CN109412443A - 三相电压型准z源组串式光伏并网逆变系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，包括：n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块；所述n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块并联，再通过公共连接点PCC与三相电网相连，且每个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块仅采用L滤波器。本发明提出的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，具有安全性高、最大功率点跟踪能力强、光伏电池能量转换效率高、并联谐振效应小、系统更易稳定、控制相对简单、适用于中大容量逆变场合等特点。当需要平滑光伏发电功率波动时，只需把蓄电池与阻抗网络的储能电容并联，无需双向DC‑DC变换器，拓扑简洁，控制相对简单。

Description

三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，特别是一种三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统。
背景技术
近年来随着石油、煤和天然气等不可再生能源日益紧张和环境污染严重，光伏并网发电得到了迅猛发展。在光伏并网逆变系统中，为了将光伏电池输出直流电压转变为满足并网要求的交流电压并且最大限度的利用光伏电池的能量，需要在光伏电池和交流母线之间串联具有最大功率点跟踪能力的逆变器，逆变器是光伏并网逆变系统的核心部件和关键技术所在。中大容量光伏并网系统可分为集中式、集散式和组串式。集中式光伏并网发电系统所需逆变器数量少，成本低，但当光伏板输出特性不同时，无法保证每个光伏阵列输出最大功率，光伏发电效率低，抗热斑和抗阴影能力差、系统扩展和容错能力差。集散式光伏并网系统，可对每串光伏阵列进行独立的最大功率跟踪，发电效率高，系统扩展性强，然而当后级大功率并网逆变器出现故障，整个逆变系统不能正常工作，系统容错能力差。而基于模块化概念的组串式光伏并网发电系统，每一组串模块的光伏组件直流电通过各自模块的逆变器逆变后在交流端再并联输入电网，且交流模块针对各自的光伏组件实现MPPT控制，具有扩容性和容错性高、抗热斑和抗阴影能力强、光伏电池板发电效率高等优点。因此，为了提高光伏并网逆变系统的容错性、扩容性和发电效率，具有优良性能的组串式光伏并网逆变系统具有重要的研究价值。
目前，中大容量组串式光伏并网逆变系统中单模块逆变器通常采用传统的Buck型PWM逆变器。
然而Buck型PWM逆变器只能降压，输入电压范围小，且为了满足并网要求，需要串联更多的光伏组件来产生高的输入电压，会导致局部阴影下的热斑效应严重、安全性低、输出P-U特性峰值多、最大功率点跟踪能力差、光伏电池能量转换效率低等问题。此外，Buck型PWM逆变器同一桥臂的上下功率开关需要设置死区时间以避免短路，系统可靠性和抗EMI能力差；死区时间的加入，导致输出电流波形畸变，谐波含量增大，为了满足并网电流质量要求，需要采用LCL滤波器，然而LCL滤波器的使用会产生谐振和耦合等问题，并联多逆变器的输出回路会形成一个复杂的高阶电网络，严重时可能会导致整个并联系统的谐振，系统不易稳定，控制相对复杂。此外，当需要平滑光伏电池发电功率波动时，传统的Buck型PWM逆变器需要通过一个双向DC-DC变换器与光伏逆变器的输入侧并联，增加了系统拓扑和控制的复杂性。因此寻求具有容错性高、安全性高、可靠性高、光伏电池能量转换效率高、电路拓扑简洁、系统易于控制的组串式电压型光伏并网逆变系统，是新能源发电技术领域的一项重要的研究课题，具有重要的理论价值和应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，包括：n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块；所述n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块并联，再通过公共连接点PCC与三相电网相连，且每个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块仅采用L滤波器，其中，n为大于1的整数。
在本发明一实施例中，所述每个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块均包括依次级联的光伏阵列、输入滤波电容、阻抗网络、三相逆变桥、三相L滤波器以及切换单元。
在本发明一实施例中，所述阻抗网络包括：第一储能电感、第二储能电感、第一储能电容、第二储能电容以及阻抗网络二极管。
在本发明一实施例中，所述第一储能电感的一端分别与光伏阵列的阳极以及输入滤波电容的阳极相连，所述第一储能电感的另一端分别与阻抗网络二极管的阳极以及所述第二储能电容的阴极相连；所述阻抗网络二极管的阴极分别与所述第一储能电容的阳极和所述第二储能电感的一端相连；所述第二储能电感的另一端分别与所述第二储能电容的阳极以及所述三相逆变桥的正输入端相连；所述第一储能电容的阴极分别与所述光伏阵列阴极、所述输入滤波电容阴极以及所述三相逆变桥的负输入端相连。
在本发明一实施例中，所述阻抗网络还包括：蓄电池。
在本发明一实施例中，所述蓄电池与所述第一储能电容或所述第二储能电容并联。
在本发明一实施例中，所述三相逆变桥采用三相半桥逆变器结构，包括第一至第六开关器件以及对应的反并联二极管；第一开关器件、第三开关器件以及第五开关器件的集电极作为所述三相逆变桥的正输入端，第四开关器件、第六开关器件以及第二开关器件的发射极相连作为所述三相逆变桥的负输入端；所述三相逆变桥的A相、B相、C相的输出分别接入所述三相L滤波器中对应的滤波电感的一端。
在本发明一实施例中，所述三相L滤波器包括第一至第三滤波电感；所述第一至第三滤波电感的一端分别与所述三相逆变桥的A相、B相、C相的输出相连，另一端分别对应接入所述切换单元。
在本发明一实施例中，所述切换单元包括：第一三相开关、第二三相开关和一个三相电阻；所述三相L滤波器中的滤波电感的另一端分别与所述第一三相开关以及第二三相开关相连；所述第一三相开关的另一端与三相电阻的一端相连；所述三相电阻的另一端短接在一起；所述第二三相开关的另一端接入所述公共连接点PCC。
在本发明一实施例中，还包括：与n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块一一对应的n个从控制器以及1个主控制器；其中，第k个从控制器包括：第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流采样电路、第k个从控制器的A-D转换器和第k个从控制器的FPGA；所述主控制器包括：电网电压并网电流采样电路、主控制器A-D转换器、主控制器FPGA以及DSP控制器，k＝1～n；
所述第k个从控制器采集第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏电压、光伏电流、储能电容电压、储能电感电流和三相滤波电感电流；对于带蓄电池的阻抗网络，还要采集蓄电池电压和蓄电池电流；所述第k个从控制器把采集的电压电流信息通过第k个从控制器的A-D转换器变为数字信号，再通过第k个从控制器的FPGA上的串行光纤通信接口，将数据发送到所述主控制器；同时，所述第k个从控制器接收所述主控制器发送过来的第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的直通占空比信号、调制度相关信号和切换单元控制开关的状态信号，通过第k个从控制器的FPGA进行处理，生成第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥功率管和切换单元功率管所需的驱动脉冲，并将生成的驱动脉冲信号送至第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的功率开关管驱动电路，对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥功率管和切换单元功率管进行开关控制，以实现对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的直通占空比和调制度的控制，进而实现整个系统的光伏并网逆变功能；
所述主控制器通过电网电压并网电流采样电路采样电网电压和并网电流，并经过主控制器A-D转换器和主控制器FPGA输入到DSP控制器中进行PLL锁相和并网电流控制；所述主控制器还通过主控制器FPGA的串行光纤通信接口接收n个从控制器FPGA发送过来的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号，通过DSP控制器计算出n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率，根据n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率和切换单元控制开关原有状态信号、电网电压信号、并网电流信号和接收的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号，获得n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块新的参考功率信号、新的直通占空比信号、新的调制度相关信号和切换单元控制开关新的状态信号，并通过主控制器FPGA串行光纤通信接口传送给n个从控制器。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出的一种三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，充分利用准Z源逆变器可以实现单级升降压，相比Buck型PWM逆变器，在相同并网条件下，所需的输入光伏电压低、安全性高、最大功率点跟踪能力强、光伏电池能量转换效率高；且电压型准Z源逆变器允许桥臂直通，可靠性高，逆变桥开关管工作时无需死区，输出波形质量高，采用三相电压型准Z源逆变器的组串式光伏并网逆变系统只需要L滤波器就可满足并网电流质量要求，抑制了并网谐振，使系统更易稳定、控制相对简单。当第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块出现故障时，通过控制信号关断该逆变器模块的逆变桥开关管、断开与公共连接点PCC连接的三相开关SWk、接通三相开关SWk_N，通过三相电阻Rpk、阻抗网络和逆变桥开关管反并联二极管提供滤波电感剩余磁能的泄放通路，不会影响系统其他模块的正常工作，具有高的容错性。此外，当需要平滑光伏发电功率波动时，本系统中的准Z源并网逆变器模块采用蓄电池直接并联在阻抗网络一个储能电容来实现，无需双向DC-DC变换器，进一步简化了电路拓扑。
附图说明
图1为本发明一实施例中三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统的拓扑图。
图2为本发明一实施例中不带蓄电池的三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块k的电路拓扑图。
图3为本发明一实施例中蓄电池Bk与储能电容C1k并联的三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块k的电路拓扑图。
图4为本发明一实施例中蓄电池Bk与储能电容C2k并联的三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块k的电路拓扑图。
图5为本发明一实施例中基于高速光纤串联通讯同步发送机制的主从式控制结构图。
图6为本发明一实施例中带蓄电池的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统的四种供电模式示意图。
图7为本发明一实施例中在扇区I中点且移相角β＝90°的全局同步ZSVM2改进空间矢量调制策略调制下的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统的电流波形示意图。
图8为本发明一实施例中不带蓄电池的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统的两种供电模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，如图1所示，由n个相同的三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块并联，再通过公共连接点PCC与三相电网相连，且三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块只采用L滤波器。
在本实施例中，三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块是由光伏阵列、输入滤波电容、阻抗网络(带蓄电池或不带蓄电池)、三相逆变桥、三相L滤波器和切换单元依序级联组成。
其中，阻抗网络包括储能电感L1k、L2k，储能电容C1k、C2k，阻抗网络二极管D1k，当需要平滑光伏电池发电功率波动时，阻抗网络还包括蓄电池Bk；三相逆变桥采用三相半桥逆变器结构，包括六个开关器件Sk1～Sk6以及它们各自的反并联二极管；切换单元包括两个三相开关Swk_N、Swk和一个三相电阻Rpk，其中，k代表第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块，k＝1～n。
在本实施例中，如图2所示，不带蓄电池的三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块k中的连接关系如下：光伏阵列PVk与光伏侧滤波电容Cik并联，储能电感L1k一端与光伏阵列PVk阳极和光伏侧滤波电容Cik的阳极相连，储能电感L1k另一端与阻抗网络二极管D1k的阳极和储能电容C2k的阴极相连，阻抗网络二极管D1k的阴极与储能电容C1k的阳极和储能电感L2k的一端相连，储能电感L2k的另一端与储能电容C2k的阳极和三相逆变桥正输入端相连，储能电容C1k的阴极与光伏阵列阴极、滤波电容Cik阴极和三相逆变桥负输入端相连，开关器件Sk1、Sk3、Sk5的集电极相连作为三相逆变桥的输入正端，开关器件Sk4、Sk6、Sk2的发射极相连作为三相逆变桥的输入负端。三相逆变桥A相、B相、C相的输出分别接三相滤波电感Lfak、Lfbk、Lfck的一端，三相滤波电感Lfak、Lfbk、Lfck的另一端与三相开关Swk_N和Swk相连，三相开关Swk_N的另一端与三相电阻Rpk的一端相连，三相电阻Rpk的另一端短接在一起，三相开关Swk的另一端连接到PCC点后再与电网相连。
进一步的，如图3以及图4所示，当采用带蓄电池的阻抗网络时，蓄电池Bk与阻抗网络电容C1k或C2k并联一起作为一个整体与阻抗网络其他器件相连，其他元器件的连接关系都与不带蓄电池的三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的连接关系相同。
在本实施例中，如图5所示，该三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统还包括与n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块一一对应的n个从控制器和1个主控制器。其中，第k个从控制器由第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流采样电路、第k个从控制器的A-D转换器和第k个从控制器的FPGA组成；主控制器由电网电压并网电流采样电路、主控制器A-D转换器、主控制器FPGA和DSP控制器组成，k＝1～n。
其中，第k个从控制器主要负责采集第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏电压UPVk、光伏电流iPVk、储能电容电压(UC1k、UC2k)、储能电感电流(iL1k、iL2k)和三相滤波电感电流(iLak、iLbk、iLck)，对于带蓄电池的阻抗网络还要采集蓄电池电压UBk和蓄电池电流iBk。然后第k个从控制器把采集的电压电流信息通过第k个从控制器的A-D转换器变为数字信号，再通过第k个从控制器的FPGA上的串行光纤通信接口，将数据发送到主控制器。同时，第k个从控制器将接收到的主控制器发送过来的第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的直通占空比D0k信号、调制度Mk相关信号和切换单元控制开关SWk、SWk_N的状态信号通过第k个从控制器的FPGA进行处理，生成第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥功率管和切换单元功率管所需驱动脉冲，并将生成的驱动脉冲信号送至第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的功率开关管驱动电路，对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥功率管和切换单元功率管进行开关控制，以实现对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的直通占空比D0k和调制度Mk的控制，进而实现整个系统的光伏并网逆变功能。
主控制器一方面通过电网电压并网电流采样电路采样电网电压和并网电流，并经过主控制器A-D转换器和主控制器FPGA输入到DSP控制器中进行PLL锁相和后续的并网电流控制；另一方面，通过主控制器FPGA的串行光纤通信接口接收n个从控制器FPGA发送过来的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号，通过DSP控制器计算出n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率，根据n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率和切换单元控制开关原有状态信号、电网电压信号、并网电流信号和接收的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号，得出n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块新的参考功率信号、新的直通占空比信号、新的调制度相关信号和切换单元控制开关新的状态信号等信号，并通过主控制器FPGA串行光纤通信接口传送给n个从控制器。
为了让本领域技术人员进一步了解本发明提出的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行描述。
实施例1
如图4所示，光伏阵列与光伏侧滤波电容Cik并联，然后级联阻抗网络，阻抗网络包括储能电感L1k、L2k，储能电容C1k、C2k，阻抗网络二极管D1k以及蓄电池Bk，其中，k代表三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块k，k＝1～n。储能电感L1k一端与光伏阵列阳极和光伏侧滤波电容Cik的阳极相连，储能电感L1k另一端与阻抗网络二极管D1k的阳极、储能电容C2k的阴极和蓄电池Bk的阴极相连，阻抗网络二极管D1k的阴极与储能电容C1k的阳极和储能电感L2k的一端相连，储能电感L2k的另一端与储能电容C2k的阳极、蓄电池Bk的阳极和三相逆变桥正输入端相连，储能电容C1k的阴极与光伏阵列阴极、滤波电容Cik阴极和三相逆变桥负输入端相连。三相逆变桥采用三相半桥逆变器结构，包括六个开关器件Sk1～Sk6以及它们各自的反并联二极管，其中，开关器件Sk1、Sk3、Sk5的集电极相连作为三相逆变桥的输入正端，开关器件Sk4、Sk6、Sk2的发射极相连作为三相逆变桥的输入负端。三相逆变桥A相、B相、C相的输出分别接三相滤波电感Lfak、Lfbk、Lfck的一端，三相滤波电感Lfak、Lfbk、Lfck的另一端与三相开关Swk_N和Swk相连，三相开关Swk_N的另一端与三相电阻Rpk的一端相连，三相电阻Rpk的另一端短接在一起，三相开关Swk的另一端连接到PCC点后再与电网相连。
进一步的，如图5所示，该三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统还包括与n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块一一对应的n个从控制器和1个主控制器。其中，第k个从控制器由第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流采样电路、第k个从控制器的A-D转换器和第k个从控制器的FPGA组成；主控制器由电网电压并网电流采样电路、主控制器A-D转换器、主控制器FPGA和DSP控制器组成，k＝1～n。
第k个从控制器主要负责采集第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏电压UPVk、光伏电流iPVk、蓄电池电压UBk、蓄电池电流iBk、储能电容电压UC1k、储能电感电流(iL1k、iL2k)和滤波电感电流(iLak、iLbk、iLck)等信号，然后把采集的电压电流信号信息经过第k个从控制器的A-D转换器变为数字信号，通过第k个从控制器的FPGA上的串行光纤通信接口，将数据发送到主控制器。同时，将接收到的主控制器发送过来的第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的直通占空比D0k信号、调制度Mk相关信号和切换单元控制开关SWk、SWk_N的状态信号通过第k个从控制器的FPGA进行处理，生成第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的三相逆变桥功率管和切换单元功率管所需驱动脉冲，并将生成的驱动脉冲信号送至第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的功率开关管驱动电路，对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥功率管和切换单元功率管进行开关控制，以实现对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块直通占空比D0k和调制度Mk的控制，进而实现整个系统的光伏并网逆变功能和平滑光伏发电功率波动的功能。
主控制器一方面通过霍尔传感器采样电网电压ea、eb、ec和并网电流ia、ib、ic并经过主控制器A-D转换器和主控制器FPGA输入到DSP控制器中进行PLL锁相和后续并网电流控制；另一方面，通过主控制器FPGA的串行光纤通信接口接收n个从控制器FPGA发送过来的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号信息，通过DSP控制器计算出n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率，根据n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率和切换单元控制开关原有状态信号、电网电压信号、并网电流信号和接收的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号信息，得出n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的新的参考功率信号、新的直通占空比信号、新的调制度相关信号和切换单元控制开关新的状态信号等信号，并通过主控制器FPGA串行光纤通信接口传送给n个从控制器。
在稳态工作中，第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压关系满足如下公式：
其中，Upnk为第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块中三相逆变桥直流侧的电压幅值，Em为输出相电压峰值。
理想情况下，由功率平衡得第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏输出功率PPVk与蓄电池输出功率PBk之和等于并网输出功率Poutk，即
PPVk+PBk＝Poutk (1-5)
则得
其中，分别为第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏电流平均值、蓄电池电流平均值和逆变桥直流侧母线电流平均值(不考虑直通时的电流)。由公式(1-2)、(1-3)可知，在稳态时蓄电池电压UBk和逆变桥直流侧母线电压幅值Upnk都与输入光伏电压UPVk和直通占空比D0k有关，因此由公式(1-6)可得通过直通占空比D0k的调节可实现光伏电池的最大功率点跟踪控制和蓄电池储能控制，即光伏电池和蓄电池功率互补控制。
在本实施例中，整个系统存在四种供电模式：
①第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏阵列PVk在一个开关周期内同时向电网和蓄电池Bk供电，等效于图6(a)的单输入双输出变换器--模式Ⅰ；
②光伏阵列PVk和蓄电池Bk在一个开关周期内同时向电网供电，等效于图6(b)所示的同时供电双输入单输出逆变器--模式Ⅱ；
③在一个开关周期内仅蓄电池Bk向电网供电，等效于图6(c)所示的单输入单输出逆变器--模式Ⅲ；
④逆变器断开与电网连接，光伏阵列PVk在一个开关周期内向蓄电池Bk供电，等效于图6(d)所示--模式IV。
当光伏阵列PVk的最大功率大于输出并网参考功率时，通过直通占空比D0k的增大和调制度Mk的控制来实现一个开关周期内光伏阵列PVk同时向电网和蓄电池Bk供电--模式Ⅰ；当光伏阵列PVk的最大功率小于输出并网参考功率且第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥直流侧母线电压满足并网要求时，通过直通占空比D0k的减小和调制度Mk的控制来实现一个开关周期内光伏阵列PVk和蓄电池Bk同时向电网供电--模式Ⅱ，极端情况是蓄电池Bk单独向电网供电--模式III；当光伏阵列PVk的最大功率小于输出并网参考功率且第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥直流侧母线电压不能满足并网要求时，第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的输出并网功率参考设为0，断开与电网的连接，此时通过直通占空比D0k和调制度Mk的控制来实现一个开关周期内光伏阵列PVk对蓄电池Bk供电--模式IV。
进一步的，以采用本实施方案中的4个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块并联组成的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统为例，当采用直通矢量位于零矢量与有效矢量之间的四段直通ZSVM2改进空间矢量调制策略时，在扇区I中点且移相角β＝90°的全局同步ZSVM2改进空间矢量调制策略的电流波形如图7所示。
实施例二
在图3中，光伏阵列与光伏侧滤波电容Cik并联，然后级联阻抗网络，阻抗网络包括储能电感L1k、L2k，储能电容C1k、C2k，阻抗网络二极管D1k以及蓄电池Bk，其中，k代表准Z源光伏并网逆变器模块k，k＝1～n。储能电感L1k一端与光伏阵列阳极和光伏侧滤波电容Cik的阳极相连，储能电感L1k另一端与阻抗网络二极管D1k的阳极和储能电容C2k的阴极相连，阻抗网络二极管D1k的阴极与储能电容C1k的阳极、蓄电池Bk的阳极和储能电感L2k的一端相连，储能电感L2k的另一端与储能电容C2k的阳极和三相逆变桥正输入端相连，储能电容C1k的阴极与蓄电池Bk的阴极、光伏阵列阴极、滤波电容Cik阴极和三相逆变桥负输入端相连，三相逆变桥采用三相半桥逆变器结构，包括六个开关器件Sk1～Sk6以及它们各自的反并联二极管，开关器件Sk1、Sk3、Sk5的集电极相连作为三相逆变桥的输入正端，开关器件Sk4、Sk6、Sk2的发射极相连作为三相逆变桥的输入负端。三相逆变桥A相、B相、C相的输出分别接三相滤波电感Lfak、Lfbk、Lfck的一端，三相滤波电感Lfak、Lfbk、Lfck的另一端与三相开关Swk_N和Swk相连，三相开关Swk_N的另一端与三相电阻Rpk的一端相连，三相电阻Rpk的另一端短接在一起，三相开关Swk的另一端连接到PCC点后再与电网相连。
进一步的，如图5所示，该三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统还包括与n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块一一对应的n个从控制器和1个主控制器。其中，第k个从控制器由第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流采样电路、第k个从控制器的A-D转换器和第k个从控制器的FPGA组成；主控制器由电网电压并网电流采样电路、主控制器A-D转换器、主控制器FPGA和DSP控制器组成，k＝1～n。
第k个从控制器主要负责采集第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏电压UPVk、光伏电流iPVk、蓄电池电压UBk、蓄电池电流iBk、储能电容电压UC2k、储能电感电流(iL1k、iL2k)和滤波电感电流(iLak、iLbk、iLck)等信号，然后把采集的电压电流信号信息经过第k个从控制器的A-D转换器变为数字信号，通过第k个从控制器的FPGA上的串行光纤通信接口，将数据发送到主控制器，同时将接收到的主控制器发送过来的第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的直通占空比D0k信号、调制度Mk相关信号和切换单元控制开关SWk、SWk_N的状态信号通过第k个从控制器的FPGA进行处理，生成第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的三相逆变桥功率管和切换单元功率管所需驱动脉冲，并将生成的驱动脉冲信号送至第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的功率开关管驱动电路，对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥功率管和切换单元功率管进行开关控制，以实现对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块直通占空比D0k和调制度Mk的控制，进而实现整个系统的光伏并网逆变功能和平滑光伏发电功率波动的功能。
主控制器一方面通过霍尔传感器采样电网电压ea、eb、ec和并网电流ia、ib、ic并经过主控制器A-D转换器和主控制器FPGA输入到DSP控制器中进行PLL锁相和后续并网电流控制，另一方面通过主控制器FPGA的串行光纤通信接口接收n个从控制器FPGA发送过来的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号信息，通过DSP控制器计算出n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率，根据n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率和切换单元控制开关原有状态信号、电网电压信号、并网电流信号和接收的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号信息，得出n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的新的参考功率信号、新的直通占空比信号、新的调制度相关信号和切换单元控制开关新的状态信号等信号，并通过主控制器FPGA串行光纤通信接口传送给n个从控制器。
在稳态工作中，第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压关系满足如下公式：
其中，Upnk为第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块中三相逆变桥直流侧的电压幅值，Em为输出相电压峰值。
理想情况下，由功率平衡得第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏输出功率PPVk与蓄电池输出功率PBk之和等于并网输出功率Poutk，即
PPVk+PBk＝Poutk (2-5)
则得
其中，分别为第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏电流平均值、蓄电池电流平均值和逆变桥直流侧母线电流平均值(不考虑直通时的电流)。由公式(2-1)、(2-3)可知，在稳态时蓄电池电压UBk和逆变桥直流侧母线电压幅值Upnk都与输入光伏电压UPVk和直通占空比D0k有关，因此由公式(2-6)可得，通过直通占空比D0k的调节可实现光伏电池的最大功率点跟踪控制和蓄电池储能控制，即光伏电池和蓄电池功率互补控制。
在本实施例中，整个系统存在四种供电模式：
①第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏阵列PVk在一个开关周期内同时向电网和蓄电池Bk供电，等效于图6(a)的单输入双输出变换器--模式Ⅰ；
②光伏阵列PVk和蓄电池Bk在一个开关周期内同时向电网供电，等效于图6(b)所示的同时供电双输入单输出逆变器--模式Ⅱ；
③在一个开关周期内仅蓄电池Bk向电网供电，等效于图6(c)所示的单输入单输出逆变器--模式Ⅲ；
④第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块断开与电网连接，光伏阵列PVk在一个开关周期内向蓄电池Bk供电，等效于图6(d)所示--模式IV。
当光伏阵列PVk的最大功率大于输出并网参考功率时，通过直通占空比D0k的增大和调制度Mk的控制来实现一个开关周期内光伏阵列PVk同时向电网和蓄电池Bk供电--模式Ⅰ；当光伏阵列PVk的最大功率小于输出并网参考功率且第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥直流侧母线电压满足并网要求时，通过直通占空比D0k的减小和调制度Mk的控制来实现一个开关周期内光伏阵列PVk和蓄电池Bk同时向电网供电--模式Ⅱ，极端情况是蓄电池Bk单独向电网供电--模式III；当光伏阵列PVk的最大功率小于输出并网参考功率且第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥直流侧母线电压不能满足并网要求时，第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的输出并网功率参考设为0，断开与电网的连接，此时通过直通占空比D0k和调制度Mk的控制来实现一个开关周期内光伏阵列PVk对蓄电池Bk供电--模式IV。
进一步的，以采用本实施方案中的4个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块并联组成的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统为例，当采用直通矢量位于零矢量与有效矢量之间的四段直通ZSVM2改进空间矢量调制策略时，在扇区I中点且移相角β＝90°的全局同步ZSVM2改进空间矢量调制策略的电流波形如图7所示。
实施例三
当系统需要更低成本和更小体积，可以采用不带蓄电池阻抗网络的三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块，如图2所示。在图2中，光伏阵列与光伏侧滤波电容Cik并联，然后级联阻抗网络，阻抗网络包括储能电感L1k、L2k，储能电容C1k、C2k和阻抗网络二极管D1k组成,其中k代表三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块k，k＝1～n。储能电感L1k一端与光伏阵列阳极和光伏侧滤波电容Cik的阳极相连，储能电感L1k另一端与阻抗网络二极管D1k的阳极和储能电容C2k的阴极相连，阻抗网络二极管D1k的阴极与储能电容C1k的阳极和储能电感L2k的一端相连，储能电感L2k的另一端与储能电容C2k的阳极和三相逆变桥正输入端相连，储能电容C1k的阴极与光伏阵列阴极、滤波电容Cik阴极和三相逆变桥负输入端相连，三相逆变桥采用三相半桥逆变器结构，包括六个开关器件Sk1～Sk6以及它们各自的反并联二极管，开关器件Sk1、Sk3、Sk5的集电极相连作为三相逆变桥的输入正端，开关器件Sk4、Sk6、Sk2的发射极相连作为三相逆变桥的输入负端。三相逆变桥A相、B相、C相的输出分别接三相滤波电感Lfak、Lfbk、Lfck的一端，三相滤波电感Lfak、Lfbk、Lfck的另一端与三相开关Swk_N和Swk相连，三相开关Swk_N的另一端与三相电阻Rpk的一端相连，三相电阻Rpk的另一端短接在一起，三相开关Swk的另一端连接到PCC点后再与电网相连。
进一步的，如图5所示，该三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统还包括与n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块一一对应的n个从控制器和1个主控制器。其中，第k个从控制器由第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流采样电路、第k个从控制器的A-D转换器和第k个从控制器的FPGA组成；主控制器由电网电压并网电流采样电路、主控制器A-D转换器、主控制器FPGA和DSP控制器组成，k＝1～n。
第k个从控制器主要负责采集第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏电压UPVk、光伏电流iPVk、储能电容电压(UC1k、UC2k)、储能电感电流(iL1k、iL2k)和滤波电感电流(iLak、iLbk、iLck)等信号，然后把采集的电压电流信号信息经过第k个从控制器的A-D转换器变为数字信号，通过第k个从控制器的FPGA上的串行光纤通信接口，将数据发送到主控制器，同时将接收到的主控制器发送过来的第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的直通占空比D0k信号、调制度Mk相关信号和切换单元控制开关SWk、SWk_N的状态信号通过第k个从控制器的FPGA进行处理，生成第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的三相逆变桥功率管和切换单元功率管所需驱动脉冲，并将生成的驱动脉冲信号送至第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的功率开关管驱动电路，对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥功率管和切换单元功率管进行开关控制，以实现对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块直通占空比D0k和调制度Mk的控制，进而实现整个系统的光伏并网逆变功能。
主控制器一方面通过霍尔传感器采样电网电压ea、eb、ec和并网电流ia、ib、ic并经过主控制器A-D转换器和主控制器FPGA输入到DSP控制器中进行PLL锁相和后续并网电流控制，另一方面通过主控制器FPGA的串行光纤通信接口接收n个从控制器FPGA发送过来的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号信息，通过DSP控制器计算出n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率，根据n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率和切换单元控制开关原有状态信号、电网电压信号、并网电流信号和接收的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号信息，得出n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的新的参考功率信号、新的直通占空比信号、新的调制度相关信号和切换单元控制开关新的状态信号等信号，并通过主控制器FPGA串行光纤通信接口传送给n个从控制器。
在稳态工作中，第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压关系满足如下公式：
其中，Upnk为第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块中三相逆变桥直流侧的电压幅值，Em为输出相电压峰值。
理想情况下，由功率平衡得第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏输出功率PPVk等于并网输出功率Poutk，即
PPVk＝Poutk (3-5)
则得
其中，分别为第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏电流平均值、逆变桥直流侧母线电流平均值(不考虑直通时的电流)。由公式(3-3)可知，在稳态时逆变桥直流侧母线电压幅值Upnk与输入光伏电压UPVk和直通占空比D0k有关，因此由公式(3-6)可得通过直通占空比D0k的调节可实现光伏电池的最大功率点跟踪控制。
在本实施例中，整个系统存在两种供电模式：
①第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏阵列PVk在一个开关周期内向电网供电，等效于图8(a)的单输入单输出变换器--模式Ⅰ；
②第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块断开与电网连接，光伏阵列PVk不输出功率，等效于图8(b)所示--模式II。
当光伏阵列PVk的最大功率大于或等于输出并网参考功率时，通过直通占空比D0k和调制度Mk控制来实现一个开关周期内光伏阵列PVk向电网供电且输出功率为输出并网参考功率--模式Ⅰ；当光伏阵列PVk的最大功率小于输出并网参考功率且第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥直流侧母线电压满足并网要求时，光伏阵列PVk向电网供电且输出功率为自身的最大功率--模式Ⅰ；当光伏阵列PVk的最大功率小于输出并网参考功率且第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥直流侧母线电压不满足并网要求时，第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的输出并网参考功率设为0，断开与电网的连接，此时光伏阵列PVk不输出功率--模式II。
进一步的，以采用本实施方案中的4个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块并联组成的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统为例，当采用直通矢量位于零矢量与有效矢量之间的四段直通ZSVM2改进空间矢量调制策略时，在扇区I中点且移相角β＝90°的全局同步ZSVM2改进空间矢量调制策略的电流波形如图7所示。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，其特征在于，包括：n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块；所述n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块并联，再通过公共连接点PCC与三相电网相连，且每个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块仅采用L滤波器，其中，n为大于1的整数。
2.根据权利要求1所述的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，其特征在于，所述每个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块均包括依次级联的光伏阵列、输入滤波电容、阻抗网络、三相逆变桥、三相L滤波器以及切换单元。
3.根据权利要求2所述的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，其特征在于，所述阻抗网络包括：第一储能电感、第二储能电感、第一储能电容、第二储能电容以及阻抗网络二极管。
4.根据权利要求3所述的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，其特征在于，所述第一储能电感的一端分别与光伏阵列的阳极以及输入滤波电容的阳极相连，所述第一储能电感的另一端分别与阻抗网络二极管的阳极以及所述第二储能电容的阴极相连；所述阻抗网络二极管的阴极分别与所述第一储能电容的阳极和所述第二储能电感的一端相连；所述第二储能电感的另一端分别与所述第二储能电容的阳极以及所述三相逆变桥的正输入端相连；所述第一储能电容的阴极分别与所述光伏阵列阴极、所述输入滤波电容阴极以及所述三相逆变桥的负输入端相连。
5.根据权利要求4所述的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，其特征在于，所述阻抗网络还包括：蓄电池。
6.根据权利要求5所述的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，其特征在于，所述蓄电池与所述第一储能电容或所述第二储能电容并联。
7.根据权利要求2所述的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，其特征在于，所述三相逆变桥采用三相半桥逆变器结构，包括第一至第六开关器件以及对应的反并联二极管；第一开关器件、第三开关器件以及第五开关器件的集电极作为所述三相逆变桥的正输入端，第四开关器件、第六开关器件以及第二开关器件的发射极相连作为所述三相逆变桥的负输入端；所述三相逆变桥的A相、B相、C相的输出分别接入所述三相L滤波器中对应的滤波电感的一端。
8.根据权利要求2所述的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，其特征在于，所述三相L滤波器包括第一至第三滤波电感；所述第一至第三滤波电感的一端分别与所述三相逆变桥的A相、B相、C相的输出相连，另一端分别对应接入所述切换单元。
9.根据权利要求2所述的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，其特征在于，所述切换单元包括：第一三相开关、第二三相开关和一个三相电阻；所述三相L滤波器中的滤波电感的另一端分别与所述第一三相开关以及第二三相开关相连；所述第一三相开关的另一端与三相电阻的一端相连；所述三相电阻的另一端短接在一起；所述第二三相开关的另一端接入所述公共连接点PCC。
10.根据权利要求1所述的三相电压型准Z源组串式光伏并网逆变系统，其特征在于，还包括：与n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块一一对应的n个从控制器以及1个主控制器；其中，第k个从控制器包括：第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流采样电路、第k个从控制器的A-D转换器和第k个从控制器的FPGA；所述主控制器包括：电网电压并网电流采样电路、主控制器A-D转换器、主控制器FPGA以及DSP控制器，k=1~n；
所述第k个从控制器采集第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏电压、光伏电流、储能电容电压、储能电感电流和三相滤波电感电流；对于带蓄电池的阻抗网络，还要采集蓄电池电压和蓄电池电流；所述第k个从控制器把采集的电压电流信息通过第k个从控制器的A-D转换器变为数字信号，再通过第k个从控制器的FPGA上的串行光纤通信接口，将数据发送到所述主控制器；同时，所述第k个从控制器接收所述主控制器发送过来的第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的直通占空比信号、调制度相关信号和切换单元控制开关的状态信号，通过第k个从控制器的FPGA进行处理，生成第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥功率管和切换单元功率管所需的驱动脉冲，并将生成的驱动脉冲信号送至第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的功率开关管驱动电路，对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的逆变桥功率管和切换单元功率管进行开关控制，以实现对第k个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的直通占空比和调制度的控制，进而实现整个系统的光伏并网逆变功能；
所述主控制器通过电网电压并网电流采样电路采样电网电压和并网电流，并经过主控制器A-D转换器和主控制器FPGA输入到DSP控制器中进行PLL锁相和并网电流控制；所述主控制器还通过主控制器FPGA的串行光纤通信接口接收n个从控制器FPGA发送过来的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号，通过DSP控制器计算出n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率，根据n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的光伏功率和切换单元控制开关原有状态信号、电网电压信号、并网电流信号和接收的n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块的电压电流信号，获得n个三相电压型准Z源光伏并网逆变器模块新的参考功率信号、新的直通占空比信号、新的调制度相关信号和切换单元控制开关新的状态信号，并通过主控制器FPGA串行光纤通信接口传送给n个从控制器。
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