準Z源級聯(lián)多電平逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究

1、準z源級聯(lián)多電平逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng) 的研究馮瑞雪 張文玲 楊彥杰 賀新河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點實 驗室摘要：為提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電效率，改善并網(wǎng)電能質(zhì)量，針對準z源級聯(lián)多電平 逆變器（qzs-cmi）展開相關(guān)研究。在詳細地分析準z源逆變器的工作原理后， 提出一種新型載波移相技術(shù)來控制h橋開關(guān)的導(dǎo)通，從而實現(xiàn)級聯(lián)模塊pwm的控 制。為保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行，提出了電壓電流雙閉環(huán)控制策略。利用準pr 等控制器，實現(xiàn)齊級聯(lián)模塊母線電壓的穩(wěn)壓控制和單位功率因數(shù)的穩(wěn)定并網(wǎng)。仿 真結(jié)果表明所建立的模型和提出方法的正確性和可行性。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)屯;準z源逆變器;級聯(lián)多電平技術(shù);pwm控制

2、;并網(wǎng)系統(tǒng);作者簡介：馮瑞雪（1990）,女，碩士研究生，研究方向為智能電網(wǎng)與新能 源。作者簡介：張文玲（1966），女，高級工程師，主要從事電工理論與新技術(shù)和 智能電網(wǎng)與新能源的研究。作者簡介：楊彥杰（1966），男，教授級高級工程師，主要從事分布式微機勵 磁系統(tǒng)和智能電網(wǎng)與新能源的研究。收稿日期：2017-05-26research on photovoltaic grid-connected system based on cascaded multilevel inverter with quasi-z sourcefeng ruixue zhang wenling yang yanj

3、ie he xinkey laborstory of electromagnetic field andelectrical apparatus reliability, hebeiuaiversity of technology;in order to improve the photovoltaic system and according to the quasi-z the research was carriedabstract：generation efficiency of grid-connected improve the quality of grid-connected

4、power, source cascaded multilevel inverter ( qzs-cmi) out. baesd on analysis of the working principle of z source inverter, this paper put forward a new type of carrier phase-shift technique to control the ii bridge switch, so as to realize the control of cascade module pwm. in order to ensure the r

5、eliable and st able operation of the system, the parameters were designed on the basis of the voltage and current closed-loop control strategy, and many cont rol lers such as the quasi-pr were used to improve the waveform qua! ity. fin all)s the volt age rcgula tion of the bus voltage of each module

6、 and the stability of the unity power factor were realized. the simulation results show the correctness and feasibility of the proposed model and the proposed method.keyword：photovoltaic power gencration; quasi-z source inverter; cascaded multilevel technology; pwm control; gridconnected system;rece

7、ived： 2017-05-260引言光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電源的輸出電壓由許多電池串并聯(lián)得到，大面積的串并聯(lián) 結(jié)構(gòu)容易由于局部陰影而造成功率不平衡和影響發(fā)電效率，所以很多學(xué)者提出 利用每級模塊分別由獨立的光伏電池板進行控制的級聯(lián)多電平逆變器ill,通過 對每個光伏板進行最大功率點跟蹤來提高效率和穩(wěn)定性。然而，這種結(jié)構(gòu)仍然避 免不了輸出電壓不平衡、電壓電流諧波含量高和無法升壓的弊端。傳統(tǒng)電壓型逆 變器不允許同一組逆變橋臂上的功率管同時導(dǎo)通，而準z源逆變器可以直通， 利用直通使得準z源逆變器的電壓提升及1。通過分析準z源逆變器和級聯(lián)型逆 變器的工作原理，發(fā)現(xiàn)若將準z源逆變器和級聯(lián)型逆變器兩者的優(yōu)點進

8、行結(jié)合， 就可以達到升壓和逆變的理想效果固。因此，本文對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的級聯(lián) 準z源逆變器進行了研究。1準z源逆變器 傳統(tǒng)z源逆變器與boost升壓電路區(qū)別在于其是由電容和電感組成的x型阻抗網(wǎng) 絡(luò)，既可以開路，乂可以短路運行，既減少了開關(guān)器件的數(shù)量乂可以在直通狀 態(tài)下工作。準z源逆變器在z源逆變器的基礎(chǔ)上，增加了電感與輸入側(cè)相連, 確保了電流輸入的連續(xù)性;并在升壓的過程中降低了準z源網(wǎng)絡(luò)中的電容c2承受 的耐壓值。同時，逆變器1t身對起動所引起的沖擊具有相當好的抑制作用，且消 除了系統(tǒng)原來的共模噪聲。1.1準z源的工作原理準z源逆變器如圖1所示。圖1準z源逆變器下載原圖準z源逆變器的工作狀態(tài)

9、包括直通工作狀態(tài)和有源工作狀態(tài)。直通工作狀態(tài)下承 受反向電壓的二極管變成了關(guān)斷狀態(tài)，逆變橋至少有一個橋臂全部打開，拓撲 結(jié)構(gòu)輸出線電壓變?yōu)?。有源狀態(tài)下，承受正向電壓的二極管導(dǎo)通，逆變橋等效 為一個交流電流源，輸出與電網(wǎng)同步的交變電流。準z源逆變器直通工作狀態(tài)如 圖2所示;準z源逆變器有源工作狀態(tài)如圖3所示。把一個開關(guān)周期內(nèi)的直通時間設(shè)為t。;一個開關(guān)周期內(nèi)的有源時間為ti ;t是一個 開關(guān)周期；一個周期內(nèi)的占空比為d;m為調(diào)制比。對直通狀態(tài)下和有源狀態(tài)下的 準z源逆變器進行分析：圖2準z源逆變器直通工作狀態(tài)下載原圖一 f>c2 十+ u _十 s2 一int -u.-t.-二in1 _

10、 2d 人buin久+ %bmuin1.2準z源級聯(lián)多電平逆變器準z源級聯(lián)h橋多電平逆變器的每級模塊都以準z源網(wǎng)絡(luò)為橋梁，連接直流電源 與h橋逆變器。既保留了 h橋結(jié)構(gòu)輸出電壓可靠性高、低諧波的特點，又可以利 用準z源達到升壓的b的£11。傳統(tǒng)h橋級聯(lián)多電平逆變器需要考慮逆變器的調(diào) 制指數(shù)，而準z源級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)多了一個控制占空比的自由度。通過對兩個自 由度的合理控制，既可以使太陽能光伏系統(tǒng)達到最大功率點跟蹤，又可以保證 并網(wǎng)的電能質(zhì)量垃1。此外，光伏直流電源和準z源拓撲結(jié)構(gòu)直接以電感相連， 電流紋波較小，降低了開關(guān)的脈動頻率。利用準z源特有的育通功能和對h橋開 關(guān)器件的合理控制，可

11、以實現(xiàn)升壓和逆變的雙重效果回。該級功率變換相比于 傳統(tǒng)ii橋逆變器來說，克服了 ii橋直流母線電壓不平衡的問題，同時避免了通過 工頻隔離變壓器并網(wǎng)；降低了開關(guān)設(shè)備的損耗;節(jié)約了成本。每個h橋逆變單元的結(jié)構(gòu)（qzs-hbi）相同，有利于整體上進行模塊化擴展和應(yīng)用。單相準z源級聯(lián) 七電平逆變器電路如圖4所示。圖4單相準z源級聯(lián)七電平逆變器電路下載原圖2七電平逆變器的調(diào)制分析本設(shè)計在傳統(tǒng)載波移相技術(shù)in上結(jié)合準z源直通工作的原理，提岀了改進的載 波移相spwm技術(shù)，如圖5所示。每個ii橋模塊的功率管驅(qū)動信號由一個正弦波 和兩個相位相反的三角載波相比較而成，而級聯(lián)模塊之間由同一個正弦波，三 角載波相位

12、間隔60° o通過利用各單位脈沖之間的相位相互錯開來控制整個模 塊功率管的導(dǎo)通，從而實現(xiàn)了多電平的疊加。準z源增加了育通狀態(tài)，因此木文 將直通狀態(tài)插入傳統(tǒng)spwm的零矢量狀態(tài)中。根據(jù)m+dw1,其中m為調(diào)制比，d 為占空比。把占空比d運算成參考調(diào)制信號1-d,當任意一個三角載波信號大于 參考調(diào)制信號時，直通驅(qū)動信號有效。xi3輸出0-3-u 11ij u圖5載波移相調(diào)制原理下載原圖 釆用上述方法，每個單位輸出移相疊加后得到七電平階梯波，乂融合了占空比 插入零狀態(tài)技術(shù)，使得準z源級聯(lián)多電平逆變器的每個h逆變橋得到了有效驅(qū) 動。3單相并網(wǎng)控制策略逆變器并網(wǎng)時需要連續(xù)不斷地向電網(wǎng)輸入電能。

13、由于準z源逆變器的特殊結(jié)構(gòu)， 使得其并網(wǎng)策略的研究顯得尤為重要。針對單相準z源級聯(lián)多電平逆變器的并網(wǎng) 策略，本文提岀了電壓電流雙環(huán)反饋策略，結(jié)合最大功率點跟蹤技術(shù)臣1，運用 了 pi控制器和準pr控制器來控制pwm波形，從而實現(xiàn)了輸出電流隨電網(wǎng)電壓的 準確追蹤。傳統(tǒng)的p1控制器在采集正弦電流信號時，產(chǎn)生的靜態(tài)誤差很大，并 且高次諧波較多宜。利用準pr控制器后就可以對輸出電流實時追蹤，基本消除 靜態(tài)誤差，并且提高系統(tǒng)抗干擾能力。木設(shè)計中，利用變步長擾動觀察法通過對 光伏電池的輸岀電壓和電流進行檢測，根據(jù)數(shù)據(jù)計算岀最大功率點所對應(yīng)的直 通占空比d,通過控制直通占空比d來使光伏陣列工作在最大功率點。

14、并網(wǎng)電流 環(huán)控制框圖如圖6所示。圖6并網(wǎng)電流環(huán)控制框圖下載原圖由直流母線電壓的實際值與給定的參考值嘰制比較，經(jīng)過pi調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后 得到逆變器濾波后輸出電流的參考值1,吋;再利用這個參考幅值與經(jīng)鎖相環(huán)得到 的單位正弦信號相乘，得到輸出電流的參考值;將參考值與實際輸出的電流值lg 相比較，經(jīng)過準比例諧振后和電網(wǎng)電壓的前饋信號il共同合成pwm控制信號。每一個光伏電池板的電壓在經(jīng)過環(huán)境變化后電壓輸出變化幅度高達1 ： 2回。因 此每個模塊都需要獨立通過占空比進行最大功率點跟蹤，以保證電壓均衡，即 功率均衡。這樣通過對每一個級聯(lián)模塊單獨控制，保證功率分配得到最優(yōu)化，使 得光伏電池板的利用率達到最高。4

15、仿真與實現(xiàn)為了驗證上述理論的正確性，本文運用matlab/simulink軟件，對整個單相光 伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)進行仿真分析。仿真電路包含了光伏電池模塊pv,準z源網(wǎng)絡(luò) 模塊，h橋逆變器模塊，濾波電路lc模塊，電網(wǎng)電壓電流控制模塊，最大功率 點跟蹤mppt模塊，還有pwm控制模塊。設(shè)置在0. 16 s時周圍環(huán)境由光照強度從 500 w/m變?yōu)? 000 w/m，溫度設(shè)為25°c。單塊光伏電池板參數(shù)為最人工作電壓 為17.4 v,最大工作電流為3. 16 a,開路電壓為21.7 v,短路電流3.5 a。將 單塊電池板串并聯(lián)成10x8的形式，并作為仿真模型陣列。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1 所示。表1

16、系統(tǒng)仿真參數(shù)下載原表電池板pv參數(shù)其他嘰/ v217厶、厶2 /mhl / a29嘰/ v205cgf4/a29u/n50l / mh其中，為光伏電池板的開路電壓，j為光伏電池板的短路電流，山為光伏電 池板的最大工作電壓，h為光伏電池板的最大工作電流，c。為光伏電池板的終端 電容，i八為準z源的電感，c】、g為準z源的電容，c為濾波電容，l為濾波 電感，u為電網(wǎng)電壓。為了對準z源逆變器的工作原理進行驗證，做了如下仿真，如圖7所示。800廠600>b 400000.20.30.40.5t / s(c)準z源逆變器輸出電壓圖7準z源逆變器cl、c2兩端以及輸出電壓下載原圖由圖7可知，逆變器并

17、網(wǎng)側(cè)電壓為600 v,光伏電池板在最大功率點輸出最大電 壓為205 v,經(jīng)過直通升壓放大倍數(shù)為1/ (1-2d),符合升壓比;并且根據(jù)g端 和c2端兩端電容電壓值之和等于逆變器輸出電壓，驗證了準z源逆變器原理的 正確性。且在0. 16 s時刻，由于光照強度的改變，可看出引起了直流母線電壓 的變化，變化幅值約20 v,符合理論分析。對準z源級聯(lián)多電平逆變器的工作特點進行驗證。根據(jù)光伏電池板因受環(huán)境變化 而引起的電壓電流變化曲線im，把3個級聯(lián)模塊的電池板溫度設(shè)置為25°c, 光照強度分別為500 w/m. 1 000 w/m> 1 500 w/mo光伏板輸出電壓和功率分別 為 1

18、98 v/3 000 w、205 v/4 000 w、212 v/5 000 wo 仿真結(jié)果如圖 8 所示。t / s(a) 3個光伏模塊的輸出電壓t / s(b) 3個光伏模塊的輸出功率2 0001 0000-1 000一2 0000.150.10圖8 3個光伏模塊的輸出電壓、功率及逆變橋輸出電壓下載原圖 由圖8可知，級聯(lián)的3個電池模塊都在各自的mttp控制下，運行在最大功率點, 符合級聯(lián)多電平技術(shù)的特點。在0.16 s吋刻，由于環(huán)境的變化，導(dǎo)致各逆變器 輸出電壓有所波動，但是經(jīng)過七電平疊加后，波動電壓對整體輸出電壓影響不 大。3個逆變器單元疊加后，得到總電壓符合疊加原理，驗證了提出的ps-

19、spwm 調(diào)制方法的正確性。光伏并網(wǎng)輸岀電壓和電流的波形如圖9所示。把電流幅值放大5倍，以便于觀察 分析。由圖9可知，在達到穩(wěn)態(tài)后，電流實現(xiàn)了最大功率點跟蹤并且和電網(wǎng)電壓 實現(xiàn)了同頻同相。諧波分析圖如圖10所示。由圖10可知，電網(wǎng)諧波畸變范圍在電網(wǎng)規(guī)定的5%范 圍內(nèi)，并且響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差較小。在實現(xiàn)系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行的同時也滿足了并 網(wǎng)的要求。圖9光伏并網(wǎng)輸出電壓與電流波形 下載原圖002004o60ziv8圖i 0諧波分析圖下載原圖5結(jié)語本文對準z源級聯(lián)多電平逆變器進行了深入研究。從研究準z源逆變器的工作原 理和多電平技術(shù)，到實現(xiàn)準z源級聯(lián)多電平逆變器的結(jié)合。在進行pwm調(diào)制的過 程中，把直通狀態(tài)插入零狀態(tài)，再利用載波移相技術(shù)，實現(xiàn)了