Z 源逆變器的的研究

李 洋 周振宇 馬少杰

（石家莊鐵道大學 河北石家莊 050043）

1 引 言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，Z 源逆變器的應用范圍也在迅速擴大。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和科學理論的進步，逆變器結(jié)構(gòu)和效用也在進一步變化。傳統(tǒng)的逆變器主要是升壓型或降壓型的逆變器，會受到光伏陣列輸出電壓波動的影響，需要串聯(lián)一個DC/DC 變流器，系統(tǒng)的復雜性和成本因此而增加[1]，效率也隨之降低。而對傳統(tǒng)的逆變器的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，改進出了具有Z 源網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的Z 源逆變器。Z 源逆變器不同于傳統(tǒng)的逆變器，它不需要加入DC/DC 環(huán)節(jié)就可以實現(xiàn)升降壓功能，克服了傳統(tǒng)逆變器的缺點，擴大了逆變器的應用范圍，因此對Z 源逆變器的研究具有重要意義。

2 傳統(tǒng)逆變器

傳統(tǒng)的逆變器主要分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器，但無論是電壓源型逆變器還是電流源型逆變器都存在一定的自身缺陷，導致逆變器的應用場合被限制，應用場合比較單一。

電壓源型逆變器的直流側(cè)要求為恒定電壓源或并聯(lián)大電容，電壓源型逆變器存在以下的缺點和不足:1 交流側(cè)電壓必須低于直流母線電壓，常需要利用升壓裝置提高輸出電壓的幅值；2 當逆變器在工作狀態(tài)時，交流側(cè)負載要求為電感性；3 同一橋臂上的開關(guān)器件嚴禁同時導通，否則會導致器件發(fā)生短路危險，同時在有電磁干擾的環(huán)境下也會造成器件的短路，電路的安全性和可靠性受到嚴重的威脅。

電流源型逆變器直流輸入側(cè)需要串聯(lián)大電感，相當于一個恒定電流源，輸入端呈高阻抗。在電路結(jié)構(gòu)上和電壓源型逆變器是對偶的，因此電流源型逆變器也存在和電壓源型逆變器相似的缺陷：1 交流側(cè)輸出電壓高于直流母線電壓，常需要加入降壓裝置降低輸出電壓的幅值；2 當逆變器處在工作時，交流輸出側(cè)的負載被限制為電容性負載；3 每一橋臂的開關(guān)器件必需同時導通，否則會造成開路，對電路的穩(wěn)定性有嚴重威脅。

通過上述對傳統(tǒng)逆變器的分析，不管是電壓源型逆變器還是電流源型逆變器都存在相當?shù)牟蛔愫腿毕?。而Z 源逆變器可以通過自身獨特的Z 源網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)來克服傳統(tǒng)逆變器存在的上述的缺陷。

3 Z 源逆變器[2-4]

Z 源逆變器引入了新型的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)——Z 源網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，把逆變器的主電路和電源或者是負載耦合，利用Z 源網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，通過加入直通狀態(tài)使逆變器具有了異于傳統(tǒng)逆變器的升降壓特性。

Z 源逆變器的直流側(cè)電源既可以是電壓源，也可以是電流源；同時它的負載可以是各種電感性或電容性負載。其Z 源網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是主要由兩個電感和兩個電容組成的X 型二端口網(wǎng)絡，正是因為這種特殊的Z 源結(jié)構(gòu)決定了它可以承受瞬時開路和瞬時短路，這為逆變器提供了可以升降壓的條件。

3.1Z 源逆變器的工作原理

Z 源逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。假設電感L1、L2 相等，電容C1、C2 也相等，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)顯然對稱。Z 源逆變器比傳統(tǒng)逆變器多了一組直通零矢量狀態(tài)，根據(jù)逆變橋同一橋臂上下開關(guān)管是否同時導通的條件，設在一個開關(guān)周期T 內(nèi)，直通狀態(tài)即是上下開關(guān)管同時導通的情況所占時間為T0，其他情況即是非直通狀態(tài)所占時間為T1，顯然T=T1+T0。

圖1 單相Z 源逆變器

3.1.1 直通狀態(tài)

在直通工作狀態(tài)下，通過電路結(jié)構(gòu)的分析可知，兩電容電壓之和大于電源電壓，二極管截止。電感給電容充電儲能。圖2 為直通狀態(tài)下的等效電路圖，此時逆變橋同一橋臂上下開關(guān)管短路，可得：

3.1.2 非直通狀態(tài)

當逆變器工作在非直通狀態(tài)下時，逆變橋就等效成了一個電流源。此時，通過對電路圖的結(jié)構(gòu)分析可知：

在一個開關(guān)周期T 中,根據(jù)伏秒平衡原理,穩(wěn)態(tài)時電感兩端的平均電壓為0,可得：

為直通占空比。

由此可以得出逆變橋的平均直流母線電壓 為：

圖2 當逆變橋處于直通零電壓狀態(tài)時Z 源逆變器的等效電路

加在逆變橋直流母線電壓的峰值電壓 為：

式（6）中，B 為逆變器工作在直通零電壓狀態(tài)下的升壓因子

則逆變器的輸出相電壓的基波幅值和直流母線電壓的關(guān)系為：

通過式（9）易知，調(diào)節(jié) 和B 的大小就可以改變逆變器輸出電壓的大小。

3.2 逆變器的調(diào)制策略[5-7]

離網(wǎng)型逆變器在實際應用中的作用是可以提供穩(wěn)定高質(zhì)量的電能給它的負載，為了能夠同時兼顧電能的高質(zhì)量和系統(tǒng)的工作性能，選擇電感電流內(nèi)環(huán)—交流電壓外環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)。

3.2.1 電流內(nèi)環(huán)控制

設電感電流為 ,結(jié)合圖1 的電路結(jié)構(gòu)圖可以得出交流側(cè)電流表達式為：

結(jié)合上述當開關(guān)頻率足夠高，系統(tǒng)網(wǎng)絡工作穩(wěn)定時，非直通狀態(tài)下直流母線電壓峰值恒為，此時交流側(cè)的電流受調(diào)制因子控制，電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示：

圖3 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

輸出電壓對電感電流的影響可以通過引入前饋控制來消除，設傳遞函數(shù)為：

結(jié)合系統(tǒng)的控制框圖得到電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

3.2.2 電壓外環(huán)控制 易知電流內(nèi)環(huán)的頻帶大于電壓外環(huán)，將電流內(nèi)環(huán)簡易的看成是外環(huán)通道上的增益環(huán)節(jié)，結(jié)合圖1：

電壓外環(huán)控制的系統(tǒng)框圖如圖4 所示：

圖4 電壓外環(huán)控制框圖

比例—積分（PI）調(diào)節(jié)器可以做到無差跟蹤，并且系統(tǒng)的魯棒性優(yōu)良：

電壓外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

4 仿真驗真

在MATLAB/Simulink 軟件上進行實驗仿真，驗證Z 源逆變器是否具有上述理論分析中的升降壓功能。在MATLAB/Simulink 軟件上搭建系統(tǒng)的并網(wǎng)仿真模型，通過簡單的升降壓調(diào)制策略，逆變器的直流輸入電壓設置為V0=100V，直通占空比d=0.25，升壓因子B=2，定義調(diào)制因子m=0.55,通過公式計算后得，理論上交流輸出電壓V，電容電壓V,直流母線電壓V。

實驗仿真顯示Z 源逆變器的電容電壓、直流母線電壓以及交流輸出電壓都是符合理論分析的結(jié)果。因此，Z 源逆變器可以通過自身特殊的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輸出電壓的升高或是降低。同時仿真的結(jié)果也表明了在輸入電壓發(fā)生突變和突然加入負載的情況下，系統(tǒng)的輸出電壓基本保持穩(wěn)定不變，本文提出的對逆變器的控制策略是有效的，可以應用實際應用中。

綜上所述，Z 源逆變器可以允許逆變器承受瞬時的短路，從而使輸出電壓可根據(jù)輸出電壓的要求進行升高或降低，并且無需加入死區(qū)時間，避免了輸出波形的畸變和調(diào)制度的下降，同時Z 源逆變器的電路結(jié)構(gòu)是一個單級電路，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率相比較于傳統(tǒng)逆變器提高了，逆變器成本也降低了。

5 結(jié) 論

本文詳細分析了Z 源逆變器的工作原理，提出了一種對Z 源逆變器輸出電壓進行控制控制策略，說明了Z 源逆變器可以克服傳統(tǒng)逆變器的缺陷，并且Z 源逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)簡單，成本低，效率高，在實際應用中運用范圍廣，實用性強。