隨著傳統能源與經濟、環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，開發可持續能源成為人類面臨的迫切需求[1-2]。而太陽能光伏發電是世界上節約能源、倡導綠色電力的一種主要的高新技術產業。發展光伏產業已經成為全球各國解決能源與經濟發展、環境保護之間矛盾的最佳途徑之一，其中光伏并網逆變器的研究成為了各國科學家青睞的對象。
    光伏并網逆變器的主要功能是控制光伏陣列產生的電能以最大的效率及高質量輸送到電網中。而傳統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，使得輸出電流波形畸變污染了電網。針對以上問題，本文引入了Z源網絡，該逆變器結構簡單，輸入電壓范圍寬，允許同一側的IGBT直通，有效地避免了死區的存在[5]。
    在光伏逆變并網系統中，由于光伏陣列輸出功率的變化易引起并網電流的波動，進而造成電網電能質量的污染。為了減小這種污染，傳統的做法是增加DC-DC輸出環節的電容值，但是同時增加了逆變器體積、質量及成本，且降低了穩定性。為了解決并網電流穩定性問題，本文提出了恒定輸出電流法控制策略。詳細分析了Z源逆變器的工作原理及電壓控制方法。最后設計了一臺1 500 W的逆變器進行實驗，驗證了控制策略的可行性。
1 硬件電路及工作原理
1.1 電路結構設計
    本文研究的并網逆變器是單相Z源光伏并網逆變器，其拓撲結構如圖1所示。其中Z源網絡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Boost電路的優勢。逆變級由4個IGBT組成全橋，實現DC-AC的轉變。由于Z源網絡的存在可以接受全橋同側IGBT的直通，避免了死區的存在。通過調制直通比可以控制Z源網絡的輸出電壓，從而控制輸出電流。

  
    為了使參數B與M易于調節且使硬件結構簡單，IGBT的控制信號可由傳統的電壓源逆變器的單極性PWM信號擴展得到[8]。為了不影響逆變器的正常工作，直通態的出現只能插入到逆變器的零狀態(即為續流態，逆變全橋的上管全導通或下管全導通)。這使得參數B與M的調節受到一定的相互制約。這里以傳統的SPWM控制方法加入直通態進行分析，PWM控制信號如圖3所示。Q1、Q2、Q3與Q4為對應IGBT的開關信號。uac為逆變器要調制出的正弦輸出電壓信號，為了不影響uac的輸出，直通態的加入為Q2與Q4的陰影部分。因此，得到了一個周期內的直通態輸出調制信號(D0)，實現了對Z源網絡輸出電壓的控制。

    逆變器實時檢測PV的輸出電壓、電流，根據MPPT算法計算最大輸出功率點，并得到期望的Z源網絡直通態占空比d0。Z源網絡的輸出電壓直接關系到逆變級輸出正弦電流信號的穩定性。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，進而影響電能的質量[9]。因此，為了穩定輸出電流，提出交流并網電流控制策略與Z源電容電壓控制策略來穩定輸出電流，減小電流的突變。本設計使用穩定Z源的電容電壓法間接穩定輸出電流，通過Z源輸出電壓控制得到期望的輸出電流。交流并網電流控制采用電流閉環加電壓前饋跟蹤控制法，實現輸出電流的控制。并網輸出電流大小由Z源穩壓控制策略的輸出設定，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與直通態占空比d0合成，產生的信號與三角載波比較生成PWM控制信號。
2.2 并網電流控制策略
    為了使輸出的并網電流穩定，減小電流的突變波動，本文以恒定Z源電容電壓控制策略，進而恒定輸出電流控制。交逆變側以電容電壓閉環反饋控制實現電容電壓的恒定，電容電壓誤差經過PI控制器調節后得到并網期望電流，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加電壓前饋跟蹤控制法，結構框圖如圖5所示。圖中是并網期望電流，iac是并網實際電流。TS為開關周期，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。在不同階功率點之間改變時實現了輸出電流的平滑過渡。由圖7與圖8進一步分析可得出，在功率穩定期輸出電流恒定且無畸變，驗證了恒定電流控制策略的可行性。

    本文詳細分析了Z源電壓控制原理，提出了恒定輸出電流法控制策略，設計了一臺1 500 W的逆變器，可以滿足光伏陣列輸出電壓波動范圍寬的特性，且引入的Z源網絡避免了死區的存在，提高了并網電流的質量。通過實驗驗證了控制策略的可行性，且具有較低的輸出電流THD值；硬件結構簡單，可以滿足用戶型光伏并網逆變器的需求，具有廣闊的市場應用前景。
參考文獻
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