基于Quasi-Z源逆变器的光伏并网系统

杨海柱，刘洁，吴菲

（1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作 454000；2.河南理工大学计算机科学与技术学院，河南焦作 454000)

基于Quasi-Z源逆变器的光伏并网系统

杨海柱1，刘洁2，吴菲1

（1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作 454000；2.河南理工大学计算机科学与技术学院，河南焦作 454000)

将具有连续电流输入的电压型Quasi-Z源逆变器(QZSI)应用于光伏系统。分析了该新型逆变器拓扑结构的工作原理，并提出基于Quasi-Z源逆变器的单级功率变换的光伏并网系统。将旋转坐标系下有功和无功电流解耦的控制思想应用于文中所提光伏并网系统实现并网功率的控制，并研究了该系统PWM信号产生的策略。Matlab/Simulink仿真证明了该控制策略的合理性和可行性。

Quasi-Z源逆变器；光伏并网；直通；解耦控制

太阳能发电要真正达到实用水平，既要提高太阳能光电变换效率并降低成本，又要实现太阳能并网。传统电压型逆变器是一种降压型逆变器，尤其在光伏输出电压工作范围比较大的场合，通常要在VSI输入的前端增加DC/DC变换器，从而使系统存在两级变换，降低了系统整体效率，增加了控制复杂度。同时，因电磁干扰而导致桥臂直通，会致使开关管由于瞬时过流而损坏，因此系统可靠性降低。为避免这一现象的发生，要在同一桥臂开关管互换导通之时加入死区时间，然而这种死区的加入会导致输出电压波形发生畸变。

QZSI[1]是继Z源逆变器(ZSI)[2-3]之后新近提出的拓扑结构，它采用由电感和电容组成的独特阻抗网络结构，通过控制直通占空比可以很容易实现与两级式逆变器类似的升/降压功能；且由于开关管允许桥臂直通，死区时间被去除，减小了输出电压、电流的失真。与两级电路相比，QZSI减少了一个开关管，减少了相应的控制电路和保护电路，从而可进一步提高系统的可靠性，降低系统的成本，具有单级逆变器的结构简单、高效率等优点。本文从具有连续电流输入的电压型QZSI主电路拓扑入手，深入分析QZSI的工作原理，提出了基于QZSI的光伏并网系统，采用有功电流和无功电流解耦的控制思想以及改进的PWM信号的产生来研究光伏并网系统，使之符合并网要求。

1 Quasi-Z源逆变器工作原理

图1为输入电流连续的电压型QZSI光伏并网系统拓扑，分为2种工作状态：直通与非直通[4]。直通时，QZSI阻抗网络中的电容放电，电感充电，二极管承受反压截止；非直通时，阻抗网络中的电感放电，维持电容电压，并使直流母线电压升高，此时，QZSI按传统电压型逆变器的SPWM调制来进行DC-AC的变换，从而实现光伏单级并网系统中升压与逆变功能。等效电路如图2。

图1 基于QZSI的光伏并网系统

图2 QZSI的2种工作状态

式(5)中QZSI电容C1的电压和ZSI中的电容电压相等，而电容C2的电压降低。由于QZSI的输入电压很容易被确定，则通过调节D和M即可实现升压。通过电容电压闭环反馈控制VC1为一个恒定值，则随着直通占空比的增大，QZSI的输入电压降低，输出电压升高，如图3、4所示。

图3 直通占空比与QZSI的输入电压关系

图4 直通占空比与QZSI的输出电压关系

2 QZSI光伏并网系统的控制

图5所示为QZSI光伏并网系统[5-8]的控制框图。通过采用有功和无功电流解耦的控制思想以及改进的SPWM调制策略实现并网要求。

图5 QZSI光伏并网系统的控制框图

2.1 并网功率的控制

将QZSI的输出电压、电流由静止三相A-B-C参考坐标系转换到旋转的同步坐标系中，则逆变器稳态时输出的有功功率和无功功率为：

从式(7)可知：当处于稳态时，只要能够有效地独立控制光伏并网逆变器输出的有功电流和无功电流，即可完全地实现逆变器的有功功率和无功功率的独立解耦控制[7]。

图6 有功和无功电流的解耦控制

2.2 QZSI的PWM调制

电压型QZSI光伏并网系统逆变器的PWM[8]调制相对于传统光伏并网电压型逆变器调制，多了一组直通零矢量开关模式，其开关控制因子为：直通占空比和正弦调制因子分别控制逆变器储能网络的升压和交流电压的输出。为实现直通零矢量，在传统的SPWM调制中，加入正负两个等于或大于三相参考电压峰值的直流电压恒值+和-，通过与三角载波比较来控制。图7所示为基于QZSI光伏并网系统的PWM信号产生的调制策略。当三角载波值大于正恒值+或小于负恒值-时，QZSI进入直通状态；当三角载波幅值介于二者之间时，QZSI进入传统的SPWM调制状态。

图7 PWM调制策略

3 仿真实验

利用Matlab/Simulink软件对所提出的基于QZSI的光伏并网系统搭建模型。阻抗网络参数1=2=2 mH，1=2=1 mF；电网电压为220 V，频率为50 Hz；电容参考电压=635 V，开关频率为10 kHz，并网电感3 mH，给定光伏电池直流输入电压为500 V，则直通占空比=0.175。图8为加入该直通以后的PWM调制脉冲，可以看出直通零矢量被平均地分配在了所有传统的零矢量中，且位置固定，位于传统零矢量的中间；从图9可以看出QZSI阻抗网络中的电容1电压通过闭环控制在635 V附近小幅震荡，电压稳定性较好；图10为三相并网电压和并网电流波形图；图11为a相并网电压和并网电流的相位比较图，电压、电流基本同相；图12为a相并网电流及其谐波分析图，=2.06%，输出并网电流失真较小；可见在QZSI光伏并网系统中，以及有功电流和无功电流解耦的控制下，并网电压与并网电流基本同相，系统功率因数较高，且输出电压与电流波形畸变率较小。

图8 加入直通的PWM调制脉冲

图9 电容C1的电压波形

图10 三相并网电压与电流波形

图11 a相并网电压和并网电流相位比较

图12 a相并网电流及谐波分析图

4 总结

本文论述并分析了基于Quasi-Z源逆变器的光伏并网系统，有如下特点：

(1)它是一个单级能量的变换系统，系统控制结构简单，可降低系统的总体成本和空间要求，独特的阻抗网络结构，使得系统允许直通，具有了传统逆变器没有的升压性能且极大地提高开关器件的可靠性，输出并网电流波形失真较小；

(2)基于Quasi-Z源逆变器的光伏并网系统的有功和无功电流解耦思想以及加入直通的PWM调制策略，较好地控制了输出电压电流并满足了并网要求。

仿真实验结果显示，电网电压与电流同频同相，具有较高的功率因数，验证了本文所提出控制策略的正确性和有效性。

[1]ANDERSON J，PENG F Z.Four Quasi-Z-source inverters[J].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2008,8(4):2743-2749.

[2]杨水涛，丁新平，张帆，等.Z-源逆变器在光伏发电系统中的应用[J].中国电机工程学报，2008,28(17)：112-118.

[3]张先飞，郑建勇，胡敏强.Z源逆变器光伏并网控制策略研究[J].电气传动，2009,39(10):8-13.

[4]周斌生，宋庆烁.Quasi-Z源逆变器电压电流双闭环控制统研究[J].电源技术，2011,35(9):1146-1150.

[5]PARK J H,KIM H G,NHO E C,et al.Power conditioning system for a grid connected PV power generation using a Quasi-Z-source inverter[J].IEEE Journal of Power Electronics,2010,10(1):79-84.

[6]李媛，彭方正.Z源/准Z源逆变器在光伏并网系统中的电容电压恒压控制策略[J].电工技术学报，2011,26(5):62-69.

[7]周维来，官二勇.风电并网逆变器用有无功率解耦控制的矢量控制策略[J].变频世界，2007(8):51-55.

[8]HUANG Y,SHEN M S,PENG F Z.Z-source inverter for residential photovoltaic system[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2006,21(6):1776-1782.

Grid-connected photovoltaic systems based on Quasi-Z-source inverter

YANG Hai-zhu1,LIU Jie2,WU Fei1

A grid-connected photovoltaic system using a voltage-source Quasi-Z-source inverter(QZSI)was presented.The working principle of this new type inverter topology structure was analyzed,and a single power stage conversion grid-connected photovoltaic power generation system based on Quasi-Z-source inverter was proposed. The active and reactive current decoupling control thought byrotating coordinate system was applied for realizing the control of grid power,and then the PWM signal generating strategy of this system was studied.The rationality and feasibility of the proposed control strategy were verified through MATLAB/Simulink.

Quasi-Z-source inverter;photovoltaic grid-connected system;shoot-through;decoupling control

TM 464

A

1002-087 X(2014)02-0290-03

2013-06-11

国家自然科学基金（61074095）

杨海柱(1975—)，男，河南省人，副教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为光伏并网发电技术。

刘洁，E-mail:liujie@hpu.edu.cn