一種增強(qiáng)型Z源逆變器的研究

周亞星，龍永紅，李軍軍，黃林森

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

一種增強(qiáng)型Z源逆變器的研究

周亞星，龍永紅，李軍軍，黃林森

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

針對(duì)在低功率因數(shù)以及Z源電感值較小的情況下，Z源逆變器二極管電流斷續(xù)引起的直流鏈電壓畸變的問(wèn)題，研究了一種電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器。深入分析Z源逆變器非正常工作狀態(tài)產(chǎn)生的原因，利用Matlab/Simulink對(duì)電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，在低功率因素及Z源電感值較小的運(yùn)行條件下，該增強(qiáng)型Z源逆變器可較好地解決直流鏈電壓畸變的問(wèn)題，有效改善逆變器輸出電壓的質(zhì)量，簡(jiǎn)化Z源電感的設(shè)計(jì)。

準(zhǔn)Z源逆變器；低功率因數(shù)；電容輔助增強(qiáng)型

0 引言

目前，DC/AC功率變換技術(shù)主要基于2種逆變器拓?fù)洌弘妷涸茨孀兤骱碗娏髟茨孀兤鱗1]。這2種逆變器的局限性在于：

1）無(wú)論采取何種控制策略，電壓源逆變器的輸出電壓只能低于其直流母線電壓，電流源逆變器的輸出電壓只能高于其直流母線電壓，因而不適合輸入電壓變化范圍較大的場(chǎng)合；

2）由于電磁干擾等原因造成的上下管直通或者誤關(guān)斷都會(huì)損壞器件，因而需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間。

2003年彭方正教授提出了一種Z源逆變器[1]。該逆變器為功率變換提供了一種新的逆變器拓?fù)洌渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：1）利用X 型LC 網(wǎng)絡(luò)能夠單級(jí)實(shí)現(xiàn)升降壓；2）無(wú)需設(shè)置死區(qū)時(shí)間，消除了逆變器死區(qū)時(shí)間帶來(lái)的輸出噪聲；3）同橋臂直通成為常態(tài)，增加了逆變器的抗干擾能力。近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于從不同方面研究Z源逆變器。文獻(xiàn)[2-3]針對(duì)傳統(tǒng)Z 源電容電壓應(yīng)力較大和輸入電流斷續(xù)的問(wèn)題，提出了幾種準(zhǔn)Z 源逆變器。文獻(xiàn)[4-6]對(duì)Z源逆變器在輕載或Z源電感較小情況下運(yùn)行時(shí)存在的局限性進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并提出了2種改進(jìn)方案：一種是增大Z源電感值，另一種是用一個(gè)可控型器件取代二極管。但上述方法要么犧牲了逆變器在滿載下的效率，要么增加了系統(tǒng)成本，且上述文獻(xiàn)都未對(duì)Z源逆變器在負(fù)載低功率因數(shù)下的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

針對(duì)有關(guān)Z源逆變器已有研究的不足，本文研究了一種電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器[7]。詳細(xì)分析了Z源逆變器產(chǎn)生非正常工作狀態(tài)的原因及臨界條件，仿真分析了電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器和Z源逆變器在負(fù)載低功率因數(shù)以及Z源電感較小時(shí)的工作狀態(tài)。本文對(duì)解決傳統(tǒng)Z源直流鏈電壓畸變的問(wèn)題做了一些有意義的研究工作。

1 負(fù)載低功率因數(shù)下準(zhǔn)Z源逆變器非正常工作狀態(tài)分析

減少電容電壓應(yīng)力的準(zhǔn)Z源逆變器[2]的主電路如圖 1 所示。

圖1 準(zhǔn)Z源逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1Main circuit topology of qusai-Z-source inverter

電路處于負(fù)載低功率因數(shù)時(shí)，將出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)。在有效矢量時(shí)，電路的非正常工作狀態(tài)不同于在輕載或Z源電感較小情況下的。電路會(huì)出現(xiàn)3種不同的有效矢量工作狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 準(zhǔn)Z源逆變器處于低功率因數(shù)下的等效電路Fig.2Equivalent circuits of qusai-Z-source inverter with low power factor

1）狀態(tài)1

狀態(tài)1中，電路處于有效矢量狀態(tài)，且電感電流iL滿足iL＞ii，其中ii為負(fù)載瞬時(shí)電流。此時(shí)，電感向電容充電，電容的充電電流為iL-ii，經(jīng)過(guò)二極管的電流為

二極管導(dǎo)通，Z源電感的電壓為

式中，VC1和VC2為Z源電容的電壓。

假設(shè)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容電壓穩(wěn)定，則電感電流將線性下降。

2）狀態(tài)2

狀態(tài)2中，電路處于有效矢量狀態(tài)，且電感電流滿足ii2＜iL＜ii。此時(shí)，Z源電容將處于放電狀態(tài)，電容的充電電流為ii-iL，經(jīng)過(guò)二極管的電流仍然滿足式（1），二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，Z源電感的電壓滿足式（2），電感電流將線性下降。

3）狀態(tài)3

電路從零矢量狀態(tài)進(jìn)入有效矢量狀態(tài)，或者從一種有效矢量狀態(tài)進(jìn)入另一種有效矢量狀態(tài)時(shí)，由于逆變器電流的階躍變化，電感電流滿足iL＜ii2，此時(shí)，二極管電流為

二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。由于Z源逆變器的最大輸出電流為2iL，逆變器IGBT并聯(lián)的二極管將被迫導(dǎo)通，以給負(fù)載電感電流提供通路，這相當(dāng)于Z源逆變器輸出短路。與直通零狀態(tài)相似，Z源電感電流將線性上升。這種狀態(tài)將持續(xù)到Z源電感電流上升到iL＞ii2，或者進(jìn)入下一個(gè)傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)。

狀態(tài)3主要出現(xiàn)在負(fù)載功率因數(shù)較低的情況下。在有效矢量時(shí)，逆變橋的輸入直流電壓跌落為零，極大地影響了逆變器輸出交流電壓的質(zhì)量。下面將分析該狀態(tài)出現(xiàn)的臨界條件。假設(shè)Z源逆變器為三相LR負(fù)載，輸出功率為[4]

式中：M為調(diào)制比；Vin為Z源輸入電壓；Z為負(fù)載阻抗；D為直通占空比；Rload為負(fù)載電阻；B為直流升壓因子；cos為負(fù)載功率因數(shù)。

Z源電感電流等于Z源二極管流過(guò)的平均電流，根據(jù)功率平衡有

式中，iLDC為電感電流的直流分量。

電感電流iL的高頻載波為三角形。逆變橋處于有效矢量時(shí)，其輸入電流峰值為輸出交流相電流峰值。因此，逆變橋二極管VD的電流不斷續(xù)條件是

式中：fs為逆變器的開(kāi)關(guān)頻率；L為Z源電感。

由式（7）～（8）可知，當(dāng)負(fù)載較輕、Z源電感值L較小以及負(fù)載功率因數(shù)較低時(shí)，式（7）將不再成立，因而出現(xiàn)Z源網(wǎng)絡(luò)二極管電流斷續(xù)而引起直流鏈電壓跌落；傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的最大輸出瞬時(shí)電流只有電感電流iL的2倍。當(dāng)負(fù)載低功率因數(shù)時(shí)，Z源電感電流iL減小，不論Z源電感L值取多大（忽略ΔiL對(duì)電路的影響），電路都將出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)。

2 電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器

本文研究了文獻(xiàn)[7]中所提的一種電容級(jí)聯(lián)的電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器。該逆變器可以較好地克服電路在負(fù)載低功率因數(shù)以及Z源電感值較小情況下出現(xiàn)直流鏈電壓跌落的缺陷。該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電容輔助式增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3The capacitor-assisted enhanced qusai-Z-source inverter topology

從主電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)看，電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)涞墓ぷ髟砼c傳統(tǒng)Z源逆變器的一樣。其直流鏈峰值電壓可表示為

從式（9）可以看出，在相同直通占空比D下，本電路相比于傳統(tǒng)Z源拓?fù)渚哂懈鼜?qiáng)的升壓能力，其電容電壓僅為準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓的一半，從而可以減少電壓應(yīng)力。

當(dāng)電路處于有效矢量狀態(tài)時(shí)，其等效電路如圖4所示。

圖4 增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器處于有效矢量下的等效電路Fig.4Equivalent circuit of the enhanced qusai-Z-source inverter under active vector

有效矢量狀態(tài)下，逆變器可以用電流源代替，二極管導(dǎo)通，電感L1, L2, L3, L4串聯(lián)，分別向電容C1, C2和 C3, C4和 C5, C6和負(fù)載供電。當(dāng)負(fù)載電流瞬時(shí)值較大時(shí)，Z源電容可能由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電狀態(tài)。此時(shí)，C1, C2, C3, C4, C5, C6同時(shí)向負(fù)載供電，Z源輸出電流為

由上式可知，二極管導(dǎo)通的條件為

式（11）可化為

對(duì)比式（6）和（11）可以看出，電容輔助增強(qiáng)型Z源逆變器的輸出電流可以達(dá)到Z源電感的瞬時(shí)電流iL的4倍。相比于傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器，電容輔助增強(qiáng)型Z源逆變器具有更寬的穩(wěn)定工作范圍，允許負(fù)載工作在更低的功率因數(shù)以及ΔiL更大的情況下，因此，設(shè)計(jì)的Z源電感值可以較小。

電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源拓?fù)涫抢秒娙菁?jí)聯(lián)Z源網(wǎng)絡(luò)，使得逆變器直流升壓增益增大，減少了Z源電容電壓應(yīng)力，可以工作在負(fù)載低功率因數(shù)的場(chǎng)合，同時(shí)通過(guò)耦合電感可以改善Z源電感電流紋波。不足的是，在直通狀態(tài)時(shí)，流過(guò)逆變橋的電流成倍增加，逆變橋開(kāi)關(guān)應(yīng)力加大，同時(shí)要求的器件數(shù)增加，使得成本增加。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證上文的理論分析，將電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器在開(kāi)環(huán)方式下的運(yùn)行狀況進(jìn)行對(duì)比仿真研究。其具體仿真參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)輸入電壓Vin=100 V；直通占空比D分別為0.05和0.10；調(diào)制比M為0.9。 因此，直流鏈峰值電壓VPN為

在負(fù)載低功率因數(shù)下的仿真，電容輔助增強(qiáng)型Z源和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)均設(shè)置為：電容C=2 200F，電感L=1 000H，載波頻率fs=13.3 Hz。三相負(fù)載參數(shù)為：Lload=500H，Rload=0.2Ω。

在Z源電感較小下的仿真，電容輔助增強(qiáng)型Z源和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)均設(shè)置為電容C=2 200F，載波頻率fs=23.6 Hz。三相負(fù)載參數(shù)為：Lload=1 000H，Rload=10Ω，頻率fload為50 Hz。

圖5是電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的直流鏈電壓仿真結(jié)果圖。由圖a可知，當(dāng)Z源電感值較小（L=60H）時(shí)，在非直通狀態(tài)，傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的直流鏈電壓出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象，而增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器正常工作。由圖b可知，當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)較低（cos=0.3）時(shí)，在非直通狀態(tài)，傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的直流鏈電壓出現(xiàn)電壓畸變現(xiàn)象，且由于這種現(xiàn)象還導(dǎo)致了附加的直通狀態(tài)，使得直流鏈電壓升高（傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的直流鏈電壓接近250 V），而增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器消除了直流鏈電壓畸變現(xiàn)象，直流鏈電壓接近理論計(jì)算值125 V。

圖5 準(zhǔn)Z源和電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器的直流鏈電壓波形Fig.5DC-link voltage waveforms for qZSI and capacitor-assisted enhanced qZSI

圖6～7是電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的輸出交流電壓的諧波圖。由圖可知，在負(fù)載功率因數(shù)較高或者Z源電感值較大時(shí)，電容輔助增強(qiáng)型Z源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器具有相同的輸出交流電壓諧波；隨著負(fù)載低功率因數(shù)或者Z源電感值不斷減小，有效狀態(tài)時(shí)，傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的直流鏈電壓出現(xiàn)畸變，使得逆變器的輸出交流電壓總畸變率（total harmonic distortion，THD）明顯高于電容輔助增強(qiáng)型Z源逆變器，其中， 5次和7次諧波占基波百分比明顯增大；當(dāng)Z源電感 L＜50 mH（此時(shí)，三相負(fù)載Lload=1 000H，Rload=10Ω，fload=50 Hz）或者負(fù)載功率因數(shù) cos＜0.19（升壓比G=1.25）時(shí)，電容輔助增強(qiáng)型Z源逆變器直流鏈電壓出現(xiàn)小范圍跌落，但通過(guò)THD分析可以看出，逆變器的輸出交流電壓總畸變率變化不大。通過(guò)不同參數(shù)下的對(duì)比仿真結(jié)果表明，電容輔助增強(qiáng)型Z源逆變器相比傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的穩(wěn)定工作范圍更寬。

圖6 Z源低電感時(shí)輸出電壓諧波分析圖Fig.6Harmonic analysis of the output voltage at small Z-source inductance

圖7 負(fù)載低功率因數(shù)時(shí)輸出電壓諧波分析圖Fig.7Harmonic analysis of the output voltage with low power factor

4 結(jié)語(yǔ)

在低功率因數(shù)及低電感條件下，對(duì)電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器進(jìn)行仿真分析可知，該增強(qiáng)型逆變器能輸出更高的Z源電感瞬時(shí)電流，且穩(wěn)定的工作范圍更寬；其能更好地運(yùn)行在低功率因數(shù)及低電感條件下，解決了傳統(tǒng)Z源直流鏈電壓畸變的問(wèn)題，有效改善逆變器的輸出電壓質(zhì)量；其具有更強(qiáng)的升壓能力，且Z源電感的設(shè)計(jì)值明顯減小，因此，電容輔助增強(qiáng)型準(zhǔn)Z源逆變器相比于傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器具有一定優(yōu)勢(shì)。本文為Z源逆變器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了借鑒。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

Study on an Enhanced Z-Source Inverter

Zhou Yaxing ，Long Yonghong ，Li Junjun，Huang Linsen
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of Z-source inverter diode current interruption resulting in DC link voltage distortion under the conditions of low power factor or small Z-source inductance value, studies a capacitor-assisted enhanced quasi-Z-source inverter (qZSI). Analyzes the cause of the Z-source inverter abnormal operating states and simulates the capacitor-assisted enhanced qZSI and the traditional qZSI by Matlab/Simulink. The results indicate that the proposed qZSI can better solve the problem of the DC link voltage distortion under the operating conditions of low power factor or small Z-source inductance value, and it improves the output voltage of Z-source inverter effectively and simplifies the inductor design.

quasi-Z-source inverter；low power factor；capacitor-assisted enhanced boost

TM464

A

1673-9833(2014)04-0041-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.010

2014-03-02

湖南省高校科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（12C0055），湖南省自然科學(xué)省市聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（12JJ9042）

周亞星（1989-），男，湖南攸縣人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及應(yīng)用，E-mail：731435703@qq.com