一種新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器

蔡智林　侯濤

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)Z源逆變器升壓能力不足，電容電壓應(yīng)力較高，輸入電流斷續(xù)，高電壓增益時(shí)直流鏈電壓利用率較低等問題，提出一種新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)?。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過在傳統(tǒng)Z源網(wǎng)絡(luò)中串入升壓?jiǎn)卧?，并引?個(gè)電容和2個(gè)電感，提高了升壓能力和直流鏈電壓利用率，并拓寬了調(diào)制比范圍。在相同電壓增益條件下，相比傳統(tǒng)Z源逆變器，有效降低了電容電壓應(yīng)力；直通占空比更小，可降低系統(tǒng)直通狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)通損耗，實(shí)現(xiàn)了輸入電流連續(xù)。升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)越多，升壓能力越強(qiáng)，調(diào)制比范圍越寬，電壓利用率越高，電容電壓應(yīng)力越低。在Matlab中進(jìn)行了大量仿真研究，結(jié)果證明所提新型拓?fù)涞恼_性與有效性。

關(guān)鍵詞： 高增益Z源逆變器； 電容電壓； 升壓?jiǎn)卧?級(jí)聯(lián)單元

中圖分類號(hào)： TN61?34； TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）24?0149?05

A new high?gain quasi Z?source inverter

CAI Zhilin， HOU Tao

（School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： Since the traditional Z?source inverter has the problems of insufficient voltage boost ability， high capacitor voltage stress， discontinuous input current， and low DC link voltage utilization ratio under the condition of the high?voltage gain， a new high?gain quasi Z?source inverter topology is proposed. The boost unit is cascaded in the Z?source network， and two capacitors and two inductances are introduced in the topology structure. This topology can improve the boost ability and DC link voltage utilization ratio， and widen the modulation ratio. In comparison with the traditional Z?source inverter， this inverter can reduce the capacitor voltage stress effectively under the condition of the same voltage gain. The smaller shoot?through duty ratio can reduce the breakover loss of the shoot?through state， and realize the continuity of input current. The more the boost voltage cascade units are imported， the better the boost capability becomes； the wider the modulation ratio is， the higher the voltage utilization ratio becomes， and the lower the capacitor voltage stress becomes. A lot of simulation studies are carried out in Matlab， and the results prove that the new topology is correct and valid.

Keywords： high?gain Z?source inverter； capacitor voltage； boost unit； cascade unit

0 引 言

Z源逆變器以其獨(dú)特的阻抗源網(wǎng)絡(luò)，有效實(shí)現(xiàn)了升降壓變換，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電壓源與電流源逆變器輸出交流電壓只能小于輸入直流電壓的不足[1?2]。將其應(yīng)用在光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等新能源領(lǐng)域，可省去直流升壓電路，效率更高，得到了廣泛研究[3?5]。但傳統(tǒng)Z源逆變器升壓能力不足，電容電壓應(yīng)力較高，由于直通占空比與調(diào)制比的制約關(guān)系，在需要較高的電壓增益時(shí)，不得不減小調(diào)制比以獲得較大的直通占空比，這同時(shí)造成了直流鏈電壓利用率降低[6?7]。因此，改進(jìn)Z源網(wǎng)絡(luò)，以提高升壓能力，降低電容電壓應(yīng)力，提高直流鏈電壓利用率是Z源逆變器的主要研究方向[7?9]。

Z源逆變器自被提出以來，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)Z源逆變器的不足，出現(xiàn)了一些改進(jìn)拓?fù)洹Ｎ墨I(xiàn)[10]首次提出準(zhǔn)Z源逆變器，實(shí)現(xiàn)了輸入電流連續(xù)，降低了Z源網(wǎng)絡(luò)其中一個(gè)電容的電壓應(yīng)力，但升壓能力未得到提升。文獻(xiàn)[11]提出一種基于開關(guān)電感的準(zhǔn)Z源逆變器，用開關(guān)電感單元代替Z源網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)電感，提高了升壓能力。文獻(xiàn)[12]對(duì)開關(guān)電感單元進(jìn)行改進(jìn)，將其中一個(gè)二極管用一個(gè)自舉電容代替，升壓能力進(jìn)一步提高，但逆變器啟動(dòng)過程中，自舉電容迅速充電，開關(guān)電感單元中的二極管啟動(dòng)沖擊電流非常大，極易損壞，而且升壓能力仍不夠理想。文獻(xiàn)[13]提出一種Trans?Z?source逆變器Z源逆變器，在Z源網(wǎng)絡(luò)中引入變壓器，有較好的調(diào)壓性能，但增加了系統(tǒng)的體積和復(fù)雜性，且造價(jià)較高。針對(duì)以上問題，本文提出一種基于升壓?jiǎn)卧男滦透咴鲆鏈?zhǔn)Z源逆變器拓?fù)?。首先，傳統(tǒng)Z源網(wǎng)絡(luò)中正負(fù)直流母線端的電感用一升壓?jiǎn)卧妫浯?，?duì)傳統(tǒng)Z源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步改進(jìn)，引入一對(duì)電容和一對(duì)電感。新型拓?fù)溆行岣吡松龎耗芰?，拓寬了調(diào)制比范圍，電壓利用率提高，輸入電流連續(xù)，在相同的電壓增益時(shí)，電容的電壓應(yīng)力更低，直通占空比更小，直通狀態(tài)的導(dǎo)通損耗降低。仿真結(jié)果證明了該新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的正確性。

1 傳統(tǒng)Z源逆變器

圖1為傳統(tǒng)Z源逆變器的電路拓?fù)鋄14]。前級(jí)Z源網(wǎng)絡(luò)由二極管、對(duì)稱相等的電感L1和L2、電容C1和C2構(gòu)成，前級(jí)Z源網(wǎng)絡(luò)與后級(jí)逆變橋共同構(gòu)成傳統(tǒng)Z源逆變器。

根據(jù)傳統(tǒng)Z源逆變器的工作原理，為實(shí)現(xiàn)升降壓變換，有兩種工作狀態(tài)：直通狀態(tài)與非直通狀態(tài)。直通狀態(tài)時(shí)，二極管D關(guān)斷，電感充電，電容放電；非直通狀態(tài)時(shí)，二極管D導(dǎo)通，電感放電，電容充電。直通狀態(tài)與非直通狀態(tài)交替工作，電路穩(wěn)態(tài)時(shí)，由伏秒特性原則，一個(gè)開關(guān)周期電感的平均電壓為零，可得Z源網(wǎng)絡(luò)的直流鏈電壓Ui為：

2 新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器

2.1 電路拓?fù)?/p>

為了實(shí)現(xiàn)高電壓增益，高電壓利用率和低電容電壓應(yīng)力，將傳統(tǒng)Z源逆變器中正負(fù)直流母線端的電感用一升壓?jiǎn)卧?；為了進(jìn)一步提高其調(diào)壓性能和實(shí)現(xiàn)輸入電流連續(xù)，在傳統(tǒng)Z源網(wǎng)絡(luò)中又增加了兩個(gè)電感L1，L2和兩個(gè)電容C1，C2，共同構(gòu)成新型高增益準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)，新型高增益準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)與逆變橋共同構(gòu)成新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

新型高增益準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)中電感L2與L3，電容C2與C3，二極管D2組成直流母線正端升壓?jiǎn)卧浑姼蠰5與L6，電容C5與C6，二極管D4組成直流母線負(fù)端升壓?jiǎn)卧?。由新型高增益?zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性，升壓?jiǎn)卧cZ源網(wǎng)絡(luò)中的電感值和電容值分別對(duì)稱相等，即：

式中：LD，CD為升壓?jiǎn)卧碾姼兄蹬c電容值；LQ，CQ，CZ為Z源網(wǎng)絡(luò)的電感值與電容值。由式（4）與式（5）可知，在電路正常工作條件下，電感與電容的電壓模值同樣滿足式（4）與式（5）的關(guān)系。

2.2 工作原理

新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的工作原理與傳統(tǒng)Z源逆變器相似，同樣分為直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)。具體工作原理如下：

（1） 直通狀態(tài)。逆變器工作在直通狀態(tài)時(shí)的等效電路圖如圖3所示。

直通狀態(tài)時(shí)，二極管D1～D4反相關(guān)斷，逆變器橋臂短路，由基爾霍夫電壓定律得：

[Udc=2ULQ+2UCQUCZ=UCD+ULDUi=0] （6）

（2） 非直通狀態(tài)。逆變器工作在非直通狀態(tài)時(shí)的等效電路如圖4所示。非直通狀態(tài)時(shí)，二極管D1～D4正向?qū)ǎ孀兤髋c負(fù)載可等效為電流源，由基爾霍夫電壓定律得：

[Udc=2ULQ+2UCQ+UiUCQ=UCD+ULDUi=UCZ+ULD+UCDULD=UCD] （7）

根據(jù)伏秒特性原則，一個(gè)開關(guān)周期新型高增益Z源網(wǎng)絡(luò)中電感平均電壓為零，由式（6）、式（7）可得新型高增益Z源網(wǎng)絡(luò)的電容電壓：

[UCZ=1-2D01-5D0Udc] （8）

[UCQ=2D01-5D0Udc] （9）

其中，升壓?jiǎn)卧须娙蓦妷海?/p>

[UCD=D01-5D0Udc] （10）

由式（7）～式（10）可得新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的直流鏈電壓：

[Ui=11-5D0Udc=BUdc] （11）

比較式（1）與式（11），相同占空比時(shí)，新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的升壓因子B遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)Z源逆變器的升壓因子。

2.3 多升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)高增益準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)

為了進(jìn)一步提高新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力，在相同電壓增益下降低電容電壓的應(yīng)力，可將多個(gè)升壓?jiǎn)卧M(jìn)行級(jí)聯(lián)，鏈接方式如圖5所示，構(gòu)成多升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)的新型高增益準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)。

假設(shè)新型高增益準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)直流母線正負(fù)端級(jí)聯(lián)的升壓?jiǎn)卧獢?shù)目為n，各升壓?jiǎn)卧械碾娙蓦妷耗Ｖ稻嗟?，可表示為?/p>

[UCD=D01-（2n+3）D0Udc] （12）

準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的電容電壓為：

[UCQ=（n+1）D01-（2n+3）D0Udc] （13）

[UCZ=1-（n+1）D01-（2n+3）D0Udc] （14）

級(jí)聯(lián)新型高增益準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的直流鏈電壓為：

式中，升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)數(shù)目n越多，升壓因子B越大，新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力越強(qiáng)。

3 升壓能力及電容電壓應(yīng)力分析

3.1 升壓能力分析

由于占空比與調(diào)制比存在制約關(guān)系，為了實(shí)現(xiàn)Z源逆變器最大程度的升降壓變換，減小開關(guān)器件的電壓應(yīng)力及電感電流的脈動(dòng)，常采用恒占空比最大化調(diào)制[15]，即調(diào)制過程中始終保持：

圖6為傳統(tǒng)Z源逆變器與新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力對(duì)比圖。首先，取相同調(diào)制比時(shí)，新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器升壓能力明顯高于傳統(tǒng)型，且隨升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)數(shù)的增加，升壓能力進(jìn)一步增強(qiáng)；其次，當(dāng)需要較高電壓增益時(shí)，由升壓占空比與調(diào)制比存在制約關(guān)系，如式（16）所示，傳統(tǒng)Z源逆變器不得不降低調(diào)制比M，以獲得較大的升壓占空比D，由G=MB，進(jìn)而得到高電壓增益，但同時(shí)也造成了直流鏈電壓大幅升高，開關(guān)器件和電容電壓應(yīng)力增大，直通狀態(tài)的導(dǎo)通損耗增加。而對(duì)于新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器，仍可取較高的調(diào)制比，即在較小的直通占空比下，直流鏈電壓無需過高，就可獲得較高的電壓增益，升壓能力強(qiáng)，電壓利用率更高，開關(guān)器件與電容的電壓應(yīng)力低，且直通狀態(tài)的導(dǎo)通損耗小。并且升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)越多，優(yōu)越性越明顯，很大程度上克服了傳統(tǒng)Z源逆變器的不足。

3.2 電容電壓應(yīng)力分析

在相同電壓增益時(shí)，傳統(tǒng)Z源逆變器的電容電壓可表示為：

[UC=3G2] （17）

新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的電容電壓可表示為：

[UCQ=（n+1）（23-G）23-（2n+3）G-（2n+3）（23-G）Udc] （18）

[UCZ=23-（2n+3）G-（n+1）（23-G）23-（2n+3）G-（2n+1）（23-G）Udc] （19）

其中，升壓?jiǎn)卧碾娙蓦妷嚎杀硎緸椋?/p>

[UCD=23-G23-（2n+3）G-（2n+1）（23-G）Udc] （20）

Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓與直流輸入電壓比和電壓增益的關(guān)系曲線如圖7所示。在電壓增益相同時(shí)，新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的Z源網(wǎng)絡(luò)上的電容電壓UCZ，UCQ和升壓?jiǎn)卧碾娙蓦妷篣CD均小于傳統(tǒng)型Z源逆變器的Z源網(wǎng)絡(luò)上電容電壓UC。取相同電壓增益，隨升壓?jiǎn)卧獢?shù)n的增加，UCZ與UCD也更小，而UCQ保持不變。整體上，新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的所有的電容電壓應(yīng)力均更低，更加可靠。

4 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證所提新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性，在Matlab中建立新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器與傳統(tǒng)Z源逆變器仿真模型。新型準(zhǔn)Z源逆變器仿真參數(shù)：直流出入電壓Udc=200 V，升壓?jiǎn)卧獢?shù)n=1，新型高增益準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的電容C1=C4=C7=C8=500 μF，電感L=2 mH；升壓?jiǎn)卧械碾娙軨2=C3=C5=C6=500 μF，電感L=2 mH，開關(guān)頻率取f=4 kHz。傳統(tǒng)Z源逆變器仿真參數(shù)：Z源網(wǎng)絡(luò)的電感L=2 mH，電容C=500 μF，其他參數(shù)兩者均相同。仿真結(jié)果如圖8～圖14所示。

采用恒占空比最大化調(diào)制，設(shè)直通占空比D0=0.15，則M=0.981。由式（1）得出傳統(tǒng)Z源逆變器的升壓因子B=1.429；由式（11）得出新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的升壓因子B=4。圖8為傳統(tǒng)Z源逆變器直流鏈電壓，最大值約280 V（理論值[200×1.429=285 V]）；圖10為新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器直流鏈電壓，最大值約800 V（理論值[200×4=800 V]），升壓能力較強(qiáng)。圖9為傳統(tǒng)Z源逆變器輸出相電壓，其最大值U0約為140 V（理論值[285÷2×0.981=139 V]）；圖11為新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器輸出相電壓，其最大值U0約為390 V（理論值[800÷2×0.981=392 V]），可見新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力更強(qiáng)。

圖12與圖13為取相同電壓增益G=3時(shí)，傳統(tǒng)Z源逆變器與新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器輸出相電壓，最大值U0都約為300 V（理論值[200÷2×3=300 V）]。

圖14為電容電壓對(duì)比圖，傳統(tǒng)Z源逆變器的電容電壓明顯大于新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的電容電壓。當(dāng)G相同時(shí)，由式（1），式（3），式（11），式（16）得傳統(tǒng)Z源逆變器的占空比D0=0.381，新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的占空比D0=0.134，所以新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器的直通狀態(tài)時(shí)間短，因此，直通狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)通損耗更小。

5 結(jié) 論

本文提出的新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)?，利用升壓?jiǎn)卧?，顯著提高了升壓能力，拓寬了調(diào)壓范圍，實(shí)現(xiàn)了輸入電流連續(xù)。該新型拓?fù)湓谳^高的電壓增益條件下，依然可以獲得較高的調(diào)制比，因此直流鏈電壓利用率高，同時(shí)可有效降低Z源網(wǎng)絡(luò)電容的電壓應(yīng)力，更加可靠，很好地解決了傳統(tǒng)Z源逆變器的不足。而且采用升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)，可以獲得更高的電壓增益和更小的電容電壓應(yīng)力，優(yōu)越性更加明顯。在相同電壓增益時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)Z源逆變器直通占空比更小，導(dǎo)通損耗降低。因此，所提出的新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器在直流電壓輸入較低，波動(dòng)較大或轉(zhuǎn)換效率要求較高的場(chǎng)合，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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