電動汽車充電站Z源光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置

摘要 電動汽車作為一種新能源交通工具，有著良好的社會效益，且綠色環(huán)保。電動汽車充電站與光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置相連可以接入更加清潔的電能，文中在光伏接入式發(fā)電裝置中采用了Z源逆變器，比傳統(tǒng)的逆變有更多的優(yōu)勢，經(jīng)過Saber仿真軟件對模型進(jìn)行仿真后表明，該裝置合理、可行。
關(guān)鍵詞 Z源逆變器；光伏發(fā)電；電動汽車充電站

    在能源危機(jī)和氣候變暖的雙重挑戰(zhàn)下，電動汽車能夠節(jié)約能源、降低污染、改善能源結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)負(fù)荷，成為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、落實(shí)節(jié)能減排政策的重要途徑。電動汽車作為一種新能源交通工具，有利于倡導(dǎo)綠色、節(jié)能、環(huán)保的理念，促進(jìn)我國交通發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，有著廣闊的市場前景和環(huán)境效益。
    在我國建設(shè)和推廣電動汽車充電站是落實(shí)國家能源戰(zhàn)略、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、響應(yīng)節(jié)能減排政策、參與建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的重大舉措，也是我國建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分。如果將電動汽車智能充電站接入分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，就可以讓系統(tǒng)接入清潔能源，從而使清潔的電能融入到電力系統(tǒng)的更多環(huán)節(jié)。文中設(shè)計(jì)了一種用于電動汽車充電站的光伏接入式發(fā)電裝置，利用Z源逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的逆變器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

1 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)主要由太陽能電池組件、直流匯流箱、并網(wǎng)逆變器、交直流配電箱、站內(nèi)各類負(fù)荷以及后臺監(jiān)控系統(tǒng)組成。如圖1所示，裝置通過光伏列陣將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，經(jīng)直流母線匯流后再通過并網(wǎng)型逆變器將直流電能逆變?yōu)榕c交流電網(wǎng)相位和頻率相符合的交流電流并入低壓電網(wǎng)，可用于向電動汽車充電站的照明以及其他輕負(fù)荷設(shè)備供電。當(dāng)白天達(dá)到日照和溫度要求時(shí)，裝置可以滿足輸出功率的要求，自動并網(wǎng)發(fā)電，太陽照度不足時(shí)功率輸出不足，裝置自動列解切除離網(wǎng)，由電網(wǎng)單獨(dú)向站內(nèi)供電。光伏列陣的直流輸出、并網(wǎng)逆變器的輸入輸出參數(shù)以及站內(nèi)充換電設(shè)備、儲能設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)由后臺監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

    另外，電動汽車充電站將成為配電網(wǎng)的一部分，電動汽車的動力電池還可以作為儲能系統(tǒng)也將是較有前途的儲能方式之一，具有對電網(wǎng)削峰填谷、負(fù)荷補(bǔ)償，提高電能質(zhì)量的作用，并且能夠穩(wěn)定新能源出力、優(yōu)化新能源發(fā)電的并網(wǎng)性能。系統(tǒng)的太陽能光伏組件以35°的安裝傾斜角通過固定支架裝設(shè)在電動汽車充電站內(nèi)已建成的充換電車間的屋頂上，利用并網(wǎng)光伏逆變器實(shí)現(xiàn)就地集中式并網(wǎng)發(fā)電。外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    光伏組件采用的是185 W。太陽能電池組件，其工作電壓為36．71 V，共272塊組件，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際峰值功率50．32kW。其中每17塊電池組件串聯(lián)組成一路，272塊電池組件共計(jì)16路，電池組串后進(jìn)入直流防雷匯流箱匯流。直流防雷匯流箱具有16路保護(hù)控制和電流監(jiān)控裝置，每路的正負(fù)極都配有高壓直流斷路器，其耐壓值可達(dá)DC 1 kV，電流監(jiān)控可對每一路電池串進(jìn)行電流監(jiān)控。直流母線電壓為624．07 V，直流匯流后的輸出電流為80．63 A。如圖3所示，經(jīng)過匯流后，通過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)化成三相交流電經(jīng)過LC濾波以及交流防雷配電柜并入充電站低壓電網(wǎng)。

2 Z源光伏并網(wǎng)逆變器
    光伏并網(wǎng)逆變器是將光伏組件輸出的直流電轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電再輸入電網(wǎng)的設(shè)備，是并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與控制的核心，光伏并網(wǎng)逆變器的性能影響和決定著整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置能否夠安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。光伏并網(wǎng)逆變器根據(jù)有無隔離變壓器可以分為隔離型和非隔離型。隔離型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的隔離變壓器將電能通過磁路的耦合進(jìn)行傳遞，在傳遞過程中會造成一定的電能損耗，通常情況下，一般的小容量變壓器造成的能量損耗可達(dá)5％甚至更高。如果使用隔離變壓器會使系統(tǒng)的質(zhì)量和體積增大、投資增加、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。所以，采用省去笨重的工頻變壓器或復(fù)雜的高頻變壓器的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)是提高光伏并網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換效率的有效手段之一。
    常規(guī)的電壓源并網(wǎng)逆變器拓?fù)浯嬖谝韵聠栴}：為防止直通而導(dǎo)致的直流側(cè)的電容短路，逆變橋中上下橋臂的兩個(gè)管子導(dǎo)通需要加入死區(qū)時(shí)間；只能應(yīng)用在直流電壓高于電網(wǎng)電壓幅值的場合；直流側(cè)的支撐電容值應(yīng)設(shè)計(jì)的足夠大以抑制直流電壓紋波。
    針對常規(guī)逆變器拓?fù)涞牟蛔悖b置采用彭方正教授提出的基于Z源網(wǎng)絡(luò)的逆變器拓?fù)?，相對于常?guī)的電壓源型逆變器，這種新型的電壓源型逆變器可以允許直通狀態(tài)存在，即允許同一相上下橋臂的兩個(gè)半導(dǎo)體管同時(shí)導(dǎo)通，對整個(gè)逆變電路起到保護(hù)作用，同時(shí)直通時(shí)間的加入使得電路具有升壓功能，另外加入Z源網(wǎng)絡(luò)使得電路的負(fù)載可以是容性也可以是感性。

    電壓型Z源逆變器的一般結(jié)構(gòu)如圖4所示，當(dāng)同一相上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，逆變器工作在直通狀態(tài)下，此時(shí)逆變橋相當(dāng)于短路，等效成零值電流源；正常情況下逆變器工作在非直通狀態(tài)下，此時(shí)逆變橋就等效成一個(gè)恒值電流源。Z源網(wǎng)絡(luò)輸出的直流電壓峰值為
   
    其中，B為升壓因子，當(dāng)電路的直通時(shí)間改變，直通占空比d0改變，最終使得升壓因子B改變，起到調(diào)節(jié)電壓作用。
    逆變器交流輸出相電壓的峰值為
   
    其中，M為逆變器的調(diào)制因子，當(dāng)M增大時(shí)，直通占空比會減小，通過式(1)可以看出，B會減小，反之M減小時(shí)B會增大，因此，合理地調(diào)整M與B的值就能夠調(diào)節(jié)輸出電壓，能夠更加靈活的實(shí)現(xiàn)升降壓調(diào)壓功能。此外，裝置的逆變器同時(shí)還具有最大功率點(diǎn)跟蹤功能，以保證在溫度和日照變化幅度很大時(shí)仍然能自動追蹤并以最大功率輸出。在電網(wǎng)側(cè)停電時(shí)，能夠自動檢測并將系統(tǒng)裝置停止運(yùn)行，以避免孤島運(yùn)行的發(fā)生。

3 Saber仿真及結(jié)果分析
    根據(jù)本裝置的光伏列陣輸出的直流電壓電流實(shí)際參數(shù)及電壓型Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建仿真電路模型，主電路中逆變橋采用全控型器件IGBT，Z源網(wǎng)絡(luò)中電容電感經(jīng)計(jì)算采用參考值L1=L2=30 mH，電容C1=C2=25μF，輸出采用LC濾波，輸出濾波電容C3=C4=C5=2．5μF，濾波電感為L3=L4=L5=18 mH。運(yùn)用Saber軟件對實(shí)驗(yàn)電路仿真分析，主電路和控制電路采用模塊化形式，控制簡單，容易實(shí)現(xiàn)。
    光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置逆變器控制電路和實(shí)驗(yàn)仿真電路采用簡單升壓控制，這種方法仍屬于PWM控制，將正弦波與三角波進(jìn)行比較，不同之處是在傳統(tǒng)的PWM控制基礎(chǔ)上做了改進(jìn)?？刂浦屑尤雰蓚€(gè)直流電壓vp和vn，其值應(yīng)該大于或等于三相正弦交流電壓的峰值，vp和vn作為參考電壓用來調(diào)節(jié)直通占空比，如圖5所示。

    Z源逆變器保持6個(gè)有效狀態(tài)不變，和傳統(tǒng)的正弦PWM調(diào)制一樣。由式(1)可知，這種控制方式的最大直通占空比不會超過(1-M)，因而在調(diào)制因數(shù)為1時(shí)，直通占空比為0，定義電壓增益G=MB。

    圖6中波形從上往下依次為Z源網(wǎng)絡(luò)端口輸出電壓、逆變器交流側(cè)輸出相電流、逆變器交流側(cè)輸出相電壓和交流側(cè)輸出相電流諧波分析，仿真電路中直流輸入電壓為624 V，調(diào)制因子M取0．9，直通占空比取0．11，參考電壓vp=0．78 V，vn=-0．78 V，信號波頻率為50 Hz，通過仿真后的波形可以看出，當(dāng)輸入直流電壓為624 V時(shí)，輸出交流相電壓峰值可以達(dá)到接近380 V，并且頻率可以實(shí)現(xiàn)為50 Hz，由仿真結(jié)果諧波分析，5次和7次諧波略為明顯，經(jīng)計(jì)算，交流側(cè)輸出相電流的5次諧波電流含有率HR15=1．9％，7次諧波電流含有率HR17=1．5％，電流諧波總畸變率THDi=3．3％，諧波污染較小，輸出波形比較平滑，符合文獻(xiàn)中的并網(wǎng)要求。

4 結(jié)束語
    文中電動汽車充電站光伏接入式發(fā)電裝置采用了Z源逆變器，較傳統(tǒng)逆變器有一定優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)仿真后表明裝置合理、可行，系統(tǒng)在日間由光伏發(fā)電配合電網(wǎng)向站內(nèi)負(fù)荷供電，夜間和日照不足時(shí)由電網(wǎng)單獨(dú)供電，可向電網(wǎng)貢獻(xiàn)更多清潔能源，具有較高的的節(jié)能環(huán)保意義。