基于光伏發(fā)電的改進(jìn)型Z源逆變器

沈琳鈺，姚曉東，楊 洋

(1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306；2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201100)

Z 源逆變器[1-2]的出現(xiàn)改善了傳統(tǒng)逆變器輸出電壓范圍有限、受電磁干擾影響大、效率較低等缺點(diǎn)。采用Z 源結(jié)構(gòu)的逆變器將無需加裝額外的DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器，可以減小光伏系統(tǒng)的體積。由于光伏電池輸出電壓較低，因此還需采用合適的調(diào)制策略來提高逆變器的升壓能力與電壓利用率。此外，輸入電流紋波的存在會(huì)影響光伏電池的使用壽命，所以消除輸入電流紋波對(duì)光伏系統(tǒng)來說也尤為關(guān)鍵[3]。

國(guó)內(nèi)外研究者們針對(duì)不同應(yīng)用對(duì)象以及不同輸出要求對(duì)Z 源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)[4]提出了二極管輔助升壓逆變器，該結(jié)構(gòu)的阻抗網(wǎng)絡(luò)中采用了有源開關(guān)器件，但是該開關(guān)管的脈沖控制信號(hào)與直通時(shí)間同步變化，導(dǎo)致調(diào)制范圍受限，輸出增益也有限。文獻(xiàn)[5]提出了雙向耦合準(zhǔn)Z 源逆變器，該結(jié)構(gòu)是將準(zhǔn)Z 源逆變器的電感用耦合電感替換，消除了輸入電流的紋波，但是升壓能力不理想。文獻(xiàn)[6]提出了有源準(zhǔn)Z 源逆變器，對(duì)阻抗網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)器件的控制是基于三次諧波注入升壓調(diào)制，但是電壓利用率不高。

基于準(zhǔn)Z 源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文利用有源開關(guān)與耦合電感結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出改進(jìn)型準(zhǔn)Z 源逆變器，并與其他幾種逆變器性能進(jìn)行比較。基于直通四段式空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)調(diào)制法，引入開關(guān)調(diào)制數(shù)i，設(shè)計(jì)出改進(jìn)型SVPWM直通升壓調(diào)制法，并與現(xiàn)有關(guān)于有源開關(guān)器件控制的方法作比較。最后利用Matlab/Simulink 軟件對(duì)耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z 源逆變器的模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與直通調(diào)制方法的可行性以及消除輸入電流紋波的效果。

1 耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z 源逆變器

1.1 工作原理

本文提出的耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z 源逆變器(SC-qZSI)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖1)是在二極管輔助開關(guān)升壓逆變器(DA-SBI)的結(jié)構(gòu)上，將其中一個(gè)二極管替換成電容，從而形成準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然準(zhǔn)Z 源結(jié)構(gòu)使直流側(cè)具有連續(xù)輸入電流，但是依然存在電流紋波的問題。因此，引入耦合電感技術(shù)，將準(zhǔn)Z 源結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)電感器件用耦合電感替換。通過配置合理的耦合電感電感量，消去電感上的電流紋波，且不會(huì)對(duì)輸出效率產(chǎn)生影響。

圖1 耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1 所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一對(duì)耦合電感L1、L2，三個(gè)電容C1、C2、C3，三個(gè)二極管D1、D2、D3，以及一個(gè)有源開關(guān)管S0。根據(jù)耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z 源逆變器直通和非直通工作狀態(tài)時(shí)的等效電路圖(圖2)，分析該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理。

圖2 耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z源逆變器的等效電路

由圖2(a)可知，直通工作狀態(tài)時(shí)，二極管D1、D2、D3反向截止，有源開關(guān)管S0處于導(dǎo)通狀態(tài)，逆變橋等效為短路。此時(shí)，所有電容釋放電量，給電感充電。根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)和基爾霍夫電流定律(KCL)可得電路的狀態(tài)微分方程式：

式中：M為互感系數(shù)；Vdc為直流鏈電壓峰值。

由圖2(b)可知，非直通工作狀態(tài)時(shí)，二極管D1、D2、D3正向?qū)ǎ性撮_關(guān)管S0處于關(guān)斷狀態(tài)，逆變橋等效為電流源[7]。此時(shí)，電感釋放儲(chǔ)存的能量，電路的狀態(tài)微分方程式為：

設(shè)在一個(gè)周期T內(nèi)，直通占空比為D。根據(jù)電感的伏秒平衡原理，并結(jié)合式(1)～(2)，可得：

式中：Vin為輸入電壓；B為升壓因子。

1.2 耦合電感的電感量設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[5]的選型方法，耦合電感采用EE 型磁芯，鐵芯長(zhǎng)度關(guān)系為l1=l2=l3，根據(jù)磁阻公式[8]，計(jì)算得到耦合電感之間的匝數(shù)比為n1=4n2，初級(jí)與次級(jí)電感量的關(guān)系為L(zhǎng)1=16L2。

1.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較

1.3.1 升壓能力的比較

升壓能力是分析逆變器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。將準(zhǔn)Z 源逆變器(qZSI)、DA-SBI、雙向耦合準(zhǔn)Z 源逆變器(CqZSI)、開關(guān)電感型準(zhǔn)Z 源逆變器(SL-qZSI)[9]和SC-qZSI 進(jìn)行升壓能力的比較，并把上述逆變器的直通占空比與升壓因子的關(guān)系繪制成圖，如圖3 所示。CqZSI 與qZSI 在升壓能力上是相同的，在五種逆變器中也是最低的，另外三種逆變器升壓能力由小到大依次是SL-qZSI、DA-SBI、SC-qZSI。耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z 源逆變器比其他四種逆變器在升壓能力上有顯著的提高。

圖3 升壓因子與直通占空比的關(guān)系

1.3.2 電流紋波的比較

采用三次諧波注入升壓調(diào)制法，以直通占空比取最大值為例[10]：

推導(dǎo)出qZSI、CqZSI、DA-SBI、SC-qZSI 這四種逆變器在直通狀態(tài)下的電流紋波系數(shù)[11]，繪制與電壓增益的關(guān)系圖，如圖4 所示，當(dāng)電壓增益相同時(shí)，SC-qZSI 中電感L1的電流紋波系數(shù)比CqZSI 低，且?guī)缀踅咏诹?，可見耦合電感的加入起到了很好的消除輸入電流紋波的作用。相比于其他三個(gè)逆變器，耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z 源逆變器中電感L2的電流紋波系數(shù)也最低，說明改進(jìn)型逆變器的電流紋波更小了。

圖4 電流紋波系數(shù)與電壓增益的關(guān)系圖

2 改進(jìn)型SVPWM 直通調(diào)制方法

針對(duì)阻抗網(wǎng)絡(luò)中帶有有源開關(guān)器件的Z 源逆變器結(jié)構(gòu)，該開關(guān)器件觸發(fā)脈沖的控制方法常見的是控制信號(hào)與直通時(shí)間同步變化[12]。該種方法只能通過改變直通占空比來提高輸出電壓增益，導(dǎo)致調(diào)制范圍受限，輸出增益也有限。本文提出了一種調(diào)制方法：基于BC 相直通四段式SVPWM 調(diào)制法[13]，在兩直通矢量之間插入導(dǎo)通脈沖，該脈沖寬度隨著開關(guān)調(diào)制數(shù)i的取值而改變。通過調(diào)整i的大小，即可改變控制阻抗網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)器件的脈沖大小，從而實(shí)現(xiàn)提高輸出電壓增益的目的。

2.1 相鄰扇區(qū)分布

在時(shí)間上，有源開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間處于兩段直通矢量時(shí)間之間，具體分布如圖5 所示。

圖5 有源開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)序圖

根據(jù)直通四段式SVPWM 調(diào)制法，在一個(gè)調(diào)制周期里，直通矢量時(shí)間共四段。有源開關(guān)器件的第一段導(dǎo)通時(shí)間處于第一段與第二段直通矢量時(shí)間之間，其時(shí)間小于“100”與“110”矢量時(shí)間之和，是該矢量時(shí)間之和的0.1i倍；第二段導(dǎo)通時(shí)間處于第二、三段直通矢量時(shí)間之間，其時(shí)間小于“111”矢量的時(shí)間，是該矢量時(shí)間的0.1i倍；第三段導(dǎo)通時(shí)間與第一段相同，且關(guān)于Ts/2 對(duì)稱。

2.2 矢量時(shí)間切換點(diǎn)

設(shè)調(diào)制周期為Ts，相鄰有效矢量時(shí)間為T1和T2，傳統(tǒng)零矢量時(shí)間為T0，直通矢量時(shí)間為Tsh，開關(guān)器件關(guān)于i的調(diào)節(jié)時(shí)間為t1和t2?；谒亩问絊VPWM 方法，再根據(jù)各矢量時(shí)間作用的時(shí)間和順序，得到阻抗網(wǎng)絡(luò)開關(guān)器件的矢量時(shí)間切換點(diǎn)[14]。由于參考電壓矢量在扇區(qū)的位置不斷變化，各矢量時(shí)間的大小也隨之不斷變化。因此，阻抗網(wǎng)絡(luò)開關(guān)器件的控制步驟與逆變橋開關(guān)器件相似，同樣需要上下各三個(gè)比較值。

對(duì)于阻抗網(wǎng)絡(luò)開關(guān)器件的控制，前兩個(gè)步驟與逆變橋開關(guān)器件控制一樣，而矢量時(shí)間切換點(diǎn)的安排獨(dú)立于逆變橋開關(guān)器件的控制，最終產(chǎn)生獨(dú)立的一路觸發(fā)脈沖，其流程圖如圖6 所示。

圖6 改進(jìn)型SVPWM 流程圖

3 仿真驗(yàn)證

采用Matlab/Simulink 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置表

3.1 改進(jìn)型SVPWM 直通調(diào)制法的驗(yàn)證

采用現(xiàn)有同步于直通時(shí)間的方法對(duì)耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z 源逆變器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，該方法只能通過改變直通占空比使輸出電壓增益變大。因此只改變直通占空比D，將仿真后的電壓峰值與對(duì)應(yīng)的直通占空比繪制成關(guān)系圖，如圖7 所示，隨著直通占空比的不斷遞增，輸出電壓增益基本維持不變，輸出線電壓的峰值在210 V 上下浮動(dòng)，而直流鏈電壓的峰值卻不斷升高。若按210 V 計(jì)算，最大增益值只達(dá)到了1.6 左右。

圖7 輸出線電壓和直流鏈電壓峰值與直通占空比的關(guān)系

采用改進(jìn)型SVPWM 直通調(diào)制法進(jìn)行仿真，同樣只改變直通占空比D，觀察輸出線電壓和直流鏈電壓峰值與直通占空比的關(guān)系，選取i=1 時(shí)的仿真結(jié)果繪制關(guān)系圖(圖8)，輸出線電壓峰值先增加后減小，直流鏈電壓不斷增加。當(dāng)i的取值一定，D=0.13 時(shí)，輸出電壓增益最大，輸入電壓利用率最佳。與圖7 對(duì)比后可知，當(dāng)直通占空比處于0.1～0.175 時(shí)，輸出線電壓峰值均大于210 V，說明改進(jìn)型調(diào)制法以較小的直通占空比就能獲得高于同步于直通時(shí)間方法的電壓增益。

圖8 輸出線電壓和直流鏈電壓峰值與直通占空比的關(guān)系(i=1)

仍然采用改進(jìn)型直通調(diào)制法，固定直通占空比D不變，改變開關(guān)調(diào)制數(shù)，選取D=0.1、D=0.13、D=0.2 的仿真結(jié)果繪制成關(guān)系圖，如圖9 所示，隨著開關(guān)調(diào)制數(shù)i的不斷增大，輸出電壓增益也不斷增大。結(jié)合圖8，在調(diào)制數(shù)i相同的情況下，D=0.13 時(shí)的輸出電壓增益最大。但就直流鏈電壓峰值而言，若直通占空比選取D=0.1，既可以實(shí)現(xiàn)通過改變開關(guān)調(diào)制數(shù)提高電壓增益，又可保證電路具有較低的開關(guān)器件電壓應(yīng)力。

圖9 輸出線電壓和直流鏈電壓峰值與開關(guān)調(diào)制數(shù)的關(guān)系

3.2 耦合電感消除紋波的驗(yàn)證

耦合電感參數(shù)為L(zhǎng)1=16 mH、L2=1 mH、Lm=2 mH，采用改進(jìn)型SVPWM 直通調(diào)制法對(duì)逆變器進(jìn)行仿真，D=0.13，i=4時(shí)，仿真結(jié)果如圖10 所示。電感L2的電流紋波為3 A 左右，而電感L1的電流紋波幾乎為零，與1.3 節(jié)中推導(dǎo)出的電感電流紋波接近于零吻合。仿真結(jié)果說明，配置耦合電感量滿足L1=16L2的關(guān)系，可以達(dá)到消除輸入電流紋波的效果。

圖10 采用耦合電感的仿真波形

將耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z 源逆變器中的耦合電感換成電感量為1 mH 的普通電感Lr1、Lr2，其余參數(shù)不變，仿真結(jié)果如圖11 所示。

對(duì)比圖10～11 可知，圖10 中的直流鏈電壓以及電容兩端電壓更穩(wěn)定，即采用耦合電感的各項(xiàng)電壓輸出比采用普通電感的逆變器更穩(wěn)定。對(duì)比輸入電感上的電流紋波，顯然普通電感Lr1上的紋波比耦合電感L1上的電流紋波大很多。

圖11 采用普通電感的仿真波形

4 結(jié)論

本文提出了一種新型逆變器——耦合型開關(guān)準(zhǔn)Z 源逆變器，分析了該逆變器的工作狀態(tài)，并與其他逆變器在升壓能力與電流紋波方面作比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新型逆變器的性能最優(yōu)。針對(duì)新型逆變器中阻抗網(wǎng)絡(luò)的有源開關(guān)器件，提出了改進(jìn)型SVPWM 直通調(diào)制法，實(shí)驗(yàn)證明該方法通過調(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)制數(shù)i可以以較小的直通占空比獲得更高的輸出電壓增益，并保持較低的開關(guān)器件電壓應(yīng)力。另外，通過仿真實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了加入耦合電感可以達(dá)到消除輸入電流紋波的效果。