基于准Z源逆变器的光伏发电系统的仿真研究*

钟宇明，文励洪，常 江，吴志敏

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

基于准Z源逆变器的光伏发电系统的仿真研究*

钟宇明，文励洪，常 江，吴志敏

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

准Z源逆变器是一种在光伏发电系统中有应用前景的新型逆变器．本文用Matlab建立系统的仿真模型，把现有建筑的一套屋顶光伏发电系统改造成基于准Z源逆变器的光伏发电系统，该系统包括光伏阵列模块、主电路模块和控制模块．静态和动态仿真结果证明了所建模型的正确性．

光伏发电系统；准Z源逆变器；仿真模型

太阳能光伏发电由于具有清洁、安全可靠、维护方便等优点，是目前最有规模化应用前景的新能源发电．作为光伏并网发电系统核心部件的逆变器，一直是研究的重点之一．目前光伏电站中的光伏逆变器多数是两级式结构：第一级是DC/DC变换，把光伏电池板的输出直流电压升压到高压的直流，并控制光伏电池工作在最大功率点（MPPT控制）；第二级是DC/AC变换，把高压的直流变换为交流电送到电网．

Z源逆变器及其衍生拓扑结构——准Z源逆变器是美国密西根大学彭方正教授提出的一种新型逆变器拓扑[1]，这种拓扑是在传统的逆变器基础上增加2个电感和2个电容组成的“Z源网络”．Z源逆变器尤其是准Z源逆变器应用于光伏发电系统有很多优点：（1）升压功能．通过控制逆变器同一支路上、下桥臂直通占空比可以实现与两级式逆变器类似的升压功能，从而可以适应光伏电池输入电压变化范围大的问题，在光伏电池最大功率点电压随环境变化大范围波动的情况下，保持逆变器输出电压能够满足并网要求；（2）逆变器的可靠性高．上、下桥臂直通成为其特殊的工作状态，不会因为直通导致炸机，从而提高了逆变器的可靠性．（3）与两级式逆变器相比较，准Z源逆变器减少了一级DC/DC升压变换电路，减少了控制电路和保护电路，进一步提高了系统的可靠性，且降低了系统成本，提高了逆变器的效率[2]．目前市场上的逆变器产品绝大多数还是采用传统的两级式结构，本研究探讨基于准Z源逆变器的光伏发电系统．

1 系统结构

基于准Z源逆变器的光伏发电系统的结构如图1所示，光伏电池阵列把太阳能转换成直流的电能，准逆变器同时实现升压和逆变，把直流电升压且变换为工频的正弦交流电输出到电网上．

稳态时，准Z源逆变器有关系式[3]：

图1 基于准Z源逆变器的光伏发电系统

式中， VPV是光伏阵列电压；VC1是电容C12端的电压；VC2是电容C22端的电压；VPN是直流链母线电压（以下简称母线电压）的峰值；D0是直通占空比．

2 仿真模型的建立及仿真结果

现有建筑（格物园A座）屋顶光伏发电系统一套，光伏阵列参数：开路电压372V，短路电流10.35A，最大功率点264V/9.45A．逆变器采用的是传统的两级式逆变器，输出并到单相电网．现在用Matlab建立仿真模型，把此系统改造成基于准Z源逆变器的光伏发电系统，输出并到相电压峰值为130V的三相电网（若需并到相电压220V的三相电网，则需要增加光伏阵列的数量以提高电压）．整个仿真模型包括光伏阵列模块、主电路模块和控制模块．

光伏阵列模块根据光伏阵列的主要参数及多个特性表达式建立，可以很好的模拟实际的光伏特性曲线．

主电路模块是图1结构的细化，采用Simulink电路元件搭建．

控制模块采用算法实现．现有方法一般有2种：一种是电容C1的电压VC1闭环[4，[5]，控制VC1稳定，也就间接地控制了母线电压峰值．另一种是母线电压峰值闭环直接控制[6]，由于直流链峰值电压是脉动的电压，很难检测到其峰值，从而根据式(3)，把(VC1+ VC2)作为反馈量，就相当于可以控制母线电压峰值．本文采用母线电压峰值直接控制，可以比VC1间接控制获得更快的动态响应，控制框图如图2所示．光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）算法得到光伏阵列的给定电压VPV_ref，与实际的光伏阵列电压比较后经PI控制器得到直通占空比D0．母线电压峰值给定值PN_ref与实际的电压峰值(VC1+ VC2)比较后经PI控制器得到电流幅值的给定Iref，Iref分别与电网三相电压Uabc做乘法后得到三相电流瞬时值给定iabc_ref，然后与实际的三相电流瞬时值作比较后经P控制得到占空比D1，最后把D0和D1合成得到三相6个开关管的控制信号PWM1～PWM6．

2.1 静态仿真结果

静态仿真结果如图3(a)～(f)所示．从仿真结果看出，稳态下光伏阵列工作在最大功率点264V/9.45A；母线电压峰值基本稳定在给定值600V，电容C1上的电压约430V，直通占空比约0.27，输出并网相电流约12.5A（峰值）；稳态时各量满足关系式(1)～(3)；计算输入功率2494.8W，输出功率2437.5W，可见稳态时光伏阵列工作在了最大功率点，且最大限度的把功率转换送入了电网．静态仿真结果证明了所建立的仿真模型静态工作的正确性．

2.2 动态仿真结果

模拟太阳光照突然变化的动态情景：初始时光伏阵列工作在额定最大功率点，即光伏阵列给定电压VPV_ref为264V，1秒后因光照变化突变为200V．仿真结果如图4(a)～4(f)所示．从仿真结果看出，随着光照的变化，光伏阵列到达了新的稳定功率点200V/10.1A，母线电压峰值基本稳定在给定值600V不变，电容C1上的电压从430V变化到了新的稳定点400V，直通占空比从0.27变化到了新的稳定点0.33，输出并网相电流从12.5A变化到了新的稳定点9A（峰值）．仿真结果表明，建立的仿真模型能很好的模拟系统的动态响应，系统在光照突变时能自动寻找并到达新的稳定点，且动态响应较好．

2.3 与原有逆变器的对比

把准Z源逆变器与原有的传统逆变器从成本、效率、功能方面进行对比．成本上，原有传统逆变器包括DC/DC和DC/AC两级结构，成本高；而准Z源逆变器去除了DC/DC结构，增加了“Z源网络”，成本相对低．效率上，DC/DC结构中的功率器件有开关管、二极管，损耗大；“Z源网络”中的功率器件只有一个二极管，而电感、电容损耗很小，所以准Z源逆变器的效率较高．从仿真结果看出，基于准Z源逆变器的系统的静态特性非常稳定，动态特性也较好，主要功能上与原有传统逆变器接近．更详细、准确的对比有待进一步的实验证明．

图2 控制框图

IEEE 8th Int Power Electron and ECCE Asia Conf, 2011：889-893．

[6] Ding X P, Qian Z M, Yang S T, et al. A direct Peak DC-link Boost Voltage Control Strategy in Z-Source Inverter[C]//Proceeding of IEEE Applied Power Electronics Conf, 2007：648-653．

技术与职业教育研究所再获全国优秀高教研究机构

2015年3月从中国高等教育学会传来喜讯，深圳职业技术学院技术与职业教育研究所荣获第四届全国优秀高等教育研究机构。这是中国高教学会举办优秀高等教育研究机构评选活动以来，我校连续三届获得该项荣誉，成为全国获得该项荣誉最多的高教研究机构之一。

全国优秀高等教育研究机构的评选活动从2005年开始，是中国高教学会为了贯彻落实《教育部办公厅关于进一步加强高等教育研究机构建设的意见》（教高厅【2004】1号）而开展的全国性评奖活动，每三年评审一次，其目的是为了促进高等教育科学研究密切联系实际，提高高等教育研究机构的组织及能力建设。全国优秀高等教育研究机构评选已经成为国内最具权威性的高教研究机构评审活动，得到了教育部领导的高度重视。第四届全国优秀高等教育研究机构评选活动历时半年，从全国近2000个有建制的高教研究机构中经过初选、复审、会议评审和公示等四个环节，最终评选出56个全国优秀高等教育研究机构。

我校职教所成立于1994年4月，其职能是制订学校发展规划，为学校的可持续发展提供决策参考，为专任教师的教育科研提供智力支持，主持有关高职教育发展和“校企合作”的纵向和横向研究项目，开展职业教育学术交流与合作，承办在我校举行的一些大型学术性会议等。编辑出版《深圳职业技术学院学报》（双月刊）、《文化育人》（年刊）和《技术与职业教育资讯》（内刊）等期刊。经过20年的发展，职教所已建立起一支研究实力较强、水准较高、专兼职结合、特色鲜明的科研队伍和学报编辑队伍。

（深圳职业技术学院新闻中心、技术与职业教育研究所）

Simulation Research of a Photovoltaic Power System Based on the Quasi Z-Source Inverter

ZHONG Yuming, WEN Lihong, CHANG Jiang, WU Zhimin
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Quasi Z-source inverter, a novel inverter, has promising application prospect in photovoltaic power system. This paper creates a Matlab simulation model, which transforms the photovoltaic power system on the roof of an existing building into one based on the quasi Z-source inverter. The simulation model consists of photovoltaic arrays model, main circuits model and control model. Results from static and dynamic simulation verify the validity of the model.

photovoltaic power system; quasi Z-source inverter; simulation mode

TM615

A

1672-0318（2015）03-0009-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2015.03.002

2015-02-28

*项目来源：深圳市科技研发资金资助项目《无变压器型用户侧并网Z源光伏发电系统的研究》（项目编号：JCYJ20120617141336191）

钟宇明（1978-），男，湖南郴州人，副教授，研究方向为电力电子与电力传动、太阳能光伏发电．