光伏并网逆变器拓扑结构的研究

刘 凯 丁竹青 黄 勇 山东化工职业学院 潍坊 261108

太阳能作为一种新能源，已经广泛应用于人类社会生活中，其中太阳能发电技术比较成熟，运营成本较低，更是解决能源短缺和环境污染的有效途径之一。光伏并网发电系统中，光伏并网逆变器作为发电系统的核心部分，将太阳能组件与电网进行了有效的连接，对电力系统的安全稳定运行起着非常重要的作用。

1 传统电压逆变器

光伏并网发电，是将光伏阵列产生的直流电转变为符合市电电网要求的工频交流电，并将其接入电网的过程。逆变器则是可将直流电转换为交流电的电力变换设备，由于太阳能组件发出的是直流电，一般的负载多数为交流负载，因此，逆变器是太阳能发电技术中必不可少的一部分。逆变器作为发电系统的重要组成，其太阳能发电的效率与逆变器的性能息息相关。

传统的光伏并网发电系统见图1，该系统是由太阳能组件、去耦大电容、传统逆变器、滤波电感部分和电网构成，其核心为传统电压源逆变器，通过驱动信号控制六个开关管的导通和关断而得到正弦规律变化的平均电压。

图1 传统光伏并网发电系统

传统电压源逆变器结构简单，元器件少，但存在一些固有缺点：①由于直流侧并联大电容，相当于电压源，回路不允许短路，交流侧要求接感性负载或串接电感，以保证电压源逆变器可靠工作；②传统电压源型逆变器只可实现降压，其输出的交流电压低于直流母线上的电压，若希望得到较高的输出电压，需通过升压变换器将直流侧电压升高，从而满足电网电压的要求，增加升压变换器的发电系统可称为两级式并网发电系统，控制电路为级间控制，控制复杂，而且效率降低，成本较高；③逆变桥同一桥臂的上下两只开关管不允许同时导通，否则会工作在直通短路状态，为防止直通，需要加入死区时间，造成能量转换效率低，投入成本较高等。

2 新型电压源逆变器

2.1 Z 源逆变器

为了避免传统逆变器的以上缺点，2002 年，Z源网络被提出，Z 源网络的组成见图2，其主要元件有两个相同的电感（L1 和L2）与两个相同的电容（C1 和C2），它们相互连接，构成X 型的两端口网络。目前，对于Z 源网络，尤其是Z 源逆变器的多方面研究已渐成熟，Z 源网络独特的优点表明，Z 源拓扑的研究在光伏并网逆变器领域中具有深远意义。由Z 源网络组成的变换器的电路结构框图见图3。

图2 Z 源阻抗网络

图3 含阻抗网络的变换器结构图

2.1.1 拓扑结构

电压源型Z 源逆变器的拓扑结构见图4。

图4 三相电压源型Z 源逆变器构造

由图4 可知，Z 源逆变器的主电路主要由直流电源部分（电解大电容）、Z 源网络、传统电压源型逆变器三部分组成。其特点在于将Z 源网络作为桥梁，将直流侧与传统逆变部分耦合到一起，从而得到区别于传统逆变器的优点。当控制开关频率较高时，Z 源逆变器比传统电压源型逆变器多出一种开关状态，即在零电压状态下存在直通短路情况，该状态在传统逆变器中是不被允许的。

2.1.2 工作原理

为分析Z 源逆变器的工作原理，将传统逆变桥部分等效成电流源，将光伏阵列得到的直流电与并联大电容部分等效成直流电源，从直流电源侧看进去，可得到Z 源逆变器的等效电路，见图5。

图5 Z 源逆变器等效电路

由图5 可知，当传统逆变桥处于直通情况时，逆变器同一桥臂上下的两只管子同时导通，逆变桥出现短路，等效电路见图6。当在非直通情况时，逆变桥可等效为一个任意数值的电流源，此时虽然存在一种特殊的情况，即当处于传统零电压时，逆变桥开路，等效电路中的电流源数值等于零，等效电路见图7。

图6 Z 源逆变器在直通状态时的等效电路

图7 Z 源逆变器在非直通状态时的等效电路

图5 等效电路中，假设Z 源网络中电感L1 和电感L2 的电感值完全相同，即L1=L2；电容器C1和电容器C2 的电容值完全相同，即C1=C2。四个元件相互组成对称的Z 源网络，由此可知电容器C1 和电容器C2 上的电压值相同，电感L1 和电感L2 上的电压值相同：

式中，VC1为电容器C1 的电压，V；VC2为电容器C2 的电压，V；VL1为电感L1 的电压，V；VL2为电感L2 的电压，V。

下面将具体分析一个周期内，Z 源逆变器的直通和非直通两种情况：

（1）直通状态

等效电路见图6。

设逆变器工作在直通状态时对应的时间为T0，逆变器开关周期为T，从图6 可知：

式中，vd为Z 源网络输入电压，V；vi为Z 源网络输出电压，V。

当逆变器工作于直通状态时，直流侧二极管D承受反向电压截止，直流电源停止供电，此时电容器C1 和C2 放电，同时对电感L1 和L2 充电，设电容电流正方向从下往上，如图6 所示可得：

式中，IL为Z 源网络电感电流，A；iC为Z 源网络电容电流，A；ii为短路电流，A。

（2）非直通状态

等效电路见图7。

设逆变器工作在非直通状态时对应的时间为T1，此时二极管D 因承受正向电压而导通，如图7所示等效电路中，直流电源给电容C1 和C2 充电，由于直通状态时电感L1 和L2 已储存能量，与直流电源共同通过逆变器变压并入电网，此时满足：

式中，VDC为直流端电源电压，V。

（3）综合分析两种状态

在稳态情况下，一个周期内，电感两端的平均电压为0。即：

由公式（2），（4）可推导出：

经过计算得出：

类似的方法可以得出，逆变桥输入端的平均直流母线电压为：

经过推导计算得出：

由公式（9）可知，逆变桥输入端的平均电压等于Z 源网络中电容电压，其输入端的峰值电压为：

结合公式（10）和公式（11）可得逆变器交流侧输出峰值电压为：

公式（13）中，M 为调制因数，B 为升压因子，两者的结合可控制升/降压因子BB，从而实现逆变器升降压的功能。通过以上分析可知：Z 源逆变器克服了传统逆变器的缺点，可以实现灵活的升降压；允许直通短路且不会对电路造成危害，有效解决了传统逆变器的短路问题；直流侧无需加入升压电路，控制电路简单，节约成本，同时，系统可靠性和效率得到提高。

通过多方面的分析可看出，电压源型Z 源逆变器存在一些缺点：如：在升压模式下运行时，输入电流存在不连续情况；电容电压应力大；启动冲击电流大。因此要在Z 源拓扑的基础上进行改进。

2.2 准Z 源逆变器

2.2.1 准Z 源逆变器的结构

准Z 源逆变器是在Z 源逆变器拓扑的基础上改进而来，在继承了Z 源逆变器所有的优点的同时，又有其独特的优点，主要表现在：①电压型准Z 源拓扑中，其中一个电容承受的最大电压大幅降低，便于器件的选择，从而使得系统的成本降低；②输入侧串联大电感，保证输入电流连续，限制启动冲击电流。

准Z 源逆变器的拓扑结构见图8。

图8 准Z 源逆变器的拓扑结构

2.2.2 准Z 源逆变器工作原理

同Z 源逆变器，准Z 源逆变器也是控制逆变桥的直通时间满足升压。其控制方法也可以采用简单升压控制，本文不作具体介绍。该电路等效为三种工作状态：直通状态、传统零电压工作状态、有效矢量工作状态。主拓扑从直流侧看过去的等效电路图见图9。

图9 主拓扑等效电路图

同Z 源逆变器的分析思路，准Z 源逆变器也可从以下两种情况入手：直通情况和非直通情况。直通情况时，逆变桥等效为短路，见图10（a）。当逆变桥开路或处于有效工作状态时，逆变桥可用一个任意数值的电流源代替，总结为非直通情况，见图10（b）。

图10 准Z 源逆变器等效图

假设在一个开关周期T 中，逆变桥处于直通状态的时间为T0，从等效电路图10（a）可得如下公式：

假设在一个周期内，逆变桥处于非直通状态的时间为T1，从等效电路图10（b）可得如下公式：

在一个稳态周期内，电感两端的平均电压为0，电容的平均电流为0。由公式（14）、（18）和（16）、（20）得：

由公式（9）-（12）可得：

由式（19）知 ，加在逆变桥的峰值直流环节电压为：

M 为调制因数。对于正弦脉宽调制（SPWM），M ≤1；公式（28）表明，通过调节直通状态的时间T0，即可控制输出电压的升降。电压增益理论上讲，G 可以无限大。

2.2.3 开关管电压电流应力分析

逆变器开关管上的电压应力为： ，它与调制策略有关，US随着直通占空比的增大而增大，因此，在满足需要的前提下，应选择较小的直通占空比。

对于开关管的电流应力：假设为理想开关管，两相直通时，经计算，功率开关管最大电流应力为：由此可知，开关管电流应力大小由输出电流和电感电流共同决定。当输出电流确定时，电感电流越小，电流应力则越小。

经过上述分析可知，准Z 源逆变器与Z 源逆变器的工作原理无本质上的区别，但有不同于传统Z 源逆变器的优点：①由于直流电源输入侧电感L1的存在，使输入电流连续，避免了电路的非正常工作状态；②由公式（26）知，与传统Z 源逆变器上的电容电压相比，电容C1两端的电压降低，这对于电容器的耐压要求大大降低，可大幅减小不间断电源的体积、重量，及实现成本；③开关管的电压电流应力都与直通占空比有关，合理的控制，可以降低开关管的电压电流应力。

3 单相电压型准Z 源逆变器仿真分析

3.1 电感电容参数的选择

直通情况的时间为DT，系统额定功率为P0。已知公式根据公式（14）得：

直通状态时间DT内，流过电容器C1、C2的电流公式（15）已知。由公式得根据公式（15）得：

3.2 仿真验证

图11 输入直流电压为190V 的输出电压波形

图12 Z 源与准Z 源网络电容的电压波形

综上，仿真结果与理论分析几乎一致，从而验证了基于准Z 源逆变器拓扑理论分析的合理性与正确性。

4 结语

光伏并网发电系统的核心部分为逆变器，改善逆变器的性能可大大改善光伏并网发电系统的性能，因此，逆变器的拓扑结构的研究尤为重要。本文主要分析了Z 源和准Z 源逆变器拓扑结构的工作原理，并通过仿真验证了理论分析的合理性。这两种拓扑结构具有其独特的优点，但也存在一些缺点，仍需要继续改进，以提高能量转换效率，降低发电系统的成本。