摘 要：针对全桥逆变器存在死区及电流输出波形畸变等问题，引入Z源网络，设计了具有升压或降压功能、用于输入电压变化范围宽的光伏发电等逆变器系统。研究了Z源电压控制原理，提出了恒定输出电流法控制策略，设计了一台1 500 W的逆变器。实验表明，该设计简单实用，提高了并网电流的质量。

关键词：Z源；逆变器；光伏并网；恒流控制

随着传统能源与经济、环境之间矛盾的日益突出，能源问题将成为世界的根本问题。因此，开发可持续能源成为人类面临的迫切需求[1-2]。而太阳能光伏发电是世界上节约能源、倡导绿色电力的一种主要的高新技术产业。发展光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一，其中光伏并网逆变器的研究成为了各国科学家青睐的对象。

光伏并网逆变器的主要功能是控制光伏阵列产生的电能以最大的效率及高质量输送到电网中。而传统的电压型逆变器只能降压或者电流型逆变器只能升压，难于满足光伏阵列输出对宽电压范围的要求[3-4]。并且逆变的全桥电路存在死区，使得输出电流波形畸变污染了电网。针对以上问题，本文引入了Z源网络，该逆变器结构简单，输入电压范围宽，允许同一侧的IGBT直通，有效地避免了死区的存在[5]。

在光伏逆变并网系统中，由于光伏阵列输出功率的变化易引起并网电流的波动，进而造成电网电能质量的污染。为了减小这种污染，传统的做法是增加DC-DC输出环节的电容值，但是同时增加了逆变器体积、质量及成本，且降低了稳定性。为了解决并网电流稳定性问题，本文提出了恒定输出电流法控制策略。详细分析了Z源逆变器的工作原理及电压控制方法。最后设计了一台1 500 W的逆变器进行实验，验证了控制策略的可行性。

1 硬件电路及工作原理

1.1 电路结构设计

本文研究的并网逆变器是单相Z源光伏并网逆变器，其拓扑结构如图1所示。其中Z源网络由对称的电感与电容组成，将逆变级与光伏阵列耦合在一起，完成电压的升降压功能。该电路综合了单级电路与级联Boost电路的优势。逆变级由4个IGBT组成全桥，实现DC-AC的转变。由于Z源网络的存在可以接受全桥同侧IGBT的直通，避免了死区的存在。通过调制直通比可以控制Z源网络的输出电压，从而控制输出电流。

为了使参数B与M易于调节且使硬件结构简单，IGBT的控制信号可由传统的电压源逆变器的单极性PWM信号扩展得到[8]。为了不影响逆变器的正常工作，直通态的出现只能插入到逆变器的零状态(即为续流态，逆变全桥的上管全导通或下管全导通)。这使得参数B与M的调节受到一定的相互制约。这里以传统的SPWM控制方法加入直通态进行分析，PWM控制信号如图3所示。Q1、Q2、Q3与Q4为对应IGBT的开关信号。uac为逆变器要调制出的正弦输出电压信号，为了不影响uac的输出，直通态的加入为Q2与Q4的阴影部分。因此，得到了一个周期内的直通态输出调制信号(D0)，实现了对Z源网络输出电压的控制。

逆变器实时检测PV的输出电压、电流，根据MPPT算法计算最大输出功率点，并得到期望的Z源网络直通态占空比d0。Z源网络的输出电压直接关系到逆变级输出正弦电流信号的稳定性。若输出电压过大则造成IGBT的损坏；过低则无法正常工作；若电压变化大则使得输出电流谐波增加，进而影响电能的质量[9]。因此，为了稳定输出电流，提出交流并网电流控制策略与Z源电容电压控制策略来稳定输出电流，减小电流的突变。本设计使用稳定Z源的电容电压法间接稳定输出电流，通过Z源输出电压控制得到期望的输出电流。交流并网电流控制采用电流闭环加电压前馈跟踪控制法，实现输出电流的控制。并网输出电流大小由Z源稳压控制策略的输出设定，给定电流的幅值为Z源电容电压控制的输出量，然后与电网的PLL输出的单位正弦信号相乘得到逆变器的期望电流。最后，由电流控制器的输出正弦因子usin与直通态占空比d0合成，产生的信号与三角载波比较生成PWM控制信号。

2.2 并网电流控制策略

为了使输出的并网电流稳定，减小电流的突变波动，本文以恒定Z源电容电压控制策略，进而恒定输出电流控制。交逆变侧以电容电压闭环反馈控制实现电容电压的恒定，电容电压误差经过PI控制器调节后得到并网期望电流，与电压同步控制信息得到电流控制器期望电流。电流控制器采用的是电流闭环加电压前馈跟踪控制法，结构框图如图5所示。图中是并网期望电流，iac是并网实际电流。TS为开关周期，Gc(s)是电流控制器，GINV(s)是功率逆变器，GL(s)是输出滤波环器。

输出电流也跟踪电容电压下降，但下降速度缓慢且平滑。在不同阶功率点之间改变时实现了输出电流的平滑过渡。由图7与图8进一步分析可得出，在功率稳定期输出电流恒定且无畸变，验证了恒定电流控制策略的可行性。

本文详细分析了Z源电压控制原理，提出了恒定输出电流法控制策略，设计了一台1 500 W的逆变器，可以满足光伏阵列输出电压波动范围宽的特性，且引入的Z源网络避免了死区的存在，提高了并网电流的质量。通过实验验证了控制策略的可行性，且具有较低的输出电流THD值；硬件结构简单，可以满足用户型光伏并网逆变器的需求，具有广阔的市场应用前景。

参考文献

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