光伏水泵系统中Z源逆变器的应用研究

李少龙，李 乙，周宗禥，冯雅茹，陈黎裕，刘安康

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

光伏水泵系统中Z源逆变器的应用研究

李少龙，李 乙，周宗禥，冯雅茹，陈黎裕，刘安康

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

针对传统光伏水泵系统中逆变器存在桥臂易直通、开关管和驱动电路数量多、电力电子器件易受电磁干扰损坏等问题，采用Z源逆变器替代传统的Boost变换器。文中具体分别搭建基于Boost变换器的传统光伏水泵系统和基于Z源逆变器的光伏水泵系统的仿真模型，进一步对比两种系统的升压能力、调速性能和工作效率。结果表明，Z源逆变器直流侧最大超调电压减少了150 V，输出转矩稳态误差和波动明显减小，运行效率提高了10%。基于Z源逆变器光伏水泵系统比传统光伏水泵系统具有更好的性能。

光伏水泵系统；Z源逆变器；Boost变换器；仿真模型

传统的光伏发电系统主要分为电压源(VS)和电流源(CS)两类拓扑结构，两者均具有明显的缺点。在逆变器在工作过程中，上下开关管桥臂不能处于直通状态，否则会造成桥臂上电力电子器件毁坏；传统光伏发电系统会增加整个系统开关管的数量，系统每增加一个开关管需要额外增加一组驱动电路和相应的控制算法，对安全性、稳定性、经济性造成负面影响[1]；传统的光伏发电系统容易受电磁干扰(EMI)等外界因素影响而造成电力电子器件毁坏，光伏阵列作为电压源(VS)，系统易受短路电流影响，而作为电流源(CS)则易受开路电压影响，造成器件烧毁[2]。

Z源逆变器相对于传统的光伏逆变器，通过独特的直通状态来达到直流侧升压目的，从而实现逆变器任意电压输出的要求[3]。Z源逆变器最大优点是允许上下开关器件处于直通状态，负载可以开路，克服了传统逆变器局限。

Z源逆变器具有结构简单，控制灵活，能够自由实现升降压的特点。在光伏水泵系统中，控制逆变器直流侧电压，能够在较大范围内对水泵驱动电机进行调速[4]。对于Z源逆变器，控制直通状态占空比可以灵活实现直流侧的升降压，对提升驱动电机调速范围有较大的帮助[5]。在Z源逆变器光伏水泵系统中，通过控制直流侧电压改变驱动电机的输出功率，从而使得水泵在不同输出功率下，具有不同的扬程，使得水泵系统具有较大的灌溉面积。

1 光伏水泵系统驱动电机性能分析

根据基于Boost升压电路的电压型逆变器仿真模型和基于FOC的异步电机调速系统建模，结合光伏MPPT控制技术，搭建基于Boost电路的光伏水泵系统Simulink仿真模型，分析系统中电机的调速特性[6]。搭建基于Z源升压FOC控制光伏水泵系统模型。控制Boost变换器占空比，使Boost电路输出直流电压升压2倍；控制Z源逆变器升压系数，使Z源逆变器输出直流侧电压升压2倍。

图1 基于Boost电路的光伏水泵系统输出特性

图2 基于Z源逆变器光伏水泵系统输出特性

如图1和图2所示，两种不同控制方法下光伏水泵系统输出特性波形。两种逆变器结构均能实现输出转速和转矩跟随给定动态变化，具有良好的动态性能。比较图1(d)和图2(d)可知，两种逆变器结构均能使直流侧输入电压稳定为400 V。但是，电机启动时基于Boost升压电路逆变器直流侧输入最大超调电压较大，达到650 V；而Z源逆变器直流侧输入最大超调电压较小，达到500 V。因此，基于Boost升压电路的光伏水泵系统在电机启动时，对系统冲击较大；而采用Z源逆变器，对系统的冲击较小。

对图1(c)和图2(c)进行放大，得到图3和图4。比较图3和图4可知，两种水泵系统输出转矩均跟随给定，在一定范围波动；但是基于Z源逆变器光伏水泵电机输出转矩比基于Boost升压电路的光伏水泵系统转矩波动小。

图3 基于Boost电路光伏水泵输出转矩放大图

图4 基于Z源逆变器光伏水泵输出转矩放大图

由图3和图4分析可知，基于Boost升压电路光伏水泵系统和基于Z源逆变器光伏水泵系统输出转矩均存在稳态误差，但是基于Z源逆变器光伏水泵系统输出转矩稳态误差较小，转矩波动较小。

综上所述，从逆变器直流侧电压超调量和输出转矩波动范围两方面比较两种系统性能，基于Z源逆变器光伏水泵系统在电机启动时，直流侧电压超调更小，输出转矩稳态误差较小，波动更小。因此，基于Z源逆变器水泵系统比基于Boost升压逆变器水泵系统电机起动性能要好，并且电机输出转矩波动小、电压扰动较小的优点。Z源逆变器在光伏水泵系统中具有一定优势。

2 光伏水泵系统效率分析

对于光伏系统，光电转换效率低是影响光伏发电系统性能的重要制约条件。提高系统效率是提升系统性能的重要方式[7]。对于光伏水泵系统，能量输入为太阳能电池上输入的光能，能量输出为水泵输出的水能。系统效率通常定义为

(1)

即

ηsys=ηarray·ηinverier·ηmotor·ηpump·ηcoup

(2)

其中，ηarray为光伏电池板能量转换效率；ηinverter为逆变器效率；ηmotor为驱动电机效率；ηcoup为电机、水泵等的传动效率。

对于光伏水泵系统水泵输出水能相同、输入光能相同的条件下，光伏电池板能量转换效率、传动效率相对固定[8]。逆变器的效率和驱动电机效率是影响光伏水泵系统效率的重要因素。因此，在分析光伏水泵系统效率时，可以重点研究逆变器效率。

对于电力电子变换器系统，能量损耗主要由于电子元器件上有能量消耗，处于非理想状态[9]。分别对基于Boost升压逆变器光伏水泵系统和基于Z源逆变器光伏水泵系统中电子元器件进行实际等效，模型电路实际运行时的能量损耗，从而分析两系统的运行效率。

对于Z源网络中的电感和电容分别等效电感串电阻、电容串电阻模型，电感和电容串联电阻参数值由经验值获取[10]。电容C1=C2=470 μF，电容等效串联电阻r=0.06 Ω；电感L1=L2=500 μF，电杆等效串联电阻R=0.25 Ω。

对于Boost升压逆变器，用经验值设置IGBT参数、电感、电容以及二级管的等效参数，用以模拟电路运行时各器件上的能量损耗[11-13]，分析系统效率。IGBT主要参数、电感电容参数、二级管参数如表1～表3所示。

表2 电感、电容参数

表3 二极管等效参数

对于Z源逆变器和Boost升压逆变器，逆变器参数设为相同[14]。根据上述参数，分别对Boost变换器的光伏水泵系统和基于Z源逆变器的光伏水泵系统进行建模与仿真，计算两系统升压部分和逆变器部分的效率。

根据Simulink仿真，得出基于Z源逆变器光伏水泵系统和基于Boost升压变换的光伏水泵系统[15]升压部分和逆变器的效率，如图5所示。根据图5可知，采用Z源逆变器的光伏水泵系统的运行效率较高。

图5 两种升压逆变器效率图

3 结束语

本文从电机性能和系统效率两个方面分析了传统光伏水泵系统和基于Z源逆变器光伏水泵系统的性能差异，证明了采用Z源升压控制算法的Z源水泵系统与基于Boost变换器的水泵系统具有更好的电机起动特性、输出转矩特性[16]；分析两种水泵系统升压和逆变器部分运效率，由仿真结果可知，采用Z源逆变器的在光伏水泵系统中运行效率更高。

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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

国家自然科学基金(61205076);电动叉车控制器的研发(3A16302075)

李少龙(1972-)，男，硕士，讲师。研究方向：电机控制。李乙(1993-)，男，硕士研究生。研究方向：电机控制。

TN29;TP23

A

1007-7820(2018)02-001-04