基于Z源逆變器的屋頂并網光伏發電系統

翁蓓蓓，張 鵬，湯少卿

（泰州供電公司，江蘇 泰州 225300）

我國光伏產業發展迅速，2000年太陽能電池產量僅為3 MW，而到了2008年，則達到1780 MW，占世界產量的26%，略次于歐洲的27%，連續兩年居世界第一位。與此相比，我國這樣一個太陽能資源豐富的國家對于光能的利用卻遠遠沒有達到應有的水平。光伏發電中另一項重要組成設備，電力變換裝置的研發和生產，我國與世界先進水平的差距則較遠，這也直接造成了我國光伏發電裝機容量遠小于組件產量。對此國家財政部頒布了《關于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見》，國家電網公司在某些示范地區制定的光伏上網電價遠超風電的上網電價，這些措施必將促使國內的光伏并網電站項目獲得良好的發展。

1 光伏系統設計

某光伏示范項目在建筑屋頂建設低壓并網型光伏發電系統，系統由光伏組件、并網逆變器、計量裝置及升壓變組成[1-4]，系統結構如圖1所示。

圖1 光伏并網發電系統連接圖

屋頂可利用面積約為600 m2，采用轉換效率較高的晶硅電池組件，可敷設光伏電池組件的標稱容量約為100 kW[5]。工程所用多晶硅電池轉換效率相對較高，光電轉化效率一般大于14%，采用先進、可靠的加工制造技術，結構合理，可靠性高，能耗低，不污染環境，維護保養簡便。并且具有非常好的耐侯性，能在室外嚴酷的環境下長期穩定可靠地運行，正常條件下的使用壽命不低于25年，在10年使用期限內輸出功率不低于90%的標準功率，在25年使用期限內輸出功率不低于80%的標準功率。本項目所選國內某品牌組件參數如表1所示。

表1 電池板參數

2 新型Z源逆變器的應用

光伏發電系統的組成核心之一就是逆變器。它是實現從太陽能電池輸出直流電轉換成正弦50 Hz交流電的橋梁。

2.1 傳統三相逆變器

傳統三相逆變器的基本拓撲結構主要包括：電壓源型逆變器（VSI）和電流源型逆變器（CSI）2種。VSI基本拓撲結構如圖2所示，一般來說它要求具有恒定的輸入直流電壓，交流輸出側為電壓恒定不變、頻率受控的交流電。

直流側電源可以是蓄電池、燃料電池、光伏陣列或者是整流器輸出的直流電，當直流電源電壓不夠穩定時，常常通過并聯一個大電容的方法來起到穩定直流側電壓的作用。

圖2 VSI基本拓撲結構

CSI的基本拓撲結構如圖3所示，它和VSI基本成對偶，一般來說它要求逆變器的輸入側是一個恒定不變的電流，輸出側為電流恒定不變、頻率受控的交流電。因為現實中理想的恒流源并不多見，CSI的直流輸入都是串聯一個大電感，通過這種方法，把常見直流源近似看成是一個恒流源。

圖3 電流源型逆變器（CSI）的基本拓撲結構

無論是VSI或者CSI，由于自身拓撲的特點，在許多實際的應用場合中都存在著一些局限性[6-9]。例如：VSI是降壓型逆變器，CSI是升壓型逆變器，它們不能同時達到升降壓功能，降低了電路的變換效率；對開關信號時刻準確性要求高；電壓源型逆變器為了防止逆變器上、下橋臂短路，在上、下開關換流過程中必須插入死區時間，導致輸出交流電壓波形發生畸變，影響輸出波形質量。

2.2 Z源逆變器及其優點

Z源逆變器是在傳統VSI和直流電源之間插入1個由2個電容、2個電感對稱連接的阻抗網絡而形成的新型電力電子變換電路，如圖4所示，由于這個對稱的阻抗網絡為Z源阻抗網絡，所以稱這種新型的電力電子變換電路為Z源逆變器。

圖4 Z源逆變器基本拓撲

由于這個對稱阻抗網絡的加入，它使得逆變器允許出現同一橋臂同時導通的工作狀態 （稱之為直通狀態）。直通狀態的出現，打破了原來傳統三相逆變器的限制，帶來了一系列的優越性[10]。

（1）Z源逆變器的電源既可為電壓源，也可為電流源。因此，與傳統的VSI和CSI不同，Z源逆變器的直流電源可以為任意的，如電池、二極管整流器、晶閘管變流器、燃料電池堆、電感、電容器或它們的組合。

（2）Z源逆變器的主電路既可為傳統的電壓源的形式，也可為傳統的電流源的形式。Z源逆變器所采用的開關可以是開關器件和二極管的組合。

（3）Z源逆變器允許同一橋臂同時開通，引入直通狀態，并利用直通狀態來提升逆變器直流側電壓，提高了系統的穩定性。

（4）Z源逆變器不用在開關換流過程中插入死區時間，從而減小了輸出交流電壓波形的畸變率。

2.3 工作狀態

根據逆變橋臂上、下橋臂是否同時導通，將Z源逆變器分解成2種基本工作狀態[11，12]。

（1）直通狀態。直通狀態下系統等效電路如圖5所示。此時逆變橋上、下橋臂短路，假設一個開關周期的時間為T，直通時間為Tsh=DT（D為直通調制比），由等效電路得：

在直通狀態下：

圖5 直通狀態等效電路

（2）非直通狀態。非直通狀態下系統等效電路如圖6所示。該狀態與傳統逆變器工作狀態一樣，此時由等效電路得：

逆變器工作在穩態條件下，在理想情況時，1個開關周期時間T內Z源電感上不消耗任何能量，因此電感上的伏秒積為0，即dt=0，將式（2，3）代入，有：

圖6 非直通狀態等效電路

由于逆變橋直流側工作在這2種狀態下，逆變橋直流側的電壓取值只能為0和，直通狀態下逆變橋直流側電壓為0，非直通狀態下逆變橋直流側峰值電壓為。

由式（5）可以看出，和傳統VSI相比，通過設置直通調制比D（D＜0.5），不需要額外增加DC/DC變流器，就能實現直流側電壓的任意比例升壓[13]。

3 Z源光伏并網系統實現

光伏并網系統內部還集成了完善的保護措施：系統過/欠電壓、過/欠頻率、防雷和接地、短路保護、孤島檢測等。對于光伏并網系統，其最大功率跟蹤（MPPT）能力也是一個重要的因素。太陽能電池方陣的輸出隨太陽輻照度和太陽能電池方陣表面溫度而變動。因此需要跟蹤太陽能電池的工作點并進行控制,使其始終處于最大輸出,并獲取最大輸出。該光伏并網系統于2010年8月并網投運成功，系統運行參數如表2所示。

表2 光伏系統運行參數

系統運行當天，逆變器參數如表3所示?？梢娤到y工作正常，符合設計規范。

4 結束語

城市中，可再生能源的利用主要以光伏發電為主，而光伏發電由于其功率密度低的特點，需要占用大量的土地稀缺資源，而屋頂是最佳選擇。利用Z源逆變器的升降壓特性，光伏組件可以依據建筑屋頂的結構串并聯匯流，直流母線電壓范圍比普通逆變器更大，通過工程應用證明Z源逆變器能夠很好地適用于屋頂光伏系統，效果良好。

表3 逆變器參數

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