農(nóng)光互補準Z源容錯逆變器研究

王樹文，徐天龍，胡錦超，郭萬偉，高嘉瑩，李修賢，于　成，鞏彥江

（1.東北農(nóng)業(yè)大學電氣與信息學院，哈爾濱　150030；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北　唐山　063000）

光伏農(nóng)業(yè)是光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖、機械動力結(jié)合，在農(nóng)業(yè)大棚上搭建不同透光能力光伏組件，通過電壓源逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，滿足大棚種植電力需求。

在傳統(tǒng)電源逆變器中，應用最多為橋式電壓源逆變器。該逆變器具高效率、低成本、操作簡單等特點。電壓源逆變器缺點是逆變后電壓降低且每相輸出波形發(fā)生畸變[1-2]。當電壓源逆變器開關(guān)管發(fā)生故障時，電壓源逆變器不能正常使用，難以提前判斷開關(guān)管故障，因此在農(nóng)業(yè)應用中經(jīng)濟損失較大。為克服傳統(tǒng)電壓源逆變器供電不足問題，學者研究逆變器開關(guān)管故障容錯解決方案[3-4]。Rittenberg等采用Z源逆變電路，需額外橋臂、三相二極管橋和機械換向器[5]。Li等研究逆變器容錯性能，通過固有冗余電壓空間矢量實現(xiàn)，雖無需增加額外電子器件，但開關(guān)器件需承受整個直流母線電壓且容錯后最大線性調(diào)制比僅為正常工作時1/2[6]。Gao等研究雙Z源逆變電路重新配置門信號，允許連續(xù)操作零共模電壓，保持輸出電壓質(zhì)量和幅值[7-8]，但此解決方案需兩個Z源逆變器實現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，可同時對短路故障和開路故障作容錯控制方法，該方法基于一種附加IGBT三電平拓撲結(jié)構(gòu)，雖然三電平逆變器輸出功率提高，但附加開關(guān)器件為系統(tǒng)帶來新冗余開關(guān)狀態(tài)，增加功率損耗[9-11]。上述逆變器在開關(guān)管故障模式下的解決方案，均存在冗余支路和功率損耗等問題。

本文提出一種新型三相多電平T型準Z源（T型SL-qZSI）農(nóng)光互補逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。該拓撲結(jié)構(gòu)除繼承傳統(tǒng)Z源逆變器優(yōu)點外，具有輸出多電平電壓優(yōu)點；當逆變器開關(guān)管發(fā)生故障時，通過改變逆變器調(diào)制策略，不需添加額外橋臂分支或收集開關(guān)狀態(tài)可使逆變器正常工作，保證光伏大棚內(nèi)部穩(wěn)定供電。通過理論分析、仿真和試驗，驗證該新型拓撲適用性和優(yōu)越性。

1　光伏大棚及逆變器拓撲提出

1.1　農(nóng)光互補光伏大棚

光伏大棚采用透光型非晶硅薄膜電池組件。非晶硅電池片厚度不到2 μm，是傳統(tǒng)晶硅光伏電池片厚度1%，無法穿透傳統(tǒng)晶硅組件太陽光可透過非晶硅薄膜式光伏電池照射到棚內(nèi)植物。使太陽光中利于植物光合作用所需主要光譜區(qū)中波長640～660 nm紅光部分和波長400～500 nm藍光部分能穿透大棚屋頂光伏電池被植物吸收，其余部分被光伏電池吸收轉(zhuǎn)換成電能，為光伏大棚內(nèi)照明、水泵、供熱設(shè)備等提供電力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　光伏大棚結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of photovoltaic greenhouse

1.2　新型多電平容錯逆變器拓撲

由光伏大棚結(jié)構(gòu)圖可知，逆變器在光伏大棚中起連接太陽能電池板和用電設(shè)備作用，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行重要部件。因此，為提高光伏大棚電能利用率及改善傳統(tǒng)逆變器不足[12-14]，提出新型三相多電平T型準Z源逆變器（T型SL-qZSI），拓撲如圖2所示。

該逆變器包括兩個相同SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)，在電容C3和C4間具公共連接點。SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)在公共連接點處，連接三個雙向開關(guān)，公共連接點連接到T型三電平電壓源逆變器。該拓撲主要特點是在正常工作條件下，可輸出多電平電壓，電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少，輸出電壓質(zhì)量越高；在故障條件下，可改變調(diào)制策略，調(diào)整拓撲結(jié)構(gòu)，使發(fā)生故障逆變器具有容錯能力，可為光伏大棚內(nèi)部持續(xù)供電。

圖2　改進型T型準Z源逆變器Fig.2　Modified quasi-Z-source T-type inverter

該新型拓撲可分為直通和非直通模式工作。在直通模式下，相控支路開關(guān)管將導通，提升存儲在SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)電感中能量，提高升壓因子。在非直通模式下，將存儲在SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)電感中能量和DC源中能量傳送至負載。

1.3　逆變器工作原理

新型三相多電平T型準Z源逆變器等效電路如圖3所示。

假設(shè)所有器件均為理想狀態(tài)，光伏大棚中用電設(shè)備由電阻和電感代替，Vin為輸入電源電壓，二極管D1，D2在直通狀態(tài)起反向阻斷作用。結(jié)果見圖3。

當逆變器處于非直通電壓狀態(tài)時，等效電路如圖4所示。

圖3　改進型準Z源T型逆變器等效拓撲Fig.3　Improved quasi-Z-source T-type inverter equivalent topology

圖4　改進型準Z源T型逆變器非直通狀態(tài)Fig.4　Improved quasi-Z-source T-type inverter is not straight state

此時二極管承受正向壓降而導通，根據(jù)KVL定理可得：

當逆變器處于上直通狀態(tài)時，此時二極管D1承受正向壓降而導通，二極管D4承受反向壓降而截止，電感L1，L2，L3及電容C5存儲能量，電容C1，C3釋放能量，等效電路如圖5所示。

當逆變器處于下直通狀態(tài)時，此時二極管D1承受反向壓降截止，二極管D4承受正向壓降導通，電感電容能量轉(zhuǎn)換與上直通狀態(tài)相似，等效電路如圖6所示。

圖5　改進型準Z源T型逆變器上直通狀態(tài)Fig.5　Direct current state diagram of the modified quasi-Z-source T inverter

圖6　改進型準Z源T型逆變器下直通狀態(tài)Fig.6　Direct current state diagram of the modified quasi-Z-source T inverter

根據(jù)KVL定理可得：

由（4）可知，在直通狀態(tài)下，電感L1兩端電壓為

由（1）可知，在非直通狀態(tài)下，電感L1兩端電壓為

根據(jù)伏秒平衡原理，在一個開關(guān)周期T內(nèi)電感兩端電壓積分為0，設(shè)直通時間為DT，非直通時間為(1-D) T ，則由式（6～7）可得

根據(jù)伏秒平衡原理可得

化簡可得

由式（8）（10）可得

綜合前述推到可得

因此，經(jīng)升壓因子后輸出母線電壓（DC）可通過以下等式表示[22]：

其中，B是升壓因子，D是由D=TstT給出直通占空比，Tst是總直通時間間隔，T是開關(guān)周期。

1.4　調(diào)制策略

T型SL-qZSI使用相移正弦脈沖寬度調(diào)制（PSPWM）方法。該調(diào)制方法包括3個正弦調(diào)制信號和2個高頻載波信號，2個高頻載波信號間相移為180°。當載波高于或等于調(diào)制波頂部包絡(luò)線直線時，調(diào)制策略可使逆變橋產(chǎn)生直通；當載波等于或低于調(diào)制波底部包絡(luò)線直線時，調(diào)制策略可使逆變橋產(chǎn)生直通，縮短SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)中電感充電時間。該逆變器一相PS-PWM調(diào)制策略如圖7所示。

圖7　電源逆變器系統(tǒng)一相調(diào)制策略Fig.7　Modulation strategy of one phase of power supply inverter system

Up是等于或高于調(diào)制波頂部包絡(luò)線直線信號，當載波幅值高于Up時，逆變橋直通。Un是等于或低于調(diào)制波底部包絡(luò)直線信號，當載波幅值低于Un時，逆變橋直通。S1是控制S1開關(guān)管觸發(fā)信號，S2是控制S2開關(guān)管觸發(fā)信號，S3是控制S3開關(guān)管觸發(fā)信號，ST是控制橋臂直通觸發(fā)信號。

2　逆變器開關(guān)管故障模式下系統(tǒng)操作

2.1　T型SL-qZSI開關(guān)管故障模式下系統(tǒng)操作

當光伏大棚逆變器出現(xiàn)故障時，光伏大棚內(nèi)部電力終止。為保證逆變器出現(xiàn)故障時仍可保證光伏大棚內(nèi)部電力供應，需改變相應調(diào)制策略。當逆變器開關(guān)管故障時，重新配置功率開關(guān)管，使T型SL-qZSI獲得額外電壓電平正常工作。在全橋逆變器中，考慮橋臂（S1,S4,S7或S3,S6,S9）開關(guān)管開路故障，且故障條件下，使用原調(diào)制方案不能保證電壓、電流對稱。因此，為使逆變橋能夠正常提供負載使用交流電壓和電流，將改變電源逆變器調(diào)制策略。如圖8所示。在故障情況下，通過禁用上部或下部故障相開關(guān)管，并且永久接通連接到SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)公共點雙向開關(guān)管，產(chǎn)生6個開關(guān)代替9個開關(guān)三相三電平半橋逆變器新拓撲。如圖8所示，A相上部開關(guān)管發(fā)生故障，將禁用開關(guān)管S3，且將雙向開關(guān)S2永久接通，以獲固定電壓值。

圖8　A相橋臂上下開關(guān)管故障等效電路Fig.8　A-phase bridge arm up and down switch failure equivalent circuit

調(diào)制策略也要做相應改變，用兩個線電壓參考信號代替三個相電壓正弦調(diào)制信號。正常狀態(tài)下逆變器三相電壓正弦調(diào)制信號為：

當A相橋臂故障時，逆變器輸出相壓UA=0，調(diào)整B、C間相位角從120°減小為60°，故障重構(gòu)后，通過以下調(diào)制函數(shù)確保負載兩端產(chǎn)生平衡電壓：

根據(jù)公式（2），輸出線電壓將表示為：

最后使用 AMOS 檢驗模型整體的擬合程度，各指標結(jié)果如表4 所示。測量模型的擬合指數(shù)結(jié)果顯示，χ2/df=2.34，RMSEA=0.078，CFI=0.891，PNFI=0.726，PGFI=0.672，GFI=0.837，這說明收斂效度較高。各指標基本達到相關(guān)指標的評價標準，說明數(shù)據(jù)與模型擬合得較好。

該電路配置和調(diào)制策略導致輸出電壓減小13，變壓器降額運行。因此，需用調(diào)制指數(shù)增加或改變直通占空比方法補償輸出電壓減小，二者相比，增加直通占空比方法更有效。但最大直通占空比被（1-m）限制，輸出電壓不能無限制增加。

3　仿真和試驗結(jié)果

3.1　試驗設(shè)備

試驗設(shè)備樣機由光伏組件、逆變器、電阻、電感等構(gòu)成，如圖9所示。

圖9　試驗樣機圖片F(xiàn)ig.9　Test prototype picture

3.2　新型逆變器開關(guān)管故障模式下仿真結(jié)果

在T型SL-qZSI理論分析基礎(chǔ)上，在光伏大棚光照充足，照明、供熱、水泵等負載R=10 Ω，電感L=10 mH條件下，通過MATLAB/Simulink軟件提出拓撲仿真，仿真參數(shù)直流輸入電壓Vin為12.5 V，拓撲電容 C3，C4為1.5 mF，拓撲電容C1，C2，C5，C6為 1.2 mF， 拓 撲 電 感 L1， L2， L3，L4，L5，L6為 390 μH，開關(guān)頻率為 6 kHz，阻性負載R為10 Ω，阻性負載L為10 mH。

該電路由12.5 V直流源供電并通過SL-qZSI將直流母線電壓升壓至100 V。當m=0.75和D=0.25時，t=4.8 s前后A相開關(guān)管S1正常和開路故障模式下仿真。負載三相電流，支路到公共點電壓（UAO）和負載電壓（UAN）仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，支路到公共點三電平電壓UAO和負載電壓七電平電壓UAN。然而，在t=4.8 s發(fā)生故障后，電壓和電流不平衡。電壓電平數(shù)量減少，A相電流失真。

圖10　S1故障前后仿真結(jié)果Fig.10　Simulation results of S1before and after the failure

在相似條件下，當t=4.8 s時，即開關(guān)管故障后，重新配置電路且根據(jù)等式（2）改變調(diào)制函數(shù)。在此情況下，保持調(diào)制指數(shù)和直通占空比不變。仿真結(jié)果見圖11。開關(guān)管故障改變調(diào)制策略后，支路到公共點電壓（UAO）、負載電壓（UAN）和負載電流平衡，負載電流和電壓均減小。由于電源逆變器重新配置（雙向開關(guān)S2永久接通），故障支路和SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)公共點之間電壓變?yōu)?。

圖11　S1故障前后重構(gòu)電路仿真結(jié)果Fig.11　Reconstruction of circuit simulation results before and after S1fault

由上述可知，可通過調(diào)制指數(shù)或直通占空比增加補償負載電流和電壓減小。故障后通過調(diào)整調(diào)制指數(shù)m和直通占空比D補償該減小。在故障前m=0.75，D=0.25和故障后m=0.7，D=0.3獲負載電流，支路到公共點電壓（UAO）和負載電壓（UAN）仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，在故障狀態(tài)之后，雖然負載電流減小，但可快速恢復到初始幅值。同理A相負載電壓幅值也能恢復至初始幅值。通過改變直通占空比（D）可增加直流母線DC電壓幅值，故障后下降電壓電平恢復。調(diào)制指數(shù)（m）僅對占空比有影響，但從有效值（RMS）電壓角度，使幅值增加。由于電路配置和調(diào)制參數(shù)改變，負載電壓電流均恢復至故障前幅值。

圖12　S1故障前后重構(gòu)并補償電路仿真波形Fig.12　S1fault before and after the reconstruction and compensation circuit simulation waveform

驗證故障后，A相負載電流和電壓失真增加較多。然而，隨電路重新配置和調(diào)制策略改變，負載電流THD僅有微小增加。對于負載電壓，雖然THD增加較高，但在可接受范圍內(nèi)。

3.3　新型逆變器開關(guān)管故障模式下試驗結(jié)果

試驗于東北農(nóng)業(yè)大學園藝實驗站作光伏大棚系統(tǒng)研究，見圖13。

表1　負載電流電壓THD對比Table 1　THD comparison of load current and voltage

圖13　光伏大棚系統(tǒng)Fig.13　Photovoltaic greenhouse system diagram

使用相同仿真參數(shù)試驗驗證，在光伏大棚光照充足，照明、供熱、水泵等負載R=10 Ω，電感L=10 mH條件下，驗證提出系統(tǒng)特性和仿真結(jié)果準確性。因此，取m=0.75和D=0.25，對于S1正常和開路故障模式操作。負載電流，支路到公共點電壓UAO和負載電壓UAO獲得波形如圖14所示。

故障后，電壓和電流不再平衡，電壓電平數(shù)量受故障影響。為解決此問題，須重新配置電路，使用相同參數(shù)修改調(diào)制策略。利用上述故障后校正方法試驗結(jié)果如圖15所示。

圖14　S1故障前后試驗結(jié)果Fig.14　S1before and after the failure of the experimental results

圖15　S1故障前后重構(gòu)電路試驗結(jié)果Fig.15　Experimental results of reconstruction circuit before and after failure S1

使用此策略電壓和電流降低，但可維持負載平衡。試驗結(jié)果與模擬結(jié)果相似。在改變調(diào)制策略后，負載電壓和電流雖然平衡，但幅值均下降，為補償由開關(guān)管S1故障引起負載電壓電流減小，再次改變占空比和調(diào)制指數(shù)，使負載電流恢復至初始值，補償試驗結(jié)果如圖16所示。

試驗中，故障前參數(shù)m=0.75和D=0.25，故障后參數(shù)m=0.7和D=0.3。驗證故障之后電流幅值恢復。開關(guān)管故障前后負載電流和電壓THD試驗結(jié)果如表2所示。

圖16　S1故障前后重構(gòu)并補償電路試驗結(jié)果Fig.16　S1before and after the failure of reconstruction and compensation circuit experimental results

表2　正常和故障模式負載電流和電壓THDTable 2　Normal and fault mode load current and voltage THD

由表2可知，所得數(shù)據(jù)略高，但可正常使用。該新型逆變器在正常和故障工作條件下，均可為光伏大棚和并網(wǎng)穩(wěn)定供電。

4　結(jié)論

為提高光伏大棚電能利用率并完善傳統(tǒng)逆變器，提出三相多電平T型準Z源逆變器拓撲，通過理論分析，試驗和仿真證明該新型拓撲合理性和優(yōu)越性。該三相多電平T型準Z源逆變器具有如下優(yōu)點：

a.光伏大棚新型逆變器可將波長為640～660 nm紅光部分和波長為400～500 nm藍光部分更好透過大棚屋頂被植物吸收，并可將其余波長光波轉(zhuǎn)化為電能，顯著提高光能利用率和電能利用率，保證光伏大棚內(nèi)用電。

b.光伏大棚新型逆變器輸出多電平電壓，電壓諧波含量少，在相同直通占空比情況下，具更高升壓能力，較小直通占空比即可獲較高升壓因子，增大調(diào)制比范圍，提高輸出電能質(zhì)量和光伏大棚系統(tǒng)穩(wěn)定性。

c.光伏大棚新型逆變器采用相移正弦脈寬調(diào)制方法作為調(diào)制策略，當三相多電平T型準Z源逆變器發(fā)生逆變橋故障時，不需額外相位支路或收集開關(guān)信號，僅改變調(diào)制策略可正常運行。由某些特定故障引起負載電壓下降可通過該拓撲升壓特點補償。新型多電平容錯逆變器仿真和試驗驗證結(jié)果表明，可改變拓撲結(jié)構(gòu)和修改調(diào)制策略減輕故障，為光伏大棚供電和并網(wǎng)穩(wěn)定性和與靠性提供保障。