Z源網絡光伏系統關鍵技術研究綜述

陳小逸，李少綱，朱少斌

(福州大學 電氣工程與自動化學院，福州　350108)

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Z源網絡光伏系統關鍵技術研究綜述

陳小逸，李少綱，朱少斌

(福州大學 電氣工程與自動化學院，福州350108)

對Z源網絡光伏系統中的光伏電池模型建立，最大功率跟蹤原理、動態匹配的實現及陰影條件下的多峰值追蹤策略，儲能系統的結構及低通濾波光伏平抑控制策略，Z源網絡升降壓逆變原理與滯環逆變控制策略等主要技術問題進行了全面的分析與闡述。

最大功率跟蹤；局部陰影；功率平抑；Z源網絡；逆變控制

1　引言

傳統能源過度消耗使得現代社會不得不從經濟增長與環境保護中尋找行的平衡點，因此可再生能源的發展與利用在新的經濟發展趨勢下凸顯其重要性。光伏能源作為可再生能源的一種，得益于其取材方便、分布廣泛等諸多優點，從眾多可再生能源中脫穎而出，成為近年來研究發展的熱門方向。

2　光伏電池模型及局部陰影下輸出特性

2.1光伏電池模型

光伏電池模型是光伏發電理論研究過程的基礎工作，國內外學者在大量實驗的基礎上，提出了多種光伏電池的模型方程。式(1)為通用光伏電池模型，該模型能夠精確的得到光伏陣列的I-V特性曲線。

(1)

但是模型的各參數的計算較為復雜，不利與從生產廠家中得到，為了方便工程應用，有學者提出了適合工程實用的四參數光伏電池模型：

(2)

式中，C1、C2的求解公式如下：

(3)

由式(3)可以看出，在已知廠家Im、Isc、Vm、Voc四參數的情況下可以方便的求出輸出特性曲線方程。其中在不同光照下的各參數更新方程為式(4)。

(4)

采用提出的方法通過Matlab的S函數建立數學模型得到光伏電池的輸出特性曲線如圖1所示。

圖1　光伏電池不同光照條件下V-I和P-V曲線

2.2光伏陣列在局部陰影下輸出特性

為了減少因為光伏電池在組成陣列時形成的錯配效應，在單個光伏電池旁增加了旁路二極管，但是當部分的光伏電池板出現受到陰影影響時(如圖2所示)將會形成圖3所示的多峰值P-V特性曲線。

圖2　陰影部分下的光伏陣列

圖2中陰影部分光照強度為600W/m2，其余部分為1000W/m2。

圖3　光伏陣列局部陰影下P-V曲線

在圖2陰影影響下的P-V曲線如圖3所示，該光伏陣列中出現了兩個局部最大值，一個全局最大值。因此在局部陰影下追蹤全局最大功率點是近年來研究的一大熱點。

3　光伏最大功率跟蹤算法

由圖(1)可以看出光伏電池的輸出隨著電壓的變化存在著最大功率點，為了提高光伏利用率，因此，在光伏系統運行時需要設計最大功率跟蹤算法在使得電壓能穩定運行在最大功率點附近。

3.1無陰影下最大功率跟蹤算法

常用的最大功率跟蹤算法有電導增量法、擾動觀察法和動態阻抗匹配法等。

電導增量法，在光伏最大功率點處存在著I/V+dI/dV=0，即利用在最大功率點處的斜率為0原理，維持最大功率點的電壓穩定，若調整過程中I/V+dI/dV>0，則增大電壓值，反之則減小電壓值。該算法有較高的精度以及穩定性，穩態性能好，但是對硬件的精度有較高要求。

擾動觀察法，是一種常用的最大功率跟蹤算法，在工程上應用最為廣泛，其原理簡單，即對輸出的電壓加一擾動，根據功率的大小變化，調整擾動方向，如此反復找到并穩定最大功率點。

動態阻抗匹配法，將電路區分為“源”和“載”，利用內外阻抗相等時，“源”的輸出功率最大。

圖4　動態阻抗匹配原理圖

來制定最大功率跟蹤策略。因此，對內外阻抗的差值e=R-r來制定調節控制策略，減少e就能實現功率跟蹤的目的，進一步分析得到變換器中R值的變化與占空比的大小有關。進而確定出，通過調節占空比D，消除e使得R=r，追蹤最大功率點的最大功率跟蹤算法。該算法的動態穩定性和精度是三種算法中最高的。

3.2局部陰影下最大功率跟蹤算法

局部陰影下多峰值點的存在，使得常規方法在多峰值尋優過程中容易陷入局部最優值。國內外學者通過大量實驗結果，分析了多峰值P-V曲線的特征，在此基礎上提出了多種尋優算法。

利用智能算法的全局搜索能力，對光伏P-V曲線的全局最優值進行計算，如利用遺傳算法、粒子群算法等尋找全局最優值。對光伏電池輸出的電壓電流進行采樣計算，反復迭代得出全局最大值處的電壓后，引入常規最大功率跟蹤算法，穩定最大功率點。該算法結合了智能算法的尋優能力與常規算法的跟蹤能力，但是算法耗時過長，對硬件要求較高。

此外，有學者提出從局部陰影下的P-V曲線入手，通過調節變換器的輸入電阻來改變電壓，采用掃描電壓的方式，獲取各個電壓的功率值，比較獲取最大功率點。該方法雖然能夠獲取全局最大值，但是大部分的時間都浪費在非最大值區域的掃描過程中，造成了能量的浪費，還需要改善。

圖5　掃描電壓法示意圖

4　儲能結構的設計

4.1儲能電池的選擇

光伏系統儲能結構不僅能儲存光伏電池板產生的多余能量，還可以對光伏輸出能量進行平抑。

首先在儲能電池的選擇上，出于經濟性的考慮，儲能電池多采用鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池由于其能量密度大、技術成熟、可靠性高，已經在光伏發電以及電動汽車領域廣泛應用。但也存在著一些缺點，如使用壽命較短，功率密度較低，不適合頻繁充放電，短時放點功率低。因此，工程中常采取鉛酸蓄電池和其他儲能結構相結合的方式，來提升儲能系統的性能。

超級電容器是一種電化學原件，在儲能過程中過不發生電化學反應，適合頻繁的充放電。相比鉛酸蓄電池，有著較高的功率密度，短時充放電電流大，適合頻繁充放電，使用壽命長等優點。采用超級電容器與鉛酸蓄電池的組合結構，可以提高儲能系統的壽命周期，并提高短時功率平抑性能。

4.2充放電結構與控制策略

儲能系統需要儲存光伏電池產生的能量，同時又需要維持直流母線電壓的穩定，因此采用雙向DC-DC電路，控制儲能系統的充放電，考慮到采取多個儲能結構組合使用方式，因此需要多輸入雙向的DC-DC變換器。圖6以鉛酸電池和超級電容器組合方式為例。

圖6　常用儲能結構示意圖

圖6(a)結構簡單，適用于電壓變化范圍不大，電池無嚴格充放電要求的場合；圖6(b)中兩種儲能器件采用并聯方式共用一個變換器，可以更加靈活的利用儲能，但是控制上較為復雜；圖6(c)超級電容器并聯在直流母線兩端快速跟蹤直流母線電壓變化，同時優化鉛酸蓄電池的充放電電流，延長電池壽命；圖6(d)儲能結構采用單獨的功率變換器，控制更加靈活，但同圖6(b)相比功率損耗更大，成本增加。

為了平抑光伏功率，國內外學者對提出了多種控制策略。吳振威等提出的小波包-模糊控制理論從功率型號包含的細節信息與儲能的具體性能特點出發，進行小波包分解和重構，針對特定的頻段范圍內功率分量作為光伏頻率目標，考慮到延長儲能壽命，引入模糊控制器進行充放電優化；丁明等采用低通濾波算法，在得到光伏平抑功率的目標值后，根據儲能系統的SOC實時調整濾波效果，達到了較好的平抑效果；Nasiri A等提出通過控制功率曲線的爬坡率，并結合滑動平均算法，對輸出功率進行平抑。

5　Z源逆變器

5.1Z源網絡結構

Z源拓撲結構于2002首次由彭方正教授提出，其由對稱的電感與電容組成，該結構最大的優點在于允許逆變器上下橋臂出現直通狀態，這在傳統的逆變結構中是不允許的，同時該結構還具有升降壓功能。因此，Z源逆變器用于光伏輸出能省去在光伏電池輸出端的直流穩壓變換器，提高了光伏能量利用率。

圖7　Z源網絡拓撲結構圖

Z源逆變器可以分為兩個部分，Z源直流鏈升壓電路和功率逆變橋部分。圖6中將逆變側等效成直流源,L1=L2，C1=C2。

圖8　Z源網絡結構等效原理圖

由Z源網絡的結構可得：

VC1=VC2=V1，VL1=VL2=V2

(5)

圖8(b)中Q關斷狀態下得：

V1=V2，Vd=2V1，Vdc=0

(6)

圖8(c)中Q導通狀態下得：

V2=Vin-V1，Vd=Vin，Vdc=V1-V2=2V1-Vin

(7)

設圖8電路中開關管Q的開關周期為T，其中直通時間為T0，非直通時間為T1，T=T0+T1。根據開關周期T內伏秒平衡原理可得：

(8)

(9)

式(9)中，D為直通占空比。

以上分析可知，Z源逆變器的升降壓模式工作狀態取決與直通占空比D，0

5.2Z源逆變器控制策略

Z源逆變器在光伏系統中作為重要的并網逆變環節，其重要性不言而喻，其控制要求逆變系統輸出的電流能與電網同頻同相，且諧波含量低。因此，采取何種PWM的控制方式至關重要。

逆變器常用的控制方式有電流滯環控制、三角波電流控制、重復控制等。其中三角波控制與滯環控制工程應用最為廣泛。三角波控制算法簡單，其開關頻率恒定，但相應速度慢，精度較滯環控制低;滯環控制精度較高，且頻率響應速度快，其跟蹤精度取決于滯環寬度。圖9為逆變器在一個開關周期內流過電感電流波形，iref為電網電流，iL為逆變側電感電流，Δh為滯環寬度。當逆變側電流iL超過上界iref+Δh時，滯環輸出為1，流過電感電流減小；反之當iL低于下界iref-Δh時，滯環輸出為0，流過電感電流增大。這樣保持電感電流變化始終跟蹤電網電流，達到與電網電壓同頻同相目的。

圖9　滯環比較電感電流波形

6　光伏系統工作模式

為了滿足光伏系統的節能要求，光伏電池輸出功率，儲能系統功率平抑以及Z源逆變控制之間需要制定合理的控制策略，以提高光伏電池的輸出功率，減少儲能系統充放電次數，提高逆變輸出供電在質量。

圖10　光伏系統工作模式原理圖

圖10(a)光照條件較強時，即光伏輸出功率Ppv大于負載消耗功率P0。此時光伏輸出功率一部分供給儲能系統，一部分供給負載。光伏電池以最大功率輸出，并同時考慮蓄電池的優化控制減少充放電次數，雙向buck-boost電路工作于充電模式，Z源逆變器控制系統升降壓與逆變；圖10(b)光照條件較弱時，Ppv

7　結語

本文分析介紹了Z源網絡光伏系統中光伏電池、儲能系統、逆變系統的構成以及一些常用的控制策略。為進一步深入研究光伏系統，提高光伏能源利用率提供了借鑒，為日后的Z源光伏系統的搭建給予指導性幫助。

[1]孔祥雨，徐永海，曾雅文,等.一種求解光伏電池5參數模型的方法[J].電力系統保護與控制,2013,41(22):47-50.

[2]付波，張敏，李波，等.基于動態阻抗匹配和兩步模型預測控制的最大功率點跟蹤算法[J].水電能源科學,2014,32(10):195-198.

[3]姚旭升.基于等效阻抗匹配法的光伏模擬控制器研究[D].河北：燕山大學，2013.

[4]劉麗艷.基于等效阻抗匹配發的數字控制光伏發電系統[D].河北：燕山大學，2013.

[5]王燕云.局部陰影條件下光伏發電系統的優化控制研究[D].山東：青島大學，2014.

[6]夏紅燕.基于混合儲能的光伏并網功率平抑控制研究[M].山東：山東大學，2014.

[7]蔡紀鶴.光伏并網發電的功率補償控制研究[M].江蘇：江蘇大學，2014.

[8]陳艷.光伏發電系統中Z源逆變器的控制技術研究[M].重慶：重慶大學，2012.

[9]陳寧寧.光伏并網逆變器多峰最大功率跟蹤的研究[M].江蘇：南京理工大學，2014.

[10]陳尚敏.含光伏電源的電動汽車換電站運行與控制研究[M].湖南：湖南大學，2013.

[11]高志強.基于Z源網絡的三端口光伏系統研究[M].黑龍江：哈爾濱工業大學，2012.

[12]張純江，董潔，劉君，等.蓄電池與超級電容混合儲能系統的控制策略[J].電工技術學報，2014,29(4):335-340.

[13]徐聰，程啟明，李明，等.Z源逆變器及其多種改進拓撲結構的比較[J].電網技術，2014，38(10):2927-2931.

[14]Farzad Sedaghati,Ebrahim Babaei.Double input z-source dc-dc converter[C].Power Electroics,Drive Systems and Technologies Conference,2011:581-586.

[15]Jing-Hsiao Chen,Yu-Shan Cheng.A novel global maximum power point tracking method for photo voltacic generation system operating under partially shaded condition[C].International Power Electronics Conference,2014:3233-3238.

The Review of Core Technology Reserch on the Z-source PV System

CHENXiao-yi，LIShao-gang,ZHUShao-bin

(College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China)

In this paper,several part of PV system has been discussed and analyzed.These parts included the established of PV battery model in practice;the theory of max power point track algorithm,the theory and advantage of algorithm of EIM,the multiple peak tracking algorithm under partical shaded;the components of energy storage and its advantage,and control strategy of low-pass PV power smoothing;the theory of Z-source inverter and hysteresis loop invert control.The paper provide instruction and reference on the establish of Z-source PV system.

max power point tracking;partially shaded;power smoothing;z-source;invert control

1004-289X(2016)02-0078-05

TM71

B

2015-03-07

陳小逸(1989-)，男，碩士研究生，研究方向新能源應用與節能技術，就讀于福州大學電氣工程與自動化學院。