單相Z/Q—Z源逆變器的無差拍并網(wǎng)控制策略

顏景斌　徐永亮　劉東旭　唐思雯　王金龍

摘要：為了提高Z/Q-Z源逆變器效率、輸出電流質(zhì)量，減小并網(wǎng)電流諧波畸變率，將無差拍并網(wǎng)電流控制策略應(yīng)用到Z/Q-Z源逆變器中。采用無差拍算法對Z/Q-Z源逆變器進(jìn)行并網(wǎng)控制，并網(wǎng)電流能夠快速跟蹤參考電流，實現(xiàn)逆變器單功率因數(shù)運行，以及逆變器的數(shù)字化控制。建立Z/Q-Z源并網(wǎng)逆變器仿真模型，并對Z/Q-Z源逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，證明采用無差拍算法并網(wǎng)控制策略的正確性與可行性。仿真結(jié)果表明：并網(wǎng)電流總諧波畸變率小于1%，提高了并網(wǎng)電流質(zhì)量，且Q-Z源逆變器比Z逆變器網(wǎng)絡(luò)中電容電壓值減小半個數(shù)量級。另對Z/Q-Z源逆變器進(jìn)行軟啟動控制仿真分析，軟啟動可以有效解決Z源電容電壓、逆變橋電壓的啟動沖擊等問題。

關(guān)鍵詞：無差拍控制；單相并網(wǎng)；Z/Q-Z源逆變器；軟啟動

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1007-2683（2017）01-0021-06

0 引言

近年來，Z源逆變器的研究取得了快速發(fā)展，相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員做了大量的研究工作。從Z源逆變器的原理到控制策略再到應(yīng)用都出了大量成果，研究重點主要是逆變器的控制策略。目前，z源逆變器控制策略有直流鏈恒壓控制、空間矢量控制、狀態(tài)反饋控制、電流滯環(huán)控制、三次諧波注入控制、間接單周電流控制、比例諧振控制等等。

但現(xiàn)有的Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也存在缺陷，為實現(xiàn)升壓功能，電容電壓必須大于輸入電壓，Z源電容存在較大的啟動沖擊；Z源網(wǎng)絡(luò)電容與電源極性相反，輸入二極管的存在使得輸入電流不連續(xù)，導(dǎo)致并網(wǎng)電流畸變。為解決這些不足，提出用不同的控制策略和新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

新型Z源逆變器中，為了提高升壓比，提出了增強(qiáng)型Z源逆變器、抽頭電感型Z源逆變器、改進(jìn)型Z源逆變器、開關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器；為了避免輸入二極管電流不連續(xù)，避免并網(wǎng)電流發(fā)生畸變，提出了電流連續(xù)型Z源逆變器；為了減小電容電壓，抑制啟動沖擊，提出了Q-Z源逆變器。Q-Z源逆變器可以降低Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓，并且能抑制啟動電流，可以實現(xiàn)軟啟動等優(yōu)點，在太陽能等新能源并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用上更具優(yōu)越性。

本文采用無差拍并網(wǎng)控制策略來實現(xiàn)Z源逆變器與Q-Z源逆變器并網(wǎng)運行。無差拍控制策略具有響應(yīng)速度快、暫態(tài)過程短等優(yōu)點，非常適用于易受外部多變環(huán)境影響的光伏并網(wǎng)發(fā)電。本文通過無差拍數(shù)字控制實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，有效提高并網(wǎng)電流質(zhì)量，實現(xiàn)單功率輸出，提高并網(wǎng)效率。

1 Z/Q-Z源逆變器的無差拍控制原理

1.1 Z/Q-Z源逆變器控制原理

由于Z源網(wǎng)絡(luò)具有獨特的靈活性，在這幾年得到了巨大的發(fā)展，特別是在光伏發(fā)電系統(tǒng)中。為了進(jìn)一步提升Z源逆變器在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，提高經(jīng)濟(jì)效益，提出Z源電容電壓減小型Q-Z源逆變器，其單相并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Q-Z源逆變器是對Z源逆變器的一種簡單改進(jìn)，不增加任何電子器件，只將二極管與逆變橋互換位置，使Z源網(wǎng)絡(luò)與逆變橋“串聯(lián)”。這樣就使Q-Z源網(wǎng)絡(luò)中電容電壓的極性與直流電源的極性相同，從而有效減小了Z源電容電壓應(yīng)力，大幅度降低Z源儲能網(wǎng)絡(luò)電容電壓，再加以合適軟啟動控制策略，即可以有效抑制啟動時電流對開關(guān)管、電容的沖擊。

Q-Z源網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)分為直通、非直通兩種工作狀態(tài)，設(shè)開關(guān)管的開關(guān)周期為T_s，直通占空比為d₀，直通時間為T₀，非直通時間為T₁，且滿足T_s=T₀+T₁。

穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)Z源電感的伏秒特性，電感的平均電壓必然為零得

（1）

Q-Z源電容電壓V_C由式（1）可得

（2）

而z源電容電壓V_C0為

（3）

（3）

Q-Z源逆變橋母線電壓V_FB用V_d、V_C表示，聯(lián)立式（1）和式（2）得

（4）

而Z源逆變橋母線電壓V_FB用V_C表示為

（5）

無差拍控制算法是一種數(shù)字控制方法，具有動態(tài)響應(yīng)快、暫態(tài)過程短等優(yōu)點，其基本思想是，根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號來預(yù)測下一個周期的脈沖寬度。

逆變工作時（非直通狀態(tài)），Z/Q-Z源逆變器的逆變部分原理如圖2所示，其輸入為逆變橋母線電壓V_FB，輸出采用電流控制方式。通過控制逆變橋輸出并網(wǎng)電流實時跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位，實現(xiàn)單功率并網(wǎng)運行的目的，從而大大提升逆變器的效率。逆變橋母線電壓V_FB是由新能源發(fā)出的直流電經(jīng)Z/Q-Z源升壓得到，V_FB直接決定并網(wǎng)電能的質(zhì)量.濾波電感L_ac用于濾除并網(wǎng)電流和電壓的高頻諧波，減小諧波畸變率，提高并網(wǎng)電能質(zhì)量。因此，Q-Z源比Z源逆變器多一個采樣電壓，硬件設(shè)計中，多增加一個傳感器來采集直流輸入電壓，增加了Q-Z源逆變器的成本。Q-Z源與Z源網(wǎng)絡(luò)中電容電壓極性相反，采集電容電壓時，傳感器需要反相連接。

2 Z/Q-Z源并網(wǎng)逆變器仿真對比分析

由于外界環(huán)境變化緩慢，最大功率點的擾動時間相對工頻周期要長很多，可以認(rèn)為分布式新能源的輸出功率在這段時間內(nèi)是不變的。排除啟動的影響，加入逆變器輸出變化，仿真時間取30個工頻周期，即0.6 s。隨環(huán)境變化在0.4 s時，增加直流電源輸出功率，即增加z源逆變器的直通占空比。逆變器主要參數(shù)如表l所示。

2.1 Z/Q-Z源電容電壓仿真分析

Z/Q-Z源電容電壓是逆變器可靠工作的重要參數(shù)，其仿真運行結(jié)果如圖4所示；其中上圖為Z源逆變器電容電壓仿真波形，下圖為Q-Z源逆變器電容電壓仿真波形。

由圖4可知，0～0.0l s時段為逆變器啟動沖擊，電源對z源儲能網(wǎng)絡(luò)電容、電感快速充電。z源與Q-Z源逆變器的啟動時間分別為0.2 s、0.1 s，最大沖擊電壓分別為675 V、345 V，Q-Z比Z源逆變器啟動時間縮短一半，電容電壓最大值減小一半。

逆變器穩(wěn)定工作后，Z源電容電壓在430 V附近波動，Q-Z源電容電壓在80 V附近波動，其波動頻率是電網(wǎng)頻率的2倍。在0.4 s時，同時增加Z/Q-Z源逆變器輸入功率，升壓比增大，Z/Q-Z源電容電壓也隨之增大，其值分別升至480 V、120 V附近波動。因此，Z/Q-Z源電容電壓能夠很好的跟蹤逆變器輸入功率變化，可以實現(xiàn)了MPPT跟蹤。Q-Z源電容電壓約為z源電容電壓的1/5，其電容電壓減小半個數(shù)量級。

2.2 Z/Q-Z源逆變橋母線電壓仿真分析

經(jīng)Z/Q-Z源儲能網(wǎng)絡(luò)升壓得到的逆變橋母線電壓UVB是保證逆變運行的重要參數(shù)，Z源逆變橋母線電壓運行結(jié)果如圖5所示，其橢圓內(nèi)為局部放大圖。

由圖5可知，逆變橋母線峰值電壓取決于Z/Q-Z源電容電壓，其變化趨勢與電容電壓相同。由局部放大圖可知，逆變橋母線電壓為方波電壓，直通狀態(tài)電壓為零，非直通狀態(tài)電壓等于直流輸入電壓乘以z源儲能網(wǎng)絡(luò)升壓比。啟動過程中，Q-Z源逆變橋母線電壓最大值為970 V小于Z源1 020 V，逆變橋啟動沖擊減小。逆變器穩(wěn)定工作時，Z/Q-Z源逆變橋母線峰值電壓在520 V附近小幅度變化。0.4 s逆變器輸入功率增加，導(dǎo)致逆變橋母線電壓隨之升高，在580 V附近波動。

逆變器穩(wěn)定工作，Q-Z源逆變橋母線峰值電壓與Z源相等，其值等于Q-Z源電容電壓的2倍和直流輸入電壓之和。直流輸入電壓不變，Q-Z源電容電壓波動放大，因此，Q-Z源逆變橋母線電壓波動范圍增大，這將導(dǎo)致并網(wǎng)電流諧波畸變率增加。

2.3 Z/Q-Z源逆變器并網(wǎng)電流仿真分析

逆變器輸出并網(wǎng)電流能夠直接反應(yīng)控制方法的好壞，其與電網(wǎng)電壓運行結(jié)果如圖6所示，其中，上圖為電網(wǎng)電壓，下圖分別為Z/Q-Z源并網(wǎng)電流。

由圖6可知，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位相同，很好地跟蹤了電網(wǎng)電壓，實現(xiàn)單功率因數(shù)運行，大大提高了逆變器的輸出效率。啟動過程中，0～0.08 s逆變橋母線電壓過低，并網(wǎng)電流未能及時跟蹤上電網(wǎng)電壓，輸出不規(guī)則。通過局部放大與圖4對照得到，當(dāng)Z/Q-Z源電容電壓分別高于300 V、5 V時，即逆變橋峰值電壓高于電網(wǎng)電壓峰值60 V，逆變器才可以正常工作，并網(wǎng)電流才能穩(wěn)定輸出。在0.4 s時增加直流電源輸出功率，參考電流增加，并網(wǎng)輸出電流也隨之增加，并且能夠穩(wěn)定輸出，并網(wǎng)電流可以快速跟蹤最大功率點運行。

利用Matlab/Simulink中提供的Powergui模塊，對并網(wǎng)電流進(jìn)行諧波分析，其并網(wǎng)電流總諧波畸變率（THD）均小于1%，遠(yuǎn)小于5%，滿足國標(biāo)要求，允許并網(wǎng)，證明Z/Q-Z源逆變器采用無差拍并網(wǎng)控制策略的正確性與可行性；同時大大提高并網(wǎng)電能質(zhì)量，改善了電網(wǎng)運行環(huán)境。

綜合仿真結(jié)果各數(shù)據(jù)匯于表2中，可以清晰對Z/Q-Z源并網(wǎng)逆變器進(jìn)行對比，Q-Z源逆變器整體上要優(yōu)于Z源逆變器。

3 Z/Q-Z源逆變器軟啟動仿真分析

Z/Q-Z源逆變器啟動過程中，逆變器Z源電容啟動電壓會大大高于正常值，形成啟動沖擊。啟動瞬間電容電壓過高會減小電容的可靠性和逆變器的壽命，增加電容的設(shè)計難度和逆變器的體積。

啟動過程中，通過控制Z/Q-Z源直通占空比d₀，從零逐漸上升到最大功率跟蹤點對應(yīng)的數(shù)值，使Z/Q-Z源電容緩慢充電，即可實現(xiàn)軟啟動控制，從而可以有效減小啟動沖擊。軟啟動直通占空比波形如圖7所示，0～0.01 s內(nèi)直通占空比由0線性升高至0.16并保持不變，0.4 s時逆變器輸入功率增加，對應(yīng)的直通占空比也增加至0.2。

3.1 Z源并網(wǎng)逆變器軟啟動仿真分析

在逆變器的啟動過沖中，增加軟啟動控制，可以減小電容啟動電壓，Z源電容電壓仿真運行結(jié)果如圖8所示，其中上圖為正常啟動時的Z源電容電壓波形，下圖是采用軟啟動控制后的波形。

由圖8可見，啟動過程中，未采用軟啟動控制，Z源電容電壓最大值（或沖擊電壓）為675 V，啟動時間為0.18 s；采用軟啟動控制Z源電容電壓最大值降為545 V，啟動時間降為0.08 s。Z源并網(wǎng)逆變器采用軟啟動控制，可以有效減小Z源電容啟動沖擊，同時減少了啟動時間，提高了逆變器啟動效率。

Z源電容電壓最大值減小，從而使逆變橋母線電壓最大值隨之減小。從而減小開關(guān)管IGBT的耐壓值，增加器件壽命，減小開關(guān)管的設(shè)計要求。

3.2 Q-Z源并網(wǎng)逆變器軟啟動仿真分析

Q-Z源電容電壓仿真運行結(jié)果如圖9所示，其中上圖為正常啟動的Q-Z源電容電壓波形，下圖是采用軟啟動控制后的波形。

由圖9可見，啟動過程中，未采用軟啟動控制，Q-Z源電容電壓最大值（沖擊電壓）為310 V，啟動時間為0.08 s；采用軟啟動控制Q-Z源電容電壓最大值降為175 V，啟動時間降約為0.03 s，基本消除了啟動沖擊。在不增加控制難度前提下，有效減小Z源電容啟動電壓，對逆變器的可靠工作，減小成本具有重要意義。

4 結(jié)論

本文通過理論分析Z/Q-Z源逆變器原理，采用無差拍并網(wǎng)控制策略實現(xiàn)Z/Q-Z源逆變器并網(wǎng)。建立Matlab仿真模型，分別對Z/Q-Z源逆變器進(jìn)行仿真分析。得出以下結(jié)論：

1）Z/Q-Z源逆變器采用無差拍控制策略實現(xiàn)單功率因數(shù)運行，并網(wǎng)電流能夠快速跟蹤參考電流，并網(wǎng)電流THD小于1%，滿足并網(wǎng)要求。

2）Q-Z源相比于Z源儲能網(wǎng)絡(luò)的電容電壓減小半個數(shù)量級，這對減小逆變器的體積和成本有重要意義。

3）Z/Q-Z逆變器可以實現(xiàn)軟啟動，軟啟動能夠有效抑制啟動沖擊，啟動效果良好，提高了系統(tǒng)的可靠性。

仿真結(jié)果證明，Z/Q-Z源并網(wǎng)逆變器采用無差拍控制策略的正確性和可行性。

（編輯：溫澤宇）