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[導(dǎo)讀]1 引 言 太陽能作為一種新興綠色能源,以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限制等優(yōu)點,正得到迅速的推廣應(yīng)用。近二,三十年來,太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展,

1 引 言

太陽能作為一種新興綠色能源,以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限制等優(yōu)點,正得到迅速的推廣應(yīng)用。近二,三十年來,太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展,戶用分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為太陽能利用的主要方式之一。并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件和關(guān)鍵技術(shù),并網(wǎng)逆變器不僅可以將光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電,而且可以對交流電的頻率、電壓、電流、相位等進行控制以實現(xiàn)與電網(wǎng)的并聯(lián)功能。傳統(tǒng)的電壓源型逆變器(VSI)由于理論上的局限性,要求直流側(cè)的電壓高于交流側(cè),因此需在光伏陣列和逆變器之間增加直流升壓環(huán)節(jié),增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。采用Z源型光伏并網(wǎng)逆變器可以使交流側(cè)輸出電壓高于直流側(cè)輸入電壓,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計。此外新型逆變器開關(guān)信號不需要設(shè)定死區(qū),可有效減少輸出正弦波失真,并網(wǎng)電流的低諧波性,可顯著減少對電網(wǎng)的污染。本文在介紹Z源型光伏并網(wǎng)逆變器(VMZSPVGI)拓撲結(jié)構(gòu)并分析其工作原理的基礎(chǔ)上,采用有別于傳統(tǒng)PWM控制技術(shù)的無開關(guān)死區(qū)的PWM控制策略,改善逆變器輸出電流的質(zhì)量。利用Matlab軟件對新的控制策略進行仿真驗證,仿真結(jié)果證明理論分析的正確性和有效性。

2 電路拓撲結(jié)構(gòu)

電壓模式Z源型光伏并網(wǎng)逆變器(VMZSPVGI)電路拓撲如圖1所示。

圖1中:CPV為光伏陣列儲能電容,VPV為其兩端電壓,D為反向隔離二極管,L1、L2、C1、C2構(gòu)成Z型阻抗網(wǎng)絡(luò),VPN為逆變橋輸入電壓,S1~S4是主逆變器4個主開關(guān)器件,Lo為輸出濾波電感,Vgrid為電網(wǎng)電壓。根據(jù)VMZSPVGI的特點,可將電路分為Z源升壓子電路和全橋逆變子電路2個部分。

3 工作原理

3.1 Z源網(wǎng)絡(luò)分析

為了分析方便,使Z源儲能網(wǎng)絡(luò)滿足對稱網(wǎng)絡(luò)條件,取電感L1,L2和電容C1,C2滿足如下條件:

根據(jù)對稱與等效原理,有:

Z源型光伏并網(wǎng)逆變器,當(dāng)逆變橋開關(guān)器件的觸發(fā)驅(qū)動信號有足夠高的開關(guān)頻率時,就可以不考慮防止橋臂直通的死區(qū)時間。因此根據(jù)VMZSPVGI是否為直通開關(guān)狀態(tài)將電路工作模式分為2種情況:

(1)當(dāng)逆變器工作在非直通矢量狀態(tài)時,可以等效電路如圖2(a)所示;此時阻抗源輸入側(cè)二極管導(dǎo)通,因電感L1和L2的儲能作用,對于逆變橋的輸入端口在1個開關(guān)周期相當(dāng)于1個恒定電流源。電壓平衡方程為:

其中,Vd,VS,VPN分別為Z源網(wǎng)絡(luò)二極管D處于通態(tài)時輸入端電壓、直流電源電壓和逆變橋路直流母線電壓。

(2)當(dāng)逆變器工作在直通零矢量狀態(tài)時,等效電路如圖2(b)所示;電壓平衡方程為:

穩(wěn)態(tài)條件下,根據(jù)直流電感壓秒平衡原則,Z源儲能網(wǎng)絡(luò)的電感在一個開關(guān)周期中平均電壓為零,由式(3)和式(4)可得:

其中:T0+T1=T;T0為一個開關(guān)周期中直通零狀態(tài)時間;T1為一個開關(guān)周期中非直通狀態(tài)時間;T為開關(guān)周期時間。

由式(5)得Z源儲能電容電壓為:

在非直通矢量狀態(tài)下,逆變橋路直流母線電壓對輸入電壓的增益B為:

對于電壓逆變單元,交流輸出正弦電壓基波峰值與直流母線電壓的增益M為:

其中:vab為交流輸出電壓基波量。

因此對于整個VMZSPVGI,可輸出調(diào)制正弦波電壓:

由式(9)可以看出,通過控制逆變橋路的直通矢量占空比和正弦調(diào)制因子就可調(diào)節(jié)和控制滿足電網(wǎng)要求的交流電壓。

3.2 逆變橋的PWM控制

對于VMZSPVGI逆變橋的PWM控制,可由常規(guī)電壓源型逆變器(VSI)的單級性PWM調(diào)制擴展得到。單級性調(diào)制時,2個橋臂的正弦載波相差180°,即:

所以,在一個開關(guān)周期中,a,b兩橋臂的開關(guān)函數(shù)狀態(tài)為零狀態(tài){0 0};非零狀態(tài){1 0};零狀態(tài){1 1};非零狀態(tài){1 0);零狀態(tài){0 0}。

VSI逆變器的功率管橋臂S1,S2的調(diào)制參考信號ua和功率管橋臂S3,S4的調(diào)制參考信號ub為:

對于VMZSPVGI的PWM調(diào)制,當(dāng)調(diào)制信號為umax=max(ua,ub),為了在零矢量過程加人直通狀態(tài)占空比,必須將功率管上橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通時間增大,而功率管下橋臂開關(guān)管保持不變,即:

式中,sx為開關(guān)管S1,S3,sy為開關(guān)管S2,S4。

當(dāng)調(diào)制信號為umin=min(ua,ub),為了在零矢量過程加入直通狀態(tài)占空比,必須將功率管下橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通時間減小,而功率管上橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通時間不變,即:

VMZSPVGI的PWM調(diào)制如圖3所示。

VMZSPVGI的PWM調(diào)制與傳統(tǒng)VSI的PWM相比,多了一組直通零矢量開關(guān)模式,其開關(guān)控制因子有2個:控制Z源儲能網(wǎng)絡(luò)升壓的直通零矢量占空比因子;控制交流電壓輸出的正弦調(diào)制因子。分別定義開關(guān)信號如下:


因此,可得VMZSPVGI的開關(guān)模式如表1所示。

4 系統(tǒng)仿真

根據(jù)以上分析,在Matlab中構(gòu)建VMZSPVGI系統(tǒng),其電氣參數(shù)如表2所示。

參照表2電氣參數(shù),可得C=1 000μF,L=5 mH 50 A。另取光伏陣列輸出電容CPV=800 μF,輸出濾波電感Lo=10 mH 50A。

VMZSPVGI系統(tǒng)由以下幾部分組成:PWM波形發(fā)生模塊、開關(guān)函數(shù)計算模塊、Z源網(wǎng)絡(luò)模塊、交流側(cè)并網(wǎng)模塊、光伏陣列及輸出濾波模塊,控制系統(tǒng)模塊。

并網(wǎng)電流仿真波形如圖4所示。

從仿真波形上可以看出VMZSPVGI系統(tǒng)在光伏陣列輸出電壓沒有較大波動,并網(wǎng)電流處于穩(wěn)態(tài)情況下,并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓頻率相同,相位相差180°,實現(xiàn)逆變器輸出端的單位功率因數(shù)(UPF),滿足了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的要求。當(dāng)光伏陣列由于受到天氣的影響而出現(xiàn)輸出電壓大幅度波動,引起并網(wǎng)電流出現(xiàn)階躍跳變時,從仿真圖上看出跳變后的并網(wǎng)電流仍然能夠保持與電網(wǎng)電壓頻率相同,相位相差180°,表現(xiàn)出良好的魯棒性。

5 結(jié) 語

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中采用Z源型逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓源型逆變器可以充分適應(yīng)光伏陣列輸出電壓大范圍波動的特點。

本文介紹Z源型光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)并分析工作原理,在Matlab中構(gòu)建系統(tǒng)模型進行仿真驗證。

仿真結(jié)果表明:采用Z源型逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在太陽能電池輸出電壓出現(xiàn)階躍激增或突降時,系統(tǒng)能保持良好的魯棒性,并網(wǎng)電流諧波小,滿足光伏并網(wǎng)發(fā)電的要求。

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