隨著傳統(tǒng)能源與經(jīng)濟(jì)、環(huán)境之間矛盾的日益突出，能源問題將成為世界的根本問題。因此，開發(fā)可持續(xù)能源成為人類面臨的迫切需求[1-2]。而太陽能光伏發(fā)電是世界上節(jié)約能源、倡導(dǎo)綠色電力的一種主要的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球各國解決能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)之間矛盾的最佳途徑之一，其中光伏并網(wǎng)逆變器的研究成為了各國科學(xué)家青睞的對象。
    光伏并網(wǎng)逆變器的主要功能是控制光伏陣列產(chǎn)生的電能以最大的效率及高質(zhì)量輸送到電網(wǎng)中。而傳統(tǒng)的電壓型逆變器只能降壓或者電流型逆變器只能升壓，難于滿足光伏陣列輸出對寬電壓范圍的要求[3-4]。并且逆變的全橋電路存在死區(qū)，使得輸出電流波形畸變污染了電網(wǎng)。針對以上問題，本文引入了Z源網(wǎng)絡(luò)，該逆變器結(jié)構(gòu)簡單，輸入電壓范圍寬，允許同一側(cè)的IGBT直通，有效地避免了死區(qū)的存在[5]。
    在光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)中，由于光伏陣列輸出功率的變化易引起并網(wǎng)電流的波動(dòng)，進(jìn)而造成電網(wǎng)電能質(zhì)量的污染。為了減小這種污染，傳統(tǒng)的做法是增加DC-DC輸出環(huán)節(jié)的電容值，但是同時(shí)增加了逆變器體積、質(zhì)量及成本，且降低了穩(wěn)定性。為了解決并網(wǎng)電流穩(wěn)定性問題，本文提出了恒定輸出電流法控制策略。詳細(xì)分析了Z源逆變器的工作原理及電壓控制方法。最后設(shè)計(jì)了一臺(tái)1 500 W的逆變器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制策略的可行性。
1 硬件電路及工作原理
1.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    本文研究的并網(wǎng)逆變器是單相Z源光伏并網(wǎng)逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中Z源網(wǎng)絡(luò)由對稱的電感與電容組成，將逆變級與光伏陣列耦合在一起，完成電壓的升降壓功能。該電路綜合了單級電路與級聯(lián)Boost電路的優(yōu)勢。逆變級由4個(gè)IGBT組成全橋，實(shí)現(xiàn)DC-AC的轉(zhuǎn)變。由于Z源網(wǎng)絡(luò)的存在可以接受全橋同側(cè)IGBT的直通，避免了死區(qū)的存在。通過調(diào)制直通比可以控制Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓，從而控制輸出電流。

  
    為了使參數(shù)B與M易于調(diào)節(jié)且使硬件結(jié)構(gòu)簡單，IGBT的控制信號可由傳統(tǒng)的電壓源逆變器的單極性PWM信號擴(kuò)展得到[8]。為了不影響逆變器的正常工作，直通態(tài)的出現(xiàn)只能插入到逆變器的零狀態(tài)(即為續(xù)流態(tài)，逆變?nèi)珮虻纳瞎苋珜?dǎo)通或下管全導(dǎo)通)。這使得參數(shù)B與M的調(diào)節(jié)受到一定的相互制約。這里以傳統(tǒng)的SPWM控制方法加入直通態(tài)進(jìn)行分析，PWM控制信號如圖3所示。Q1、Q2、Q3與Q4為對應(yīng)IGBT的開關(guān)信號。uac為逆變器要調(diào)制出的正弦輸出電壓信號，為了不影響uac的輸出，直通態(tài)的加入為Q2與Q4的陰影部分。因此，得到了一個(gè)周期內(nèi)的直通態(tài)輸出調(diào)制信號(D0)，實(shí)現(xiàn)了對Z源網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的控制。

    逆變器實(shí)時(shí)檢測PV的輸出電壓、電流，根據(jù)MPPT算法計(jì)算最大輸出功率點(diǎn)，并得到期望的Z源網(wǎng)絡(luò)直通態(tài)占空比d0。Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓直接關(guān)系到逆變級輸出正弦電流信號的穩(wěn)定性。若輸出電壓過大則造成IGBT的損壞；過低則無法正常工作；若電壓變化大則使得輸出電流諧波增加，進(jìn)而影響電能的質(zhì)量[9]。因此，為了穩(wěn)定輸出電流，提出交流并網(wǎng)電流控制策略與Z源電容電壓控制策略來穩(wěn)定輸出電流，減小電流的突變。本設(shè)計(jì)使用穩(wěn)定Z源的電容電壓法間接穩(wěn)定輸出電流，通過Z源輸出電壓控制得到期望的輸出電流。交流并網(wǎng)電流控制采用電流閉環(huán)加電壓前饋跟蹤控制法，實(shí)現(xiàn)輸出電流的控制。并網(wǎng)輸出電流大小由Z源穩(wěn)壓控制策略的輸出設(shè)定，給定電流的幅值為Z源電容電壓控制的輸出量，然后與電網(wǎng)的PLL輸出的單位正弦信號相乘得到逆變器的期望電流。最后，由電流控制器的輸出正弦因子usin與直通態(tài)占空比d0合成，產(chǎn)生的信號與三角載波比較生成PWM控制信號。
2.2 并網(wǎng)電流控制策略
    為了使輸出的并網(wǎng)電流穩(wěn)定，減小電流的突變波動(dòng)，本文以恒定Z源電容電壓控制策略，進(jìn)而恒定輸出電流控制。交逆變側(cè)以電容電壓閉環(huán)反饋控制實(shí)現(xiàn)電容電壓的恒定，電容電壓誤差經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)后得到并網(wǎng)期望電流，與電壓同步控制信息得到電流控制器期望電流。電流控制器采用的是電流閉環(huán)加電壓前饋跟蹤控制法，結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖中是并網(wǎng)期望電流，iac是并網(wǎng)實(shí)際電流。TS為開關(guān)周期，Gc(s)是電流控制器，GINV(s)是功率逆變器，GL(s)是輸出濾波環(huán)器。

輸出電流也跟蹤電容電壓下降，但下降速度緩慢且平滑。在不同階功率點(diǎn)之間改變時(shí)實(shí)現(xiàn)了輸出電流的平滑過渡。由圖7與圖8進(jìn)一步分析可得出，在功率穩(wěn)定期輸出電流恒定且無畸變，驗(yàn)證了恒定電流控制策略的可行性。

    本文詳細(xì)分析了Z源電壓控制原理，提出了恒定輸出電流法控制策略，設(shè)計(jì)了一臺(tái)1 500 W的逆變器，可以滿足光伏陣列輸出電壓波動(dòng)范圍寬的特性，且引入的Z源網(wǎng)絡(luò)避免了死區(qū)的存在，提高了并網(wǎng)電流的質(zhì)量。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的可行性，且具有較低的輸出電流THD值；硬件結(jié)構(gòu)簡單，可以滿足用戶型光伏并網(wǎng)逆變器的需求，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
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