基于Z源逆變器的屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

翁蓓蓓，張 鵬，湯少卿

（泰州供電公司，江蘇 泰州 225300）

我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2000年太陽能電池產(chǎn)量?jī)H為3 MW，而到了2008年，則達(dá)到1780 MW，占世界產(chǎn)量的26%，略次于歐洲的27%，連續(xù)兩年居世界第一位。與此相比，我國這樣一個(gè)太陽能資源豐富的國家對(duì)于光能的利用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到應(yīng)有的水平。光伏發(fā)電中另一項(xiàng)重要組成設(shè)備，電力變換裝置的研發(fā)和生產(chǎn)，我國與世界先進(jìn)水平的差距則較遠(yuǎn)，這也直接造成了我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量遠(yuǎn)小于組件產(chǎn)量。對(duì)此國家財(cái)政部頒布了《關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見》，國家電網(wǎng)公司在某些示范地區(qū)制定的光伏上網(wǎng)電價(jià)遠(yuǎn)超風(fēng)電的上網(wǎng)電價(jià)，這些措施必將促使國內(nèi)的光伏并網(wǎng)電站項(xiàng)目獲得良好的發(fā)展。

1 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某光伏示范項(xiàng)目在建筑屋頂建設(shè)低壓并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、計(jì)量裝置及升壓變組成[1-4]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)連接圖

屋頂可利用面積約為600 m2，采用轉(zhuǎn)換效率較高的晶硅電池組件，可敷設(shè)光伏電池組件的標(biāo)稱容量約為100 kW[5]。工程所用多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高，光電轉(zhuǎn)化效率一般大于14%，采用先進(jìn)、可靠的加工制造技術(shù)，結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，能耗低，不污染環(huán)境，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)便。并且具有非常好的耐侯性，能在室外嚴(yán)酷的環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，正常條件下的使用壽命不低于25年，在10年使用期限內(nèi)輸出功率不低于90%的標(biāo)準(zhǔn)功率，在25年使用期限內(nèi)輸出功率不低于80%的標(biāo)準(zhǔn)功率。本項(xiàng)目所選國內(nèi)某品牌組件參數(shù)如表1所示。

表1 電池板參數(shù)

2 新型Z源逆變器的應(yīng)用

光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成核心之一就是逆變器。它是實(shí)現(xiàn)從太陽能電池輸出直流電轉(zhuǎn)換成正弦50 Hz交流電的橋梁。

2.1 傳統(tǒng)三相逆變器

傳統(tǒng)三相逆變器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括：電壓源型逆變器（VSI）和電流源型逆變器（CSI）2種。VSI基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，一般來說它要求具有恒定的輸入直流電壓，交流輸出側(cè)為電壓恒定不變、頻率受控的交流電。

直流側(cè)電源可以是蓄電池、燃料電池、光伏陣列或者是整流器輸出的直流電，當(dāng)直流電源電壓不夠穩(wěn)定時(shí)，常常通過并聯(lián)一個(gè)大電容的方法來起到穩(wěn)定直流側(cè)電壓的作用。

圖2 VSI基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CSI的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，它和VSI基本成對(duì)偶，一般來說它要求逆變器的輸入側(cè)是一個(gè)恒定不變的電流，輸出側(cè)為電流恒定不變、頻率受控的交流電。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中理想的恒流源并不多見，CSI的直流輸入都是串聯(lián)一個(gè)大電感，通過這種方法，把常見直流源近似看成是一個(gè)恒流源。

圖3 電流源型逆變器（CSI）的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無論是VSI或者CSI，由于自身拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，在許多實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合中都存在著一些局限性[6-9]。例如：VSI是降壓型逆變器，CSI是升壓型逆變器，它們不能同時(shí)達(dá)到升降壓功能，降低了電路的變換效率；對(duì)開關(guān)信號(hào)時(shí)刻準(zhǔn)確性要求高；電壓源型逆變器為了防止逆變器上、下橋臂短路，在上、下開關(guān)換流過程中必須插入死區(qū)時(shí)間，導(dǎo)致輸出交流電壓波形發(fā)生畸變，影響輸出波形質(zhì)量。

2.2 Z源逆變器及其優(yōu)點(diǎn)

Z源逆變器是在傳統(tǒng)VSI和直流電源之間插入1個(gè)由2個(gè)電容、2個(gè)電感對(duì)稱連接的阻抗網(wǎng)絡(luò)而形成的新型電力電子變換電路，如圖4所示，由于這個(gè)對(duì)稱的阻抗網(wǎng)絡(luò)為Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，所以稱這種新型的電力電子變換電路為Z源逆變器。

圖4 Z源逆變器基本拓?fù)?/p>

由于這個(gè)對(duì)稱阻抗網(wǎng)絡(luò)的加入，它使得逆變器允許出現(xiàn)同一橋臂同時(shí)導(dǎo)通的工作狀態(tài) （稱之為直通狀態(tài)）。直通狀態(tài)的出現(xiàn)，打破了原來傳統(tǒng)三相逆變器的限制，帶來了一系列的優(yōu)越性[10]。

（1）Z源逆變器的電源既可為電壓源，也可為電流源。因此，與傳統(tǒng)的VSI和CSI不同，Z源逆變器的直流電源可以為任意的，如電池、二極管整流器、晶閘管變流器、燃料電池堆、電感、電容器或它們的組合。

（2）Z源逆變器的主電路既可為傳統(tǒng)的電壓源的形式，也可為傳統(tǒng)的電流源的形式。Z源逆變器所采用的開關(guān)可以是開關(guān)器件和二極管的組合。

（3）Z源逆變器允許同一橋臂同時(shí)開通，引入直通狀態(tài)，并利用直通狀態(tài)來提升逆變器直流側(cè)電壓，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（4）Z源逆變器不用在開關(guān)換流過程中插入死區(qū)時(shí)間，從而減小了輸出交流電壓波形的畸變率。

2.3 工作狀態(tài)

根據(jù)逆變橋臂上、下橋臂是否同時(shí)導(dǎo)通，將Z源逆變器分解成2種基本工作狀態(tài)[11，12]。

（1）直通狀態(tài)。直通狀態(tài)下系統(tǒng)等效電路如圖5所示。此時(shí)逆變橋上、下橋臂短路，假設(shè)一個(gè)開關(guān)周期的時(shí)間為T，直通時(shí)間為Tsh=DT（D為直通調(diào)制比），由等效電路得：

在直通狀態(tài)下：

圖5 直通狀態(tài)等效電路

（2）非直通狀態(tài)。非直通狀態(tài)下系統(tǒng)等效電路如圖6所示。該狀態(tài)與傳統(tǒng)逆變器工作狀態(tài)一樣，此時(shí)由等效電路得：

逆變器工作在穩(wěn)態(tài)條件下，在理想情況時(shí)，1個(gè)開關(guān)周期時(shí)間T內(nèi)Z源電感上不消耗任何能量，因此電感上的伏秒積為0，即dt=0，將式（2，3）代入，有：

圖6 非直通狀態(tài)等效電路

由于逆變橋直流側(cè)工作在這2種狀態(tài)下，逆變橋直流側(cè)的電壓取值只能為0和，直通狀態(tài)下逆變橋直流側(cè)電壓為0，非直通狀態(tài)下逆變橋直流側(cè)峰值電壓為。

由式（5）可以看出，和傳統(tǒng)VSI相比，通過設(shè)置直通調(diào)制比D（D＜0.5），不需要額外增加DC/DC變流器，就能實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的任意比例升壓[13]。

3 Z源光伏并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部還集成了完善的保護(hù)措施：系統(tǒng)過/欠電壓、過/欠頻率、防雷和接地、短路保護(hù)、孤島檢測(cè)等。對(duì)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，其最大功率跟蹤（MPPT）能力也是一個(gè)重要的因素。太陽能電池方陣的輸出隨太陽輻照度和太陽能電池方陣表面溫度而變動(dòng)。因此需要跟蹤太陽能電池的工作點(diǎn)并進(jìn)行控制,使其始終處于最大輸出,并獲取最大輸出。該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)于2010年8月并網(wǎng)投運(yùn)成功，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 光伏系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)天，逆變器參數(shù)如表3所示?？梢娤到y(tǒng)工作正常，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

4 結(jié)束語

城市中，可再生能源的利用主要以光伏發(fā)電為主，而光伏發(fā)電由于其功率密度低的特點(diǎn)，需要占用大量的土地稀缺資源，而屋頂是最佳選擇。利用Z源逆變器的升降壓特性，光伏組件可以依據(jù)建筑屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)串并聯(lián)匯流，直流母線電壓范圍比普通逆變器更大，通過工程應(yīng)用證明Z源逆變器能夠很好地適用于屋頂光伏系統(tǒng)，效果良好。

表3 逆變器參數(shù)

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