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        農(nóng)光互補準(zhǔn)Z源容錯逆變器研究

        2018-07-16 11:22:08王樹文徐天龍胡錦超郭萬偉高嘉瑩李修賢鞏彥江
        關(guān)鍵詞:直通電平電感

        王樹文,徐天龍,胡錦超,郭萬偉,高嘉瑩,李修賢,于 成,鞏彥江

        (1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院,哈爾濱 150030;2.國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司,河北 唐山 063000)

        光伏農(nóng)業(yè)是光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖、機械動力結(jié)合,在農(nóng)業(yè)大棚上搭建不同透光能力光伏組件,通過電壓源逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成交流電,滿足大棚種植電力需求。

        在傳統(tǒng)電源逆變器中,應(yīng)用最多為橋式電壓源逆變器。該逆變器具高效率、低成本、操作簡單等特點。電壓源逆變器缺點是逆變后電壓降低且每相輸出波形發(fā)生畸變[1-2]。當(dāng)電壓源逆變器開關(guān)管發(fā)生故障時,電壓源逆變器不能正常使用,難以提前判斷開關(guān)管故障,因此在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中經(jīng)濟損失較大。為克服傳統(tǒng)電壓源逆變器供電不足問題,學(xué)者研究逆變器開關(guān)管故障容錯解決方案[3-4]。Rittenberg等采用Z源逆變電路,需額外橋臂、三相二極管橋和機械換向器[5]。Li等研究逆變器容錯性能,通過固有冗余電壓空間矢量實現(xiàn),雖無需增加額外電子器件,但開關(guān)器件需承受整個直流母線電壓且容錯后最大線性調(diào)制比僅為正常工作時1/2[6]。Gao等研究雙Z源逆變電路重新配置門信號,允許連續(xù)操作零共模電壓,保持輸出電壓質(zhì)量和幅值[7-8],但此解決方案需兩個Z源逆變器實現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn),可同時對短路故障和開路故障作容錯控制方法,該方法基于一種附加IGBT三電平拓撲結(jié)構(gòu),雖然三電平逆變器輸出功率提高,但附加開關(guān)器件為系統(tǒng)帶來新冗余開關(guān)狀態(tài),增加功率損耗[9-11]。上述逆變器在開關(guān)管故障模式下的解決方案,均存在冗余支路和功率損耗等問題。

        本文提出一種新型三相多電平T型準(zhǔn)Z源(T型SL-qZSI)農(nóng)光互補逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。該拓撲結(jié)構(gòu)除繼承傳統(tǒng)Z源逆變器優(yōu)點外,具有輸出多電平電壓優(yōu)點;當(dāng)逆變器開關(guān)管發(fā)生故障時,通過改變逆變器調(diào)制策略,不需添加額外橋臂分支或收集開關(guān)狀態(tài)可使逆變器正常工作,保證光伏大棚內(nèi)部穩(wěn)定供電。通過理論分析、仿真和試驗,驗證該新型拓撲適用性和優(yōu)越性。

        1 光伏大棚及逆變器拓撲提出

        1.1 農(nóng)光互補光伏大棚

        光伏大棚采用透光型非晶硅薄膜電池組件。非晶硅電池片厚度不到2 μm,是傳統(tǒng)晶硅光伏電池片厚度1%,無法穿透傳統(tǒng)晶硅組件太陽光可透過非晶硅薄膜式光伏電池照射到棚內(nèi)植物。使太陽光中利于植物光合作用所需主要光譜區(qū)中波長640~660 nm紅光部分和波長400~500 nm藍光部分能穿透大棚屋頂光伏電池被植物吸收,其余部分被光伏電池吸收轉(zhuǎn)換成電能,為光伏大棚內(nèi)照明、水泵、供熱設(shè)備等提供電力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 光伏大棚結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of photovoltaic greenhouse

        1.2 新型多電平容錯逆變器拓撲

        由光伏大棚結(jié)構(gòu)圖可知,逆變器在光伏大棚中起連接太陽能電池板和用電設(shè)備作用,為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行重要部件。因此,為提高光伏大棚電能利用率及改善傳統(tǒng)逆變器不足[12-14],提出新型三相多電平T型準(zhǔn)Z源逆變器(T型SL-qZSI),拓撲如圖2所示。

        該逆變器包括兩個相同SL-qZSI網(wǎng)絡(luò),在電容C3和C4間具公共連接點。SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)在公共連接點處,連接三個雙向開關(guān),公共連接點連接到T型三電平電壓源逆變器。該拓撲主要特點是在正常工作條件下,可輸出多電平電壓,電平數(shù)越多,輸出電壓諧波含量越少,輸出電壓質(zhì)量越高;在故障條件下,可改變調(diào)制策略,調(diào)整拓撲結(jié)構(gòu),使發(fā)生故障逆變器具有容錯能力,可為光伏大棚內(nèi)部持續(xù)供電。

        圖2 改進型T型準(zhǔn)Z源逆變器Fig.2 Modified quasi-Z-source T-type inverter

        該新型拓撲可分為直通和非直通模式工作。在直通模式下,相控支路開關(guān)管將導(dǎo)通,提升存儲在SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)電感中能量,提高升壓因子。在非直通模式下,將存儲在SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)電感中能量和DC源中能量傳送至負載。

        1.3 逆變器工作原理

        新型三相多電平T型準(zhǔn)Z源逆變器等效電路如圖3所示。

        假設(shè)所有器件均為理想狀態(tài),光伏大棚中用電設(shè)備由電阻和電感代替,Vin為輸入電源電壓,二極管D1,D2在直通狀態(tài)起反向阻斷作用。結(jié)果見圖3。

        當(dāng)逆變器處于非直通電壓狀態(tài)時,等效電路如圖4所示。

        圖3 改進型準(zhǔn)Z源T型逆變器等效拓撲Fig.3 Improved quasi-Z-source T-type inverter equivalent topology

        圖4 改進型準(zhǔn)Z源T型逆變器非直通狀態(tài)Fig.4 Improved quasi-Z-source T-type inverter is not straight state

        此時二極管承受正向壓降而導(dǎo)通,根據(jù)KVL定理可得:

        當(dāng)逆變器處于上直通狀態(tài)時,此時二極管D1承受正向壓降而導(dǎo)通,二極管D4承受反向壓降而截止,電感L1,L2,L3及電容C5存儲能量,電容C1,C3釋放能量,等效電路如圖5所示。

        當(dāng)逆變器處于下直通狀態(tài)時,此時二極管D1承受反向壓降截止,二極管D4承受正向壓降導(dǎo)通,電感電容能量轉(zhuǎn)換與上直通狀態(tài)相似,等效電路如圖6所示。

        圖5 改進型準(zhǔn)Z源T型逆變器上直通狀態(tài)Fig.5 Direct current state diagram of the modified quasi-Z-source T inverter

        圖6 改進型準(zhǔn)Z源T型逆變器下直通狀態(tài)Fig.6 Direct current state diagram of the modified quasi-Z-source T inverter

        根據(jù)KVL定理可得:

        由(4)可知,在直通狀態(tài)下,電感L1兩端電壓為

        由(1)可知,在非直通狀態(tài)下,電感L1兩端電壓為

        根據(jù)伏秒平衡原理,在一個開關(guān)周期T內(nèi)電感兩端電壓積分為0,設(shè)直通時間為DT,非直通時間為(1-D) T ,則由式(6~7)可得

        根據(jù)伏秒平衡原理可得

        化簡可得

        由式(8)(10)可得

        綜合前述推到可得

        因此,經(jīng)升壓因子后輸出母線電壓(DC)可通過以下等式表示[22]:

        其中,B是升壓因子,D是由D=TstT給出直通占空比,Tst是總直通時間間隔,T是開關(guān)周期。

        1.4 調(diào)制策略

        T型SL-qZSI使用相移正弦脈沖寬度調(diào)制(PSPWM)方法。該調(diào)制方法包括3個正弦調(diào)制信號和2個高頻載波信號,2個高頻載波信號間相移為180°。當(dāng)載波高于或等于調(diào)制波頂部包絡(luò)線直線時,調(diào)制策略可使逆變橋產(chǎn)生直通;當(dāng)載波等于或低于調(diào)制波底部包絡(luò)線直線時,調(diào)制策略可使逆變橋產(chǎn)生直通,縮短SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)中電感充電時間。該逆變器一相PS-PWM調(diào)制策略如圖7所示。

        圖7 電源逆變器系統(tǒng)一相調(diào)制策略Fig.7 Modulation strategy of one phase of power supply inverter system

        Up是等于或高于調(diào)制波頂部包絡(luò)線直線信號,當(dāng)載波幅值高于Up時,逆變橋直通。Un是等于或低于調(diào)制波底部包絡(luò)直線信號,當(dāng)載波幅值低于Un時,逆變橋直通。S1是控制S1開關(guān)管觸發(fā)信號,S2是控制S2開關(guān)管觸發(fā)信號,S3是控制S3開關(guān)管觸發(fā)信號,ST是控制橋臂直通觸發(fā)信號。

        2 逆變器開關(guān)管故障模式下系統(tǒng)操作

        2.1 T型SL-qZSI開關(guān)管故障模式下系統(tǒng)操作

        當(dāng)光伏大棚逆變器出現(xiàn)故障時,光伏大棚內(nèi)部電力終止。為保證逆變器出現(xiàn)故障時仍可保證光伏大棚內(nèi)部電力供應(yīng),需改變相應(yīng)調(diào)制策略。當(dāng)逆變器開關(guān)管故障時,重新配置功率開關(guān)管,使T型SL-qZSI獲得額外電壓電平正常工作。在全橋逆變器中,考慮橋臂(S1,S4,S7或S3,S6,S9)開關(guān)管開路故障,且故障條件下,使用原調(diào)制方案不能保證電壓、電流對稱。因此,為使逆變橋能夠正常提供負載使用交流電壓和電流,將改變電源逆變器調(diào)制策略。如圖8所示。在故障情況下,通過禁用上部或下部故障相開關(guān)管,并且永久接通連接到SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)公共點雙向開關(guān)管,產(chǎn)生6個開關(guān)代替9個開關(guān)三相三電平半橋逆變器新拓撲。如圖8所示,A相上部開關(guān)管發(fā)生故障,將禁用開關(guān)管S3,且將雙向開關(guān)S2永久接通,以獲固定電壓值。

        圖8 A相橋臂上下開關(guān)管故障等效電路Fig.8 A-phase bridge arm up and down switch failure equivalent circuit

        調(diào)制策略也要做相應(yīng)改變,用兩個線電壓參考信號代替三個相電壓正弦調(diào)制信號。正常狀態(tài)下逆變器三相電壓正弦調(diào)制信號為:

        當(dāng)A相橋臂故障時,逆變器輸出相壓UA=0,調(diào)整B、C間相位角從120°減小為60°,故障重構(gòu)后,通過以下調(diào)制函數(shù)確保負載兩端產(chǎn)生平衡電壓:

        根據(jù)公式(2),輸出線電壓將表示為:

        最后使用 AMOS 檢驗?zāi)P驼w的擬合程度,各指標(biāo)結(jié)果如表4 所示。測量模型的擬合指數(shù)結(jié)果顯示,χ2/df=2.34,RMSEA=0.078,CFI=0.891,PNFI=0.726,PGFI=0.672,GFI=0.837,這說明收斂效度較高。各指標(biāo)基本達到相關(guān)指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn),說明數(shù)據(jù)與模型擬合得較好。

        該電路配置和調(diào)制策略導(dǎo)致輸出電壓減小13,變壓器降額運行。因此,需用調(diào)制指數(shù)增加或改變直通占空比方法補償輸出電壓減小,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,輸出電壓不能無限制增加。

        3 仿真和試驗結(jié)果

        3.1 試驗設(shè)備

        試驗設(shè)備樣機由光伏組件、逆變器、電阻、電感等構(gòu)成,如圖9所示。

        圖9 試驗樣機圖片F(xiàn)ig.9 Test prototype picture

        3.2 新型逆變器開關(guān)管故障模式下仿真結(jié)果

        在T型SL-qZSI理論分析基礎(chǔ)上,在光伏大棚光照充足,照明、供熱、水泵等負載R=10 Ω,電感L=10 mH條件下,通過MATLAB/Simulink軟件提出拓撲仿真,仿真參數(shù)直流輸入電壓Vin為12.5 V,拓撲電容 C3,C4為1.5 mF,拓撲電容C1,C2,C5,C6為 1.2 mF, 拓 撲 電 感 L1, L2, L3,L4,L5,L6為 390 μH,開關(guān)頻率為 6 kHz,阻性負載R為10 Ω,阻性負載L為10 mH。

        該電路由12.5 V直流源供電并通過SL-qZSI將直流母線電壓升壓至100 V。當(dāng)m=0.75和D=0.25時,t=4.8 s前后A相開關(guān)管S1正常和開路故障模式下仿真。負載三相電流,支路到公共點電壓(UAO)和負載電壓(UAN)仿真結(jié)果如圖10所示。

        由圖10可知,支路到公共點三電平電壓UAO和負載電壓七電平電壓UAN。然而,在t=4.8 s發(fā)生故障后,電壓和電流不平衡。電壓電平數(shù)量減少,A相電流失真。

        圖10 S1故障前后仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of S1before and after the failure

        在相似條件下,當(dāng)t=4.8 s時,即開關(guān)管故障后,重新配置電路且根據(jù)等式(2)改變調(diào)制函數(shù)。在此情況下,保持調(diào)制指數(shù)和直通占空比不變。仿真結(jié)果見圖11。開關(guān)管故障改變調(diào)制策略后,支路到公共點電壓(UAO)、負載電壓(UAN)和負載電流平衡,負載電流和電壓均減小。由于電源逆變器重新配置(雙向開關(guān)S2永久接通),故障支路和SL-qZSI網(wǎng)絡(luò)公共點之間電壓變?yōu)?。

        圖11 S1故障前后重構(gòu)電路仿真結(jié)果Fig.11 Reconstruction of circuit simulation results before and after S1fault

        由上述可知,可通過調(diào)制指數(shù)或直通占空比增加補償負載電流和電壓減小。故障后通過調(diào)整調(diào)制指數(shù)m和直通占空比D補償該減小。在故障前m=0.75,D=0.25和故障后m=0.7,D=0.3獲負載電流,支路到公共點電壓(UAO)和負載電壓(UAN)仿真結(jié)果如圖12所示。

        由圖12可知,在故障狀態(tài)之后,雖然負載電流減小,但可快速恢復(fù)到初始幅值。同理A相負載電壓幅值也能恢復(fù)至初始幅值。通過改變直通占空比(D)可增加直流母線DC電壓幅值,故障后下降電壓電平恢復(fù)。調(diào)制指數(shù)(m)僅對占空比有影響,但從有效值(RMS)電壓角度,使幅值增加。由于電路配置和調(diào)制參數(shù)改變,負載電壓電流均恢復(fù)至故障前幅值。

        圖12 S1故障前后重構(gòu)并補償電路仿真波形Fig.12 S1fault before and after the reconstruction and compensation circuit simulation waveform

        驗證故障后,A相負載電流和電壓失真增加較多。然而,隨電路重新配置和調(diào)制策略改變,負載電流THD僅有微小增加。對于負載電壓,雖然THD增加較高,但在可接受范圍內(nèi)。

        3.3 新型逆變器開關(guān)管故障模式下試驗結(jié)果

        試驗于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝實驗站作光伏大棚系統(tǒng)研究,見圖13。

        表1 負載電流電壓THD對比Table 1 THD comparison of load current and voltage

        圖13 光伏大棚系統(tǒng)Fig.13 Photovoltaic greenhouse system diagram

        使用相同仿真參數(shù)試驗驗證,在光伏大棚光照充足,照明、供熱、水泵等負載R=10 Ω,電感L=10 mH條件下,驗證提出系統(tǒng)特性和仿真結(jié)果準(zhǔn)確性。因此,取m=0.75和D=0.25,對于S1正常和開路故障模式操作。負載電流,支路到公共點電壓UAO和負載電壓UAO獲得波形如圖14所示。

        故障后,電壓和電流不再平衡,電壓電平數(shù)量受故障影響。為解決此問題,須重新配置電路,使用相同參數(shù)修改調(diào)制策略。利用上述故障后校正方法試驗結(jié)果如圖15所示。

        圖14 S1故障前后試驗結(jié)果Fig.14 S1before and after the failure of the experimental results

        圖15 S1故障前后重構(gòu)電路試驗結(jié)果Fig.15 Experimental results of reconstruction circuit before and after failure S1

        使用此策略電壓和電流降低,但可維持負載平衡。試驗結(jié)果與模擬結(jié)果相似。在改變調(diào)制策略后,負載電壓和電流雖然平衡,但幅值均下降,為補償由開關(guān)管S1故障引起負載電壓電流減小,再次改變占空比和調(diào)制指數(shù),使負載電流恢復(fù)至初始值,補償試驗結(jié)果如圖16所示。

        試驗中,故障前參數(shù)m=0.75和D=0.25,故障后參數(shù)m=0.7和D=0.3。驗證故障之后電流幅值恢復(fù)。開關(guān)管故障前后負載電流和電壓THD試驗結(jié)果如表2所示。

        圖16 S1故障前后重構(gòu)并補償電路試驗結(jié)果Fig.16 S1before and after the failure of reconstruction and compensation circuit experimental results

        表2 正常和故障模式負載電流和電壓THDTable 2 Normal and fault mode load current and voltage THD

        由表2可知,所得數(shù)據(jù)略高,但可正常使用。該新型逆變器在正常和故障工作條件下,均可為光伏大棚和并網(wǎng)穩(wěn)定供電。

        4 結(jié)論

        為提高光伏大棚電能利用率并完善傳統(tǒng)逆變器,提出三相多電平T型準(zhǔn)Z源逆變器拓撲,通過理論分析,試驗和仿真證明該新型拓撲合理性和優(yōu)越性。該三相多電平T型準(zhǔn)Z源逆變器具有如下優(yōu)點:

        a.光伏大棚新型逆變器可將波長為640~660 nm紅光部分和波長為400~500 nm藍光部分更好透過大棚屋頂被植物吸收,并可將其余波長光波轉(zhuǎn)化為電能,顯著提高光能利用率和電能利用率,保證光伏大棚內(nèi)用電。

        b.光伏大棚新型逆變器輸出多電平電壓,電壓諧波含量少,在相同直通占空比情況下,具更高升壓能力,較小直通占空比即可獲較高升壓因子,增大調(diào)制比范圍,提高輸出電能質(zhì)量和光伏大棚系統(tǒng)穩(wěn)定性。

        c.光伏大棚新型逆變器采用相移正弦脈寬調(diào)制方法作為調(diào)制策略,當(dāng)三相多電平T型準(zhǔn)Z源逆變器發(fā)生逆變橋故障時,不需額外相位支路或收集開關(guān)信號,僅改變調(diào)制策略可正常運行。由某些特定故障引起負載電壓下降可通過該拓撲升壓特點補償。新型多電平容錯逆變器仿真和試驗驗證結(jié)果表明,可改變拓撲結(jié)構(gòu)和修改調(diào)制策略減輕故障,為光伏大棚供電和并網(wǎng)穩(wěn)定性和與靠性提供保障。

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