光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究

劉 凱 丁竹青 黃 勇 山東化工職業(yè)學(xué)院 濰坊 261108

太陽能作為一種新能源，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類社會生活中，其中太陽能發(fā)電技術(shù)比較成熟，運營成本較低，更是解決能源短缺和環(huán)境污染的有效途徑之一。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏并網(wǎng)逆變器作為發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，將太陽能組件與電網(wǎng)進(jìn)行了有效的連接，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著非常重要的作用。

1 傳統(tǒng)電壓逆變器

光伏并網(wǎng)發(fā)電，是將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉鲜须婋娋W(wǎng)要求的工頻交流電，并將其接入電網(wǎng)的過程。逆變器則是可將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電力變換設(shè)備，由于太陽能組件發(fā)出的是直流電，一般的負(fù)載多數(shù)為交流負(fù)載，因此，逆變器是太陽能發(fā)電技術(shù)中必不可少的一部分。逆變器作為發(fā)電系統(tǒng)的重要組成，其太陽能發(fā)電的效率與逆變器的性能息息相關(guān)。

傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)見圖1，該系統(tǒng)是由太陽能組件、去耦大電容、傳統(tǒng)逆變器、濾波電感部分和電網(wǎng)構(gòu)成，其核心為傳統(tǒng)電壓源逆變器，通過驅(qū)動信號控制六個開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷而得到正弦規(guī)律變化的平均電壓。

圖1 傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

傳統(tǒng)電壓源逆變器結(jié)構(gòu)簡單，元器件少，但存在一些固有缺點：①由于直流側(cè)并聯(lián)大電容，相當(dāng)于電壓源，回路不允許短路，交流側(cè)要求接感性負(fù)載或串接電感，以保證電壓源逆變器可靠工作；②傳統(tǒng)電壓源型逆變器只可實現(xiàn)降壓，其輸出的交流電壓低于直流母線上的電壓，若希望得到較高的輸出電壓，需通過升壓變換器將直流側(cè)電壓升高，從而滿足電網(wǎng)電壓的要求，增加升壓變換器的發(fā)電系統(tǒng)可稱為兩級式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，控制電路為級間控制，控制復(fù)雜，而且效率降低，成本較高；③逆變橋同一橋臂的上下兩只開關(guān)管不允許同時導(dǎo)通，否則會工作在直通短路狀態(tài)，為防止直通，需要加入死區(qū)時間，造成能量轉(zhuǎn)換效率低，投入成本較高等。

2 新型電壓源逆變器

2.1 Z 源逆變器

為了避免傳統(tǒng)逆變器的以上缺點，2002 年，Z源網(wǎng)絡(luò)被提出，Z 源網(wǎng)絡(luò)的組成見圖2，其主要元件有兩個相同的電感（L1 和L2）與兩個相同的電容（C1 和C2），它們相互連接，構(gòu)成X 型的兩端口網(wǎng)絡(luò)。目前，對于Z 源網(wǎng)絡(luò)，尤其是Z 源逆變器的多方面研究已漸成熟，Z 源網(wǎng)絡(luò)獨特的優(yōu)點表明，Z 源拓?fù)涞难芯吭诠夥⒕W(wǎng)逆變器領(lǐng)域中具有深遠(yuǎn)意義。由Z 源網(wǎng)絡(luò)組成的變換器的電路結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖2 Z 源阻抗網(wǎng)絡(luò)

圖3 含阻抗網(wǎng)絡(luò)的變換器結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電壓源型Z 源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 三相電壓源型Z 源逆變器構(gòu)造

由圖4 可知，Z 源逆變器的主電路主要由直流電源部分（電解大電容）、Z 源網(wǎng)絡(luò)、傳統(tǒng)電壓源型逆變器三部分組成。其特點在于將Z 源網(wǎng)絡(luò)作為橋梁，將直流側(cè)與傳統(tǒng)逆變部分耦合到一起，從而得到區(qū)別于傳統(tǒng)逆變器的優(yōu)點。當(dāng)控制開關(guān)頻率較高時，Z 源逆變器比傳統(tǒng)電壓源型逆變器多出一種開關(guān)狀態(tài)，即在零電壓狀態(tài)下存在直通短路情況，該狀態(tài)在傳統(tǒng)逆變器中是不被允許的。

2.1.2 工作原理

為分析Z 源逆變器的工作原理，將傳統(tǒng)逆變橋部分等效成電流源，將光伏陣列得到的直流電與并聯(lián)大電容部分等效成直流電源，從直流電源側(cè)看進(jìn)去，可得到Z 源逆變器的等效電路，見圖5。

圖5 Z 源逆變器等效電路

由圖5 可知，當(dāng)傳統(tǒng)逆變橋處于直通情況時，逆變器同一橋臂上下的兩只管子同時導(dǎo)通，逆變橋出現(xiàn)短路，等效電路見圖6。當(dāng)在非直通情況時，逆變橋可等效為一個任意數(shù)值的電流源，此時雖然存在一種特殊的情況，即當(dāng)處于傳統(tǒng)零電壓時，逆變橋開路，等效電路中的電流源數(shù)值等于零，等效電路見圖7。

圖6 Z 源逆變器在直通狀態(tài)時的等效電路

圖7 Z 源逆變器在非直通狀態(tài)時的等效電路

圖5 等效電路中，假設(shè)Z 源網(wǎng)絡(luò)中電感L1 和電感L2 的電感值完全相同，即L1=L2；電容器C1和電容器C2 的電容值完全相同，即C1=C2。四個元件相互組成對稱的Z 源網(wǎng)絡(luò)，由此可知電容器C1 和電容器C2 上的電壓值相同，電感L1 和電感L2 上的電壓值相同：

式中，VC1為電容器C1 的電壓，V；VC2為電容器C2 的電壓，V；VL1為電感L1 的電壓，V；VL2為電感L2 的電壓，V。

下面將具體分析一個周期內(nèi)，Z 源逆變器的直通和非直通兩種情況：

（1）直通狀態(tài)

等效電路見圖6。

設(shè)逆變器工作在直通狀態(tài)時對應(yīng)的時間為T0，逆變器開關(guān)周期為T，從圖6 可知：

式中，vd為Z 源網(wǎng)絡(luò)輸入電壓，V；vi為Z 源網(wǎng)絡(luò)輸出電壓，V。

當(dāng)逆變器工作于直通狀態(tài)時，直流側(cè)二極管D承受反向電壓截止，直流電源停止供電，此時電容器C1 和C2 放電，同時對電感L1 和L2 充電，設(shè)電容電流正方向從下往上，如圖6 所示可得：

式中，IL為Z 源網(wǎng)絡(luò)電感電流，A；iC為Z 源網(wǎng)絡(luò)電容電流，A；ii為短路電流，A。

（2）非直通狀態(tài)

等效電路見圖7。

設(shè)逆變器工作在非直通狀態(tài)時對應(yīng)的時間為T1，此時二極管D 因承受正向電壓而導(dǎo)通，如圖7所示等效電路中，直流電源給電容C1 和C2 充電，由于直通狀態(tài)時電感L1 和L2 已儲存能量，與直流電源共同通過逆變器變壓并入電網(wǎng)，此時滿足：

式中，VDC為直流端電源電壓，V。

（3）綜合分析兩種狀態(tài)

在穩(wěn)態(tài)情況下，一個周期內(nèi)，電感兩端的平均電壓為0。即：

由公式（2），（4）可推導(dǎo)出：

經(jīng)過計算得出：

類似的方法可以得出，逆變橋輸入端的平均直流母線電壓為：

經(jīng)過推導(dǎo)計算得出：

由公式（9）可知，逆變橋輸入端的平均電壓等于Z 源網(wǎng)絡(luò)中電容電壓，其輸入端的峰值電壓為：

結(jié)合公式（10）和公式（11）可得逆變器交流側(cè)輸出峰值電壓為：

公式（13）中，M 為調(diào)制因數(shù)，B 為升壓因子，兩者的結(jié)合可控制升/降壓因子BB，從而實現(xiàn)逆變器升降壓的功能。通過以上分析可知：Z 源逆變器克服了傳統(tǒng)逆變器的缺點，可以實現(xiàn)靈活的升降壓；允許直通短路且不會對電路造成危害，有效解決了傳統(tǒng)逆變器的短路問題；直流側(cè)無需加入升壓電路，控制電路簡單，節(jié)約成本，同時，系統(tǒng)可靠性和效率得到提高。

通過多方面的分析可看出，電壓源型Z 源逆變器存在一些缺點：如：在升壓模式下運行時，輸入電流存在不連續(xù)情況；電容電壓應(yīng)力大；啟動沖擊電流大。因此要在Z 源拓?fù)涞幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 準(zhǔn)Z 源逆變器

2.2.1 準(zhǔn)Z 源逆變器的結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)Z 源逆變器是在Z 源逆變器拓?fù)涞幕A(chǔ)上改進(jìn)而來，在繼承了Z 源逆變器所有的優(yōu)點的同時，又有其獨特的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在：①電壓型準(zhǔn)Z 源拓?fù)渲校渲幸粋€電容承受的最大電壓大幅降低，便于器件的選擇，從而使得系統(tǒng)的成本降低；②輸入側(cè)串聯(lián)大電感，保證輸入電流連續(xù)，限制啟動沖擊電流。

準(zhǔn)Z 源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 準(zhǔn)Z 源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2.2 準(zhǔn)Z 源逆變器工作原理

同Z 源逆變器，準(zhǔn)Z 源逆變器也是控制逆變橋的直通時間滿足升壓。其控制方法也可以采用簡單升壓控制，本文不作具體介紹。該電路等效為三種工作狀態(tài)：直通狀態(tài)、傳統(tǒng)零電壓工作狀態(tài)、有效矢量工作狀態(tài)。主拓?fù)鋸闹绷鱾?cè)看過去的等效電路圖見圖9。

圖9 主拓?fù)涞刃щ娐穲D

同Z 源逆變器的分析思路，準(zhǔn)Z 源逆變器也可從以下兩種情況入手：直通情況和非直通情況。直通情況時，逆變橋等效為短路，見圖10（a）。當(dāng)逆變橋開路或處于有效工作狀態(tài)時，逆變橋可用一個任意數(shù)值的電流源代替，總結(jié)為非直通情況，見圖10（b）。

圖10 準(zhǔn)Z 源逆變器等效圖

假設(shè)在一個開關(guān)周期T 中，逆變橋處于直通狀態(tài)的時間為T0，從等效電路圖10（a）可得如下公式：

假設(shè)在一個周期內(nèi)，逆變橋處于非直通狀態(tài)的時間為T1，從等效電路圖10（b）可得如下公式：

在一個穩(wěn)態(tài)周期內(nèi)，電感兩端的平均電壓為0，電容的平均電流為0。由公式（14）、（18）和（16）、（20）得：

由公式（9）-（12）可得：

由式（19）知 ，加在逆變橋的峰值直流環(huán)節(jié)電壓為：

M 為調(diào)制因數(shù)。對于正弦脈寬調(diào)制（SPWM），M ≤1；公式（28）表明，通過調(diào)節(jié)直通狀態(tài)的時間T0，即可控制輸出電壓的升降。電壓增益理論上講，G 可以無限大。

2.2.3 開關(guān)管電壓電流應(yīng)力分析

逆變器開關(guān)管上的電壓應(yīng)力為： ，它與調(diào)制策略有關(guān)，US隨著直通占空比的增大而增大，因此，在滿足需要的前提下，應(yīng)選擇較小的直通占空比。

對于開關(guān)管的電流應(yīng)力：假設(shè)為理想開關(guān)管，兩相直通時，經(jīng)計算，功率開關(guān)管最大電流應(yīng)力為：由此可知，開關(guān)管電流應(yīng)力大小由輸出電流和電感電流共同決定。當(dāng)輸出電流確定時，電感電流越小，電流應(yīng)力則越小。

經(jīng)過上述分析可知，準(zhǔn)Z 源逆變器與Z 源逆變器的工作原理無本質(zhì)上的區(qū)別，但有不同于傳統(tǒng)Z 源逆變器的優(yōu)點：①由于直流電源輸入側(cè)電感L1的存在，使輸入電流連續(xù)，避免了電路的非正常工作狀態(tài)；②由公式（26）知，與傳統(tǒng)Z 源逆變器上的電容電壓相比，電容C1兩端的電壓降低，這對于電容器的耐壓要求大大降低，可大幅減小不間斷電源的體積、重量，及實現(xiàn)成本；③開關(guān)管的電壓電流應(yīng)力都與直通占空比有關(guān)，合理的控制，可以降低開關(guān)管的電壓電流應(yīng)力。

3 單相電壓型準(zhǔn)Z 源逆變器仿真分析

3.1 電感電容參數(shù)的選擇

直通情況的時間為DT，系統(tǒng)額定功率為P0。已知公式根據(jù)公式（14）得：

直通狀態(tài)時間DT內(nèi)，流過電容器C1、C2的電流公式（15）已知。由公式得根據(jù)公式（15）得：

3.2 仿真驗證

圖11 輸入直流電壓為190V 的輸出電壓波形

圖12 Z 源與準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)電容的電壓波形

綜上，仿真結(jié)果與理論分析幾乎一致，從而驗證了基于準(zhǔn)Z 源逆變器拓?fù)淅碚摲治龅暮侠硇耘c正確性。

4 結(jié)語

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分為逆變器，改善逆變器的性能可大大改善光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的性能，因此，逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究尤為重要。本文主要分析了Z 源和準(zhǔn)Z 源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，并通過仿真驗證了理論分析的合理性。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有其獨特的優(yōu)點，但也存在一些缺點，仍需要繼續(xù)改進(jìn)，以提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電系統(tǒng)的成本。