单相Z/Q―Z源逆变器的无差拍并网控制策略

摘要：为了提高Z/Q-Z源逆变器效率、输出电流质量，减小并网电流谐波畸变率，将无差拍并网电流控制策略应用到Z/Q-Z源逆变器中。采用无差拍算法对Z/Q-Z源逆变器进行并网控制，并网电流能够快速跟踪参考电流，实现逆变器单功率因数运行，以及逆变器的数字化控制。建立Z/Q-Z源并网逆变器仿真模型，并对Z/Q-Z源逆变器并网系统进行仿真分析，证明采用无差拍算法并网控制策略的正确性与可行性。仿真结果表明：并网电流总谐波畸变率小于1%，提高了并网电流质量，且Q-Z源逆变器比Z逆变器网络中电容电压值减小半个数量级。另对Z/Q-Z源逆变器进行软启动控制仿真分析，软启动可以有效解决Z源电容电压、逆变桥电压的启动冲击等问题。

关键词：无差拍控制；单相并网；Z/Q-Z源逆变器；软启动

中图分类号：TM464 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2017）01-0021-06

0 引言

近年来，Z源逆变器的研究取得了快速发展，相关学者和工程技术人员做了大量的研究工作。从Z源逆变器的原理到控制策略再到应用都出了大量成果，研究重点主要是逆变器的控制策略。目前，z源逆变器控制策略有直流链恒压控制、空间矢量控制、状态反馈控制、电流滞环控制、三次谐波注入控制、间接沃艿缌骺刂啤⒈壤谐振控制等等。

但现有的Z源逆变器拓扑结构也存在缺陷，为实现升压功能，电容电压必须大于输入电压，Z源电容存在较大的启动冲击；Z源网络电容与电源极性相反，输入二极管的存在使得输入电流不连续，导致并网电流畸变。为解决这些不足，提出用不同的控制策略和新型的拓扑结构。

新型Z源逆变器中，为了提高升压比，提出了增强型Z源逆变器、抽头电感型Z源逆变器、改进型Z源逆变器、开关耦合电感准Z源逆变器；为了避免输入二极管电流不连续，避免并网电流发生畸变，提出了电流连续型Z源逆变器；为了减小电容电压，抑制启动冲击，提出了Q-Z源逆变器。Q-Z源逆变器可以降低Z源网络电容电压，并且能抑制启动电流，可以实现软启动等优点，在太阳能等新能源并网发电的应用上更具优越性。

本文采用无差拍并网控制策略来实现Z源逆变器与Q-Z源逆变器并网运行。无差拍控制策略具有响应速度快、暂态过程短等优点，非常适用于易受外部多变环境影响的光伏并网发电。本文通过无差拍数字控制实现并网发电，有效提高并网电流质量，实现单功率输出，提高并网效率。

1 Z/Q-Z源逆变器的无差拍控制原理

1.1 Z/Q-Z源逆变器控制原理

由于Z源网络具有独特的灵活性，在这几年得到了巨大的发展，特别是在光伏发电系统中。为了进一步提升Z源逆变器在新能源发电系统中的应用潜力，提高经济效益，提出Z源电容电压减小型Q-Z源逆变器，其单相并网结构如图1所示。

Q-Z源逆变器是对Z源逆变器的一种简单改进，不增加任何电子器件，只将二极管与逆变桥互换位置，使Z源网络与逆变桥“串联”。这样就使Q-Z源网络中电容电压的极性与直流电源的极性相同，从而有效减小了Z源电容电压应力，大幅度降低Z源储能网络电容电压，再加以合适软启动控制策略，即可以有效抑制启动时电流对开关管、电容的冲击。

Q-Z源网络工作状态分为直通、非直通两种工作状态，设开关管的开关周期为Ts，直通占空比为d0，直通时间为T0，非直通时间为T1，且满足Ts=T0+T1。

稳定状态，根据Z源电感的伏秒特性，电感的平均电压必然为零得

（1）

Q-Z源电容电压VC由式（1）可得

（2）

而z源电容电压VC0为

（3）

（3）

Q-Z源逆变桥母线电压VFB用Vd、VC表示，联立式（1）和式（2）得

（4）

而Z源逆变桥母线电压VFB用VC表示为

（5）

无差拍控制算法是一种数字控制方法，具有动态响应快、暂态过程短等优点，其基本思想是，根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来预测下一个周期的脉冲宽度。

逆变工作时（非直通状态），Z/Q-Z源逆变器的逆变部分原理如图2所示，其输入为逆变桥母线电压VFB，输出采用电流控制方式。通过控制逆变桥输出并网电流实时跟踪电网电压的频率和相位，实现单功率并网运行的目的，从而大大提升逆变器的效率。逆变桥母线电压VFB是由新能源发出的直流电经Z/Q-Z源升压得到，VFB直接决定并网电能的质量.滤波电感Lac用于滤除并网电流和电压的高频谐波，减小谐波畸变率，提高并网电能质量。因此，Q-Z源比Z源逆变器多一个采样电压，硬件设计中，多增加一个传感器来采集直流输入电压，增加了Q-Z源逆变器的成本。Q-Z源与Z源网络中电容电压极性相反，采集电容电压时，传感器需要反相连接。

2 Z/Q-Z源并网逆变器仿真对比分析

由于外界环境变化缓慢，最大功率点的扰动时间相对工频周期要长很多，可以认为分布式新能源的输出功率在这段时间内是不变的。排除启动的影响，加入逆变器输出变化，仿真时间取30个工频周期，即0.6 s。随环境变化在0.4 s时，增加直流电源输出功率，即增加z源逆变器的直通占空比。逆变器主要参数如表l所示。

2.1 Z/Q-Z源电容电压仿真分析

Z/Q-Z源电容电压是逆变器可靠工作的重要参数，其仿真运行结果如图4所示；其中上图为Z源逆变器电容电压仿真波形，下图为Q-Z源逆变器电容电压仿真波形。

由图4可知，0～0.0l s时段为逆变器启动冲击，电源对z源储能网络电容、电感快速充电。z源与Q-Z源逆变器的启动时间分别为0.2 s、0.1 s，最大冲击电压分别为675 V、345 V，Q-Z比Z源逆变器启动时间缩短一半，电容电压最大值减小一半。

逆变器稳定工作后，Z源电容电压在430 V附近波动，Q-Z源电容电压在80 V附近波动，其波动频率是电网频率的2倍。在0.4 s时，同时增加Z/Q-Z源逆变器输入功率，升压比增大，Z/Q-Z源电容电压也随之增大，其值分别升至480 V、120 V附近波动。因此，Z/Q-Z源电容电压能够很好的跟踪逆变器输入功率变化，可以实现了MPPT跟踪。Q-Z源电容电压约为z源电容电压的1/5，其电容电压减小半个数量级。

2.2 Z/Q-Z源逆变桥母线电压仿真分析

经Z/Q-Z源储能网络升压得到的逆变桥母线电压UVB是保证逆变运行的重要参数，Z源逆变桥母线电压运行结果如图5所示，其椭圆内为局部放大图。

由图5可知，逆变桥母线峰值电压取决于Z/Q-Z源电容电压，其变化趋势与电容电压相同。由局部放大图可知，逆变桥母线电压为方波电压，直通状态电压为零，非直通状态电压等于直流输入电压乘以z源储能网络升压比。启动过程中，Q-Z源逆变桥母线电压最大值970 V小于Z源1 020 V，逆变桥启动冲击减小。逆变器稳定工作时，Z/Q-Z源逆变桥母线峰值电压在520 V附近小幅度变化。0.4 s逆变器输入功率增加，导致逆变桥母线电压随之升高，在580 V附近波动。

逆变器稳定工作，Q-Z源逆变桥母线峰值电压与Z源相等，其值等于Q-Z源电容电压的2倍和直流输入电压之和。直流输入电压不变，Q-Z源电容电压波动放大，因此，Q-Z源逆变桥母线电压波动范围增大，这将导致并网电流谐波畸变率增加。

2.3 Z/Q-Z源逆变器并网电流仿真分析

逆变器输出并网电流能够直接反应控制方法的好坏，其与电网电压运行结果如图6所示，其中，上图为电网电压，下图分别为Z/Q-Z源并网电流。

由图6可知，并网电流与电网电压相位相同，很好地跟踪了电网电压，实现单功率因数运行，大大提高了逆变器的输出效率。启动过程中，0～0.08 s逆变桥母线电压过低，并网电流未能及时跟踪上电网电压，输出不规则。通过局部放大与图4对照得到，当Z/Q-Z源电容电压分别高于300 V、5 V时，即逆变桥峰值电压高于电网电压峰值60 V，逆变器才可以正常工作，并网电流才能稳定输出。在0.4 s时增加直流电源输出功率，参考电流增加，并网输出电流也随之增加，并且能够稳定输出，并网电流可以快速跟踪最大功率点运行。

利用Matlab/Simulink中提供的Powergui模块，对并网电流进行谐波分析，其并网电流总谐波畸变率（THD）均小于1%，远小于5%，满足国标要求，允许并网，证明Z/Q-Z源逆变器采用无差拍并网控制策略的正确性与可行性；同时大大提高并网电能质量，改善了电网运行环境。

综合仿真结果各数据汇于表2中，可以清晰对Z/Q-Z源并网逆变器进行对比，Q-Z源逆变器整体上要优于Z源逆变器。

3 Z/Q-Z源逆变器软启动仿真分析

Z/Q-Z源逆变器启动过程中，逆变器Z源电容启动电压会大大高于正常值，形成启动冲击。启动瞬间电容电压过高会减小电容的可靠性和逆变器的寿命，增加电容的设计难度和逆变器的体积。

启动过程中，通过控制Z/Q-Z源直通占空比d0，从零逐渐上升到最大功率跟踪点对应的数值，使Z/Q-Z源电容缓慢充电，即可实现软启动控制，从而可以有效减小启动冲击。软启动直通占空比波形如图7所示，0～0.01 s内直通占空比由0线性升高至0.16并保持不变，0.4 s时逆变器输入功率增加，对应的直通占空比也增加至0.2。

3.1 Z源并网逆变器软启动仿真分析

在逆变器的启动过冲中，增加软启动控制，可以减小电容启动电压，Z源电容电压仿真运行结果如图8所示，其中上图为正常启动时的Z源电容电压波形，下图是采用软启动控制后的波形。

由图8可见，启动过程中，未采用软启动控制，Z源电容电压最大值（或冲击电压）为675 V，启动时间为0.18 s；采用软启动控制Z源电容电压最大值降为545 V，启动时间降为0.08 s。Z源并网逆变器采用软启动控制，可以有效减小Z源电容启动冲击，同时减少了启动时间，提高了逆变器启动效率。

Z源电容电压最大值减小，从而使逆变桥母线电压最大值随之减小。从而减小开关管IGBT的耐压值，增加器件寿命，减小开关管的设计要求。

3.2 Q-Z源并网逆变器软启动仿真分析

Q-Z源电容电压仿真运行结果如图9所示，其中上图为正常启动的Q-Z源电容电压波形，下图是采用软启动控制后的波形。

由图9可见，启动过程中，未采用软启动控制，Q-Z源电容电压最大值（冲击电压）为310 V，启动时间为0.08 s；采用软启动控制Q-Z源电容电压最大值降为175 V，启动时间降约为0.03 s，基本消除了启动冲击。在不增加控制难度前提下，有效减小Z源电容启动电压，对逆变器的可靠工作，减小成本具有重要意义。

4 结论

本文通过理论分析Z/Q-Z源逆变器原理，采用无差拍并网控制策略实现Z/Q-Z源逆变器并网。建立Matlab仿真模型，分别对Z/Q-Z源逆变器进行仿真分析。得出以下结论：

1）Z/Q-Z源逆变器采用无差拍控制策略实现单功率因数运行，并网电流能够快速跟踪参考电流，并网电流THD小于1%，满足并网要求。

2）Q-Z源相比于Z源储能网络的电容电压减小半个数量级，这对减小逆变器的体积和成本有重要意义。

3）Z/Q-Z逆变器可以实现软启动，软启动能够有效抑制启动冲击，启动效果良好，提高了系统的可靠性。

仿真结果证明，Z/Q-Z源并网逆变器采用无差拍控制策略的正确性和可行性。