改進(jìn)型Quasi—Z源逆變器

楊世強(qiáng)+蘇宏升

摘 要： 傳統(tǒng)Z源逆變器通過(guò)自身特殊的阻抗網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)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(yīng)用。但是傳統(tǒng)Z源逆變器的升壓能力有限，且存在啟動(dòng)沖擊電流問(wèn)題。為了克服傳統(tǒng)Z源逆變器的不足，提出一種改進(jìn)型Quasi?Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以改善逆變器的工作性能。改進(jìn)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(chǎng)合，在理論研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了改進(jìn)型Quasi?Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： Quasi?Z源逆變器； 電壓應(yīng)力； 升壓能力； 簡(jiǎn)單升壓控制

中圖分類號(hào)： TN303?34； TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(dú)特的阻抗源（Z源）網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)逆變橋直通狀態(tài)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(tǒng)體積，降低系統(tǒng)成本，在以燃料電池、光伏、風(fēng)力為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)得到了高速發(fā)展，并且都有著廣泛的應(yīng)用前景[2?4]。雖然Z源逆變器有諸多優(yōu)點(diǎn)，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(wú)限大的電壓增益，但由于Z源逆變器的直通占空比（D）和調(diào)制因數(shù)（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(diào)制因數(shù)。然而，小的調(diào)制因數(shù)會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力更大。同時(shí)，小的調(diào)制因數(shù)也會(huì)降低電壓利用率，增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因而提升Z源網(wǎng)絡(luò)的升壓因子（B），使得Z源逆變器能夠在更大的調(diào)制因數(shù)下得到相同的電壓增益，同時(shí)減少開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力是值得研究的問(wèn)題。

為了進(jìn)一步提升Z源逆變器的升壓能力、實(shí)現(xiàn)減小成本，更好地應(yīng)用于新能源發(fā)電場(chǎng)合。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Z源逆變器開(kāi)展了大量的研究，研究?jī)?nèi)容主要包括Z源逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)制策略，為此提出了多種改進(jìn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5?9]，更好地應(yīng)用于新能源發(fā)電系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Z源逆變器開(kāi)展了大量的研究[5]，主要包括Z源逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)制策略。文獻(xiàn)[6]所提逆變器雖然提升了升壓能力，但其并沒(méi)有解決傳統(tǒng)Z源逆變器的啟動(dòng)沖擊問(wèn)題，輸入電流仍不連續(xù)，在升壓能力提升的同時(shí)增加了電容電壓應(yīng)力。文獻(xiàn)[7]所改進(jìn)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(yīng)力，但是并沒(méi)有提升逆變器的升壓能力。文獻(xiàn)[8]提出的直通物理分離式Z源逆變器將升壓因子與調(diào)制因數(shù)解耦，但是升壓能力并沒(méi)有得到有效提升，且其增加了額外器件使得逆變器變?yōu)槎?jí)結(jié)構(gòu)，使得控制更加復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]在準(zhǔn)Z源逆變器阻抗網(wǎng)絡(luò)中引入兩個(gè)開(kāi)關(guān)電感單元，在提升逆變器升壓能力的同時(shí)，電容電壓應(yīng)力有效降低。文獻(xiàn)[10]提出的逆變器升壓能力顯著，但是電容電壓應(yīng)力大，且其增加了四個(gè)開(kāi)關(guān)電感單元使得成本變高。Quasi?Z源逆變器是由浙江大學(xué)教授彭方正于2008年提出[11]。相對(duì)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(diǎn)，而且具有一些新的特性。根據(jù)阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可以將Quasi?Z源逆變器分為對(duì)稱的Quasi?Z源逆變器和不對(duì)稱的Quasi?Z源逆變器。本文在對(duì)稱Quasi?Z源逆變器的基礎(chǔ)上，將阻抗網(wǎng)絡(luò)中的第二個(gè)電感元件替換為開(kāi)關(guān)電感單元。利用開(kāi)關(guān)電感中二極管工作狀態(tài)的變化，在直通狀態(tài)期間將儲(chǔ)存在開(kāi)關(guān)電感的能量傳遞給負(fù)載，從而提升了逆變器的升壓能力。

1 傳統(tǒng)Quasi?Z源逆變器

傳統(tǒng)三相電壓型逆變器[11]一共有8種工作狀態(tài)，其中有6個(gè)有效矢量狀態(tài)，2個(gè)零矢量狀態(tài)；而Quasi?Z源逆變器可以有9個(gè)工作狀態(tài)，在傳統(tǒng)8種工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)直通零矢量狀態(tài)。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(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

由文獻(xiàn)[10]可以知道， 對(duì)稱Quasi?Z源逆變器電容電壓可以表示為：

2 改進(jìn)Z源逆變器原理分析

本文將開(kāi)關(guān)電感型技術(shù)應(yīng)用到Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)中來(lái)提升Z源逆變器的升壓能力。其改進(jìn)Z源逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，在改進(jìn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Z源網(wǎng)絡(luò)是按照直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)的改變而配置的。在直通狀態(tài)，D1是關(guān)閉的，類似于傳統(tǒng)的逆變器。4個(gè)二極管D2，D4，D5和D7導(dǎo)通，而2個(gè)二極管D3和D6截止。然后，3個(gè)電感L2，L3，L4并聯(lián)連接并且由電容C1和電源充電。直通狀態(tài)的等效電路見(jiàn)圖3（a）。在非直通狀態(tài)下，D1是導(dǎo)通的。4個(gè)二極管D2，D4，D5和D7關(guān)閉，而2個(gè)二極管D3和D6導(dǎo)通。然后，3個(gè)電感L2，L3，L4串聯(lián)，此時(shí)電感和電源同時(shí)為負(fù)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(tǒng)Quasi?Z源逆變器，改進(jìn)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(guān)系曲線。由圖4可以看出，與傳統(tǒng)型相比，改進(jìn)型逆變器的升壓能力有了很大的提高。

3 Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 電容參數(shù)設(shè)計(jì)

如前所述，新型Z源逆變器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)具有兩個(gè)狀態(tài)，在直通零狀態(tài)，Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的電容放電。在非直通零狀態(tài)，Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的電容充電。所以，可通過(guò)對(duì)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的電容進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)定電容電壓波動(dòng)的大小，即穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓波動(dòng)，可得到電容的設(shè)計(jì)公式，如下：

3.2 電感參數(shù)設(shè)計(jì)

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(wǎng)絡(luò)不發(fā)生諧振，則Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的固有諧振頻率必須要小于逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，可得電感的設(shè)計(jì)公式：

4 簡(jiǎn)單升壓控制原理

三相電壓源逆變器[12]包含6個(gè)有效矢量以及2個(gè)傳統(tǒng)零矢量工作狀態(tài)。改進(jìn)型 Quasi?Z 源逆變器工作狀態(tài)包含6個(gè)有效矢量以及2個(gè)傳統(tǒng)零矢量和1個(gè)直通零矢量，然而逆變器輸出電壓波形由逆變器的6個(gè)有效矢量決定。也就是說(shuō)，2個(gè)傳統(tǒng)零矢量和1個(gè)直通零矢量對(duì)逆變器負(fù)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(tǒng)零矢量，這樣在不改變有效矢量的作用效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了Z源逆變器的升壓功能。所謂簡(jiǎn)單升壓控制[13]就是將直通零矢量部分地代替?zhèn)鹘y(tǒng)零矢量，這樣既不影響逆變器的調(diào)制特性，而且由于直通零矢量的插入增加了逆變器輸入側(cè)直流電壓的峰值。

圖5為簡(jiǎn)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(diào)制波信號(hào)；ua，ub，uc為三相正弦調(diào)制波信號(hào)；ur為三角波載波信號(hào)，當(dāng)三相正弦調(diào)制信號(hào)滿足式（14）時(shí)，逆變器工作于零矢量狀態(tài)。當(dāng)直通零矢量調(diào)制信號(hào)滿足式（15）時(shí)插入直通零矢量，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單升壓控制。

5 仿真分析

改進(jìn)Z源逆變器的控制策略與傳統(tǒng)Z源逆變器一致。應(yīng)用簡(jiǎn)單升壓控制方法對(duì)上述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真分析。具體仿真參數(shù)為，Z源網(wǎng)絡(luò)：L1=L2=L3=L4=2.4 mH，C1=C2=1 000 μF；輸出濾波器：Lf=3 mH，Cf=10 μF； 開(kāi)關(guān)頻率：5 kHz；輸入直流電壓：380 V。

其仿真結(jié)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(diào)制因子M=0.72下的仿真波形。

對(duì)于改進(jìn)Z源逆變器，根據(jù)理論計(jì)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(jié)果一致。對(duì)于傳統(tǒng)Z源逆變器，升壓因子僅為1.67，直流鏈峰值電壓為640 V，遠(yuǎn)低于改進(jìn)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(yuǎn)低于改進(jìn)Z逆變器輸出電壓。圖6（a）與圖7（a）為傳統(tǒng)Z源逆變器與改進(jìn)Z源逆變器的直流鏈母線電壓波形，從仿真圖可知，改進(jìn)Z源逆變器具有更強(qiáng)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(tǒng)Z源逆變器與改進(jìn)Z源逆變器的三相輸出電壓，改進(jìn)Z源逆變器的三相電壓波形大于傳統(tǒng)Z逆變器，升壓能力得到有效提高。

6 結(jié) 論

本文對(duì)所提出的改進(jìn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，與傳統(tǒng)Z源逆變器相比，改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有內(nèi)在的抑制啟動(dòng)沖擊電流能力，并且使得輸入電流連續(xù)。開(kāi)關(guān)電感單元應(yīng)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(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適用于燃料發(fā)電、光伏發(fā)電、直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電等對(duì)輸入電壓變化范圍大的新能源發(fā)電應(yīng)用場(chǎng)合。

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