农光互补准Z源容错逆变器研究

王树文，徐天龙，胡锦超，郭万伟，高嘉莹，李修贤，于　成，巩彦江

（1.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨　150030；2.国网冀北电力有限公司唐山供电公司，河北　唐山　063000）

光伏农业是光伏发电与农业种植、养殖、机械动力结合，在农业大棚上搭建不同透光能力光伏组件，通过电压源逆变器将直流电转变成交流电，满足大棚种植电力需求。

在传统电源逆变器中，应用最多为桥式电压源逆变器。该逆变器具高效率、低成本、操作简单等特点。电压源逆变器缺点是逆变后电压降低且每相输出波形发生畸变[1-2]。当电压源逆变器开关管发生故障时，电压源逆变器不能正常使用，难以提前判断开关管故障，因此在农业应用中经济损失较大。为克服传统电压源逆变器供电不足问题，学者研究逆变器开关管故障容错解决方案[3-4]。Rittenberg等采用Z源逆变电路，需额外桥臂、三相二极管桥和机械换向器[5]。Li等研究逆变器容错性能，通过固有冗余电压空间矢量实现，虽无需增加额外电子器件，但开关器件需承受整个直流母线电压且容错后最大线性调制比仅为正常工作时1/2[6]。Gao等研究双Z源逆变电路重新配置门信号，允许连续操作零共模电压，保持输出电压质量和幅值[7-8]，但此解决方案需两个Z源逆变器实现。研究发现，可同时对短路故障和开路故障作容错控制方法，该方法基于一种附加IGBT三电平拓扑结构，虽然三电平逆变器输出功率提高，但附加开关器件为系统带来新冗余开关状态，增加功率损耗[9-11]。上述逆变器在开关管故障模式下的解决方案，均存在冗余支路和功率损耗等问题。

本文提出一种新型三相多电平T型准Z源（T型SL-qZSI）农光互补逆变器拓扑结构。该拓扑结构除继承传统Z源逆变器优点外，具有输出多电平电压优点；当逆变器开关管发生故障时，通过改变逆变器调制策略，不需添加额外桥臂分支或收集开关状态可使逆变器正常工作，保证光伏大棚内部稳定供电。通过理论分析、仿真和试验，验证该新型拓扑适用性和优越性。

1　光伏大棚及逆变器拓扑提出

1.1　农光互补光伏大棚

光伏大棚采用透光型非晶硅薄膜电池组件。非晶硅电池片厚度不到2 μm，是传统晶硅光伏电池片厚度1%，无法穿透传统晶硅组件太阳光可透过非晶硅薄膜式光伏电池照射到棚内植物。使太阳光中利于植物光合作用所需主要光谱区中波长640～660 nm红光部分和波长400～500 nm蓝光部分能穿透大棚屋顶光伏电池被植物吸收，其余部分被光伏电池吸收转换成电能，为光伏大棚内照明、水泵、供热设备等提供电力。系统结构如图1所示。

图1　光伏大棚结构Fig.1　Structure of photovoltaic greenhouse

1.2　新型多电平容错逆变器拓扑

由光伏大棚结构图可知，逆变器在光伏大棚中起连接太阳能电池板和用电设备作用，为保证系统稳定运行重要部件。因此，为提高光伏大棚电能利用率及改善传统逆变器不足[12-14]，提出新型三相多电平T型准Z源逆变器（T型SL-qZSI），拓扑如图2所示。

该逆变器包括两个相同SL-qZSI网络，在电容C3和C4间具公共连接点。SL-qZSI网络在公共连接点处，连接三个双向开关，公共连接点连接到T型三电平电压源逆变器。该拓扑主要特点是在正常工作条件下，可输出多电平电压，电平数越多，输出电压谐波含量越少，输出电压质量越高；在故障条件下，可改变调制策略，调整拓扑结构，使发生故障逆变器具有容错能力，可为光伏大棚内部持续供电。

图2　改进型T型准Z源逆变器Fig.2　Modified quasi-Z-source T-type inverter

该新型拓扑可分为直通和非直通模式工作。在直通模式下，相控支路开关管将导通，提升存储在SL-qZSI网络电感中能量，提高升压因子。在非直通模式下，将存储在SL-qZSI网络电感中能量和DC源中能量传送至负载。

1.3　逆变器工作原理

新型三相多电平T型准Z源逆变器等效电路如图3所示。

假设所有器件均为理想状态，光伏大棚中用电设备由电阻和电感代替，Vin为输入电源电压，二极管D1，D2在直通状态起反向阻断作用。结果见图3。

当逆变器处于非直通电压状态时，等效电路如图4所示。

图3　改进型准Z源T型逆变器等效拓扑Fig.3　Improved quasi-Z-source T-type inverter equivalent topology

图4　改进型准Z源T型逆变器非直通状态Fig.4　Improved quasi-Z-source T-type inverter is not straight state

此时二极管承受正向压降而导通，根据KVL定理可得：

当逆变器处于上直通状态时，此时二极管D1承受正向压降而导通，二极管D4承受反向压降而截止，电感L1，L2，L3及电容C5存储能量，电容C1，C3释放能量，等效电路如图5所示。

当逆变器处于下直通状态时，此时二极管D1承受反向压降截止，二极管D4承受正向压降导通，电感电容能量转换与上直通状态相似，等效电路如图6所示。

图5　改进型准Z源T型逆变器上直通状态Fig.5　Direct current state diagram of the modified quasi-Z-source T inverter

图6　改进型准Z源T型逆变器下直通状态Fig.6　Direct current state diagram of the modified quasi-Z-source T inverter

根据KVL定理可得：

由（4）可知，在直通状态下，电感L1两端电压为

由（1）可知，在非直通状态下，电感L1两端电压为

根据伏秒平衡原理，在一个开关周期T内电感两端电压积分为0，设直通时间为DT，非直通时间为(1-D) T ，则由式（6～7）可得

根据伏秒平衡原理可得

化简可得

由式（8）（10）可得

综合前述推到可得

因此，经升压因子后输出母线电压（DC）可通过以下等式表示[22]：

其中，B是升压因子，D是由D=TstT给出直通占空比，Tst是总直通时间间隔，T是开关周期。

1.4　调制策略

T型SL-qZSI使用相移正弦脉冲宽度调制（PSPWM）方法。该调制方法包括3个正弦调制信号和2个高频载波信号，2个高频载波信号间相移为180°。当载波高于或等于调制波顶部包络线直线时，调制策略可使逆变桥产生直通；当载波等于或低于调制波底部包络线直线时，调制策略可使逆变桥产生直通，缩短SL-qZSI网络中电感充电时间。该逆变器一相PS-PWM调制策略如图7所示。

图7　电源逆变器系统一相调制策略Fig.7　Modulation strategy of one phase of power supply inverter system

Up是等于或高于调制波顶部包络线直线信号，当载波幅值高于Up时，逆变桥直通。Un是等于或低于调制波底部包络直线信号，当载波幅值低于Un时，逆变桥直通。S1是控制S1开关管触发信号，S2是控制S2开关管触发信号，S3是控制S3开关管触发信号，ST是控制桥臂直通触发信号。

2　逆变器开关管故障模式下系统操作

2.1　T型SL-qZSI开关管故障模式下系统操作

当光伏大棚逆变器出现故障时，光伏大棚内部电力终止。为保证逆变器出现故障时仍可保证光伏大棚内部电力供应，需改变相应调制策略。当逆变器开关管故障时，重新配置功率开关管，使T型SL-qZSI获得额外电压电平正常工作。在全桥逆变器中，考虑桥臂（S1,S4,S7或S3,S6,S9）开关管开路故障，且故障条件下，使用原调制方案不能保证电压、电流对称。因此，为使逆变桥能够正常提供负载使用交流电压和电流，将改变电源逆变器调制策略。如图8所示。在故障情况下，通过禁用上部或下部故障相开关管，并且永久接通连接到SL-qZSI网络公共点双向开关管，产生6个开关代替9个开关三相三电平半桥逆变器新拓扑。如图8所示，A相上部开关管发生故障，将禁用开关管S3，且将双向开关S2永久接通，以获固定电压值。

图8　A相桥臂上下开关管故障等效电路Fig.8　A-phase bridge arm up and down switch failure equivalent circuit

调制策略也要做相应改变，用两个线电压参考信号代替三个相电压正弦调制信号。正常状态下逆变器三相电压正弦调制信号为：

当A相桥臂故障时，逆变器输出相压UA=0，调整B、C间相位角从120°减小为60°，故障重构后，通过以下调制函数确保负载两端产生平衡电压：

根据公式（2），输出线电压将表示为：

最后使用 AMOS 检验模型整体的拟合程度，各指标结果如表4 所示。测量模型的拟合指数结果显示，χ2/df=2.34，RMSEA=0.078，CFI=0.891，PNFI=0.726，PGFI=0.672，GFI=0.837，这说明收敛效度较高。各指标基本达到相关指标的评价标准，说明数据与模型拟合得较好。

该电路配置和调制策略导致输出电压减小13，变压器降额运行。因此，需用调制指数增加或改变直通占空比方法补偿输出电压减小，二者相比，增加直通占空比方法更有效。但最大直通占空比被（1-m）限制，输出电压不能无限制增加。

3　仿真和试验结果

3.1　试验设备

试验设备样机由光伏组件、逆变器、电阻、电感等构成，如图9所示。

图9　试验样机图片Fig.9　Test prototype picture

3.2　新型逆变器开关管故障模式下仿真结果

在T型SL-qZSI理论分析基础上，在光伏大棚光照充足，照明、供热、水泵等负载R=10 Ω，电感L=10 mH条件下，通过MATLAB/Simulink软件提出拓扑仿真，仿真参数直流输入电压Vin为12.5 V，拓扑电容 C3，C4为1.5 mF，拓扑电容C1，C2，C5，C6为 1.2 mF， 拓 扑 电 感 L1， L2， L3，L4，L5，L6为 390 μH，开关频率为 6 kHz，阻性负载R为10 Ω，阻性负载L为10 mH。

该电路由12.5 V直流源供电并通过SL-qZSI将直流母线电压升压至100 V。当m=0.75和D=0.25时，t=4.8 s前后A相开关管S1正常和开路故障模式下仿真。负载三相电流，支路到公共点电压（UAO）和负载电压（UAN）仿真结果如图10所示。

由图10可知，支路到公共点三电平电压UAO和负载电压七电平电压UAN。然而，在t=4.8 s发生故障后，电压和电流不平衡。电压电平数量减少，A相电流失真。

图10　S1故障前后仿真结果Fig.10　Simulation results of S1before and after the failure

在相似条件下，当t=4.8 s时，即开关管故障后，重新配置电路且根据等式（2）改变调制函数。在此情况下，保持调制指数和直通占空比不变。仿真结果见图11。开关管故障改变调制策略后，支路到公共点电压（UAO）、负载电压（UAN）和负载电流平衡，负载电流和电压均减小。由于电源逆变器重新配置（双向开关S2永久接通），故障支路和SL-qZSI网络公共点之间电压变为0。

图11　S1故障前后重构电路仿真结果Fig.11　Reconstruction of circuit simulation results before and after S1fault

由上述可知，可通过调制指数或直通占空比增加补偿负载电流和电压减小。故障后通过调整调制指数m和直通占空比D补偿该减小。在故障前m=0.75，D=0.25和故障后m=0.7，D=0.3获负载电流，支路到公共点电压（UAO）和负载电压（UAN）仿真结果如图12所示。

由图12可知，在故障状态之后，虽然负载电流减小，但可快速恢复到初始幅值。同理A相负载电压幅值也能恢复至初始幅值。通过改变直通占空比（D）可增加直流母线DC电压幅值，故障后下降电压电平恢复。调制指数（m）仅对占空比有影响，但从有效值（RMS）电压角度，使幅值增加。由于电路配置和调制参数改变，负载电压电流均恢复至故障前幅值。

图12　S1故障前后重构并补偿电路仿真波形Fig.12　S1fault before and after the reconstruction and compensation circuit simulation waveform

验证故障后，A相负载电流和电压失真增加较多。然而，随电路重新配置和调制策略改变，负载电流THD仅有微小增加。对于负载电压，虽然THD增加较高，但在可接受范围内。

3.3　新型逆变器开关管故障模式下试验结果

试验于东北农业大学园艺实验站作光伏大棚系统研究，见图13。

表1　负载电流电压THD对比Table 1　THD comparison of load current and voltage

图13　光伏大棚系统Fig.13　Photovoltaic greenhouse system diagram

使用相同仿真参数试验验证，在光伏大棚光照充足，照明、供热、水泵等负载R=10 Ω，电感L=10 mH条件下，验证提出系统特性和仿真结果准确性。因此，取m=0.75和D=0.25，对于S1正常和开路故障模式操作。负载电流，支路到公共点电压UAO和负载电压UAO获得波形如图14所示。

故障后，电压和电流不再平衡，电压电平数量受故障影响。为解决此问题，须重新配置电路，使用相同参数修改调制策略。利用上述故障后校正方法试验结果如图15所示。

图14　S1故障前后试验结果Fig.14　S1before and after the failure of the experimental results

图15　S1故障前后重构电路试验结果Fig.15　Experimental results of reconstruction circuit before and after failure S1

使用此策略电压和电流降低，但可维持负载平衡。试验结果与模拟结果相似。在改变调制策略后，负载电压和电流虽然平衡，但幅值均下降，为补偿由开关管S1故障引起负载电压电流减小，再次改变占空比和调制指数，使负载电流恢复至初始值，补偿试验结果如图16所示。

试验中，故障前参数m=0.75和D=0.25，故障后参数m=0.7和D=0.3。验证故障之后电流幅值恢复。开关管故障前后负载电流和电压THD试验结果如表2所示。

图16　S1故障前后重构并补偿电路试验结果Fig.16　S1before and after the failure of reconstruction and compensation circuit experimental results

表2　正常和故障模式负载电流和电压THDTable 2　Normal and fault mode load current and voltage THD

由表2可知，所得数据略高，但可正常使用。该新型逆变器在正常和故障工作条件下，均可为光伏大棚和并网稳定供电。

4　结论

为提高光伏大棚电能利用率并完善传统逆变器，提出三相多电平T型准Z源逆变器拓扑，通过理论分析，试验和仿真证明该新型拓扑合理性和优越性。该三相多电平T型准Z源逆变器具有如下优点：

a.光伏大棚新型逆变器可将波长为640～660 nm红光部分和波长为400～500 nm蓝光部分更好透过大棚屋顶被植物吸收，并可将其余波长光波转化为电能，显著提高光能利用率和电能利用率，保证光伏大棚内用电。

b.光伏大棚新型逆变器输出多电平电压，电压谐波含量少，在相同直通占空比情况下，具更高升压能力，较小直通占空比即可获较高升压因子，增大调制比范围，提高输出电能质量和光伏大棚系统稳定性。

c.光伏大棚新型逆变器采用相移正弦脉宽调制方法作为调制策略，当三相多电平T型准Z源逆变器发生逆变桥故障时，不需额外相位支路或收集开关信号，仅改变调制策略可正常运行。由某些特定故障引起负载电压下降可通过该拓扑升压特点补偿。新型多电平容错逆变器仿真和试验验证结果表明，可改变拓扑结构和修改调制策略减轻故障，为光伏大棚供电和并网稳定性和与靠性提供保障。