光伏并網逆變器拓撲結構的研究

劉 凱 丁竹青 黃 勇 山東化工職業學院 濰坊 261108

太陽能作為一種新能源，已經廣泛應用于人類社會生活中，其中太陽能發電技術比較成熟，運營成本較低，更是解決能源短缺和環境污染的有效途徑之一。光伏并網發電系統中，光伏并網逆變器作為發電系統的核心部分，將太陽能組件與電網進行了有效的連接，對電力系統的安全穩定運行起著非常重要的作用。

1 傳統電壓逆變器

光伏并網發電，是將光伏陣列產生的直流電轉變為符合市電電網要求的工頻交流電，并將其接入電網的過程。逆變器則是可將直流電轉換為交流電的電力變換設備，由于太陽能組件發出的是直流電，一般的負載多數為交流負載，因此，逆變器是太陽能發電技術中必不可少的一部分。逆變器作為發電系統的重要組成，其太陽能發電的效率與逆變器的性能息息相關。

傳統的光伏并網發電系統見圖1，該系統是由太陽能組件、去耦大電容、傳統逆變器、濾波電感部分和電網構成，其核心為傳統電壓源逆變器，通過驅動信號控制六個開關管的導通和關斷而得到正弦規律變化的平均電壓。

圖1 傳統光伏并網發電系統

傳統電壓源逆變器結構簡單，元器件少，但存在一些固有缺點：①由于直流側并聯大電容，相當于電壓源，回路不允許短路，交流側要求接感性負載或串接電感，以保證電壓源逆變器可靠工作；②傳統電壓源型逆變器只可實現降壓，其輸出的交流電壓低于直流母線上的電壓，若希望得到較高的輸出電壓，需通過升壓變換器將直流側電壓升高，從而滿足電網電壓的要求，增加升壓變換器的發電系統可稱為兩級式并網發電系統，控制電路為級間控制，控制復雜，而且效率降低，成本較高；③逆變橋同一橋臂的上下兩只開關管不允許同時導通，否則會工作在直通短路狀態，為防止直通，需要加入死區時間，造成能量轉換效率低，投入成本較高等。

2 新型電壓源逆變器

2.1 Z 源逆變器

為了避免傳統逆變器的以上缺點，2002 年，Z源網絡被提出，Z 源網絡的組成見圖2，其主要元件有兩個相同的電感（L1 和L2）與兩個相同的電容（C1 和C2），它們相互連接，構成X 型的兩端口網絡。目前，對于Z 源網絡，尤其是Z 源逆變器的多方面研究已漸成熟，Z 源網絡獨特的優點表明，Z 源拓撲的研究在光伏并網逆變器領域中具有深遠意義。由Z 源網絡組成的變換器的電路結構框圖見圖3。

圖2 Z 源阻抗網絡

圖3 含阻抗網絡的變換器結構圖

2.1.1 拓撲結構

電壓源型Z 源逆變器的拓撲結構見圖4。

圖4 三相電壓源型Z 源逆變器構造

由圖4 可知，Z 源逆變器的主電路主要由直流電源部分（電解大電容）、Z 源網絡、傳統電壓源型逆變器三部分組成。其特點在于將Z 源網絡作為橋梁，將直流側與傳統逆變部分耦合到一起，從而得到區別于傳統逆變器的優點。當控制開關頻率較高時，Z 源逆變器比傳統電壓源型逆變器多出一種開關狀態，即在零電壓狀態下存在直通短路情況，該狀態在傳統逆變器中是不被允許的。

2.1.2 工作原理

為分析Z 源逆變器的工作原理，將傳統逆變橋部分等效成電流源，將光伏陣列得到的直流電與并聯大電容部分等效成直流電源，從直流電源側看進去，可得到Z 源逆變器的等效電路，見圖5。

圖5 Z 源逆變器等效電路

由圖5 可知，當傳統逆變橋處于直通情況時，逆變器同一橋臂上下的兩只管子同時導通，逆變橋出現短路，等效電路見圖6。當在非直通情況時，逆變橋可等效為一個任意數值的電流源，此時雖然存在一種特殊的情況，即當處于傳統零電壓時，逆變橋開路，等效電路中的電流源數值等于零，等效電路見圖7。

圖6 Z 源逆變器在直通狀態時的等效電路

圖7 Z 源逆變器在非直通狀態時的等效電路

圖5 等效電路中，假設Z 源網絡中電感L1 和電感L2 的電感值完全相同，即L1=L2；電容器C1和電容器C2 的電容值完全相同，即C1=C2。四個元件相互組成對稱的Z 源網絡，由此可知電容器C1 和電容器C2 上的電壓值相同，電感L1 和電感L2 上的電壓值相同：

式中，VC1為電容器C1 的電壓，V；VC2為電容器C2 的電壓，V；VL1為電感L1 的電壓，V；VL2為電感L2 的電壓，V。

下面將具體分析一個周期內，Z 源逆變器的直通和非直通兩種情況：

（1）直通狀態

等效電路見圖6。

設逆變器工作在直通狀態時對應的時間為T0，逆變器開關周期為T，從圖6 可知：

式中，vd為Z 源網絡輸入電壓，V；vi為Z 源網絡輸出電壓，V。

當逆變器工作于直通狀態時，直流側二極管D承受反向電壓截止，直流電源停止供電，此時電容器C1 和C2 放電，同時對電感L1 和L2 充電，設電容電流正方向從下往上，如圖6 所示可得：

式中，IL為Z 源網絡電感電流，A；iC為Z 源網絡電容電流，A；ii為短路電流，A。

（2）非直通狀態

等效電路見圖7。

設逆變器工作在非直通狀態時對應的時間為T1，此時二極管D 因承受正向電壓而導通，如圖7所示等效電路中，直流電源給電容C1 和C2 充電，由于直通狀態時電感L1 和L2 已儲存能量，與直流電源共同通過逆變器變壓并入電網，此時滿足：

式中，VDC為直流端電源電壓，V。

（3）綜合分析兩種狀態

在穩態情況下，一個周期內，電感兩端的平均電壓為0。即：

由公式（2），（4）可推導出：

經過計算得出：

類似的方法可以得出，逆變橋輸入端的平均直流母線電壓為：

經過推導計算得出：

由公式（9）可知，逆變橋輸入端的平均電壓等于Z 源網絡中電容電壓，其輸入端的峰值電壓為：

結合公式（10）和公式（11）可得逆變器交流側輸出峰值電壓為：

公式（13）中，M 為調制因數，B 為升壓因子，兩者的結合可控制升/降壓因子BB，從而實現逆變器升降壓的功能。通過以上分析可知：Z 源逆變器克服了傳統逆變器的缺點，可以實現靈活的升降壓；允許直通短路且不會對電路造成危害，有效解決了傳統逆變器的短路問題；直流側無需加入升壓電路，控制電路簡單，節約成本，同時，系統可靠性和效率得到提高。

通過多方面的分析可看出，電壓源型Z 源逆變器存在一些缺點：如：在升壓模式下運行時，輸入電流存在不連續情況；電容電壓應力大；啟動沖擊電流大。因此要在Z 源拓撲的基礎上進行改進。

2.2 準Z 源逆變器

2.2.1 準Z 源逆變器的結構

準Z 源逆變器是在Z 源逆變器拓撲的基礎上改進而來，在繼承了Z 源逆變器所有的優點的同時，又有其獨特的優點，主要表現在：①電壓型準Z 源拓撲中，其中一個電容承受的最大電壓大幅降低，便于器件的選擇，從而使得系統的成本降低；②輸入側串聯大電感，保證輸入電流連續，限制啟動沖擊電流。

準Z 源逆變器的拓撲結構見圖8。

圖8 準Z 源逆變器的拓撲結構

2.2.2 準Z 源逆變器工作原理

同Z 源逆變器，準Z 源逆變器也是控制逆變橋的直通時間滿足升壓。其控制方法也可以采用簡單升壓控制，本文不作具體介紹。該電路等效為三種工作狀態：直通狀態、傳統零電壓工作狀態、有效矢量工作狀態。主拓撲從直流側看過去的等效電路圖見圖9。

圖9 主拓撲等效電路圖

同Z 源逆變器的分析思路，準Z 源逆變器也可從以下兩種情況入手：直通情況和非直通情況。直通情況時，逆變橋等效為短路，見圖10（a）。當逆變橋開路或處于有效工作狀態時，逆變橋可用一個任意數值的電流源代替，總結為非直通情況，見圖10（b）。

圖10 準Z 源逆變器等效圖

假設在一個開關周期T 中，逆變橋處于直通狀態的時間為T0，從等效電路圖10（a）可得如下公式：

假設在一個周期內，逆變橋處于非直通狀態的時間為T1，從等效電路圖10（b）可得如下公式：

在一個穩態周期內，電感兩端的平均電壓為0，電容的平均電流為0。由公式（14）、（18）和（16）、（20）得：

由公式（9）-（12）可得：

由式（19）知 ，加在逆變橋的峰值直流環節電壓為：

M 為調制因數。對于正弦脈寬調制（SPWM），M ≤1；公式（28）表明，通過調節直通狀態的時間T0，即可控制輸出電壓的升降。電壓增益理論上講，G 可以無限大。

2.2.3 開關管電壓電流應力分析

逆變器開關管上的電壓應力為： ，它與調制策略有關，US隨著直通占空比的增大而增大，因此，在滿足需要的前提下，應選擇較小的直通占空比。

對于開關管的電流應力：假設為理想開關管，兩相直通時，經計算，功率開關管最大電流應力為：由此可知，開關管電流應力大小由輸出電流和電感電流共同決定。當輸出電流確定時，電感電流越小，電流應力則越小。

經過上述分析可知，準Z 源逆變器與Z 源逆變器的工作原理無本質上的區別，但有不同于傳統Z 源逆變器的優點：①由于直流電源輸入側電感L1的存在，使輸入電流連續，避免了電路的非正常工作狀態；②由公式（26）知，與傳統Z 源逆變器上的電容電壓相比，電容C1兩端的電壓降低，這對于電容器的耐壓要求大大降低，可大幅減小不間斷電源的體積、重量，及實現成本；③開關管的電壓電流應力都與直通占空比有關，合理的控制，可以降低開關管的電壓電流應力。

3 單相電壓型準Z 源逆變器仿真分析

3.1 電感電容參數的選擇

直通情況的時間為DT，系統額定功率為P0。已知公式根據公式（14）得：

直通狀態時間DT內，流過電容器C1、C2的電流公式（15）已知。由公式得根據公式（15）得：

3.2 仿真驗證

圖11 輸入直流電壓為190V 的輸出電壓波形

圖12 Z 源與準Z 源網絡電容的電壓波形

綜上，仿真結果與理論分析幾乎一致，從而驗證了基于準Z 源逆變器拓撲理論分析的合理性與正確性。

4 結語

光伏并網發電系統的核心部分為逆變器，改善逆變器的性能可大大改善光伏并網發電系統的性能，因此，逆變器的拓撲結構的研究尤為重要。本文主要分析了Z 源和準Z 源逆變器拓撲結構的工作原理，并通過仿真驗證了理論分析的合理性。這兩種拓撲結構具有其獨特的優點，但也存在一些缺點，仍需要繼續改進，以提高能量轉換效率，降低發電系統的成本。