1 引 言

太陽能作為一種新興綠色能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限制等優(yōu)點，正得到迅速的推廣應用。近二，三十年來，太陽能光伏發(fā)電技術得到了持續(xù)的發(fā)展，戶用分布式光伏并網發(fā)電已經成為太陽能利用的主要方式之一。并網逆變器是光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的核心部件和關鍵技術，并網逆變器不僅可以將光伏陣列發(fā)出的直流電轉化為交流電，而且可以對交流電的頻率、電壓、電流、相位等進行控制以實現與電網的并聯功能。傳統(tǒng)的電壓源型逆變器(VSI)由于理論上的局限性，要求直流側的電壓高于交流側，因此需在光伏陣列和逆變器之間增加直流升壓環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的復雜性。采用Z源型光伏并網逆變器可以使交流側輸出電壓高于直流側輸入電壓，簡化系統(tǒng)結構和設計。此外新型逆變器開關信號不需要設定死區(qū)，可有效減少輸出正弦波失真，并網電流的低諧波性，可顯著減少對電網的污染。本文在介紹Z源型光伏并網逆變器(VMZSPVGI)拓撲結構并分析其工作原理的基礎上，采用有別于傳統(tǒng)PWM控制技術的無開關死區(qū)的PWM控制策略，改善逆變器輸出電流的質量。利用Matlab軟件對新的控制策略進行仿真驗證，仿真結果證明理論分析的正確性和有效性。

2 電路拓撲結構

電壓模式Z源型光伏并網逆變器(VMZSPVGI)電路拓撲如圖1所示。

圖1中：CPV為光伏陣列儲能電容，VPV為其兩端電壓，D為反向隔離二極管，L1、L2、C1、C2構成Z型阻抗網絡，VPN為逆變橋輸入電壓，S1～S4是主逆變器4個主開關器件，Lo為輸出濾波電感，Vgrid為電網電壓。根據VMZSPVGI的特點，可將電路分為Z源升壓子電路和全橋逆變子電路2個部分。

3 工作原理

3.1 Z源網絡分析

為了分析方便，使Z源儲能網絡滿足對稱網絡條件，取電感L1，L2和電容C1，C2滿足如下條件：

根據對稱與等效原理，有：

Z源型光伏并網逆變器，當逆變橋開關器件的觸發(fā)驅動信號有足夠高的開關頻率時，就可以不考慮防止橋臂直通的死區(qū)時間。因此根據VMZSPVGI是否為直通開關狀態(tài)將電路工作模式分為2種情況：

(1)當逆變器工作在非直通矢量狀態(tài)時，可以等效電路如圖2(a)所示；此時阻抗源輸入側二極管導通，因電感L1和L2的儲能作用，對于逆變橋的輸入端口在1個開關周期相當于1個恒定電流源。電壓平衡方程為：

其中，Vd，VS，VPN分別為Z源網絡二極管D處于通態(tài)時輸入端電壓、直流電源電壓和逆變橋路直流母線電壓。

(2)當逆變器工作在直通零矢量狀態(tài)時，等效電路如圖2(b)所示；電壓平衡方程為：

穩(wěn)態(tài)條件下，根據直流電感壓秒平衡原則，Z源儲能網絡的電感在一個開關周期中平均電壓為零，由式(3)和式(4)可得：

其中：T0+T1=T；T0為一個開關周期中直通零狀態(tài)時間；T1為一個開關周期中非直通狀態(tài)時間；T為開關周期時間。

由式(5)得Z源儲能電容電壓為：

在非直通矢量狀態(tài)下，逆變橋路直流母線電壓對輸入電壓的增益B為：

對于電壓逆變單元，交流輸出正弦電壓基波峰值與直流母線電壓的增益M為：

其中：vab為交流輸出電壓基波量。

因此對于整個VMZSPVGI，可輸出調制正弦波電壓：

由式(9)可以看出，通過控制逆變橋路的直通矢量占空比和正弦調制因子就可調節(jié)和控制滿足電網要求的交流電壓。

3.2 逆變橋的PWM控制

對于VMZSPVGI逆變橋的PWM控制，可由常規(guī)電壓源型逆變器(VSI)的單級性PWM調制擴展得到。單級性調制時，2個橋臂的正弦載波相差180°，即：

所以，在一個開關周期中，a，b兩橋臂的開關函數狀態(tài)為零狀態(tài){0 0}；非零狀態(tài){1 0}；零狀態(tài){1 1}；非零狀態(tài){1 0)；零狀態(tài){0 0}。

VSI逆變器的功率管橋臂S1，S2的調制參考信號ua和功率管橋臂S3，S4的調制參考信號ub為：

對于VMZSPVGI的PWM調制，當調制信號為umax=max(ua，ub)，為了在零矢量過程加人直通狀態(tài)占空比，必須將功率管上橋臂開關管的導通時間增大，而功率管下橋臂開關管保持不變，即：

式中，sx為開關管S1，S3，sy為開關管S2，S4。

當調制信號為umin=min(ua，ub)，為了在零矢量過程加入直通狀態(tài)占空比，必須將功率管下橋臂開關管的導通時間減小，而功率管上橋臂開關管的導通時間不變，即：

VMZSPVGI的PWM調制如圖3所示。

VMZSPVGI的PWM調制與傳統(tǒng)VSI的PWM相比，多了一組直通零矢量開關模式，其開關控制因子有2個：控制Z源儲能網絡升壓的直通零矢量占空比因子；控制交流電壓輸出的正弦調制因子。分別定義開關信號如下：

因此，可得VMZSPVGI的開關模式如表1所示。

4 系統(tǒng)仿真

根據以上分析，在Matlab中構建VMZSPVGI系統(tǒng)，其電氣參數如表2所示。

參照表2電氣參數，可得C=1 000μF，L=5 mH 50 A。另取光伏陣列輸出電容CPV=800 μF，輸出濾波電感Lo=10 mH 50A。

VMZSPVGI系統(tǒng)由以下幾部分組成：PWM波形發(fā)生模塊、開關函數計算模塊、Z源網絡模塊、交流側并網模塊、光伏陣列及輸出濾波模塊，控制系統(tǒng)模塊。

并網電流仿真波形如圖4所示。

從仿真波形上可以看出VMZSPVGI系統(tǒng)在光伏陣列輸出電壓沒有較大波動，并網電流處于穩(wěn)態(tài)情況下，并網電流與電網電壓頻率相同，相位相差180°，實現逆變器輸出端的單位功率因數(UPF)，滿足了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網的要求。當光伏陣列由于受到天氣的影響而出現輸出電壓大幅度波動，引起并網電流出現階躍跳變時，從仿真圖上看出跳變后的并網電流仍然能夠保持與電網電壓頻率相同，相位相差180°，表現出良好的魯棒性。

5 結 語

在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中采用Z源型逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓源型逆變器可以充分適應光伏陣列輸出電壓大范圍波動的特點。

本文介紹Z源型光伏并網逆變器的拓撲結構并分析工作原理，在Matlab中構建系統(tǒng)模型進行仿真驗證。

仿真結果表明：采用Z源型逆變器的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)在太陽能電池輸出電壓出現階躍激增或突降時，系統(tǒng)能保持良好的魯棒性，并網電流諧波小，滿足光伏并網發(fā)電的要求。