王樹(shù)文，王世龍，張　洋（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱150030）

儲(chǔ)能型光伏Quasi-TZ源逆變器研究

王樹(shù)文，王世龍，張洋
（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱150030）

帶儲(chǔ)能元件準(zhǔn)Z源（Quasi-Z source）逆變器可平衡光伏陣列能量注入電網(wǎng)時(shí)所產(chǎn)生波動(dòng)，傳統(tǒng)帶儲(chǔ)能元件準(zhǔn)Z源逆變器在蓄電池放電時(shí)因輸出電流不連續(xù)而產(chǎn)生功率損耗，升壓能力局限性大。文章提出儲(chǔ)能型光伏Quasi-TZ源逆變器拓?fù)?，解決蓄電池放電時(shí)功率損失問(wèn)題，緩解傳統(tǒng)Z源系列逆變器啟動(dòng)時(shí)電流沖擊，利用T源逆變器升壓能力拓寬輸出功率范圍。提出儲(chǔ)能型光伏Quasi-TZ源逆變器控制策略，提高輸出電壓穩(wěn)定性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性和優(yōu)越性。

Quasi-TZ源逆變器；光伏發(fā)電；儲(chǔ)能型逆變器；并網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2016-6-17 15:22:12[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160617.1522.018.htm l

王樹(shù)文,王世龍,張洋.儲(chǔ)能型光伏Quasi-TZ源逆變器研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,47(6):97-106.

Wang Shuwen,Wang Shilong,Zhang Yang.Study on energy-storaged photovoltaic Quasi-TZ source inverter[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(6):97-106.(in Chinese with English abstract)

光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列輸出電壓需通過(guò)功率變換器轉(zhuǎn)化為交流電并網(wǎng)供用戶(hù)使用。傳統(tǒng)電壓源型逆變器需先通過(guò)升壓變換，使直流母線(xiàn)電壓高于額定值后逆變，針對(duì)這一局限，劉孝輝等提出Z源逆變器以及Quasi-Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)打破傳統(tǒng)逆變器思維定勢(shì)[1]，簡(jiǎn)化光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)電感電容，二極管Z組成阻抗網(wǎng)絡(luò)使逆變器電路允許直通狀態(tài)，無(wú)傳統(tǒng)逆變器直通短路顧慮，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

蔡春偉等在準(zhǔn)Z源逆變器基礎(chǔ)上提出增強(qiáng)型Z源逆變器概念[2]，增大升壓能力減小電壓應(yīng)力。Soon等提出Σ-Z源逆變器得到更高直流到交流電壓增益[3]。Loch等提出Γ源逆變器綜合上述優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但存在電感易飽和、發(fā)熱量等缺點(diǎn)無(wú)法應(yīng)用于生產(chǎn)[4]。

新型Z源逆變器不斷出現(xiàn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷更新，為更好地將Z源系列逆變器應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，儲(chǔ)能裝置加入Quasi-Z源逆變器中。Gte等提出儲(chǔ)能型Z源逆變器能有效將光伏發(fā)電系統(tǒng)多余能量?jī)?chǔ)存在蓄電池中，通過(guò)對(duì)蓄電充放電控制減小輸入端功率突變對(duì)電網(wǎng)沖擊[5]。這種結(jié)構(gòu)也存在啟動(dòng)電流沖擊大、輸出電流不連續(xù)、功率輸出范圍不靈活等問(wèn)題[6]。

本文在已有Z源系列逆變器基礎(chǔ)上，提出一種將雙變壓器引入Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)新式儲(chǔ)能型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器。在理論分析與仿真驗(yàn)證下，證明儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器可有效緩解已有Z源系列逆變器啟動(dòng)沖擊過(guò)大問(wèn)題，維持輸出電流連續(xù)，因引入雙變壓器特殊結(jié)構(gòu)，具有相比傳統(tǒng)Z源系列逆變器更大更靈活升壓能力，拓寬逆變器輸出范圍。儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器可應(yīng)用于輸入輸出端電壓波動(dòng)范圍較大的光伏發(fā)電、燃料電池汽車(chē)等領(lǐng)域。

1　傳統(tǒng)Z源系列逆變器

Z源逆變器及在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的一系列新型逆變器，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。Z源系列新型逆變器共同特點(diǎn)是在電路中引入由電感、電容和二極管組成特殊結(jié)構(gòu)阻抗網(wǎng)絡(luò)，使逆變器電路逆變橋同一橋臂上兩開(kāi)關(guān)管可導(dǎo)通，允許直通零矢量發(fā)生，無(wú)傳統(tǒng)逆變器直通短路顧慮，使逆變器穩(wěn)定性與安全性提高，Z源逆變器通過(guò)控制直通時(shí)間使直流母線(xiàn)電壓升高或降低，有效拓寬功率輸出范圍。

Z源逆變器是對(duì)傳統(tǒng)逆變器結(jié)構(gòu)的重要改革。去掉傳統(tǒng)光伏功率變換器DC-DC部分，直接通過(guò)引入一個(gè)X型交叉阻抗網(wǎng)絡(luò)將光伏組件與逆變橋耦合，Z網(wǎng)絡(luò)主體部分有兩個(gè)參數(shù)相同電感L1、L2與相同電容器C1、C2組成，這種結(jié)構(gòu)直接將光伏輸入與橋式逆變電路耦合。不同于傳統(tǒng)逆變器結(jié)構(gòu)，這種特殊耦合方式允許電路工作在直通和非直通兩種狀態(tài)，為直流升壓變換器提供新升壓機(jī)制。

Z源逆變器輸入端靈活，傳統(tǒng)意義上電壓源和電流源均可。Z源逆變器應(yīng)用范圍廣泛。尤其在光伏發(fā)電應(yīng)用上，光伏陣列并非傳統(tǒng)意義上電壓源與電流源，其他升壓變換器可能遇到局限性，Z源逆變器均可解決[7]。

在Z源、準(zhǔn)Z逆變器基礎(chǔ)上，Soon等提出具有儲(chǔ)能作用儲(chǔ)能型Quasi-Z源逆變器[3]。儲(chǔ)能型Quasi-Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備并聯(lián)在準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)中電容C2兩端用于平抑光伏電池在能量注入電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生能量波動(dòng)。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，光能由光伏陣列轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)Quasi-Z源逆變器升壓并逆變?yōu)榻涣麟姴⒕W(wǎng)使用。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管直通占空比調(diào)節(jié)可控制直流母線(xiàn)輸出電壓。蓄電池根據(jù)發(fā)電量與負(fù)載不同充電或放電。由于直流母線(xiàn)電流id會(huì)在蓄電池輸出功率小于直流母線(xiàn)輸出功率時(shí)過(guò)0，電路工作在電流不連續(xù)狀態(tài)，致使逆變器輸出功率大幅受限。

T型Z源逆變器是一種以T型結(jié)構(gòu)連接變壓器和電容器的逆變器，將傳統(tǒng)Z源的逆變器中電感取代，換成一組變壓器（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1~5所示）。

T型Z源逆變器與傳統(tǒng)Z源逆變器原理基本相同，通過(guò)控制逆變橋橋臂直通時(shí)間實(shí)現(xiàn)電路升壓，不同點(diǎn)在于T型Z源逆變器調(diào)節(jié)變壓器變比，增大電路升壓能力。當(dāng)變壓器變比N=1時(shí)，T型Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器升壓能力相同，當(dāng)變比N>1時(shí)，T型Z源逆變器會(huì)獲得更大升壓能力。通過(guò)3個(gè)自由量（變壓器變比N、直通占空比D、調(diào)制深度M）相互調(diào)節(jié)，可獲得所需升壓倍數(shù)。但依然存在傳統(tǒng)Z源系列逆變器啟動(dòng)沖擊過(guò)大問(wèn)題。

圖1　傳統(tǒng)儲(chǔ)能型Quasi-Z源逆變器Fig.1 Traditional energy-storaged Quasi-Z source inverter

圖2　T源逆變器Fig.2 T source inverter

2　儲(chǔ)能型Quasi-TZ逆變器

2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

為解決上述逆變器各種問(wèn)題，本文提出一種新逆變器—儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

本文在傳統(tǒng)Z源系列逆變器結(jié)構(gòu)中引入雙變壓器結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高電路升壓能力。Z網(wǎng)絡(luò)電感與變壓器并聯(lián)結(jié)構(gòu)也降低電路啟動(dòng)電流沖擊。儲(chǔ)能元件（蓄電池）并聯(lián)在C2兩端，合理減輕光伏輸入變化時(shí)網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)。

在控制傳統(tǒng)兩級(jí)式光伏逆變系統(tǒng)逆變橋時(shí)，存在8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量。并網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，僅6個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量被采用，為有效矢量。兩個(gè)直通狀態(tài)在傳統(tǒng)逆變器中通過(guò)設(shè)置死區(qū)時(shí)間等方式嚴(yán)格禁止。因?yàn)楫?dāng)處于零矢量直通狀態(tài)時(shí)，上下橋臂功率管導(dǎo)通，引起直流側(cè)升壓電路短路，導(dǎo)致直流側(cè)器件過(guò)流燒毀。而在Quasi-TZ源逆變器中，由于獨(dú)特升壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種零矢量狀態(tài)不再被禁止，而是作為升壓控制手段插入傳統(tǒng)有效矢量中。

圖3　儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器Fig.3 Energy-storaged Quasi-TZ source inverter

與傳統(tǒng)Z源系列逆變器相同，儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器有兩個(gè)主要工作狀態(tài)，

①直通工作狀態(tài)

逆變器工作在直通狀態(tài)（等效電路如圖4（a）所示）時(shí)，逆變器一相上下橋臂導(dǎo)通，將交流側(cè)短路，二極管DZ由于承受反壓而關(guān)斷。圖中L1=L2，C1=C2，又由網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱(chēng)性可得，

式中，VC1、VC2與VL1、VL2分別是C1C2與L1L2電壓。

②非直通狀態(tài)

逆變器工作在非直通狀態(tài)（等效電路如圖4（a）所示）時(shí)，開(kāi)關(guān)管工作在傳統(tǒng)逆變狀態(tài)，二極管DZ導(dǎo)通。

式中，N1、N2分別為兩變壓器變比，Vi等效電壓源V0為輸入電壓。

圖4　Quasi-TZ源逆變兩種工作狀態(tài)等效電路Fig.4 Two working state equivalent circuit of the Quasi-TZ source inverter

定義系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)關(guān)周期為T(mén)，設(shè)直通時(shí)間為T(mén)0，非直通時(shí)間為T(mén)1，其中T=T0+T1，系統(tǒng)直通占空比為D=T0/T。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感兩端平均電壓為0，而流經(jīng)電容平均電流同樣為0，得到如下方程：

因此可變壓器直流升壓因子為，

其中，N1≥1，N2≥1。

在不考慮電池內(nèi)部電阻壓降條件下，電容C2電壓VC2近似等于電池電壓VB，因此直流母線(xiàn)電壓VPN可表示為，

逆變器輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為，

式中M為逆變器調(diào)制因子。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]和[9]傳統(tǒng)Quasi-Z源逆變器和T源逆變器直流升壓因子可分別由式10、11表示，

通過(guò)比較式7、10、11可知，相比于傳統(tǒng)Qua?si-Z源逆變器，Quasi-TZ源逆變器與T源逆變器均可通過(guò)改變變壓器變比提高升壓能力，且由于Quasi-T源逆變器結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)變壓器存在變比，變化更靈活，升壓更自由。

2.2能量流動(dòng)

儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器在光伏網(wǎng)絡(luò)中可在三種狀態(tài)下運(yùn)行。

①電池放電狀態(tài)：系統(tǒng)輸出功率相對(duì)于負(fù)載偏小時(shí)，即Pin0。

②電池充電狀態(tài)：在負(fù)載較小而輸出功率相對(duì)較多時(shí)，即Pin

③平衡狀態(tài)：當(dāng)輸出功率與負(fù)載消耗功率相平衡時(shí)，即Pin=Pout，蓄電池與系統(tǒng)無(wú)能量交換處于平衡狀態(tài)，PB=0。

這種能量流動(dòng)模式可保證光伏陣列產(chǎn)生電能有效利用，避免浪費(fèi)。保證不良天氣情況下光伏陣列發(fā)電功率不足時(shí)系統(tǒng)由蓄電池儲(chǔ)存電能繼續(xù)供電。

3　控制策略及并網(wǎng)應(yīng)用

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，為能夠充分利用太陽(yáng)能，需追蹤光伏電池最大功率點(diǎn)，也需應(yīng)用最大功率追蹤（MPPT）技術(shù)[10]。而在并網(wǎng)過(guò)程中，需控制逆變器輸出電壓相位幅值，以滿(mǎn)足并網(wǎng)與使用需求[11]。為保持系統(tǒng)電流連續(xù)，還需控制蓄電池功率。

根據(jù)能量守恒得到，

通過(guò)上述分析可知，系統(tǒng)需控制變量3個(gè)，分別是系統(tǒng)輸入功率、系統(tǒng)輸出電壓、蓄電池放電功率。與傳統(tǒng)Z源逆變器相同，通過(guò)調(diào)節(jié)直通占空比D0可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池MPPT控制，即輸入功率控制。系統(tǒng)逆變后，則可由調(diào)制因子M控制電壓。

根據(jù)式（12），蓄電池功率由輸入輸出功率決定，所以蓄電池功率由D0、M共同控制，系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

圖5　儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器控制Fig.5 Energy-storaged Quasi-TZ source inverter control block

將Quasi-TZ源逆變器控制策略分為直流與交流兩大部分。直流側(cè)主要負(fù)責(zé)將光伏輸入電壓變換為逆變橋需輸入電壓值，負(fù)責(zé)系統(tǒng)最大功率追蹤[12]。交流側(cè)負(fù)責(zé)直流到交流變換，鎖相以及反孤島運(yùn)行。與傳統(tǒng)Z源系列逆變器相同，Quasi-TZ源逆變器也主要由兩個(gè)控制變量控制，直通占空比D，調(diào)制深度M[13]。在具體控制過(guò)程中，直流部分主要控制D，交流部分則將M作為主要控制變量。

3.1直流側(cè)控制策略

由于光伏組件電壓不能直接滿(mǎn)足逆變電路輸入要求，需經(jīng)前級(jí)升壓，為最大程度減少能量損失，需在直流部分加入光伏組件最大功率追蹤算法。

圖6　直流部分控制結(jié)構(gòu)Fig.6 DC control structure

所以直流側(cè)控制目的有兩個(gè)，一是將光伏組件產(chǎn)生電壓提高，另一個(gè)是最大功率追蹤。因此直流控制器部分最終到輸出變量—Quasi-TZ源逆變器直通占空比D0由兩部分組成，一部分由MPPT得到，一部分通過(guò)與直流母線(xiàn)輸出電壓需求比較公式計(jì)算得到。

在這兩部分中，后者為主要影響因素，因?yàn)楣夥嚵凶兓菍?shí)時(shí)小信號(hào)擾動(dòng)變化，而直流母線(xiàn)電壓輸出需求則是電路穩(wěn)態(tài)主要影響因素?？傻玫揭韵鹿剑?/p>

式中，Dˉ表示穩(wěn)態(tài)直通占空比，D?表示小信號(hào)擾動(dòng)直通占空比。

直流部分控制框圖如圖5所示，輸入量為光伏組件輸出電壓與變壓器電流iL12，通過(guò)兩者得到當(dāng)前光伏組件輸出功率，再變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法計(jì)算得到電壓參考值V*in，將輸入電壓Vin與參考值V*in比較，經(jīng)一個(gè)比例積分控制器后得到小信號(hào)擾動(dòng)直通占空比。

由于直流母線(xiàn)電壓檢測(cè)較困難，本文通過(guò)檢測(cè)電容兩端電壓并根據(jù)電容電壓應(yīng)力公式推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)直通占空比計(jì)算公式。

再通過(guò)兩部分直通占空比相加得到最終結(jié)果。

3.2交流側(cè)控制策略

為控制網(wǎng)側(cè)電壓相位，需通過(guò)鎖相環(huán)和坐標(biāo)變換方法將三相靜止坐標(biāo)abc變換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)dq，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分別控制有功與無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功和無(wú)功功率解耦控制[6]。

由于需要控制輸出功率，通過(guò)功率計(jì)算得到輸出功率在d軸與q軸上分量分別是Pout與P*out，將兩個(gè)變量分別與網(wǎng)側(cè)功率參考值作差，通過(guò)一個(gè)PI控制器調(diào)節(jié)后得到電流在d軸與q軸分量參考值與。

采用PI調(diào)節(jié)器分別對(duì)網(wǎng)側(cè)電流d軸與q軸分量控制，輸出為dq坐標(biāo)系下調(diào)制電壓參考值。

式中，kp、ki分別是PI控制器比例系數(shù)與積分系數(shù)。

根據(jù)式（16）所得電壓在dq坐標(biāo)下參考值經(jīng)dqabc變換為三相靜止坐標(biāo)系下變量。通過(guò)得到調(diào)制因子產(chǎn)生SPWM脈沖信號(hào)。

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，若光伏逆變器仍并網(wǎng)運(yùn)行，容易造成檢修人員傷亡與設(shè)備損壞。所以光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)有孤島效應(yīng)檢測(cè)與反孤島保護(hù)功能。本文采用相對(duì)成熟可靠被動(dòng)式反孤島保護(hù)方法，通過(guò)檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器交流輸出端電壓或者頻率異常檢測(cè)孤島效應(yīng)，并及時(shí)將系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開(kāi)連接，避免事故發(fā)生[14]。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障失電時(shí)，光伏逆變器仍保持電壓與電流恒定輸出，因此并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值和頻率會(huì)隨周?chē)?fù)載不同而增減。當(dāng)檢測(cè)到這些變量超過(guò)規(guī)定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)與電網(wǎng)斷開(kāi)連接。被動(dòng)式反孤島效應(yīng)保護(hù)方法中需檢測(cè)變量，包括輸出電壓幅值和頻率，或者檢測(cè)電壓相位突然變換，也可跟蹤電壓諧波變化判斷系統(tǒng)是否處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。本文直接利用光伏系統(tǒng)具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)頻、欠頻保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)反孤島保護(hù)。

在本課題所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，網(wǎng)測(cè)電壓允許偏差值為額定電壓220 V+7%，-10%，頻率允許偏差值為±0.5 Hz。

4　仿真分析與試驗(yàn)

4.1仿真分析

為驗(yàn)證儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器較傳統(tǒng)逆變器功能優(yōu)越，本文利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建仿真模型驗(yàn)證。首先搭建傳統(tǒng)儲(chǔ)能型Quasi-Z源逆變器仿真模型，選用500μH電感與400μF電容組成Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，兩變壓器參數(shù)選擇相同變比均為1.5，主磁電感1mH，漏磁電感1μH，開(kāi)關(guān)頻率10 kHz，系統(tǒng)輸入Vin=80 V，輸出功率參考值設(shè)定為2 600W。

由圖7（a）可知，在參考功率設(shè)定下，傳統(tǒng)儲(chǔ)能型Quasi-Z源逆變器二極管電流Id在每個(gè)周期內(nèi)例如圖中0.0472 s時(shí)發(fā)生斷續(xù)，直流母線(xiàn)電壓Vpn也在同一時(shí)刻發(fā)生跌落，輸出功率減小。

儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器由于引入雙變壓器結(jié)構(gòu)，限制電路啟動(dòng)沖擊電流回流，通過(guò)比較圖8（a）和（b）可知，相同條件下，儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器啟動(dòng)電流沖擊明顯小于傳統(tǒng)quasi-Z源逆變器。

圖7　直流母線(xiàn)電壓電流比較Fig.7 Comparison of DC bus voltage and current

圖8　啟動(dòng)沖擊電流比較Fig.8 Comparison of starting impact current

由圖9可知，相同條件下，儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器Z網(wǎng)絡(luò)電壓應(yīng)力比傳統(tǒng)T源逆變器小。

分別在恒定電壓輸入與電壓變化輸入情況下對(duì)系統(tǒng)仿真，得到交流側(cè)電流與電壓圖10、11。

由圖10可知，在恒定輸入情況下，輸出電壓相位幅值穩(wěn)定，在0.04s時(shí)輸入功率增加改變，如圖11所示，光伏發(fā)電模塊輸出功率增加，系統(tǒng)輸出電流在短暫波動(dòng)后恢復(fù)穩(wěn)定，輸出電壓保持不變。由此可知，系統(tǒng)在本文控制策略下有較好輸出穩(wěn)定性。

圖9　電壓應(yīng)力比較Fig.9 Comparison of voltage stress

圖10　穩(wěn)定輸入時(shí)系統(tǒng)輸出電壓電流Fig.10 System output voltage and current

圖11　輸入功率變化時(shí)系統(tǒng)輸出電壓電流Fig.11 System output voltage current when input power is changed

4.2試驗(yàn)分析

通過(guò)前文分析和計(jì)算，搭建基于Quasi-TZ源逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)300W樣機(jī)1臺(tái)。在對(duì)本系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，由于環(huán)境條件制約，光照強(qiáng)度或溫度不能瞬間變化，或達(dá)不到試驗(yàn)要求，供電電源主要選用兩種，一種是常州天合太陽(yáng)能公司生產(chǎn)太陽(yáng)能電池板，每片額定功率為150W，短路電流為18 A，開(kāi)路電壓為80V，另一種選用直流穩(wěn)壓源作為光伏輸入模擬試驗(yàn)。

樣機(jī)參數(shù)為：開(kāi)關(guān)頻率fs：10 kHz；輸入線(xiàn)電壓：80~100 V；直流母線(xiàn)穩(wěn)定電壓：500 V；并網(wǎng)電壓：220 VAC；基波頻率：50 Hz。

為驗(yàn)證最大功率追蹤功能能否正常工作，根據(jù)搭建樣機(jī)，設(shè)計(jì)最大功率追蹤試驗(yàn)。由于外界環(huán)境變化緩慢，不適合示波器觀測(cè)，用遮擋光伏組件方式模擬光照強(qiáng)度變化，通過(guò)移除光伏組件蓋板，得到直流輸出電壓波形如圖12所示。

圖12　直流母線(xiàn)電壓Fig.12 DC bus voltage

由圖12可知，當(dāng)移除光伏組件蓋板時(shí)，光伏輸入變大（模擬光照強(qiáng)度增強(qiáng)），直流母線(xiàn)電壓在最大功率追蹤模塊作用下，快速升高，達(dá)到當(dāng)前環(huán)境下最大功率點(diǎn)。

交流測(cè)輸出試驗(yàn)波形見(jiàn)圖13，在輸入端最大功率點(diǎn)上移時(shí)，輸出電流明顯增加，輸出電壓并網(wǎng)點(diǎn)保持220V不變，總輸出功率增大。因此，證實(shí)本文最大功率追蹤算法正確性與可靠性。

并網(wǎng)試驗(yàn)輸入選用太陽(yáng)能電池板，試驗(yàn)時(shí)間11:00~13:00，光照強(qiáng)度最強(qiáng)，系統(tǒng)易達(dá)到額定功率（300W）。在光伏輸入保持恒定時(shí)開(kāi)始系統(tǒng)并網(wǎng)試驗(yàn)，得到交流輸出一相電壓電流波形如圖14所示。

圖13　交流測(cè)輸出電壓電流Fig.13 AC output voltage and current

圖14　并網(wǎng)電壓電流Fig.14 Grid connected voltage and current

由圖14可知，并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值為220 V，電流幅值1.4 A，且這一相電流與電壓頻率與相位均相同，達(dá)到功率因數(shù)為1要求，驗(yàn)證并網(wǎng)控制算法正確性。為驗(yàn)證系統(tǒng)能否有效檢測(cè)并防止孤島效應(yīng)發(fā)生，利用樣機(jī)試驗(yàn)。樣機(jī)正常運(yùn)行后，突然增大并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值，得到波形如圖15所示。

圖15　反孤島效應(yīng)試驗(yàn)波形Fig.15 Experimental waveforms of anti island effect

由圖15可知，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓增大，大于網(wǎng)測(cè)電壓安全值（235.4 V）時(shí)，逆變器檢測(cè)到逆變器正工作在孤島運(yùn)行狀態(tài)，立刻切斷并網(wǎng)，并網(wǎng)電流變?yōu)?。證實(shí)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中反孤島部分可正確有效運(yùn)行，防止孤島效應(yīng)發(fā)生。

5　結(jié)論

本文提出儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用，改善原有逆變器為保持系統(tǒng)連續(xù)而造成輸出功率限制問(wèn)題，減小啟動(dòng)時(shí)電流沖擊，增強(qiáng)電路升壓能力。針對(duì)本文提出逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出一種針對(duì)儲(chǔ)能型Quasi-TZ源逆變器的控制方法，分別從直流側(cè)與交流測(cè)對(duì)逆變器直通占空比與調(diào)制深度進(jìn)行控制，穩(wěn)定高效應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過(guò)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)Quasi-TZ源逆變器系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定性與性能優(yōu)越性，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

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Study on energy-storaged photovoltaic Quasi-TZ source inverter/

WANG Shuwen,WANG Shilong,ZHANG Yang
(School of Electrical Engineering and Information, Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

The Quasi-Z source inverter with energy-storaged element could balance by photovoltaic array energy injected into the grid generated fluctuations,but traditional with energy-storaged element Quasi Z source inverter in the discharge of the battery will because the output current discontinuous and power loss and boost ability had great limitations.Therefore,the paper put forward the energy-storaged type photovoltaic Quasi-TZ source inverter topology and solved the battery discharge problem of power loss, reduced the traditional Z source series inverter start the impact phenomenon,combined with the ability to boost T source inverter had the advantages of broaden the range of output power.In addition,the control strategy of the energy-storaged type photovoltaic Quasi-TZ source inverter was proposed,which could improve the output voltage stability.The simulation results would verify the correctness and superiority of the design topology.

Quasi-TZ source inverter;photovoltaic power generation;energy-storaged type inverter; grid connected

TM61

A

1005-9369（2016）06-0097-106

2016-03-14

黑龍江省留學(xué)歸國(guó)基金（LC201003）；黑龍江省博士后基金（LBH-Z11228）

王樹(shù)文（1975-），男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用。E-mail:wswtr@163.com