0 引言

    傳統(tǒng)的電壓源逆變器具有兩個主要問題：第一，交流輸出電壓總是比直流輸入電壓低，也就是說：傳統(tǒng)的電壓源逆變器只能工作在降壓模式中。這就不適用于一些直流輸入電壓較低的場合，比如說微網(wǎng)中的光伏并網(wǎng)，它需要將太陽能電池中較低的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為相對較高的電網(wǎng)交流電壓。這就需要在前段安裝一個DC/DC轉(zhuǎn)換器來提高輸入電壓等級，而安裝DC/DC轉(zhuǎn)換器會引進復(fù)雜的控制方法，并且增加設(shè)備投入的成本。第二，傳統(tǒng)電壓源逆變器同一橋臂上的上下開關(guān)不能同時導(dǎo)通，否則會出現(xiàn)短路狀況，損壞逆變器。因此，需要加入死區(qū)時間，而死區(qū)時間的加入又會引起波形的畸變。

    Z源逆變器^[1]克服了傳統(tǒng)電壓源逆變器的上述不足，被廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電系統(tǒng)中。但是傳統(tǒng)Z源逆變器也存在著眾多問題，比如較小的升壓能力，輸入電流斷續(xù)等。文獻[2]中提出了四種準(zhǔn)Z源逆變器，其中第二種準(zhǔn)Z源逆變器輸入電流連續(xù)，且在相同的升壓倍數(shù)下降低了器件的應(yīng)力，為后續(xù)學(xué)者改進Z源逆變器提供了原型。文獻[3]用一個開關(guān)電感替代文獻[2]準(zhǔn)Z源逆變器中的一個電感，構(gòu)成開關(guān)電感（Switched Inductor，SL）準(zhǔn)Z源逆變器Ⅰ型，從而提升了準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力。文獻[4]在文獻[3]的基礎(chǔ)上，用一個自舉電容來替代SL準(zhǔn)Z源逆變器Ⅰ型中的一個二極管，構(gòu)成SL準(zhǔn)Z源逆變器Ⅱ型，進一步提升了準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力。但是升壓能力依舊有限，達不到實際應(yīng)用中的要求。

    本文在文獻[4]研究的基礎(chǔ)上，借鑒部分學(xué)者通過級聯(lián)開關(guān)電感來提升Z源逆變器升壓能力的思想，在文獻[4]改進的開關(guān)電感上再級聯(lián)一層，構(gòu)成增強型拓撲Ⅰ型。同時用自舉電容代替開關(guān)電感中的一個二極管，構(gòu)成增強型拓撲Ⅱ型。在避免硬件結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的基礎(chǔ)上極大地提升了準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力，使這兩種準(zhǔn)Z源逆變器可以應(yīng)用于大多數(shù)場合。

1 增強型準(zhǔn)Z源逆變器

1.1 電路拓撲

    本文提出的兩種增強型準(zhǔn)Z源逆變器拓撲如圖1和圖2所示。

    與文獻[4]所提出的SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器不同的是：本文在文獻[4]所示的拓撲結(jié)構(gòu)上，分別增加D₄、D₅、D₆、L₄構(gòu)成增強型準(zhǔn)Z源逆變器Ⅰ型和增加D₄、D₅、C₄、L₄構(gòu)成增強型準(zhǔn)Z源逆變器Ⅱ型。Ⅰ型和Ⅱ型在拓撲結(jié)構(gòu)上非常相似，唯一的區(qū)別是Ⅱ型用一個自舉電容C₄代替了Ⅰ型中的一個二極管D₆。

1.2 工作原理

    兩種增強型準(zhǔn)Z源逆變器的升壓原理相同，都可分為直通和非直通兩種工作狀態(tài)進行分析。為了簡化分析，假設(shè)所有器件都在理想狀態(tài)下工作，并且增強型準(zhǔn)Z源逆變器拓撲中所有電感或者電容的取值相同，即電感L₁=L₂=L₃=L₄=L；電容C₁=C₂=C₃=C₄=C。

    首先對增強Ⅰ型準(zhǔn)Z源逆變器進行穩(wěn)態(tài)分析。當(dāng)處于直通狀態(tài)時，逆變橋?qū)?，可以等效為短路狀態(tài)。同時二極管D₁、D₆斷開，D₂、D₃、D₄、D₅導(dǎo)通。等效電路圖如圖3(a)所示。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得如下公式：

    根據(jù)伏秒平衡定理：在一個開關(guān)周期內(nèi)電感兩端電壓的積分為0，可得

    增強Ⅱ型的兩種工作狀態(tài)如圖4所示。

    由圖4(a)可知，增強Ⅱ型在直通狀態(tài)下的電路方程為：

    同樣由伏秒平衡定理可得：

1.3 Z源網(wǎng)絡(luò)升壓能力

    增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型Z源網(wǎng)絡(luò)的升壓能力如圖5所示，由圖5可見，增強Ⅰ型的升壓能力高于SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器，尤其是在直通比D大于0.2的時候。而增強Ⅱ型的升壓能力比增強Ⅰ型和SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器都要出色。當(dāng)D在0.1～0.2之間時，增強Ⅱ型的升壓因子B在5～15之間，遠遠大于相同條件下SLⅡ型的升壓能力(B在2.87～5之間)。并且隨著D繼續(xù)增大(D<0.25)，它的升壓能力會急劇增大。所以在相同D的情況下，兩種增強型準(zhǔn)Z源逆變器比SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器具有更高的升壓能力，更適用于光伏、燃料電池等新能源的大功率發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。

1.4 整個逆變器升壓能力分析

    Z源逆變器的升壓能力是由Z源網(wǎng)絡(luò)本身和PWM控制策略共同決定的。在簡單升壓控制方法下，直通占空比D最大值可以表示為

    根據(jù)式(15)、式(16)，可以繪制增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器在簡單升壓控制下的交流升壓增益對比曲線。如圖6所示，兩種增強型準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力均優(yōu)于SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器。增強Ⅰ型在調(diào)制系數(shù)M接近0.7的時候電壓增益G會顯著增大，對比SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器升壓效果明顯。而增強Ⅱ型在M趨近0.8時就能獲得很大的電壓增益。當(dāng)M=0.8時，增強Ⅱ型的電壓增益為12相比較SLⅡ型的電壓增益G等于4具有顯著的優(yōu)勢。這就意味著對于任意給定的交流升壓增益G，增強型準(zhǔn)Z源逆變器可以采用更高的調(diào)制因子，從而提高輸出電能質(zhì)量，并降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。

2 仿真分析

    在上文對增強Ⅰ型、Ⅱ型進行詳細理論分析的基礎(chǔ)上，為了驗證相關(guān)理論分析的正確性，在MATLAB/Simulink仿真軟件里搭建了增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器拓撲的仿真模型。仿真所用參數(shù)設(shè)置如表1所示。

    當(dāng)這三種拓撲D=0.2時，根據(jù)理論分析計算得出增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器的直流鏈電壓UPN分別為293 V、720 V和240 V，仿真結(jié)果如圖7所示。

    由仿真波形可見，增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器的直流鏈電壓大小和計算結(jié)果基本一致。在升壓能力方面，增強Ⅰ型略優(yōu)于SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器,而增強Ⅱ型的升壓能力相較于SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器具有明顯的優(yōu)勢。另外，由圖7可見，增強Ⅰ型的直流鏈電壓是由低到高逐漸趨于穩(wěn)定，證明增強Ⅰ型不存在啟動沖擊的問題。相較于SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器更加安全穩(wěn)定。

3 實驗驗證

    為了進一步驗證理論分析的有效性，對兩種增強型準(zhǔn)Z源逆變器進行了實驗，輸入電壓U_in=50 V，其他實驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致(見表1)。圖8、圖9所示為簡單升壓控制下，兩種增強型準(zhǔn)Z源逆變器與SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器的逆變器直流側(cè)電壓及輸出電壓的實驗波形。其中圖8是在直通占空比D=0.25的情況下，增強Ⅰ型與SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器的實驗結(jié)果圖。圖9為直通占空比D=0.2的時候，增強Ⅱ型以及SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器的實驗結(jié)果。

    由實驗波形可見，本文提出的兩種增強型準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力均優(yōu)于前人提出的SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器。在D=0.25時，增強Ⅰ型的UPN相對于U_in的升壓倍數(shù)為12(從50 V到600 V)>SLⅡ型相同條件下的8倍左右(從50 V到400 V)的升壓能力；而增強Ⅱ型在D=0.2時，其升壓倍數(shù)就能達到15(從50 V到750 V)>>同等情況下的SLⅡ型準(zhǔn)Z源逆變器的5倍左右(從50 V到250 V)的升壓能力。實驗結(jié)果驗證了理論分析的有效性。

4 結(jié)論

    本文針對現(xiàn)有Z源逆變器升壓能力不足的問題，提出兩種增強型準(zhǔn)Z源逆變器。分析了其穩(wěn)態(tài)工作原理，與前人提出的SLⅡ型準(zhǔn)Z源拓撲相比，它具有以下優(yōu)點：

    (1)在相同的直通占空比下，增強型拓撲擁有更高的電壓增益，能夠應(yīng)用于輸入電壓等級較低的場合。

    (2)在實現(xiàn)相同電壓增益的前提下，調(diào)制因子較高，能夠提高逆變器輸出的電能質(zhì)量。

仿真以及實驗結(jié)果驗證了上述結(jié)論。 

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作者信息:

李正明，周建偉，張國松

（江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013）