光伏水泵系統(tǒng)中Z源逆變器的應(yīng)用研究

李少龍，李 乙，周宗禥，馮雅茹，陳黎裕，劉安康

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

光伏水泵系統(tǒng)中Z源逆變器的應(yīng)用研究

李少龍，李 乙，周宗禥，馮雅茹，陳黎裕，劉安康

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)中逆變器存在橋臂易直通、開關(guān)管和驅(qū)動電路數(shù)量多、電力電子器件易受電磁干擾損壞等問題，采用Z源逆變器替代傳統(tǒng)的Boost變換器。文中具體分別搭建基于Boost變換器的傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)和基于Z源逆變器的光伏水泵系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)一步對比兩種系統(tǒng)的升壓能力、調(diào)速性能和工作效率。結(jié)果表明，Z源逆變器直流側(cè)最大超調(diào)電壓減少了150 V，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)誤差和波動明顯減小，運行效率提高了10%。基于Z源逆變器光伏水泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)具有更好的性能。

光伏水泵系統(tǒng)；Z源逆變器；Boost變換器；仿真模型

傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為電壓源(VS)和電流源(CS)兩類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩者均具有明顯的缺點。在逆變器在工作過程中，上下開關(guān)管橋臂不能處于直通狀態(tài)，否則會造成橋臂上電力電子器件毀壞；傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)會增加整個系統(tǒng)開關(guān)管的數(shù)量，系統(tǒng)每增加一個開關(guān)管需要額外增加一組驅(qū)動電路和相應(yīng)的控制算法，對安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性造成負(fù)面影響[1]；傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)容易受電磁干擾(EMI)等外界因素影響而造成電力電子器件毀壞，光伏陣列作為電壓源(VS)，系統(tǒng)易受短路電流影響，而作為電流源(CS)則易受開路電壓影響，造成器件燒毀[2]。

Z源逆變器相對于傳統(tǒng)的光伏逆變器，通過獨特的直通狀態(tài)來達(dá)到直流側(cè)升壓目的，從而實現(xiàn)逆變器任意電壓輸出的要求[3]。Z源逆變器最大優(yōu)點是允許上下開關(guān)器件處于直通狀態(tài)，負(fù)載可以開路，克服了傳統(tǒng)逆變器局限。

Z源逆變器具有結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，能夠自由實現(xiàn)升降壓的特點。在光伏水泵系統(tǒng)中，控制逆變器直流側(cè)電壓，能夠在較大范圍內(nèi)對水泵驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行調(diào)速[4]。對于Z源逆變器，控制直通狀態(tài)占空比可以靈活實現(xiàn)直流側(cè)的升降壓，對提升驅(qū)動電機(jī)調(diào)速范圍有較大的幫助[5]。在Z源逆變器光伏水泵系統(tǒng)中，通過控制直流側(cè)電壓改變驅(qū)動電機(jī)的輸出功率，從而使得水泵在不同輸出功率下，具有不同的揚(yáng)程，使得水泵系統(tǒng)具有較大的灌溉面積。

1 光伏水泵系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)性能分析

根據(jù)基于Boost升壓電路的電壓型逆變器仿真模型和基于FOC的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模，結(jié)合光伏MPPT控制技術(shù)，搭建基于Boost電路的光伏水泵系統(tǒng)Simulink仿真模型，分析系統(tǒng)中電機(jī)的調(diào)速特性[6]。搭建基于Z源升壓FOC控制光伏水泵系統(tǒng)模型?？刂艬oost變換器占空比，使Boost電路輸出直流電壓升壓2倍；控制Z源逆變器升壓系數(shù)，使Z源逆變器輸出直流側(cè)電壓升壓2倍。

圖1 基于Boost電路的光伏水泵系統(tǒng)輸出特性

圖2 基于Z源逆變器光伏水泵系統(tǒng)輸出特性

如圖1和圖2所示，兩種不同控制方法下光伏水泵系統(tǒng)輸出特性波形。兩種逆變器結(jié)構(gòu)均能實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩跟隨給定動態(tài)變化，具有良好的動態(tài)性能。比較圖1(d)和圖2(d)可知，兩種逆變器結(jié)構(gòu)均能使直流側(cè)輸入電壓穩(wěn)定為400 V。但是，電機(jī)啟動時基于Boost升壓電路逆變器直流側(cè)輸入最大超調(diào)電壓較大，達(dá)到650 V；而Z源逆變器直流側(cè)輸入最大超調(diào)電壓較小，達(dá)到500 V。因此，基于Boost升壓電路的光伏水泵系統(tǒng)在電機(jī)啟動時，對系統(tǒng)沖擊較大；而采用Z源逆變器，對系統(tǒng)的沖擊較小。

對圖1(c)和圖2(c)進(jìn)行放大，得到圖3和圖4。比較圖3和圖4可知，兩種水泵系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩均跟隨給定，在一定范圍波動；但是基于Z源逆變器光伏水泵電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比基于Boost升壓電路的光伏水泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動小。

圖3 基于Boost電路光伏水泵輸出轉(zhuǎn)矩放大圖

圖4 基于Z源逆變器光伏水泵輸出轉(zhuǎn)矩放大圖

由圖3和圖4分析可知，基于Boost升壓電路光伏水泵系統(tǒng)和基于Z源逆變器光伏水泵系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩均存在穩(wěn)態(tài)誤差，但是基于Z源逆變器光伏水泵系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)誤差較小，轉(zhuǎn)矩波動較小。

綜上所述，從逆變器直流側(cè)電壓超調(diào)量和輸出轉(zhuǎn)矩波動范圍兩方面比較兩種系統(tǒng)性能，基于Z源逆變器光伏水泵系統(tǒng)在電機(jī)啟動時，直流側(cè)電壓超調(diào)更小，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)誤差較小，波動更小。因此，基于Z源逆變器水泵系統(tǒng)比基于Boost升壓逆變器水泵系統(tǒng)電機(jī)起動性能要好，并且電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動小、電壓擾動較小的優(yōu)點。Z源逆變器在光伏水泵系統(tǒng)中具有一定優(yōu)勢。

2 光伏水泵系統(tǒng)效率分析

對于光伏系統(tǒng)，光電轉(zhuǎn)換效率低是影響光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的重要制約條件。提高系統(tǒng)效率是提升系統(tǒng)性能的重要方式[7]。對于光伏水泵系統(tǒng)，能量輸入為太陽能電池上輸入的光能，能量輸出為水泵輸出的水能。系統(tǒng)效率通常定義為

(1)

即

ηsys=ηarray·ηinverier·ηmotor·ηpump·ηcoup

(2)

其中，ηarray為光伏電池板能量轉(zhuǎn)換效率；ηinverter為逆變器效率；ηmotor為驅(qū)動電機(jī)效率；ηcoup為電機(jī)、水泵等的傳動效率。

對于光伏水泵系統(tǒng)水泵輸出水能相同、輸入光能相同的條件下，光伏電池板能量轉(zhuǎn)換效率、傳動效率相對固定[8]。逆變器的效率和驅(qū)動電機(jī)效率是影響光伏水泵系統(tǒng)效率的重要因素。因此，在分析光伏水泵系統(tǒng)效率時，可以重點研究逆變器效率。

對于電力電子變換器系統(tǒng)，能量損耗主要由于電子元器件上有能量消耗，處于非理想狀態(tài)[9]。分別對基于Boost升壓逆變器光伏水泵系統(tǒng)和基于Z源逆變器光伏水泵系統(tǒng)中電子元器件進(jìn)行實際等效，模型電路實際運行時的能量損耗，從而分析兩系統(tǒng)的運行效率。

對于Z源網(wǎng)絡(luò)中的電感和電容分別等效電感串電阻、電容串電阻模型，電感和電容串聯(lián)電阻參數(shù)值由經(jīng)驗值獲取[10]。電容C1=C2=470 μF，電容等效串聯(lián)電阻r=0.06 Ω；電感L1=L2=500 μF，電桿等效串聯(lián)電阻R=0.25 Ω。

對于Boost升壓逆變器，用經(jīng)驗值設(shè)置IGBT參數(shù)、電感、電容以及二級管的等效參數(shù)，用以模擬電路運行時各器件上的能量損耗[11-13]，分析系統(tǒng)效率。IGBT主要參數(shù)、電感電容參數(shù)、二級管參數(shù)如表1～表3所示。

表2 電感、電容參數(shù)

表3 二極管等效參數(shù)

對于Z源逆變器和Boost升壓逆變器，逆變器參數(shù)設(shè)為相同[14]。根據(jù)上述參數(shù)，分別對Boost變換器的光伏水泵系統(tǒng)和基于Z源逆變器的光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，計算兩系統(tǒng)升壓部分和逆變器部分的效率。

根據(jù)Simulink仿真，得出基于Z源逆變器光伏水泵系統(tǒng)和基于Boost升壓變換的光伏水泵系統(tǒng)[15]升壓部分和逆變器的效率，如圖5所示。根據(jù)圖5可知，采用Z源逆變器的光伏水泵系統(tǒng)的運行效率較高。

圖5 兩種升壓逆變器效率圖

3 結(jié)束語

本文從電機(jī)性能和系統(tǒng)效率兩個方面分析了傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)和基于Z源逆變器光伏水泵系統(tǒng)的性能差異，證明了采用Z源升壓控制算法的Z源水泵系統(tǒng)與基于Boost變換器的水泵系統(tǒng)具有更好的電機(jī)起動特性、輸出轉(zhuǎn)矩特性[16]；分析兩種水泵系統(tǒng)升壓和逆變器部分運效率，由仿真結(jié)果可知，采用Z源逆變器的在光伏水泵系統(tǒng)中運行效率更高。

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Research of the Application of Z Source Inverter in Photovoltaic Pump System

LI Shaolong,LI Yi,ZHOU Zongqi,FENG Yaru,CHEN Liyu,LIU Ankang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Traditional photovoltaic pump system has many problems in the working process, such as power electronic devices will damage when the upper and lower switch bridge arm short-circuit, the system need a lot of switch tubes and drive circuit and power electronic devices are vulnerable to electromagnetic interference of external factors of problem. Z source inverter is used to replace the traditional Boost converter. Specifically, the traditional photovoltaic pump system based on Boost converter and the photovoltaic pump system based on Z source inverter are built. In addition, comparison of the two systems of boost capacity, speed performance and efficiency shows that the maximum overshoot voltage of the DC side of the Z source inverter is reduced by 150V, the steady-state error and the fluctuation of output torque are obviously reduced, and the operating efficiency is improved by 10%. The photovoltaic pump system based on Z source inverter has better performance than the traditional photovoltaic pump system.

photovoltaic water pump system;Z source inverter;Boost converter;simulation model

2017- 04- 06

國家自然科學(xué)基金(61205076);電動叉車控制器的研發(fā)(3A16302075)

李少龍(1972-)，男，碩士，講師。研究方向：電機(jī)控制。李乙(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：電機(jī)控制。

TN29;TP23

A

1007-7820(2018)02-001-04