一種增強型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)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

一種增強型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)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

針對在低功率因數(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題，研究了一種電容輔助增強型準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對電容輔助增強型準Z源逆變器和傳統(tǒng)準Z源逆變器進行仿真分析。仿真結果表明，在低功率因素及Z源電感值較小的運行條件下，該增強型Z源逆變器可較好地解決直流鏈電壓畸變的問題，有效改善逆變器輸出電壓的質(zhì)量，簡化Z源電感的設計。

準Z源逆變器；低功率因數(shù)；電容輔助增強型

0 引言

目前，DC/AC功率變換技術主要基于2種逆變器拓撲：電壓源逆變器和電流源逆變器[1]。這2種逆變器的局限性在于：

1）無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合；

2）由于電磁干擾等原因造成的上下管直通或者誤關斷都會損壞器件，因而需要設置死區(qū)時間。

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撲，其具有以下優(yōu)點：1）利用X 型LC 網(wǎng)絡能夠單級實現(xiàn)升降壓；2）無需設置死區(qū)時間，消除了逆變器死區(qū)時間帶來的輸出噪聲；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，國內(nèi)外學者致力于從不同方面研究Z源逆變器。文獻[2-3]針對傳統(tǒng)Z 源電容電壓應力較大和輸入電流斷續(xù)的問題，提出了幾種準Z 源逆變器。文獻[4-6]對Z源逆變器在輕載或Z源電感較小情況下運行時存在的局限性進行了詳細地分析，并提出了2種改進方案：一種是增大Z源電感值，另一種是用一個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，且上述文獻都未對Z源逆變器在負載低功率因數(shù)下的工作狀態(tài)進行分析。

針對有關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型準Z源逆變器[7]。詳細分析了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型準Z源逆變器和Z源逆變器在負載低功率因數(shù)以及Z源電感較小時的工作狀態(tài)。本文對解決傳統(tǒng)Z源直流鏈電壓畸變的問題做了一些有意義的研究工作。

1 負載低功率因數(shù)下準Z源逆變器非正常工作狀態(tài)分析

減少電容電壓應力的準Z源逆變器[2]的主電路如圖 1 所示。

圖1 準Z源逆變器的主電路拓撲結構Fig.1Main circuit topology of qusai-Z-source inverter

電路處于負載低功率因數(shù)時，將出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)。在有效矢量時，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為負載瞬時電流。此時，電感向電容充電，電容的充電電流為iL-ii，經(jīng)過二極管的電流為

二極管導通，Z源電感的電壓為

式中，VC1和VC2為Z源電容的電壓。

假設一個開關周期內(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，Z源電容將處于放電狀態(tài)，電容的充電電流為ii-iL，經(jīng)過二極管的電流仍然滿足式（1），二極管處于導通狀態(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)進入有效矢量狀態(tài)，或者從一種有效矢量狀態(tài)進入另一種有效矢量狀態(tài)時，由于逆變器電流的階躍變化，電感電流滿足iL＜ii2，此時，二極管電流為

二極管處于截止狀態(tài)。由于Z源逆變器的最大輸出電流為2iL，逆變器IGBT并聯(lián)的二極管將被迫導通，以給負載電感電流提供通路，這相當于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，或者進入下一個傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)。

狀態(tài)3主要出現(xiàn)在負載功率因數(shù)較低的情況下。在有效矢量時，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Z源逆變器為三相LR負載，輸出功率為[4]

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

Z源電感電流等于Z源二極管流過的平均電流，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，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為逆變器的開關頻率；L為Z源電感。

由式（7）～（8）可知，當負載較輕、Z源電感值L較小以及負載功率因數(shù)較低時，式（7）將不再成立，因而出現(xiàn)Z源網(wǎng)絡二極管電流斷續(xù)而引起直流鏈電壓跌落；傳統(tǒng)準Z源網(wǎng)絡的最大輸出瞬時電流只有電感電流iL的2倍。當負載低功率因數(shù)時，Z源電感電流iL減小，不論Z源電感L值取多大（忽略ΔiL對電路的影響），電路都將出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)。

2 電容輔助增強型準Z源逆變器

本文研究了文獻[7]中所提的一種電容級聯(lián)的電容輔助增強型準Z源逆變器。該逆變器可以較好地克服電路在負載低功率因數(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。該電路拓撲結構如圖3所示。

圖3 電容輔助式增強型準Z源逆變器拓撲結構Fig.3The capacitor-assisted enhanced qusai-Z-source inverter topology

從主電路的開關狀態(tài)來看，電容輔助增強型準Z源逆變器拓撲的工作原理與傳統(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源拓撲具有更強的升壓能力，其電容電壓僅為準Z源網(wǎng)絡電容電壓的一半，從而可以減少電壓應力。

當電路處于有效矢量狀態(tài)時，其等效電路如圖4所示。

圖4 增強型準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和負載供電。當負載電流瞬時值較大時，Z源電容可能由充電狀態(tài)轉為放電狀態(tài)。此時，C1, C2, C3, C4, C5, C6同時向負載供電，Z源輸出電流為

由上式可知，二極管導通的條件為

式（11）可化為

對比式（6）和（11）可以看出，電容輔助增強型Z源逆變器的輸出電流可以達到Z源電感的瞬時電流iL的4倍。相比于傳統(tǒng)準Z源逆變器，電容輔助增強型Z源逆變器具有更寬的穩(wěn)定工作范圍，允許負載工作在更低的功率因數(shù)以及ΔiL更大的情況下，因此，設計的Z源電感值可以較小。

電容輔助增強型準Z源拓撲是利用電容級聯(lián)Z源網(wǎng)絡，使得逆變器直流升壓增益增大，減少了Z源電容電壓應力，可以工作在負載低功率因數(shù)的場合，同時通過耦合電感可以改善Z源電感電流紋波。不足的是，在直通狀態(tài)時，流過逆變橋的電流成倍增加，逆變橋開關應力加大，同時要求的器件數(shù)增加，使得成本增加。

3 仿真分析

為了驗證上文的理論分析，將電容輔助增強型準Z源逆變器和傳統(tǒng)準Z源逆變器在開環(huán)方式下的運行狀況進行對比仿真研究。其具體仿真參數(shù)設置如下：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

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

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

圖5是電容輔助增強型準Z源逆變器和傳統(tǒng)準Z源逆變器的直流鏈電壓仿真結果圖。由圖a可知，當Z源電感值較?。↙=60H）時，在非直通狀態(tài)，傳統(tǒng)準Z源逆變器的直流鏈電壓出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象，而增強型準Z源逆變器正常工作。由圖b可知，當負載功率因數(shù)較低（cos=0.3）時，在非直通狀態(tài)，傳統(tǒng)準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)象還導致了附加的直通狀態(tài)，使得直流鏈電壓升高（傳統(tǒng)準Z源逆變器的直流鏈電壓接近250 V），而增強型準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算值125 V。

圖5 準Z源和電容輔助增強型準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是電容輔助增強型準Z源逆變器和傳統(tǒng)準Z源逆變器的輸出交流電壓的諧波圖。由圖可知，在負載功率因數(shù)較高或者Z源電感值較大時，電容輔助增強型Z源逆變器和傳統(tǒng)準Z源逆變器具有相同的輸出交流電壓諧波；隨著負載低功率因數(shù)或者Z源電感值不斷減小，有效狀態(tài)時，傳統(tǒng)準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Z源電感 L＜50 mH（此時，三相負載Lload=1 000H，Rload=10Ω，fload=50 Hz）或者負載功率因數(shù) cos＜0.19（升壓比G=1.25）時，電容輔助增強型Z源逆變器直流鏈電壓出現(xiàn)小范圍跌落，但通過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。通過不同參數(shù)下的對比仿真結果表明，電容輔助增強型Z源逆變器相比傳統(tǒng)準Z源逆變器的穩(wěn)定工作范圍更寬。

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

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

4 結語

在低功率因數(shù)及低電感條件下，對電容輔助增強型準Z源逆變器和傳統(tǒng)準Z源逆變器進行仿真分析可知，該增強型逆變器能輸出更高的Z源電感瞬時電流，且穩(wěn)定的工作范圍更寬；其能更好地運行在低功率因數(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題，有效改善逆變器的輸出電壓質(zhì)量；其具有更強的升壓能力，且Z源電感的設計值明顯減小，因此，電容輔助增強型準Z源逆變器相比于傳統(tǒng)準Z源逆變器具有一定優(yōu)勢。本文為Z源逆變器的設計和應用提供了借鑒。

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[2]Anderson J，Peng Fangzheng. Four Quasi-Z-Source Inverters[C]//2008 Power Electronics Specialists Conference. Rhodes：IEEE，2008：2743-2749.

[3]Tang Yu，Xie Shaojun，Zhang Chaohua，et al. Improved Z-Source Inverter with Reduced Z-Source Capacitor Voltage Stress and Soft-Start Capability[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(2)：409-415.

[4]Shen Miaosen. Z-Source Inverter Design, Analysis, and Its Application in Fuel Cell Vehicles[D]. East Lansing：Michigan State University，2006．

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[6]Ding Xinping，Qian Zhaoming，Yang Shuitao，et al. A High-Performance Z-Source Inverter Operating with Small Inductor at Wide-Range Load[C]//Applied Power Electronics Conference. Anaheim：IEEE，2007：615-620.

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（責任編輯：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?？茖W研究基金資助項目（12C0055），湖南省自然科學省市聯(lián)合基金資助項目（12JJ9042）

周亞星（1989-），男，湖南攸縣人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為電力電子技術及應用，E-mail：731435703@qq.com