新型太阳能光伏并网逆变器仿真分析

新型太阳能光伏并网逆变器仿真分析*

潘　建

（淮阴师范学院物理与电子电气工程学院 江苏淮安，223001）

摘　要：介绍并分析一种新型太阳能光伏并网逆变器的拓扑结构及其工作原理。为改善输出波形质量，减少

并网电流谐波，该新型逆变器省略传统逆变桥臂的死区设定，通过控制逆变桥臂的直通矢量占空比实现光伏阵列输出电压的升压功能。利用ＭＡＴＬＡＢ软件对逆变器控制模式进行仿真，仿真结果证明理论分析的正确性和有效性。

关键字：光伏并网；直通矢量；占空比

Abstract: The topology structure and the operating principle of a new type of grid-connected photovoltaic inverter is introduced.The deadtime setting of bridge arm is elided which decreases the grid-connected current harmonics and improves the quality of outputwaveforms. The boost function of output voltage of the photovoltaic arrays is achieved by controlling the through vector duty ratio ofbridge arm. The system is simulated in MATLAB, and the waves of simulation accord with the theoretical analysis.

Key words: Grid-connected photovoltaic ; Through vector ; Duty ratio

中图分类号：ＴＫ５１３　　　　　　文献标识码：Ｂ　　　　　　文章编号：１００１－９２２７（２０１１）０２－００７１－０３

０　　前　言

进入２１世纪，太阳能光伏发电技术得到了持续的发展，户用光伏并网发电已经成为太阳能利用的主要方式之［１］一。并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部件和关键技术，但传统的电压源型逆变器由于理论上的局限性，要求直流侧的电压高于交流侧，因此需在光伏阵列和逆变器之间增加直流升压环节，增加了系统的复杂性［２］。本文介绍了一种新型太阳能光伏并网逆变器，该新型逆变器利用Ｚ源阻抗网络的升压特性替代传统的直流升压环节［３］。本文分析了该种新型并网逆变器的工作原理并采用有别于传统ＰＷＭ控制技术的无开关死区的ＰＷＭ控制策略，改善逆变器输出电流的质量。利用ＭＡＴＬＡＢ软件对新的控制策略进行仿真验证，仿真结果证明理论分析的正确性和有效性。１　　电路拓扑结构

该新型光伏并网逆变器电路拓扑如图１所示。

变桥输入电压，Ｓ１～Ｓ４是主逆变器四个主开关器件，ＬO为输出滤波电感，Ｖｇｒｉｄ为电网电压。可将电路分为Ｚ源升压子电路和全桥逆变子电路两个部分。

２　　工作原理

2.1 Z源升压子电路分析

为了分析方便，使Ｚ源储能网络满足对称网络条件，取电感Ｌ１、Ｌ２和电容Ｃ１、Ｃ２满足如下条件

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）

根据对称与等效原理，有

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）

当逆变桥开关器件的触发驱动信号有足够高的开关频率时，就可以不考虑防止桥臂直通的死区时间。因此根据逆变器是否为直通开关状态将电路工作模式分为两种情况［４－５］。

（１）当逆变器工作在非直通矢量状态时，可以等效电路如图２（ａ）所示；此时阻抗源输入侧二极管导通，因电感Ｌ１和Ｌ２的储能作用，对于逆变桥的输入端口在一个开关周期相当于一个恒定电流源。电压平衡方程为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）

图１　新型光伏并网逆变器电路拓扑

图中ＣＰＶ为光伏阵列储能电容，ＶＰＶ为其两端电压，Ｄ为

反向隔离二极管，Ｌ１、Ｌ２、Ｃ１、Ｃ２构成Ｚ型阻抗网络，ＶＰＮ为逆

收稿日期:2010-11-22

作者简介:潘建(1983-),男,助教,硕士,主要研究方向为电力电子新技术及新能源发电技术。

*基金项目:淮安市科技支撑计划(工业)(HAG2010026)

其中，Ｖｄ、ＶＳ、ＶＰＮ分别为二极管Ｄ处于通态时输入端电压、直流电源电压和逆变桥路直流母线电压。

（２）当逆变器工作在直通零矢量状态时，等效电路如图２（ｂ）所示；电压平衡方程为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）

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新型太阳能光伏并网逆变器仿真分析　　潘　建

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）

（ａ）Ｚ源非直通状态电路图

（ｂ）Ｚ源直通零矢量状态电路图图２　Ｚ源升压子电路等效电路图

图３　逆变桥ＰＷＭ调制

稳态条件下，根据直流电感压秒平衡原则，Ｚ源储能

网络的电感在一个开关周期中平均电压为零，由公式（３）和公式（４）可得

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）

其中：Ｔ０＋Ｔ１＝Ｔ；Ｔ０为一个开关周期中直通零状态时间，Ｔ１为一个开关周期中非直通状态时间，Ｔ为开关周期时间。

由公式（５）得Ｚ源储能电容电压为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）

在非直通矢量状态下，逆变桥路直流母线电压对输入电压的增益Ｂ为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（７）

对于电压逆变单元，交流输出正弦电压基波峰值与直流母线电压的增益Ｍ为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）

其中：ｖａｂ为交流输出电压基波量。因此对于整个逆变器，可输出调制正弦波电压

　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）

由公式（９）可以看出，通过控制逆变桥路的直通矢量占空比和正弦调制因子就可调节和控制满足电网要求的交流电压。

2.2 逆变桥的PWM控制

逆变桥的ＰＷＭ调制如图３所示。

该新型逆变器的ＰＷＭ调制与传统的ＰＷＭ相比，多了一组直通零矢量开关模式，其开关控制因子有两个：１．控制Ｚ源网络升压的直通零矢量占空比因子，２．控制交流电压输出的正弦调制因子。分别定义开关信号如下：

　　　　　　　（１０）

因此，可得开关模式如表１所示。

表１　新型太阳能光伏并网逆变器开关模式

根据调制特性，８种开关模式换流回路如图４所示。

（ａ）模式１，Ｓ１，２，３，４＝（１　０　０　１）　　　　　（ｂ）模式２，Ｓ１，２，３，４＝（１　０　１　０）

（ｃ）模式３，Ｓ１，２，３，４＝（０　１　０　１）　　　　　（ｄ）模式４，Ｓ１，２，３，４＝（０　１　１　０）

（ｅ）模式５，Ｓ１，２，３，４＝（１　１　０　１）　　　　　（ｆ）模式６，Ｓ１，２，３，４＝（１　１　１　０）

７２《自动化与仪器仪表》２０１１年第２期（总第１５４期）

（电流２０Ａ／ｄｉｖ；时间２０ｍｓ／ｄｉｖ）（ｂ）并网电流阶跃突增仿真波形

（ｇ）模式７，Ｓ１，２，３，４＝（１　０　１　１）　　　　　（ｈ）模式８，Ｓ１，２，３，４＝（０　１　１　１）

图４　换流回路图

由图４可知，模式１，２，３，４为非直通开关状态，输入电源ＶＳ向Ｚ源储能网络提供电能，此时Ｚ源储能电容吸收电能。在模式１中，直流母线电流通过开关管Ｓ１和Ｓ４的导通等于交流侧并网电流；在模式２和３中，直流母线电流断路为零，交流侧通过开关管和二极管续流；在模式４中，直流母线电流通过二极管Ｄ２和Ｄ３的导通等于交流电流的负值，此时电流流向Ｚ源储能网络。模式５，６，７，８为直通开关状态，输入电源通过二极管Ｄ的阻断和Ｚ源储能网络隔开即不输送电能，Ｚ源储能电容释放电能。此时直流母线电流与交流侧电流无关，由Ｚ源网络决定，且逆变桥交流侧输出电压为零，逆变模式为零矢量状态。３　系统仿真

根据以上分析，在ＭＡＴＬＡＢ中构建光伏并网逆变器系统，其电气参数如表２所示。

表２　光伏并网逆变器系统电气参数

（电流２０Ａ／ｄｉｖ；时间２０ｍｓ／ｄｉｖ）（ｃ）并网电流阶跃突降仿真波形

图６　并网电流仿真波形

从仿真波形上可以看出该新型光伏并网逆变器系统

在光伏阵列输出电压没有较大波动，并网电流处于稳态情况下，并网电流与电网电压频率相同，相位相差１８０°，实现了逆变器输出端的单位功率因数（ＵＰＦ），满足了光伏发电系统并网的要求。当光伏阵列由于受到天气的影响而出现输出电压大幅度波动，引起并网电流出现阶跃跳变时，从仿真图上看出跳变后的并网电流仍然能够保持与电网电压频率相同，相位相差１８０°，表现出良好的鲁棒性。４　　结　论

本文介绍了一种新型太阳能光伏并网逆变器，该新型逆变器利用Ｚ源阻抗网络的升压特性替代传统的直流升压环节。本文分析了该种新型并网逆变器的工作原理并采用有别于传统ＰＷＭ控制技术的无开关死区的ＰＷＭ控制策略，改善逆变器输出电流的质量。利用ＭＡＴＬＡＢ软件对新的控制策略进行仿真验证，仿真结果表明：采用该新型太阳能光伏并网逆变器的光伏并网发电系统在太阳能电池输出电压出现阶跃激增或突降时，系统能保持良好的鲁棒性，并网电流谐波小，满足光伏并网发电的要求。

参考文献

［１］郑诗程．光伏发电系统及其控制的研究［Ｄ］．［博士学位论文］，合

肥：合肥工业大学电气与自动化工程学院，２００４．

［２］Ｓｔｒｏｎｇ　Ｓ　Ｊ．　Ｗｏｒｌｄ　ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｐｈｏ－

ｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ［Ａ］．　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｒｅｃｏｒｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔｗｅｎｔｙ　Ｆｉｆｔｈ

光伏并网逆变器系统由以下几部分组成：ＰＷＭ波形发

生模块、开关函数计算模块、Ｚ源网络模块、交流侧并网模块、光伏阵列及输出滤波模块，控制系统模块。其系统仿真结构图如图５所示。

图５　系统仿真结构图ＩＥＥＥ［Ｃ］．　Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ．　ＤＣ：ＩＥＥＥ．１９９６．１１９７－１２０２．

［３］Ａｎｔｏｎｉｏ　Ｌ，　Ｓｔｅｖｅｎ　Ｈ　．Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｓｃｉｅｎｃｅ

ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．　Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ．　Ｈｏｂｏｋｅｎ，　ＮＪ：Ｗｉｌｅｙ，２００８：１１３－１１７．

［４］Ｙｉ　Ｈｕａｎｇ，　Ｍｉａｏｓｅｎ　Ｓｈｅｎ．　Ｚ－Ｓｏｕｒｃｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｒｅｓｉｄｅｎ－

ｔｉａｌ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．６，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　２００９：２７５－２７９．“Ｚ－ｓｏｕｒｃｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ”，　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄ．Ａｐｐｌ．，［５］Ｆ．Ｚ．Ｐｅｎｇ，　

ｖｏｌ．３９，　ｎｏ．２，　ｐｐ．５０４－５１０，Ｍａｒ．／Ａｐｒ．２００８．

并网电流仿真波形如图６所示。

（电压１５０Ｖ／ｄｉｖ；电流２０Ａ／ｄｉｖ；时间３０ｍｓ／ｄｉｖ）

（ａ）并网电流稳态仿真波形

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