0 引 言

　　太陽能在我國低碳化產(chǎn)業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，因而太陽能中所用的逆變器" title="逆變器">逆變器無疑是研究的熱點。

　　常規(guī)的電壓源型逆變器同一橋臂的上下兩個功率管如果同時導(dǎo)通會發(fā)生短路現(xiàn)象，從而損壞功率管，因此需要加入死區(qū)時間，而死區(qū)時間會導(dǎo)致輸出波形的畸變。

　　同時電壓源型逆變器輸出電壓低于直流輸入電壓，在輸入電壓較低或者輸入電壓變化幅度比較大的場合，需要在前一級加入升壓電路。而電流源型逆變器則是逆變器輸出電壓高于直流輸入電壓。因此浙江大學(xué)彭方正教授提出的Z源逆變器能夠有效地解決這些不足。一般用的比較多的是電壓源型逆變器，下面將主要討論電壓源型逆變器。

　　電壓源型Z源逆變器同樣有一些缺點，比如在升壓模式下，輸入電流不連續(xù)和電容承受電壓過大，因而要求電容的最大承受電壓能力大，從而增加成本。本文針對傳統(tǒng)Z源逆變器的這些缺點，提出了改進型Z源的拓撲結(jié)構(gòu)，并分析了穩(wěn)定狀態(tài)的工作原理以及其控制策略，闡述了其對于電容上電壓耐壓值降低的原因，同時分析了其開關(guān)管與傳統(tǒng)Z源在電壓電流應(yīng)力上面的改進。

　　1 電路工作原理

　　1.1穩(wěn)態(tài)工作原理

　　與傳統(tǒng)Z源逆變器一樣，改進型Z源逆變器也是通過逆變器橋臂的直通狀態(tài)來達到升壓目的，如圖1所示。逆變器處于6種有效矢量狀態(tài)即非直通狀態(tài)時，工作狀態(tài)如圖2（a）所示。而當(dāng)逆變器處于直通狀態(tài)時，工作狀態(tài)如圖2（b）所示。

圖1　改進型Z源拓撲電路

（a）　非直通狀態(tài)

(b)　直通狀態(tài)

圖2　改進型Z源逆變器工作狀態(tài)

　　圖2中，兩個電感和電容的取值相等，直通占空比為D0.非直通狀態(tài)時：

　　直通狀態(tài)時：

　　由于穩(wěn)態(tài)時電感上的平均電壓為零，所以：

　　因此：

　　逆變器直流端的峰值電壓為：

　　式中，B 為直通狀態(tài)得到的升壓因子。

　　系統(tǒng)功率為P,則：

　　1.2 改進Z源" title="改進Z源">改進Z源對于電容耐壓值減少的影響

　　在傳統(tǒng)Z源中，電容與電感在直通和非直通狀態(tài)下都是在工作的，所以電感電流無疑很大，且電容電壓由于對稱性而相同；而改進Z源中，在非直通狀態(tài)電容基本不工作，而且C2上由于其支路部分與電源直接相連，所以分擔(dān)了大部分的電壓，故而電容C2上電壓極大地減少了，從而對器件的耐壓等要求有很大降低，這些優(yōu)點在工業(yè)應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用，同時可以間接通過采樣其中一個電容的大小來控制電路的直通占空比，從而控制直流鏈最大電壓。

　　2 調(diào)制策略與參數(shù)選擇

　　2.1 調(diào)制策略逆變器輸出的交流電壓

　　調(diào)制策略逆變器輸出的交流電壓如下：

　　式中，M 為調(diào)制因子。簡單升壓模式是加入一正一負大小相等的兩個不變的電壓Up和UN,則定義電壓增益為，同樣則加在逆變器開關(guān)管上的電壓應(yīng)力為：

　　假設(shè)載波幅值大小為1,調(diào)制因子為M,Up=-UN,直通占空比為D0.根據(jù)它們的線性關(guān)系，D0=0時，Up=1;D0=M 時，Up=1-M.很容易得到Up=1-D0,Up=-UN.控制示意圖如圖3所示。

圖3 控制示意圖

　　因此，控制模塊在Simulink" title="Simulink">Simulink中的仿真模塊如圖4所示。

圖4 控制模塊

　　2.2 電感電容參數(shù)的選擇

　　假設(shè)在給定光伏電源系統(tǒng)，開關(guān)器件的頻率為10kHz,那么在改進型Z源拓撲結(jié)構(gòu)中，直通頻率放大到20 kHz,在升壓模式下，最大直通時間可以表示如下，部分參數(shù)參見表1.

表1 電路參數(shù)選擇

　　令Gmax=1.7,則Mmin=0.875,

　　令電流紋波為：

　　式中，ｒ′％＝１％。

　　2.3 開關(guān)管電壓電流應(yīng)力

　　開關(guān)管的電壓應(yīng)力等于逆變器橋臂的直流鏈最大電壓UPN.直通時承受的開關(guān)應(yīng)力大小由上面的推導(dǎo)可知為BUin,它跟調(diào)制策略相關(guān)，這與傳統(tǒng)Z源逆變器開關(guān)管上承受電壓類似。

　　而對于開關(guān)管的電流應(yīng)力：假設(shè)為理想開關(guān)管，導(dǎo)通電阻都相等，考慮三相短路時的電流應(yīng)力結(jié)合圖5很容易分析得到：

圖5　開關(guān)管電流應(yīng)力

　　因而，

　　而功率開關(guān)管最大電流應(yīng)力為：

　　其大小由輸出電流和電感上的電流決定。假設(shè)輸出電流一定，則要減少開關(guān)應(yīng)力，只有減少電感上的電流，由仿真圖6、圖7所示，改進Z源電感上電流明顯小于傳統(tǒng)Z源電感上電流，從而不僅減少了電感上的電流限制，也減少了功率管上的電流應(yīng)力。因此在開關(guān)管和電感上的選擇上面也有效地節(jié)約了成本。

圖6 傳統(tǒng)Z源電感上電流

圖7 改進型Z源電感上電流

　　3 基于Simulink的仿真與結(jié)論

　　電路參數(shù)選擇如表1所示。

　　改進型Z源電容電壓和直流鏈電壓如圖8所示。

圖8 改進型Z源電容電壓和直流鏈電壓

　　從圖8中可以看出，改進型Z源逆變器其中一個電容上面的電壓很低，而傳統(tǒng)Z源逆變器電容電壓都是相同的，而且接近于直流鏈最大電壓。從這個方面考慮有效地減少了電容上的電壓應(yīng)力，從而對該電容的選擇有很大余地。并且由圖中可以得知，直流鏈最大電壓基本保持不變，通過一定控制策略改變直流時間可以改變其大小，這跟傳統(tǒng)Z源基本相似。本文通過對改進型Z源的工作原理進行分析，得出其對電感電容的選擇條件以及開關(guān)管電流應(yīng)力、電容電壓等方面均有改進。