《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁(yè) > 電源技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > Z源光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究
Z源光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第2期
高平東,，張法全，李 勇
（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,，廣西 桂林541004）
摘要： 針對(duì)全橋逆變器存在死區(qū)及電流輸出波形畸變等問(wèn)題,，引入Z源網(wǎng)絡(luò),，設(shè)計(jì)了具有升壓或降壓功能、用于輸入電壓變化范圍寬的光伏發(fā)電等逆變器系統(tǒng),。研究了Z源電壓控制原理,，提出了恒定輸出電流法控制策略，設(shè)計(jì)了一臺(tái)1 500 W的逆變器,。實(shí)驗(yàn)表明,，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，提高了并網(wǎng)電流的質(zhì)量,。
中圖分類(lèi)號(hào)： TP368
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)02-0053-03
Control strategy for Z-source photovoltaic grid-connected inverter
Gao Pingdong,，Zhang Faquan，Li Yong
School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004,，China
Abstract： Based on dead zone and full bridge inverter output current waveform distortion, introduced Z-source, and designed a step-up or step-down type inverter, which had wide range of input voltage for the PV inverter system etc.. This paper studies the Z-source voltage control principle, the method of constant output current control strategy is proposed. A 1 500 W inverter is designed, the experiment proved that the design is simple and practical, and can improve the quality of the grid current.
Key words : Z-source,；inverter；PV grid,；constant current control

    隨著傳統(tǒng)能源與經(jīng)濟(jì),、環(huán)境之間矛盾的日益突出，能源問(wèn)題將成為世界的根本問(wèn)題,。因此,，開(kāi)發(fā)可持續(xù)能源成為人類(lèi)面臨的迫切需求[1-2]。而太陽(yáng)能光伏發(fā)電是世界上節(jié)約能源,、倡導(dǎo)綠色電力的一種主要的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),。發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球各國(guó)解決能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)之間矛盾的最佳途徑之一,，其中光伏并網(wǎng)逆變器的研究成為了各國(guó)科學(xué)家青睞的對(duì)象,。
    光伏并網(wǎng)逆變器的主要功能是控制光伏陣列產(chǎn)生的電能以最大的效率及高質(zhì)量輸送到電網(wǎng)中。而傳統(tǒng)的電壓型逆變器只能降壓或者電流型逆變器只能升壓,，難于滿足光伏陣列輸出對(duì)寬電壓范圍的要求[3-4],。并且逆變的全橋電路存在死區(qū)，使得輸出電流波形畸變污染了電網(wǎng),。針對(duì)以上問(wèn)題,，本文引入了Z源網(wǎng)絡(luò)，該逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，輸入電壓范圍寬,，允許同一側(cè)的IGBT直通,，有效地避免了死區(qū)的存在[5]。
    在光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)中,，由于光伏陣列輸出功率的變化易引起并網(wǎng)電流的波動(dòng),，進(jìn)而造成電網(wǎng)電能質(zhì)量的污染。為了減小這種污染,，傳統(tǒng)的做法是增加DC-DC輸出環(huán)節(jié)的電容值,，但是同時(shí)增加了逆變器體積、質(zhì)量及成本,，且降低了穩(wěn)定性,。為了解決并網(wǎng)電流穩(wěn)定性問(wèn)題，本文提出了恒定輸出電流法控制策略,。詳細(xì)分析了Z源逆變器的工作原理及電壓控制方法,。最后設(shè)計(jì)了一臺(tái)1 500 W的逆變器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制策略的可行性,。
1 硬件電路及工作原理
1.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    本文研究的并網(wǎng)逆變器是單相Z源光伏并網(wǎng)逆變器,，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中Z源網(wǎng)絡(luò)由對(duì)稱(chēng)的電感與電容組成,，將逆變級(jí)與光伏陣列耦合在一起,，完成電壓的升降壓功能。該電路綜合了單級(jí)電路與級(jí)聯(lián)Boost電路的優(yōu)勢(shì),。逆變級(jí)由4個(gè)IGBT組成全橋,，實(shí)現(xiàn)DC-AC的轉(zhuǎn)變。由于Z源網(wǎng)絡(luò)的存在可以接受全橋同側(cè)IGBT的直通,，避免了死區(qū)的存在,。通過(guò)調(diào)制直通比可以控制Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓，從而控制輸出電流,。

  
    為了使參數(shù)B與M易于調(diào)節(jié)且使硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，IGBT的控制信號(hào)可由傳統(tǒng)的電壓源逆變器的單極性PWM信號(hào)擴(kuò)展得到[8]。為了不影響逆變器的正常工作,，直通態(tài)的出現(xiàn)只能插入到逆變器的零狀態(tài)(即為續(xù)流態(tài),，逆變?nèi)珮虻纳瞎苋珜?dǎo)通或下管全導(dǎo)通)。這使得參數(shù)B與M的調(diào)節(jié)受到一定的相互制約,。這里以傳統(tǒng)的SPWM控制方法加入直通態(tài)進(jìn)行分析，PWM控制信號(hào)如圖3所示,。Q1,、Q2、Q3與Q4為對(duì)應(yīng)IGBT的開(kāi)關(guān)信號(hào),。uac為逆變器要調(diào)制出的正弦輸出電壓信號(hào),，為了不影響uac的輸出,，直通態(tài)的加入為Q2與Q4的陰影部分。因此,，得到了一個(gè)周期內(nèi)的直通態(tài)輸出調(diào)制信號(hào)(D0),，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Z源網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的控制。


    逆變器實(shí)時(shí)檢測(cè)PV的輸出電壓,、電流,，根據(jù)MPPT算法計(jì)算最大輸出功率點(diǎn)，并得到期望的Z源網(wǎng)絡(luò)直通態(tài)占空比d0,。Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓直接關(guān)系到逆變級(jí)輸出正弦電流信號(hào)的穩(wěn)定性,。若輸出電壓過(guò)大則造成IGBT的損壞；過(guò)低則無(wú)法正常工作,；若電壓變化大則使得輸出電流諧波增加,，進(jìn)而影響電能的質(zhì)量[9]。因此,，為了穩(wěn)定輸出電流,，提出交流并網(wǎng)電流控制策略與Z源電容電壓控制策略來(lái)穩(wěn)定輸出電流，減小電流的突變,。本設(shè)計(jì)使用穩(wěn)定Z源的電容電壓法間接穩(wěn)定輸出電流,，通過(guò)Z源輸出電壓控制得到期望的輸出電流。交流并網(wǎng)電流控制采用電流閉環(huán)加電壓前饋跟蹤控制法,，實(shí)現(xiàn)輸出電流的控制,。并網(wǎng)輸出電流大小由Z源穩(wěn)壓控制策略的輸出設(shè)定，給定電流的幅值為Z源電容電壓控制的輸出量,，然后與電網(wǎng)的PLL輸出的單位正弦信號(hào)相乘得到逆變器的期望電流,。最后，由電流控制器的輸出正弦因子usin與直通態(tài)占空比d0合成,，產(chǎn)生的信號(hào)與三角載波比較生成PWM控制信號(hào),。
2.2 并網(wǎng)電流控制策略
    為了使輸出的并網(wǎng)電流穩(wěn)定，減小電流的突變波動(dòng),，本文以恒定Z源電容電壓控制策略,，進(jìn)而恒定輸出電流控制。交逆變側(cè)以電容電壓閉環(huán)反饋控制實(shí)現(xiàn)電容電壓的恒定,，電容電壓誤差經(jīng)過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)后得到并網(wǎng)期望電流,，與電壓同步控制信息得到電流控制器期望電流。電流控制器采用的是電流閉環(huán)加電壓前饋跟蹤控制法,，結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示,。圖中是并網(wǎng)期望電流，iac是并網(wǎng)實(shí)際電流。TS為開(kāi)關(guān)周期,，Gc(s)是電流控制器,，GINV(s)是功率逆變器，GL(s)是輸出濾波環(huán)器,。

輸出電流也跟蹤電容電壓下降,，但下降速度緩慢且平滑。在不同階功率點(diǎn)之間改變時(shí)實(shí)現(xiàn)了輸出電流的平滑過(guò)渡,。由圖7與圖8進(jìn)一步分析可得出,，在功率穩(wěn)定期輸出電流恒定且無(wú)畸變，驗(yàn)證了恒定電流控制策略的可行性,。

    本文詳細(xì)分析了Z源電壓控制原理,，提出了恒定輸出電流法控制策略，設(shè)計(jì)了一臺(tái)1 500 W的逆變器,，可以滿足光伏陣列輸出電壓波動(dòng)范圍寬的特性,，且引入的Z源網(wǎng)絡(luò)避免了死區(qū)的存在，提高了并網(wǎng)電流的質(zhì)量,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的可行性,，且具有較低的輸出電流THD值；硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，可以滿足用戶型光伏并網(wǎng)逆變器的需求,，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳理博,，趙爭(zhēng)鳴,，劉建政，等.具有無(wú)功補(bǔ)償功能的單級(jí)式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2006,，21(1)：28-32.
[2] YAZDANI A，DASHI P P.A control methodology and  characterization of dynami cs for a photovoltaic(PV) system  interfaced with a distribution network[J].IEEE Transactions on Power Delivery,，2009,，24(3)：1385-1393.
[3] 李媛，彭方正.Z源/準(zhǔn)Z源逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的電容電壓恒壓控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2011,，26(5)：62-69.
[4] 李后春，葛紅娟,，張文彬,，等.新型三相-單相矩陣變換器的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2013,，47(3)：90-90,，102.
[5] 戚振彪，張興,，田新全,，等.基于Z源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[J].電力電子技術(shù)，2009,，43(12)：40-42.
[6] PENG F Z.Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Industry Applications,，2003，39(2)：504-510.
[7] ANDERSON J,，PENG F Z.Four quasi-Z-source inverters[C]. IEEE Power Electronics Specialists Conference,，2008：2743-2749.
[8] LOH P C，VILATHGAMUWA M,，LAI Y S,，et al.Pulse  width modulation of Z-source inverters[J].IEEE Transactions  on Power Electronics，2005,，20(6)：1346-1355.
[9] 朱克平,，江道灼.一種改進(jìn)型的光伏并網(wǎng)逆變器[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013,，41(6)：99-104.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。