陳 曉,蘇宏升

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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一種新型Z源逆變器

陳 曉,蘇宏升

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為了提高逆變器直流側(cè)輸出電壓，提出了一種新型Z源逆變器。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將Z源網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)電感用開關(guān)電感代替，并且將兩個(gè)開關(guān)電感型準(zhǔn)Z源逆變器并聯(lián)構(gòu)成升壓模塊。討論了該電路的工作原理，并用MATLAB軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在較短的直通時(shí)間內(nèi)升壓能力更強(qiáng)，有效地減小了Z源網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)電容的電壓應(yīng)力，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的目的。

新型Z源逆變器；拓?fù)?；升壓能力；電容電壓?yīng)力

0 引言

在風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于外界環(huán)境等因素的影響，直流輸入電壓也在大范圍內(nèi)變化，給逆變帶來一定的困難，因此，需要輸入電壓可在大范圍內(nèi)變化的新型Z源逆變器。Z源逆變器與傳統(tǒng)的電壓源逆變器相比，可利用其上下橋臂的直通實(shí)現(xiàn)升壓功能，避免了傳統(tǒng)逆變器中上下臂直通的死區(qū)問題，廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電和燃料電池等直流電壓波動(dòng)比較大的場合[1-3]。但傳統(tǒng)Z源逆變器仍存在升壓能力有限、輸入電流斷續(xù)、電容電壓應(yīng)力大和啟動(dòng)沖擊大等問題。文獻(xiàn)[4]提出了一種開關(guān)電感型Z源逆變器，利用開關(guān)電感代替Z源網(wǎng)絡(luò)中的電感，提高了逆變器的升壓能力，但仍存在電容電壓應(yīng)力大的問題。文獻(xiàn)[5]在傳統(tǒng)Z源網(wǎng)絡(luò)中串接開關(guān)電容，直流側(cè)電壓利用率得到提高，但電容電壓應(yīng)力較大。文獻(xiàn)[6]提出改進(jìn)型Z源逆變器，將Z源網(wǎng)絡(luò)與逆變器的位置進(jìn)行調(diào)換，有效地抑制了逆變器啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓也有所減小，但升壓能力并沒有提高。文獻(xiàn)[7]將準(zhǔn)Z源逆變器與Z源逆變器進(jìn)行串聯(lián)，減少了電容電壓應(yīng)力，并且使輸入電流連續(xù)，但升壓因子并沒有提高。文獻(xiàn)[8]采用耦合電感代替開關(guān)電感，減少了元器件個(gè)數(shù)，但變壓器的漏感會對輸出波形產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[9]采用級聯(lián)的方式提高直流側(cè)的升壓能力，雖然升壓能力得到提高，但過多的開關(guān)電感組數(shù)增加了電路的復(fù)雜程度。

針對以上問題，本文提出了一種新型Z源逆變器，用開關(guān)電感代替?zhèn)鹘y(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器中的一個(gè)電感，形成開關(guān)電感型準(zhǔn)Z源逆變器，再將兩個(gè)開關(guān)電感型準(zhǔn)Z源逆變器并聯(lián)。相比于準(zhǔn)Z源逆變器，該新型Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：相同的直通占空比時(shí)升壓因子較大，從而具有更高的升壓能力；逆變器的并聯(lián)分壓減少了一個(gè)電容的電壓應(yīng)力。

1 傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器

圖1 傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器

圖1為傳統(tǒng)的準(zhǔn)Z源逆變器，阻抗網(wǎng)絡(luò)由電感L1、L2和電容C1、C2構(gòu)成。在傳統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)中多了1個(gè)開關(guān)零矢量狀態(tài)，使上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，從而達(dá)到升壓的目的。

由文獻(xiàn)[10]可知，直流鏈電壓UPN為：

(1)

電容電壓為：

(2)其中：UC1為電容C1兩端電壓；UC2為電容C2兩端電壓；D為直通占空比；Uin為輸入直流電壓；B為升壓因子。

由式(1)可知：若直流側(cè)電壓較低時(shí)，需直通占空比D無限制接近0.5，提高升壓因子B來獲得較高的母線電壓，而電容電壓應(yīng)力也會隨之增加。由增益能力G=MB可知：調(diào)制系數(shù)M與升壓因子B有關(guān)，因此直通占空比D不可無限制增大，低值的調(diào)制系數(shù)M會增加輸出的諧波失真，降低交流輸出性能。

2 新型Z源逆變器

2.1 工作原理

圖2 新型Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2為新型Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將兩個(gè)開關(guān)電感型準(zhǔn)Z源并聯(lián)。為簡化分析，假定所有的元器件均在理想狀態(tài)下，并且L1=L2=L3=L4=L5=L6=L，C1=C2=C3=C4。

由對稱性知：UC1=UC3，UC2=UC4，UL1=UL6，UL2=UL3=UL4=UL5。

逆變器的工作狀態(tài)分為直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)，圖3為直通狀態(tài)等效電路圖。二極管D1、D2、D6和D8斷開，D3、D4、D5和D7導(dǎo)通，電感L2、L3、L4和L5并聯(lián)儲存能量，電容釋放能量，可得此狀態(tài)下的方程為：

(3)

由電路的對稱性可得到：

(4)

其中：UC3、UC4分別為電容C3、C4的電壓；UL1、UL2、UL3和UL6分別為電感L1、L2、L3和L6兩端的電壓。

非直通狀態(tài)下等效電路如圖4所示，二極管D1、D2、D6和D8導(dǎo)通，D3、D4、D5和D7斷開，電感L2、L3、L4和L5串聯(lián)，電容儲存能量，可得此狀態(tài)下的方程為：

(5)

其中：UPN為直流鏈電壓。

圖3 直通狀態(tài)等效電路圖圖4 非直通狀態(tài)等效電路圖

由電路的對稱性可得到：

(6)

由伏秒平衡定理可知，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感兩端的平均電流為0，直通時(shí)間為DT，非直通時(shí)間為(1-D)T，可得到：

(7)

由式(7)得：

(8)

直流鏈電壓UPN可表示為：

(9)

當(dāng)直通占空比D≤0.24時(shí)，升壓因子B≥1，可實(shí)現(xiàn)升壓功能。

圖5 兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Z源逆變器的升壓能力比較

圖5為傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器與新型Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的升壓能力比較。由圖5可知：當(dāng)直通占空比D>0.1時(shí)，新型Z源逆變器升壓能力顯著增強(qiáng)，更適用于光伏、燃料電池等輸入電壓波動(dòng)大的場合。

2.2 增益能力分析

逆變器的增益能力G由升壓因子B與調(diào)制系數(shù)M共同決定，定義為：

(10)

本文采用最大恒定升壓的空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略[11]，其直通占空比D可表示為：

(11)

由式(9)和式(11)可得出新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Z源逆變器的增益能力G與調(diào)制系數(shù)M的關(guān)系為：

(12)

圖6為兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Z源逆變器增益能力G與調(diào)制系數(shù)M的關(guān)系曲線。由圖6可知：與傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器相比，新型Z源逆變器的電壓增益更強(qiáng)。當(dāng)電壓增益一定時(shí)，新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Z源逆變器可以有較高的調(diào)制系數(shù)，從而改變輸出電壓質(zhì)量，降低功率管的開關(guān)應(yīng)力。

2.3Z源網(wǎng)絡(luò)的電容電壓應(yīng)力

若升壓因子B相同，假定新型Z源逆變器的直通占空比為D1，傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的直通占空比為D，由式(1)和式(9)可得：

(13)

圖6 兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Z源逆變器的G-M曲線

將式(13)代入式(2)得出與新型Z源逆變器升壓能力相同時(shí)，傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的電容電壓應(yīng)力為：

(14)

3 仿真結(jié)果分析

對上述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Z源逆變器的理論分析在MATLAB軟件中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)置直流電源為50 V，直通占空比D為0.2，升壓因子B為1.6，傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器輸出直流鏈電壓為80 V。若直通占空比D相同，則新型Z源逆變器輸出直流鏈電壓為312 V。逆變器輸出直流鏈電壓波形如圖7所示。由圖7可知：直通占空比D相同時(shí)，新型Z源逆變器的升壓能力更強(qiáng)，與理論分析一致。

圖7 兩種逆變器輸出直流鏈電壓波形圖

圖8 兩種逆變器電容電壓應(yīng)力波形圖

當(dāng)升壓因子B相同，即輸出直流電壓均為80 V 時(shí)，兩種逆變器電容電壓應(yīng)力波形如圖8所示。由圖8可知：傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器電容C2電壓為21 V，新型Z源逆變器電容C2電壓為16 V。可見，在相同升壓因子B下，新型Z源逆變器減少了一個(gè)電容的電壓應(yīng)力，與理論分析一致。

4 結(jié)束語

本文提出一種新型Z源逆變器，并對其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過MATLAB軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。相比于傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器，該新型Z源逆變器具有升壓能力強(qiáng)、電容電壓應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)。輸出電壓相同時(shí)，新型Z源逆變器具有更高的調(diào)制度，減小了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。因此，新型Z源逆變器更加適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)等輸入電壓有波動(dòng)的場合，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。新型Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然在升壓能力方面做了改進(jìn)，但是不可一味增加升壓比，如何平衡直通占空比D與調(diào)制系數(shù)M的限制關(guān)系，有待于進(jìn)一步研究。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61263004)；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1212RJZA071)

陳曉(1989-)，女，甘肅白銀人，碩士生；蘇宏升(1969-)，男，甘肅靖遠(yuǎn)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)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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