基于準Z源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究*

鐘宇明，文勵洪，常 江，吳志敏

（深圳職業(yè)技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

基于準Z源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究*

鐘宇明，文勵洪，常 江，吳志敏

（深圳職業(yè)技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

準Z源逆變器是一種在光伏發(fā)電系統(tǒng)中有應用前景的新型逆變器．本文用Matlab建立系統(tǒng)的仿真模型，把現(xiàn)有建筑的一套屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)改造成基于準Z源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光伏陣列模塊、主電路模塊和控制模塊．靜態(tài)和動態(tài)仿真結(jié)果證明了所建模型的正確性．

光伏發(fā)電系統(tǒng)；準Z源逆變器；仿真模型

太陽能光伏發(fā)電由于具有清潔、安全可靠、維護方便等優(yōu)點，是目前最有規(guī)模化應用前景的新能源發(fā)電．作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)核心部件的逆變器，一直是研究的重點之一．目前光伏電站中的光伏逆變器多數(shù)是兩級式結(jié)構(gòu)：第一級是DC/DC變換，把光伏電池板的輸出直流電壓升壓到高壓的直流，并控制光伏電池工作在最大功率點（MPPT控制）；第二級是DC/AC變換，把高壓的直流變換為交流電送到電網(wǎng)．

Z源逆變器及其衍生拓撲結(jié)構(gòu)——準Z源逆變器是美國密西根大學彭方正教授提出的一種新型逆變器拓撲[1]，這種拓撲是在傳統(tǒng)的逆變器基礎上增加2個電感和2個電容組成的“Z源網(wǎng)絡”．Z源逆變器尤其是準Z源逆變器應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)有很多優(yōu)點：（1）升壓功能．通過控制逆變器同一支路上、下橋臂直通占空比可以實現(xiàn)與兩級式逆變器類似的升壓功能，從而可以適應光伏電池輸入電壓變化范圍大的問題，在光伏電池最大功率點電壓隨環(huán)境變化大范圍波動的情況下，保持逆變器輸出電壓能夠滿足并網(wǎng)要求；（2）逆變器的可靠性高．上、下橋臂直通成為其特殊的工作狀態(tài)，不會因為直通導致炸機，從而提高了逆變器的可靠性．（3）與兩級式逆變器相比較，準Z源逆變器減少了一級DC/DC升壓變換電路，減少了控制電路和保護電路，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性，且降低了系統(tǒng)成本，提高了逆變器的效率[2]．目前市場上的逆變器產(chǎn)品絕大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的兩級式結(jié)構(gòu)，本研究探討基于準Z源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)．

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于準Z源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏電池陣列把太陽能轉(zhuǎn)換成直流的電能，準逆變器同時實現(xiàn)升壓和逆變，把直流電升壓且變換為工頻的正弦交流電輸出到電網(wǎng)上．

穩(wěn)態(tài)時，準Z源逆變器有關系式[3]：

圖1 基于準Z源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)

式中， VPV是光伏陣列電壓；VC1是電容C12端的電壓；VC2是電容C22端的電壓；VPN是直流鏈母線電壓（以下簡稱母線電壓）的峰值；D0是直通占空比．

2 仿真模型的建立及仿真結(jié)果

現(xiàn)有建筑（格物園A座）屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)一套，光伏陣列參數(shù)：開路電壓372V，短路電流10.35A，最大功率點264V/9.45A．逆變器采用的是傳統(tǒng)的兩級式逆變器，輸出并到單相電網(wǎng)．現(xiàn)在用Matlab建立仿真模型，把此系統(tǒng)改造成基于準Z源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)，輸出并到相電壓峰值為130V的三相電網(wǎng)（若需并到相電壓220V的三相電網(wǎng)，則需要增加光伏陣列的數(shù)量以提高電壓）．整個仿真模型包括光伏陣列模塊、主電路模塊和控制模塊．

光伏陣列模塊根據(jù)光伏陣列的主要參數(shù)及多個特性表達式建立，可以很好的模擬實際的光伏特性曲線．

主電路模塊是圖1結(jié)構(gòu)的細化，采用Simulink電路元件搭建．

控制模塊采用算法實現(xiàn)．現(xiàn)有方法一般有2種：一種是電容C1的電壓VC1閉環(huán)[4，[5]，控制VC1穩(wěn)定，也就間接地控制了母線電壓峰值．另一種是母線電壓峰值閉環(huán)直接控制[6]，由于直流鏈峰值電壓是脈動的電壓，很難檢測到其峰值，從而根據(jù)式(3)，把(VC1+ VC2)作為反饋量，就相當于可以控制母線電壓峰值．本文采用母線電壓峰值直接控制，可以比VC1間接控制獲得更快的動態(tài)響應，控制框圖如圖2所示．光伏陣列最大功率點跟蹤（MPPT）算法得到光伏陣列的給定電壓VPV_ref，與實際的光伏陣列電壓比較后經(jīng)PI控制器得到直通占空比D0．母線電壓峰值給定值PN_ref與實際的電壓峰值(VC1+ VC2)比較后經(jīng)PI控制器得到電流幅值的給定Iref，Iref分別與電網(wǎng)三相電壓Uabc做乘法后得到三相電流瞬時值給定iabc_ref，然后與實際的三相電流瞬時值作比較后經(jīng)P控制得到占空比D1，最后把D0和D1合成得到三相6個開關管的控制信號PWM1～PWM6．

2.1 靜態(tài)仿真結(jié)果

靜態(tài)仿真結(jié)果如圖3(a)～(f)所示．從仿真結(jié)果看出，穩(wěn)態(tài)下光伏陣列工作在最大功率點264V/9.45A；母線電壓峰值基本穩(wěn)定在給定值600V，電容C1上的電壓約430V，直通占空比約0.27，輸出并網(wǎng)相電流約12.5A（峰值）；穩(wěn)態(tài)時各量滿足關系式(1)～(3)；計算輸入功率2494.8W，輸出功率2437.5W，可見穩(wěn)態(tài)時光伏陣列工作在了最大功率點，且最大限度的把功率轉(zhuǎn)換送入了電網(wǎng)．靜態(tài)仿真結(jié)果證明了所建立的仿真模型靜態(tài)工作的正確性．

2.2 動態(tài)仿真結(jié)果

模擬太陽光照突然變化的動態(tài)情景：初始時光伏陣列工作在額定最大功率點，即光伏陣列給定電壓VPV_ref為264V，1秒后因光照變化突變?yōu)?00V．仿真結(jié)果如圖4(a)～4(f)所示．從仿真結(jié)果看出，隨著光照的變化，光伏陣列到達了新的穩(wěn)定功率點200V/10.1A，母線電壓峰值基本穩(wěn)定在給定值600V不變，電容C1上的電壓從430V變化到了新的穩(wěn)定點400V，直通占空比從0.27變化到了新的穩(wěn)定點0.33，輸出并網(wǎng)相電流從12.5A變化到了新的穩(wěn)定點9A（峰值）．仿真結(jié)果表明，建立的仿真模型能很好的模擬系統(tǒng)的動態(tài)響應，系統(tǒng)在光照突變時能自動尋找并到達新的穩(wěn)定點，且動態(tài)響應較好．

2.3 與原有逆變器的對比

把準Z源逆變器與原有的傳統(tǒng)逆變器從成本、效率、功能方面進行對比．成本上，原有傳統(tǒng)逆變器包括DC/DC和DC/AC兩級結(jié)構(gòu)，成本高；而準Z源逆變器去除了DC/DC結(jié)構(gòu)，增加了“Z源網(wǎng)絡”，成本相對低．效率上，DC/DC結(jié)構(gòu)中的功率器件有開關管、二極管，損耗大；“Z源網(wǎng)絡”中的功率器件只有一個二極管，而電感、電容損耗很小，所以準Z源逆變器的效率較高．從仿真結(jié)果看出，基于準Z源逆變器的系統(tǒng)的靜態(tài)特性非常穩(wěn)定，動態(tài)特性也較好，主要功能上與原有傳統(tǒng)逆變器接近．更詳細、準確的對比有待進一步的實驗證明．

圖2 控制框圖

IEEE 8th Int Power Electron and ECCE Asia Conf, 2011：889-893．

[6] Ding X P, Qian Z M, Yang S T, et al. A direct Peak DC-link Boost Voltage Control Strategy in Z-Source Inverter[C]//Proceeding of IEEE Applied Power Electronics Conf, 2007：648-653．

技術與職業(yè)教育研究所再獲全國優(yōu)秀高教研究機構(gòu)

2015年3月從中國高等教育學會傳來喜訊，深圳職業(yè)技術學院技術與職業(yè)教育研究所榮獲第四屆全國優(yōu)秀高等教育研究機構(gòu)。這是中國高教學會舉辦優(yōu)秀高等教育研究機構(gòu)評選活動以來，我校連續(xù)三屆獲得該項榮譽，成為全國獲得該項榮譽最多的高教研究機構(gòu)之一。

全國優(yōu)秀高等教育研究機構(gòu)的評選活動從2005年開始，是中國高教學會為了貫徹落實《教育部辦公廳關于進一步加強高等教育研究機構(gòu)建設的意見》（教高廳【2004】1號）而開展的全國性評獎活動，每三年評審一次，其目的是為了促進高等教育科學研究密切聯(lián)系實際，提高高等教育研究機構(gòu)的組織及能力建設。全國優(yōu)秀高等教育研究機構(gòu)評選已經(jīng)成為國內(nèi)最具權(quán)威性的高教研究機構(gòu)評審活動，得到了教育部領導的高度重視。第四屆全國優(yōu)秀高等教育研究機構(gòu)評選活動歷時半年，從全國近2000個有建制的高教研究機構(gòu)中經(jīng)過初選、復審、會議評審和公示等四個環(huán)節(jié)，最終評選出56個全國優(yōu)秀高等教育研究機構(gòu)。

我校職教所成立于1994年4月，其職能是制訂學校發(fā)展規(guī)劃，為學校的可持續(xù)發(fā)展提供決策參考，為專任教師的教育科研提供智力支持，主持有關高職教育發(fā)展和“校企合作”的縱向和橫向研究項目，開展職業(yè)教育學術交流與合作，承辦在我校舉行的一些大型學術性會議等。編輯出版《深圳職業(yè)技術學院學報》（雙月刊）、《文化育人》（年刊）和《技術與職業(yè)教育資訊》（內(nèi)刊）等期刊。經(jīng)過20年的發(fā)展，職教所已建立起一支研究實力較強、水準較高、專兼職結(jié)合、特色鮮明的科研隊伍和學報編輯隊伍。

（深圳職業(yè)技術學院新聞中心、技術與職業(yè)教育研究所）

Simulation Research of a Photovoltaic Power System Based on the Quasi Z-Source Inverter

ZHONG Yuming, WEN Lihong, CHANG Jiang, WU Zhimin
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Quasi Z-source inverter, a novel inverter, has promising application prospect in photovoltaic power system. This paper creates a Matlab simulation model, which transforms the photovoltaic power system on the roof of an existing building into one based on the quasi Z-source inverter. The simulation model consists of photovoltaic arrays model, main circuits model and control model. Results from static and dynamic simulation verify the validity of the model.

photovoltaic power system; quasi Z-source inverter; simulation mode

TM615

A

1672-0318（2015）03-0009-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2015.03.002

2015-02-28

*項目來源：深圳市科技研發(fā)資金資助項目《無變壓器型用戶側(cè)并網(wǎng)Z源光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究》（項目編號：JCYJ20120617141336191）

鐘宇明（1978-），男，湖南郴州人，副教授，研究方向為電力電子與電力傳動、太陽能光伏發(fā)電．