電子信息工程-Z源逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的應用研究

Z源逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的應用研究摘要隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對能源的需求日益增加。然而，由于傳統(tǒng)化石燃料的不可再生性以及由于使用一系列問題造成的環(huán)境污染，新能源的開發(fā)和利用已成為當務之急。光伏并網(wǎng)發(fā)電作為新能源開發(fā)領域的一個重要方向，得到了國內外眾多學者的廣泛關注。并網(wǎng)發(fā)電的核心在于逆變器，逆變器在轉換過程中起著至關重要作用。逆變器在光伏系統(tǒng)中非常重要。本文比較了傳統(tǒng)逆變器和Z源逆變器的結構和原理，提出了Z源逆變器的電路拓撲，介紹了其工作原理，并介紹了Z源逆變器的優(yōu)點。Z源逆變器分為Z源網(wǎng)絡和逆變橋兩部分，分別對其進行數(shù)學建模，得到了整體模型；控制系統(tǒng)分為三個部分：電流環(huán)、電壓環(huán)和光伏陣列電壓環(huán)。電流環(huán)對電網(wǎng)電壓進行跟蹤；電壓環(huán)來調節(jié)母線電壓；光伏陣列電壓環(huán)調節(jié)輸出電壓，使其以最大功率輸出。關鍵詞：Z源逆變器光伏發(fā)電并網(wǎng)電流型最大功率點跟蹤APPLICATIONOFZ-SOURCEINVERTERINTHEPVSYSTEMABSTRACTWiththerapiddevelopmentoftheglobaleconomy,thedemandforenergyisincreasing..However,duetothenonrenewableofthetraditionalfossilfuelandthepollutionoftheenvironmentcausedbytheuseoftheprocess,thedevelopmentandutilizationofnewenergyisimminent.Asoneofthemostimportantdirectionsinthenewenergydevelopmentfield,photovoltaicgridconnectedpoweriswidelyconcernedbymanydomesticandforeignscholars..Thecoreofgridconnectedpowerisinverter,inverterplaysavitalroleintheconversionprocess..InverterinPVsystemisveryimportantof,traditionalinverterandZ-sourceinverteronthestructureandtheprincipleofdifferencearecomparedinthearticleproposedZ-sourceinvertercircuittopology,introducestheworkingprinciple,andtohighlighttheZ-sourceinverterinPVsystem.Z-sourceinverterisdividedintotwoparts,theZ-sourcenetworkandtheinverterbridge,,separatelycarriesonthemathematicalmodelingandgetthewholemodel;controlsystemisdividedintothreeparts:currentloop,voltageloopandPVarrayvoltageloop.Currentloopisthevoltageofthepowernetwork.Thevoltageloopcanadjustthebusvoltage.TheoutputvoltageofthePVarrayisregulatedbythevoltageloop,sothattheoutputvoltagecanbeoutput..Finally,byusingMatlab/SimulinktocompletethesimulationexperimentsofthePVgridsystemwithcurrent-Zsourceinverter,theaccuracyofZ-sourceinverterbuckfunctionandthestabilityofthecontrolsystemsareverified.Keywords:Z-sourceinverterPVGridcurrent-fedMaximumPowerPointTrackin目錄7184第1章緒論 118926第2章Z源逆變器 281602.1Z源逆變器和傳統(tǒng)逆變器 214312.1.1傳統(tǒng)逆變器 2192602.1.2Z源逆變器 3198702.2Z源逆變器的基本原理 3259732.2.1電流型Z源逆變器的基本工作原理 4138702.2.2電壓型Z源逆變器的基本工作原理 5234832.3Z源逆變器的換流過程 7170512.3.1電流型Z源逆變器的換流過程 7274742.3.2電壓型Z源逆變器的換流過程 9279902.4本章小結 1230268第3章單項電流型Z源逆變器的數(shù)學模型及控制系統(tǒng) 13257013.1單項電流型Z源逆變器的數(shù)學模型 1377543.1.1Z源網(wǎng)絡部分的數(shù)學建模 13180933.1.2逆變橋部分的數(shù)學模型 17250203.2光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng) 18206343.2.1并網(wǎng)電流環(huán)控制 1835393.2.2Z源電容電壓環(huán)控制 1968793.2.3光伏陣列輸出電壓環(huán)控制 19161323.2.4部分參數(shù)設定 20257053.3本章小結 219132第4章最大功率點跟蹤和光伏陣列 22268124.1最大功率點跟蹤原理 2275394.1.1定電壓跟蹤法 2236584.1.2擾動觀察法 22324514.1.3增量電導法 23216464.2光伏陣列 23197094.2.1光伏陣列的原理 24266044.2.2光伏陣列的數(shù)學模型 24300374.3本章小結 2612713第5章并網(wǎng)仿真模塊的搭建和仿真結果分析 2744685.1Simulink模塊搭建 27113755.1.1PWM波形發(fā)生模塊 275995.1.2Z源網(wǎng)絡模塊 29190115.1.3并網(wǎng)模塊 3069185.1.4并網(wǎng)電流環(huán)模塊 30242765.1.5PV電壓環(huán)模塊 3187255.1.6并網(wǎng)系統(tǒng)模塊 31229185.2仿真結果與分析 31266325.3本章小結 3513490結論 3629682致謝 376442參考文獻 38第1章緒論傳統(tǒng)燃料在燃燒過程中產生的廢氣會嚴重污染大氣，造成溫室效應。因此，為了減少大氣污染，保護環(huán)境，各國普遍重視新能源的開發(fā)利用。太陽能發(fā)電在可再生能源中最具優(yōu)勢[1]。新能源的開發(fā)與利用刻不容緩，勢在必行。在未來，新能源技術的發(fā)展和研究將會是一種潮流。太陽能作為一種新型能源，具有其他能源無法比擬的優(yōu)勢，因此，光伏發(fā)電，是太陽能利用的重要研究領域[2]。光伏發(fā)電系使用可靠，壽命長，不會像其他化石燃料一樣污染環(huán)境，因此，各國十分重視光伏發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)研制，所以，光伏發(fā)電系統(tǒng)前景廣闊。逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中起到核心作用。但其輸出的一般是直流電源，而大部分場合需要交流電源。為能向交流電源設備提供電能，需要進行直流交流變換。當使用的電器種類繁多時，也需要用到直流間的轉換。在本研究中，我們將用z源逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)逆變器。傳統(tǒng)逆變器的輸出電壓大于或小于直流輸入電壓，這導致需要使用附加的直流轉換電路來調節(jié)電路電壓。Z源逆變器可以避免這種情況。它的最大優(yōu)點是通過引入狀態(tài)，輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，因此Z源逆變器的應用不僅不需要額外的升壓環(huán)節(jié)，并且可以通過控制直接占空比來調節(jié)輸出電壓，使其與電網(wǎng)電壓匹配，從而更好地解決傳統(tǒng)逆變器的問題。

第2章Z源逆變器Z?源逆變器由Z源網(wǎng)絡和三相逆變器構成。它的升壓過程通過通入橋臂直通實現(xiàn)。本章將主要介紹Z源逆變器的結構和原理。2.1Z源逆變器和傳統(tǒng)逆變器2.1.1傳統(tǒng)逆變器傳統(tǒng)的逆變器分為電壓和電流兩種類型。如圖2.1所示，在電源側集成了大電容，使電源看起來像是電壓源。然后，通過控制逆變器獲得相應的斬波電壓。斬波器電壓通過濾波器電路以正弦波形式獲得，并最終流入電網(wǎng)。圖2.1電壓型逆變器拓撲結構作為傳統(tǒng)逆變器中應用最廣的電壓型逆變器，它有著一下的特點：①由于該逆變器逆變后會降壓，所以必須要加入升壓電路才能夠得到適合輸入電網(wǎng)的電壓。②由于同一橋臂上下開關管不能同時導通，因此必須加入死區(qū)控制時間，否則產生的電壓會反生畸變，從而不能輸入電網(wǎng)。如圖2.2所示，電源側串入了較大的電感，從而使得電源呈電流源特性，然后通過控制逆變器得到相應的斬波電流，斬波電壓通過濾波電路得到了正弦電流波，最終送入電網(wǎng)中。單項電流型逆變器雖然應用較少，但它也有其獨有的特點：①由于電流型逆變器為升壓逆變器，所以在流入電網(wǎng)之前需要加入降壓電路。②由于同一橋臂開關管不能同時全部關斷，因此需加入死區(qū)控制時間，否則電流會畸變，產生諧波，無法正常使用。圖2.2電流型逆變器拓撲結構傳統(tǒng)逆變器為單級直流儲能，所以輸出受到了很大的限制，并且由于加入了死區(qū)控制時間，輸出波形發(fā)生了嚴重畸變。通過整合兩個逆變器的特性，如果可以同時打開和關閉相同的橋臂開關，從而輸出電壓或電流可以上升和下降，則逆變器將發(fā)揮更大，更好的作用。因此，將電容和電感同時引入電源的直流側以形成x型網(wǎng)絡結構并形成z源逆變器。2.1.2Z源逆變器如圖2.3所示，較傳統(tǒng)逆變器，Z源逆變器在結構上與之最大的不同就在于其多了由電感和電容組成的二端網(wǎng)絡，在其左側可以耦合所有類型的電源，而再起右側可以連接各種負載，并向負載穩(wěn)定的輸電。圖2.3Z源逆變器拓撲結構2.2Z源逆變器的基本原理Z源逆變器也分為電壓和電流兩種類型。下文會對兩種類型的Z源逆變器進行介紹。2.2.1電流型Z源逆變器的基本工作原理如圖2.4，輸入端接入一個電流源后，逆變橋可開路。其中，。圖2.4電流型Z源逆變器拓撲結構根據(jù)工作狀態(tài)，電流型z源逆變器可以分為兩種工作狀態(tài)：非開路和開路。因此，Z源逆變器可以直接實現(xiàn)提升壓力的功能。圖2.5和圖2.6分別是兩種工作條件的電路圖。圖2.5非開路狀態(tài)電路圖圖2.6開路狀態(tài)電路圖根據(jù)圖2.6可以知道，在一個開關周期內Z源電容平均電流為零。斷路時間為；非斷路時間為；開關的周期T；開路占空比為D?？梢缘贸觯海?.2）(2.3)Z源拓撲中電感電流對電源電流的增益：（2.4）逆變橋輸出的峰值對的調制因子M：（2.5）非開路狀態(tài)下對的增益B：（2.6）通過式子（2.2）（2.3）（2.4）（2.5）（2.6）可以得出電流型Z源逆變器輸出的調制正弦電流波峰值：（2.7）從式（2.7）可以看出，如果需要得到某個電流值，只需要去控制M值和B值即可。2.2.2電壓型Z源逆變器的基本工作原理如圖2.7電壓型Z源逆變器的拓撲結構，在Z源網(wǎng)絡端接入一個電壓源，并且允許同一橋臂開關管直通短路。其中，所以：。電壓型也可分為直通和非直通兩種狀態(tài)，可以隨意控制電壓升降，相比與傳統(tǒng)逆變器具有，所以如果電壓型Z源逆變器技術很成熟之后，有著很大的市場，將會在光伏產業(yè)里發(fā)揮巨大的作用。圖2.7電壓型Z源逆變器拓撲結構圖2.8非直通狀態(tài)等效圖由圖2.8可以看出：（2.8）式(2.8)中，二極管電壓，直流輸入電壓，直流母線電壓。圖2.9直通狀態(tài)等效圖從圖可以看出。根據(jù)Z源電感在一個開關周期內充放電能量相等，可以得出：（2.9）為直通時間，為非直通時間，T為開關周期。電容電壓對電源電壓的增益為：（2.10）上式中D為直通狀態(tài)下的占空比。接著推出非直通狀態(tài)下直流母線電壓對電源電壓的增益：（2.11）正弦調制因子M：（2.12）從（2.12）中可看出，要想改變逆變器輸出電壓的大小只需要控制B和M即可。2.3Z源逆變器的換流過程下文文將兩種類型Z源逆變器的開關模式及其換流過程進行介紹。2.3.1電流型Z源逆變器的換流過程由表2-1可以知道，z源逆變器具有9種開關狀態(tài)，比傳統(tǒng)的逆變器多5種。以下是基于z源逆變器開關模式的轉換器過程分析。下面根據(jù)表2-1中所示的開光狀態(tài)對電流型Z源逆變器的換流過程進行分析，將制作出在不同開光狀態(tài)時電流型Z源逆變器的換流圖形，從中能直觀的看出整個換流過程。表2-1電流型Z源逆變器的開關模式V1V2V3V4101001001010000101-100110010001010010011000010100010000（1）開路狀態(tài)下V1，V4導通（2）開路狀態(tài)下V1，V2導通（3）非開路狀態(tài)下V3，V4導通（4）非開路狀態(tài)下V2，V3導通（5）（6）（7）（8）V1，V2，V3，V4全斷路圖2.10電流型Z源逆變器的換流過程如圖2.10所示，其中1.2.3.4開路，電容放電。而5.6.7.8為全部開路狀態(tài)，此時沒有電流，，Z源逆變器處于零矢量逆變模式。2.3.2電壓型Z源逆變器的換流過程以上文研究電流型Z源逆變器換流過程的方法為模版，對電壓型Z源逆變器的換流過程進行圖解和分析。表2-2電壓型Z源逆變器開關模式SV1V2V3V4101001001010000101-100110011100010011011110010111電壓型Z源逆變器的特點在于直通零狀態(tài)，這一狀態(tài)的存在，使輸出電壓可調。從表2-2可以看出當V1，V2開通或V3，V4開通是時=1，當V1，V2不同時開通且V3，V4不同時開通時=0；當V1，V4開通時S=1，當V1，V3或V2，V4開通時S=0，當V2，V3開通時S=-1。換流過程的電路圖。（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）圖2.11換流過程如圖2.11中（a），此時開關管S1，S4導通，電路工作于傳統(tǒng)有效狀態(tài)。直流側電源通過二極管將能量傳輸?shù)浇涣麟娋W(wǎng)。同時，電源還為Z源網(wǎng)絡電容器C1和C2充電，并向Z源網(wǎng)絡電感器L1和L2釋放能量。直流母線電流等于交流側并網(wǎng)電流。如圖（b），電路工作于傳統(tǒng)零狀態(tài)。直流母線電流為零，直流源和Z源電感向電容C1，C2充電。如圖（c），與圖（b）類似，處于傳統(tǒng)零狀態(tài)。如圖（d），自此模式以后電路均處于直通零狀態(tài)，左側二極管阻斷，直流電壓源與Z源網(wǎng)絡斷開。如圖（e），此時，開關S1和S2構成直橋臂。Z電源網(wǎng)絡中的能量儲存電容器開始釋放電能，交流側電流通過開關S4和二極管D2上的電路。如圖（f），與圖（e）類似。如圖（g），此模式下的直通橋臂為開關管S3和S4，交流側電流經(jīng)過開關管S1和二極管D3回路流通。如圖（h），與圖（g）類似。2.4本章小結在本章中，將Z源逆變器的結構與傳統(tǒng)逆變器的結構進行比較，形成Z源逆變器的拓撲結構，并通過其拓撲結構介紹其原理。然后將Z源逆變器分為電流型和電壓型并分別詳細介紹了它們的換流過程。第3章單項電流型Z源逆變器的數(shù)學模型及控制系統(tǒng)本章選取電流型Z源逆變器作為研究對象，它由Z源網(wǎng)絡和逆變橋兩部構成，對其進行數(shù)學建模后，推導出的傳遞函數(shù)，然后對整個系統(tǒng)進行了理論設計。3.1單項電流型Z源逆變器的數(shù)學模型如圖3.1所示，即為電流型Z源逆變器的拓撲結構圖。圖3.1電流型Z源逆變器拓撲結構3.1.1Z源網(wǎng)絡部分的數(shù)學建模如圖3.2所示是電流型Z源逆變器在兩個開光狀態(tài)下的等效圖。非開路狀態(tài)下，對應圖3.2（b）設電路狀態(tài)空間方程為：（3.1）式（3.1）中為狀態(tài)變量，直流輸入電壓和非開路狀態(tài)時的逆變橋輸入電流為輸入變量。（a）開路狀態(tài)（b）非開路狀態(tài)圖3.2Z源網(wǎng)絡等效電路圖，，，。將A1，B1，C1，E1代入式（3.1）得：（3.2）開路狀態(tài)下，對應圖3.2（a），設電路狀態(tài)方程為：（3.3）上式中，，，將A2，B2，C2，E2代入式（3.3）得：（3.4）設斷路狀態(tài)占空比為D，非斷路狀態(tài)占空比為，根據(jù)上述兩種狀態(tài)方程，使用狀態(tài)平均法可以得到狀態(tài)方程：（3.5）上式中：將A，B，C，E代入式（3.5）得到Z源網(wǎng)絡部分狀態(tài)空間平均模型：（3.6）由上式計算出Z源網(wǎng)絡靜態(tài)工作點：（3.7）在平均法狀態(tài)方程中加入一個擾動量，可以得出小信號矩陣方程：(3.8)狀態(tài)變量對輸入變量傳遞函數(shù)：（3.9）輸出變量對輸入變量傳遞函數(shù)：(3.10)狀態(tài)變量和輸出變量對控制變量傳遞函數(shù):(3.11)3.1.2逆變橋部分的數(shù)學模型在電流模式下的Z源電阻器中，由于通零狀態(tài)被插入以前的零狀態(tài)中，所以與以前的零狀態(tài)同樣，不會直接影響AC側的輸出電壓。交流輸出電壓主要由正弦調制系數(shù)和總線電壓控制。因此在對逆變側進行建模時，只需考慮非直通零狀態(tài)即可。根據(jù)電流型Z源逆變橋的換流過程可以得到小信號矩陣方程：（3.12）上式中M是開路占空比穩(wěn)態(tài)量；是開路占空比擾動量；是電網(wǎng)電壓擾動量；是交流側流過電感L的電流擾動量。對上式進行拉普拉斯變換后可得到對應的傳遞函數(shù)：狀態(tài)變量對輸入變量和控制量的傳遞函數(shù)：（3.13）輸出變量對輸入變量和控制量的傳遞函數(shù)：（3.14）綜合Z源網(wǎng)絡和逆變橋部分的數(shù)學模型，可得到如圖3.3所示的系統(tǒng)模型；直流總線電壓的輸出變量Z源網(wǎng)絡的輸入變量是逆變橋的輸出變量的總線電流逆變器橋是Z源網(wǎng)絡的輸入變量,因此Z源網(wǎng)絡和逆變橋通過高于耦合公共汽車時電壓和電流在零狀態(tài)[4]。3.2光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)是將直流電能逆變?yōu)榻涣麟?，將其并到電網(wǎng)的同時，保證并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓頻率和相位相同。當電路在受到外界光照、溫度等因素干擾時，通過閉環(huán)控制能夠使系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)[5]。圖3.3Z源逆變器傳遞函數(shù)關系圖3.2.1并網(wǎng)電流環(huán)控制首先要控制并網(wǎng)電流，在此需要并網(wǎng)電流的微積分方程以及電流內環(huán)控制結構。下圖3.4為并網(wǎng)電流的微分方程：（3.15）由式（3.15）可以得出電流內環(huán)控制結構，如圖3-4所示。圖3.4電流內環(huán)控制框圖由于電網(wǎng)并不是時時刻刻都是穩(wěn)定的，它對并網(wǎng)系統(tǒng)存在一定的干擾。通過前饋控制，可以減少干擾，整個系統(tǒng)成為被動跟蹤網(wǎng)絡。添加前饋鏈路后，可以忽略電網(wǎng)電壓對系統(tǒng)的干擾，并且可以進一步簡化當前的內部環(huán)路[6]，如圖3-5所示。圖3.5簡化后的電流內環(huán)控制框圖增加了該前饋系統(tǒng)后，并網(wǎng)逆變電流增強了對電網(wǎng)電動勢擾動的抗性，同時也增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。3.2.2Z源電容電壓環(huán)控制通過對直流側電壓進行閉環(huán)控制，可以使電容電壓穩(wěn)定在一定范圍之內，從而保證并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。由式（2.3）（2.4）（2.5）以及電容的電壓電流基本關系，可得：（3.16）3.2.3光伏陣列輸出電壓環(huán)控制由上一節(jié)建?？梢缘贸觯海?.17）從電流型Z源逆變器的拓撲結構可以得出：（3.18）在穩(wěn)態(tài)運行時，Z源網(wǎng)絡電壓基本是一個常數(shù)。如圖3.6為光伏陣列輸出電壓環(huán)控制框圖。圖3.6光伏陣列輸出電壓環(huán)控制框圖用數(shù)學方法驗證得出，上圖所示電壓環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0，所以閉環(huán)收斂，系統(tǒng)穩(wěn)定，符合并網(wǎng)系統(tǒng)要求。3.2.4部分參數(shù)設定為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率最大化，提高其可靠性和穩(wěn)定性，所以需要選用合適的電路參數(shù)。同時參數(shù)的設定對上述三個閉環(huán)的穩(wěn)定性有著重要的影響。本節(jié)將對Z源網(wǎng)絡的電感、電容、交流并網(wǎng)電感等參數(shù)進行簡單的設定。Z源電感在逆變器工作狀態(tài)中起到儲存和釋放電能的作用。電感太小會使儲能不夠，出現(xiàn)斷流情況，電感太大會使成本增大，所以在滿足正常穩(wěn)定工作的前提下要選取合適的電感[7]。為了滿足非諧振條件，Z源電感應該滿足：（3.19）為諧振電流最大允許值，Z源電感應滿足：（3.20）由（3.19）和（3.20）可得出Z源電感的取值為：（3.21）取，Z源電感L=8mH，額定電流為60A。在開關頻率很高且打到穩(wěn)態(tài)的條件下，Z源電容電壓二次分量幅值為（3.22）由上式可知，當D=0時，最大，由此可得出Z源電容的取值：（3.23）取，Z源電容C=2000uF，耐壓值取600V。并網(wǎng)電感與逆變器的交流電流諧波[8]直接相關，這對電網(wǎng)具有重要影響。因此，并網(wǎng)電感必須滿足一定條件，才能使電流諧波在允許范圍內。綜合考慮穩(wěn)態(tài)條件下，可得到：（3.24）是最大諧波電流脈動幅值，電感取值應該滿足：（3.25）由（3.24）和（3.25）可得出電感取值：（3.26）取，則并網(wǎng)電感，額定電流為30A。3.3本章小結在這一章中，主要對電流模式Z源仁波器進行研究和建模，設計控制系統(tǒng)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，最后設定系統(tǒng)參數(shù)。

第4章最大功率點跟蹤和光伏陣列本章中主要介紹最大功率點跟蹤（MPPT）技術。4.1最大功率點跟蹤原理光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的是把太陽能轉化成直流電，逆變后并送電網(wǎng)。在瞬息萬變的自然條件下光伏陣列輸出的電壓不可能是穩(wěn)定不變的[9]，所以導致輸出的功率隨之變化，當達到某一特定電壓時，能達到最大的輸出功率，這個工作點就是最大功率點。4.1.1定電壓跟蹤法定電壓跟蹤（CVT）法的優(yōu)點是：①控制簡單，易實現(xiàn)，可靠性較高；②系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩，穩(wěn)定性較高；③通過硬件實現(xiàn)方便、容易。缺點是：①精度差、功率損失嚴重，易受外部環(huán)境影響；②必須要手動調節(jié)。4.1.2擾動觀察法該方法計算每一周期的功率輸出，并且進行比較，根據(jù)變化對系統(tǒng)金鄉(xiāng)擾動，從而確保功率最大化輸出。其流程圖如圖4-1所示。擾動觀察法的優(yōu)點是：1.結構簡單；2.算法簡單，控制方便；3.不需要很高的精度。缺點是：1.會造成功率損失；2.受光照強度影響比較大。圖4.1擾動觀察法流程圖4.1.3增量電導法增量電導法應用廣泛。它的工作原理是通過電導的變化量來實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤。普通電導增量法的優(yōu)點是：1.電壓波動?。?.控制精度；3.穩(wěn)定度高。缺點是：1.算法復雜；2.對硬件和系統(tǒng)的響應速度要求較高。4.2光伏陣列4.2.1光伏陣列的原理為了將光能轉換成電能，需要進行能量轉換。太陽能電池是把光能轉換成電能的組件。太陽能電池是由半導體材料制成的，它利用光能原理來進行能量轉換[10]。光伏電池的工作原理：當半導體材料的p-n結處于平衡狀態(tài)時，將在p-n結處形成耗盡層，并且存在勢壘電場，其勢向為n區(qū)域，指向p區(qū)域。當太陽照射半導體表面時，半導體內部的價值電子被太陽光的N和P吸收，通過光耦合的結合獲得較輕的價格，從而獲得比光輻射禁止帶寬度更大的能量。在導帶到導帶的狀態(tài)下，半導體材料內部以非平衡狀態(tài)產生光，成為電子空穴。屏障電場立即分離出在空間電荷區(qū)產生的光子電子正孔對，然后將光子電子推入N個區(qū)，然后將光子電子推入P個區(qū)。P區(qū)中的光電子被推到P區(qū)，而P區(qū)中的光電子被推到N區(qū)。以此方式，在n區(qū)域[12]中形成了過量的電子累積，并且在p區(qū)域中累積了過量的空穴。在p-n結的兩側，形成了光生電動勢，它與勢壘電場相反。這就是所謂的“光伏效應”。由光產生的非平衡載流子沿相反方向漂移，從而導致內部形成光生電流，該光生電流從N區(qū)流向P區(qū)。從外部電路的角度來看，當N區(qū)的負P區(qū)是正的并且兩端都連接到負載時，通過N區(qū)外部負載的電子進入P區(qū)以形成電子流，電子復合后進入帶孔的P區(qū)域，變?yōu)橹行?，直到另一個光子從一個電子孔隔離到現(xiàn)在為止，因此，只要不停止發(fā)光[13]，電路中就會有恒定電流，并且通過pn結效應會產生電源。綜上所述，在光照條件下光伏電池能產生光生電流主要原因是材料內部存在內建電場的緣故。當從電場的兩側引出電極并在其上連接負載時，“光電流”將流過負載并輸出功率，從而將太陽的光能轉換為電能。4.2.2光伏陣列的數(shù)學模型圖4.2光伏電池的等效電路圖光伏陣列的V-I特性是，S是日照強度，t是溫度。當負載為純電阻時，圖4.2為太陽能電池的實際等效電路。光伏陣列總太陽輻射強度R和環(huán)境溫度，則光伏電池的溫度為： （4.1）考慮到溫度和輻射的變化，所以光伏陣列的電流是： （4.2）在式（4.2）中：，，，，。上式中，Tref是光伏電池溫度的參考，取值為：25；Rref是太陽輻射的參考值，取值為；電流變化溫度系數(shù)取值為：；電壓變化溫度系數(shù)取值為；光伏陣列的串聯(lián)電阻值表達式為：根據(jù)式（4.2）在simulink中進行建模并仿真，可以得出如圖4.3所示的V-I曲線和P-V曲線。該模型作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的關鍵組成部分之一，為后續(xù)的最大功率點跟蹤（MPPT）技術研究提供了基礎。同時，它也為構建最終的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型提供了前提。（a）V-I特性曲線（b）P-V特性曲線圖4.3光伏陣列仿真特性曲線4.3本章小結在本章中，將說明最常用的三種最大功率點跟蹤(MPPT)方法和可變孔徑帶方法。接下來，介紹太陽能電池陣列的原理，通過數(shù)學建模和模擬獲得太陽能電池陣列的特性。第5章并網(wǎng)仿真模塊的搭建和仿真結果分析由于Matlab有著強大的功能和豐富的資源，同時可以與simulink仿真工具完美結合使用。所以本章使用Matlab/Simulink搭建并網(wǎng)仿真模塊，并進行仿真實驗。5.1Simulink模塊搭建5.1.1PWM波形發(fā)生模塊傳統(tǒng)電流型逆變器PWM技術已經(jīng)很成熟了，但其最大的缺陷就是無法任意的升降壓，所以在實際應用中有局限性。圖5.1單項電流型Z源逆變器PWM實現(xiàn)方法如圖5.1所示為傳統(tǒng)電流型逆變器PWM調制和電流型Z源逆變器PWM調制示意圖。如圖所示，電流模式Z源反相器PWM的安裝方法是在傳統(tǒng)電流反相器的開關為零的狀態(tài)下插入開路狀態(tài)[14]，以V3為例，V3的第一個狀態(tài)轉換時刻向右移動0.25To，此時在時間段內實現(xiàn)了V1和V3單橋臂直通，以此類推可以得出其他的開關狀態(tài)。根據(jù)圖5.1，使用simulink搭建出圖5.2所示單相電流型Z源逆變器PWM控制信號仿真模型。圖5.2單相電流型Z源逆變器PWM控制信號仿真模型從圖5.1中可以得到電流型Z源逆變器的開關模式如表5-1所示。表5-1電流型Z源逆變器的開關模式V1V2V3V4101001001010000101-100110010001010010011000010100010000綜合表5-1中數(shù)據(jù)可計算出：（5.1）根據(jù)表5-1可以計算出：（5.2）由式（5.2）搭建開路占空比開關函數(shù)計算模塊如圖5.3所示。圖5.3開路占空比開關函數(shù)計算模塊5.1.2Z源網(wǎng)絡模塊如圖5.4所示為Z源網(wǎng)絡模塊，Z源網(wǎng)絡模型包括Z源電感、Z源電容C模型圖5.4Z源網(wǎng)絡電路仿真模塊的建立；輸入包括開路狀態(tài)開關函數(shù)、光伏陣列輸出電容的電壓和非開路狀態(tài)時的直流母線電流輸出包括二極管VDS的電流IVD5[15]、Z源電容電壓、直流母線電壓。5.1.3并網(wǎng)模塊圖5.5交流并網(wǎng)模塊如圖5.5所示為交流并網(wǎng)模塊，輸入量為電網(wǎng)電動勢、正弦開關函數(shù)、直流母線電壓；輸出量為非開路狀態(tài)的直流母線電流、交流并網(wǎng)電流。5.1.4并網(wǎng)電流環(huán)模塊圖5.6示出了電網(wǎng)連接電流環(huán)模擬模塊和電流環(huán)的輸入鏈路。Iab是柵極連接電流，CLAI是電流環(huán)路放大命令，Eg是柵極起電力，Vc是Z源網(wǎng)絡電容器電壓，Vcpv是PV陣列，輸出電容器電壓；其輸出環(huán)節(jié)：M是正弦占空比。5.1.5PV電壓環(huán)模塊如圖5.7所示為PV電壓環(huán)仿真模塊，其輸出為開路占空比D；輸入為：光伏陣列輸出電壓環(huán)指令和光伏陣列輸出電容電壓。圖5.6電流環(huán)控制模塊圖5.7PV電壓環(huán)仿真模塊5.1.6并網(wǎng)系統(tǒng)模塊將圖5.2圖5.3圖5.4圖5.5圖5.6圖5.7按照輸入輸出關系組合在一起得到了如圖5.8所示的并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模塊。5.2仿真結果與分析如圖5.9所示為PWM波形。在途中可以看出將電流型Z源逆變器的開路零狀態(tài)插入到了傳統(tǒng)電流型逆變器的開關零狀態(tài)中[17]。此圖為開關V3和V1的驅動波形，從圖中可看出在t=0.5到t=0.55時間段內實現(xiàn)了V1和V3同時導通。Z源逆變器在處于開路狀態(tài)時，在一個開關周期內并聯(lián)的二極管有時開通有時關斷，所以逆變器直流側母線電壓應該是一個隨這二極管開關而變化的脈動量。如圖5.10所示為仿真圖形。圖5.8并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模塊圖5.9開關管驅動波形圖5.10Z源逆變器特性波形圖Z源逆變器應用在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中時，具有靈活的升降壓機制，在電壓波動范圍較大時仍然能夠對其進行需要的升降壓[18]。為了驗證這一優(yōu)點，給定兩個光伏陣列指令電壓：100V和220V，之后測量并網(wǎng)電流。（a）光伏陣列電壓為100V時仿真圖形從圖5.11中可以看出，當輸入電壓波動較大時，Z源逆變器仍可以對逆變橋輸出的電流進行升降控制。由于Z源逆變器中母線電壓很難檢測，所以選擇與其關系緊密的的Z源電容器電壓來代替[19]。如圖5.11中分別展示Z源電容器電壓穩(wěn)定狀態(tài)，突增狀態(tài)和突減狀態(tài)時并網(wǎng)電流波形的變化圖形。從圖（a）可以看出，處于穩(wěn)定狀態(tài)的Z源電容器的電壓為恒定電流。由于直流電壓的偶次諧波很小，可以忽略不計，滿足系統(tǒng)設計和電壓穩(wěn)定的要求；從圖（b）（c）可以看出，當電容電壓突增或突減時，并網(wǎng)電流快速響應，基本實現(xiàn)平滑過度。(b)光伏陣列電壓為220時仿真圖形圖5.11不同光伏陣列電壓下并網(wǎng)電流仿真波形（a）電容電壓穩(wěn)定狀態(tài)時并網(wǎng)電流波形（b）電容電壓突增狀態(tài)時并網(wǎng)電流波形（c）電容電壓突降狀態(tài)時并網(wǎng)電流波形經(jīng)過調試，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形圖，如5.12圖。從圖中可以看出在穩(wěn)態(tài)條件下，并網(wǎng)電流的波形是正弦波，而且比較平滑，畸變率很小[20]。圖5.12并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形5.3本章小結本章通過對并網(wǎng)系統(tǒng)的各個子模塊的搭建與仿真，證實了Z源逆變器的準確性。結論在本次畢業(yè)論文的完成過程中，我學到了很多新的知識，對光伏發(fā)電有了全新的認識，對逆變器的結構原理有了深刻的了解。本文第一章提出了Z源逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的重要性；在第二章中，介紹了Z源逆變器，并重點介紹了Z源逆變器的優(yōu)勢。最后，詳細介紹了兩個Z源逆變器的工作原理。在第三章中完成了對電流型Z源逆變器的建模與系統(tǒng)的設計，最后對參數(shù)進行設置。第四章中首先對最大功率點跟蹤（MPPT）的幾種重要的方法進行了簡單介紹；隨后對光伏陣列做了詳細介紹，并對其進行數(shù)學建模，模擬除了光伏陣列的特性曲線。第五章中完成了對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型的搭建，并進行了仿真實驗，就實驗數(shù)據(jù)進行分析，證實了Z源逆變器的重要性和準確性。雖然對光伏系統(tǒng)做了一些研究，但仍然有許多問題需要深入研究解決：（1）本文只完成了部分實驗工作，后續(xù)還需對整個系統(tǒng)功能進行驗證，為前文的理論分析提供進一步的實踐支持。（2）論文只是用單一的一套光伏陣列與一臺Z源型逆變器對應設計并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。在實際應用中，大功率的光伏陣列上并聯(lián)著數(shù)量眾多的逆變器。每一臺并網(wǎng)逆變器的工作狀態(tài)都會有專一的控制器控制，實現(xiàn)了冗余及高效的特點。致謝畢業(yè)設計論文完成之際，特向所有一直以來關心，幫助我的家人，老師，朋友，同學表示最誠摯的感謝！首先我要特別感謝我的指導老師，在做畢業(yè)設計期間，我的指導老師為我的畢業(yè)設計付出了很大心血。在剛開始做畢業(yè)設計時毫無頭緒，是指導老師為我提供了許多參考資料，并對其中重要部分進行了詳細的批注，讓我很快的找到了論文研究的方向和所用的方法，但在具體操作過程中終于遇到了很多問題，指導老師又不惜花費自己寶貴的時間幫我逐一解決，在我論文基本完成時，指導老師又仔細幫我檢查了論文格式中的錯誤，使我的論文盡早符合了要求。同時，我為在我大學中能遇到這樣的指導老師而感到慶幸，指導老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、求實的工作作風、豁達的人生態(tài)度和對學生的嚴格要求給了我留下了深刻的印象，并使我受益終生。在大學四年的生活中，我身邊有很多老師在為我傳道授業(yè)，有很多的同學給予了我鼓勵和幫助，借此機會向所有教過我的老師和陪伴我的同學表示深深的感謝！最后，我要感謝最愛我的和我最愛的家人。如果沒有父母在物質和精神上對我的支持，我不會有機會步入大學，你們的付出值得我用一生去報答！參考文獻[1]中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究項目組．中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究叢書太陽能卷[M]．北京：中國電力出版社，2008．[2]張紅梅，崔曉華．太陽能光伏電池及其應用[M]．北京：科學出版社，2008：[3]董玉峰，王萬錄，韓大星．美國光伏發(fā)電與百萬屋頂計劃[J]．太陽能．1999，11：27-29．[4]周纂，馬勝紅，許宏華．中國光明工程項目背景與計劃[J]．中國能源．2001，7：3-5．[5]WaiRongjong,WangWenhungGrid-connectedphotovoltaicgenerationsystem[J]．IEEETransactiononCircuitandSystem．2009，55(3)：953-964．[6]F.Z.Peng.Z-sourceinverter[J]．IndustryApplieations,IEEE．2003，39(2)：504-51.[7]蔡磊．Z源逆變器并網(wǎng)應用研究[D]．杭州：浙江大學，2008．[8]楊水濤，丁新平，張帆，錢照明．Z-源逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用[J]．中國電機工程學報．2008，17：112-118．[9]方金翔．基于新型Z源逆變器的光伏發(fā)電技術研究[D]．西安：電子科技大學，2013．[10]邢言，蔡宣三．高頻功率開關變換技術—電