一種改進型Z源逆變器

楊亮+易吉良+李軍軍+黃林森

摘?要：傳統(tǒng)Z源逆變器存在諸如輸入電流不連續(xù)，啟動沖擊電流大，電容應(yīng)力大等缺陷，為解決上述Z源所存在的不足，研究了一種新的Z源電路拓?fù)?。在保持同樣的升壓情況下，該改進型拓?fù)潆娙輵?yīng)力明顯減小，沖擊電流得到抑制。簡要對比了二者拓?fù)湎碌墓ぷ髟?，并通過saber軟件對單相Z源逆變器進行了仿真，仿真結(jié)果驗證了改進型Z源拓?fù)湫阅艿膬?yōu)越性。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)型Z源;改進型Z源;電容應(yīng)力;電流紋波;

中圖分類號：TM464?????????文獻標(biāo)識碼：A

A?Modified?Z?Source?Inverter

Yang?Liang，Yi?Jiliang，Li?Junjun，Huang?Linsen

（School?of?Electrical?and?Information?Engineering，Hunan?University?of?Technology，Zhuzhou?Hunan?412007，China）

Abstract：?Traditional?Z?source?inverter?exist?such?as?the?input?current?is?discontinuous，?start?the?impact?current?is?large，?big?capacitance?stress?defects，?in?order?to?solve?the?shortage?of?the?Z?source?inverter，?a?new?source?of?Z?circuit?topology?is?studied.?Maintain?the?same?boost?in?cases，?the?improved?topology?capacitance?stress?significantly?reduced，?impulse?current?be?suppressed.?Briefly?compared?the?topology?of?the?working?principle，?And?through?the?saber?software?for?single-phase?Z?source?inverter?are?simulated，?The?simulation?results?demonstrate?the?superiority?of?the?performance?of?the?modified?Z?source?topology?.

Key?words：?Traditional?Z?source;?The?modified?Z?source;?Capacitance?stress;?Current?ripple;

0?引言

逆變器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的逆變器有兩種基本類型：電壓源型和電流源型。這兩種類型的逆變器由于自身拓?fù)涮攸c在某些場合應(yīng)用受到一定的限制，主要體現(xiàn)在：或是升壓型、或是降壓型變換器，無法同時具有這兩種特性;這兩種變流器的主電路不能互換，通用性較差;電磁干擾造成的直通現(xiàn)象，使可靠性受到很大的影響。

Z源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊胗行У慕鉀Q了上述的

不足，Z源逆變器利用其獨特的阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使之具有單級升/降壓能力，能滿足輸入電壓寬范圍變化要求，并在抗干擾能力、安全可靠性具有很好的優(yōu)勢，已在風(fēng)能、太陽能、電機調(diào)速等領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。

本文簡要分析了傳統(tǒng)Z源及改進型Z源的工作原理，分析了它們在保持同樣的升壓能力下的電容應(yīng)力、啟動時沖擊電流紋波情況，并通過仿真進行了對比分析。

1?傳統(tǒng)型Z源逆變器

為克服常規(guī)逆變器的不足，2003年彭方正教授首次提出了Z源逆變器概念。Z源變流器采用獨特的阻抗網(wǎng)絡(luò)將變換器的主電路與電源連接，因而具有使傳統(tǒng)電壓源或電流源逆變器不能實現(xiàn)的獨特特性，并克服了傳統(tǒng)電壓源變換器或電流源變換器概念和理論上的限制。Z源逆變器的開關(guān)等效電路如下圖1所示，中間的電路部分即為Z源網(wǎng)絡(luò)[1-2]。

圖1?Z源逆變器等效電路

fig.1?Z?source?inverter?equivalent?circuit

Z源網(wǎng)絡(luò)包含兩個電感器L1、L2和兩個電容器?C1、C2組成的網(wǎng)絡(luò)接成X形，將變換器和直流電源或負(fù)載耦合在一起。與傳統(tǒng)的電壓電流源不同，它既可以按升壓型或降壓型的方式工作，還可以直接處于開路、導(dǎo)通和直通狀態(tài)。大大擴展了其應(yīng)用范圍，提升了可靠性[3]。

由圖1分析可知傳統(tǒng)型Z源逆變器直流母線電壓Vi和輸出交流電壓Vx表達：

公式中的T1表示為有效矢量作用時間，T0為零矢量作用時間，B為Z源逆變器直通狀態(tài)下得到的升壓因子，M為常規(guī)電壓源逆變器的調(diào)制系數(shù)。{?}內(nèi)的代數(shù)式為常規(guī)電壓源型逆變器交流輸出電壓，由（2）式知Z源逆變器的輸出電壓由升壓因子B與調(diào)制系數(shù)M共同決定[3-4]。

2?改進型Z源逆變器

2.1?工作原理對比性分析

傳統(tǒng)的Z源逆變器也有不足的一面：輸入電流不連續(xù)，啟動沖擊電流大，電容電壓應(yīng)力大等。為解決上述Z源所存在的不足，文獻[5]提出了一種新的Z源電路拓?fù)洌烁倪M型電路是將二極管和逆變器橋臂的位置互換，其仍為對稱網(wǎng)絡(luò)。電路如圖2所示：

從上述分析可知，二者拓?fù)湎碌纳龎涸硎且恢碌?，但其在相同的占空比下，改進型拓?fù)鋃源電容電壓應(yīng)力明顯減小，且隨直流輸入電壓Vin的增加而減小。因此，Z源電容可按照Vin最小值來設(shè)計，故可選用低壓電容，從而減小了變流器的質(zhì)量和體積，同時還降低了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。

此外，由（5）式與（9）式比較可知：改進型Z源拓?fù)湓谥蓖ㄕ伎毡菵0=0時，此時Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓VC=0。如果控制占空比D0從0逐漸增加，那么Z源電容電壓VC也將從0逐漸增加，這樣能實現(xiàn)軟啟動，而這在傳統(tǒng)型Z源逆變器拓?fù)渲惺遣淮嬖诘摹?/p>

2.2?輸入電流紋波對比性分析

Z源逆變器在不同的控制方式下其輸入電流紋波是不一樣的，以最簡單升壓方式為例：在該控制策略下，直通零矢量插于傳統(tǒng)零矢量之間，使得一部分傳統(tǒng)零矢量被直通零矢量所代替，從而實現(xiàn)升壓功能[6-7]。

在傳統(tǒng)型Z源拓?fù)鋾r，設(shè)逆變器側(cè)電流為ii，那么輸入電流iin=2iL-ii。在直通零矢量狀態(tài)下時，輸入二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，此時輸入電流為0;在傳統(tǒng)零矢量時，逆變器工作于開路狀態(tài)，逆變側(cè)電流為0，此時輸入電流為2iL;而在有效矢量1與有效矢量2時，設(shè)逆變器側(cè)電流各為i1、i2，則輸入電流各為2iL-i1、2iL-i2，詳情如圖3所示。

在改進型Z源拓?fù)鋾r，逆變器側(cè)的電流ii就是輸入電流，在直通零矢量狀態(tài)時，輸入電流為2iL;在傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)時，逆變橋處于開路狀態(tài)，此時輸入電流為0;而在有效矢量1與有效矢量2時，其輸入電流各為i1、i2。詳情如圖4所示，其中IL為二中拓?fù)湎碌妮斎腚娏髌骄怠Ｍㄟ^分析可知，改進Z源逆變器輸入電流紋波明顯減小。

圖3?傳統(tǒng)Z源逆變器輸入電流

Fig.3?Input?current?of?the?traditional?Z?source?inverter

圖4??改進Z源逆變器輸入電流

Fig.4?Input?current?of?the?improved?Z?source?inverter

• 設(shè)計仿真實驗

為了驗證改進型Z源電路拓?fù)涞奶攸c，用saber軟件對傳統(tǒng)型拓?fù)浜透倪M型拓?fù)溥M行了仿真與對比分析，仿真以最簡單升壓方式下的單相Z源逆變器為例，其電路拓?fù)浜头抡鎱?shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖6-7所示。

表1?Z源逆變器仿真參數(shù)

TABLE1?Z?source?inverter?simulation?parameters

參數(shù)

仿真使用的值

輸入電壓

Vdc=200V

Z源電感

L1=L2=2000uH

Z源電容

C1=C2=2000uF

濾波參數(shù)

Lf=1000uH???Cf=30uF

阻性負(fù)載

R=5

升壓因子

D0=0.2

調(diào)制系數(shù)

M=0.8

圖5??改進型Z源仿真電路

Fig.5?The?modified?Z?source?simulation?circuit

圖6-7中的變量含義為：

VC：?Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓

VPN：?直流鏈峰值電壓

IL：?Z源網(wǎng)絡(luò)電感電流

V0：?輸出電壓峰值

圖6?傳統(tǒng)型單相Z源逆變器仿真波形

Fig.6?Traditional?single-phase?Z?source?inverter?simulation?waveform

圖7?改進型單相Z源逆變器仿真波形

Fig.7?Improved?single-phase?Z?source?inverter?simulation?waveform

從仿真結(jié)果來看，改進后的Z源拓?fù)湓诒３滞瑯拥纳龎耗芰ο?，其電容電壓?yīng)力明顯減小，輸出波形質(zhì)量較好;改進型Z源逆變器直流鏈電壓峰值相對較小一些，得到的主要參數(shù)波形與理論分析結(jié)果基本一致。

4.?結(jié)語

通過控制升壓因子B和調(diào)制系數(shù)M可以靈活的控制Z源逆變器輸出電壓的升降。本文對二者拓?fù)湎碌墓ぷ髟?、輸入電流紋波進行了對比性分析：可知，在保持直流鏈電壓和輸出交流電壓一樣的前提下，改進型Z源拓?fù)涞碾娙蓦妷簯?yīng)力明顯減小，這樣低壓電容能夠被使用，能夠減少器件體積和系統(tǒng)成本;此外，改進型Z源如果控制占空比從零逐漸增加，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動，其沖擊電流和諧振問題能有效抑制，提高了整體電路效率，滿足實際應(yīng)用的需求。

參考文獻

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