电子信息工程-Z源逆变器在光伏并网系统中的应用研究

Z源逆变器在光伏并网系统中的应用研究摘要随着全球经济的快速发展，人们对能源的需求日益增加。然而，由于传统化石燃料的不可再生性以及由于使用一系列问题造成的环境污染，新能源的开发和利用已成为当务之急。光伏并网发电作为新能源开发领域的一个重要方向，得到了国内外众多学者的广泛关注。并网发电的核心在于逆变器，逆变器在转换过程中起着至关重要作用。逆变器在光伏系统中非常重要。本文比较了传统逆变器和Z源逆变器的结构和原理，提出了Z源逆变器的电路拓扑，介绍了其工作原理，并介绍了Z源逆变器的优点。Z源逆变器分为Z源网络和逆变桥两部分，分别对其进行数学建模，得到了整体模型；控制系统分为三个部分：电流环、电压环和光伏阵列电压环。电流环对电网电压进行跟踪；电压环来调节母线电压；光伏阵列电压环调节输出电压，使其以最大功率输出。关键词：Z源逆变器光伏发电并网电流型最大功率点跟踪APPLICATIONOFZ-SOURCEINVERTERINTHEPVSYSTEMABSTRACTWiththerapiddevelopmentoftheglobaleconomy,thedemandforenergyisincreasing..However,duetothenonrenewableofthetraditionalfossilfuelandthepollutionoftheenvironmentcausedbytheuseoftheprocess,thedevelopmentandutilizationofnewenergyisimminent.Asoneofthemostimportantdirectionsinthenewenergydevelopmentfield,photovoltaicgridconnectedpoweriswidelyconcernedbymanydomesticandforeignscholars..Thecoreofgridconnectedpowerisinverter,inverterplaysavitalroleintheconversionprocess..InverterinPVsystemisveryimportantof,traditionalinverterandZ-sourceinverteronthestructureandtheprincipleofdifferencearecomparedinthearticleproposedZ-sourceinvertercircuittopology,introducestheworkingprinciple,andtohighlighttheZ-sourceinverterinPVsystem.Z-sourceinverterisdividedintotwoparts,theZ-sourcenetworkandtheinverterbridge,,separatelycarriesonthemathematicalmodelingandgetthewholemodel;controlsystemisdividedintothreeparts:currentloop,voltageloopandPVarrayvoltageloop.Currentloopisthevoltageofthepowernetwork.Thevoltageloopcanadjustthebusvoltage.TheoutputvoltageofthePVarrayisregulatedbythevoltageloop,sothattheoutputvoltagecanbeoutput..Finally,byusingMatlab/SimulinktocompletethesimulationexperimentsofthePVgridsystemwithcurrent-Zsourceinverter,theaccuracyofZ-sourceinverterbuckfunctionandthestabilityofthecontrolsystemsareverified.Keywords:Z-sourceinverterPVGridcurrent-fedMaximumPowerPointTrackin目录7184第1章绪论 118926第2章Z源逆变器 281602.1Z源逆变器和传统逆变器 214312.1.1传统逆变器 2192602.1.2Z源逆变器 3198702.2Z源逆变器的基本原理 3259732.2.1电流型Z源逆变器的基本工作原理 4138702.2.2电压型Z源逆变器的基本工作原理 5234832.3Z源逆变器的换流过程 7170512.3.1电流型Z源逆变器的换流过程 7274742.3.2电压型Z源逆变器的换流过程 9279902.4本章小结 1230268第3章单项电流型Z源逆变器的数学模型及控制系统 13257013.1单项电流型Z源逆变器的数学模型 1377543.1.1Z源网络部分的数学建模 13180933.1.2逆变桥部分的数学模型 17250203.2光伏并网控制系统 18206343.2.1并网电流环控制 1835393.2.2Z源电容电压环控制 1968793.2.3光伏阵列输出电压环控制 19161323.2.4部分参数设定 20257053.3本章小结 219132第4章最大功率点跟踪和光伏阵列 22268124.1最大功率点跟踪原理 2275394.1.1定电压跟踪法 2236584.1.2扰动观察法 22324514.1.3增量电导法 23216464.2光伏阵列 23197094.2.1光伏阵列的原理 24266044.2.2光伏阵列的数学模型 24300374.3本章小结 2612713第5章并网仿真模块的搭建和仿真结果分析 2744685.1Simulink模块搭建 27113755.1.1PWM波形发生模块 275995.1.2Z源网络模块 29190115.1.3并网模块 3069185.1.4并网电流环模块 30242765.1.5PV电压环模块 3187255.1.6并网系统模块 31229185.2仿真结果与分析 31266325.3本章小结 3513490结论 3629682致谢 376442参考文献 38第1章绪论传统燃料在燃烧过程中产生的废气会严重污染大气，造成温室效应。因此，为了减少大气污染，保护环境，各国普遍重视新能源的开发利用。太阳能发电在可再生能源中最具优势[1]。新能源的开发与利用刻不容缓，势在必行。在未来，新能源技术的发展和研究将会是一种潮流。太阳能作为一种新型能源，具有其他能源无法比拟的优势，因此，光伏发电，是太阳能利用的重要研究领域[2]。光伏发电系使用可靠，寿命长，不会像其他化石燃料一样污染环境，因此，各国十分重视光伏发电系统的开发研制，所以，光伏发电系统前景广阔。逆变器在光伏并网系统中起到核心作用。但其输出的一般是直流电源，而大部分场合需要交流电源。为能向交流电源设备提供电能，需要进行直流交流变换。当使用的电器种类繁多时，也需要用到直流间的转换。在本研究中，我们将用z源逆变器代替传统逆变器。传统逆变器的输出电压大于或小于直流输入电压，这导致需要使用附加的直流转换电路来调节电路电压。Z源逆变器可以避免这种情况。它的最大优点是通过引入状态，输出电压可以大于或小于输入电压，因此Z源逆变器的应用不仅不需要额外的升压环节，并且可以通过控制直接占空比来调节输出电压，使其与电网电压匹配，从而更好地解决传统逆变器的问题。

第2章Z源逆变器Z−源逆变器由Z源网络和三相逆变器构成。它的升压过程通过通入桥臂直通实现。本章将主要介绍Z源逆变器的结构和原理。2.1Z源逆变器和传统逆变器2.1.1传统逆变器传统的逆变器分为电压和电流两种类型。如图2.1所示，在电源侧集成了大电容，使电源看起来像是电压源。然后，通过控制逆变器获得相应的斩波电压。斩波器电压通过滤波器电路以正弦波形式获得，并最终流入电网。图2.1电压型逆变器拓扑结构作为传统逆变器中应用最广的电压型逆变器，它有着一下的特点：①由于该逆变器逆变后会降压，所以必须要加入升压电路才能够得到适合输入电网的电压。②由于同一桥臂上下开关管不能同时导通，因此必须加入死区控制时间，否则产生的电压会反生畸变，从而不能输入电网。如图2.2所示，电源侧串入了较大的电感，从而使得电源呈电流源特性，然后通过控制逆变器得到相应的斩波电流，斩波电压通过滤波电路得到了正弦电流波，最终送入电网中。单项电流型逆变器虽然应用较少，但它也有其独有的特点：①由于电流型逆变器为升压逆变器，所以在流入电网之前需要加入降压电路。②由于同一桥臂开关管不能同时全部关断，因此需加入死区控制时间，否则电流会畸变，产生谐波，无法正常使用。图2.2电流型逆变器拓扑结构传统逆变器为单级直流储能，所以输出受到了很大的限制，并且由于加入了死区控制时间，输出波形发生了严重畸变。通过整合两个逆变器的特性，如果可以同时打开和关闭相同的桥臂开关，从而输出电压或电流可以上升和下降，则逆变器将发挥更大，更好的作用。因此，将电容和电感同时引入电源的直流侧以形成x型网络结构并形成z源逆变器。2.1.2Z源逆变器如图2.3所示，较传统逆变器，Z源逆变器在结构上与之最大的不同就在于其多了由电感和电容组成的二端网络，在其左侧可以耦合所有类型的电源，而再起右侧可以连接各种负载，并向负载稳定的输电。图2.3Z源逆变器拓扑结构2.2Z源逆变器的基本原理Z源逆变器也分为电压和电流两种类型。下文会对两种类型的Z源逆变器进行介绍。2.2.1电流型Z源逆变器的基本工作原理如图2.4，输入端接入一个电流源后，逆变桥可开路。其中，。图2.4电流型Z源逆变器拓扑结构根据工作状态，电流型z源逆变器可以分为两种工作状态：非开路和开路。因此，Z源逆变器可以直接实现提升压力的功能。图2.5和图2.6分别是两种工作条件的电路图。图2.5非开路状态电路图图2.6开路状态电路图根据图2.6可以知道，在一个开关周期内Z源电容平均电流为零。断路时间为；非断路时间为；开关的周期T；开路占空比为D。可以得出：（2.2）(2.3)Z源拓扑中电感电流对电源电流的增益：（2.4）逆变桥输出的峰值对的调制因子M：（2.5）非开路状态下对的增益B：（2.6）通过式子（2.2）（2.3）（2.4）（2.5）（2.6）可以得出电流型Z源逆变器输出的调制正弦电流波峰值：（2.7）从式（2.7）可以看出，如果需要得到某个电流值，只需要去控制M值和B值即可。2.2.2电压型Z源逆变器的基本工作原理如图2.7电压型Z源逆变器的拓扑结构，在Z源网络端接入一个电压源，并且允许同一桥臂开关管直通短路。其中，所以：。电压型也可分为直通和非直通两种状态，可以随意控制电压升降，相比与传统逆变器具有，所以如果电压型Z源逆变器技术很成熟之后，有着很大的市场，将会在光伏产业里发挥巨大的作用。图2.7电压型Z源逆变器拓扑结构图2.8非直通状态等效图由图2.8可以看出：（2.8）式(2.8)中，二极管电压，直流输入电压，直流母线电压。图2.9直通状态等效图从图可以看出。根据Z源电感在一个开关周期内充放电能量相等，可以得出：（2.9）为直通时间，为非直通时间，T为开关周期。电容电压对电源电压的增益为：（2.10）上式中D为直通状态下的占空比。接着推出非直通状态下直流母线电压对电源电压的增益：（2.11）正弦调制因子M：（2.12）从（2.12）中可看出，要想改变逆变器输出电压的大小只需要控制B和M即可。2.3Z源逆变器的换流过程下文文将两种类型Z源逆变器的开关模式及其换流过程进行介绍。2.3.1电流型Z源逆变器的换流过程由表2-1可以知道，z源逆变器具有9种开关状态，比传统的逆变器多5种。以下是基于z源逆变器开关模式的转换器过程分析。下面根据表2-1中所示的开光状态对电流型Z源逆变器的换流过程进行分析，将制作出在不同开光状态时电流型Z源逆变器的换流图形，从中能直观的看出整个换流过程。表2-1电流型Z源逆变器的开关模式V1V2V3V4101001001010000101-100110010001010010011000010100010000（1）开路状态下V1，V4导通（2）开路状态下V1，V2导通（3）非开路状态下V3，V4导通（4）非开路状态下V2，V3导通（5）（6）（7）（8）V1，V2，V3，V4全断路图2.10电流型Z源逆变器的换流过程如图2.10所示，其中1.2.3.4开路，电容放电。而5.6.7.8为全部开路状态，此时没有电流，，Z源逆变器处于零矢量逆变模式。2.3.2电压型Z源逆变器的换流过程以上文研究电流型Z源逆变器换流过程的方法为模版，对电压型Z源逆变器的换流过程进行图解和分析。表2-2电压型Z源逆变器开关模式SV1V2V3V4101001001010000101-100110011100010011011110010111电压型Z源逆变器的特点在于直通零状态，这一状态的存在，使输出电压可调。从表2-2可以看出当V1，V2开通或V3，V4开通是时=1，当V1，V2不同时开通且V3，V4不同时开通时=0；当V1，V4开通时S=1，当V1，V3或V2，V4开通时S=0，当V2，V3开通时S=-1。换流过程的电路图。（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）图2.11换流过程如图2.11中（a），此时开关管S1，S4导通，电路工作于传统有效状态。直流侧电源通过二极管将能量传输到交流电网。同时，电源还为Z源网络电容器C1和C2充电，并向Z源网络电感器L1和L2释放能量。直流母线电流等于交流侧并网电流。如图（b），电路工作于传统零状态。直流母线电流为零，直流源和Z源电感向电容C1，C2充电。如图（c），与图（b）类似，处于传统零状态。如图（d），自此模式以后电路均处于直通零状态，左侧二极管阻断，直流电压源与Z源网络断开。如图（e），此时，开关S1和S2构成直桥臂。Z电源网络中的能量储存电容器开始释放电能，交流侧电流通过开关S4和二极管D2上的电路。如图（f），与图（e）类似。如图（g），此模式下的直通桥臂为开关管S3和S4，交流侧电流经过开关管S1和二极管D3回路流通。如图（h），与图（g）类似。2.4本章小结在本章中，将Z源逆变器的结构与传统逆变器的结构进行比较，形成Z源逆变器的拓扑结构，并通过其拓扑结构介绍其原理。然后将Z源逆变器分为电流型和电压型并分别详细介绍了它们的换流过程。第3章单项电流型Z源逆变器的数学模型及控制系统本章选取电流型Z源逆变器作为研究对象，它由Z源网络和逆变桥两部构成，对其进行数学建模后，推导出的传递函数，然后对整个系统进行了理论设计。3.1单项电流型Z源逆变器的数学模型如图3.1所示，即为电流型Z源逆变器的拓扑结构图。图3.1电流型Z源逆变器拓扑结构3.1.1Z源网络部分的数学建模如图3.2所示是电流型Z源逆变器在两个开光状态下的等效图。非开路状态下，对应图3.2（b）设电路状态空间方程为：（3.1）式（3.1）中为状态变量，直流输入电压和非开路状态时的逆变桥输入电流为输入变量。（a）开路状态（b）非开路状态图3.2Z源网络等效电路图，，，。将A1，B1，C1，E1代入式（3.1）得：（3.2）开路状态下，对应图3.2（a），设电路状态方程为：（3.3）上式中，，，将A2，B2，C2，E2代入式（3.3）得：（3.4）设断路状态占空比为D，非断路状态占空比为，根据上述两种状态方程，使用状态平均法可以得到状态方程：（3.5）上式中：将A，B，C，E代入式（3.5）得到Z源网络部分状态空间平均模型：（3.6）由上式计算出Z源网络静态工作点：（3.7）在平均法状态方程中加入一个扰动量，可以得出小信号矩阵方程：(3.8)状态变量对输入变量传递函数：（3.9）输出变量对输入变量传递函数：(3.10)状态变量和输出变量对控制变量传递函数:(3.11)3.1.2逆变桥部分的数学模型在电流模式下的Z源电阻器中，由于通零状态被插入以前的零状态中，所以与以前的零状态同样，不会直接影响AC侧的输出电压。交流输出电压主要由正弦调制系数和总线电压控制。因此在对逆变侧进行建模时，只需考虑非直通零状态即可。根据电流型Z源逆变桥的换流过程可以得到小信号矩阵方程：（3.12）上式中M是开路占空比稳态量；是开路占空比扰动量；是电网电压扰动量；是交流侧流过电感L的电流扰动量。对上式进行拉普拉斯变换后可得到对应的传递函数：状态变量对输入变量和控制量的传递函数：（3.13）输出变量对输入变量和控制量的传递函数：（3.14）综合Z源网络和逆变桥部分的数学模型，可得到如图3.3所示的系统模型；直流总线电压的输出变量Z源网络的输入变量是逆变桥的输出变量的总线电流逆变器桥是Z源网络的输入变量,因此Z源网络和逆变桥通过高于耦合公共汽车时电压和电流在零状态[4]。3.2光伏并网控制系统该系统是将直流电能逆变为交流电，将其并到电网的同时，保证并网电流和电网电压频率和相位相同。当电路在受到外界光照、温度等因素干扰时，通过闭环控制能够使系统达到新的稳定运行状态[5]。图3.3Z源逆变器传递函数关系图3.2.1并网电流环控制首先要控制并网电流，在此需要并网电流的微积分方程以及电流内环控制结构。下图3.4为并网电流的微分方程：（3.15）由式（3.15）可以得出电流内环控制结构，如图3-4所示。图3.4电流内环控制框图由于电网并不是时时刻刻都是稳定的，它对并网系统存在一定的干扰。通过前馈控制，可以减少干扰，整个系统成为被动跟踪网络。添加前馈链路后，可以忽略电网电压对系统的干扰，并且可以进一步简化当前的内部环路[6]，如图3-5所示。图3.5简化后的电流内环控制框图增加了该前馈系统后，并网逆变电流增强了对电网电动势扰动的抗性，同时也增强了系统的稳定性和准确性。3.2.2Z源电容电压环控制通过对直流侧电压进行闭环控制，可以使电容电压稳定在一定范围之内，从而保证并网系统的稳定运行。由式（2.3）（2.4）（2.5）以及电容的电压电流基本关系，可得：（3.16）3.2.3光伏阵列输出电压环控制由上一节建模可以得出：（3.17）从电流型Z源逆变器的拓扑结构可以得出：（3.18）在稳态运行时，Z源网络电压基本是一个常数。如图3.6为光伏阵列输出电压环控制框图。图3.6光伏阵列输出电压环控制框图用数学方法验证得出，上图所示电压环控制系统的稳态误差为0，所以闭环收敛，系统稳定，符合并网系统要求。3.2.4部分参数设定为了使光伏发电系统的效率最大化，提高其可靠性和稳定性，所以需要选用合适的电路参数。同时参数的设定对上述三个闭环的稳定性有着重要的影响。本节将对Z源网络的电感、电容、交流并网电感等参数进行简单的设定。Z源电感在逆变器工作状态中起到储存和释放电能的作用。电感太小会使储能不够，出现断流情况，电感太大会使成本增大，所以在满足正常稳定工作的前提下要选取合适的电感[7]。为了满足非谐振条件，Z源电感应该满足：（3.19）为谐振电流最大允许值，Z源电感应满足：（3.20）由（3.19）和（3.20）可得出Z源电感的取值为：（3.21）取，Z源电感L=8mH，额定电流为60A。在开关频率很高且打到稳态的条件下，Z源电容电压二次分量幅值为（3.22）由上式可知，当D=0时，最大，由此可得出Z源电容的取值：（3.23）取，Z源电容C=2000uF，耐压值取600V。并网电感与逆变器的交流电流谐波[8]直接相关，这对电网具有重要影响。因此，并网电感必须满足一定条件，才能使电流谐波在允许范围内。综合考虑稳态条件下，可得到：（3.24）是最大谐波电流脉动幅值，电感取值应该满足：（3.25）由（3.24）和（3.25）可得出电感取值：（3.26）取，则并网电感，额定电流为30A。3.3本章小结在这一章中，主要对电流模式Z源仁波器进行研究和建模，设计控制系统以使系统稳定运行，最后设定系统参数。

第4章最大功率点跟踪和光伏阵列本章中主要介绍最大功率点跟踪（MPPT）技术。4.1最大功率点跟踪原理光伏并网逆变系统的是把太阳能转化成直流电，逆变后并送电网。在瞬息万变的自然条件下光伏阵列输出的电压不可能是稳定不变的[9]，所以导致输出的功率随之变化，当达到某一特定电压时，能达到最大的输出功率，这个工作点就是最大功率点。4.1.1定电压跟踪法定电压跟踪（CVT）法的优点是：①控制简单，易实现，可靠性较高；②系统不会出现振荡，稳定性较高；③通过硬件实现方便、容易。缺点是：①精度差、功率损失严重，易受外部环境影响；②必须要手动调节。4.1.2扰动观察法该方法计算每一周期的功率输出，并且进行比较，根据变化对系统金乡扰动，从而确保功率最大化输出。其流程图如图4-1所示。扰动观察法的优点是：1.结构简单；2.算法简单，控制方便；3.不需要很高的精度。缺点是：1.会造成功率损失；2.受光照强度影响比较大。图4.1扰动观察法流程图4.1.3增量电导法增量电导法应用广泛。它的工作原理是通过电导的变化量来实现对最大功率点的跟踪。普通电导增量法的优点是：1.电压波动小；2.控制精度；3.稳定度高。缺点是：1.算法复杂；2.对硬件和系统的响应速度要求较高。4.2光伏阵列4.2.1光伏阵列的原理为了将光能转换成电能，需要进行能量转换。太阳能电池是把光能转换成电能的组件。太阳能电池是由半导体材料制成的，它利用光能原理来进行能量转换[10]。光伏电池的工作原理：当半导体材料的p-n结处于平衡状态时，将在p-n结处形成耗尽层，并且存在势垒电场，其势向为n区域，指向p区域。当太阳照射半导体表面时，半导体内部的价值电子被太阳光的N和P吸收，通过光耦合的结合获得较轻的价格，从而获得比光辐射禁止带宽度更大的能量。在导带到导带的状态下，半导体材料内部以非平衡状态产生光，成为电子空穴。屏障电场立即分离出在空间电荷区产生的光子电子正孔对，然后将光子电子推入N个区，然后将光子电子推入P个区。P区中的光电子被推到P区，而P区中的光电子被推到N区。以此方式，在n区域[12]中形成了过量的电子累积，并且在p区域中累积了过量的空穴。在p-n结的两侧，形成了光生电动势，它与势垒电场相反。这就是所谓的“光伏效应”。由光产生的非平衡载流子沿相反方向漂移，从而导致内部形成光生电流，该光生电流从N区流向P区。从外部电路的角度来看，当N区的负P区是正的并且两端都连接到负载时，通过N区外部负载的电子进入P区以形成电子流，电子复合后进入带孔的P区域，变为中性，直到另一个光子从一个电子孔隔离到现在为止，因此，只要不停止发光[13]，电路中就会有恒定电流，并且通过pn结效应会产生电源。综上所述，在光照条件下光伏电池能产生光生电流主要原因是材料内部存在内建电场的缘故。当从电场的两侧引出电极并在其上连接负载时，“光电流”将流过负载并输出功率，从而将太阳的光能转换为电能。4.2.2光伏阵列的数学模型图4.2光伏电池的等效电路图光伏阵列的V-I特性是，S是日照强度，t是温度。当负载为纯电阻时，图4.2为太阳能电池的实际等效电路。光伏阵列总太阳辐射强度R和环境温度，则光伏电池的温度为： （4.1）考虑到温度和辐射的变化，所以光伏阵列的电流是： （4.2）在式（4.2）中：，，，，。上式中，Tref是光伏电池温度的参考，取值为：25；Rref是太阳辐射的参考值，取值为；电流变化温度系数取值为：；电压变化温度系数取值为；光伏阵列的串联电阻值表达式为：根据式（4.2）在simulink中进行建模并仿真，可以得出如图4.3所示的V-I曲线和P-V曲线。该模型作为光伏发电系统的关键组成部分之一，为后续的最大功率点跟踪（MPPT）技术研究提供了基础。同时，它也为构建最终的光伏并网系统模型提供了前提。（a）V-I特性曲线（b）P-V特性曲线图4.3光伏阵列仿真特性曲线4.3本章小结在本章中，将说明最常用的三种最大功率点跟踪(MPPT)方法和可变孔径带方法。接下来，介绍太阳能电池阵列的原理，通过数学建模和模拟获得太阳能电池阵列的特性。第5章并网仿真模块的搭建和仿真结果分析由于Matlab有着强大的功能和丰富的资源，同时可以与simulink仿真工具完美结合使用。所以本章使用Matlab/Simulink搭建并网仿真模块，并进行仿真实验。5.1Simulink模块搭建5.1.1PWM波形发生模块传统电流型逆变器PWM技术已经很成熟了，但其最大的缺陷就是无法任意的升降压，所以在实际应用中有局限性。图5.1单项电流型Z源逆变器PWM实现方法如图5.1所示为传统电流型逆变器PWM调制和电流型Z源逆变器PWM调制示意图。如图所示，电流模式Z源反相器PWM的安装方法是在传统电流反相器的开关为零的状态下插入开路状态[14]，以V3为例，V3的第一个状态转换时刻向右移动0.25To，此时在时间段内实现了V1和V3单桥臂直通，以此类推可以得出其他的开关状态。根据图5.1，使用simulink搭建出图5.2所示单相电流型Z源逆变器PWM控制信号仿真模型。图5.2单相电流型Z源逆变器PWM控制信号仿真模型从图5.1中可以得到电流型Z源逆变器的开关模式如表5-1所示。表5-1电流型Z源逆变器的开关模式V1V2V3V4101001001010000101-100110010001010010011000010100010000综合表5-1中数据可计算出：（5.1）根据表5-1可以计算出：（5.2）由式（5.2）搭建开路占空比开关函数计算模块如图5.3所示。图5.3开路占空比开关函数计算模块5.1.2Z源网络模块如图5.4所示为Z源网络模块，Z源网络模型包括Z源电感、Z源电容C模型图5.4Z源网络电路仿真模块的建立；输入包括开路状态开关函数、光伏阵列输出电容的电压和非开路状态时的直流母线电流输出包括二极管VDS的电流IVD5[15]、Z源电容电压、直流母线电压。5.1.3并网模块图5.5交流并网模块如图5.5所示为交流并网模块，输入量为电网电动势、正弦开关函数、直流母线电压；输出量为非开路状态的直流母线电流、交流并网电流。5.1.4并网电流环模块图5.6示出了电网连接电流环模拟模块和电流环的输入链路。Iab是栅极连接电流，CLAI是电流环路放大命令，Eg是栅极起电力，Vc是Z源网络电容器电压，Vcpv是PV阵列，输出电容器电压；其输出环节：M是正弦占空比。5.1.5PV电压环模块如图5.7所示为PV电压环仿真模块，其输出为开路占空比D；输入为：光伏阵列输出电压环指令和光伏阵列输出电容电压。图5.6电流环控制模块图5.7PV电压环仿真模块5.1.6并网系统模块将图5.2图5.3图5.4图5.5图5.6图5.7按照输入输出关系组合在一起得到了如图5.8所示的并网系统仿真模块。5.2仿真结果与分析如图5.9所示为PWM波形。在途中可以看出将电流型Z源逆变器的开路零状态插入到了传统电流型逆变器的开关零状态中[17]。此图为开关V3和V1的驱动波形，从图中可看出在t=0.5到t=0.55时间段内实现了V1和V3同时导通。Z源逆变器在处于开路状态时，在一个开关周期内并联的二极管有时开通有时关断，所以逆变器直流侧母线电压应该是一个随这二极管开关而变化的脉动量。如图5.10所示为仿真图形。图5.8并网系统仿真模块图5.9开关管驱动波形图5.10Z源逆变器特性波形图Z源逆变器应用在光伏并网系统中时，具有灵活的升降压机制，在电压波动范围较大时仍然能够对其进行需要的升降压[18]。为了验证这一优点，给定两个光伏阵列指令电压：100V和220V，之后测量并网电流。（a）光伏阵列电压为100V时仿真图形从图5.11中可以看出，当输入电压波动较大时，Z源逆变器仍可以对逆变桥输出的电流进行升降控制。由于Z源逆变器中母线电压很难检测，所以选择与其关系紧密的的Z源电容器电压来代替[19]。如图5.11中分别展示Z源电容器电压稳定状态，突增状态和突减状态时并网电流波形的变化图形。从图（a）可以看出，处于稳定状态的Z源电容器的电压为恒定电流。由于直流电压的偶次谐波很小，可以忽略不计，满足系统设计和电压稳定的要求；从图（b）（c）可以看出，当电容电压突增或突减时，并网电流快速响应，基本实现平滑过度。(b)光伏阵列电压为220时仿真图形图5.11不同光伏阵列电压下并网电流仿真波形（a）电容电压稳定状态时并网电流波形（b）电容电压突增状态时并网电流波形（c）电容电压突降状态时并网电流波形经过调试，并网电流和电网电压波形图，如5.12图。从图中可以看出在稳态条件下，并网电流的波形是正弦波，而且比较平滑，畸变率很小[20]。图5.12并网电流和电网电压波形5.3本章小结本章通过对并网系统的各个子模块的搭建与仿真，证实了Z源逆变器的准确性。结论在本次毕业论文的完成过程中，我学到了很多新的知识，对光伏发电有了全新的认识，对逆变器的结构原理有了深刻的了解。本文第一章提出了Z源逆变器在光伏并网系统中的重要性；在第二章中，介绍了Z源逆变器，并重点介绍了Z源逆变器的优势。最后，详细介绍了两个Z源逆变器的工作原理。在第三章中完成了对电流型Z源逆变器的建模与系统的设计，最后对参数进行设置。第四章中首先对最大功率点跟踪（MPPT）的几种重要的方法进行了简单介绍；随后对光伏阵列做了详细介绍，并对其进行数学建模，模拟除了光伏阵列的特性曲线。第五章中完成了对光伏并网系统模型的搭建，并进行了仿真实验，就实验数据进行分析，证实了Z源逆变器的重要性和准确性。虽然对光伏系统做了一些研究，但仍然有许多问题需要深入研究解决：（1）本文只完成了部分实验工作，后续还需对整个系统功能进行验证，为前文的理论分析提供进一步的实践支持。（2）论文只是用单一的一套光伏阵列与一台Z源型逆变器对应设计并网发电系统。在实际应用中，大功率的光伏阵列上并联着数量众多的逆变器。每一台并网逆变器的工作状态都会有专一的控制器控制，实现了冗余及高效的特点。致谢毕业设计论文完成之际，特向所有一直以来关心，帮助我的家人，老师，朋友，同学表示最诚挚的感谢！首先我要特别感谢我的指导老师，在做毕业设计期间，我的指导老师为我的毕业设计付出了很大心血。在刚开始做毕业设计时毫无头绪，是指导老师为我提供了许多参考资料，并对其中重要部分进行了详细的批注，让我很快的找到了论文研究的方向和所用的方法，但在具体操作过程中终于遇到了很多问题，指导老师又不惜花费自己宝贵的时间帮我逐一解决，在我论文基本完成时，指导老师又仔细帮我检查了论文格式中的错误，使我的论文尽早符合了要求。同时，我为在我大学中能遇到这样的指导老师而感到庆幸，指导老师严谨的治学态度、求实的工作作风、豁达的人生态度和对学生的严格要求给了我留下了深刻的印象，并使我受益终生。在大学四年的生活中，我身边有很多老师在为我传道授业，有很多的同学给予了我鼓励和帮助，借此机会向所有教过我的老师和陪伴我的同学表示深深的感谢！最后，我要感谢最爱我的和我最爱的家人。如果没有父母在物质和精神上对我的支持，我不会有机会步入大学，你们的付出值得我用一生去报答！参考文献[1]中国可再生能源发展战略研究项目组．中国可再生能源发展战略研究丛书太阳能卷[M]．北京：中国电力出版社，2008．[2]张红梅，崔晓华．太阳能光伏电池及其应用[M]．北京：科学出版社，2008：[3]董玉峰，王万录，韩大星．美国光伏发电与百万屋顶计划[J]．太阳能．1999，11：27-29．[4]周纂，马胜红，许宏华．中国光明工程项目背景与计划[J]．中国能源．2001，7：3-5．[5]WaiRongjong,WangWenhungGrid-connectedphotovoltaicgenerationsystem[J]．IEEETransactiononCircuitandSystem．2009，55(3)：953-964．[6]F.Z.Peng.Z-sourceinverter[J]．IndustryApplieations,IEEE．2003，39(2)：504-51.[7]蔡磊．Z源逆变器并网应用研究[D]．杭州：浙江大学，2008．[8]杨水涛，丁新平，张帆，钱照明．Z-源逆变器在光伏发电系统中的应用[J]．中国电机工程学报．2008，17：112-118．[9]方金翔．基于新型Z源逆变器的光伏发电技术研究[D]．西安：电子科技大学，2013．[10]邢言，蔡宣三．高频功率开关变换技术—电