基于Z源逆變器的屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

翁蓓蓓，張 鵬，湯少卿

（泰州供電公司，江蘇 泰州 225300）

我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2000年太陽(yáng)能電池產(chǎn)量?jī)H為3 MW，而到了2008年，則達(dá)到1780 MW，占世界產(chǎn)量的26%，略次于歐洲的27%，連續(xù)兩年居世界第一位。與此相比，我國(guó)這樣一個(gè)太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家對(duì)于光能的利用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的水平。光伏發(fā)電中另一項(xiàng)重要組成設(shè)備，電力變換裝置的研發(fā)和生產(chǎn)，我國(guó)與世界先進(jìn)水平的差距則較遠(yuǎn)，這也直接造成了我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量遠(yuǎn)小于組件產(chǎn)量。對(duì)此國(guó)家財(cái)政部頒布了《關(guān)于加快推進(jìn)太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見(jiàn)》，國(guó)家電網(wǎng)公司在某些示范地區(qū)制定的光伏上網(wǎng)電價(jià)遠(yuǎn)超風(fēng)電的上網(wǎng)電價(jià)，這些措施必將促使國(guó)內(nèi)的光伏并網(wǎng)電站項(xiàng)目獲得良好的發(fā)展。

1 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某光伏示范項(xiàng)目在建筑屋頂建設(shè)低壓并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、計(jì)量裝置及升壓變組成[1-4]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)連接圖

屋頂可利用面積約為600 m2，采用轉(zhuǎn)換效率較高的晶硅電池組件，可敷設(shè)光伏電池組件的標(biāo)稱容量約為100 kW[5]。工程所用多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高，光電轉(zhuǎn)化效率一般大于14%，采用先進(jìn)、可靠的加工制造技術(shù)，結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，能耗低，不污染環(huán)境，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)便。并且具有非常好的耐侯性，能在室外嚴(yán)酷的環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，正常條件下的使用壽命不低于25年，在10年使用期限內(nèi)輸出功率不低于90%的標(biāo)準(zhǔn)功率，在25年使用期限內(nèi)輸出功率不低于80%的標(biāo)準(zhǔn)功率。本項(xiàng)目所選國(guó)內(nèi)某品牌組件參數(shù)如表1所示。

表1 電池板參數(shù)

2 新型Z源逆變器的應(yīng)用

光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成核心之一就是逆變器。它是實(shí)現(xiàn)從太陽(yáng)能電池輸出直流電轉(zhuǎn)換成正弦50 Hz交流電的橋梁。

2.1 傳統(tǒng)三相逆變器

傳統(tǒng)三相逆變器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括：電壓源型逆變器（VSI）和電流源型逆變器（CSI）2種。VSI基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，一般來(lái)說(shuō)它要求具有恒定的輸入直流電壓，交流輸出側(cè)為電壓恒定不變、頻率受控的交流電。

直流側(cè)電源可以是蓄電池、燃料電池、光伏陣列或者是整流器輸出的直流電，當(dāng)直流電源電壓不夠穩(wěn)定時(shí)，常常通過(guò)并聯(lián)一個(gè)大電容的方法來(lái)起到穩(wěn)定直流側(cè)電壓的作用。

圖2 VSI基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CSI的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，它和VSI基本成對(duì)偶，一般來(lái)說(shuō)它要求逆變器的輸入側(cè)是一個(gè)恒定不變的電流，輸出側(cè)為電流恒定不變、頻率受控的交流電。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中理想的恒流源并不多見(jiàn)，CSI的直流輸入都是串聯(lián)一個(gè)大電感，通過(guò)這種方法，把常見(jiàn)直流源近似看成是一個(gè)恒流源。

圖3 電流源型逆變器（CSI）的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無(wú)論是VSI或者CSI，由于自身拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，在許多實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合中都存在著一些局限性[6-9]。例如：VSI是降壓型逆變器，CSI是升壓型逆變器，它們不能同時(shí)達(dá)到升降壓功能，降低了電路的變換效率；對(duì)開關(guān)信號(hào)時(shí)刻準(zhǔn)確性要求高；電壓源型逆變器為了防止逆變器上、下橋臂短路，在上、下開關(guān)換流過(guò)程中必須插入死區(qū)時(shí)間，導(dǎo)致輸出交流電壓波形發(fā)生畸變，影響輸出波形質(zhì)量。

2.2 Z源逆變器及其優(yōu)點(diǎn)

Z源逆變器是在傳統(tǒng)VSI和直流電源之間插入1個(gè)由2個(gè)電容、2個(gè)電感對(duì)稱連接的阻抗網(wǎng)絡(luò)而形成的新型電力電子變換電路，如圖4所示，由于這個(gè)對(duì)稱的阻抗網(wǎng)絡(luò)為Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，所以稱這種新型的電力電子變換電路為Z源逆變器。

圖4 Z源逆變器基本拓?fù)?/p>

由于這個(gè)對(duì)稱阻抗網(wǎng)絡(luò)的加入，它使得逆變器允許出現(xiàn)同一橋臂同時(shí)導(dǎo)通的工作狀態(tài) （稱之為直通狀態(tài)）。直通狀態(tài)的出現(xiàn)，打破了原來(lái)傳統(tǒng)三相逆變器的限制，帶來(lái)了一系列的優(yōu)越性[10]。

（1）Z源逆變器的電源既可為電壓源，也可為電流源。因此，與傳統(tǒng)的VSI和CSI不同，Z源逆變器的直流電源可以為任意的，如電池、二極管整流器、晶閘管變流器、燃料電池堆、電感、電容器或它們的組合。

（2）Z源逆變器的主電路既可為傳統(tǒng)的電壓源的形式，也可為傳統(tǒng)的電流源的形式。Z源逆變器所采用的開關(guān)可以是開關(guān)器件和二極管的組合。

（3）Z源逆變器允許同一橋臂同時(shí)開通，引入直通狀態(tài)，并利用直通狀態(tài)來(lái)提升逆變器直流側(cè)電壓，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（4）Z源逆變器不用在開關(guān)換流過(guò)程中插入死區(qū)時(shí)間，從而減小了輸出交流電壓波形的畸變率。

2.3 工作狀態(tài)

根據(jù)逆變橋臂上、下橋臂是否同時(shí)導(dǎo)通，將Z源逆變器分解成2種基本工作狀態(tài)[11，12]。

（1）直通狀態(tài)。直通狀態(tài)下系統(tǒng)等效電路如圖5所示。此時(shí)逆變橋上、下橋臂短路，假設(shè)一個(gè)開關(guān)周期的時(shí)間為T，直通時(shí)間為Tsh=DT（D為直通調(diào)制比），由等效電路得：

在直通狀態(tài)下：

圖5 直通狀態(tài)等效電路

（2）非直通狀態(tài)。非直通狀態(tài)下系統(tǒng)等效電路如圖6所示。該狀態(tài)與傳統(tǒng)逆變器工作狀態(tài)一樣，此時(shí)由等效電路得：

逆變器工作在穩(wěn)態(tài)條件下，在理想情況時(shí)，1個(gè)開關(guān)周期時(shí)間T內(nèi)Z源電感上不消耗任何能量，因此電感上的伏秒積為0，即dt=0，將式（2，3）代入，有：

圖6 非直通狀態(tài)等效電路

由于逆變橋直流側(cè)工作在這2種狀態(tài)下，逆變橋直流側(cè)的電壓取值只能為0和，直通狀態(tài)下逆變橋直流側(cè)電壓為0，非直通狀態(tài)下逆變橋直流側(cè)峰值電壓為。

由式（5）可以看出，和傳統(tǒng)VSI相比，通過(guò)設(shè)置直通調(diào)制比D（D＜0.5），不需要額外增加DC/DC變流器，就能實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的任意比例升壓[13]。

3 Z源光伏并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部還集成了完善的保護(hù)措施：系統(tǒng)過(guò)/欠電壓、過(guò)/欠頻率、防雷和接地、短路保護(hù)、孤島檢測(cè)等。對(duì)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，其最大功率跟蹤（MPPT）能力也是一個(gè)重要的因素。太陽(yáng)能電池方陣的輸出隨太陽(yáng)輻照度和太陽(yáng)能電池方陣表面溫度而變動(dòng)。因此需要跟蹤太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)并進(jìn)行控制,使其始終處于最大輸出,并獲取最大輸出。該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)于2010年8月并網(wǎng)投運(yùn)成功，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 光伏系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)天，逆變器參數(shù)如表3所示。可見(jiàn)系統(tǒng)工作正常，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

4 結(jié)束語(yǔ)

城市中，可再生能源的利用主要以光伏發(fā)電為主，而光伏發(fā)電由于其功率密度低的特點(diǎn)，需要占用大量的土地稀缺資源，而屋頂是最佳選擇。利用Z源逆變器的升降壓特性，光伏組件可以依據(jù)建筑屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)串并聯(lián)匯流，直流母線電壓范圍比普通逆變器更大，通過(guò)工程應(yīng)用證明Z源逆變器能夠很好地適用于屋頂光伏系統(tǒng)，效果良好。

表3 逆變器參數(shù)

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