基于Quasi-Z源逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

楊海柱，劉潔，吳菲

（1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作 454000；2.河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南焦作 454000)

基于Quasi-Z源逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

楊海柱1，劉潔2，吳菲1

（1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作 454000；2.河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南焦作 454000)

將具有連續(xù)電流輸入的電壓型Quasi-Z源逆變器(QZSI)應(yīng)用于光伏系統(tǒng)。分析了該新型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，并提出基于Quasi-Z源逆變器的單級(jí)功率變換的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下有功和無功電流解耦的控制思想應(yīng)用于文中所提光伏并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率的控制，并研究了該系統(tǒng)PWM信號(hào)產(chǎn)生的策略。Matlab/Simulink仿真證明了該控制策略的合理性和可行性。

Quasi-Z源逆變器；光伏并網(wǎng)；直通；解耦控制

太陽能發(fā)電要真正達(dá)到實(shí)用水平，既要提高太陽能光電變換效率并降低成本，又要實(shí)現(xiàn)太陽能并網(wǎng)。傳統(tǒng)電壓型逆變器是一種降壓型逆變器，尤其在光伏輸出電壓工作范圍比較大的場合，通常要在VSI輸入的前端增加DC/DC變換器，從而使系統(tǒng)存在兩級(jí)變換，降低了系統(tǒng)整體效率，增加了控制復(fù)雜度。同時(shí)，因電磁干擾而導(dǎo)致橋臂直通，會(huì)致使開關(guān)管由于瞬時(shí)過流而損壞，因此系統(tǒng)可靠性降低。為避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，要在同一橋臂開關(guān)管互換導(dǎo)通之時(shí)加入死區(qū)時(shí)間，然而這種死區(qū)的加入會(huì)導(dǎo)致輸出電壓波形發(fā)生畸變。

QZSI[1]是繼Z源逆變器(ZSI)[2-3]之后新近提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它采用由電感和電容組成的獨(dú)特阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過控制直通占空比可以很容易實(shí)現(xiàn)與兩級(jí)式逆變器類似的升/降壓功能；且由于開關(guān)管允許橋臂直通，死區(qū)時(shí)間被去除，減小了輸出電壓、電流的失真。與兩級(jí)電路相比，QZSI減少了一個(gè)開關(guān)管，減少了相應(yīng)的控制電路和保護(hù)電路，從而可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本，具有單級(jí)逆變器的結(jié)構(gòu)簡單、高效率等優(yōu)點(diǎn)。本文從具有連續(xù)電流輸入的電壓型QZSI主電路拓?fù)淙胧郑钊敕治鯭ZSI的工作原理，提出了基于QZSI的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，采用有功電流和無功電流解耦的控制思想以及改進(jìn)的PWM信號(hào)的產(chǎn)生來研究光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，使之符合并網(wǎng)要求。

1 Quasi-Z源逆變器工作原理

圖1為輸入電流連續(xù)的電壓型QZSI光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)洌譃?種工作狀態(tài)：直通與非直通[4]。直通時(shí)，QZSI阻抗網(wǎng)絡(luò)中的電容放電，電感充電，二極管承受反壓截止；非直通時(shí)，阻抗網(wǎng)絡(luò)中的電感放電，維持電容電壓，并使直流母線電壓升高，此時(shí)，QZSI按傳統(tǒng)電壓型逆變器的SPWM調(diào)制來進(jìn)行DC-AC的變換，從而實(shí)現(xiàn)光伏單級(jí)并網(wǎng)系統(tǒng)中升壓與逆變功能。等效電路如圖2。

圖1 基于QZSI的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

圖2 QZSI的2種工作狀態(tài)

式(5)中QZSI電容C1的電壓和ZSI中的電容電壓相等，而電容C2的電壓降低。由于QZSI的輸入電壓很容易被確定，則通過調(diào)節(jié)D和M即可實(shí)現(xiàn)升壓。通過電容電壓閉環(huán)反饋控制VC1為一個(gè)恒定值，則隨著直通占空比的增大，QZSI的輸入電壓降低，輸出電壓升高，如圖3、4所示。

圖3 直通占空比與QZSI的輸入電壓關(guān)系

圖4 直通占空比與QZSI的輸出電壓關(guān)系

2 QZSI光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制

圖5所示為QZSI光伏并網(wǎng)系統(tǒng)[5-8]的控制框圖。通過采用有功和無功電流解耦的控制思想以及改進(jìn)的SPWM調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)要求。

圖5 QZSI光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制框圖

2.1 并網(wǎng)功率的控制

將QZSI的輸出電壓、電流由靜止三相A-B-C參考坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)的同步坐標(biāo)系中，則逆變器穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出的有功功率和無功功率為：

從式(7)可知：當(dāng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，只要能夠有效地獨(dú)立控制光伏并網(wǎng)逆變器輸出的有功電流和無功電流，即可完全地實(shí)現(xiàn)逆變器的有功功率和無功功率的獨(dú)立解耦控制[7]。

圖6 有功和無功電流的解耦控制

2.2 QZSI的PWM調(diào)制

電壓型QZSI光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器的PWM[8]調(diào)制相對(duì)于傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)電壓型逆變器調(diào)制，多了一組直通零矢量開關(guān)模式，其開關(guān)控制因子為：直通占空比和正弦調(diào)制因子分別控制逆變器儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)的升壓和交流電壓的輸出。為實(shí)現(xiàn)直通零矢量，在傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制中，加入正負(fù)兩個(gè)等于或大于三相參考電壓峰值的直流電壓恒值+和-，通過與三角載波比較來控制。圖7所示為基于QZSI光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的PWM信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)制策略。當(dāng)三角載波值大于正恒值+或小于負(fù)恒值-時(shí)，QZSI進(jìn)入直通狀態(tài)；當(dāng)三角載波幅值介于二者之間時(shí)，QZSI進(jìn)入傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制狀態(tài)。

圖7 PWM調(diào)制策略

3 仿真實(shí)驗(yàn)

利用Matlab/Simulink軟件對(duì)所提出的基于QZSI的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)搭建模型。阻抗網(wǎng)絡(luò)參數(shù)1=2=2 mH，1=2=1 mF；電網(wǎng)電壓為220 V，頻率為50 Hz；電容參考電壓=635 V，開關(guān)頻率為10 kHz，并網(wǎng)電感3 mH，給定光伏電池直流輸入電壓為500 V，則直通占空比=0.175。圖8為加入該直通以后的PWM調(diào)制脈沖，可以看出直通零矢量被平均地分配在了所有傳統(tǒng)的零矢量中，且位置固定，位于傳統(tǒng)零矢量的中間；從圖9可以看出QZSI阻抗網(wǎng)絡(luò)中的電容1電壓通過閉環(huán)控制在635 V附近小幅震蕩，電壓穩(wěn)定性較好；圖10為三相并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形圖；圖11為a相并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的相位比較圖，電壓、電流基本同相；圖12為a相并網(wǎng)電流及其諧波分析圖，=2.06%，輸出并網(wǎng)電流失真較??；可見在QZSI光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，以及有功電流和無功電流解耦的控制下，并網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流基本同相，系統(tǒng)功率因數(shù)較高，且輸出電壓與電流波形畸變率較小。

圖8 加入直通的PWM調(diào)制脈沖

圖9 電容C1的電壓波形

圖10 三相并網(wǎng)電壓與電流波形

圖11 a相并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流相位比較

圖12 a相并網(wǎng)電流及諧波分析圖

4 總結(jié)

本文論述并分析了基于Quasi-Z源逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，有如下特點(diǎn)：

(1)它是一個(gè)單級(jí)能量的變換系統(tǒng)，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡單，可降低系統(tǒng)的總體成本和空間要求，獨(dú)特的阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)允許直通，具有了傳統(tǒng)逆變器沒有的升壓性能且極大地提高開關(guān)器件的可靠性，輸出并網(wǎng)電流波形失真較??；

(2)基于Quasi-Z源逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的有功和無功電流解耦思想以及加入直通的PWM調(diào)制策略，較好地控制了輸出電壓電流并滿足了并網(wǎng)要求。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電網(wǎng)電壓與電流同頻同相，具有較高的功率因數(shù)，驗(yàn)證了本文所提出控制策略的正確性和有效性。

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Grid-connected photovoltaic systems based on Quasi-Z-source inverter

YANG Hai-zhu1,LIU Jie2,WU Fei1

A grid-connected photovoltaic system using a voltage-source Quasi-Z-source inverter(QZSI)was presented.The working principle of this new type inverter topology structure was analyzed,and a single power stage conversion grid-connected photovoltaic power generation system based on Quasi-Z-source inverter was proposed. The active and reactive current decoupling control thought byrotating coordinate system was applied for realizing the control of grid power,and then the PWM signal generating strategy of this system was studied.The rationality and feasibility of the proposed control strategy were verified through MATLAB/Simulink.

Quasi-Z-source inverter;photovoltaic grid-connected system;shoot-through;decoupling control

TM 464

A

1002-087 X(2014)02-0290-03

2013-06-11

國家自然科學(xué)基金（61074095）

楊海柱(1975—)，男，河南省人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電技術(shù)。

劉潔，E-mail:liujie@hpu.edu.cn