一種新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Ｚ源逆變器

宋奇吼，劉文安，陳 莉，楊 飏

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一種新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Ｚ源逆變器

宋奇吼，劉文安，陳 莉，楊 飏

提出一種新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器，實(shí)現(xiàn)相同輸入電壓和直通占空比條件下逆變器輸出電壓的大幅提升。分析了新拓?fù)涞墓ぷ鳈C(jī)理、升壓特性和控制策略，采用簡(jiǎn)單升壓控制方法，通過(guò)Matlab仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了新拓?fù)涞目尚行浴?/p>

準(zhǔn)Z源逆變器；開(kāi)關(guān)耦合電感；升壓能力

0 引言

傳統(tǒng)電壓源逆變器屬于降壓型逆變器，輸出電壓低，難以滿足分布式發(fā)電系統(tǒng)的升壓需求。為防止傳統(tǒng)逆變器上下橋臂直通，傳統(tǒng)電壓源逆變器需要引入死區(qū)控制，不僅增加了輸出電壓的諧波含量，還增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性[1，2]。

與傳統(tǒng)逆變器相比，Z源逆變器具有可直通、控制簡(jiǎn)單、升壓能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能有效克服傳統(tǒng)逆變器的不足，適應(yīng)新能源發(fā)電的需求。文獻(xiàn)[3]在Z源逆變器的基礎(chǔ)上提出了準(zhǔn)Z源逆變器。與Z源逆變器相比，準(zhǔn)Z源逆變器具有輸入電流連續(xù)、電容電壓應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)，但準(zhǔn)Z源逆變器同樣無(wú)法在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，通過(guò)控制直通占空比獲得足夠大的直流增益[4]。

1 準(zhǔn)Z源逆變器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

針對(duì)Z源/準(zhǔn)Z源逆變器升壓能力有限的問(wèn)題，許多文獻(xiàn)通過(guò)改進(jìn)電路拓?fù)涮嵘齔源逆變器直流升壓能力，先后提出了開(kāi)關(guān)電感Z源逆變器、擴(kuò)展升壓Z源逆變器、抽頭電感Z源逆變器、耦合電感Z源逆變器等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5～20]。

其中文獻(xiàn)[11]以準(zhǔn)Z源逆變器為基礎(chǔ)，引入開(kāi)關(guān)耦合電感升壓思路，提出開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器（SCL-qZSI），其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。SCL-qZSI的升壓比可表示為

式中，為直流占空比；為耦合電感變比。

圖1 開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與開(kāi)關(guān)耦合電感相比，SCL-qZSI具有母線負(fù)極與輸入電源負(fù)極共地、輸入電流連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足：SCL-qZSI升壓能力有限，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，開(kāi)關(guān)損耗較大。

為改進(jìn)開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文提出一種新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器（New Type Switched Coupled Inductor Quasi- Z- Source Inverter ，NTSCI-qZSI）。新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，具備更強(qiáng)的升壓能力。

2 新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器為基礎(chǔ)，提出2種開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器：輸入電流連續(xù)型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器（圖2 a）和輸入電流斷續(xù)型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器（圖2 b）。與傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器相比，新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器以耦合電感替代Z源網(wǎng)絡(luò)中的1個(gè)電感，在耦合電感之間插入1個(gè)二極管，同時(shí)以二極管代替Z源網(wǎng)絡(luò)中的1個(gè)電容，利用工作模態(tài)變化提升直流鏈電壓。

與圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，圖2（a）所示輸入電流連續(xù)型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器具有輸入電流連續(xù)、輸入輸出電壓共地的優(yōu)點(diǎn)，為此本文選取該電路拓?fù)錇榉治鰧?duì)象。

（a）輸入電流連續(xù)型

（b）輸入電流斷續(xù)型

圖2 新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為簡(jiǎn)化分析，將圖中的耦合電感等效為理想狀態(tài)，忽略漏感影響，耦合系數(shù)為1。原邊匝數(shù)為1，副邊匝數(shù)為2，定義耦合電感匝比為，耦合電感原、副邊電壓分別為L(zhǎng)n1、Ln2，則有1∶2，Ln1Ln2。

2.2 穩(wěn)態(tài)情況下的工作原理

穩(wěn)態(tài)情況下的開(kāi)關(guān)周期包括1個(gè)直通零矢量狀態(tài)、2個(gè)傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)、6個(gè)有效矢量狀態(tài)。為方便分析，可簡(jiǎn)化為直通零矢量狀態(tài)、傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)和有效矢量狀態(tài)3種工作模態(tài)。

（1）模態(tài)I：直通零矢量狀態(tài)。等效電路如圖3（a）所示。該狀態(tài)下，控制逆變橋上下橋臂直通，直流鏈電壓為零。二極管D1承受正向電壓導(dǎo)通，輸入電源通過(guò)D1和逆變橋給電感L儲(chǔ)能。電容C通過(guò)耦合電感副邊和逆變橋線性放電，耦合電感副邊儲(chǔ)能。耦合電感副邊承受電容電壓，極性左正右負(fù)，耦合至原邊后電壓極性相同，因此二極管D2承受反向電壓關(guān)斷，此時(shí)系統(tǒng)滿足：

（2）

（2）模態(tài)Ⅱ：傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)。等效電路見(jiàn)圖3（b）。該狀態(tài)下，逆變橋開(kāi)路，直流母線電流為零。耦合電感電壓極性左負(fù)右正，二極管D1承受反向電壓關(guān)斷，D2承受正向電壓導(dǎo)通，電容充電，電感L及耦合電感原邊儲(chǔ)能，此時(shí)系統(tǒng)滿足：

（3）

（3）模態(tài)III：有效矢量狀態(tài)。等效電路如圖3（c）所示。該狀態(tài)下，逆變橋等效為電流源，二極管D1關(guān)斷，D2導(dǎo)通，輸入電源、電感、耦合電感原邊、耦合電感副邊串聯(lián)向負(fù)載供電，提升逆變橋直流鏈電壓，此時(shí)系統(tǒng)滿足：

（a）直通零矢量狀態(tài)

（b）傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)

（c）有效矢量狀態(tài)

2.3 升壓特性分析

一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，直通零矢量狀態(tài)時(shí)間為0，傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)時(shí)間為1，有效矢量狀態(tài)時(shí)間為2。由式（2）、式（3）可見(jiàn)，傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)和有效矢量狀態(tài)下電感L與耦合電感承受電壓相同。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)根據(jù)電感L及耦合伏秒平衡可得

-i+ (1-)[(1 +)C-i-B] = 0 （5）

-C+ (1-)(B-C) = 0 （6）

兩式聯(lián)立，可解得

（7）

結(jié)合式（3）可得直流鏈電壓峰值B為

（8）

新拓?fù)涞纳龎阂蜃訛?/p>

（9）

從式（9）可以看出，升壓因子與耦合電感變比及直通占空比有關(guān)。圖4為2時(shí)，準(zhǔn)Z源逆變器（qZSI）、開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器（SCL-qZSI）及新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器（NTSCL-qZSI）的升壓因子與直通占空比的關(guān)系曲線，可以看出，升壓因子均隨直通占空比的增大而增大，相同直通占空比條件下，新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器升壓能力更強(qiáng)，且其直通占空比必須滿足＜1/(1)。圖5為0.2時(shí)，開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器和新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器的升壓因子與變比的關(guān)系曲線，從圖中可以看出直通占空比確定后，隨的增大而增大，且相同變比條件下新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升壓能力更強(qiáng)。

圖4 升壓因子B與直通占空比D的關(guān)系

圖5 升壓因子B與耦合電感變比N的關(guān)系

3 開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器控制策略

目前適于Z源逆變器的控制方式有：簡(jiǎn)單升壓控制、三次諧波注入控制、最大升壓控制等控制方式[12，13]。簡(jiǎn)單升壓控制方式原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；三次諧波注入控制通過(guò)在調(diào)制波中注入基波的三次分量實(shí)現(xiàn)直通占空比增大，提高升壓范圍；最大升壓控制策略將逆變器的傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)全部變?yōu)橹蓖闶噶繝顟B(tài)，可獲得最大升壓。為更好地體現(xiàn)新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在提升直流鏈電壓方面的能力，本文分析所采用的是簡(jiǎn)單升壓控制策略，其原理如圖6所示。

圖6 簡(jiǎn)單升壓調(diào)制原理

正弦調(diào)制度為，則輸出電壓基波幅值為

（10）

4 仿真驗(yàn)證

通過(guò)簡(jiǎn)單升壓控制，利用Matlab/Simlink工具搭建新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器模型，電路參數(shù)如下：Z源電感1 mH，Z源電容=800mF，耦合電感變比2，耦合電感原邊2200mH，耦合電感副邊3200mH，輸入電源電壓i100 V，開(kāi)關(guān)頻率10 kH，直通占空比0.2，調(diào)制度0.8。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從仿真結(jié)果可以看出，開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器直流鏈電壓為316 V，Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓為244 V，逆變器輸出電壓為120 V，與理論分析一致。

（a）直流鏈電壓波形

（b）Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓

（c）逆變器輸出電壓波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于準(zhǔn)Z源逆變器，通過(guò)改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出新型開(kāi)關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器。新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，能大幅提升逆變器直流鏈電壓，更好地滿足分布式電源并網(wǎng)發(fā)電的需求。

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A new type of switch coupled induction quasi-Z-source inverter is put forward, with realizing of dramatic increase of inverter output voltage under conditions of same input voltage and shoot-through duty ratio. The paper analyzes the working mechanism, boosting characteristics and control strategies of new topology, verifies the feasibility of new topology by means of simple boosting method and by application of Matlab simulation test.

Quasi-Z-source inverter; switch coupled inductance; voltage boosting capability

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.007

U223.5

A

1007-936X(2017)05-0026-05

宋奇吼.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程學(xué)院，教授；劉文安.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，工程師；陳 莉，楊 飏.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程學(xué)院，助教。

（江蘇省高等職業(yè)院校專業(yè)帶頭人高端研修資助項(xiàng)目，2016TDFX005。）

2016-12-29