陈 晓,苏宏升

(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)



一种新型Z源逆变器

陈 晓,苏宏升

(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)

为了提高逆变器直流侧输出电压，提出了一种新型Z源逆变器。该拓扑结构将Z源网络中的传统电感用开关电感代替，并且将两个开关电感型准Z源逆变器并联构成升压模块。讨论了该电路的工作原理，并用MATLAB软件进行仿真验证。仿真结果表明：该拓扑结构在较短的直通时间内升压能力更强，有效地减小了Z源网络中一个电容的电压应力，达到预期设计的目的。

新型Z源逆变器；拓扑；升压能力；电容电压应力

0 引言

在风力和光伏发电系统中，由于外界环境等因素的影响，直流输入电压也在大范围内变化，给逆变带来一定的困难，因此，需要输入电压可在大范围内变化的新型Z源逆变器。Z源逆变器与传统的电压源逆变器相比，可利用其上下桥臂的直通实现升压功能，避免了传统逆变器中上下臂直通的死区问题，广泛应用于光伏发电和燃料电池等直流电压波动比较大的场合[1-3]。但传统Z源逆变器仍存在升压能力有限、输入电流断续、电容电压应力大和启动冲击大等问题。文献[4]提出了一种开关电感型Z源逆变器，利用开关电感代替Z源网络中的电感，提高了逆变器的升压能力，但仍存在电容电压应力大的问题。文献[5]在传统Z源网络中串接开关电容，直流侧电压利用率得到提高，但电容电压应力较大。文献[6]提出改进型Z源逆变器，将Z源网络与逆变器的位置进行调换，有效地抑制了逆变器启动时的冲击电流，稳态时电容电压也有所减小，但升压能力并没有提高。文献[7]将准Z源逆变器与Z源逆变器进行串联，减少了电容电压应力，并且使输入电流连续，但升压因子并没有提高。文献[8]采用耦合电感代替开关电感，减少了元器件个数，但变压器的漏感会对输出波形产生影响。文献[9]采用级联的方式提高直流侧的升压能力，虽然升压能力得到提高，但过多的开关电感组数增加了电路的复杂程度。

针对以上问题，本文提出了一种新型Z源逆变器，用开关电感代替传统准Z源逆变器中的一个电感，形成开关电感型准Z源逆变器，再将两个开关电感型准Z源逆变器并联。相比于准Z源逆变器，该新型Z源逆变器拓扑结构具有以下优点：相同的直通占空比时升压因子较大，从而具有更高的升压能力；逆变器的并联分压减少了一个电容的电压应力。

1 传统准Z源逆变器

图1 传统准Z源逆变器

图1为传统的准Z源逆变器，阻抗网络由电感L1、L2和电容C1、C2构成。在传统的开关状态中多了1个开关零矢量状态，使上下桥臂同时导通，从而达到升压的目的。

由文献[10]可知，直流链电压UPN为：

(1)

电容电压为：

(2)其中：UC1为电容C1两端电压；UC2为电容C2两端电压；D为直通占空比；Uin为输入直流电压；B为升压因子。

由式(1)可知：若直流侧电压较低时，需直通占空比D无限制接近0.5，提高升压因子B来获得较高的母线电压，而电容电压应力也会随之增加。由增益能力G=MB可知：调制系数M与升压因子B有关，因此直通占空比D不可无限制增大，低值的调制系数M会增加输出的谐波失真，降低交流输出性能。

2 新型Z源逆变器

2.1 工作原理

图2 新型Z源逆变器拓扑结构

图2为新型Z源逆变器的拓扑结构，将两个开关电感型准Z源并联。为简化分析，假定所有的元器件均在理想状态下，并且L1=L2=L3=L4=L5=L6=L，C1=C2=C3=C4。

由对称性知：UC1=UC3，UC2=UC4，UL1=UL6，UL2=UL3=UL4=UL5。

逆变器的工作状态分为直通状态和非直通状态，图3为直通状态等效电路图。二极管D1、D2、D6和D8断开，D3、D4、D5和D7导通，电感L2、L3、L4和L5并联储存能量，电容释放能量，可得此状态下的方程为：

(3)

由电路的对称性可得到：

(4)

其中：UC3、UC4分别为电容C3、C4的电压；UL1、UL2、UL3和UL6分别为电感L1、L2、L3和L6两端的电压。

非直通状态下等效电路如图4所示，二极管D1、D2、D6和D8导通，D3、D4、D5和D7断开，电感L2、L3、L4和L5串联，电容储存能量，可得此状态下的方程为：

(5)

其中：UPN为直流链电压。

图3 直通状态等效电路图图4 非直通状态等效电路图

由电路的对称性可得到：

(6)

由伏秒平衡定理可知，在一个开关周期内，电感两端的平均电流为0，直通时间为DT，非直通时间为(1-D)T，可得到：

(7)

由式(7)得：

(8)

直流链电压UPN可表示为：

(9)

当直通占空比D≤0.24时，升压因子B≥1，可实现升压功能。

图5 两种拓扑结构Z源逆变器的升压能力比较

图5为传统准Z源逆变器与新型Z源逆变器拓扑结构的升压能力比较。由图5可知：当直通占空比D>0.1时，新型Z源逆变器升压能力显著增强，更适用于光伏、燃料电池等输入电压波动大的场合。

2.2 增益能力分析

逆变器的增益能力G由升压因子B与调制系数M共同决定，定义为：

(10)

本文采用最大恒定升压的空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略[11]，其直通占空比D可表示为：

(11)

由式(9)和式(11)可得出新型拓扑结构Z源逆变器的增益能力G与调制系数M的关系为：

(12)

图6为两种拓扑结构Z源逆变器增益能力G与调制系数M的关系曲线。由图6可知：与传统准Z源逆变器相比，新型Z源逆变器的电压增益更强。当电压增益一定时，新型拓扑结构Z源逆变器可以有较高的调制系数，从而改变输出电压质量，降低功率管的开关应力。

2.3Z源网络的电容电压应力

若升压因子B相同，假定新型Z源逆变器的直通占空比为D1，传统准Z源逆变器的直通占空比为D，由式(1)和式(9)可得：

(13)

图6 两种拓扑结构Z源逆变器的G-M曲线

将式(13)代入式(2)得出与新型Z源逆变器升压能力相同时，传统准Z源逆变器的电容电压应力为：

(14)

3 仿真结果分析

对上述两种拓扑结构Z源逆变器的理论分析在MATLAB软件中进行仿真验证。设置直流电源为50 V，直通占空比D为0.2，升压因子B为1.6，传统准Z源逆变器输出直流链电压为80 V。若直通占空比D相同，则新型Z源逆变器输出直流链电压为312 V。逆变器输出直流链电压波形如图7所示。由图7可知：直通占空比D相同时，新型Z源逆变器的升压能力更强，与理论分析一致。

图7 两种逆变器输出直流链电压波形图

图8 两种逆变器电容电压应力波形图

当升压因子B相同，即输出直流电压均为80 V 时，两种逆变器电容电压应力波形如图8所示。由图8可知：传统准Z源逆变器电容C2电压为21 V，新型Z源逆变器电容C2电压为16 V。可见，在相同升压因子B下，新型Z源逆变器减少了一个电容的电压应力，与理论分析一致。

4 结束语

本文提出一种新型Z源逆变器，并对其工作原理进行了详细分析，通过MATLAB软件进行仿真验证。相比于传统准Z源逆变器，该新型Z源逆变器具有升压能力强、电容电压应力小的优点。输出电压相同时，新型Z源逆变器具有更高的调制度，减小了开关器件的电压应力。因此，新型Z源逆变器更加适用于光伏发电系统等输入电压有波动的场合，具有很强的实用性。新型Z源逆变器拓扑结构虽然在升压能力方面做了改进，但是不可一味增加升压比，如何平衡直通占空比D与调制系数M的限制关系，有待于进一步研究。

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国家自然科学基金项目(61263004)；甘肃省自然科学基金项目(1212RJZA071)

陈晓(1989-)，女，甘肃白银人，硕士生；苏宏升(1969-)，男，甘肃靖远人，教授，博士，博士生导师，研究方向为新能源并网控制.

2016-10-20

1672-6871(2017)03-0045-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.03.010

TM464

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