基于Quasi-Z源逆變器的光伏并網系統

楊海柱，劉潔，吳菲

（1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作 454000；2.河南理工大學計算機科學與技術學院，河南焦作 454000)

基于Quasi-Z源逆變器的光伏并網系統

楊海柱1，劉潔2，吳菲1

（1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作 454000；2.河南理工大學計算機科學與技術學院，河南焦作 454000)

將具有連續電流輸入的電壓型Quasi-Z源逆變器(QZSI)應用于光伏系統。分析了該新型逆變器拓撲結構的工作原理，并提出基于Quasi-Z源逆變器的單級功率變換的光伏并網系統。將旋轉坐標系下有功和無功電流解耦的控制思想應用于文中所提光伏并網系統實現并網功率的控制，并研究了該系統PWM信號產生的策略。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；直通；解耦控制

太陽能發電要真正達到實用水平，既要提高太陽能光電變換效率并降低成本，又要實現太陽能并網。傳統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，從而使系統存在兩級變換，降低了系統整體效率，增加了控制復雜度。同時，因電磁干擾而導致橋臂直通，會致使開關管由于瞬時過流而損壞，因此系統可靠性降低。為避免這一現象的發生，要在同一橋臂開關管互換導通之時加入死區時間，然而這種死區的加入會導致輸出電壓波形發生畸變。

QZSI[1]是繼Z源逆變器(ZSI)[2-3]之后新近提出的拓撲結構，它采用由電感和電容組成的獨特阻抗網絡結構，通過控制直通占空比可以很容易實現與兩級式逆變器類似的升/降壓功能；且由于開關管允許橋臂直通，死區時間被去除，減小了輸出電壓、電流的失真。與兩級電路相比，QZSI減少了一個開關管，減少了相應的控制電路和保護電路，從而可進一步提高系統的可靠性，降低系統的成本，具有單級逆變器的結構簡單、高效率等優點。本文從具有連續電流輸入的電壓型QZSI主電路拓撲入手，深入分析QZSI的工作原理，提出了基于QZSI的光伏并網系統，采用有功電流和無功電流解耦的控制思想以及改進的PWM信號的產生來研究光伏并網系統，使之符合并網要求。

1 Quasi-Z源逆變器工作原理

圖1為輸入電流連續的電壓型QZSI光伏并網系統拓撲，分為2種工作狀態：直通與非直通[4]。直通時，QZSI阻抗網絡中的電容放電，電感充電，二極管承受反壓截止；非直通時，阻抗網絡中的電感放電，維持電容電壓，并使直流母線電壓升高，此時，QZSI按傳統電壓型逆變器的SPWM調制來進行DC-AC的變換，從而實現光伏單級并網系統中升壓與逆變功能。等效電路如圖2。

圖1 基于QZSI的光伏并網系統

圖2 QZSI的2種工作狀態

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，則通過調節D和M即可實現升壓。通過電容電壓閉環反饋控制VC1為一個恒定值，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的輸入電壓關系

圖4 直通占空比與QZSI的輸出電壓關系

2 QZSI光伏并網系統的控制

圖5所示為QZSI光伏并網系統[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的SPWM調制策略實現并網要求。

圖5 QZSI光伏并網系統的控制框圖

2.1 并網功率的控制

將QZSI的輸出電壓、電流由靜止三相A-B-C參考坐標系轉換到旋轉的同步坐標系中，則逆變器穩態時輸出的有功功率和無功功率為：

從式(7)可知：當處于穩態時，只要能夠有效地獨立控制光伏并網逆變器輸出的有功電流和無功電流，即可完全地實現逆變器的有功功率和無功功率的獨立解耦控制[7]。

圖6 有功和無功電流的解耦控制

2.2 QZSI的PWM調制

電壓型QZSI光伏并網系統逆變器的PWM[8]調制相對于傳統光伏并網電壓型逆變器調制，多了一組直通零矢量開關模式，其開關控制因子為：直通占空比和正弦調制因子分別控制逆變器儲能網絡的升壓和交流電壓的輸出。為實現直通零矢量，在傳統的SPWM調制中，加入正負兩個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光伏并網系統的PWM信號產生的調制策略。當三角載波值大于正恒值+或小于負恒值-時，QZSI進入直通狀態；當三角載波幅值介于二者之間時，QZSI進入傳統的SPWM調制狀態。

圖7 PWM調制策略

3 仿真實驗

利用Matlab/Simulink軟件對所提出的基于QZSI的光伏并網系統搭建模型。阻抗網絡參數1=2=2 mH，1=2=1 mF；電網電壓為220 V，頻率為50 Hz；電容參考電壓=635 V，開關頻率為10 kHz，并網電感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調制脈沖，可以看出直通零矢量被平均地分配在了所有傳統的零矢量中，且位置固定，位于傳統零矢量的中間；從圖9可以看出QZSI阻抗網絡中的電容1電壓通過閉環控制在635 V附近小幅震蕩，電壓穩定性較好；圖10為三相并網電壓和并網電流波形圖；圖11為a相并網電壓和并網電流的相位比較圖，電壓、電流基本同相；圖12為a相并網電流及其諧波分析圖，=2.06%，輸出并網電流失真較?。豢梢娫赒ZSI光伏并網系統中，以及有功電流和無功電流解耦的控制下，并網電壓與并網電流基本同相，系統功率因數較高，且輸出電壓與電流波形畸變率較小。

圖8 加入直通的PWM調制脈沖

圖9 電容C1的電壓波形

圖10 三相并網電壓與電流波形

圖11 a相并網電壓和并網電流相位比較

圖12 a相并網電流及諧波分析圖

4 總結

本文論述并分析了基于Quasi-Z源逆變器的光伏并網系統，有如下特點：

(1)它是一個單級能量的變換系統，系統控制結構簡單，可降低系統的總體成本和空間要求，獨特的阻抗網絡結構，使得系統允許直通，具有了傳統逆變器沒有的升壓性能且極大地提高開關器件的可靠性，輸出并網電流波形失真較?。?/p>

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

仿真實驗結果顯示，電網電壓與電流同頻同相，具有較高的功率因數，驗證了本文所提出控制策略的正確性和有效性。

[1]ANDERSON J，PENG F Z.Four Quasi-Z-source inverters[J].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2008,8(4):2743-2749.

[2]楊水濤，丁新平，張帆，等.Z-源逆變器在光伏發電系統中的應用[J].中國電機工程學報，2008,28(17)：112-118.

[3]張先飛，鄭建勇，胡敏強.Z源逆變器光伏并網控制策略研究[J].電氣傳動，2009,39(10):8-13.

[4]周斌生，宋慶爍.Quasi-Z源逆變器電壓電流雙閉環控制統研究[J].電源技術，2011,35(9):1146-1150.

[5]PARK J H,KIM H G,NHO E C,et al.Power conditioning system for a grid connected PV power generation using a Quasi-Z-source inverter[J].IEEE Journal of Power Electronics,2010,10(1):79-84.

[6]李媛，彭方正.Z源/準Z源逆變器在光伏并網系統中的電容電壓恒壓控制策略[J].電工技術學報，2011,26(5):62-69.

[7]周維來，官二勇.風電并網逆變器用有無功率解耦控制的矢量控制策略[J].變頻世界，2007(8):51-55.

[8]HUANG Y,SHEN M S,PENG F Z.Z-source inverter for residential photovoltaic system[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2006,21(6):1776-1782.

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

國家自然科學基金（61074095）

楊海柱(1975—)，男，河南省人，副教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為光伏并網發電技術。

劉潔，E-mail:liujie@hpu.edu.cn