李 洋 周振宇 马少杰

（石家庄铁道大学 河北石家庄 050043）

1 引 言

随着现代电力电子技术的快速发展，Z 源逆变器的应用范围也在迅速扩大。随着科学技术的发展和科学理论的进步，逆变器结构和效用也在进一步变化。传统的逆变器主要是升压型或降压型的逆变器，会受到光伏阵列输出电压波动的影响，需要串联一个DC/DC 变流器，系统的复杂性和成本因此而增加[1]，效率也随之降低。而对传统的逆变器的结构进行调整，改进出了具有Z 源网络结构的Z 源逆变器。Z 源逆变器不同于传统的逆变器，它不需要加入DC/DC 环节就可以实现升降压功能，克服了传统逆变器的缺点，扩大了逆变器的应用范围，因此对Z 源逆变器的研究具有重要意义。

2 传统逆变器

传统的逆变器主要分为电压源型逆变器和电流源型逆变器，但无论是电压源型逆变器还是电流源型逆变器都存在一定的自身缺陷，导致逆变器的应用场合被限制，应用场合比较单一。

电压源型逆变器的直流侧要求为恒定电压源或并联大电容，电压源型逆变器存在以下的缺点和不足:1 交流侧电压必须低于直流母线电压，常需要利用升压装置提高输出电压的幅值；2 当逆变器在工作状态时，交流侧负载要求为电感性；3 同一桥臂上的开关器件严禁同时导通，否则会导致器件发生短路危险，同时在有电磁干扰的环境下也会造成器件的短路，电路的安全性和可靠性受到严重的威胁。

电流源型逆变器直流输入侧需要串联大电感，相当于一个恒定电流源，输入端呈高阻抗。在电路结构上和电压源型逆变器是对偶的，因此电流源型逆变器也存在和电压源型逆变器相似的缺陷：1 交流侧输出电压高于直流母线电压，常需要加入降压装置降低输出电压的幅值；2 当逆变器处在工作时，交流输出侧的负载被限制为电容性负载；3 每一桥臂的开关器件必需同时导通，否则会造成开路，对电路的稳定性有严重威胁。

通过上述对传统逆变器的分析，不管是电压源型逆变器还是电流源型逆变器都存在相当的不足和缺陷。而Z 源逆变器可以通过自身独特的Z 源网络结构来克服传统逆变器存在的上述的缺陷。

3 Z 源逆变器[2-4]

Z 源逆变器引入了新型的逆变器拓扑结构——Z 源网络结构，把逆变器的主电路和电源或者是负载耦合，利用Z 源网络结构，通过加入直通状态使逆变器具有了异于传统逆变器的升降压特性。

Z 源逆变器的直流侧电源既可以是电压源，也可以是电流源；同时它的负载可以是各种电感性或电容性负载。其Z 源网络结构是主要由两个电感和两个电容组成的X 型二端口网络，正是因为这种特殊的Z 源结构决定了它可以承受瞬时开路和瞬时短路，这为逆变器提供了可以升降压的条件。

3.1Z 源逆变器的工作原理

Z 源逆变器的拓扑结构如图1 所示。假设电感L1、L2 相等，电容C1、C2 也相等，网络结构显然对称。Z 源逆变器比传统逆变器多了一组直通零矢量状态，根据逆变桥同一桥臂上下开关管是否同时导通的条件，设在一个开关周期T 内，直通状态即是上下开关管同时导通的情况所占时间为T0，其他情况即是非直通状态所占时间为T1，显然T=T1+T0。

图1 单相Z 源逆变器

3.1.1 直通状态

在直通工作状态下，通过电路结构的分析可知，两电容电压之和大于电源电压，二极管截止。电感给电容充电储能。图2 为直通状态下的等效电路图，此时逆变桥同一桥臂上下开关管短路，可得：

3.1.2 非直通状态

当逆变器工作在非直通状态下时，逆变桥就等效成了一个电流源。此时，通过对电路图的结构分析可知：

在一个开关周期T 中,根据伏秒平衡原理,稳态时电感两端的平均电压为0,可得：

为直通占空比。

由此可以得出逆变桥的平均直流母线电压 为：

图2 当逆变桥处于直通零电压状态时Z 源逆变器的等效电路

加在逆变桥直流母线电压的峰值电压 为：

式（6）中，B 为逆变器工作在直通零电压状态下的升压因子

则逆变器的输出相电压的基波幅值和直流母线电压的关系为：

通过式（9）易知，调节 和B 的大小就可以改变逆变器输出电压的大小。

3.2 逆变器的调制策略[5-7]

离网型逆变器在实际应用中的作用是可以提供稳定高质量的电能给它的负载，为了能够同时兼顾电能的高质量和系统的工作性能，选择电感电流内环—交流电压外环的双环控制系统。

3.2.1 电流内环控制

设电感电流为 ,结合图1 的电路结构图可以得出交流侧电流表达式为：

结合上述当开关频率足够高，系统网络工作稳定时，非直通状态下直流母线电压峰值恒为，此时交流侧的电流受调制因子控制，电流内环控制结构图如图3 所示：

图3 电流内环控制框图

输出电压对电感电流的影响可以通过引入前馈控制来消除，设传递函数为：

结合系统的控制框图得到电流内环控制系统的开环传递函数为：

3.2.2 电压外环控制 易知电流内环的频带大于电压外环，将电流内环简易的看成是外环通道上的增益环节，结合图1：

电压外环控制的系统框图如图4 所示：

图4 电压外环控制框图

比例—积分（PI）调节器可以做到无差跟踪，并且系统的鲁棒性优良：

电压外环开环传递函数为：

4 仿真验真

在MATLAB/Simulink 软件上进行实验仿真，验证Z 源逆变器是否具有上述理论分析中的升降压功能。在MATLAB/Simulink 软件上搭建系统的并网仿真模型，通过简单的升降压调制策略，逆变器的直流输入电压设置为V0=100V，直通占空比d=0.25，升压因子B=2，定义调制因子m=0.55,通过公式计算后得，理论上交流输出电压V，电容电压V,直流母线电压V。

实验仿真显示Z 源逆变器的电容电压、直流母线电压以及交流输出电压都是符合理论分析的结果。因此，Z 源逆变器可以通过自身特殊的电路结构实现输出电压的升高或是降低。同时仿真的结果也表明了在输入电压发生突变和突然加入负载的情况下，系统的输出电压基本保持稳定不变，本文提出的对逆变器的控制策略是有效的，可以应用实际应用中。

综上所述，Z 源逆变器可以允许逆变器承受瞬时的短路，从而使输出电压可根据输出电压的要求进行升高或降低，并且无需加入死区时间，避免了输出波形的畸变和调制度的下降，同时Z 源逆变器的电路结构是一个单级电路，系统的稳定性和效率相比较于传统逆变器提高了，逆变器成本也降低了。

5 结 论

本文详细分析了Z 源逆变器的工作原理，提出了一种对Z 源逆变器输出电压进行控制控制策略，说明了Z 源逆变器可以克服传统逆变器的缺陷，并且Z 源逆变器的拓扑结构简单，成本低，效率高，在实际应用中运用范围广，实用性强。