基于SVPWM控制的Z源光伏逆变器的实现

聂振宇

江西省交通设计研究院有限责任公司 江西 南昌 330000

1 引言

Z源变流器通过控制器件直通占空比来进行直流电压值的变换,不但简化了拓扑结构提高了效率而且适用于输入电压变化很大的场合,这样使其适用于新能源发电尤其是光伏发电。Z源电压型逆变器是Z源变流器的一种,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]。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。

2 新型Z源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1所示。

图1 新型Z源电压型逆变器工作模式1等效电路图

由于Z源网络元件参数的对称性,有以下等式成立：

直通时,逆变器直流链电压V in＝0,二极管D1由于承受反压而关断。假设直通时间的占空比为D0,根据基尔霍夫电压定律有下式成立：

非直通时,二极管D1导通,其等效电路图如图2所示(如逆变器处于传统零矢量时,可认为i in＝0)。

图2 新型Z源电压型逆变器工作模式2等效电路图

此时,有下式成立：

由于Z源逆变器中电容容值较大,可以认为电容电压基本不变,根据电感的伏秒平衡原理,有

实用中,一般直通占空比D0＜0.5,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。

传统Z源电压型逆变器启动时由于电容电压为零,冲击电流很大,对开关管的安全工作造成重大影响,甚至损坏开关管。而新型Z源电压型逆变器在启动时,逆变器开关管一般处于截止状态,这样可以通过合适的软启动策略来限制启动电流大小,防止开关管承受过大的电流应力而损坏。

3 调制策略以及电压前馈反馈控制

新型Z源电压型逆变器的调制策略与传统Z源电压型逆变器的调制策略是一样的,可以采用简单升压调制方式、最大恒定升压调制方式、最大升压调制方式、三次谐波注入调制方式、空间电压矢量调制方式等,为了提高直流电压的利用率,光伏照明系统新型Z源逆变器采用了空间电压矢量调制方式。为了减小开关器件的开关次数,直通零矢量安排在两个有效矢量之间以及有效矢量和传统零矢量之间。为了减小Z源网络中的电感值,采用单相直通方式来增加电感电流的脉动频率。在三相半桥逆变器中,某相上臂导通下臂关断用“1”表示；下臂导通上臂关断用“0”表示,上下臂直通用“2”表示。某时刻,假设需要构造的电压参考矢量处于第Ⅰ扇区,则需要矢量100以及矢量110和传统零矢量000或111来合成。考虑到减小谐波以及合理地安排直通零矢量减小开关损耗,此时作用脉冲序列要对称分布,可安排为000→200→100→120→110→112→111→112→110→120→100→200→000。相邻两个矢量切换时只需一个开关改变状态,这样降低了开关损耗。其中200,120,112为单相直通零矢量,每段作用时间为D0T/6。有效矢量100,110的作用时间可以按照矢量合成的方法计算出来,传统零矢量000,111的作用时间在去除了有效矢量时间以及单相直通零矢量时间后可以确定下来。其他扇区的参考电压矢量的脉冲序列可按照类似的方法合成。

要保证Z源逆变器输出基波交流电压值保持不变,需要根据输入电压值以及负载情况调节直通占空比D0以及调制比M,此时需要调节两个参数D0和M,这样会给控制环的设计以及参数的整定带来麻烦,一般都是先选择合适的调制比M,然后固定不变,改变直通占空比D0调节逆变器直流链电压。再者,如果设计两个闭环来保持输出基波交流电压不变,由于两个闭环存在着耦合关系,较难保证整个系统的稳定性。为了简化控制系统设计,保证整个系统的稳定性,引入了电压前馈加反馈控制,把输入电压变化对输出基波电压的影响作为大扰动,而把负载变化对输出基波电压的影响作为小偏差。对于Z源逆变器输入电压的变化采用前馈补偿控制策略,直接通过采样输入电压控制直通占空比D0,使逆变器直流链峰值电压维持恒定,实现直流链峰值电压的粗调,抑制输入电压扰动的影响。对于逆变器负载变化采用输出电压基波峰值反馈控制方案,由于输出电压峰值为一直流量,当调节器采用PI调节器时不存在稳态调节误差,实现直流链电压峰值的细调以及抑制负载扰动的影响。新型Z源电压型逆变器控制框图如图3所示。图中V R为给定值,即希望加在负载上的基波峰值电压,为反馈值。给定值与反馈值比较后,偏差值输入带限幅的PI调节器后得到参考电压值,通过电压空间矢量调节算法得到有效矢量的作用时间和传统零矢量作用时间,然后在与前馈计算中得到直通占空比进行信号合成,将传统零矢量的一部分作用时间变成直通零矢量作用时间。根据计算出来的各个矢量作用时间合理排列好矢量作用脉冲序列,通过驱动电路驱动Z源电压型逆变器的开关器件,产生所需的基波电压值。

图3 光伏照明系统新型Z源逆变器控制框图

4 实验结果及结论

光伏照明系统新型Z源电压型逆变装置研制出来后对其进行了稳态运行实验以及启动实验,装置元件参数为：Z源逆变器输入直流电压Vdc为250V,光伏电板等效电阻1Ω,Z源电感L1、L2为0.6m H,Z源电容C1、C2为2200u F,输出滤波电感L为1m H,输出滤波电容C为15u F,灯负载单相等效电阻为15Ω,等效电感为0.1m H,输出交流电频率为50Hz,额定相电压有效值为110V,采用SVPWM调制方式,直通占空比额定值为0.19,调制比额定值为0.778。实验结果图如图4所示

图4 光伏照明系统Z源逆变器稳态运行实验波形图

图4为新型Z源逆变器稳态运行时的相关电参量波形图,图4(a)为新型Z源电感电流波形,图4(b)为新型Z源电容电压波形,图4(c)为新型Z源逆变器直流链电压Ud波形,图4(d)为新型Z源逆变器滤波后输出A相相电压UA波形图。从图中可以看出新型Z源逆变器电容电压为74V,大大低于直流输入电压,Z源电感电流平均值约为10A,直流链电压峰值为400V。