基于Z源網絡的光伏并網逆變系統(tǒng)的研究.pdf

1、光伏并網發(fā)電是太陽能最重要的應用形式，具有廣闊的發(fā)展前景。并網逆變器是連接光伏陣列模塊和電網的關鍵部件，其拓撲結構和控制策略是當前研究的熱點。本文所研究的Z源光伏并網逆變器屬于單級系統(tǒng)，具有結構簡單、允許逆變橋同一橋臂上下功率器件直通、輸出波形畸變小等優(yōu)點。該拓撲結構特別適用于光伏發(fā)電等輸入電壓變換范圍比較大的場合。
　　本文對單相Z源光伏并網逆變器的拓撲結構和并網控制策略進行了深入的研究。具體內容包括以下幾個方面：
　　深

2、入分析了單相Z源光伏并網逆變器的電路拓撲、升壓原理、換流過程和開關管電流電壓應力，并詳細分析了單相Z源光伏并網逆變器的損耗，從而為系統(tǒng)的散熱設計、器件和開關頻率的選取提供了重要的依據。
　　建立了 Z源網絡電路的小信號模型，并分析了 Z源網絡各參數變化對其輸出特性的影響。Z源光伏并網逆變器采用了單級系統(tǒng)的雙級控制策略，通過調節(jié)直通占空比和調制因子分別實現(xiàn)最大功率跟蹤控制和逆變器并網電流控制。在光伏并網系統(tǒng)中，并網電流的頻繁變化將會

3、對電網的電能質量帶來負面影響。為此，本文在分析已有并網電流幅值控制方法的基礎上，提出了單周期電容電壓調節(jié)法來控制并網電流幅值。該方法能夠在一個工頻周期內完成對光伏并網電流的調整，從而改善了并網電流的波形質量，減小了并網電流的波動。
　　無變壓器型光伏并網逆變器體積小、效率高、造價低，被廣泛地應用于小功率光伏并網系統(tǒng)中。本文分析了Z源光伏并網逆變器和全橋逆變器共模電流的產生機理。其中，Z源逆變器和采用單極性調制方式的全橋逆變器的共模

4、電壓是高頻脈沖電壓，會產生共模電流。因此需要在電網側加入工頻變壓器來消除共模電流。而在雙極性 PWM調制方式下，全橋逆變器的共模電壓恒定，不產生共模電流。但是，此調制方式不能消除輸出電流的直流分量。過大的直流分量會使變電所變壓器工作點偏移，增加電網電纜的腐蝕，燒毀輸入保險，甚至增加諧波含量。為此本文提出一種新型控制算法來抑制直流分量的輸出。該算法使用兩個補償環(huán)節(jié)分別抑制由于調制脈寬不對稱和并網電流檢測誤差引起的直流分量。它無需增加外圍硬

5、件電路，并且所增加的環(huán)節(jié)只占用很少的控制芯片資源。
　　定電壓跟蹤法控制精度差，但在低光照強度下具有更高的效率，而擾動觀察法在高光照強度下具有較高的效率。為此，本文將定電壓跟蹤法、擾動觀察法與Z源逆變器的特點有機的結合，提出一種適用于Z源光伏并網逆變器的變直通占空比擾動觀察方法。采用定電壓法啟動Z源光伏并網逆變器，從而減小了系統(tǒng)在啟動過程中頻繁的擾動，提高逆變器穩(wěn)定性。在低光照強度下應用定電壓跟蹤法，而在高光照強度下使用擾動觀察法

6、，從而提高了整個系統(tǒng)在不同的光照強度下最大功率跟蹤算法的效率。
　　當電網因為故障或者停電維修而跳脫時，若系統(tǒng)不能及時檢測出斷電狀態(tài)且迅速將自身切離電網，將會發(fā)生孤島效應。孤島情況一旦發(fā)生，常會導致一系列嚴重的問題。為此，光伏并網系統(tǒng)應具有防止孤島現(xiàn)象的功能，從而保證系統(tǒng)的正常工作。本文詳細分析過/欠壓、過/欠頻被動式孤島檢測方案和滑模頻移主動式檢測方案的工作原理以及在不同坐標系下的非檢測區(qū)域。由于滑模頻移法未設初始相位，理論上不

7、能保證電網瞬間觸發(fā)頻率偏移。為此，本文提出一種新型的自適應滑模頻移方法。該方法設置了初始相位角，并且在實測頻率偏差超出誤差范圍時，以正反饋方式增加最大相位角和初始相位角，從而加速了公共節(jié)點電壓頻率的偏移，縮短了檢測孤島的時間。
　　在上述工作的基礎上，研制開發(fā)了一套1.5kW單相 Z源光伏并網逆變器裝置。本裝置以 TMS320F2812為主控制芯片，整機的最大效率在94％以上，功率因數超過了0.99。實驗結果驗證了所提出的新型控制