何浪，易灵芝，李胜兵，朱彪名，杨洁（.湘潭大学智能计算与信息处理教育部重点实验室，湖南湘潭405；2.湖南省“风电装备与电能变换”20协同创新中心，湖南湘潭405）



基于改进型Trans-Z源逆变器光伏并网系统研究

何浪1，2，易灵芝1，2，李胜兵1，2，朱彪名1，2，杨洁1
（1.湘潭大学智能计算与信息处理教育部重点实验室，湖南湘潭411105；2.湖南省“风电装备与电能变换”2011协同创新中心，湖南湘潭411105）

摘要：传统的Z源逆变器实现了利用独特的Z源网络直接实现直流侧电压的升降，但是其存在非正常工作状态且启动时冲击电流大。针对这些问题，研究了一种改进型Trans-Z源逆变器，在保留了传统Z源逆变器优点的同时，还能抑制启动时的冲击电流，消除非正常工作状态，并且具有更好的升压能力。采用LCL滤波技术，对基于改进型Trans-Z源逆变器光伏并网系统进行了Matlab/Simulink仿真实验，实验结果验证了该系统的可靠性、稳定性及有效性，并且适合于光伏发电并网系统。

关键词：改进型Trans-Z源；LCL滤波；冲击电流；非正常工作状态

Z源逆变器的提出实现了利用Z源网络直接实现直流侧电压的升降压能力［1］。Z源逆变器允许同一桥臂开关可以同时打开，这消除了死区时间，大大提高了系统的可靠性，同时降低了输出波形的失真。2008年，Joel Anderson等人在传统Z源逆变器的基础上又提出了改进的Quasi-Z源逆变器［2］，2011年，有人提出了一种Trans-Z源逆变器和与之相关的各种不同的Z源逆变器拓扑［3］。本文在Trans-Z源逆变器的基础上研究了一种新型的高升压比Z源逆变器，并对其进行了光伏并网实验。与传统的Z源逆变器相比，新型改进Trans-Z源逆变器能够消除非正常工作状态、抑制启动时的电流冲击和具有较高的升压能力的优点。与传统的Z源逆变器的控制方法一样，改进后的Trans-Z源逆变器允许同桥臂的2个开关同时导通来实现升压。

1　传统Z源逆变器拓扑分析

传统电压源型准Z源逆变器拓扑结构如图1所示。在拓扑中的2个电感L1和L2会有磁力耦合作用。传统的准Z源逆变器直流链的电压与输入直流电压的升压比可以表示为

式中：T0为直通时间；T为开关周期时间；D为直通占空比，D=T0/T。

图1　传统准Z源逆变器拓扑Fig.1 Topology of traditional Quasi-Z source inverter

Trans-Z源逆变器［3-4］拓扑结构如图2所示。拓扑中Z源网络中的电感被匝数比为n∶1变压器所取代，并且与准Z源拓扑相比，在Z源网络侧减少了1个电容。图2中因为直流源直接连接到1个二极管，逆变器升压时前端Z源侧电流不连续。

图2　Trans-Z源逆变器拓扑Fig.2 Topology of trans-Z source inverter

这种Trans-Z源逆变器的升压因子可以表示为［3-4］

其中，n是变压器的匝数比，如图2所示。当n = 1时，Trans-Z源逆变器与传统的Z源逆变器产生的输出电压增益是相同的。当n > 1时，Trans-Z源逆变器可以获得更高的输出电压增益。尽管Trans-Z源逆变器能提高输出电压增益，但同时有2个缺点：1）Trans-Z源逆变器Z源端输入电流是非正常不连续的；2）Trans-Z源逆变器不能抑制启动时的电流冲击，由此产生的电流过高容易烧坏逆变器的IGBT开关。

2　改进型Trans-Z源逆变器

图3是经过改进的新型Trans-Z源逆变器。它是在图2所示的Trans-Z源逆变器的基础上改进的。它由1个电感器（L3），1个变压器，2个电容器（C1和C2），和1个二极管（D）组成。改进型Trans-Z源逆变器的主要特点是：1）输入电流连续；2）因为在启动时电流没有流向主电路，能够抑制启动时的电流冲击；3）与Trans-Z源逆变器相比在相同线圈匝数比的情况下能够获得更高的升压因子。

图3　改进型Trans-Z源逆变器拓扑Fig.3 Topology of improved Trans-Z source inverter

改进型的Trans-Z源逆变器与传统Z源逆变器一样，也是通过加入直通时间来实现升压的。

直通状态如图4a所示，在逆变器直通时，二极管关闭，可以得到：

非直通状态如图4b所示，在非直通状态下，二极管D是开通的。相应的电压在通过变压器的初级和次级时的电压表示为vL1_non和vL2_non，则有：

图4　改进型Trans-Z源逆变器工作原理Fig.4 Work theory of the impoved Trans-Z source inverter

对L1和L2应用伏秒平衡原理，则通过式（3）和式（4）可得：

将式（9）代入式（6）可得：

伏秒平衡原理应用到L3，通过式（5）、式（7）和式（10）可得：

直流侧的峰值电压流过逆变器主电路可以由式（8）得出，代入式（9）和式（11）得出：

升压因子B可以表示为

比较式（13）和式（2）可以知道，改进型Trans-Z源逆变器使用的变压器匝比与Trans-Z源逆变器相同时可以产生更高的升压因子。从式（13）可知，当n=0时，改进型的Trans-Z源逆变器就相当于传统的Z源逆变器。当n≥1时，改进型Trans-Z源逆变器比Trans-Z源逆变器和传统的Z源逆变器有更好的升压能力。

3　简单升压控制策略

与传统逆变器的调制方法有所不同，Z源逆变器需要采用改进的SVPWM简单升压控制策略。在传统PWM调制的基础上增加2个直流电压信号（大于正弦波调制信号），控制占空比的产生。即Va，Vb，Vc3个调制信号和Vp，Vn2个直流电压信号。在桥臂的下管工作在导通状态时，插入的直流电压信号Vp处在三角载波与调制电压Va之间，使得桥臂的上管提前导通，从而插入直通状态。同理，可以在开关状态的整个周期中插入直通时间。图5是传统逆变器的SVPWM调制和Z源逆变器简单升压SVPWM修改调制在第1扇区中的开关信号时序图。阴影区域表示SVPWM修改调制中加入的直通零矢量时间块。直通零矢量时间不能大于传统SVPWM调制的零矢量作用时间总和，实现直流母线升压［5］。

图5　传统SVPWM调制和改进SVPWM调制（Ⅰ扇区）Fig.5 Traditional SVPWM modulation and modified SVPWM modulation（Ⅰsector）

4　光伏并网控制系统

4.1闭环控制框图

图6为改进型Z源逆变器闭环控制系统框图。为实现光伏发电系统的并网运行，把电网检测到的三相电流经过d-q旋转坐标系，变换成直流分量，再将id和iq与给定参考信号作比较，得到的误差信号经过PI调节，生成并网电感电压的补偿信号vgd和vgq。然后将检测到的vgd和vgq叠加上补偿信号，并与并网电感经过d-q旋转坐标系变换的电压信号作比较，生成的误差信号经过PI调节，最后再经过d-q旋转坐标系转换成三相静止A-B-C坐标系下参考信号和

图6　改进型Z源逆变器闭环控制系统框图Fig.6 Modified Z source inverter closed loop control system block diagram

4.2LCL滤波环节

由图6可知，本文使用的是LCL滤波电路，LCL滤波器由Z源逆变器侧电感L1k、并网侧电感L2k和滤波电容Ck构成，其中k=a,b,c。

假定所有电路开关元器件都为理想状态，功率回路方程［9-10］由基尔霍夫电压定律和电流定律可得：

式中：udc,uc,i1,i2,idc,e分别表示直流母线电压、交流滤波电容电压、Z源逆变器交流侧电流、并网侧电流、Z源网络侧直流电流和电网电压。

由式（14）可画出LCL滤波器模型框图，如图7所示。

图7　LCL滤波器模型框图Fig.7 LCL filter model diagram

根据图7可以得出并网电流i2相对于Z源逆变器交流侧电压u的输出信号增益：

当滤波电容C=0时，式（15）可以写为

此时，LCL滤波器就成为了L滤波器，由式（15）、式（16）分别绘制LCL滤波器和L滤波器的幅频特性曲线，如图8所示。由图8可知，在低频段时，LCL滤波器和L滤波器两者的幅频特性曲线是基本一致的；在高频段时，LCL滤波器比L滤波器具有更强的衰减能力。所以本文研究的改进型Trans-Z源逆变器使用LCL滤波。

图8　L/LCL滤波器的幅频特性曲线Fig.8 L/LCL filter amplitude-frequency characteristic curves

5　仿真波形分析

为了验证上述结论的正确性，对改进型Trans-Z源逆变器进行仿真实验，仿真环境为Matlab/Simulink，仿真参数如下：采用光伏电池为直流电源，C1=C2=1 200 μF，L3=0.5 mH，n=2，开关频率为10 kHz，滤波端L1f=5.2 mH，C=50 μF，L2f=1.6 mH，仿真实验采用相同的控制策略和相同的直流占空比，仿真结果如图9所示。

图9　仿真实验波形Fig.9 The simulation waveforms

图9a为改进型Trans-Z源逆变器直流母线输出电压，可以看出，改进型Trans-Z源网络对直流电压实现了升压，与前文分析的基本一致；图9b为改进型Trans-Z源逆变器电感端电流；图9c和图9d为传统Z源逆变器电感端电流；从中可以看出传统Z源逆变器比改进型Trans-Z源逆变器具有更高的启动冲击电流，且传统Z源逆变器有非正常工作状态电感电流是不连续的，而改进型Trans-Z源逆变器电感电流是连续的，说明改进型Trans-Z源逆变器能够抑制启动时的电流冲击并且能够消除非正常工作状态；图9e为改进型Trans-Z源逆变器并网控制输出电压，9f为改进型Trans-Z源逆变器并网控制输出电压电流波形，从图9e可以看出系统输出电压能够达到并网时的电压要求，且从图9f可以知道，系统输出电压电流能够实现同频同相输出，达到并网运行的目的。

6　结论

相比于传统Z源逆变器，改进型Trans-Z源逆变器能够抑制启动时的电流冲击，能够消除Z源网络非正常工作状态，并且具有更高的升压比，通过仿真实验很好地证明了上述观点，并且实现了基于改进型Trans-Z源逆变器的光伏并网运行。

参考文献

［1］Peng F Z. Z-source Inverter［J］. IEEE Transactions on Indus⁃ try Applications，2003，39（2）：504-510.

［2］Anderson J，Peng F Z. Four Quasi-Z-source Inverters［C］//Pow⁃er Electronics Specialist Conference：IEEEPESC，Rhodes，Greece. 2008：2743-2749.

［3］Qian W，Peng F Z，Cha H. Trans-Z-source Inverters［J］. IEEE Trans. Power Electron，2011，26（12）：3453-3463.

［4］Strzelecki R，Adamowicz M，Strzelecka N，et al. New Type T-source Inverter［C］//Compatibility and Power Electronics Conference 2009CPE IEEE，2009：191-195.

［5］郑建勇，刘孝辉. Z源光伏并网逆变器无差拍解耦控制［J］.电网技术，2012，36（3）：252-256.

［6］徐聪，程启明，李明，等. Z源逆变器及其多种改进拓扑结构的比较［J］.电网技术，2014，38（10）：2926-2931.

［7］张伦健，谭国俊，陈利萍.基于双调制波技术的三电平Z源逆变器中点电位平衡控制［J］.电力系统保护与控制，2013，41（7）：91-96.

［8］程如岐，赵庚申，赵耀，等. Z源型逆变器母线电压的二次谐波及其抑制策略研究［J］.电机与控制学报，2013，17（6）：22-28.

［9］沈国桥，徐德鸿. LCL滤波并网逆变器的分裂电容法电流控制［J］.中国电机工程学报，2008，28（18）：36-41．

［10］仇志凌，杨恩星，孔洁，等.基于LCL滤波器的并联有源电力滤波器电流闭环控制方法［J］.中国电机工程学报，2009，29（18）：15-20．

修改稿日期：2015-07-12

Study on Modified Trans-Z-source Inverter of PV Grid System

HE Lang1，2，YI Lingzhi1，2，LI Shengbing1，2，ZHU Biaoming1，2，YANG Jie1
（1. Key Laboratory of Intelligent Computing & Information Processing，Ministry of Education，Xiangtan University，Xiangtan 411105，Hunan，China；2. Wind Power Equipment and Power Conversion 2011 Collaborative Innovation Center，Xiangtan 411105，Hunan，China）

Abstract:Unique Z source network is used on the traditional Z source inverter to realize the rise and fall of DC side voltage directly，but abnormal working condition is existed，and there are big surge current when it is started. To solve these problems，a kind of modified trans-Z-source inverter was studied，which could retain the advantages of traditional Z source inverter. At the same time，it could also restrain the impact of the startup surge current，eliminate the abnormal working state，and had better ability of booster. LCL filter technology was used to carry out the Matlab/ Simulink simulation experiment based on the modified trans-Z-source inverter photovoltaic（PV）grid system. The experimental results verify the effectiveness，stability and reliability of the system，and the system is suitable for the PV grid-connected system.

Key words:modified trans-Z-source；LCL filter；surge current；abnormal working condition

收稿日期：2015-02-13

作者简介：何浪（1988-），男，硕士研究生，Email：419587398@qq.com

基金项目：国家能源局2011（1952）（ZD20131004）；湖南省高校创新项目（14K095）；湖南省科技厅项目（KZ13069）

中图分类号：TM464

文献标识码：A