第 14卷 第 4期
2010年 4月
电 机 与 控 制 学 报
EL EC TR IC MA CH IN ES AND CON TROL
Vol
14 No
Ap r. 2010
4
三相光伏并网 Z - 源逆变器的比例谐振控制
王继东 , 朱雪玲 , 苏海滨 , 王玲花
(华北水利水电学院 电力学院 , 河南 郑州 450011)
源逆变器应用于光伏并网系统 ,利用逆变器桥臂直通状态实
摘 要 : 将具有独特的 X型网络的 Z
源逆变器的拓扑结构和工作原理进行了详细的分析 ;根据电网电压定向的控
现直流侧升压 。对 Z
制策略结合比例谐振控制器 ,利用改进的空间矢量脉宽调制方法实现了逆变器并网控制 ,使 Z
源
光伏并网系统能够动态跟踪光伏电池最大功率点电压 ,输出电流和电网电压相位 ,实现单位功率因
数运行和电流波形正弦化 。仿真结果表明系统具有良好的静态和动态性能 ,验证了采用的系统结
构和控制策略的有效性和可行性 。
关键词 :光伏发电 ; Z
大功率点跟踪
中图分类号 : TM464
源逆变器 ; 并网 ; 电网电压定向 ; 比例谐振控制器 ; 空间矢量脉宽调制 ; 最
文章编号 : 1007- 449X (2010) 04- 0086- 06
文献标志码 : A
Proportional
in three
resonant control for Z
phase PV grid
connected system
source inverter
WANG J i
dong, ZHU Xue
ling, SU Hai
bin, WANG L ing
hua
(College of Electrical Engineering, North China University of W ater Conservancy and Electric Power,
Zhengzhou 450011, China)
the Z
type Z
connected system. The Z
source inverter can utilize the shoot
phase photovoltaic ( PV ) grid
source inverter which has a unique X
Abstract: In this paper,
source networkis is app lied in
through
three
link voltage. The circuit to
state that simultaneously turns on both power switches in a leg to boost a DC
pology and basic p rincip les of the Z
source inverter were described in detail . The grid voltage oriented
control is combined w ith a modified space vector pulse width modulation and p roportional resonant ( PR )
controllers made the Z
source inverter generate a sinusoidal AC current in phase with grid voltage. PV
generation system can track the maximum power point of the PV array and transform power to the utility
grid w ith a unity power factor simultaneously. To verify the effectiveness of the analyzed circuit model and
modified space vector PWM technique, simulation results show the PV generation system , w ith p roposed
control strategy, p rocesses good steady and dynam ic performance.
Key words: photovoltaic generation; Z
tional resonant controllers; space vector pulse w idth modulation; maximum power point tracking
connected; grid voltage oriented; p ropor
source inverter; grid
收稿日期 : 2009 - 12 - 01
基金项目 : 河南省科技攻关项目 (0524260049) ;河南省教育厅自然科学研究计划项目 (2008B47003)
作者简介 : 王继东 (1969—) ,男 ,硕士 ,副教授 ,研究方向为新能源发电与并网技术 ;
朱雪玲 (1966—) ,女 ,硕士 ,副教授 ,研究方向新能源发电与并网技术 ;
苏海滨 (1964—) ,男 ,博士 ,教授 ,研究方向为电力电子技术与智能控制 ;
王玲花 (1965—) ,女 ,博士 ,教授 ,研究方向为电力生产过程控制、仿真与故障诊断 。
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2
2
第 4期
王继东等 : 三相光伏并网 Z - 源逆变器的比例谐振控制
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0 引 言
能源供应紧张和环境保护的压力使清洁可再生
能源发电技术在世界范围内受到高度重视 。其中 ,
光伏发电具有无地域限制 、无燃料消耗 、无旋转部
件 、无污染物和噪声排放等特点 ,在提供清洁 、可靠
的电力方面具有明显的优势 。并网发电系统是光伏
发电的发展方向 ,光伏发电与常规电网的并网 ,省掉
了蓄电环节 ,从而扩展了使用的范围 、提高了灵活
性 ,并降低了系统造价 ,使太阳能真正由“补充能
源 ”走向“替代能源 ”,因而成为目前学术界研究的
热点和重点问题 [ 1 ] 。
并网逆变器是光伏并网发电系统的核心装置 。
并网逆变器一方面将光伏阵列发生的直流电转换为
交流电 ,又可以对交流电的频率 、电压 、电流 、相位 、
有功和无功 、同步等进行控制以实现与电网并联功
能 。传统的三相逆变器有两种基本拓扑 :电压源和
电流源型 。由于电流源逆变器主电路及控制电路相
对比较复杂 ,系统运行效率较低 。而电压源拓扑结
构的逆变器具有结构简单 、控制方便 、主电路损耗低
等优点 ,因此基于电压源拓扑结构的太阳能光伏并
网逆变器及其控制技术已成为光伏并网发电系统采
用的主要技术 [ 2 ] 。
但是 ,传统的电压源逆变器交流输出电压只能
低于直流母线电压 ,因此 ,对于 DC /AC变换来说 ,电
压源逆变器是一个降压式逆变器 。对于直流电压较
低 ,需要较高的交流输出电压的 DC /AC功率变换场
合 ,需要级联一个额外的 DC /DC 直流升压式变流
器 ,这个额外的功率变流器增加了系统的成本 ,降低
了变换效率 。另外 ,任何时刻任一桥臂上 、下管不能
同时导通 ,否则会发生直通短路 ,损坏器件 。由电磁
干扰造成的误触发导致的直通问题降低了电压源逆
变器的可靠性 。为了防止逆变器桥臂直通 ,必须在
同一桥臂上 、下功率开关器件换流过程中插入死区 ,
这会导致输出交流电压波形发生畸变 。
鉴于传统电压源和电流源逆变器的不足 ,美国
密西根州立大学的彭方正教授于 2002年首次提出
了 Z - 源逆变器的拓扑和理论 [ 3 ] 。较之两级电路 ,
Z - 源逆变器结构简单 ,硬件少 ,减少了有源器件和
驱动电路 ,效率高 ,可靠性高 ; 独特的 Z - 源网络结
构提高了系统的安全性 ,直通不再损坏逆变器有源
器件 ,而变成其正常的一个工作状态 ;降低了逆变器
有源器件的功率等级 ,从而降低了器件费用等诸多
优点 。 Z源逆变器一经提出就得到广泛关注 ,其相
关理论研究与实践应用发展非常迅速 ,在交直流电
气传动 、分布式发电 、有源电力滤波及无功功率补
偿 、统 一 潮 流 控 制 器 等 方 面 都 取 得 了 突 破 性 的
进展 [ 4 - 6 ] 。
本文将带 LC输出滤波环节的 Z - 源逆变器应
用于光伏并网系统中 ,利用逆变器桥臂直通状态实
现直流侧升压 ;采取电网电压定向的控制策略利用
比例谐振 ( p roportional resonant, PR )控制器结合改
进的空间矢量脉宽调制方法实现逆变器并网控制 。
1 Z - 源逆变器的拓扑结构与工作原理
Z - 源逆变器由独特的 Z - 源网络和传统的三
相逆变桥构成 。带输出 LC滤波电路的基于 Z - 源
逆变器的光伏并网系统主电路如图 1所示 。其中 ,
电感 L1和 L2与电容 C1 和 C2构成 Z - 源网络 ,而传
统的三相逆变桥由开关器件 S1 ~S6 组成 。电感 Lf
与电容 Cf 构成 LC 输出滤波电路 ; ea、eb、ec 为三相
电网电动势 。
在传统的三相逆变器中任何时刻任一桥臂上 、
下管不能同时导通 ,否则会发生直通短路 ,损坏器
件 。故传统的逆变器共有 8个允许的开关状态 ,即
6个有效状态和 2个零矢量状态 ,而对于 Z - 源逆变
器 ,由于 Z - 源网络的作用 ,使得同一桥臂上 、下功
率开关器件同时导通的短路零电压矢量在三相逆变
器中成为可能 。短路零电压矢量的应用为三相电压
型逆变器供了的升压特性 。因而 ,三相 Z源逆变器
有 9个允许的开关状态 。
图 1 基于 Z - 源逆变器的光伏并网系统主电路图
F ig. 1 M a in c ircu it of photovolta ic gr id
connected system
ba sed on Z
source inverter
图 2为图 1中所示的 Z - 逆变器从直流环节看
过去的等效电路 。引入 Z - 网络后 ,当逆变桥处于
直通零电压状态时 ,可等效为短路 ,如图 2 ( a)所示 。
而当处于 6种非零电压状态时 ,逆变桥则变成一个
等效电流源 。注意到当处于 2种传统的零电压状态
时 ,逆变桥也可以用一个零值电流源 (或开路 )来代
替 。因此图 2 ( b)为当逆变桥处于传统的 8 种非直
通零电压状态时 , Z源逆变器从直流侧看进去的等
效电路 。
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电 机 与 控 制 学 报 第 14卷
VC1 =
Tb
Ta - Tb
V in =
1 -
1 - 2
Ta
Tz
Ta
Tz
V in。
( 6)
加在逆变桥的平均直流电压为
V i = vi = ∫Tz
vi d t =
0
Tb ( 2VC1 - V in )
Tz
=
Tb
Tb - Ta
V in = VC1
。
( 7)
由式 ( 7) 可知直流链平均电压等于电容电压 ,
因此 ,可利用测量到 VC1
来调节直流链电压 。
加在逆变桥的直流环节峰值电压为
^vi = 2VC1 - V in =
Tz
Tb - Ta
V in = BV in ,
( 8)
式中 B 为由直通零电压状态得到的升压因子 。
逆变器输出相电压的峰值可以表示为
^vac = M
^vi
2
,
( 9)
式中 M 为逆变器的调制因子 。对于正弦脉宽调制 ,
M ≤ 1;对于空间矢量脉宽调制 , M ≤ 2
。
3
由式 ( 8) 和式 (9) 得
^vac = M B
V in
2
,
( 10)
即有
^vac
(V in /2)
= M B = B b = 0 ~ ∞。 ( 11)
式 ( 11) 表明通过调节直通状态的时间 t0 可以
升高和降低逆变器输出电压 。即选择合适的升 / 降
压因子 B b 可以实现逆变器输出电压高于或低于直
流输入电压 。
2 Z - 源逆变器的 SVPWM 实现
常见的脉 宽调 制方 法均 可用于 Z - 源 逆 变
器 [ 7 ] 。其中 , 空间矢量脉宽调制 ( space vec to r pulse
w idth modu lation, SV PWM ) 由于电压利用率高 、线
性调制范围宽 、输出谐波低 、动态响应快等特性在三
相逆变器中得到了广泛应用 [ 2, 7 ] 。Z - 源逆变器采用
空间矢量脉宽调制控制时 ,不仅具有传统空间矢量
脉宽调制控制方法的上述优点 ,同时在输出电压相
同的 情 况 下 , 与 正 弦 脉 宽 调 制 ( sinuso idal pulse
w idth modulation, SPWM ) 相比可以降低升压因子
B ,从而可以降低器件应力 [ 8 ] 。
传统逆变器 SVPWM用 6个功率开关管对应的 8
个电压矢量 (其中 2个为零矢量 ,其余矢量长度为 2vdc /3)
图 2 从直流侧看进去的 Z - 源逆变器的等效电路
F ig. 2 Equ iva len t c ircu it of the Z
source inverter
v iewed from DC
link
Z - 源逆变器正常工作时有 2种工作状态 ,即直
通状态和非直通状态 。在 Z - 源网络中若取电感 L1
和 L2 ,电容 C1 和 C2 分别具有相同的电感量和电容
量 。这样 , Z - 源网络就具有对称性 ,当电路处于稳
态时 ,根据电路的对称性 ,有
(1)
当电路工作在非直通状态时 ,由图 2 ( b)所示等
VC1 =VC2 , vL 1 = vL 2
。
效电路
对回路 ①有
即
对回路 ②有
vL 2 =V in - VC1 ,
vL 1 =V in - VC1
。
(2)
vi =VC1 - vL 1 = 2VC1 - V in。
(3)
假设在一个开关周期 Tz 中 ,逆变桥工作于直通
状态的时间为 Ta;逆变桥工作于非直通零电压状态
的时间为 Tb。
当电路处在直通状态时 ,有
vL 1 =VC1 , vd = 2VC1 , vi = 0。
(4)
由电感的伏秒平衡特性 ,稳态时 ,一个开关周期
内电感的平均电压为零 ,即有
VL 1 = vL 1 = ∫Tz
vL 1 d t =
0
Tz
TaVC1 + Tb (V in - VC1
)
= 0,
(5)
则
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第 4期
王继东等 : 三相光伏并网 Z - 源逆变器的比例谐振控制
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将空间划分为 6个扇区 Ⅰ~ Ⅵ,并在每个开关周期内
用某扇区邻近的 2个矢量和零矢量的组合去逼近待
输出的电压矢量 ,如图 4所示。其中 ,矢量标号以 abc
为顺序 , 1代表该相上管导通 , 0代表该相下管导通 ,
V ref 为参考输出电压矢量 ,θ为电压空间矢量旋转角。
分表示直通零矢量作用时间。由图 4可以看出每个开关
周期 Tz 内 ,用于升高 Z - 源逆变器直流侧电压的直通
之内 ,即有 0 ≤ t0 ≤ T0
零矢量作用时间 t0被限制在 T0
2
2
若 t0 = 0,调制方法即为常规的 SVPWM方法。
。
图 3 空间电压矢量图
F ig. 3 D iagram of the space voltage vector
对于任一扇区中的电压空间矢量 V ref ,均可由该
扇区两边的基本电压空间矢量合成 。扇区 Ⅰ的矢量
就可以表示为
V ref =
T1
Tz
V1 +
T2
Tz
V2 ,
( 12)
式中 : T1、T2 为在一个开关周期中有效矢量 V1 和 V1
作用的时间 ; Tz 为开关周期 。
令零矢量 V0 和 V7 作用时间之和为 T0 ,则有
图 4 第一扇区三相开关信号图
Tz = T1 + T2 + T0。
( 13)
F ig. 4 Three pha se sw itch ing signa ls in sector Ⅰ
根据文献 [ 2 ]有
T1 = m Tz sin
π
3
- θ ,
T2 = m sinθ,
T0 = Tz - T1 - T2。
式中 m 为 SV PWM 调制系数 ,并且有
m =
3
vdc
| V ref | 。
( 14)
( 15)
对于其余 5个扇区除了 2个有效矢量不同外 ,
其余与扇区 Ⅰ类似 。
图 4 ( a) 为传统逆变器 SV PWM 方式在扇区 Ⅰ
内各个开关器件的开关信号波形图 。
Z - 源逆变器的 SV PWM的控制与常规 SV PWM
不同之处关键在于它在每条桥臂的开关器件换流期
间插入上下功率开关器件同时导通的直通区 ,以升
高 Z - 源逆变器直流侧电压并使其输出正弦交流电
压 ,同时保持原来有效状态所作用的时间不变 。
图 4 (b) 为 Z - 源逆变器所采用的改进 SVPWM在
扇区 Ⅰ内各个开关器件的开关信号波形图。其中阴影部
3 基于 PR控制器的光伏并网 Z - 源
逆变器的电网电压定向矢量控制
在并网逆变器的控制中 ,基于电网电压定向的
矢量控制由于具有电流无静差 、能实现电流有功分
量和无功分量的解耦控制等优点受到了广泛关注 。
电压定向矢量控制是一种基于坐标变换的控制
方式 。逆变器器的网侧的电压和电流 ,在三相静止坐
标系中表示为 ua、ub、uc 及 ia、ib、ic ,在两相坐标系下
表示为 uα、uβ及 iα、iβ,在两相同步旋转坐标系中表
示为 ud、uq 及 id、iq。根据坐标变换的基本原理 ,可以
把静止坐标系中的交流量的控制转变为对相应同步
旋转坐标系中直流量的控制 。
所谓电网电压定向是将 d - q同步旋转坐标系
的 d轴按电网电压矢量 E定向 。此时 ,电网电压的 q
轴分量为零 eq = 0;逆变器网侧电流矢量 I的 d轴分
量 id 为有功电流 , q轴分量 iq 为无功电流 。
电网电压定向的矢量控制系统一般采用 P I控
制器控制的直流侧电压外环 、电流内环的双闭环结
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电 机 与 控 制 学 报 第 14卷
构 。电压外环用来保持逆变器的直流侧电压恒定 ,
外环采用基于 d - q坐标系的 P I调节器控制 ,从而实
现直流侧电压的无静差控制 。电压调节器输出有功
d ,为了实现单位功率因数运行 , 无功电
电流指令 i
流给定设置为 i
q = 0。将经检测变换得到的电流 id、
q 作差 ,再经过 P I调节得到有功电压
iq 分别与 i
d 和 i
指令 u
q , 利用电网电压相位信
q 转换到α - β两相静止坐标系 ,形成电
息将 u
压指令 u
β 。根据空间矢量调制方法即可得到
逆变器控制信号 。系统中电网电压的相位通过三相
锁相环 PLL获得 。
d 和无功电压指令 u
d 和 u
α 和 u
需要注意的是在同步旋转坐标系中 , d轴和 q
轴的变量是互相耦合的 [ 9 ] ,为了实现 d轴电流和 q
轴电流的解耦控制 ,需要在控制回路的中引入前馈
解耦环节 [ 10 ] 。
采用 P I调节器控制的电压外环 、电流内环双
闭环结构的并网逆变器电网电压定向控制需要经
过多次坐标变换 ,并且需要前馈解耦控制 ,因而系
统结构复杂 ,实现困难 。造成控制结构复杂的主要
原因在于在静止坐标系中电流内环的指令信号是
以基波角频率 ω0 变化的正弦波信号 , 而在静止坐
标系中若采用 P I调节器无法实现对 i
β 的无
静差跟踪控制 。
α 和 i
文献 [ 11 ]提出了一种调节器 ———比例谐振控
制器 。它可以不经过复杂的交直流变换 ,而是直接控
制交流量 , 来达到消除稳态误差的目的 [ 12 ] 。比例谐
振控制器由比例调节器和谐振调节器组成 。其传递
函数为
Gc ( s) = KP + KI
s
s2 +ω2
0
。
( 16)
易知 ,该控制器在基波频率 ω =ω0 处增益无穷
大 ,而在非基频处增益很小 , 因此 , 谐振控制器可对
频率为 ω =ω0 的正弦信号实现无静差跟踪控制 。
本文所设计的光伏并网 Z - 源逆变器电网电压
定向的矢量控制系统如图 5所示 。采用了比例谐振
控制器代替电流环中的 P I控制器 ,明显看出减少了
坐标变换环节 ,而且不需要设置前馈解耦 ,从而简化
了系统结构 。
由于光伏发电系统中光伏模块输出功率受光
强 、温度等环境的影响很大 ,为了最大限度地利用太
阳能 ,系统应设置最大功率跟踪环节 。在本文中 ,由
最大功率点跟踪环节计算出的最大功率点指令电压
和当前的光伏阵列输出电压比较 ,经过电压调节后
得到系统需要的直通零矢量占空比 ,通过跟踪最大
功率点电压从而实现最大功率跟踪 。
源逆变器的光伏并网系统控制框图
图 5 基于 Z
F ig. 5 Proposed con trol stra tegy of the Z
inverter for PV genera tion system
source
4 仿真结果及分析
为了验证系统结构及其控制策略的正确性 ,利用
S IMUL INK中的电力系统“SimPowerSystem s”模块
库 ,按图 5构建了基于 Z - 源逆变器的光伏并网系统
仿真模型。电路结构采用相关参数为 :电网电压为相
电压有效值 380V, 直流输入电压 400V;直流侧电容
C = 1m F。Z - 源网络参数 L = 1mH, C = 1 000μF; 滤
波电感 3mH;开关频率 5
4kHz;比例谐振控制器参数
Kp = 40, KI = 6 000。仿真结果如图 6 ~图 8所示 。
图 6 Z - 源逆变器第一扇区三相开关信号仿真结果
F ig. 6 S im ula tion of the three pha se sw itch ing signa ls
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现了并网电流的无静差跟踪控制和有功 、无功电流
的解耦控制 。
参 考 文 献 :
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图 7 系统在稳态时的仿真结果
F ig. 7 S im ula tion results in steady sta te
图 8 采用 PR控制器的电流误差信号
F ig. 8 S im ula tion of the curren t sta te error w ith
a PR con troller
图 6为 Z - 源逆变器在第一扇区内各桥臂上功
率开关驱动信号仿真结果 。对照图 4 ( b) 可知与理论
分析相一致 。图 7为逆变器输出电流与电网电压在
稳态时的波形图 ,表明逆变器输出电流是与电网电
压同频同相的正弦波 ,并网逆变器实现了单位功率
因数运行 。图 8 为电流误差 ie 动态响应波形图 。可
知 ,采用谐振控制器的电流控制环节 ,实现了静止坐
标系电流的无静差控制 , 并且有较快的动态响应
过程 。
5 结 语
利用 Z - 源逆变器结合改进的 SV PWM 技术实
现光伏系统并网 ,相比于传统的逆变器具有结构简
单 、效率高 、可靠性高 、安全性好的优点 。采用电网电
压定向的矢量控制策略对光伏并网逆变器进行控
制 。控制系统结构为电压外环 、电流内环的双闭环
结构 。电压外环采用基于 d - q坐标系的 P I调节器控
制 ,电流内环采用基于α - β坐标系的比例谐振控制
器 ,减少了坐标变换环节 ,简化了控制系统结构 ,实
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