適用于電力推進船舶的高升壓比Z源逆變器

孫英棋 甘世紅 丁溫麗

摘要：

為克服電力推進船舶變換器的不足，結合Z源逆變器的原理，提出一種新式高升壓比Z源逆變器。對該新式Z源逆變器工作原理進行詳細分析，并與普通高升壓比Z源逆變器和傳統Z源逆變器的各項穩態數據進行對比。與傳統的Z源逆變器相比，該新式Z源逆變器升壓能力強，能適應負載大范圍的變化。仿真結果證實了新式Z源逆變器具有較高的性能，適合在電力推進船舶上應用。

關鍵詞：

船舶電力推進; Z源逆變器; 高升壓比; 直通占空比; 升壓因子

中圖分類號： U665.14;TM464

文獻標志碼： A

A high voltage boost Z-source inverter applied to electric propulsion ships

SUN Yingqia， GAN Shihonga， DING Wenlib

（a. Merchant Marine Collage; b. College of Ocean Science & Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract：

To overcome shortages of converters of electric propulsion ships， combining the principle of Z-source inverters， a new high voltage boost Z-source inverter is proposed. The working principle of the new Z-source inverter is analyzed in detail. The various steady-state data of the new Z-source inverter are compared with those of the ordinary high voltage boost Z-source inverter and the traditional Z-source inverter. Compared with the traditional Z-source inverter， the new Z-source inverter is of stronger boost ability， and adapts to the wide range of load. Simulation results confirm that the new Z-source inverter is of higher performance， and is suitable for application in the electric propulsion ships.

Key words：

ship electric propulsion; Z-source inverter; high voltage boost; shoot-through duty ratio; voltage boost factor

收稿日期： 2017-03-13

修回日期： 2017-05-02

基金項目： 上海市自然科學基金（14ZR1419100）

作者簡介：

孫英棋（1990—），男，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向為電力電子、輪機自動化，（E-mail）250307115@qq.com;

甘世紅（1970—），男，甘肅蘭州人，副教授，博士，研究方向為電機控制、混合動力船舶推進，（E-mail）465550299@qq.com

0 引 言

交-直-交的變頻系統[1]在電力推進船舶上的應用呈上升趨勢，現階段送至推進電機的分支需要加入Boost電路進行升壓，增加了系統成本，變換效率低;電磁干擾可能導致變換器上下管直通、開關管損壞等問題。Z源逆變拓撲[2]的提出克服了船舶目前使用的電壓源和電流源逆變器的不足。逆變器橋臂既可以直通也可以開路，實現了升降壓變換的功能，提高了逆變器的可靠性，為逆變提出了一種新的拓撲和理論。然而，傳統Z源逆變器的電容電壓和開關電感電壓應力較大，而且升壓能力有限，應用在船舶推進系統中升降壓幅度小，不能滿足船舶需求。為了得到高升壓能力，就必須增大傳統Z源逆變器的升壓因子和直通占空比，從而使調制比減小，輸出電壓波形幅值降低，輸出交流電的品質降低。另外，直通占空比增大必將引起電容和功率管電壓應力增大。綜上，傳統的Z源逆變器無法滿足船舶電力推進中高升壓比和高品質輸出電壓的需求。為滿足高輸出電壓的需求，PWM策略[3]被提出，但是該策略對提高輸出電壓的作用有限，而且電容電壓和逆變橋臂的電壓應力并沒有減少。文獻[4]提出一種高升壓比Z源逆變器，升壓能力得到了很大的提升，但是這種Z源逆變器存在電容電壓應力比較大，起動電流比較大的缺點。文獻[5-6]提出了一種改進型的Z源逆變器，在保證升壓能力的基礎上大大減小了電容電壓應力，并減小了起動沖擊電流，但是這種Z源逆變器在輕載運行時會出現非正常工作狀態，直流鏈電壓出現畸變。文獻[7-10]提出幾種高升壓能力的準Z源逆變器，但是這幾種逆變器更適合應用在光伏發電的場合，并不適合應用在交流電機調速系統中。為克服上述Z源逆變器的缺點，使系統同時具有高升壓能力和適應船舶負載大范圍變化的能力，本文提出新式高升壓比Z源逆變器，增加了電源電容和有源開關管，使Z源網絡的電流能夠反向流動。本文主要分析了新式高升壓比Z源逆變器的工作原理，對比分析了新式高升壓比Z源逆變器、普通高升壓比Z源逆變器和傳統Z源逆變器的穩態數據。

1 結構與工作模式

1.1 新式高升壓比Z源逆變器結構

圖1給出了新式高升壓比Z源逆變器結構，其中直流電輸入用直流電源代替。新式逆變器所用電路元件與傳統逆變器基本一樣，不同之處在于：（1）與文獻[4]中的高升壓比Z源逆變器相比，Z源網絡和逆變橋臂的位置互換，這樣在得到同樣的直流鏈峰值電壓時Z源電容電壓能大大減小，而且新式逆變器起動時不存在傳統逆變器那樣的電流通路，對起動沖擊電流具有內在的抑制能力[5]，可避免起動沖擊電壓和沖擊電流對逆變器造成的損壞;（2）與文獻[7]中的開關電感Z源逆變器相比，新式高升壓比Z源逆變器在Z源網絡上增加了有源開關管S1，并提出了有源開關管S1的控制策略，使得Z源網絡中的電流能夠反向流動。二極管D13保證了電源電流單向流動，在輸入側增加一個電容Cin給反向電流提供了通路，提高了輸出電壓的品質。

圖1 新式高升壓比Z源逆變器結構

與普通高升壓比Z源逆變器[4]一樣，新式逆變器同樣是利用逆變橋臂的直通狀態來實現升壓的，同樣具有9種開關狀態：1種直通零矢量狀態、2種傳統零矢量狀態和6種有效矢量狀態。根據新式逆變器的電流流向，可能有8種工作模式，見圖2。

圖2 新式高升壓比Z源逆變器的工作模式

另外，當橋臂處于有效矢量狀態時，橋臂用一電流源等效表示?？梢匀⌒率絑源逆變器中的6個電感、2個電容的電壓值相同，電路對稱，所以有

VC1=VC2=VC

VL1=VL2=VL3=VL4=VL5=VL6=VL （1）

式中：VL和VC分別為Z源逆變器的電感電壓和電容

電壓。

1.2 新式高升壓比Z源逆變器工作模式

（1）模式一。逆變器處于直通零矢量狀態，有源開關管S1是關閉的[11]，見圖2a）。盡管逆變器處于直通零矢量狀態，但此時電感電流不能突變，逆變橋臂的續流二極管全部導通，直流鏈電壓Vi被二極管鉗位為零，與此同時Z源網絡的3個電感處于并聯狀態。電感電流反向流動且電感電流減少。電感電壓可表示為

VL=Vdc+VC（2）

其中Vdc為輸入直流電壓。

（2）模式二。逆變器處于直通零矢量狀態，有源開關管處于關閉狀態，見圖2b）。此時，由于逆變橋臂的開關管打開，Z源逆變器的電容和輸入電容向電感充電，電感電流正向增加，直流鏈電壓Vi依然為零。

（3）模式三。逆變器處于傳統零矢量狀態，輸入電流為零。直流電源給輸入電容Cin充電，Z源逆變器的電感給電容充電，見圖2c）。此時Z源逆變器的3個電感串聯，直流鏈電壓Vi和電感電壓VL可表示為

Vi=（Vdc+2VC）/3

VL=-VC/3 （3）

（4）模式四。逆變器處于有效矢量狀態，見圖2d）。電感電流iL和有源開關管S1的續流二極管iD滿足：

iL>ii， iD>0（4）

這樣，輸入電壓直接給負載供電，Z源逆變器電感給電容充電，滿足Vi=Vdc+2VC。

（5）模式五。逆變器處于有效矢量狀態（見圖2e）），此時電感電流滿足不等式

12ii<iL<ii（5）

此狀態時，隨著電感電流iL的持續減小，Z源逆變器的電容開始給負載供電。

（6）模式六。逆變器處于有效矢量狀態（見圖2f）），此時的電感電流滿足不等式

0<iL<12ii（6）

在模式五中電感電流下降到逆變器電流的一半以后有源開關管S1打開，就變成模式六，此時輸入電流變成反方向。

（7）模式七。逆變器處于有效矢量狀態，有源開關S1是導通的（見圖2g）），電感電流下降到零后反向增加。Z源逆變器的電容向電感和負載放電。

（8）模式八。逆變器處于傳統零矢量狀態，有源開關管S1導通，直流電源給輸入電容充電（見圖2h））。電感電流繼續反向流動，Z源逆變器電容向電感放電。

從以上對8種工作模式的分析可以看出，新式高升壓比Z源逆變器在有效矢量狀態和傳統零矢量狀態時直流鏈電壓恒等于Vdc+2VC，這樣在所有的工作模式下直流鏈電壓都不會發生畸變，可消除傳統Z源逆變器在輕載或者小電感時出現的3種特殊的非正常工作狀態。

2 開關管S1的控制策略

由上述電路的8種工作模式可知，開關管S1可以為反向電流提供反向流動路徑，使得輸出電流滿足負載電流要求[12]。在模式一、二的直通狀態下，開關管S1是關閉的;在模式三、四、五的非直通狀態下電流是通過S1的續流二極管流動的;在模式六、七、八的非直通狀態下，開關管S1是導通的。這樣，開關管的驅動信號就可以簡化成與直通信號相反。

3 等效電路圖

如果只考慮電路的各部分電壓之間的關系，圖2中的8種工作模式可以簡化成兩種工作模式，即直通狀態和非直通狀態，見圖3。這樣，新式高升壓比Z源逆變器的工作模式與傳統Z源逆變器的工作模式是相同的。

圖3 直通和非直通狀態等效電路

由直通狀態時的等效電路（圖3a））可得

VL=Vdc+VC

Vi=0 （7）

由非直通狀態時的等效電路（圖3b））可得

3VL=-VC

Vi=Vdc+VC-3VL

（8）

穩態時的電感電壓平均值應為0，設直通占空比為D，可得

VC=3D1-4DVdc（9）

直流鏈峰值電壓可表示為

Vi=1+2D1-4DVdc

（10）

所以升壓因子B可表示為

B=1+2D1-4D（11）

傳統Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的升壓因子分別為

B2=11-2D

B3=1+2D1-4D （12）

比較式（11）和（12）中的升壓因子可以看出：相比于傳統Z源逆變器，對于相同的直通占空比D，普通高升壓比Z源逆變器的升壓因子明顯提高。新式高升壓比Z源逆變器與普通高升壓Z源逆變器的升壓因子相同。圖4為3種拓撲的直通占空比D與升壓因子B的關系。

圖4 3種Z源逆變器升壓因子B與直通占空比D的關系

4 3種Z源逆變器對比分析

4.1 電壓增益

簡單升壓控制的原理是將傳統的脈寬調制（SPWM）方法中的部分傳統零矢量作用時間用直通零矢量來代替，可以保持有效矢量的作用時間不發生變化。簡單升壓控制調制策略下D≤1-M，其中M為調制比。因此，簡單升壓控制下的新式高升壓比Z源逆變器的電壓增益G可以表示為

Gmax=MB=（1-D）1+2D1-4D

（13）

傳統Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的電壓增益分別為

Gmax2=MB2=（1-D）11-2D

Gmax3=MB3=（1-D）1+2D1-4D （14）

根據式（13）和（14），圖5給出3種Z源逆變器的

電壓增益G與直通占空比D的關系。由圖5可知，兩種高升壓比Z源逆變器的關系曲線是相同的，也就是說兩者的升壓能力相同。隨著直通占空比D的增加，3種逆變器的電壓增益都增加，但高升壓比Z源逆變器的升壓能力更強。

圖5 3種逆變器的電壓增益G與直通占空比D的關系

4.2 電容電壓

根據上述穩態原理分析可知，新式高升壓比Z源逆變器的電容電壓為

VC=3D1-4DVdc（15）

傳統Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的電容電壓為

VC2=1-D1-2DVdc

VC3=1-D1-4DVdc （16）

根據式（15）和（16）繪制出VC/Vdc與直通占空比D的關系，見圖6。

圖6 3種逆變器的VC/Vdc與直通占空比D的關系

由圖6可知，3種逆變器的電容電壓VC都隨直通占空比D的增加而增加，但新式高升壓比Z源逆變器的電容電壓應力明顯低于普通的高升壓比Z源逆變器的電容電壓應力。3種逆變器的直通占空比相同，電壓增益不同，所以假設3種逆變器達到相同的電壓增益時，新式高升壓比Z源逆變器的直通占空比可表示為

D=4G+1-16G2+9/4（17）

將式（17）代入式（15）可得

VC=34G+1-16G2+9416G2+9-4GVdc（18）

而傳統Z源逆變器和普通高升壓Z源逆變器的電容電壓與電壓增益的關系可分別表示為

VC2=16G2+9-4G+3

416G2+9-4GVdc

VC3=GVdc （19）

根據式（18）和（19）得到3種Z源逆變器的

VC/Vdc與電壓增益G的關系，見圖7。

圖7 3種逆變器VC/Vdc與電壓增益G的關系

由圖7可知，電壓增益G相同時，新式高升壓比Z源逆變器的電容電壓應力明顯比傳統Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的電容電壓應力小。

4.3 電流紋波

對于新型拓撲電流紋波而言，在非直通狀態下電感電流下降，其電流紋波可以表示為

ΔiL=（1-D）TVC3L（20）

將式（9）代入式（20）可得

ΔiL=（1-D）DTVdcL（1-4D）

（21）

而在直通狀態下，傳統Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的電感電流增加，其電流紋波可分別表示為

ΔiL2=（1-D）DTVdcL（1-2D）

ΔiL3=（1-D）DTVdcL（1-4D） （22）

由式（21）和（22）可看出，普通高升壓比Z源逆變器和新式高升壓比Z源逆變器的電感電流紋波相同，故下面只比較新式高升壓比Z源逆變器和傳統Z源逆變器在簡單升壓控制下的電感電流紋波。

如果輸入電壓相同，在電壓增益給定時，簡單控制下的新式高升壓比Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的電感電流紋波為

ΔiL=（1-2G）（3-2G）TVdc4（4G-3）L=k1TVdcL（23）

而傳統Z源逆變器電感電流紋波為

ΔiL=（G-1）GTVdc（2G-1）L=k2TVdcL（24）

其中k1和k2為電感電流紋波因數。圖8為新式高升壓比Z源逆變器和傳統Z源逆變器的紋波因數k與電壓增益G的關系。

圖8 兩種Z源逆變器的電感電流紋波因數

k與電壓增益G的關系

由圖8可知，當電壓增益相同時，新式高升壓比Z源逆變器在簡單升壓控制下的電感電流紋波因數明顯小于傳統Z源逆變器的電感電流紋波因數。

4.4 功率管電壓應力和二極管反向電壓

新式高升壓比Z源逆變器功率管和二極管的電壓應力都為直流鏈峰值電壓，比較式（11）與（12）可以看出新式Z源逆變器功率管的電壓應力與普通高升壓比Z源逆變器一樣。同樣也可以看出，相同的調制方法下其功率管的電流應力與普通高升壓比Z源逆變器也一樣。在簡單升壓控制調制策略下，新式高升壓比Z源逆變器的功率管電壓VS可表示為

VS=BVdc=4G+3-16G2+9216G2+9-4GVdc

（25）

傳統Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的功率管電壓可表示為

VS2=（2G-1）Vdc

VS3=4G+3-16G2+9

216G2+9-4GVdc

（26）

根據式（25）和（26），可用圖9的曲線表示3種拓撲結構的VS/Vdc與電壓增益G的關系。由圖9可知，當電壓增益相同時，新式高升壓比Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的功率管電壓應力相同，但是明顯比傳統Z源逆變器的功率管電壓應力小。

圖9 3種Z源逆變器的VS/Vdc與電壓增益G的關系

5 仿真驗證

在理論分析的基礎上，對3種Z源逆變器都采用簡單升壓控制策略進行仿真。仿真參數為：輸入電壓Vdc=100 V;Z源電感值L1=L2=L3=L4=L5=L6=500 μH，傳統Z源逆變器的電感值設為1 500 μH;Z源電容C1=C2=1 200 μF;輸出濾波電感L=1 500 μH;輸出濾波電容Cf=50 μF;負載為R=15 Ω;載波頻率為13.5 kHz。

圖10為新式高升壓比Z源逆變器、普通高升壓比Z源逆變器和傳統Z源逆變器在調制比M=0.8，直通占空比D=0.192 5時的仿真波形。圖10的各子圖中從上到下分別為3相輸出線電壓波形V0，直流鏈電壓Vi，Z源電容電壓VC和電感電流iL。

根據式（9）和（10）可以計算出新式高升壓比Z源逆變器的電容電壓和直流鏈峰值電壓分別為251 V和602 V;根據式（16）可以計算出普通高升壓比Z源逆變器和傳統Z源逆變器的電容電壓分別為351 V和131 V;根據式（12）可以計算出普通高升壓比Z源逆變器和傳統Z源逆變器的直流鏈峰值電壓為602 V和162 V。從圖10可以看出3種Z源逆變器仿真結果與理論計算相符。

從圖10a）和10b）可以看出：在調制比和直通占空比等條件相同的情況下，兩種高升壓比Z源逆變器的直流鏈峰值電壓與三相輸出線電壓的波形相同，說明這兩種Z源逆變器的升壓能力是相同的;穩態時新式高升壓比Z源逆變器的電容電壓應力比普通高升壓比Z源逆變器的電容電壓應力小很多，進入穩態的時間更短，同時起動時的沖擊電流也明顯降低，驗證了新型高升壓比Z源逆變器的電容

電壓應力小和起動沖擊電流小的優點。

a）新式高升壓比Z源逆變器

b）普通高升壓比Z源逆變器

c）傳統Z源逆變器

圖10

3種Z源逆變器在D=0.192 5，M=0.8時

的簡單升壓控制仿真波形

從圖10a）和10c）可以看出，相比于傳統Z源逆

變器，新式高升壓比Z源逆變器的升壓能力大大提高，仿真結果與理論分析相符。

圖11為普通高升壓比Z源逆變器和新式高升壓比Z源逆變器在輕載（R=300 Ω，Lf=10 mH）時的直流鏈電壓和電感電流仿真波形。從圖11中可以看出，普通高升壓比Z源逆變器的直流鏈電壓在非直通狀態下有電壓畸變現象，而新式高升壓比Z源逆變器可消除輕載時的直流鏈電壓畸變現象，與理論分析結論一致。

a）普通高升壓比Z源逆變器

b）新式高升壓比Z源逆變器

圖11 輕載（R=300 Ω，Lf=10 mH）時直流鏈電壓和電感電流波形

6 結 論

電力推進船舶是船舶研究發展的一個重要方向。本文根據電力推進船舶的特點，結合傳統Z源逆變器，在高升壓比Z源逆變器的基礎上提出新式高升壓比Z源逆變器，在提高Z源逆變器的升壓能力的同時，可減少拓撲電容電壓應力，并且消除輕載時直流鏈電壓畸變現象。對該逆變器采用簡單升壓控制調制方法進行MATLAB/Simulink仿真，證實了新式高升壓比Z源逆變器可以滿足電力推進船舶高升壓和高品質的電力需求。

參考文獻：

[1]陶佳欣， 王西田. 綜合電力推進系統總體設計分析[J]. 船舶， 2014（3）： 67-72.

[2]彭方正， 房緒鵬， 顧斌，等. Z源變換器[J]. 電工技術學報， 2004， 19（2）： 47-51.

[3]PENG Fangzheng， SHEN Miaosen， QIAN Zhaoming. Maximum boost control of the Z-source inverter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2005， 20（4）： 833-838. DOI： 10.1109/TPEL.2005.850927.

[4]TRINH Q N， LEE H H. A new Z-source inverter topology with high voltage boost ability[J]. Journal of Electrical Engineering & Technology， 2012， 7（5）： 714-723.

[5]TANG Yu， XIE Shaojun， ZHANG Chaohua， et al. Improved Z-source inverter with reduced Z-source capacitor voltage stress and soft-start capabi-lity[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2009， 24（2）： 409-415.

[6]程志友， 程紅江， 于浩， 等. 開關電感型Z源逆變器拓撲結構的設計與仿真[J]. 農業工程學報， 2013， 29（17）： 129-136.

[7]侯世英， 黃哲， 肖旭. 改進型Z源并網逆變器[J]. 電機與控制學報， 2012， 16（12）： 24-28. DOI： 10.15938/j.emc.2012.12.009.

[8]周玉裴， 黃文新， 趙健伍， 等. 一種高升壓比的Z源逆變器[J]. 電工技術學報， 2013， 28（9）： 239-246.

[9]吳冬春， 吳云亞， 闞家榮， 等. 升壓單元高增益準Z源逆變器[J]. 電力系統自動化， 2015， 39（21）： 138-143. DOI： 10.7500/AEPS20150505013.

[10]王嘉明， 梅軍， 鄧凱， 等. 改進型開關電感準Z源逆變器[J]. 低壓電器， 2014（13）： 39-69.

[11]丁新平， 錢照明， 崔彬， 等. 適應負載大范圍變動的高性能Z源逆變器[J]. 電工技術學報， 2008， 23（2）： 61-67.

[12]YANG Liqiang， QIU Dongyuan， ZHANG Bo， et al. A high-performance Z-source inverter with low capacitor voltage stress and small inductance[J]. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition-APEC， 2014： 2331-2337.