改進(jìn)型高增益準(zhǔn) Z 源逆變器

許文強(qiáng)， 王維慶， 王海云

（1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830047； 2.新疆大學(xué) 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心， 新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

Z 源逆變器[1]通過改變直通時間來提高升壓因子，從而改變直流鏈電壓峰值，彌補(bǔ)了電壓源逆變器為降壓逆變器的不足。 但是，傳統(tǒng)的Z 源逆變器升壓能力有限， 且直通占空比與調(diào)制因子相互制約，升壓因子的提高必然降低調(diào)制因子范圍，導(dǎo)致開關(guān)器件的電壓應(yīng)力變大[2]，較小的調(diào)制因子范圍也會降低電壓利用率， 增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，這限制了Z 源逆變器的使用領(lǐng)域[3]。

為了進(jìn)一步提高Z 源逆變器的升壓能力，以便于更好的應(yīng)用于更多的場合， 近年來國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，各種新型Z 源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷被提出。 文獻(xiàn)[4]總結(jié)分析了11 種Z 源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)Z 源逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升壓能力有了一定的提升，但電氣元件過多，增大了成本與體積。 文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種前級增加IGBT 的逆變器，雖然提升了升壓能力，但是增加了系統(tǒng)控制難度，且成本較高。 文獻(xiàn)[6]提出一種增強(qiáng)了型Z 源逆變器， 雖然改善了升壓能力，但是電氣元器件過多，造成逆變器經(jīng)濟(jì)性較差。文獻(xiàn)[7]提出一種新型準(zhǔn)Z 源逆變器，相比于傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器，其整體性能有所提升，但是升壓能力依然有限。 文獻(xiàn)[8]提出一種使用耦合電感的準(zhǔn)Z 源逆變器， 克服了傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器的一些缺點(diǎn)，但其升壓能力的提升還有很大空間。 文獻(xiàn)[9]提出一種電源嵌入式Z 源逆變器，但其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，且升壓能力并不理想。

本文在傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)型準(zhǔn)Z 源逆變器， 從而提高了升壓能力、擴(kuò)大了調(diào)制因子范圍， 使其在新能源領(lǐng)域有更好的應(yīng)用前景。

1 新型準(zhǔn)Z-源逆變器及其原理

本文設(shè)計的新型準(zhǔn)Z 源逆變器分別用升壓單元[10]和開關(guān)電感代替?zhèn)鹘y(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器的兩個電感[11]，并且將二極管的位置與傳統(tǒng)逆變器位置互換。 該新型準(zhǔn)Z 源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型準(zhǔn)Z-源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 New quasi-Z-source inverter topology

新型準(zhǔn)Z 源逆變器分為直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)，當(dāng)逆變器處于直通狀態(tài)時，電容C1，C2，C3，C4，C5開始放電，電感L1，L2，L3，L4開始充電。 此時二極管D1，D2處于反向截止?fàn)顟B(tài)， 二極管D3，D4處于正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)逆變器處于非直通狀態(tài)各電氣元件的狀態(tài)與直通狀態(tài)相反， 直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)如圖3，4 所示。

圖2 直通狀態(tài)Fig.2 Through state

圖3 非直通狀態(tài)Fig.3 Non-through state

根據(jù)電感伏秒定律得：

式中：當(dāng)占空比D<0.2 時，B>1，新型準(zhǔn)Z 源逆變器實(shí)現(xiàn)了升壓功能。

對式中的升壓因子和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器的升壓因子[12]進(jìn)行仿真分析，對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 兩種準(zhǔn)Z 源逆變器升壓能力對比Fig.4 Comparison of two kinds of quasi-Z-source inverter boosting capability

由圖4 可知，當(dāng)D 相等時新型準(zhǔn)Z 源逆變器的升壓能力明顯比傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器有了很大的提升。

2 仿真分析及理論驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論的正確性，在MATLAB/Simulink中搭建了模型，分別對新型準(zhǔn)Z 源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器在簡單升壓控制策略[12]，[13]下進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖5，6 所示。

圖5 直流鏈電壓仿真分析Fig.5 DC link voltage simulation analysis

圖6 三相負(fù)載電壓仿真分析Fig.6 Three-phase load voltage simulation analysis

新型準(zhǔn)Z 源逆變器仿真參數(shù)：L1，L2，L3，L4均為1 mH；C1，C2，C3，C4均為1 000 μF；Ui為60 V；Lf為1 mH；Cf為20 μF；負(fù)載電阻Rl為5 Ω。 傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器仿真參數(shù)：L1，L2為1 mH；C1，C2為1 000 μF；Ui為60 V；Lf為1 mH；Cf為20 μF；負(fù)載電阻Rl為5 Ω。 載波頻率為10 kHz；D 為0.11；調(diào)節(jié)因子M 為0.8，仿真時間為0.3 s。

由式（1）、文獻(xiàn)[12]以及各仿真參數(shù)可得：傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器三相負(fù)載電壓峰值Uac，直流鏈電壓U0分別為30.8 V，67.9 V； 新型準(zhǔn)Z 源逆變器三相負(fù)載電壓峰值Uac， 直流鏈電壓U0分別為106.7 V，266.7 V。

由圖5，6 可知，仿真結(jié)果與理論計算完全一致，且新型準(zhǔn)Z 源逆變器的升壓能力遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器的升壓能力，證明了新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性與有效性。 由式（1）、文獻(xiàn)[12]可得，若U0=Ui， 則新型準(zhǔn)Z 源逆變器的D 必然要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器的D。又因在簡單升壓控制策略[12]下，D=1-M，M≤1，所以新型逆變器的調(diào)制因子M 有更大的調(diào)制范圍， 從而便于獲得優(yōu)質(zhì)的電能。

從兩種準(zhǔn)Z 源逆變器三相負(fù)載電壓的仿真波形可以發(fā)現(xiàn)，新型準(zhǔn)Z 源逆變器負(fù)載電壓峰值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器負(fù)載電壓峰值，體現(xiàn)了新型準(zhǔn)Z 源逆變器升壓能力的提升，從而擴(kuò)寬了M 的調(diào)制范圍，使其在新能源領(lǐng)域中有較好的發(fā)展前景。

選取0.100 1～0.100 9 s，分別對新型準(zhǔn)Z 源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的8 個開關(guān)周期（每個開關(guān)周期時間為0.000 1 s）的直流鏈電壓脈動波形進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 直流鏈電壓脈動波形分析Fig.7 DC chain voltage ripple waveform analysis

圖7 中， 每個周期內(nèi)電壓為0 的時間是直通時間， 電壓為正的時間是非直通時間。 新型準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浜蛡鹘y(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器拓?fù)涞闹绷麈滊妷豪碚撚嬎阒捣謩e為266.7 V，67.9 V。 圖7的理論計算與仿真結(jié)果完全一致，且新型準(zhǔn)Z 源逆變器拓?fù)涞纳龎耗芰h(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器拓?fù)涞纳龎耗芰Α?/p>

當(dāng)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直流鏈電壓相等時， 對其電容電壓應(yīng)力進(jìn)行分析。 取直流鏈電壓峰值為300 V，且D 不變，由式（1），（5）可得新型準(zhǔn)Z 源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器的輸入電壓Ui分別為67.5 V，234 V。 其他仿真參數(shù)不變，分析結(jié)果如圖8 所示。

由式（1）、文獻(xiàn)[12]及各仿真參數(shù)可得，傳統(tǒng)準(zhǔn)Z 源逆變器UC1，UC2的理論計算值分別為267 V，33 V； 新型準(zhǔn)Z 源逆變器UC1，UC2，UC3，UC4，UC5的 理 論 計 算 值 分 別 為166.5，133.5，33，133.5，33 V。 仿真結(jié)果與理論計算完全一致，證明了該新型準(zhǔn)Z 源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性與有效性。 當(dāng)獲得相同的直流鏈電壓峰值時，新型準(zhǔn)Z 源逆變器C1電壓應(yīng)力減小，然而由于升壓能力的提升，電容C2的電壓應(yīng)力增大，綜合考慮兩種準(zhǔn)Z 源逆變器的整體性能。 新型準(zhǔn)Z 源逆變器的性能更加優(yōu)越。

圖8 電容電壓仿真分析Fig.8 Capacitor voltage simulation analysis

3 結(jié)束語

本文提出了一種新改進(jìn)型準(zhǔn)Z 源逆變器，并對其進(jìn)行分析，在MATLAB/Simulink 下搭建了仿真模型， 驗(yàn)證了理論的準(zhǔn)確性與有效性。升壓能力的提升使新型準(zhǔn)Z 源逆變器擁有較大的調(diào)制因子范圍，從而可以確保輸出優(yōu)質(zhì)的電能并使其應(yīng)用范圍更廣。更加適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)等輸入電壓較低或者直流側(cè)與交流側(cè)電壓變化較大的場合。