Z源逆變器的仿真研究

李永堅，謝遠來

（湖南工程學院 電氣與信息工程學院，湘潭 411104）

0 引言

隨著全球能源的大規(guī)模消耗并且伴隨有枯竭的風險，風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源的利用成為了目前的研究熱點.傳統(tǒng)的逆變器絕大多數(shù)都屬于降壓型逆變器，新能源發(fā)出的電能需要添加一級升壓變壓器才能并網(wǎng)使用，這就大大提高了成本以及對空間的占用，并且為了防止逆變器同一橋臂上下開關管直通而造成逆變器燒毀，通常在上下橋臂開關管的開關信號中加入一定的死區(qū)時間，而這將使得交流側(cè)輸出電壓波形發(fā)生畸變.為了克服傳統(tǒng)逆變器的缺點，研究人員提出了一種功率變換器的新型拓撲結(jié)構(gòu)—Z源逆變器［1］.Z源逆變器由于其獨特的阻抗源網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使得同一橋臂上下開關管直通變成了一種正常的工作狀態(tài)，因此在開關管換流過程中無須再插入死區(qū)時間，一方面減少了交流側(cè)諧波的注入，另一方面使得直流母線電壓泵升［2］.本文通過MATLAB/SIMULINK建立Z源逆變器模型［3］，利用 PWM 調(diào)制方式［4］，通過仿真分析，驗證了Z源逆變器的優(yōu)良性能.

1 Z源逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

不同于傳統(tǒng)逆變器，Z源逆變器在其逆變器前端插入一個由電感L1、L2和電容C1、C2組成的X形阻抗源網(wǎng)絡.如圖1所示［5］.

圖1 Z源逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

Z源網(wǎng)絡對稱分布，其電容與電感滿足：

從圖2可知：

當Z源逆變器工作在非直通狀態(tài)時，有：

當Z源逆變器工作在直通狀態(tài)時，有：

圖2 Z源逆變器狀態(tài)等效圖

根據(jù)伏秒平衡原理，電感電壓VL在逆變器一個開關周期內(nèi)的平均值為0，有：

其中T1為一個開關周期中的直通時間，T2為一個開關周期的非直通時間.

由（3）～（5）式可得：

式中，D為直通占空比，Vdc為直流電源電壓，-Vl為直流鏈電壓平均值，B為Z源逆變器的升壓因子.

2 Z源逆變器的建模與仿真

在MATLAB/SIMULINK中搭建Z源逆變器PWM仿真模型如圖3所示.這是一個簡單的三相橋式Z源逆變器的仿真系統(tǒng)，通過PWM的調(diào)制方式，體現(xiàn)出Z源逆變器比傳統(tǒng)逆變器的性能優(yōu)越.

圖3 Z源逆變器PWM仿真模型

PWM封裝模塊中產(chǎn)生6組PWM調(diào)試信號控制三相逆變橋3個橋臂的6個開關管，Multimeter測量模塊分別測量X型阻抗源網(wǎng)絡中電容C2的電壓值，三相負載的相電壓.仿真模型中各個模塊的參數(shù)設置為：直流電源DC的電壓為48 V，電感L1、L2均為100 mH，電容C1、C2均為1000 μF，三相負載電阻值均為10Ω.將以上參數(shù)設置在圖3所示的仿真模型的各個模塊中，所得到的各個模塊的電壓波形如圖4、圖5所示.

圖4中，模型啟動后電容兩端的電壓瞬間充電到Vdc/2，即24 V，而最高電壓接近60 V.系統(tǒng)啟動瞬間電感的感抗較大而電容的容抗較小，因此，啟動時將會產(chǎn)生較大的沖擊電流而導致逆變橋開關器件的損壞.同時又由于沒有儲能器件直接與電源串聯(lián)，因此將導致輸出三相逆變橋的電流斷續(xù).

圖4 阻抗源網(wǎng)絡電容的電壓波形

（a） A相負載電壓波形

（b） B相負載電壓波形

圖5 三相負載波形圖

將PWM調(diào)制技術應用在三相Z源逆變器，應用MATLAB/SIMULINK工具箱中的各個模塊建立仿真模型，根據(jù)式（6），本文中設置的直通占空比為0，阻抗源網(wǎng)絡中電容電壓計算值等于直流電壓源電源即48 V，由圖4可以看出，電容C2穩(wěn)定后的電壓值接近48 V，運行的仿真結(jié)果與計算的理論值基本一致.Z源逆變器具有更高的升壓倍數(shù)，從而可以減少一級升壓變壓器的使用，大大降低了成本以及空間的使用.并且在該仿真中沒有設置死區(qū)時間和建立濾波模塊，能直觀地看出含有的諧波分量較少.

3 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)逆變器，本文介紹了一種新的逆變器拓撲，并對其拓撲結(jié)構(gòu)進行了分析.通過以上的仿真分析，Z源逆變器具有良好的升壓性能，并且在調(diào)制波中無須插入死區(qū)時間，諧波含量低的優(yōu)點得到了廣大研究人員的重視.隨著人們對Z源逆變器研究的不斷深入，Z源逆變器將廣泛應用于風力發(fā)電、光伏發(fā)電等新型能源發(fā)電領域中，具有廣闊的發(fā)展前景.