基于SVPWM控制的Z源光伏逆變器的實現

聶振宇

江西省交通設計研究院有限責任公司 江西 南昌 330000

1 引言

Z源變流器通過控制器件直通占空比來進行直流電壓值的變換,不但簡化了拓撲結構提高了效率而且適用于輸入電壓變化很大的場合,這樣使其適用于新能源發電尤其是光伏發電。Z源電壓型逆變器是Z源變流器的一種,傳統型Z源電壓型逆變器由Z源電壓變換電路和電壓型逆變器組成,輸入電源與逆變器位于Z源網絡的兩側,其工作時逆變器直流鏈電壓應力較高,器件耐壓必須要提高。為了實現升壓功能,Z源網絡電容電壓高于輸入電源電壓,必須選用高壓電容,這導致Z源逆變器體積重量增大,實現成本較高且裝置啟動時存在著啟動沖擊問題,嚴重影響了其可靠性[1]。新型Z源電壓型逆變器能夠解決傳統Z源電壓逆變器這些問題。

2 新型Z源逆變器工作原理分析

新型Z源電壓型逆變器的工作模式可以分為斷續和連續兩種。當Z源電壓型逆變器處于斷續工作模式時,逆變器直流鏈電壓會發生畸變,對于逆變器輸出交流電壓影響很大,因此通常希望其工作在連續工作模式狀態。此時,Z源三相電壓型逆變器工作在以下兩種情況。(1)直通狀態；(2)非直通狀態。當工作于直通狀態時,其等效電路圖如圖1所示。

圖1 新型Z源電壓型逆變器工作模式1等效電路圖

由于Z源網絡元件參數的對稱性,有以下等式成立：

直通時,逆變器直流鏈電壓V in＝0,二極管D1由于承受反壓而關斷。假設直通時間的占空比為D0,根據基爾霍夫電壓定律有下式成立：

非直通時,二極管D1導通,其等效電路圖如圖2所示(如逆變器處于傳統零矢量時,可認為i in＝0)。

圖2 新型Z源電壓型逆變器工作模式2等效電路圖

此時,有下式成立：

由于Z源逆變器中電容容值較大,可以認為電容電壓基本不變,根據電感的伏秒平衡原理,有

實用中,一般直通占空比D0＜0.5,而傳統的Z源電壓型逆變器其電容電壓為。顯然新型Z源電壓型逆變器電容電壓要比傳統Z源電壓型逆變器的電容電壓要低,而兩者的直流鏈升壓系數是相同的,都為。

傳統Z源電壓型逆變器啟動時由于電容電壓為零,沖擊電流很大,對開關管的安全工作造成重大影響,甚至損壞開關管。而新型Z源電壓型逆變器在啟動時,逆變器開關管一般處于截止狀態,這樣可以通過合適的軟啟動策略來限制啟動電流大小,防止開關管承受過大的電流應力而損壞。

3 調制策略以及電壓前饋反饋控制

新型Z源電壓型逆變器的調制策略與傳統Z源電壓型逆變器的調制策略是一樣的,可以采用簡單升壓調制方式、最大恒定升壓調制方式、最大升壓調制方式、三次諧波注入調制方式、空間電壓矢量調制方式等,為了提高直流電壓的利用率,光伏照明系統新型Z源逆變器采用了空間電壓矢量調制方式。為了減小開關器件的開關次數,直通零矢量安排在兩個有效矢量之間以及有效矢量和傳統零矢量之間。為了減小Z源網絡中的電感值,采用單相直通方式來增加電感電流的脈動頻率。在三相半橋逆變器中,某相上臂導通下臂關斷用“1”表示；下臂導通上臂關斷用“0”表示,上下臂直通用“2”表示。某時刻,假設需要構造的電壓參考矢量處于第Ⅰ扇區,則需要矢量100以及矢量110和傳統零矢量000或111來合成。考慮到減小諧波以及合理地安排直通零矢量減小開關損耗,此時作用脈沖序列要對稱分布,可安排為000→200→100→120→110→112→111→112→110→120→100→200→000。相鄰兩個矢量切換時只需一個開關改變狀態,這樣降低了開關損耗。其中200,120,112為單相直通零矢量,每段作用時間為D0T/6。有效矢量100,110的作用時間可以按照矢量合成的方法計算出來,傳統零矢量000,111的作用時間在去除了有效矢量時間以及單相直通零矢量時間后可以確定下來。其他扇區的參考電壓矢量的脈沖序列可按照類似的方法合成。

要保證Z源逆變器輸出基波交流電壓值保持不變,需要根據輸入電壓值以及負載情況調節直通占空比D0以及調制比M,此時需要調節兩個參數D0和M,這樣會給控制環的設計以及參數的整定帶來麻煩,一般都是先選擇合適的調制比M,然后固定不變,改變直通占空比D0調節逆變器直流鏈電壓。再者,如果設計兩個閉環來保持輸出基波交流電壓不變,由于兩個閉環存在著耦合關系,較難保證整個系統的穩定性。為了簡化控制系統設計,保證整個系統的穩定性,引入了電壓前饋加反饋控制,把輸入電壓變化對輸出基波電壓的影響作為大擾動,而把負載變化對輸出基波電壓的影響作為小偏差。對于Z源逆變器輸入電壓的變化采用前饋補償控制策略,直接通過采樣輸入電壓控制直通占空比D0,使逆變器直流鏈峰值電壓維持恒定,實現直流鏈峰值電壓的粗調,抑制輸入電壓擾動的影響。對于逆變器負載變化采用輸出電壓基波峰值反饋控制方案,由于輸出電壓峰值為一直流量,當調節器采用PI調節器時不存在穩態調節誤差,實現直流鏈電壓峰值的細調以及抑制負載擾動的影響。新型Z源電壓型逆變器控制框圖如圖3所示。圖中V R為給定值,即希望加在負載上的基波峰值電壓,為反饋值。給定值與反饋值比較后,偏差值輸入帶限幅的PI調節器后得到參考電壓值,通過電壓空間矢量調節算法得到有效矢量的作用時間和傳統零矢量作用時間,然后在與前饋計算中得到直通占空比進行信號合成,將傳統零矢量的一部分作用時間變成直通零矢量作用時間。根據計算出來的各個矢量作用時間合理排列好矢量作用脈沖序列,通過驅動電路驅動Z源電壓型逆變器的開關器件,產生所需的基波電壓值。

圖3 光伏照明系統新型Z源逆變器控制框圖

4 實驗結果及結論

光伏照明系統新型Z源電壓型逆變裝置研制出來后對其進行了穩態運行實驗以及啟動實驗,裝置元件參數為：Z源逆變器輸入直流電壓Vdc為250V,光伏電板等效電阻1Ω,Z源電感L1、L2為0.6m H,Z源電容C1、C2為2200u F,輸出濾波電感L為1m H,輸出濾波電容C為15u F,燈負載單相等效電阻為15Ω,等效電感為0.1m H,輸出交流電頻率為50Hz,額定相電壓有效值為110V,采用SVPWM調制方式,直通占空比額定值為0.19,調制比額定值為0.778。實驗結果圖如圖4所示

圖4 光伏照明系統Z源逆變器穩態運行實驗波形圖

圖4為新型Z源逆變器穩態運行時的相關電參量波形圖,圖4(a)為新型Z源電感電流波形,圖4(b)為新型Z源電容電壓波形,圖4(c)為新型Z源逆變器直流鏈電壓Ud波形,圖4(d)為新型Z源逆變器濾波后輸出A相相電壓UA波形圖。從圖中可以看出新型Z源逆變器電容電壓為74V,大大低于直流輸入電壓,Z源電感電流平均值約為10A,直流鏈電壓峰值為400V。