基于抽头电感准z源网络的光伏发电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了基于抽头电感准Z源网络的光伏发电系统，Boost升压电路实现最大功率跟踪，PWM逆变桥实现DC/AC变换；抽头电感准Z源网络代替了传统Z源逆变网络，该网络继承了准Z源逆变网络的优点，且通过调节直通占空比和电感抽头的位置，能较大地提高升压能力，提升了光伏发电的效率。
【专利说明】
基于抽头电感准Z源网络的光伏发电系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种基于抽头电感准Z源网络的光伏发电系统，属于分布式发电 与智能电网领域。
【背景技术】
[0002] 太阳能的利用是缓解全球能源紧缺与环境污染问题的重要途径，光伏发电就是近 年来研究的热点之一。对直流电压较高的负载供电，蓄电池电压一般较低，满足不了其供电 需求。采用目前成熟的电力电子变流技术可将太阳能转换成电能，进而实现电压变换与功 率控制。
[0003] z源逆变器克服了常规电压源逆变器的不足。传统z源逆变器是在三相逆变桥与输 入电源间增加一个无源网络得到的。无源网络中包含以"X"方式连接且高度对称的电感U、 L 2和电容&工2。它通过控制桥臂的直通时间，就可以实现单级升/降压变换；由于桥臂直通 成为逆变器的一种正常工作模式，不会发生由于电磁干扰等造成的直通问题而损坏逆变桥 的情况，提高了整机的可靠性；同时，由于没有死区补偿的问题，从根本上避免了输出电压 波形的畸变。基于上述优点，Z源逆变器被广泛应用于新能源发电系统中。
[0004] 准Z源逆变器是在传统Z源逆变器的基础上演化而来。除了具有传统Z源逆变器的 特点外，它还具有输入电流连续、逆变桥与输入电源共地、电容电压应力较小的优点。
[0005] 然而，Z源逆变器和准Z源逆变器只是通过控制桥臂直通时间来调节母线电压，直 通时间受到调制比的限制，过大的直通占空比反而会减小调制比和输出电压幅值，并增加 桥臂开关管的电压应力和输出波形的谐波含量。
【发明内容】
[0006] 本实用新型发明了基于抽头电感准Z源网络的光伏发电系统，抽头电感准Z源网络 代替了传统Z源逆变网络，该网络继承了准Z源逆变网络的优点，且通过调节直通占空比和 电感抽头的位置，能较大地提高升压能力，提升了光伏发电的效率。
[0007] 本实用新型的技术方案为:基于抽头电感准Z源网络的光伏发电系统，包括光伏阵 列、Boost升压电路、抽头电感准Z源网络、PWM逆变桥、负载;光伏阵列、Boost升压电路、抽头 电感准Z源网络、PWM逆变桥、负载顺次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能， 为负载供电;Boost升压电路包括光伏侧储能电容C〇、Boost升压电感L〇、Boost升压电路开关 器件S〇、B 〇〇st升压电路二极管VD〇、直流侧储能电容Cd;抽头电感准Z源网络包括电感L、二极 管VDp VD3、电容CjPC2、抽头电感Lt，抽头引线将抽头电感Lt分成电感1^和电感L 2两部分，电 感1^的绕组匝数为^，电感L2的绕组匝数为N2; PWM逆变桥采用三相全桥逆变器结构，包括六 个开关器件SrS6以及它们各自的反并联二极管，开关器件&、&、&的集电极相连作为PWM逆 变桥的输入正端，开关器件S2、S4、S6的发射极相连作为PWM逆变桥的输入负端;光伏阵列与 光伏侧储能电容Co并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L〇相连，Boost升压电感L〇 另一端与Boost升压电路开关器件So的集电极、Boost升压电路二极管VD〇的阳极相连，Boost 升压电路二极管VDo的阴极与直流侧储能电容Cd的一端、电感L的一端相连，电感L的另一端 与二极管VDi的阳极、电容C2的一端相连，二极管VDi的阴极与电容&的一端、抽头电感Lt的输 入端相连，抽头电感Lt的输出端与二极管VD 3的阳极相连，抽头电感Lt的抽头引线与二极管 VD2的阳极相连，二极管VD2的阴极与二极管VD 3的阴极、电容C2的另一端、PWM逆变桥的输入 正端相连，电容Cl的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件So的发射极、直流 侧储能电容Cd的另一端、PWM逆变桥的输入负端相连;P丽逆变桥中，Si的发射极与S 2的集电 极相连，S3的发射极与S4的集电极相连，S5的发射极与S 6的集电极相连，由S2、S4、S6的集电极 分别引出PWM逆变桥的a、b、c三个输出端;PWM逆变桥的a、b、c三个输出端均接至负载。
[0008] 本实用新型的有益效果为：l、B〇〇st升压电路实现最大功率跟踪，PWM逆变桥实现 DC/AC变换;抽头电感准Z源网络部分可通过合理设计抽头电感的抽头位置和控制PWM逆变 桥桥臂的直通时间将母线电压提升到较高的值，使PWM逆变桥能够输出更高幅值的交流电 压;2、继承了Z源逆变器利用桥臂直通时间实现升压变换的特点，在任何情况下都不会因桥 臂直通而导致输入电源短路，提高了系统的可靠性;不存在传统逆变器由于加入死区而引 起输出电压波形畸变的问题;3、减小了电容的大小并降低了应力，不再要求无源网络中的 电感电容高度对称，降低了变换器的设计难度，且输入电流连续，更适合应用于光伏等新能 源发电的场合。
【附图说明】
[0009] 图1为本实用新型结构不意图。
[0010] 图2为本实用新型抽头电感绕组Ni、N2和母线的电流波形示意图；h为绕组他的电 流，i2为绕组他的电流，i b为母线电流。
[0011] 图3为本实用新型直通零矢量状态等效电路图；Lk为抽头电感Lt的漏感，Lm为抽头 电感Lt的励磁电感，UL为电感L两端的电压，Ub为母线电压，UC1、UC2分别为电容Ci、C 2两端的电 压，um为励磁电感U两端的电压，ui为绕组Ni两端的电压，U2为绕组N2两端的电压。
[0012]图4和图5均为本实用新型传统零矢量状态等效电路图；图4中二极管VD2导通、二 极管VD3截止；图5中二极管VD2截止、二极管VD3导通。
[0013] 图6为本实用新型有效矢量状态等效电路图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步阐述，但不限于此。
[0015] 如图1所示，基于抽头电感准Z源网络的光伏发电系统结构示意图，包括光伏阵列、 Boost升压电路、抽头电感准Z源网络、PWM逆变桥、负载;光伏阵列、Boost升压电路、抽头电 感准Z源网络、PWM逆变桥、负载顺次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为 负载供电;Boost升压电路包括光伏侧储能电容Co、Boost升压电感Lo、Boost升压电路开关器 件So、B 〇〇St升压电路二极管VDo、直流侧储能电容Cd;抽头电感准Z源网络包括电感L、二极管 VDr VD3、电容&和&、抽头电感Lt，抽头引线将抽头电感Lt分成电感1^和电感L2两部分，电感 U的绕组匝数为见，电感L2的绕组匝数为N2; PWM逆变桥采用三相全桥逆变器结构，包括六个 开关器件Si~S6以及它们各自的反并联二极管，开关器件Si、S3、S5的集电极相连作为PWM逆变 桥的输入正端，开关器件S2、S4、S6的发射极相连作为PWM逆变桥的输入负端;光伏阵列与光 伏侧储能电容Co并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感Lo相连，Boost升压电感Lo另 一端与Boost升压电路开关器件So的集电极、Boost升压电路二极管VDo的阳极相连，Boost升 压电路二极管VDo的阴极与直流侧储能电容Cd的一端、电感L的一端相连，电感L的另一端与 二极管VDi的阳极、电容C 2的一端相连，二极管VDi的阴极与电容&的一端、抽头电感Lt的输入 端相连，抽头电感Lt的输出端与二极管VD 3的阳极相连，抽头电感Lt的抽头引线与二极管VD2 的阳极相连，二极管VD2的阴极与二极管VD3的阴极、电容C2的另一端、PWM逆变桥的输入正端 相连，电容Cl的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件So的发射极、直流侧储 能电容Cd的另一端、PWM逆变桥的输入负端相连;P丽逆变桥中，Si的发射极与S 2的集电极相 连，S3的发射极与S4的集电极相连，S5的发射极与S 6的集电极相连，由S2、S4、S6的集电极分别 引出PWM逆变桥的a、b、c三个输出端;PWM逆变桥的a、b、c三个输出端均接至负载。
[0016] 为简化分析，做如下假设：1、器件均为理想工作状态;2、光伏阵列、Boost升压电路 等效为一直流电压源E。在直通和非直通状态下，分别由绕组他和绕组Ni+N 2起作用。由于耦 合系数k实际不为1，在电路分析中引入漏感Lk，励磁电感1^的表达式为：
[0017] L^=k% (I)，
[0018] 漏感Lk的表达式为：
[0019] 4 二C1-f 沁(n)〇
[0020] 设定匝数比#他/见，则抽头电感两个绕组的电感值可以表达为：
[0022]假设电容Ci、C2的容值较大，则在一个开关周期内，电容电压可视为恒定。一个开关 周期内抽头电感准Z源网络可以运行在3种开关状态，包括直通零矢量状态、传统零矢量状 态和有效矢量状态。其中传统零矢量状态又可以分为两种子状态。
[0023]抽头电感绕组此、他和母线的电流波形示意图如图2所示。
[0024] 1、工作模态Uto-tD:图3所示为本实用新型直通零矢量状态等效电路图，母线电 压ub经由PWM逆变桥短路。在此期间，电容&电压加在绕组见上。绕组见电流从最小值I1(Q)开 始线性增长。当t=h时，h达到最大值。抽头电感绕组％感应电势为左"+"右二极管VD3 截止。同时，输入电压E与电容C2电压串联通过直通的桥臂加到电感L上，电感L电流从最小 值Il(q)线性增长。当t=tl时，iL也达到最大值。此外，由于UG1>-UG2,二极管VDl截止。
[0025] 2、工作模态2(。~〖2):图4和图5均为本实用新型传统零矢量状态等效电路图，PWM 逆变桥开路。h时刻，绕组NjPN 2电势迅速下降，并到达反向的最大值。由于这段时间内，漏 感能量的存在，绕组仏电流通过电容C2继续流通，此时加在U上的电压为u C2，ii迅速线性下 降。之后由于U2>ui(N> 1)，二极管VD2电流过零截止，二极管VD3导通，如图5所示。绕组Ni、N2 串联给电容C2充电，UC2=U1+U2,抽头电感Lt电流线性下降，且ii=i2。此时，加在绕组Ni上电压 为 UC2-U2。
[0026] 3、工作模态3(t2~t3):图6所示为本实用新型有效矢量状态等效电路图，此时PWM 逆变桥等效为一个电流源。绕组N2与绕组他串联给负载供电，同时继续维持电容C2电压，h 继续线性下降。
[0027] 在工作模态2和工作模态3中，电感L与E串联给电容&充电，加在L上的电压为ucl_ E，电感L电流ii线性减小。当t=t3时，ii达到最小值。
【主权项】
1.基于抽头电感准Z源网络的光伏发电系统，其特征在于，抽头电感准Z源网络包括电 感L、二极管VDi~VD3、电容CjPC2、抽头电感Lt，抽头引线将抽头电感L t分成电感1^和电感L2 两部分，电感L1的绕组匝数为N1，电感L2的绕组匝数为N2; PWM逆变桥采用三相全桥逆变器结 构，包括六个开关器件Sl~S6以及它们各自的反并联二极管，开关器件Si、S3、S5的集电极相 连作为PffM逆变桥的输入正端，开关器件S 2、S4、S6的发射极相连作为PffM逆变桥的输入负端； 光伏阵列与光伏侧储能电容Co并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感Lo相连，Boost 升压电感Lo另一端与Boost升压电路开关器件So的集电极、Boost升压电路二极管VDo的阳极 相连，Boost升压电路二极管VDo的阴极与直流侧储能电容Cd的一端、电感L的一端相连，电感 L的另一端与二极管VD1的阳极、电容C2的一端相连，二极管VD1的阴极与电容C 1的一端、抽头 电感Lt的输入端相连，抽头电感Lt的输出端与二极管VD 3的阳极相连，抽头电感Lt的抽头引 线与二极管VD2的阳极相连，二极管VD 2的阴极与二极管VD3的阴极、电容C2的另一端、PWM逆 变桥的输入正端相连，电容Ci的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件So的 发射极、直流侧储能电容Cd的另一端、PffM逆变桥的输入负端相连;PffM逆变桥中，发射极 与3 2的集电极相连，S3的发射极与S4的集电极相连，S5的发射极与S 6的集电极相连，由S2、S4、 S6的集电极分别引出PffM逆变桥的a、b、c三个输出端;PffM逆变桥的a、b、c三个输出端均接至 负载。
【文档编号】H02J3/38GK205595803SQ201620130425
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年2月21日
【发明人】鲍景宽, 张庆海, 张忠, 曹姗姗, 梁冠峰, 徐云军, 常明斌, 吴传涛, 孙文义, 李宪勇
【申请人】国网山东省电力公司聊城供电公司