一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法

摘要

本发明公开了一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法，包括系统所需要的储能电池电压和容量参数设计，光伏电池模块选取，准-Z源网络电感、电容参数设计，H桥逆变器电压、电流等级设计，Z-源网络二极管设计，准-Z源逆变器损耗计算等。该设计方法基于用户电压和功率要求，光伏发电系统用途，及当地气候特点。所设计的储能型准-Z源单相光伏发电系统能够满足光伏电池电压1∶2宽范围变化，无论其电压如何变化，系统都输出负载需求电压，而且适合单级功率变换完成升/降压、逆变和储能要求。本发明为储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计、实现提供了简便、有效、快捷的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种储能型准-Z源单 相光伏发电系统的设计方法。

背景技术

光伏发电是理想的可持续能源，对其开发利用过程中，功率变 换器/逆变器必不可少。但是，一般而言，光伏电池输出电压的变化 幅度可达2倍，使用传统的单级逆变器结构，将导致逆变器设计容量 倍增。若采用双级结构，引入的DC/DC变换器，将增加费用，降低 效率。为此，研究人员开始研究新技术，采用Z-源和准-Z源逆变器 克服这些问题，因为它以单级功率变换的形式，实现传统由DC/DC 和逆变器组成的双级变换功能，不会增大逆变器容量，且在光伏发 电领域与传统系统兼容。

另一方面，光伏发电功率对光照和温度依赖性很强，由于光照 和温度变化无常，光伏电池输出的电压和功率宽范围变化，直接并 网或独立供电会对电网或负载造成负面影响。所以，除了传统独立 光伏发电系统应用储能电池的方案外，近年在并网型太阳能发电系 统中也采用储能电池技术，以缓存能量，平抑并网功率。一般常用 的方法，是通过双向DC/DC变换器将储能电池联接到直流侧，实现 并网功率平抑功能，但是额外增加了一套DC/DC变换器，增加了系 统的成本。为了克服这个问题，发明专利[申请号201010234868.X,单 级升降压储能型光伏并网发电控制系统]将储能电池与其中一直电容 并联，实现了单级功率变换完成升/降压、逆变和储能。在该系统中， 储能电池直接并联在电容上，无需增加额外的设备，经济实用。但 是，目前为止，尚未有文献介绍如何设计系统中各量参数，比如， 储能电池电压、容量，光伏电池电压等级，调制指数，各电容、电 感、功率开关器件损耗分析等。对于一个储能型光伏并网发电控制 系统而言，这些参数的确定至关重要。

发明内容

为了解决以上问题，本发明公开了一种储能型准-Z源单相光伏 发电系统的设计方法，所述储能型准-Z源单相光伏发电系统包括： 储能电池、H桥逆变器、准-Z源网络二极管、第一电解电容、第二 电解电容、第一电感、第二电感、LC滤波器、光伏电池、电网及局 部负载；所述LC滤波器包括输出滤波电感和输出滤波电容组成；并 且，所述第二电解电容的负极与所述准-Z源网络二极管的阳极相连， 所述第二电解电容的正极和所述H桥逆变器的正极连；所述准-Z源 网络二极管的阴极同时与所述第一电解电容正极和所述第二电感相 连；所述第二电感的另一端连接于所述H桥逆变器正极；所述第一 电解电容的负极与所述H桥逆变器的负极相连；所述第一电感的一 端与所述光伏电池的正极相连；所述第一电感的另一端与所述第二 电解电容的负极相连；所述H桥逆变器的输出经过LC滤波器后并入 电网，或供电当地负载；所述储能电池跨接于所述第一电解电容两 端，且所述储能电池的正极连接于第一电解电容的正极；基于用户 电压和功率要求，光伏发电系统用途，及当地气候特点，该方法包 括系统所需要的储能电池电压和容量参数设计，光伏电池模块选取， 准-Z源网络电感、电容参数设计，H桥逆变器电压、电流等级设计， Z-源网络二极管设计，准-Z源逆变器损耗计算等。

进一步，作为一种优选，所述H桥逆变器电压、电流等级设计 包括如下步骤：

步骤1，根据负载电压或并网处电网电压，计算单相逆变器输出的电 压幅值v_al;

步骤2，设定光伏电池工作电压变化范围为1：2，且最大光伏电池电 压为V_in=v_al，最小为V_in＝v_al/2，对应地，光伏电池电压最大时，逆变 器调制指数M=1,直通占空比D=0，直流母线电压峰值为V_PN=v_al，光 伏电池电压最小时，直通占空比D=1/3,逆变器调制指数M=2/3,直流 母线电压峰值为V_PN=1.5*v_al。

进一步，作为一种优选，所述电容、电感参数设计包括：

步骤3，计算电容C₁电压和并联电池电压V_C1=V_B=v_al；

步骤4，计算直流母线电压峰值最大为V_PN=1.5×v_al；

步骤5，计算电容C₂电压最大值为V_C2=0.5×v_al；

步骤6，最大直通占空比D=1/3。

进一步，作为一种优选，所述光伏电池模块选取包括：

步骤7，根据负载或并网功率P_o，考虑到最大功率发生在最大电压处， 光伏电池电流为

步骤8，储能电池放电发生在光伏功率不足时，根据上述设计，光伏 电池最低工作电压为v_al/2，设定允许工作的最低光照强度时光伏电池 最低功率时提供电流为最大功率时的k分之一；则要输出P_o功率时， 电池需要提供功率为P_B=P_o-0.5×v_al×iL₁/k，则电池电流为I_B=P_B/V_B； 则电感L₂的电流为i_L2=i_L1+i_B。

进一步，作为一种优选，所述储能电池电压和容量参数设计包 括：

步骤9，确定蓄电池的容量，应用统计数据，根据当地气候特点，结 合所设计系统的用途，确定蓄电池的容量；如果要求所设计的光伏 系统在某地日照条件下，除了供电给当地负载/电网外，每天还平均 以P_x的功率给电池充电x小时，以供夜晚无日照时使用，且电池每次 放电深度为y%，则需要电池容量为[P_x×x/v_al]/(1-y%)(Ah)。

进一步，作为一种优选，所述光伏电池模块选取包括：

步骤10，确定光伏电池模块及其数量，选定光伏电池模块，根据当 地气候特点，确定该模块最大功率点中的最大工作电压v_pv和最大工 作电流i_pv，则光伏电池数量可计算为取整数得n，取整数得m， 光伏电池模块数量为m*n。

进一步，作为一种优选，所述电容、电感参数设计包括：

步骤11，电容C₂设计，系统采用恒定直通零矢量调制方法，则Quasi-Z 网络上电容电压的脉动频率为2f_s；稳态时，一个周期内电容电压的 初值和终值相等；以直通时为例，Quasi-Z网络电容C₂电压的纹波ΔV_C2为其中，-i_L1＝i_C2，f_s为载波频率，于是有 若给定电容电压的纹波为ΔV_C2≤αV_C2，则有 为抑制两倍频电压脉动，需要的电容为式中，ε为两倍频电压脉动占V_PN的比例，f为负载或电网电压频率,则 由于电容C大于且电容C₁与电池并联，所以电容C₂设计 为$C_2=\frac{P_o}{4\mathrm{\pi f}{V}_{\mathrm{PN}}^2ϵ};$

步骤12，电容C₁设计，系统采用恒定直通零矢量调制方法，则Quasi-Z 网络上电容电压的脉动频率为2f_s；稳态时，一个周期内电容电压的 初值和终值相等，以直通时为例，Quasi-Z网络电容C₁电压的纹波ΔV_C1为其中，i_C1＝i_B-i_L2，f_s为载波频率，于是有 若给定电容电压的纹波为ΔV_C1≤αV_C1，则有 $C_1\ge (i_B-i_{L2})\frac{D}{2f_s\alpha V_{C1}};$

步骤13，电感L₂的设计，稳态时，一个周期内电感电流的初值和终 值相等。以直通时为例，Quasi-Z网络电感电流的纹波Δi_L2为 其中，v_L2=V_C1，于是有若给定 电感电流的纹波为Δi_L2≤bi_L2，则有

步骤14，电感L1的设计，稳态时，一个周期内电感电流的初值和终 值相等，以直通时为例，Quasi-Z网络电感电流的纹波Δi_L1为 其中，V_in+V_C2＝v_L1，于是有 若给定电感电流的纹波为Δi_L1≤bi_L1，则有

步骤15，Quasi-Z网络中二极管的参数，Quasi-Z网络中的二极管在 直通状态下承受反压关断，在非直通状态下导通，因此,可根据直通 状态下其两端的电压和非直通状态下其流过的电流来设计该二极 管；直通状态下二极管承受反压为V_PN，非直通状态下通过二极管的 电流为i_D≤i_L1+i_C2=i_L1+i_L2-i_d，在传统零矢量时间内，i_d=0时，此时二 极管流过最大电流为i_D=i_L1+i_L2；

步骤16，逆变器功率器件的参数，根据负载或并网功率P_o，和负载或 并网处电网电压，计算负载电流有效值根据步骤4计算得 的直流母线电压峰值V_PN和上述计算得的负载电流有效值，作为逆变 器功率器件的选取的电压和电流参数。

进一步，作为一种优选，所述准-Z源逆变器损耗计算包括：

步骤17，储能型准-Z源单相光伏逆变器损耗估算，有4个IGBT及其 反并联二极管，一个Z-源网络二极管，其损耗可以按照器件予以分 别计算；

1）4个IGBT及其反并联二极管的损耗估算，这部分损耗可以分传 统意义下的损耗和直通导致的损耗，传统意义下的损耗包括开关损 耗和导通损耗，且开关损耗为

$P_{\mathrm{SW}}=\frac{4}{\pi }{f}_s·(E_{\mathrm{ON},I}+E_{\mathrm{OFF},I}+E_{\mathrm{OFF},D})·\frac{V_{\mathrm{PN}}}{V_{\mathrm{ref}}}·\frac{i_L}{i_{\mathrm{ref}}},$式中，E_ON，I、E_off，I、 E_OFF，D分别为功率器件在电压V_ref和电流i_ref时的开通损耗、关断损耗 和二极管反向恢复损耗能量，可从器件手册获得；i_L为负载电流峰值， i_L=1.414*i_a,f_s为开关频率；对于传统意义下每个IGBT的导通损耗， 按照下列公式计算

$P_{\mathrm{CV},I}=\frac{V_{\mathrm{CE},0}{i}_L}{2\pi }(1+\frac{\mathrm{\pi M}}{4}-D)+\frac{r_{\mathrm{CE}}{i}_L^2}{2\pi }(\frac{\pi }{4}+\frac{2M}{3}-\frac{\mathrm{\pi D}}{4})$

$P_{\mathrm{CV},D}=\frac{V_{F,0}·i_L}{2\pi }(1-\frac{\mathrm{\pi M}}{4}-D)+\frac{r_F·i_L^2}{2\pi }(\frac{\pi }{4}-\frac{2M}{3}-\frac{\mathrm{\pi D}}{4}),$式中，V_CE0、V_F，0为IGBT和 二极管的饱和压降和导通压降；r_CE、r_F为IGBT和二极管的导通电阻； M和D分别为调制指数和直通占空比，则4个IGBT及其二极管的导 通损耗为P_CV=4*(P_CV，I+P_CV，D)，对于直通导致的损耗，只需计算来自 IGBT的开关损耗和导通损耗，即开关损耗为 $P_{\mathrm{SW},\mathrm{SH}}=4f_s·(E_{\mathrm{ON},I}+E_{\mathrm{OFF},I})·\frac{V_{\mathrm{PN}}}{V_{\mathrm{ref}}}·\frac{i_{L1}}{i_{\mathrm{ref}}},$导通损耗为 $P_{\mathrm{CV},\mathrm{SH}}=4*(V_{\mathrm{CE},0}{i}_{L1}D+r_{\mathrm{CE}}{i}_{L1}^{2}D+\frac{r_{\mathrm{CE}}{i}_L^{2}D}{8})$

2）Z-源网络二极管的损耗，每个模块的Z-Source网络二极管导通损 耗为$P_{\mathrm{CV},D}=V_{\mathrm{DF},0}[{2i}_{L1}(1-D)-\frac{{\mathrm{Mi}}_L}{2})+r_{\mathrm{DF}}\frac{1-D}{2}[{8i}_{L1}^2+i_L^2]-r_{\mathrm{DF}}\frac{8(1-D)}{\pi }{i}_L{i}_{L1},$式中， V_DF，0为Z-源网络二极管的导通压降;r_DF为Z-源网络二极管的导通电 阻，其反向恢复损耗为式中，E_rec为Z-源 网络二极管在I_FM和V_R时的反向恢复损耗能量；总损耗为 P_SW+P_CV+P_SW，SH+P_CV，SH+P_CV，D+P_CV，DR，通过估算损耗，可以比较备选 器件，作为优化器件选者的条件。

通过本发明方法，可简便、有效、快捷地设计储能型准-Z源单 相光伏发电系统。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更 好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明 的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本 发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明 的不当限定，其中：

图1为储能型准-Z源单相光伏发电逆变器的结构示意图；

图2为本储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法。

具体实施方式

以下参照图1-2对本发明的实施例进行说明。

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

储能型准-Z源单相光伏发电控制系统的设计方法实施例。

如图1所示，本发明所涉及的储能型准-Z源单相光伏发电逆变 器包括：储能电池、H桥逆变器、准-Z源网络二极管、第一电解电 容C 1、第二电解电容C2、第一电感L1、第二电感L2、LC滤波器、 光伏电池、电网及局部负载；所述LC滤波器包括输出滤波电感L_f和 输出滤波电容C_f组成；并且，所述第二电解电容C2的负极与所述准 -Z源网络二极管的阳极相连，所述第二电解电容C2的正极和所述H 桥逆变器的正极连；所述准-Z源网络二极管的阴极同时与所述第一 电解电容C1正极和所述第二电感L2相连；所述第二电感L2的另一 端连接于所述H桥逆变器正极；所述第一电解电容C1的负极与所述 H桥逆变器的负极相连；所述第一电感L1的一端与所述光伏电池的 正极相连；所述第一电感L1的另一端与所述第二电解电容C2的负极 相连；所述H桥逆变器的输出经过LC滤波器后并入电网，或供电当 地负载；所述储能电池跨接于所述第一电解电容C 1两端，且所述储 能电池的正极连接于第一电解电容C1的正极。

如图2所示，一种储能型准-Z源单相光伏发电系统的设计方法， 包括：

S1、获知用户电压和功率要求，光伏发电系统用途，及当地气候特 点；

S2、储能电池电压和容量参数设计；

S3、光伏电池模块选取；

S4、准-Z源网络电感、电容参数设计；

S5、H桥逆变器电压、电流等级设计；

S6、Z-源网络二极管设计；

S7、准-Z源逆变器损耗计算。

实施例

目的是设计一个储能型准-Z源单相光伏发电控制系统，负载/电 网的相电压为120V，功率为1700W。则可依步骤确定：

步骤1，计算单相电压幅值v_al=120×1.414=170V;

步骤2，设定光伏电池工作电压变化范围1：2，且最大光伏电池 电压为170V，最小为85V。对应地，光伏电池电压最大时，逆变器 调制指数M=1,直通占空比D=0，直流母线电压峰值为

V_PN=170

光伏电池电压最小时，V_in=85V，直通占空比D=1/3,逆变器调 制指数M=2/3,直流母线电压峰值为

V_PN=85*3=255V

步骤3，设计电容C₁电压和并联电池电压

V_C1=V_B=v_al＝170   V

步骤4，计算直流母线电压峰值最大为

V_PN=170+85=255  V

步骤5，计算电容C₂电压最大值为

V_C2=85   V

步骤6，最大直通占空比D=1/3；

步骤7，根据负载或并网功率P_O，考虑到最大功率发生在最大电 压处，光伏电池组件电流为

$i_{L1}=\frac{P_o}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{P_o}{v_{\mathrm{al}}}=\frac{1700}{170}=10A$

步骤8，储能电池放电发生在光伏功率不足时，根据上述设计， 光伏电池最低工作电压为85V，设定最低光伏功率时提供电流为最 大功率时的三分之一（比如最大时光照1000W/m²，最小时200W/m²）。 则要输出1700W功率时，电池需要提供功率为

P_B=1700-85×10/3=1416.7W

则电池电流为

i_B=P_B/V_B=8.3A

则电感L₂的电流

i_L2=i_L1+i_B=8.3+3.3=11.6    A

步骤9，确定蓄电池的容量

应用统计数据，根据当地气候特点，结合所设计系统的用途， 确定蓄电池的容量。比如，要求所设计的光伏系统在某地日照条件 下，除了供电给当地负载/电网外，每天还平均以1000W的功率给电 池充电4小时，以供夜晚无日照时使用,且电池每次放电深度为y%。 则需要电池容量为

[1000*4/170]/(1-y%)=23.5/(1-y%)Ah

步骤10，确定光伏电池模块及其数量

假定某光伏电池板在S=1000W/m²、T=25°时，最大功率点电压 v_pv＝42.4V，最大功率点电流i_pv=5A。随着电池板温度上升，其最大 功率点电压下降，考虑1：2的工作范围，则最低为v_pv＝21.2V。

则，光伏电池数量可计算为

$n=\frac{v_{\mathrm{al}}}{v_{\mathrm{pv}}}=\frac{170}{42.4}=4,$$m=\frac{10}{5}=2$

该光伏电池模块数量为m×n=8。

步骤11，电容C₂设计

系统采用恒定直通零矢量调制方法，则Quasi-Z网络上电容电压 的脉动频率为2f_s。

稳态时，一个周期内电容电压的初值和终值相等。以直通时为 例，Quasi-Z网络电容C₂电压的纹波ΔV_C2为

${\mathrm{\Delta V}}_{C2}=i_{C2}\frac{\mathrm{\Delta t}}{C_2}$

其中，-i_L1=i_C2，f_s为载波频率，于是有

$C_2=i_{L1}\frac{D}{2f_s\Delta V_{C2}}$

若给定电容电压的纹波为

ΔV_C2≤αV_C2

则有

$C_2\ge i_{L1}\frac{D}{{2f}_s\alpha V_{C2}}$

如果设定α=1%，载波频率f_s=10kHz,则

$C_2\ge 10\times \frac{1/3}{2\times 10000\times 0.01\times 85}=196\mathrm{\mu F}$

对于单相系统，存在两倍频脉动。对于图1系统，电容C₁和储能 电池并联，然后再与电容C₂串联。为抑制两倍频脉动，需要的总电 容为

$C=\frac{P_o}{4\mathrm{\pi f}{V}_{\mathrm{PN}}\Delta V_{\mathrm{PN}}}=\frac{P_0}{4\mathrm{\pi f}{V}_{\mathrm{PN}}^2ϵ}$

式中，ε为两倍频电压脉动占V_PN的比例，ΔV_PN=εV_PN,f为负载 或电网电压频率。设定两倍频电压脉动比为ε=1%，f＝50Hz,V_PN=255 V，P_PV=1700W，则

$C=\frac{1700}{4\pi \times 50\times {255}^2\times 1\%}=4.16\mathrm{mF}$

由于电容C₁与储能电池并联，设计时可将其视为无穷大电容。 所以，电容C₂为4.16mF。

步骤12，电容C₁设计

系统采用恒定直通零矢量调制方法，则Quasi-Z网络上电容电压 的脉动频率为2f_s。

稳态时，一个周期内电容电压的初值和终值相等。以直通时为 例，Quasi-Z网络电容C₁电压的纹波ΔV_C1为

$\Delta V_{C1}=i_{C1}\frac{\mathrm{\Delta t}}{C1}$

其中，i_C1＝i_B-i_L2，f_s为载波频率，于是有

$C_1=(i_B-i_{L2})\frac{D}{2f_s\Delta V_{C1}}$

若给定电容电压的纹波为

ΔV_C1≤αV_C1，

则有

$C_1\ge (i_B-i_{L2})\frac{D}{{2f}_s\alpha V_{C1}}$

设定其他参数如上，且I_B-I_L2=-I_L1=-10A,则

$C_1\times 10\times \frac{1/3}{2\times 10000\times 0.01\times 170}=98\mathrm{\mu F}$

步骤13，电感L₂的设计

稳态时，一个周期内电感电流的初值和终值相等。以直通时为 例，Quasi-Z网络电感电流的纹波Δi_L2为

$\Delta i_{L2}=v_{L2}\frac{\mathrm{\Delta t}}{L_2}$

其中，v_L2=V_C1，于是有

$L_2=V_{C1}\frac{D}{{2f}_s\Delta i_{L2}}$

若给定电感电流的纹波为

Δi_L2≤bi_L2

则有

$L_2\ge V_{C1}\frac{D}{2f_{s}b{i}_{L2}}$

设定b=20%,i_L2=11.6A则

$L_1\ge 170\times \frac{1/3}{2\times 10000\times 0.2\times 11.6}=1.22\mathrm{mH}$

步骤14，电感L₁的设计

稳态时，一个周期内电感电流的初值和终值相等。以直通时为 例，Quasi-Z网络电感电流的纹波Δi_L1为

${\mathrm{\Delta i}}_{L1}=v_{L1}\frac{\mathrm{\Delta t}}{L_1}$

其中，V_in+V_C2＝v_L1，于是有

$L_1=(V_{\mathrm{in}}+V_{C2})\frac{D}{2f_s\Delta i_{L1}}$

若给定电感电流的纹波为

Δi_L1≤bi_L1

则有

$L_1\ge (V_{\mathrm{in}}+V_{C2})\frac{D}{2f_{s}b{i}_{L1}}$

V_in=85V，电流i_L1=10A,则

$L_1\ge (85+85)\times \frac{1/3}{2\times 10000\times 0.2\times 10}=1.42\mathrm{mH}$

步骤15，Quasi-Z网络中二极管的参数

Quasi-Z网络中的二极管在直通状态下承受反压关断，在非直通 状态下导通。因此,可根据直通状态下其两端的电压和非直通状态下 其流过的电流来设计该二极管。

直通状态下二极管承受反压最大为V_PN=255V。

非直通状态下通过二极管的电流为

i_D≤i_L1+i_C2=i_L1+i_L2-i_d

在传统零矢量时间内，i_d=0时，此时二极管流过最大电流为

i_D=i_L1+i_L2=20   A

步骤16，逆变器功率器件的参数

根据负载或并网功率P_o，和负载或并网处电网电压，计算负载电 流有效值

$i_a=\frac{\sqrt{2}{P}_o}{v_{\mathrm{al}}}=\frac{\sqrt{2}\times 1700}{170}=14.1A$

根据步骤4计算得的直流母线电压峰值V_PN和上述计算得的负载 电流有效值，作为逆变器功率器件的选取的电压和电流参数。

步骤17，储能型准-Z源光伏逆变器损耗估算

对于图1所示电路，有4个IGBT（及其反并联二极管），一个Z- 源网络二极管，其损耗可以按照器件予以分别计算。

1）4个IGBT（及其反并联二极管）的损耗估算

这部分损耗可以分传统意义下的损耗和直通导致的损耗。传统 意义下的损耗包括开关损耗和导通损耗，且开关损耗为

$P_{\mathrm{SW}}=\frac{4}{\pi }{f}_s·(E_{\mathrm{ON},I}+E_{\mathrm{OFF},I}+E_{\mathrm{OFF},D})·\frac{V_{\mathrm{PN}}}{V_{\mathrm{ref}}}·\frac{i_L}{i_{\mathrm{ref}}}$

式中，E_ON，I、E_off，I、E_OFF，D分别为功率器件在电压V_ref和电流i_ref时的开通损耗、关断损耗和二极管反向恢复损耗能量；i_L为负载电流 峰值，i_L=i_a*1.414A,f_s为开关频率。根据步骤4和16计算得的电压、 电流参数，选取IGBT模块SGH30N60RUFD为逆变器功率开关，计 算其损耗。根据器件提供数据，在V_ref＝300V，i_ref＝30A时,导通时的 开关损耗能量为E_ON，I＝0.919mJ/P，关断时的开关损耗能量为 E_off，I＝0.814mJ/P，反向恢复开关损耗能量为E_OFF，D=0.067mJ/P。 i_L=14.1*1.414=19.94A,V_PN=255V，f_s=10kHz,则计算得P_SW＝12.9W。

对于传统意义下每个IGBT的导通损耗，按照下列公式计算

$P_{\mathrm{CV},I}=\frac{V_{\mathrm{CE},0}{i}_L}{2\pi }·{\int }_0^{\pi }\sin \mathrm{\omega t}·(\frac{1+M\left(t\right)}{2}-\frac{D}{2})·\mathrm{d\omega t}+\frac{r_{\mathrm{CE}}{i}_L^2}{2\pi }·{\int }_0^{\pi }{\sin }^2\mathrm{\omega t}·(\frac{1+M\left(t\right)}{2}-\frac{D}{2})·\mathrm{d\omega t}$

$=\frac{V_{\mathrm{CE},0}{i}_L}{2\pi }(1+\frac{\mathrm{\pi M}}{4}-D)+\frac{r_{\mathrm{CE}}{i}_L^2}{2\pi }(\frac{\pi }{4}+\frac{2M}{3}-\frac{\mathrm{\pi D}}{4})$

$P_{\mathrm{CV},D}=\frac{V_{F,0}{·i}_L}{2\pi }·{\int }_0^{\pi }\sin \mathrm{\omega t}·(\frac{1-M\left(t\right)}{2}-\frac{D}{2})·\mathrm{d\omega t}+\frac{r_F{·i}_L^2}{2\pi }·{\int }_0^{\pi }{\sin }^2\mathrm{\omega t}·(\frac{1-M\left(t\right)}{2}-\frac{D}{2})·\mathrm{d\omega t}$

$=\frac{V_{F,0}·i_L}{2\pi }(1-\frac{\mathrm{\pi M}}{4}-D)+\frac{r_F·i_L^2}{2\pi }(\frac{\pi }{4}-\frac{2M}{3}-\frac{\mathrm{\pi D}}{4})$

式中，V_CE0、V_F，0为IGBT和二极管的饱和压降和导通压降；r_CE、 r_F分别为IGBT和二极管的导通电阻；M和D分别为调制指数和直通 占空比。由于V_CE0=2.2V，V_F，0＝1.3V，r_CE=0.02Ω,r_F=0.01Ω,M=2/3, D=1/3,则4个IGBT及其二极管的导通损耗为

P_CV=4*(P_CV，I+P_CV，D)=45.8W

对于直通导致的损耗，只需计算来自IGBT的开关损耗和导通损 耗，即开关损耗为

$P_{\mathrm{SW},\mathrm{SH}}=4f_s·(E_{\mathrm{ON},I}+E_{\mathrm{OFF},I})·\frac{V_{\mathrm{PN}}}{V_{\mathrm{ref}}}·\frac{i_{L1}}{i_{\mathrm{ref}}}=19.6W$

导通损耗为

$P_{\mathrm{CV},\mathrm{SH}}=4*(V_{\mathrm{CE},0}{i}_{L1}D+r_{\mathrm{CE}}{i}_{L1}^{2}D+\frac{r_{\mathrm{CE}}{i}_L^{2}D}{8})=6.2W$

2）Z-源网络二极管的损耗

每个模块的Z-Source网络二极管导通损耗为

$P_{\mathrm{CV},D}=V_{\mathrm{DF},0}[{2i}_{L1}(1-D)-\frac{{\mathrm{Mi}}_L}{2})+r_{\mathrm{DF}}\frac{1-D}{2}[{8i}_{L1}^2+i_L^2]-r_{\mathrm{DF}}\frac{8(1-D)}{\pi }{i}_L{i}_{L1}$

其反向恢复损耗为

$P_{\mathrm{CV},\mathrm{DR}}=\frac{2E_{\mathrm{rec}}{V}_{\mathrm{PN}}({\mathrm{\pi i}}_{L1}-i_L)}{\pi I_{\mathrm{FM}}{V}_R}2f_s$

根据步骤15计算得的二极管参数，选取APT40DQ60B为Z-源网 络二极管,在I_FM=30A,V_R=600V时反向恢复损耗能量E_rec=0.06mJ/P， V_PN＝255V，V_DF0=1.7V。则P_CV，D=14.7W，P_CV，DR=0.124W。

总损耗为P_SW+P_CV+P_SW，SH+P_CV，SH+P_CV，D+P_CV，DR=118.2W。

通过估算损耗，可以比较备选器件，作为优化器件选择的条件 之一。

从上述实施例中可以看出，根据本发明可以有效地设计储能型 准-Z源光伏发电系统的主要参数。所设计的系统在光伏电池电压较 低时，电路进行升压，满足负载要求；在光伏电池电压较高时，不 需要升压，即可满足要求；在夜间，储能电池可直接提供能量给负 载。整个系统以单级功率电路实现，具有最简的结构，较低的费用。 而且系统适用于独立光伏发电，也适用于并网光伏发电。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实 质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领 域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含 在本发明的保护范围之内。