摘要：光伏发电的并网是现如今太阳能光伏发电发展研究的热点，而其中逆变器作为DC-AC的重要部件在光伏并网发电当中起到了重要的作用，由于现有的电压型逆变器以及电流型逆变器在原理上并不能满足我们的实际要求，因此，本论文运用了一种新型的Z源逆变器，它能够克服电压型以及电流型逆变器在这里的局限性，主要体现在逆变器和主电路之间的直通并利用这个使他成为一个既能升压又能降压的逆变器。本论文在深层分析了Z源逆变器的电路结构以及工作原理重点分析了Z源逆变器工作在电压模式的工作，对于电压型Z源逆变器的电路参数进行了分析，研究了基于Z源逆变器的光伏并网控制方案并选取了合适方案解决问题。
关键词：新型Z源逆变器；光伏并网；矢量脉宽调
引言
能源问题是目前社会上急需解决的难题，一些地区能源短缺严重，急需发展新能源。而太阳能作为一种几乎取之不尽用之不竭的新能源，又有着其他能源所没有的清洁性和普遍性，太阳能的开发已经越来越受到人们的重视。
光伏发电系统可以归类为三类[1]，第一类是孤岛光伏蓄电系统，这是典型的太阳能应用方式。在国内外应用已有一段时间，发展较为成熟，主要的优点是系统特别简单，有着广泛的适应性。第二种是本文涉及到光伏并网发电系统，当用本系统发电量不足以供给用户使用时，系统就会向市电购电，而当光伏系统尚有余力时，通过电网反馈其他用户。第三种则将前面的两者混合，这种系统介于上述两个方案之间。这种系统有极强的适应性。今太阳能光伏的主要发展前景就是并网，因此能够并网的太阳能发电技术代表了光伏的发展方向，是新世纪最有前景的能源转换技术。
1、Z源逆变器简介
1.1 发传统电压型逆变器和电流型逆变器的缺点
根据参考文献[2]电压型逆变器的结构，直流电压源提供电源，接着三相逆变桥完成逆变过程然后供给交流负载，简单实用。但是有几个缺点：1）这种逆变器只能够串联阻抗负载，否则不能正常工作；2）只能降压，如果有电压升高的要求，只能通过外接变压器实现，增加了额外的器件意味着成本，故障率，维修难度的增加；3）逆变桥的桥臂上下不允许直通，否则瞬间“爆炸”，引起崩溃。
参考文献[3]知，电流型逆变器由理想电流源供电通过逆变桥转换成交流电然后接入交流负载。电流源逆变器同样有着一些不足：1）电流源逆变器的负载不能是电容，换句话说只能并联电容，否则容易引起电路损坏；2）同电压源逆变器，不过这是一个升压的过程，而对于电压幅值跨度需要比较大的情况下，也只能采用变压器；3）电流型逆变器不允许开路，否则会损坏电路。
1.2 Z源逆变器
前面提到的电压型逆变器不能升压，电流型不能降压，而Z源逆变器解决此问题，Z源逆变器包含了由电感和电容组成的Z源网络使其克服了这个问题。
图1 Z源逆变器结构示意图
Z源逆变器得益于Z网络[4]，有着传统电压源或者电流源不可比拟的优点：输入电源可以使电压源也可以是电流源，采用电压型输入电源为电流源这时候Z源网络的输入阻抗小采用电流型时，则输出阻抗小
电压模式工作时，不会像电压型逆变器一样不能短路，电流模式工作时，不会像电流型逆变器一样不能开路。稳定性有了极大提升。同时做到了既能升压又能降压，输出电压能满足多种要求。
1.3 Z源逆变器电压模式的工作原理
前面提到过，当输入电源为电压源时，表示Z源逆变器工作在电压模式，这时候的逆变主电路则大致与传统电压源逆变器的逆变主电路相同，电流源工作模式运用类比也可以得出，因此，在本文中主要分析了电压型Z源逆变器，如果不特别指出，一般都是电压型Z源逆变器。
本文运用到的Z源逆变器可以用两级升压电路等效Z网络，由电源升压使他达到Z源网络中电容电压，接着再从电容电压升压升到输出电压。由于Z网络的存在，逆变桥一个或几个桥臂直通时，我们可以将其等效为负载被短路，电路如图六 而当我们的电路处于传统的六种非零电压状态时 ，逆变桥如图七所示，此时等效为电流源 ，而当电路处于两种零电压状态时，逆变桥可以用开路来代替。
图2 系统仿真模型
图3 仿真结果
2、基于Z源逆变器的光伏并网系统
2.1设计方案
本文吧太阳能电池输出的直流电相当于Z源逆变器的输入，变成高电压的交流电，当然我们可以再通过滤波，这时候就可以得到符合我国电网标准的220V，50HZ的正弦交流电，然后经过确定相位，就可以实现并网Z源逆变器担当了变压和逆变的任务，升压由Z源网络实现，逆变则由全桥逆变器部分实现。滤波电路是起到分离电网和并网系统输出的电压的作用同时，滤波电感会有一定的电流阻尼作用，从而保证控制系统稳定运行，滤出Z源逆变器输出端的谐波，保证输出形状良好正弦波形，还可以通过对电感电流的实时监控，输出和需要电压同频率相位的电压，达到以高功率因数回馈电网。
2.2控制方法
无差拍控制[5]是由卡尔曼在1959年提出来的一种数字化PWM控制方案，开始运用于逆变器的控制是20世纪80年代中期的事，它的优点通俗点来说就是快，准，狠——响应波动的速度快，控制精度高，控制的过程无对冲。之所以选取他做单相光伏并网中对于逆变器的控制，是因为可以借助他的性能提高逆变器的抗外界干扰的能力，这对光伏并网发电系统的并网非常的重要。无差拍控制有着很高的响应速度，是一种基于被控对象精确数学模型的方法。正应为它的快速的暂态响应，它非常适用于系统易受外部多因素干扰的光伏并网发电系统。这种控制方案的核心思想是根据逆变器的状态方程和输出的反馈回来的信息来计算下一个开关周期的PWM脉冲宽度。
3、实例计算
3.1 仿真建模
在MATLAB/Simulink环境下，建立Z源逆变器的并网及其控制系统的模型，如图2所示。
3.2 仿真结果分析
从图3可以看出，并网电流的直流分量比较大，大约为4%，我们为了解决这个问题，可以利用电容的通交阻直的特点，选择合适的电容并网，用来减少直流分量。从上面的的仿真结果可以看出来在这种控制方法作用下面，并网的电流跟踪电压的情况很好，并且功率因数接近1，电流正弦度较好谐波的成分较小，并且系统有着比较高的稳定性能。
4、总结
本文主要分析Z源逆变器的电路结构以及工作原理，重点分析了Z源逆变器工作在电压模式的工作原理以及波形特性并将其与传统逆变器做了比较。研究了基于Z源逆变器的光伏并网控制方案并选取了扰动观测法进行MPPT控制和无差拍控制进行并网电流控制。在控制方面，从本文搭建的数学模型可以看到，升压主电路和，逆变器电路两个模型之间相互耦合，如何运用控制方案对他们解耦，可以是本论文后续的发展方向。
参考文献
[1]王建学, 张耀, 万筱钟. 光伏出力特性指标体系和分类典型曲线研究[J]. 电力需求侧管理, 2017, 19(5):8-12.
[2]吴学智, 刘亚东, 黄立培. 三电平电压型逆变器空间矢量调制算法的研究[J]. 电工电能新技术, 2002, 21(4):16-19.
[3]吴春华, 肖鹏, 武慧,等. 一种新型三相电流型逆变器的研究[J]. 电工技术学报, 2007, 22(7):78-82.
[4]张杨俊, 王大伟, 闫民华,等. Z源逆变器[J]. 电源世界, 2011(4):21-24.
[5]李玉梅, 马伟明. 无差拍控制在串联电力有源滤波器中的应用[J]. 电力系统自动化, 2001, 25(8):28-30.
作者简介
孟庆红（1995.01-），女，汉族，太原清徐，本科，助理工程师，主要研究方向：光伏发电，智能电网等；Email：1445660398@qq.com。
论文作者:孟庆红,张泽慧
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
标签：逆变器论文; 电压论文; 电流论文; 光伏论文; 电路论文; 系统论文; 逆变论文; 《基层建设》2019年第26期论文;