（江西省交通设计研究院有限责任公司 江西南昌 330209）
摘要：传统Z源电压型逆变器工作时存在着电容电压较高，启动冲击电流较大的缺陷，给相应器件选型带来了较大的压力。而新型Z源电压型逆变器工作时具有电容电压较低，采用合适的软启动策略可大大限制冲击电流，减小开关器件承受的电流及电压应力，器件成本低等优点。本文论述了基于数字控制的应用于单体建筑绿色电源-光伏发电装置的的新型Z源电压型逆变装置。实验结果表明器件电压应力小，启动冲击电流小，输出电压稳定，装置运行安全可靠。
关键词：新型Z源逆变器；DC-AC变流器；电压型逆变器；光伏逆变器；
引言
传统型Z源电压型逆变器由Z源电压变换电路和电压型逆变器组成，输入电源与逆变器位于Z源网络的两侧，其工作时逆变器直流链电压应力较高，器件耐压必须要提高。为了实现升压功能，Z源网络电容电压高于输入电源电压，必须选用高压电容，这导致Z源逆变器体积重量增大，实现成本较高且装置启动时存在着启动冲击问题，严重影响了其可靠性[1]。传统Z源电压型逆变器之所以存在以上问题是由于其电路结构本身所决定的。
图1 新型Z源三相电压逆变器拓扑结构图
而新型Z源电压型逆变器能够解决传统Z源电压逆变器这些问题。新型Z源三相电压型逆变器拓扑结构如图1所示，相对于传统Z源电压型逆变器将逆变器与二极管在电路中的位置互换而成的。将此新型Z源电压型逆变器装置研制出来并应用于建筑屋顶光伏发电系统中，系统电压恒定，器件电压应力小，通过采取合适的软启动策略防止过大电流和电压冲击，取得了良好的效果。
新型Z源电压型逆变器工作原理分析
新型Z源电压型逆变器的工作模式可以分为断续和连续两种。当Z源电压型逆变器处于断续工作模式时，逆变器直流链电压会发生畸变，对于逆变器输出交流电压影响很大，因此通常希望其工作在连续工作模式状态。此时，Z源三相电压型逆变器工作在以下两种情况。（1）直通状态；（2）非直通状态。当工作于直通状态时，其等效电路图如图2所示。
实用中，一般直通占空比，而传统的Z源电压型逆变器其电容电压为。显然新型Z源电压型逆变器电容电压要比传统Z源电压型逆变器的电容电压要低，而两者的直流链升压系数是相同的，都为。
屋顶光伏Z源电压型逆变装置硬件结构
在建筑屋顶上安装太阳能板阵列可以产生一定的电能用于本栋建筑照明用电，这可以一定程度上节省单体建筑用电能耗，达到节能目的。我国于2014年颁布实施新一版的《绿色建筑评价标准》（GB/T-50378-2014）中第5.2.16条明文规定“根据当地气候和自然资源条件，合理利用可再生能源”，其中利用光伏发电来获得可再生能源，使大型建筑满足绿色建筑的要求是最常用的方法。但是太阳能电板产生的直流电压会随着光照强度、角度变化而变化，很不稳定。采用新型Z源逆变器就可以解决这一问题，使照明系统母线电压恒定。装设建筑屋顶上表面上的多晶硅太阳能电板通过吸收红外线和可见光将光能转换为电能。由于单个太阳能电池产生的电压很低，实用中将多个太阳能电池串并联形成太阳能电池板，再将多个太阳能电池板串并联形成太阳能电池板阵列。含有新型Z源电压型逆变装置的屋顶太阳能发电系统硬件结构如下图4所示。
太阳能电池板阵列产生大小并不恒定的直流电，经过新型Z源电压型逆变器稳压变换后输出基波电压稳定的交流电经过滤波后供给照明灯交流负载。新型Z源电路中六个开关管驱动信号由主控芯片TMS320LF2407的PWM口输出。为了使输出电压随着输入电压Vdc以及负载的变化基本上不变，引入了电压前馈加反馈控制，为此需要检测新型Z源逆变器的输入直流电压以及输出基波电压的峰值，在硬件中增加了电压检测电路。Z源逆变器中采用的开关器件为电力MOSFET，型号为IRF460。在硬件电路中还扩展了键盘接口电路和输出电压值显示电路。
图4 大楼照明系统Z源电压型逆变装置硬件结构图
软启动策略
与传统型Z源电压型逆变器相比，新型Z源电压型逆变器突出的优点之一就是可以采用合适的软启动策略来限制起动时的冲击电流以及随后LC振荡所产生的过电压。新型Z源电压型逆变器的软启动策略主要有四种：（1）启动时调制比保持不变，控制直通占空比从0开始缓慢增加到额定值。（2）启动时先让调制比从零开始缓慢增加到额定值，然后控制直通占空比从0开始缓慢增加到额定值。（3）启动时先让直通占空比从0开始缓慢增加到额定值，然后控制调制比从0开始缓慢增加到额定值。（4）启动时直通占空比和调制比同时从0开始缓慢增加到额定值。这四种软起动方法中，除第3种以外的其他方式都能较好地抑制启动冲击电压和冲击电流。第2种启动方式时间较长，动态性能稍差，而第1种启动方式其输出电压和电感电流并不是从零值开始增加，因此只有第4种启动方式其启动时间短、能够限制启动时冲击电流和冲击电压且电容电压值、电感电流值以及输出电压值都是从零开始增加，综合性能比较好。
实验结果及结论
按照图4所示硬件结构在某8层大楼屋顶设置了一套基于新型Z源逆变器的光伏发电装置。整个装置采用了16块由八个太阳能组件组合而成的太阳能电板整列，装机容量为15.36KW，装置输出部分直接与市电电网并联运行并接入大楼公共照明总箱中运行。运行半年来情况良好，电压波动范围始终处于范围内。
参考文献：
[1]王飞，宇世杰，苏建徽，沈玉粱，太阳能光伏并网发电系统的研究，电工技术学报，2005，20（5）：87-91。
[2]彭方正，房绪鹏，顾斌等，Z源变换器，电工技术学报，2004，19（2）：47-51 [3]。
[3]顾斌，钱照明，房绪鹏等，Z 源逆变器空间矢量控制的 DSP 实现，电力电子技术，2005，39（6）：107-108。
论文作者:聂振宇
论文发表刊物:《河南电力》2018年8期
论文发表时间:2018/10/16
标签：电压论文; 逆变器论文; 电流论文; 太阳能论文; 装置论文; 电容论文; 电路论文; 《河南电力》2018年8期论文;