光伏電池模塊的電壓等級，繼而減少了光伏電池的串聯(lián)個數(shù)，減小了在非理想條件下（光伏電池部分被遮蓋，低光強，灰塵覆蓋以及光伏電池老化）的功率損失。②降低了逆變器的功率等級。③DC/DC變流器的加入可以得到恒定的直流鏈電壓，實現(xiàn)光伏電池最大功率點跟蹤和逆變器并網(wǎng)工作的獨立控制，避免了電網(wǎng)與光伏電池相互之間的影響，因此實現(xiàn)光伏電池模塊MPPT控制和逆變器并網(wǎng)控制比較容易；缺點是逆變器功率級數(shù)多，總效率下降，硬件電路較多，可靠性較差，費用增加。

圖1 典型光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)整系統(tǒng)（PCS）Fig.1 Typical power conditioning system of photovoltaic power system

Z源逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖2所示，它綜合了單級電路和級聯(lián) Boost電路的優(yōu)點而得到業(yè)界的重視[10-19]。因其有如下的特點而特別適合于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用。

（1）升壓功能。通過控制直通占空比很容易實現(xiàn)與兩級式功率調(diào)整電路類似的升壓功能，從而可以降低輸入光伏電池電壓等級和逆變器的功率等級，同時在光伏電池最大功率點電壓隨環(huán)境大范圍波動的情況時，保持逆變器輸出電壓能夠滿足并網(wǎng)要求。

（2）逆變器的可靠性高。Z源網(wǎng)絡(luò)的引入使得直通成為其特殊的工作狀態(tài)，從而提高了逆變器的可靠性。與兩級電路相比較，Z源逆變器減少了一個有源元件，減少了相應(yīng)的控制電路和保護電路，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性，且降低了系統(tǒng)成本。

（3）Z源逆變器從本質(zhì)上講是單級系統(tǒng)，具有單級逆變器的結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點。

圖2 Z源逆變器單級光伏并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.2 Z-source inverter-based PV system

Z源逆變器通過給橋臂加入直通狀態(tài)實現(xiàn)升壓，由于逆變器輸出電壓只與有效狀態(tài)有關(guān)，為了使直通零狀態(tài)不影響逆變器輸出電壓，在控制中需要把直通零狀態(tài)加在傳統(tǒng)零矢量里面。所以直通占空比 d0和逆變器調(diào)制因子 M之間就有一定的約束關(guān)系（具體視控制策略而定）。所有的研究都是分別控制直通占空比 d0和逆變器調(diào)制度 M來實現(xiàn)直流鏈升壓和逆變器并網(wǎng)功能[14-16]。兩個自由度的獨立控制給系統(tǒng)的控制器設(shè)計帶來了方便，如圖3所示，直通占空比d0在0～D0之間變化以調(diào)制直流鏈電壓Vdc或電容電壓 VC的恒定，M 在 0～1-D0之間變化實現(xiàn)逆變并網(wǎng)的功能。但是“直通占空比d0的自由調(diào)整”和“直通占空比 d0和逆變器調(diào)制因子 M之間就有一定的約束關(guān)系”的矛盾使得逆變器的調(diào)制因子M不能選太大，從而帶來了逆變器有源元件電壓應(yīng)力增加、直流電壓利用率減小和逆變器交流輸出電流諧波含量增多等缺點。

圖3 直通占空比和調(diào)制因子的制約關(guān)系Fig.3 Relationship between shoot-through duty cycle and modulation index

本文在簡單控制策略的前提下[10]，提出了應(yīng)用統(tǒng)一空間矢量控制方法（USVPWM）來實現(xiàn)Z源逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電池輸出功率MPPT和逆變器并網(wǎng)的單級控制。把直通占空比d0和逆變器調(diào)制度M統(tǒng)一成一個控制量——統(tǒng)一空間矢量，減少了一個控制自由度，充分利用零狀態(tài)，增大了逆變器調(diào)制因子 M，相應(yīng)地提高了直流電壓利用率, 減小了有源元件的電壓應(yīng)力和逆變器交流輸出電流諧波含量。

2 Z源逆變器的升壓控制方法

實現(xiàn)逆變器升壓功能的最簡單控制方法是直接在傳統(tǒng)零矢量中加入直通零狀態(tài)，簡稱簡單升壓控制。此外，為了增加直流電壓利用率，充分利用逆變器的零矢量以得到更大的升壓比（在不減小逆變器調(diào)制因子 M的情況下），還可以采用最大升壓比法（maximum boost control）和最大恒升壓比法（maximum constant boost control）[13,17]。最常用的升壓控制方法是簡單升壓控制，如圖4所示。為了實現(xiàn)直通零狀態(tài)，在傳統(tǒng) PWM控制的基礎(chǔ)上，用正負(fù)兩個恒值 v+，v-跟三角載波比較，得到如圖 4陰影部分所示的直通零狀態(tài)。在簡單升壓控制下，Z源逆變器交流輸出相電壓峰值ac?v可以表示為

式中 vpv——光伏電池電壓；

D0——直通占空比，等于一個載波周期內(nèi)總的導(dǎo)通時間T0除以載波周期T；

B——升壓因子， B = V ?dc/vpv= 1 /(1 - 2 D0)；

M——調(diào)制因子。

與傳統(tǒng)逆變器定義相同

式中 Vpeak——正弦調(diào)制波峰值；

Vtri——三角載波峰值。

采用簡單升壓控制方式，在升壓比最大的時候有

由此可以得到升壓因子與調(diào)制因子的關(guān)系

可以得到在簡單升壓控制下輸出相電壓峰值為

圖4 簡單升壓控制模式下直通驅(qū)動信號及逆變器驅(qū)動信號Fig.4 The single boost control sketch map

3 Z源逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)單級控制

Z源逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)單級控制就是用一個變量來實現(xiàn)前級光伏電池輸出電壓MPPT控制和逆變器并網(wǎng)控制。本文提出的單級控制包括逆變器并網(wǎng)的功率控制和光伏電池MPPT控制。

3.1 單級控制原理

在如圖2所示的Z源逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，假設(shè)電感和電容不消耗有功功率，則有

式中 Vpv，Ipv——光伏電池的輸出平均電壓和平均電流；

Vgm，Igm——并網(wǎng)電壓和電流的最大值；

Pload——交流負(fù)載消耗的有功功率。

假設(shè)交流負(fù)載消耗的能量和電網(wǎng)電壓恒定，則可以得到通過控制并網(wǎng)電流就能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電池輸出功率的MPPT控制。統(tǒng)一電壓空間矢量的單級控制采用跟蹤指令電壓矢量的 SVPWM 電流控制策略，具體控制框圖如圖 5所示。陰影部分的USVPWM控制就是3.2節(jié)介紹的統(tǒng)一電壓空間矢量控制。逆變器輸出電流控制基于空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q，從而實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立控制。用兩個 PI補償器來減少電流誤差，PI控制器的輸出值作為濾波電感的電壓參考值，和空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q下的電網(wǎng)電壓一起生成逆變器輸出電壓的參考值，實現(xiàn) USVPWM控制。令無功電流參考值等于零，有功電流由光伏電池提供給定，這種控制策略是通過電流調(diào)節(jié)環(huán)的運算獲得指令電壓矢量U*，并通過基本矢量Uk(k=0，…，7)的合成實現(xiàn)對指令電壓矢量的跟蹤控制，從而實現(xiàn)Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量的電流控制。

圖5 Z源逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)單級控制框圖Fig.5 Single-stage control sketch map of Z-source inverter PV system

3.2 統(tǒng)一空間矢量法（USVPWM）

圖6為傳統(tǒng)三相兩電平逆變器電壓空間矢量在復(fù)平面上的分布情況，共有 8條電壓空間矢量（2條零矢量和6條有效矢量）。6條模為1的有效空間電壓矢量將復(fù)平面均分成 6個扇區(qū) I～VI，對于任一扇區(qū)中的電壓空間矢量U*，均可由該扇區(qū)兩邊的基本電壓空間矢量合成。第一扇區(qū)的矢量U就可以表示為

式中，T1，T2，T0分別為有效矢量1U，2U 和零矢量作用的時間。由正弦定理，有

式中，θ =ωt 2nπ≤θ ≤2nπ+π/3。

所以，在第一扇區(qū)兩個有效矢量和零矢量分別作用的時間為

圖6 基本電壓空間矢量Fig.6 General voltage space vectors

當(dāng)由6個基本電壓空間矢量合成的U以近似圓形軌跡旋轉(zhuǎn)時，其圓形軌跡的旋轉(zhuǎn)半徑受6個基本電壓空間矢量幅值的限制。最大的圓形軌跡是6個基本有效矢量幅值所組成的正六邊形的內(nèi)接圓，如圖6所示。對于空間矢量控制，其線性控制區(qū)域和過調(diào)制的邊界是正六邊形，當(dāng)電壓空間矢量長度超出六邊形時，由式（9）可以算出，有效矢量作用時間大于總的時間，式（9）失效，屬于過調(diào)制范圍。通過式（9）和圖6可以看到，隨著零矢量作用時間T0的減小，電壓空間矢量U的矢量長度在增大，當(dāng)電壓空間矢量長度|U|一定時，零矢量作用時間 T0隨著合成矢量 U與基本電壓矢量 U1的夾角θ 大小而變化。在第一扇區(qū)，當(dāng)θ =π/6時，T0值最小，在每個扇區(qū)中零矢量作用時間最短的時刻分別出現(xiàn)在

圖7是第一扇區(qū)不同長度的電壓空間矢量有效矢量作用時間與矢量夾角θ 的關(guān)系，可以看到當(dāng)矢量長度為，且電壓空間矢量夾角為θ =π/6時，T0=0，零矢量作用時間最少。

圖8為可任意升/降壓的Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量合成，對于每一個給定的輸出交流電壓空間矢量U，應(yīng)用簡單升壓控制時，零矢量作用時間的最小值就是Z源逆變器直通矢量作用的時間。

圖7 第一扇區(qū)不同長度的電壓空間矢量有效矢量作用時間與矢量夾角θ 的關(guān)系Fig.7 Relationship between active space vector action time and vector angle

圖8 Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量合成Fig.8 The composing of USVPWM

由圖6和式（9），直通占空比可以表示為

所以，要實現(xiàn)升壓控制時，直通占空比可以表示為

于是有直流鏈電壓最大值與輸入直流電壓的比值 B可以表示為 B =/Vpv= 1 /(1 - 2 D0)=1/(4/-1)。

定義Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量為B′=UU，由圖8可以看到，Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量可以是任意長度的矢量，不受線性調(diào)制和過調(diào)制的限制。所以，當(dāng)需要升壓時，工作于升壓模式，加入直通占空比，此時升壓比U ′ =BU＞/2；不需要升壓時，升壓比B=1，相當(dāng)于傳統(tǒng)電壓源PWM逆變器，U′=BU＜3 2。所以，Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量U′=BU可以表示為

由圖9 Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量與傳統(tǒng)電壓空間矢量的關(guān)系能夠更直觀地看出，Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量能夠得到任意長度的值，也就是說能夠?qū)崿F(xiàn)任意的升/降壓功能。通過控制統(tǒng)一電壓空間矢量的長度來達(dá)到控制輸出交流電壓的目的，這就是Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量控制策略要實現(xiàn)的目標(biāo)。

圖9 Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量與傳統(tǒng)電壓空間矢量的關(guān)系Fig.9 Relationship between unified space vector and general space vector of Z-source inverter

Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量控制框圖如圖10所示，采樣回來的電壓信號，經(jīng)過 3/2變換，與給定值生成的誤差信號經(jīng)過PI補償后，利用式（13）就可以實現(xiàn)統(tǒng)一電壓空間矢量的SVPWM控制。圖10中點劃線部分就是USVPWM算法。

圖10 Z源逆變器統(tǒng)一電壓空間矢量（USVPWM）控制框圖Fig.10 Control sketch of USVPWM on Z-source inverter

4 實驗研究

為了驗證理論的正確性，在實驗室10kW樣機上做了實驗驗證。驗證Z源逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在統(tǒng)一電壓空間矢量控制策略（USVPWM）下實現(xiàn)MPPT和并網(wǎng)的單級控制，其實質(zhì)是驗證Z源逆變器在統(tǒng)一電壓空間矢量控制策略下能否實現(xiàn)自由的升/降壓功能。因為只要 Z源逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)升/降壓功能，就能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電池MPPT和并網(wǎng)的單級控制——電網(wǎng)電壓恒定，通過調(diào)節(jié)Z源逆變器的升/降壓因子BM能跟蹤到光伏電池的輸出電壓。簡單起見，只作了Z源逆變器在統(tǒng)一電壓空間矢量控制策略下的升/降壓功能驗證。具體實驗波形如圖 11所示。

圖11a為輸入直流電壓為320V時Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓和逆變器輸出交流電壓波形；圖11b為直流輸入電壓從320V跌落到240V時Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓和逆變器輸出交流電壓波形；圖11c為直流輸入電壓從320V跌落到240V逆變器動態(tài)調(diào)節(jié)過程。由圖11a和圖 11b比較得到：在不同的輸入電壓下，通過本文提出的單級控制，直流鏈電壓可以不相同，但是從整體出發(fā)而得到的交流輸出電壓 Va是完全相等的。圖12顯示在各種不同的升壓比時直通信號的變化情況。圖12a當(dāng)直流輸入電壓高時不需要升壓，沒有直通信號；輸入電壓減小時，直通信號增大如圖 12b、圖 12c所示。通過控制統(tǒng)一電壓空間矢量的長度，就能夠控制直通占空比和逆變器調(diào)制因子的大小。也就是說，統(tǒng)一電壓空間矢量控制能夠?qū)崿F(xiàn)逆變器的任意升/降壓功能，進而實現(xiàn)光伏電池MPPT和逆變器并網(wǎng)的單級控制。

圖11 實驗波形Fig.11 Experimental results

圖12 不同的輸入直流電壓下直通信號的變化情況Fig.12 Shoot-through duty cycle in different input DC voltage

5 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于Z源光伏發(fā)電系統(tǒng)的單級控制策略。通過綜合考慮直流鏈升壓電路和逆變器并網(wǎng)電路，兩個控制量合為一個統(tǒng)一電壓空間矢量（USVPWM），減少了一個控制自由度，使得單級控制成為可能。在此基礎(chǔ)上，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq下，構(gòu)成了基于統(tǒng)一電壓空間矢量（USVPWM）的并網(wǎng)功率控制，實現(xiàn)了光伏電池MPPT和逆變器并網(wǎng)的單級控制。該控制方法解決了兩級控制時直流鏈升壓電路和逆變器并網(wǎng)電路的相互制約，最大程度地利用了直通零矢量，使得逆變器的調(diào)整因子M增大，相應(yīng)地有源器件的電壓應(yīng)力和輸出電流諧波得到很大的改善。同時減少了直流鏈電壓采樣電路，減少了系統(tǒng)成本。

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