改進型Quasi—Z源逆變器

楊世強+蘇宏升

摘 要： 傳統Z源逆變器通過自身特殊的阻抗網絡實現升壓功能，而不需要加入升壓斬波電路，使得Z源逆變器得到了廣泛的應用。但是傳統Z源逆變器的升壓能力有限，且存在啟動沖擊電流問題。為了克服傳統Z源逆變器的不足，提出一種改進型Quasi?Z源逆變器拓撲結構，以改善逆變器的工作性能。改進型Quasi?Z源逆變器有效提高了逆變器的升壓能力，使其可以適用于需要高增益的場合，在理論研究的基礎上，通過Matlab/Simulink仿真驗證了改進型Quasi?Z源逆變器拓撲結構的可行性和優越性。

關鍵詞： Quasi?Z源逆變器； 電壓應力； 升壓能力； 簡單升壓控制

中圖分類號： TN303?34； TM464 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0139?05

Abstract： The boost function of the traditional Z?source inverter is realized by its special impedance network， but it does not need any boost chopper circuit， which makes the traditional Z inverter to be widely used. However， the boost capability of the traditional Z inverter is limited， and it exists start surge current. In order to overcome the insufficient of the traditional Z?source inverter， an improved Quasi?Z?source inverter topology structure is proposed to improve the performance of the inverter. The improved Quasi?Z?source inverter can improve the inverter boost ability， so that it can be applied to the occasion of high gain. On the basis of theoretical study， the correctness and advantages of the improved Quasi?Z?source inverter were verified with Matlab/Simulink simulation.

Keywords： quasi?Z?source inverter； voltage stress； boost ability； simple boost control

0 引 言

Z源逆變器[1]由于其獨特的阻抗源（Z源）網絡，通過逆變橋直通狀態升高電壓，從而不需要Boost變換器，可以在很大程度上縮小系統體積，降低系統成本，在以燃料電池、光伏、風力為代表的新能源發電系統得到了高速發展，并且都有著廣泛的應用前景[2?4]。雖然Z源逆變器有諸多優點，但是其不足之處也十分明顯。理論上，Z源逆變器可以得到無限大的電壓增益，但由于Z源逆變器的直通占空比（D）和調制因數（M）相互牽制，這些因素限制了輸出電壓增益。為了得到高電壓增益的輸出電壓，就必須使用小的調制因數。然而，小的調制因數會導致開關器件的電壓應力更大。同時，小的調制因數也會降低電壓利用率，增加系統的不穩定性。因而提升Z源網絡的升壓因子（B），使得Z源逆變器能夠在更大的調制因數下得到相同的電壓增益，同時減少開關器件的電壓應力是值得研究的問題。

為了進一步提升Z源逆變器的升壓能力、實現減小成本，更好地應用于新能源發電場合。國內外學者對Z源逆變器開展了大量的研究，研究內容主要包括Z源逆變器的電路拓撲結構和調制策略，為此提出了多種改進Z源逆變器拓撲結構[5?9]，更好地應用于新能源發電系統。國內外學者對Z源逆變器開展了大量的研究[5]，主要包括Z源逆變器的電路拓撲結構和調制策略。文獻[6]所提逆變器雖然提升了升壓能力，但其并沒有解決傳統Z源逆變器的啟動沖擊問題，輸入電流仍不連續，在升壓能力提升的同時增加了電容電壓應力。文獻[7]所改進的逆變器是將二極管與逆變橋位置互換，雖然降低了電容電壓應力，但是并沒有提升逆變器的升壓能力。文獻[8]提出的直通物理分離式Z源逆變器將升壓因子與調制因數解耦，但是升壓能力并沒有得到有效提升，且其增加了額外器件使得逆變器變為二級結構，使得控制更加復雜。文獻[9]在準Z源逆變器阻抗網絡中引入兩個開關電感單元，在提升逆變器升壓能力的同時，電容電壓應力有效降低。文獻[10]提出的逆變器升壓能力顯著，但是電容電壓應力大，且其增加了四個開關電感單元使得成本變高。Quasi?Z源逆變器是由浙江大學教授彭方正于2008年提出[11]。相對于Z源逆變器，Quasi?Z源逆變器不但克服了Z源逆變器的缺點，而且具有一些新的特性。根據阻抗網絡結構的對稱性，可以將Quasi?Z源逆變器分為對稱的Quasi?Z源逆變器和不對稱的Quasi?Z源逆變器。本文在對稱Quasi?Z源逆變器的基礎上，將阻抗網絡中的第二個電感元件替換為開關電感單元。利用開關電感中二極管工作狀態的變化，在直通狀態期間將儲存在開關電感的能量傳遞給負載，從而提升了逆變器的升壓能力。

1 傳統Quasi?Z源逆變器

傳統三相電壓型逆變器[11]一共有8種工作狀態，其中有6個有效矢量狀態，2個零矢量狀態；而Quasi?Z源逆變器可以有9個工作狀態，在傳統8種工作狀態的基礎上增加了一個直通零矢量狀態。正是由于增加的直通零矢量使得Quasi?Z源逆變器具有了升壓和降壓的功能。其主電路結構拓撲圖如圖1所示。

由文獻[10]可以知道， 對稱Quasi?Z源逆變器電容電壓可以表示為：

2 改進Z源逆變器原理分析

本文將開關電感型技術應用到Z源阻抗網絡中來提升Z源逆變器的升壓能力。其改進Z源逆變器的電路拓撲結構如圖2所示，在改進Z源逆變器拓撲結構中，Z源網絡是按照直通狀態和非直通狀態的改變而配置的。在直通狀態，D1是關閉的，類似于傳統的逆變器。4個二極管D2，D4，D5和D7導通，而2個二極管D3和D6截止。然后，3個電感L2，L3，L4并聯連接并且由電容C1和電源充電。直通狀態的等效電路見圖3（a）。在非直通狀態下，D1是導通的。4個二極管D2，D4，D5和D7關閉，而2個二極管D3和D6導通。然后，3個電感L2，L3，L4串聯，此時電感和電源同時為負載和電容充電。等效電路如圖3（b）所示。

比較式（2）與式（9）可得，相比于傳統Quasi?Z源逆變器，改進逆變器升壓能力得到了很大的提升。圖4給出了兩種Z源逆變器的升壓因子與直通占空比的關系曲線。由圖4可以看出，與傳統型相比，改進型逆變器的升壓能力有了很大的提高。

3 Z源阻抗網絡參數設計

3.1 電容參數設計

如前所述，新型Z源逆變器在一個開關周期內具有兩個狀態，在直通零狀態，Z源阻抗網絡的電容放電。在非直通零狀態，Z源阻抗網絡的電容充電。所以，可通過對Z源阻抗網絡的電容進行設計。通過設定電容電壓波動的大小，即穩態時電容電壓波動，可得到電容的設計公式，如下：

3.2 電感參數設計

首先，電感要滿足非諧振取值條件，電感、電容的諧振頻率為。若要使Z源阻抗網絡不發生諧振，則Z源阻抗網絡的固有諧振頻率必須要小于逆變器的開關頻率，可得電感的設計公式：

4 簡單升壓控制原理

三相電壓源逆變器[12]包含6個有效矢量以及2個傳統零矢量工作狀態。改進型 Quasi?Z 源逆變器工作狀態包含6個有效矢量以及2個傳統零矢量和1個直通零矢量，然而逆變器輸出電壓波形由逆變器的6個有效矢量決定。也就是說，2個傳統零矢量和1個直通零矢量對逆變器負載的作用效果是一樣的，因此，可以用直通零矢量代替部分傳統零矢量，這樣在不改變有效矢量的作用效果的同時實現了Z源逆變器的升壓功能。所謂簡單升壓控制[13]就是將直通零矢量部分地代替傳統零矢量，這樣既不影響逆變器的調制特性，而且由于直通零矢量的插入增加了逆變器輸入側直流電壓的峰值。

圖5為簡單升壓控制的控制原理示意圖，圖5中up，un為直通零矢量調制波信號；ua，ub，uc為三相正弦調制波信號；ur為三角波載波信號，當三相正弦調制信號滿足式（14）時，逆變器工作于零矢量狀態。當直通零矢量調制信號滿足式（15）時插入直通零矢量，實現簡單升壓控制。

5 仿真分析

改進Z源逆變器的控制策略與傳統Z源逆變器一致。應用簡單升壓控制方法對上述兩種拓撲結構仿真分析。具體仿真參數為，Z源網絡：L1=L2=L3=L4=2.4 mH，C1=C2=1 000 μF；輸出濾波器：Lf=3 mH，Cf=10 μF； 開關頻率：5 kHz；輸入直流電壓：380 V。

其仿真結果如圖6和圖7所示。

圖6、圖7中波形自上而下分別是直流鏈峰值電壓 ，電容的電壓及其交流輸出電壓。波形為輸入 380 V，直通占空比D=0.16，調制因子M=0.72下的仿真波形。

對于改進Z源逆變器，根據理論計算，升壓因子為2.69，直流鏈峰值電壓為1 022 V，電容電壓為437 V，電容電壓為201 V，輸出三相電壓為367 V，與仿真結果一致。對于傳統Z源逆變器，升壓因子僅為1.67，直流鏈峰值電壓為640 V，遠低于改進Z源逆變器直流鏈電壓，電容電壓為126 V，輸出三相電壓為230 V，遠低于改進Z逆變器輸出電壓。圖6（a）與圖7（a）為傳統Z源逆變器與改進Z源逆變器的直流鏈母線電壓波形，從仿真圖可知，改進Z源逆變器具有更強的升壓能力。圖6（b）與圖7（b）、圖7（c）為電容的電壓。圖6（c）與圖7（d）為傳統Z源逆變器與改進Z源逆變器的三相輸出電壓，改進Z源逆變器的三相電壓波形大于傳統Z逆變器，升壓能力得到有效提高。

6 結 論

本文對所提出的改進Z源逆變器拓撲結構進行了深入分析，與傳統Z源逆變器相比，改進拓撲結構具有內在的抑制啟動沖擊電流能力，并且使得輸入電流連續。開關電感單元應用到Z源逆變器中，雖然成本有所增加，但升壓能力得到有效的提升。改進型拓撲結構更適用于燃料發電、光伏發電、直驅式風力發電等對輸入電壓變化范圍大的新能源發電應用場合。

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