基于抽頭電感準z源網絡的光伏發電系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了基于抽頭電感準Z源網絡的光伏發電系統，Boost升壓電路實現最大功率跟蹤，PWM逆變橋實現DC/AC變換；抽頭電感準Z源網絡代替了傳統Z源逆變網絡，該網絡繼承了準Z源逆變網絡的優點，且通過調節直通占空比和電感抽頭的位置，能較大地提高升壓能力，提升了光伏發電的效率。
【專利說明】
基于抽頭電感準Z源網絡的光伏發電系統
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種基于抽頭電感準Z源網絡的光伏發電系統，屬于分布式發電 與智能電網領域。
【背景技術】
[0002] 太陽能的利用是緩解全球能源緊缺與環境污染問題的重要途徑，光伏發電就是近 年來研究的熱點之一。對直流電壓較高的負載供電，蓄電池電壓一般較低，滿足不了其供電 需求。采用目前成熟的電力電子變流技術可將太陽能轉換成電能，進而實現電壓變換與功 率控制。
[0003] z源逆變器克服了常規電壓源逆變器的不足。傳統z源逆變器是在三相逆變橋與輸 入電源間增加一個無源網絡得到的。無源網絡中包含以"X"方式連接且高度對稱的電感U、 L 2和電容&工2。它通過控制橋臂的直通時間，就可以實現單級升/降壓變換；由于橋臂直通 成為逆變器的一種正常工作模式，不會發生由于電磁干擾等造成的直通問題而損壞逆變橋 的情況，提高了整機的可靠性；同時，由于沒有死區補償的問題，從根本上避免了輸出電壓 波形的畸變。基于上述優點，Z源逆變器被廣泛應用于新能源發電系統中。
[0004] 準Z源逆變器是在傳統Z源逆變器的基礎上演化而來。除了具有傳統Z源逆變器的 特點外，它還具有輸入電流連續、逆變橋與輸入電源共地、電容電壓應力較小的優點。
[0005] 然而，Z源逆變器和準Z源逆變器只是通過控制橋臂直通時間來調節母線電壓，直 通時間受到調制比的限制，過大的直通占空比反而會減小調制比和輸出電壓幅值，并增加 橋臂開關管的電壓應力和輸出波形的諧波含量。
【發明內容】
[0006] 本實用新型發明了基于抽頭電感準Z源網絡的光伏發電系統，抽頭電感準Z源網絡 代替了傳統Z源逆變網絡，該網絡繼承了準Z源逆變網絡的優點，且通過調節直通占空比和 電感抽頭的位置，能較大地提高升壓能力，提升了光伏發電的效率。
[0007] 本實用新型的技術方案為:基于抽頭電感準Z源網絡的光伏發電系統，包括光伏陣 列、Boost升壓電路、抽頭電感準Z源網絡、PWM逆變橋、負載;光伏陣列、Boost升壓電路、抽頭 電感準Z源網絡、PWM逆變橋、負載順次連接，光伏陣列輸出的直流電能變換成為交流電能， 為負載供電;Boost升壓電路包括光伏側儲能電容C〇、Boost升壓電感L〇、Boost升壓電路開關 器件S〇、B 〇〇st升壓電路二極管VD〇、直流側儲能電容Cd;抽頭電感準Z源網絡包括電感L、二極 管VDp VD3、電容CjPC2、抽頭電感Lt，抽頭引線將抽頭電感Lt分成電感1^和電感L 2兩部分，電 感1^的繞組匝數為^，電感L2的繞組匝數為N2; PWM逆變橋采用三相全橋逆變器結構，包括六 個開關器件SrS6以及它們各自的反并聯二極管，開關器件&、&、&的集電極相連作為PWM逆 變橋的輸入正端，開關器件S2、S4、S6的發射極相連作為PWM逆變橋的輸入負端;光伏陣列與 光伏側儲能電容Co并聯連接，光伏陣列輸出正極與Boost升壓電感L〇相連，Boost升壓電感L〇 另一端與Boost升壓電路開關器件So的集電極、Boost升壓電路二極管VD〇的陽極相連，Boost 升壓電路二極管VDo的陰極與直流側儲能電容Cd的一端、電感L的一端相連，電感L的另一端 與二極管VDi的陽極、電容C2的一端相連，二極管VDi的陰極與電容&的一端、抽頭電感Lt的輸 入端相連，抽頭電感Lt的輸出端與二極管VD 3的陽極相連，抽頭電感Lt的抽頭引線與二極管 VD2的陽極相連，二極管VD2的陰極與二極管VD 3的陰極、電容C2的另一端、PWM逆變橋的輸入 正端相連，電容Cl的另一端與光伏陣列輸出負極、Boost升壓電路開關器件So的發射極、直流 側儲能電容Cd的另一端、PWM逆變橋的輸入負端相連;P麗逆變橋中，Si的發射極與S 2的集電 極相連，S3的發射極與S4的集電極相連，S5的發射極與S 6的集電極相連，由S2、S4、S6的集電極 分別引出PWM逆變橋的a、b、c三個輸出端;PWM逆變橋的a、b、c三個輸出端均接至負載。
[0008] 本實用新型的有益效果為：l、B〇〇st升壓電路實現最大功率跟蹤，PWM逆變橋實現 DC/AC變換;抽頭電感準Z源網絡部分可通過合理設計抽頭電感的抽頭位置和控制PWM逆變 橋橋臂的直通時間將母線電壓提升到較高的值，使PWM逆變橋能夠輸出更高幅值的交流電 壓;2、繼承了Z源逆變器利用橋臂直通時間實現升壓變換的特點，在任何情況下都不會因橋 臂直通而導致輸入電源短路，提高了系統的可靠性;不存在傳統逆變器由于加入死區而引 起輸出電壓波形畸變的問題;3、減小了電容的大小并降低了應力，不再要求無源網絡中的 電感電容高度對稱，降低了變換器的設計難度，且輸入電流連續，更適合應用于光伏等新能 源發電的場合。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本實用新型結構不意圖。
[0010] 圖2為本實用新型抽頭電感繞組Ni、N2和母線的電流波形示意圖；h為繞組他的電 流，i2為繞組他的電流，i b為母線電流。
[0011] 圖3為本實用新型直通零矢量狀態等效電路圖；Lk為抽頭電感Lt的漏感，Lm為抽頭 電感Lt的勵磁電感，UL為電感L兩端的電壓，Ub為母線電壓，UC1、UC2分別為電容Ci、C 2兩端的電 壓，um為勵磁電感U兩端的電壓，ui為繞組Ni兩端的電壓，U2為繞組N2兩端的電壓。
[0012]圖4和圖5均為本實用新型傳統零矢量狀態等效電路圖；圖4中二極管VD2導通、二 極管VD3截止；圖5中二極管VD2截止、二極管VD3導通。
[0013] 圖6為本實用新型有效矢量狀態等效電路圖。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合說明書附圖對本實用新型的技術方案做進一步闡述，但不限于此。
[0015] 如圖1所示，基于抽頭電感準Z源網絡的光伏發電系統結構示意圖，包括光伏陣列、 Boost升壓電路、抽頭電感準Z源網絡、PWM逆變橋、負載;光伏陣列、Boost升壓電路、抽頭電 感準Z源網絡、PWM逆變橋、負載順次連接，光伏陣列輸出的直流電能變換成為交流電能，為 負載供電;Boost升壓電路包括光伏側儲能電容Co、Boost升壓電感Lo、Boost升壓電路開關器 件So、B 〇〇St升壓電路二極管VDo、直流側儲能電容Cd;抽頭電感準Z源網絡包括電感L、二極管 VDr VD3、電容&和&、抽頭電感Lt，抽頭引線將抽頭電感Lt分成電感1^和電感L2兩部分，電感 U的繞組匝數為見，電感L2的繞組匝數為N2; PWM逆變橋采用三相全橋逆變器結構，包括六個 開關器件Si~S6以及它們各自的反并聯二極管，開關器件Si、S3、S5的集電極相連作為PWM逆變 橋的輸入正端，開關器件S2、S4、S6的發射極相連作為PWM逆變橋的輸入負端;光伏陣列與光 伏側儲能電容Co并聯連接，光伏陣列輸出正極與Boost升壓電感Lo相連，Boost升壓電感Lo另 一端與Boost升壓電路開關器件So的集電極、Boost升壓電路二極管VDo的陽極相連，Boost升 壓電路二極管VDo的陰極與直流側儲能電容Cd的一端、電感L的一端相連，電感L的另一端與 二極管VDi的陽極、電容C 2的一端相連，二極管VDi的陰極與電容&的一端、抽頭電感Lt的輸入 端相連，抽頭電感Lt的輸出端與二極管VD 3的陽極相連，抽頭電感Lt的抽頭引線與二極管VD2 的陽極相連，二極管VD2的陰極與二極管VD3的陰極、電容C2的另一端、PWM逆變橋的輸入正端 相連，電容Cl的另一端與光伏陣列輸出負極、Boost升壓電路開關器件So的發射極、直流側儲 能電容Cd的另一端、PWM逆變橋的輸入負端相連;P麗逆變橋中，Si的發射極與S 2的集電極相 連，S3的發射極與S4的集電極相連，S5的發射極與S 6的集電極相連，由S2、S4、S6的集電極分別 引出PWM逆變橋的a、b、c三個輸出端;PWM逆變橋的a、b、c三個輸出端均接至負載。
[0016] 為簡化分析，做如下假設：1、器件均為理想工作狀態;2、光伏陣列、Boost升壓電路 等效為一直流電壓源E。在直通和非直通狀態下，分別由繞組他和繞組Ni+N 2起作用。由于耦 合系數k實際不為1，在電路分析中引入漏感Lk，勵磁電感1^的表達式為：
[0017] L^=k% (I)，
[0018] 漏感Lk的表達式為：
[0019] 4 二C1-f 沁(n)〇
[0020] 設定匝數比#他/見，則抽頭電感兩個繞組的電感值可以表達為：
[0022]假設電容Ci、C2的容值較大，則在一個開關周期內，電容電壓可視為恒定。一個開關 周期內抽頭電感準Z源網絡可以運行在3種開關狀態，包括直通零矢量狀態、傳統零矢量狀 態和有效矢量狀態。其中傳統零矢量狀態又可以分為兩種子狀態。
[0023]抽頭電感繞組此、他和母線的電流波形示意圖如圖2所示。
[0024] 1、工作模態Uto-tD:圖3所示為本實用新型直通零矢量狀態等效電路圖，母線電 壓ub經由PWM逆變橋短路。在此期間，電容&電壓加在繞組見上。繞組見電流從最小值I1(Q)開 始線性增長。當t=h時，h達到最大值。抽頭電感繞組％感應電勢為左"+"右二極管VD3 截止。同時，輸入電壓E與電容C2電壓串聯通過直通的橋臂加到電感L上，電感L電流從最小 值Il(q)線性增長。當t=tl時，iL也達到最大值。此外，由于UG1>-UG2,二極管VDl截止。
[0025] 2、工作模態2(。~〖2):圖4和圖5均為本實用新型傳統零矢量狀態等效電路圖，PWM 逆變橋開路。h時刻，繞組NjPN 2電勢迅速下降，并到達反向的最大值。由于這段時間內，漏 感能量的存在，繞組仏電流通過電容C2繼續流通，此時加在U上的電壓為u C2，ii迅速線性下 降。之后由于U2>ui(N> 1)，二極管VD2電流過零截止，二極管VD3導通，如圖5所示。繞組Ni、N2 串聯給電容C2充電，UC2=U1+U2,抽頭電感Lt電流線性下降，且ii=i2。此時，加在繞組Ni上電壓 為 UC2-U2。
[0026] 3、工作模態3(t2~t3):圖6所示為本實用新型有效矢量狀態等效電路圖，此時PWM 逆變橋等效為一個電流源。繞組N2與繞組他串聯給負載供電，同時繼續維持電容C2電壓，h 繼續線性下降。
[0027] 在工作模態2和工作模態3中，電感L與E串聯給電容&充電，加在L上的電壓為ucl_ E，電感L電流ii線性減小。當t=t3時，ii達到最小值。
【主權項】
1.基于抽頭電感準Z源網絡的光伏發電系統，其特征在于，抽頭電感準Z源網絡包括電 感L、二極管VDi~VD3、電容CjPC2、抽頭電感Lt，抽頭引線將抽頭電感L t分成電感1^和電感L2 兩部分，電感L1的繞組匝數為N1，電感L2的繞組匝數為N2; PWM逆變橋采用三相全橋逆變器結 構，包括六個開關器件Sl~S6以及它們各自的反并聯二極管，開關器件Si、S3、S5的集電極相 連作為PffM逆變橋的輸入正端，開關器件S 2、S4、S6的發射極相連作為PffM逆變橋的輸入負端； 光伏陣列與光伏側儲能電容Co并聯連接，光伏陣列輸出正極與Boost升壓電感Lo相連，Boost 升壓電感Lo另一端與Boost升壓電路開關器件So的集電極、Boost升壓電路二極管VDo的陽極 相連，Boost升壓電路二極管VDo的陰極與直流側儲能電容Cd的一端、電感L的一端相連，電感 L的另一端與二極管VD1的陽極、電容C2的一端相連，二極管VD1的陰極與電容C 1的一端、抽頭 電感Lt的輸入端相連，抽頭電感Lt的輸出端與二極管VD 3的陽極相連，抽頭電感Lt的抽頭引 線與二極管VD2的陽極相連，二極管VD 2的陰極與二極管VD3的陰極、電容C2的另一端、PWM逆 變橋的輸入正端相連，電容Ci的另一端與光伏陣列輸出負極、Boost升壓電路開關器件So的 發射極、直流側儲能電容Cd的另一端、PffM逆變橋的輸入負端相連;PffM逆變橋中，發射極 與3 2的集電極相連，S3的發射極與S4的集電極相連，S5的發射極與S 6的集電極相連，由S2、S4、 S6的集電極分別引出PffM逆變橋的a、b、c三個輸出端;PffM逆變橋的a、b、c三個輸出端均接至 負載。
【文檔編號】H02J3/38GK205595803SQ201620130425
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年2月21日
【發明人】鮑景寬, 張慶海, 張忠, 曹姍姍, 梁冠峰, 徐云軍, 常明斌, 吳傳濤, 孫文義, 李憲勇
【申請人】國網山東省電力公司聊城供電公司