一種新型Z源逆變器

陳 曉,蘇宏升

(蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070)

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一種新型Z源逆變器

陳 曉,蘇宏升

(蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070)

為了提高逆變器直流側輸出電壓，提出了一種新型Z源逆變器。該拓撲結構將Z源網絡中的傳統(tǒng)電感用開關電感代替，并且將兩個開關電感型準Z源逆變器并聯(lián)構成升壓模塊。討論了該電路的工作原理，并用MATLAB軟件進行仿真驗證。仿真結果表明：該拓撲結構在較短的直通時間內升壓能力更強，有效地減小了Z源網絡中一個電容的電壓應力，達到預期設計的目的。

新型Z源逆變器；拓撲；升壓能力；電容電壓應力

0 引言

在風力和光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于外界環(huán)境等因素的影響，直流輸入電壓也在大范圍內變化，給逆變帶來一定的困難，因此，需要輸入電壓可在大范圍內變化的新型Z源逆變器。Z源逆變器與傳統(tǒng)的電壓源逆變器相比，可利用其上下橋臂的直通實現(xiàn)升壓功能，避免了傳統(tǒng)逆變器中上下臂直通的死區(qū)問題，廣泛應用于光伏發(fā)電和燃料電池等直流電壓波動比較大的場合[1-3]。但傳統(tǒng)Z源逆變器仍存在升壓能力有限、輸入電流斷續(xù)、電容電壓應力大和啟動沖擊大等問題。文獻[4]提出了一種開關電感型Z源逆變器，利用開關電感代替Z源網絡中的電感，提高了逆變器的升壓能力，但仍存在電容電壓應力大的問題。文獻[5]在傳統(tǒng)Z源網絡中串接開關電容，直流側電壓利用率得到提高，但電容電壓應力較大。文獻[6]提出改進型Z源逆變器，將Z源網絡與逆變器的位置進行調換，有效地抑制了逆變器啟動時的沖擊電流，穩(wěn)態(tài)時電容電壓也有所減小，但升壓能力并沒有提高。文獻[7]將準Z源逆變器與Z源逆變器進行串聯(lián)，減少了電容電壓應力，并且使輸入電流連續(xù)，但升壓因子并沒有提高。文獻[8]采用耦合電感代替開關電感，減少了元器件個數(shù)，但變壓器的漏感會對輸出波形產生影響。文獻[9]采用級聯(lián)的方式提高直流側的升壓能力，雖然升壓能力得到提高，但過多的開關電感組數(shù)增加了電路的復雜程度。

針對以上問題，本文提出了一種新型Z源逆變器，用開關電感代替?zhèn)鹘y(tǒng)準Z源逆變器中的一個電感，形成開關電感型準Z源逆變器，再將兩個開關電感型準Z源逆變器并聯(lián)。相比于準Z源逆變器，該新型Z源逆變器拓撲結構具有以下優(yōu)點：相同的直通占空比時升壓因子較大，從而具有更高的升壓能力；逆變器的并聯(lián)分壓減少了一個電容的電壓應力。

1 傳統(tǒng)準Z源逆變器

圖1 傳統(tǒng)準Z源逆變器

圖1為傳統(tǒng)的準Z源逆變器，阻抗網絡由電感L1、L2和電容C1、C2構成。在傳統(tǒng)的開關狀態(tài)中多了1個開關零矢量狀態(tài)，使上下橋臂同時導通，從而達到升壓的目的。

由文獻[10]可知，直流鏈電壓UPN為：

(1)

電容電壓為：

(2)其中：UC1為電容C1兩端電壓；UC2為電容C2兩端電壓；D為直通占空比；Uin為輸入直流電壓；B為升壓因子。

由式(1)可知：若直流側電壓較低時，需直通占空比D無限制接近0.5，提高升壓因子B來獲得較高的母線電壓，而電容電壓應力也會隨之增加。由增益能力G=MB可知：調制系數(shù)M與升壓因子B有關，因此直通占空比D不可無限制增大，低值的調制系數(shù)M會增加輸出的諧波失真，降低交流輸出性能。

2 新型Z源逆變器

2.1 工作原理

圖2 新型Z源逆變器拓撲結構

圖2為新型Z源逆變器的拓撲結構，將兩個開關電感型準Z源并聯(lián)。為簡化分析，假定所有的元器件均在理想狀態(tài)下，并且L1=L2=L3=L4=L5=L6=L，C1=C2=C3=C4。

由對稱性知：UC1=UC3，UC2=UC4，UL1=UL6，UL2=UL3=UL4=UL5。

逆變器的工作狀態(tài)分為直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)，圖3為直通狀態(tài)等效電路圖。二極管D1、D2、D6和D8斷開，D3、D4、D5和D7導通，電感L2、L3、L4和L5并聯(lián)儲存能量，電容釋放能量，可得此狀態(tài)下的方程為：

(3)

由電路的對稱性可得到：

(4)

其中：UC3、UC4分別為電容C3、C4的電壓；UL1、UL2、UL3和UL6分別為電感L1、L2、L3和L6兩端的電壓。

非直通狀態(tài)下等效電路如圖4所示，二極管D1、D2、D6和D8導通，D3、D4、D5和D7斷開，電感L2、L3、L4和L5串聯(lián)，電容儲存能量，可得此狀態(tài)下的方程為：

(5)

其中：UPN為直流鏈電壓。

圖3 直通狀態(tài)等效電路圖圖4 非直通狀態(tài)等效電路圖

由電路的對稱性可得到：

(6)

由伏秒平衡定理可知，在一個開關周期內，電感兩端的平均電流為0，直通時間為DT，非直通時間為(1-D)T，可得到：

(7)

由式(7)得：

(8)

直流鏈電壓UPN可表示為：

(9)

當直通占空比D≤0.24時，升壓因子B≥1，可實現(xiàn)升壓功能。

圖5 兩種拓撲結構Z源逆變器的升壓能力比較

圖5為傳統(tǒng)準Z源逆變器與新型Z源逆變器拓撲結構的升壓能力比較。由圖5可知：當直通占空比D>0.1時，新型Z源逆變器升壓能力顯著增強，更適用于光伏、燃料電池等輸入電壓波動大的場合。

2.2 增益能力分析

逆變器的增益能力G由升壓因子B與調制系數(shù)M共同決定，定義為：

(10)

本文采用最大恒定升壓的空間矢量脈寬調制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略[11]，其直通占空比D可表示為：

(11)

由式(9)和式(11)可得出新型拓撲結構Z源逆變器的增益能力G與調制系數(shù)M的關系為：

(12)

圖6為兩種拓撲結構Z源逆變器增益能力G與調制系數(shù)M的關系曲線。由圖6可知：與傳統(tǒng)準Z源逆變器相比，新型Z源逆變器的電壓增益更強。當電壓增益一定時，新型拓撲結構Z源逆變器可以有較高的調制系數(shù)，從而改變輸出電壓質量，降低功率管的開關應力。

2.3Z源網絡的電容電壓應力

若升壓因子B相同，假定新型Z源逆變器的直通占空比為D1，傳統(tǒng)準Z源逆變器的直通占空比為D，由式(1)和式(9)可得：

(13)

圖6 兩種拓撲結構Z源逆變器的G-M曲線

將式(13)代入式(2)得出與新型Z源逆變器升壓能力相同時，傳統(tǒng)準Z源逆變器的電容電壓應力為：

(14)

3 仿真結果分析

對上述兩種拓撲結構Z源逆變器的理論分析在MATLAB軟件中進行仿真驗證。設置直流電源為50 V，直通占空比D為0.2，升壓因子B為1.6，傳統(tǒng)準Z源逆變器輸出直流鏈電壓為80 V。若直通占空比D相同，則新型Z源逆變器輸出直流鏈電壓為312 V。逆變器輸出直流鏈電壓波形如圖7所示。由圖7可知：直通占空比D相同時，新型Z源逆變器的升壓能力更強，與理論分析一致。

圖7 兩種逆變器輸出直流鏈電壓波形圖

圖8 兩種逆變器電容電壓應力波形圖

當升壓因子B相同，即輸出直流電壓均為80 V 時，兩種逆變器電容電壓應力波形如圖8所示。由圖8可知：傳統(tǒng)準Z源逆變器電容C2電壓為21 V，新型Z源逆變器電容C2電壓為16 V?？梢姡谙嗤龎阂蜃覤下，新型Z源逆變器減少了一個電容的電壓應力，與理論分析一致。

4 結束語

本文提出一種新型Z源逆變器，并對其工作原理進行了詳細分析，通過MATLAB軟件進行仿真驗證。相比于傳統(tǒng)準Z源逆變器，該新型Z源逆變器具有升壓能力強、電容電壓應力小的優(yōu)點。輸出電壓相同時，新型Z源逆變器具有更高的調制度，減小了開關器件的電壓應力。因此，新型Z源逆變器更加適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)等輸入電壓有波動的場合，具有很強的實用性。新型Z源逆變器拓撲結構雖然在升壓能力方面做了改進，但是不可一味增加升壓比，如何平衡直通占空比D與調制系數(shù)M的限制關系，有待于進一步研究。

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國家自然科學基金項目(61263004)；甘肅省自然科學基金項目(1212RJZA071)

陳曉(1989-)，女，甘肅白銀人，碩士生；蘇宏升(1969-)，男，甘肅靖遠人，教授，博士，博士生導師，研究方向為新能源并網控制.

2016-10-20

1672-6871(2017)03-0045-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.03.010

TM464

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