电动汽车充电站Z源光伏并网发电装置

2013-12-17刘玉丛

电子科技 2013年3期

孙振，刘玉丛

(山东科技大学信息与电气工程学院，山东青岛 266590)

在能源危机和气候变暖的双重挑战下，电动汽车能够节约能源、降低污染、改善能源结构和电网负荷，成为发展低碳经济、落实节能减排政策的重要途径。电动汽车作为一种新能源交通工具，有利于倡导绿色、节能、环保的理念，促进我国交通发展模式的转变，有着广阔的市场前景和环境效益。

在我国建设和推广电动汽车充电站是落实国家能源战略、发展低碳经济、响应节能减排政策、参与建设资源节约型和环境友好型社会的重大举措，也是我国建设坚强智能电网的重要组成部分。如果将电动汽车智能充电站接入分布式太阳能光伏发电系统，就可以让系统接入清洁能源，从而使清洁的电能融入到电力系统的更多环节。文中设计了一种用于电动汽车充电站的光伏接入式发电装置，利用Z源逆变器代替传统的逆变器实现能量转换。

1 系统的主要结构

系统主要由太阳能电池组件、直流汇流箱、并网逆变器、交直流配电箱、站内各类负荷以及后台监控系统组成。如图1所示，装置通过光伏列阵将太阳能转化为直流电能，经直流母线汇流后再通过并网型逆变器将直流电能逆变为与交流电网相位和频率相符合的交流电流并入低压电网，可用于向电动汽车充电站的照明以及其他轻负荷设备供电。当白天达到日照和温度要求时，装置可以满足输出功率的要求，自动并网发电，太阳照度不足时功率输出不足，装置自动列解切除离网，由电网单独向站内供电［1］。光伏列阵的直流输出、并网逆变器的输入输出参数以及站内充换电设备、储能设备的各项参数指标由后台监控系统进行监控。

图1 系统的主要结构图

另外，电动汽车充电站将成为配电网的一部分，电动汽车的动力电池还可以作为储能系统也将是较有前途的储能方式之一，具有对电网削峰填谷、负荷补偿，提高电能质量的作用，并且能够稳定新能源出力、优化新能源发电的并网性能。系统的太阳能光伏组件以35°的安装倾斜角通过固定支架装设在电动汽车充电站内已建成的充换电车间的屋顶上，利用并网光伏逆变器实现就地集中式并网发电。外观结构如图2所示。

图2 充电站屋顶光伏列阵外观结构

光伏组件采用的是185 W。太阳能电池组件，其工作电压为36.71 V，共272块组件，整个发电系统的实际峰值功率50.32kW。其中每17块电池组件串联组成一路，272块电池组件共计16路，电池组串后进入直流防雷汇流箱汇流。直流防雷汇流箱具有16路保护控制和电流监控装置，每路的正负极都配有高压直流断路器，其耐压值可达DC 1 kV，电流监控可对每一路电池串进行电流监控。直流母线电压为624.07 V，直流汇流后的输出电流为80.63 A。如图3所示，经过汇流后，通过并网逆变器转化成三相交流电经过LC滤波以及交流防雷配电柜并入充电站低压电网。

图3 光伏接入式发电装置原理图

2 Z源光伏并网逆变器

光伏并网逆变器是将光伏组件输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网的设备，是并网型光伏系统能量转换与控制的核心，光伏并网逆变器的性能影响和决定着整个光伏并网发电装置能否够安全、稳定、可靠的运行［2］。光伏并网逆变器根据有无隔离变压器可以分为隔离型和非隔离型。隔离型光伏并网发电系统中的隔离变压器将电能通过磁路的耦合进行传递，在传递过程中会造成一定的电能损耗，通常情况下，一般的小容量变压器造成的能量损耗可达5%甚至更高［3］。如果使用隔离变压器会使系统的质量和体积增大、投资增加、结构更为复杂。所以，采用省去笨重的工频变压器或复杂的高频变压器的非隔离型光伏并网逆变器结构是提高光伏并网能量转换效率的有效手段之一。

常规的电压源并网逆变器拓扑存在以下问题:为防止直通而导致的直流侧的电容短路，逆变桥中上下桥臂的两个管子导通需要加入死区时间;只能应用在直流电压高于电网电压幅值的场合;直流侧的支撑电容值应设计的足够大以抑制直流电压纹波。

针对常规逆变器拓扑的不足，装置采用彭方正教授提出的基于Z源网络的逆变器拓扑［4］，相对于常规的电压源型逆变器，这种新型的电压源型逆变器可以允许直通状态存在，即允许同一相上下桥臂的两个半导体管同时导通，对整个逆变电路起到保护作用，同时直通时间的加入使得电路具有升压功能，另外加入Z源网络使得电路的负载可以是容性也可以是感性。

图4 电压型Z源逆变器拓扑结构

电压型Z源逆变器的一般结构如图4所示，当同一相上下桥臂同时导通时，逆变器工作在直通状态下，此时逆变桥相当于短路，等效成零值电流源;正常情况下逆变器工作在非直通状态下，此时逆变桥就等效成一个恒值电流源［5］。Z源网络输出的直流电压峰值为

其中，B为升压因子，当电路的直通时间改变，直通占空比d0改变，最终使得升压因子B改变，起到调节电压作用。

逆变器交流输出相电压的峰值为

其中，M为逆变器的调制因子，当M增大时，直通占空比会减小，通过式(1)可以看出，B会减小，反之M减小时B会增大，因此，合理地调整M与B的值就能够调节输出电压，能够更加灵活的实现升降压调压功能。此外，装置的逆变器同时还具有最大功率点跟踪功能，以保证在温度和日照变化幅度很大时仍然能自动追踪并以最大功率输出。在电网侧停电时，能够自动检测并将系统装置停止运行，以避免孤岛运行的发生。

3 Saber仿真及结果分析

根据本装置的光伏列阵输出的直流电压电流实际参数及电压型Z源逆变器的拓扑结构搭建仿真电路模型，主电路中逆变桥采用全控型器件IGBT，Z源网络中电容电感经计算采用参考值L1=L2=30 mH，电容C1=C2=25μF，输出采用LC滤波，输出滤波电容C3=C4=C5=2.5μF，滤波电感为L3=L4=L5=18 mH。运用Saber软件对实验电路仿真分析，主电路和控制电路采用模块化形式，控制简单，容易实现。

光伏并网发电装置逆变器控制电路和实验仿真电路采用简单升压控制，这种方法仍属于PWM控制，将正弦波与三角波进行比较，不同之处是在传统的PWM控制基础上做了改进。控制中加入两个直流电压vp和vn，其值应该大于或等于三相正弦交流电压的峰值，vp和vn作为参考电压用来调节直通占空比，如图5所示。

图5 简单升压控制原理图

Z源逆变器保持6个有效状态不变，和传统的正弦PWM调制一样。由式(1)可知，这种控制方式的最大直通占空比不会超过(1－M)，因而在调制因数为1时，直通占空比为0，定义电压增益G=MB。

图6中波形从上往下依次为Z源网络端口输出电压、逆变器交流侧输出相电流、逆变器交流侧输出相电压和交流侧输出相电流谐波分析，仿真电路中直流输入电压为624 V，调制因子M取0.9，直通占空比取0.11，参考电压vp=0.78 V，vn= －0.78 V，信号波频率为50 Hz，通过仿真后的波形可以看出，当输入直流电压为624 V时，输出交流相电压峰值可以达到接近380 V，并且频率可以实现为50 Hz，由仿真结果谐波分析，5次和7次谐波略为明显，经计算，交流侧输出相电流的5次谐波电流含有率HRI5=1.9%，7次谐波电流含有率HRI7=1.5%，电流谐波总畸变率THDi=3.3%，谐波污染较小，输出波形比较平滑，符合文献［6］中的并网要求。