鄧 強，楊燕翔，田 果，易忠堯，趙 帆

(西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610039)

基于三相Z源并網(wǎng)逆變器的間接單周控制策略

鄧 強，楊燕翔，田 果，易忠堯，趙 帆

(西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610039)

提出一種基于三相Z源網(wǎng)絡(luò)的間接單周控制方式，解決常規(guī)控制方式所帶來的系統(tǒng)復(fù)雜與響應(yīng)速度慢的缺點。結(jié)合Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)中輸入輸出關(guān)系，建立三相Z源并網(wǎng)逆變器狀態(tài)平均方程數(shù)學(xué)模型，運用單周控制原理推導(dǎo)控制方程，以實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。仿真結(jié)果表明，基于單周控制的三相Z源并網(wǎng)逆變器能在單個工頻周期內(nèi)(0.02s)實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，其輸出電流諧波畸變率小于1%，且輸出幾乎不受輸入電壓波動的影響。與傳統(tǒng)Z源并網(wǎng)逆變器比較，基于單周控制的間接電流控制方式能在沒有電流采樣環(huán)節(jié)的情況下快速實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，具有動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性較強、魯棒性較優(yōu)的特點。

三相Z源并網(wǎng)；單周控制；狀態(tài)平均方程；單位功率因數(shù)

0 引 言

近年來，世界范圍內(nèi)的能源供需矛盾日益突出，可再生能源的優(yōu)勢越來越凸顯出來，在其環(huán)保優(yōu)勢明顯以及成本快速下降的趨勢下，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)逐漸形成規(guī)模，成為當(dāng)今電網(wǎng)重要的成員之一，研究基于可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有其重要意義[1-3]?？稍偕茉窗l(fā)出的電能(如光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電)存在較大的波動，其電壓等級一般比較低，常規(guī)逆變電路需要在直流側(cè)加入升壓穩(wěn)壓電路提高輸入側(cè)電壓[4]，這樣的兩級拓?fù)潆娐方档土讼到y(tǒng)效率，增加了系統(tǒng)成本，Z源逆變器[5]的提出改變了這種模式，單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成了升壓穩(wěn)壓以及逆變的功能，其特有的阻抗網(wǎng)絡(luò)可允許同一逆變橋臂同時導(dǎo)通而不必插入死區(qū)時間，提高了并網(wǎng)電能質(zhì)量，因此Z源逆變器在可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注[6-7]。

目前，電流控制方式成了逆變器并網(wǎng)的主要控制方式[8-12]。針對Z源并網(wǎng)逆變的控制方式，文獻(xiàn)[8-9]提出了電流滯環(huán)控制方法來實現(xiàn)單相或三相并網(wǎng)系統(tǒng)的單位功率因數(shù)并網(wǎng)，但滯環(huán)控制本身的延時性會對控制效果產(chǎn)生影響；文獻(xiàn)[10-11]提出無差拍的電流預(yù)測控制方式降低了控制系統(tǒng)的延時性，但實驗中沒有驗證輸入電壓波動系統(tǒng)能否穩(wěn)定，其效果有待驗證；文獻(xiàn)[12]提出了比例諧振控制三相光伏逆變器并網(wǎng)，但控制效果仍依賴于電流傳感器的精度；文獻(xiàn)[13]提出了無電流傳感器的間接控制方式，其單相并網(wǎng)效果較好，可并沒有涉及到三相并網(wǎng)逆變器的研究。

本文提出一種無需電流采樣環(huán)節(jié)的三相Z源并網(wǎng)逆變器的間接單周控制方式。通過檢測Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓與設(shè)定電壓比較產(chǎn)生直通占空比，來實現(xiàn)Z源網(wǎng)絡(luò)的升壓功能與穩(wěn)壓功能，有效抑制輸入電壓波動對系統(tǒng)造成的干擾；建立三相Z源并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)平均數(shù)學(xué)模型，運用單周控制思想推導(dǎo)出系統(tǒng)控制方程，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。該控制方式的基礎(chǔ)為系統(tǒng)的平均狀態(tài)方程，運用單周控制原理，有別于傳統(tǒng)的基于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的間接電流控制方式的，有效地改善了系統(tǒng)響應(yīng)的速度。文章最后在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，建立Matlab仿真模型驗證了該控制方式的正確性與可行性。

1 系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)的推導(dǎo)

三相Z源并網(wǎng)逆變器的主電路如圖1所示，由于Z源網(wǎng)絡(luò)特有的直通狀態(tài)存在，所以其建模與控制和傳統(tǒng)逆變器有著較大的區(qū)別。文獻(xiàn)[14]將Z源網(wǎng)絡(luò)后級逆變橋及負(fù)載等效為一個電流源，構(gòu)建了Z源逆變器的簡化電路模型。文獻(xiàn)[5]通過Z源網(wǎng)絡(luò)直通與非直通的等效電路計算出了Z源網(wǎng)絡(luò)之間的電壓關(guān)系：

(1)

式中：D0為直通占空比;uin為輸入電壓。

圖1 Z源并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

在非直通狀態(tài)下，逆變橋直流鏈電壓udc為

(2)

由上式可以看出：通過調(diào)節(jié)直通占空比D0，便可以實現(xiàn)輸入電壓的升壓與降壓，不需要額外的中間級變換電路。

圖2 三相逆變橋的平均電路模型

三相橋式逆變電路模型為系統(tǒng)函數(shù)的另一組成部分，文獻(xiàn)[15]提出了如圖2所示的三相逆變橋平均電路模型，通過文獻(xiàn)[16]提出的一系列假設(shè)，可得A、B、C三點相對于N點的周期平均電壓為

(3)

設(shè)La=Lb=Lc=Lf，則A、B、C三點相對于交流電網(wǎng)中性點O的電壓值為

(4)

對于三相對稱電網(wǎng)電壓usa、usb、usc，有

usa+usb+usc=0

(5)

為實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓成比例關(guān)系。定義控制并網(wǎng)功率參數(shù)K，則有

(6)

結(jié)合式(4)、(5)、(6)可得

uAO+uBO+uCO=0

(7)

根據(jù)平均電路模型，uAO、uBO、uCO又可表示為

(8)

結(jié)合式(4)、(7)、(8),再根據(jù)式(3)，可得

(9)

式(9)為開關(guān)占空比與直流鏈電壓及電網(wǎng)電壓之間的關(guān)系，其系數(shù)矩陣為一奇異陣，該方程無唯一解，其解可表示為

(10)

由0≤da≤1，得

(11)

在中小規(guī)模逆變電路中濾波電感取值Lf通常取毫亨級,并網(wǎng)參數(shù)K<0.01，電網(wǎng)頻率為50Hz,可得

(12)

則K1的取值范圍為

(13)

對式(10)進(jìn)行適當(dāng)變形，可得

(14)

式中：K為并網(wǎng)功率參數(shù)，可控制并網(wǎng)功率；K2為電壓的采樣系數(shù)。

式(14)為不考慮Z源網(wǎng)絡(luò)情況下的單周控制方程，當(dāng)考慮Z源網(wǎng)絡(luò)的情下，由式(2)可得

(15)

式中：

(16)

式(15)為三相Z源并網(wǎng)逆變器的間接單周電流控制方程，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入電壓變化及電網(wǎng)電壓波動實時生產(chǎn)占空比da、db、dc，保證系統(tǒng)具有良好的抗擾動能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及魯棒性。

2 間接單周電流控制策略

圖3 控制電路結(jié)構(gòu)

直通脈沖發(fā)生器[16]為Z源并網(wǎng)逆變器控制的重要組成部分。為保證阻抗網(wǎng)絡(luò)電容電壓uC恒定，將參考值uref與實際電壓uC之差通過PI調(diào)節(jié)器，得到直通占空比D0，再與開關(guān)周期TS相乘得到直通脈沖時間，最終在控制信號的作用下產(chǎn)生脈沖信號。

圖4 控制電路結(jié)構(gòu)

3 仿真驗證

在提出理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上建立了仿真模型，以驗證所提出的三相Z源并網(wǎng)逆變器間接單周電流控制方式的可行性。仿真參數(shù)：直流輸入電壓uin=600V；阻抗網(wǎng)絡(luò)電感L1=L2=1mH,電容C1=C2=470μF；電網(wǎng)電壓為50Hz的220V三相對稱電壓，濾波電感Lf=1mH,R-S觸發(fā)器時鐘10kHz。

圖5 Z源并網(wǎng)逆變器輸出波形

設(shè)定Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓uC=675V，輸出功率6kW，逆變器輸出波形如圖5所示，直流鏈電壓udc和阻抗網(wǎng)絡(luò)電容電壓uC在啟動的兩個周期內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)定，超調(diào)量小于11%，其啟動時電容上的沖擊電壓較??；輸出電能實現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)，并網(wǎng)電流的諧波畸變率0.81%，其頻譜如圖6所示。

圖6 并網(wǎng)電流iL頻譜

在分析輸出波形滿足要求過后，改變輸入電壓可分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖7所示，在0.9s時，直流電壓uin=570V，并伴隨有20V的電壓波動，其并網(wǎng)電流iL幾乎不受影響，電容電壓經(jīng)過一個工頻周期的小幅波動后繼續(xù)穩(wěn)定在675V。

圖7 直流輸入電壓突變時的輸出波形

當(dāng)改變輸出功率時，其并網(wǎng)輸出電流如圖8所示，其電流能根據(jù)指令變化迅速達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，其系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性表現(xiàn)良好。

圖8 改變功率參數(shù)后的電流波形

4 結(jié)束語

本文提出一種基于單周控制的三相Z源并網(wǎng)逆變器的間接電流控制方式。該控制方式建立在系統(tǒng)的平均狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，其動態(tài)特性優(yōu)于傳統(tǒng)間接控制方式，同時結(jié)合單周控制方式，具有動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性較強、魯棒性較優(yōu)的特點，理論分析與系統(tǒng)仿真驗證了上述結(jié)論。該控制方式實現(xiàn)方式簡單，無需電流采樣環(huán)節(jié)，成本低，在小功率可再生能源并網(wǎng)發(fā)電具有一定的實用價值。

[1] Ma Z, Wang H, Wu A, et al.An Intelligent Decision Support System for Residential Energy Consumption and Renewable Energy Utilization in Rural China[J]. Energy Source Part B-Economics Planning and Policy，2014(8):374-382.

[2] Chowdhury S H, Oo, A M T .Study on electrical energy and prospective electricity generation from renewable sources in Australia[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews,2012(11): 6879-6887.

[3] Benli H .Potential of renewable energy in electrical energy production and sustainable energy development of Turkey: Performance and policies[J].Renewable Energy,2013(2)：33-46.

[4] Xue Yaosuo,Chang Liuchen,Kjaer S B,et al.Topologies of single-phase inverters for small distributed power generators:an overview[J].IEEE Transsctions on Power Electronics,2004(5):1305-1314.

[5] 彭方正，房緒鵬，顧斌等.Z源變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2004,19(2):47-51.

[6] 楊水濤，丁新平，張帆等.Z源逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報，2008,28(17):112-118.

[7] 高奇. Z源逆變器的主電路研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[8] 顧和榮，楊子龍，鄔偉揚.并網(wǎng)逆變器輸出電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)研究[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(9)：108-112.

[9] 黃金軍，鄭建勇，尤鋆等.基于電流滯環(huán)控制的Z源三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備,2010,30(10): 94-99.

[10]吳鳳江，孫秀冬，孫力等. 單相電壓空間矢量無差拍控制Z源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[J].中國電機工程學(xué)報，2010,30(31): 22-27.

[11]楊勇，阮毅，葉斌英等.三相并網(wǎng)逆變器無差拍電流預(yù)測控制方法[J].中國電機工程學(xué)報,2009,(33):40-46.

[12]王繼東，朱雪玲，蘇海濱等. 三相光伏并網(wǎng)Z源逆變器的比例諧振控制[J].電機與控制學(xué)報，2010,14(4):86-91.

[13]侯世英，肖旭，張闖等.Z源并網(wǎng)逆變器的間接單周電流控制策略[J].電機與控制學(xué)報，2011,15(9)：18-23.

[14]Loh P C,Vilathgamuwa D M, Gajanayake C J,et al. Z-source current-type inverters: digital modulation and logic implementation [C]. IEEE IAS, 2005: 940-947.

[15]Qiao Chongming,Smedley Keyue M. Unified Constant-Frequency Intergration Control of Three-Phase Standard Bridge Boost Rectifiers With Power-Factor Correction[D]. IEEE Trans. on Industrial Electronics,2003,50(1):100-107.

[16]肖旭.阻抗源并網(wǎng)逆變器的拓?fù)涓倪M(jìn)及其單周控制策略研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2012.

(責(zé)任編輯：林海文)

Study of Indirect One-cycle Control Strategy Based on Three-phaseZ-source Grid-connected Inverter

DENG Qiang,YANG Yanxiang,TIAN Guo,YI Zhongyao,ZHAO Fan

(School of Electrical and Information Engineering , Xihua University , Chengdu 610039 , China)

In this paper, an indirect one-cycle control strategy based on three-phase Z-source network is proposed to solve the disadvantages of complex system and slow response in the conventional control mode. Combined with the relationship between input and output of Z-source impedance network, the mathematical model of three-phase Z-source grid-connected inverter is built based on state-average equations, and the control equation is deduced according to one-cycle control principle, which make inverter connect to power grid with unit power factor. Simulation results show that the three-phase Z-source grid-connected inverter based on one-cycle control can realize grid connecting with unit power factor in single power cycle (0.02s), the harmonic distortion rate of output current is less than 1%, and the output almost is not affected by input voltage fluctuation. Comparing with traditional Z-source grid-connected inverter, the indirect current control mode based on one-cycle control can achieve grid connecting with unit power factor rapidly in the absence of current sampling, which has such advantages as fast dynamic response, strong stability, and good robustness.

three-phase Z-source grid connecting; one-cycle control; state-average equation; unit power factor

1007-2322(2015)04-0074-05

A

TM4

西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(yljj2014082)

2014-08-01

鄧 強(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子技術(shù)及其運用，E-mail:1029170956@qq.com；

楊燕翔(1963—)，男，教授，研究方向為現(xiàn)代信號處理及其運用，E-mail:yyx@mail.xhu.edu.cn；

田 果(1992—)，女，碩士研究生，研究方向為分布式電源的并網(wǎng)，E-mail:tianguoxihua@163.com；

易忠堯(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，E-mail:414325058@qq.com；

趙 帆(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)，E-mail:1760460184@qq.com。