一种基于级联准Z源逆变器的光伏并网发电系统的制作方法

本实用新型涉及光伏发电技术领域，更具体地说，涉及一种基于级联准Z源逆变器的光伏并网发电系统。

背景技术：

在整个光伏并网发电系统中，逆变器是核心部件和关键技术所在，它占据了系统成本的10％-15％，对系统的稳定性和发电效率有着重要的作用。并网逆变器的研究方向大致可以分为集中并网逆变器和微型并网逆变器两类：

第一类是集中式并网逆变器，其结构简单，单位成本低廉，只需一台集中并网逆变器可使集中式并网系统达到兆瓦级，但是体积庞大，无法克服光伏组件安装及电池特性差异造成的非一致性，降低系统整体效率，只适合大规模的光伏电站。

第二类是微型逆变器，其是基于单一太阳能电池组件的并网发电装置，能对单块组件的最大功率点进行跟踪，大大提高光伏系统的发电量。然而，微型逆变器也有其相应的局限性：单级输出电压范围有限，需要额外附加一级DC/DC变流器才可获得较宽的输入电压范围；相同桥臂不可同时导通，易损坏有源开关器件；抗电磁干扰能力差等。

针对传统逆变器的不足，彭方正教授提出了Z源变换器。Z源变换器在功率变换问题上有了一种区别于传统逆变器的新思路和新理论，能够在实现逆变的同时弥补传统逆变器的不足。Z源逆变器的工作状态中加入了直通状态，把传统逆变器中禁止出现的上下两桥臂同时导通的直通状态加以利用，一方面由于直通状态的加入，实现了输出电压的升压功能，替代了传统逆变器双级结构中的变压器或DC/DC升压级；另一面，消除了传统逆变器中为了避免出现直通而设的开关死区所带来的交流输出电压的波形畸变，提高了逆变器有源器件的安全性，增强了其抗干扰能力。另外，随着电力电子技术的进步，多电平逆变器拓扑有着电压和功率等级高、并网电流谐波含量低等优势，在工程中有广泛应用，主流结构拓扑有三种：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。其中，级联多电平逆变器拓扑相对于前面两种多电平拓扑来说有以下优点：输出电压谐波畸变率小；不存在电容电压不平衡问题；可通过采用大量低电压等级的器件实现高压、低频运行，不需要串联功率管；不需要钳位电容和钳位二极管；实现相同电平数时需要的功率开关管器件的数目最少，易于模块化设计。

综上所述，高效率、低成本、低功耗、低谐波的光伏并网发电系统是将是今后研究的趋势，通过分析将准Z源逆变器和级联型逆变器的工作原理，可发现若将准Z源逆变器和级联型逆变器两者的优势进行结合，可以达到想要的效果。因此，如何设计一种可提升系统的功率等级，并减小开关器件的开关应力，同时实现多电平输出可改善输出电压质量的基于级联准Z源逆变器的光伏并网发电系统为光伏发电技术今后研究具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于级联准Z源逆变器的光伏并网发电系统，该光伏并网发电系统可降低对光伏阵列的电压等级要求，提升系统的功率等级，并减小开关器件的开关应力，同时实现多电平输出改善输出电能质量。

为了达到上述目的，本实用新型通过下述技术方案予以实现：一种基于级联准Z源逆变器的光伏并网发电系统，其特征在于：由三个单级光伏发电模块级联并网组成；每个所述单级光伏发电模块包括光伏电池单元和准Z源逆变器单元，其中，准Z源逆变器单元包括阻抗网络升压单元和交流逆变单元；每个所述单级光伏发电模块的准Z源逆变器单元通过电感L与电网连接后级联形成三相光伏并网发电系统；每两个准Z源逆变器单元之间通过电感L_d连接；所述阻抗网络升压单元为准Z源阻抗网络升压单元；第n个单级光伏发电模块的阻抗网络升压单元由电感L_2n-1、电容C_2n和电感L_2n通过外围电路连接组成，其中，n＝1、2和3。

在上述方案中，本实用新型基于级联准Z源逆变器的光伏并网发电系统采用级联结构的好处是：a)降低了光伏电池板电压的等级要求；b)提升系统的功率等级；c)多电平输出改善输出电能质量；d)减小开关器件的开关应力。本实用新型基于级联准Z源逆变器光伏并网发电系统结构首先具备的是光伏系统的特点，受光照大小、温度高低、阴影遮蔽等因素的影响，使得直流侧的电压时刻波动，然后具备的是准Z源逆变器的特点，需要对Z网络的直通占空比进行控制，从而达到实现光伏发电系统单级变压的目的，最后是级联多电平逆变器的特点，n个级联模块其输出电压波形就有2n+1个电平，谐波含量大大减少。

每个单级光伏发电模块还包括稳压电容C_in，所述稳压电容C_in与光伏电池单元并联。

每个单级光伏发电模块的交流逆变单元为电压源逆变器VSI。

本实用新型还包括DSP控制器和霍尔电压传感器；所述DSP控制器通过霍尔电压传感器与电网连接。本实用新型的霍尔电压传感器检测出电网电压输入到DSP控制器中进行PLL锁相。

所述每个单级光伏发电模块还包括直流侧电容电压采样电路和准Z源逆变器输出电压电流采样电路；所述每个单级光伏发电模块中的准Z源逆变器单元通过直流侧电容电压采样电路与DSP控制器连接；所述每个单级光伏发电模块中的准Z源逆变器单元的输出端通过输出电压电流采样电路与DSP控制器连接。其中，直流侧电容电压采样电路和准Z源逆变器输出电压电流采样电路为现有技术中的电路，两个采样电路采样到的数值输入到DSP控制器中，可对准Z源逆变器单元进行占空比和调制比的控制。

所述每个单级光伏发电模块还包括PWM驱动电路；所述DSP控制器通过PWM驱动电路与每个单级光伏发电模块中的准Z源逆变器单元连接。DSP控制器的控制信号输出给PWM驱动电路，可通过PWM驱动电路驱动准Z源逆变器单元的开关管工作。

所述每个单级光伏发电模块还包括霍尔电流传感器；每个单级光伏发电模块中的电网通过霍尔电流传感器与DSP控制器连接。每个单级光伏发电模块的霍尔电流传感器采样对应相电流输入到DSP控制器中进行电流控制。

所述每个单级光伏发电模块还包括光伏电池电压电流检测电路；所述每个单级光伏发电模块中的光伏电池单元通过电压电流检测电路与DSP控制器连接。其中，光伏电池电压电流检测电路为现有技术中的电路，每个单级光伏发电模块中的光伏电池电压电流检测电路将光伏电池单元的输出电压电流值输入到DSP控制器中，对光伏电池进行MPPT控制。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点与有益效果：本实用新型基于级联准Z源逆变器的光伏并网发电系统，该光伏并网发电系统可降低对光伏阵列的电压等级要求，提升系统的功率等级，并减小开关器件的开关应力，同时实现多电平输出改善输出电能质量。

附图说明

图1是本实用新型于级联准Z源逆变器的光伏并网发电系统的示意图；

图2是系统架构示意图；

其中，1为光伏电池单元、2为准Z源逆变器单元、3为电网、4为PWM驱动电路，5为直流侧电容电压采样电路，6为准Z源逆变器输出电压电流采样电路、7为霍尔电压传感器、8为霍尔电流传感器、9为光伏电池输出电压电流采样电路、10为DSP控制器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的描述。

实施例

如图1和图2所示，本实用新型基于级联准Z源逆变器的光伏并网发电系统是由三个单级光伏发电模块级联并网组成的，每个单级光伏发电模块包括光伏电池单元1和准Z源逆变器单元2，其中，准Z源逆变器单元又包括阻抗网络升压单元和交流逆变单元，每个单级光伏发电模块的准Z源逆变器单元通过电感L与电网3连接后级联形成三相光伏并网发电系统。每两个准Z源逆变器单元之间通过电感L_d连接。

而阻抗网络升压单元为准Z源阻抗网络升压单元；第n个单级光伏发电模块的阻抗网络升压单元由电感L_2n-1、电容C_2n和电感L_2n通过外围电路连接组成，其中，n＝1、2和3。

本实用新型的每个单级光伏发电模块还包括稳压电容C_in，稳压电容C_in与光伏电池单元1并联。

本实用新型的每个单级光伏发电模块的交流逆变单元为电压源逆变器VSI。

本实用新型基于级联准Z源逆变器的光伏并网发电系统采用级联结构的好处是：a)降低了光伏电池板电压的等级要求；b)提升系统的功率等级；c)多电平输出改善输出电能质量；d)减小开关器件的开关应力。本实用新型基于级联准Z源逆变器光伏并网发电系统结构首先具备的是光伏系统的特点，受光照大小、温度高低、阴影遮蔽等因素的影响，使得直流侧的电压时刻波动，然后具备的是准Z源逆变器的特点，需要对Z网络的直通占空比进行控制，从而实现光伏发电系统单级变压的目的，最后是级联多电平逆变器的特点，n个级联模块其输出电压波形就有2n+1个电平，谐波含量大大减少。

本实用新型还包括DSP控制器10和霍尔电压传感器7，该DSP控制器10通过霍尔电压传感器7与电网3连接。本实用新型的霍尔电压传感器7检测出电网3电压输入到DSP控制器10中进行PLL锁相。

每个单级光伏模块还包括直流侧电容电压采样电路5和准Z源逆变器输出电压电流采样电路6，其中，每个单级光伏发电模块中的准Z源逆变器单元通过直流侧电容电压采样电路5与DSP控制器10连接，每个单级光伏发电模块中的准Z源逆变器单元的输出端通过准Z源逆变器输出电压电流采样电路6与DSP控制器10连接。而直流侧电容电压采样电路5和准Z源逆变器输出电压电流采样电路6为现有技术中的电路，两个采样电路采样到的数值输入到DSP控制器10中，可对准Z源逆变器单元进行占空比和调制比的控制。

每个单级光伏发电模块还包括PWM驱动电路4，其中，DSP控制器10通过PWM驱动电路4与每个单级光伏发电模块中的准Z源逆变器单元2连接。DSP控制器10的控制信号输出给PWM驱动电路4，可通过PWM驱动电路4驱动准Z源逆变器单元2的开关管工作。

每个单级光伏发电模块还包括霍尔电流传感器8；每个单级光伏发电模块中的电网3通过霍尔电流传感器8与DSP控制器10连接。每个单级光伏发电模块的霍尔电流传感器8采样对应相电流输入到DSP控制器10中进行电流控制。

每个单级光伏发电模块还包括光伏电池电压电流检测电路9，每个单级光伏发电模块中的光伏电池单元1通过光伏电池电压电流检测电路9与DSP控制器10连接。其中，光伏电池电压电流检测电路9为现有技术中的电路，每个单级光伏发电模块中的光伏电池电压电流检测电路9将光伏电池的输出电压电流值输入到DSP控制器10中，对光伏电池进行MPPT控制。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。