房緒鵬，林 強(qiáng)，王曉麗，李鳳釗

（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，青島 266590）

逆變器廣泛應(yīng)用于分布式電力系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的電流源、電壓源逆變器是DCAC 功率變換的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)電壓源逆變器只具有降壓功能，因此必須利用額外的DC-DC 變換器來進(jìn)行升壓，電路元件增多、控制方式復(fù)雜、成本增加[1-2]。針對(duì)傳統(tǒng)電壓源逆變器的先天缺陷，彭方正教授提出了Z 源逆變器ZSI（Z-source inverter）[3]。與傳統(tǒng)逆變器相比，Z 源逆變器可以消除開關(guān)管死區(qū)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)單級(jí)升、降壓變換，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)電壓源逆變器的不足，但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，例如器件應(yīng)力大和輸入電流不連續(xù)等。文獻(xiàn)[4]提出的準(zhǔn)Z 源逆變器具有傳統(tǒng)Z 源逆變器的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，不僅降低了電容器的電壓應(yīng)力，還使輸入電流連續(xù)，但是在升壓能力方面并沒有得到改善。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)Z 源拓?fù)渥隽艘幌盗懈倪M(jìn)。文獻(xiàn)[5-6]提出了一系列含有耦合電感的Z源逆變器拓?fù)?，這類拓?fù)湓谠凶杩乖淳W(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上加入耦合電感，逆變器變得更加靈活，但是耦合電感的漏感不可避免，開關(guān)兩端容易產(chǎn)生尖峰電壓，導(dǎo)致電路器件損壞；文獻(xiàn)[7-10]用開關(guān)電感結(jié)構(gòu)或者開關(guān)電容結(jié)構(gòu)等替換電感電容元件，利用多個(gè)L、C 進(jìn)行吸收和釋放能量，大大提高了升壓能力，同時(shí)減小了輸出電壓的諧波含量；文獻(xiàn)[11]將兩個(gè)準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，儲(chǔ)能元件增多，電壓增益提高；文獻(xiàn)[12]將輸入電源嵌入電路，保證輸入電流連續(xù)的同時(shí)降低了電容的額定值；文獻(xiàn)[13]提出了變換器電源放置的一般規(guī)律，對(duì)電源放置在不同位置時(shí)的變換器性能進(jìn)行了對(duì)比和分析。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新型電源嵌入式Z 源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱新型Z 源逆變器）。這種結(jié)構(gòu)具有出色的升壓能力，而且開關(guān)應(yīng)力和電容電壓應(yīng)力有所減小，此外還具有一定的電源容錯(cuò)能力，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 新型Z 源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 為本文提出的新型Z 源逆變器電路原理。新拓?fù)浔Ａ袅薢 源逆變器上下對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，直流電源嵌入阻抗網(wǎng)絡(luò)中，極性與電容器C1的極性一致，電感L1在起到限制啟動(dòng)沖擊電流作用的同時(shí)還可以起到濾波的作用。

圖1 新型Z 源逆變器Fig.1 Novel power supply embedded Z-source inverter

新型Z 源逆變器正常運(yùn)行時(shí)包含兩個(gè)工作狀態(tài)：直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)，其等效電路如圖2 所示。直通狀態(tài)時(shí)，負(fù)載端短路，逆變橋可用導(dǎo)線代替，此時(shí)二極管D1、D2、D3反向截止，D4、D5正向?qū)?，電容C1、C3和電源V1向電感L1、L2充電，電容C2、C4和電源V2向電感L3、L4充電；非直通狀態(tài)時(shí)，逆變橋和交流負(fù)載等效為理想電流源，此時(shí)二極管D1、D2、D3正向?qū)?，D4、D5反向截止，直流電源V1、V2以及L1、L2、L3、L4向C1、C2、C3、C4以及負(fù)載供電。

圖2 電源正常工作時(shí)的等效電路Fig.2 Equivalent circuit in the normal working state of power supply

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有器件均為理想器件且有L1=L2=L3=L4、C1=C2=C3=C4、V1=V2=Vin，其中Vin為直流電源，則直通狀態(tài)下有

非直通狀態(tài)下有

設(shè)開關(guān)周期為T，直通時(shí)間為T1，直通占空比為d，則直通時(shí)間T1=dT，非直通時(shí)間T-T1=（1-d）T。根據(jù)電感伏秒平衡原理可得

化簡(jiǎn)式（3）可得

將式（4）代入式（2）可得直流母線電壓Vdc與直流電源Vin之間的關(guān)系為

三相輸出電壓峰值為

式中：M 為調(diào)制因子；G 為電壓增益。

2 新型Z 源逆變器特殊工作狀況分析

新型Z 源逆變器具有兩個(gè)直流電源，當(dāng)某個(gè)直流電源發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以在低升壓比下作暫時(shí)運(yùn)行。以電源V2發(fā)生開路為例，此時(shí)等效電路如圖3 所示。逆變器仍然具有直通和非直通兩種工作狀態(tài)，L4和C4不具有充、放電環(huán)節(jié)，只有L3進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，而未發(fā)生故障的電源V1所在部分的工作狀態(tài)與電路正常運(yùn)行時(shí)一致?？梢缘玫诫娙蓦妷号c直流電源之間的關(guān)系為

圖3 電源V2 開路時(shí)的等效電路Fig.3 Equivalent circuit in the case of open-circuit in power source V2

此時(shí)，直流母線電壓Vdc為

以電源V2發(fā)生短路為例，此時(shí)等效電路如圖4所示。

圖4 電源V2 短路時(shí)等效電路Fig.4 Equivalent circuit in the case of short-circuit in power source V2

逆變器依然具有直通和非直通兩種工作狀態(tài)，工作過程與正常情況下類似，可以得到

直流母線電壓Vdc與直流電源Vin之間的關(guān)系為

除了電源短路和開路兩種情況，在實(shí)際中會(huì)存在兩個(gè)電源V1和V2的電壓大小不同的情況，但其工作情況與正常時(shí)完全一樣。根據(jù)前文分析，直流母線電壓Vdc與直流電源V1、V2之間的關(guān)系可表示為

由式（11）可以看出，當(dāng)V1=V2=Vin時(shí)，結(jié)果與式（6）相同；當(dāng)V1、V2其中一個(gè)為0 時(shí)，即為單電源短路運(yùn)行方式，則與式（10）相同。

傳統(tǒng)Z 源逆變器與本文所提新型Z 源逆變器在正常和異常情況下的升壓因子B 與直通占空比d 的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 不同拓?fù)湎律龎耗芰?duì)比Fig.5 Comparison of boosting capacity among different topologies

可以看出，在相同的直通占空比下，新型Z 源逆變器的升壓能力比傳統(tǒng)Z 源逆變器有所提高，在電路正常工作時(shí)，升壓能力約為傳統(tǒng)Z 源逆變器的2 倍。由文獻(xiàn)[14]可知，直通占空比增加的同時(shí)會(huì)減小逆變器的調(diào)制范圍，調(diào)制因子過低時(shí)還會(huì)引入高次諧波，降低輸出電能的質(zhì)量，因此直通占空比不可能一直增加。新型Z 源逆變器能夠在低直通占空比下獲得更大的升壓能力，較小的直通占空比能夠使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，適用于光伏和燃料電池等輸出電壓低的新能源電源場(chǎng)合[15]。

3 新型Z 源逆變器的應(yīng)力比較

Z 源逆變器常用的調(diào)制策略包括簡(jiǎn)單升壓控制、最大升壓控制、三次諧波注入法以及直通分段SVPWM 控制[16-19]。簡(jiǎn)單升壓控制策略在傳統(tǒng)SPWM策略的基礎(chǔ)上，將直通零矢量注入到傳統(tǒng)三角載波正負(fù)頂點(diǎn)中，直通零矢量均勻地分布在各橋臂中。Vp和Vn是兩個(gè)恒定的電壓量，通過調(diào)節(jié)這兩個(gè)恒定電壓的大小來控制注入的直通零矢量的大小。在此控制方式下，直通零矢量代替部分傳統(tǒng)零矢量，且注入的直通零矢量位置固定、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。采用簡(jiǎn)單升壓控制策略時(shí)，可用的最大直通占空比為1-M，則電壓增益G 與調(diào)制因子M 的關(guān)系為

將式（12）代入式（4）和式（5）中得

式中，VS為功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力。

同理可得傳統(tǒng)Z 源逆變器用電壓增益表達(dá)的電容電壓與直流電源的關(guān)系和直流母線電壓與直流電源的關(guān)系，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系比較如表1所示。

表1 電壓應(yīng)力比較Tab.1 Comparison of voltage stress

根據(jù)表1 繪制新型Z 源逆變器和傳統(tǒng)Z 源逆變器電容C1、C2的電壓應(yīng)力以及開關(guān)管的電壓應(yīng)力曲線。由圖6 可以看出，在控制方式以及電壓增益相同的情況下，新型Z 源逆變器的C1、C2的電壓應(yīng)力以及功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力均顯著低于傳統(tǒng)Z 源逆變器，逆變器的性能得到了優(yōu)化。

圖6 不同拓?fù)湎码娙輵?yīng)力和開關(guān)管應(yīng)力比較Fig.6 Comparison of voltage stress in capacitors and switch among different topologies

4 仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證對(duì)新型Z 源逆變器理論分析的正確性，利用Matlab/Simulink 搭建仿真模型，在仿真的基礎(chǔ)上，搭建實(shí)驗(yàn)電路。控制方式采用簡(jiǎn)單升壓調(diào)制策略，由型號(hào)為TMS320F28335 的DSP 芯片輸出控制信號(hào)，取電感電流紋波系數(shù)為0.3，電容電壓紋波系數(shù)為0.004，各元件參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真及實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Simulation and experimental parameters

給定直通占空比d=0.2，調(diào)制因子M=0.7?；谇拔姆治隹芍孀兤髟谡l件下運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓為274.3 V，三相相電壓的峰值為96 V，電容C1和C2的電壓應(yīng)力為137.0 V，電容C3和C4的電壓應(yīng)力為34.3 V；在電源V2開路情況下運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓為87.3 V，三相相電壓的峰值為30.5 V，電容C1、C2和C3的電壓應(yīng)力分別為17.5、65.5 和4.4 V；在電源V2短路情況下運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓為137.1 V，三相相電壓的峰值為48 V，電容C1、C2、C3和C4的電壓應(yīng)力分別為49.4、87.8、12.3 和21.9 V，仿真波形如圖7 所示?？梢钥闯?，仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)基本相同，電感L2和L4電流連續(xù)，誤差在允許范圍內(nèi)，證明了理論分析的正確性。

圖7 新型Z 源逆變器仿真Fig.7 Simulation of novel Z-source inverter

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)采用仿真參數(shù)，利用示波器記錄主要實(shí)驗(yàn)波形，利用串聯(lián)小電阻的方式測(cè)量輸入電流。需要說明的是，電源短路在實(shí)際中是一種很嚴(yán)重的事故，會(huì)造成前級(jí)保護(hù)電路跳閘，因此沒有對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，僅對(duì)單電源開路情況進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖8 和圖9 分別為直流母線電壓和電感L2、L4的電流波形，從圖中可以看出，在直通占空比d=0.2 時(shí)，新型Z 源逆變器在正常和電源V2開路運(yùn)行情況下的直流母線電壓分別為Vdc1=255 V、Vdc2=80 V，電感電流分別為5 A 和2 A 且連續(xù)，與理論值誤差在允許范圍內(nèi)。

圖8 直流母線電壓波形Fig.8 Waveforms of DC-link voltage

圖9 輸入電感電流波形Fig.9 Waveforms of input inductor current

圖10 為a 相輸出電壓波形，可以看出，在直通占空比d=0.2 時(shí)，新型Z 源逆變器在正常和電源V2開路運(yùn)行情況下的a 相輸出電壓分別為ua1=92 V、ua2=25 V，與理論分析的結(jié)果基本一致，誤差在允許范圍內(nèi)。

圖10 a 相輸出電壓波形Fig.10 Waveforms of phase-a output voltage

圖11 為輸出相電壓為96 V 時(shí)，新型Z 源逆變器的電容電壓波形。為了保證兩種情況下逆變器輸出相電壓相同，需要改變調(diào)制系數(shù)。由式（9）和式（10）可知，在電源V2開路時(shí)，令d=0.32 可使輸出電壓與正常工作情況下的輸出電壓相等?？梢钥闯?，在輸出電壓相同的情況下，新型Z 源逆變器正常工作時(shí)，電容C1和C2的電壓為132 V，C3和C4的電壓為31 V；電源V2開路時(shí)，電容C1、C2和C3的電壓分別為70、151 和29 V，與理論結(jié)果一致。

圖11 電容電壓波形Fig.11 Waveforms of capacitor voltage

5 結(jié)語

本文提出了一種新型電源嵌入式Z 源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了該電路結(jié)構(gòu)的工作原理及其性能參數(shù)，并與其他Z 源逆變器進(jìn)行了比較。在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型仿真并搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該逆變器不僅在低占空比下?lián)碛辛己玫纳龎耗芰Γ译p電源的加入使得系統(tǒng)的可靠性有所增強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電場(chǎng)合。