一種改進型Z源逆變器

楊亮+易吉良+李軍軍+黃林森

摘?要：傳統Z源逆變器存在諸如輸入電流不連續，啟動沖擊電流大，電容應力大等缺陷，為解決上述Z源所存在的不足，研究了一種新的Z源電路拓撲。在保持同樣的升壓情況下，該改進型拓撲電容應力明顯減小，沖擊電流得到抑制。簡要對比了二者拓撲下的工作原理，并通過saber軟件對單相Z源逆變器進行了仿真，仿真結果驗證了改進型Z源拓撲性能的優越性。

關鍵詞：傳統型Z源;改進型Z源;電容應力;電流紋波;

中圖分類號：TM464?????????文獻標識碼：A

A?Modified?Z?Source?Inverter

Yang?Liang，Yi?Jiliang，Li?Junjun，Huang?Linsen

（School?of?Electrical?and?Information?Engineering，Hunan?University?of?Technology，Zhuzhou?Hunan?412007，China）

Abstract：?Traditional?Z?source?inverter?exist?such?as?the?input?current?is?discontinuous，?start?the?impact?current?is?large，?big?capacitance?stress?defects，?in?order?to?solve?the?shortage?of?the?Z?source?inverter，?a?new?source?of?Z?circuit?topology?is?studied.?Maintain?the?same?boost?in?cases，?the?improved?topology?capacitance?stress?significantly?reduced，?impulse?current?be?suppressed.?Briefly?compared?the?topology?of?the?working?principle，?And?through?the?saber?software?for?single-phase?Z?source?inverter?are?simulated，?The?simulation?results?demonstrate?the?superiority?of?the?performance?of?the?modified?Z?source?topology?.

Key?words：?Traditional?Z?source;?The?modified?Z?source;?Capacitance?stress;?Current?ripple;

0?引言

逆變器廣泛應用于各種工業領域，傳統的逆變器有兩種基本類型：電壓源型和電流源型。這兩種類型的逆變器由于自身拓撲特點在某些場合應用受到一定的限制，主要體現在：或是升壓型、或是降壓型變換器，無法同時具有這兩種特性;這兩種變流器的主電路不能互換，通用性較差;電磁干擾造成的直通現象，使可靠性受到很大的影響。

Z源網絡拓撲的引入有效的解決了上述的

不足，Z源逆變器利用其獨特的阻抗網絡結構使之具有單級升/降壓能力，能滿足輸入電壓寬范圍變化要求，并在抗干擾能力、安全可靠性具有很好的優勢，已在風能、太陽能、電機調速等領域中得到了應用。

本文簡要分析了傳統Z源及改進型Z源的工作原理，分析了它們在保持同樣的升壓能力下的電容應力、啟動時沖擊電流紋波情況，并通過仿真進行了對比分析。

1?傳統型Z源逆變器

為克服常規逆變器的不足，2003年彭方正教授首次提出了Z源逆變器概念。Z源變流器采用獨特的阻抗網絡將變換器的主電路與電源連接，因而具有使傳統電壓源或電流源逆變器不能實現的獨特特性，并克服了傳統電壓源變換器或電流源變換器概念和理論上的限制。Z源逆變器的開關等效電路如下圖1所示，中間的電路部分即為Z源網絡[1-2]。

圖1?Z源逆變器等效電路

fig.1?Z?source?inverter?equivalent?circuit

Z源網絡包含兩個電感器L1、L2和兩個電容器?C1、C2組成的網絡接成X形，將變換器和直流電源或負載耦合在一起。與傳統的電壓電流源不同，它既可以按升壓型或降壓型的方式工作，還可以直接處于開路、導通和直通狀態。大大擴展了其應用范圍，提升了可靠性[3]。

由圖1分析可知傳統型Z源逆變器直流母線電壓Vi和輸出交流電壓Vx表達：

公式中的T1表示為有效矢量作用時間，T0為零矢量作用時間，B為Z源逆變器直通狀態下得到的升壓因子，M為常規電壓源逆變器的調制系數。{?}內的代數式為常規電壓源型逆變器交流輸出電壓，由（2）式知Z源逆變器的輸出電壓由升壓因子B與調制系數M共同決定[3-4]。

2?改進型Z源逆變器

2.1?工作原理對比性分析

傳統的Z源逆變器也有不足的一面：輸入電流不連續，啟動沖擊電流大，電容電壓應力大等。為解決上述Z源所存在的不足，文獻[5]提出了一種新的Z源電路拓撲，此改進型電路是將二極管和逆變器橋臂的位置互換，其仍為對稱網絡。電路如圖2所示：

從上述分析可知，二者拓撲下的升壓原理是一致的，但其在相同的占空比下，改進型拓撲Z源電容電壓應力明顯減小，且隨直流輸入電壓Vin的增加而減小。因此，Z源電容可按照Vin最小值來設計，故可選用低壓電容，從而減小了變流器的質量和體積，同時還降低了開關器件的電壓應力。

此外，由（5）式與（9）式比較可知：改進型Z源拓撲在直通占空比D0=0時，此時Z源網絡電容電壓VC=0。如果控制占空比D0從0逐漸增加，那么Z源電容電壓VC也將從0逐漸增加，這樣能實現軟啟動，而這在傳統型Z源逆變器拓撲中是不存在的。

2.2?輸入電流紋波對比性分析

Z源逆變器在不同的控制方式下其輸入電流紋波是不一樣的，以最簡單升壓方式為例：在該控制策略下，直通零矢量插于傳統零矢量之間，使得一部分傳統零矢量被直通零矢量所代替，從而實現升壓功能[6-7]。

在傳統型Z源拓撲時，設逆變器側電流為ii，那么輸入電流iin=2iL-ii。在直通零矢量狀態下時，輸入二極管工作在截止狀態，此時輸入電流為0;在傳統零矢量時，逆變器工作于開路狀態，逆變側電流為0，此時輸入電流為2iL;而在有效矢量1與有效矢量2時，設逆變器側電流各為i1、i2，則輸入電流各為2iL-i1、2iL-i2，詳情如圖3所示。

在改進型Z源拓撲時，逆變器側的電流ii就是輸入電流，在直通零矢量狀態時，輸入電流為2iL;在傳統零矢量狀態時，逆變橋處于開路狀態，此時輸入電流為0;而在有效矢量1與有效矢量2時，其輸入電流各為i1、i2。詳情如圖4所示，其中IL為二中拓撲下的輸入電流平均值。通過分析可知，改進Z源逆變器輸入電流紋波明顯減小。

圖3?傳統Z源逆變器輸入電流

Fig.3?Input?current?of?the?traditional?Z?source?inverter

圖4??改進Z源逆變器輸入電流

Fig.4?Input?current?of?the?improved?Z?source?inverter

• 設計仿真實驗

為了驗證改進型Z源電路拓撲的特點，用saber軟件對傳統型拓撲和改進型拓撲進行了仿真與對比分析，仿真以最簡單升壓方式下的單相Z源逆變器為例，其電路拓撲和仿真參數如表1所示，仿真結果如圖6-7所示。

表1?Z源逆變器仿真參數

TABLE1?Z?source?inverter?simulation?parameters

參數

仿真使用的值

輸入電壓

Vdc=200V

Z源電感

L1=L2=2000uH

Z源電容

C1=C2=2000uF

濾波參數

Lf=1000uH???Cf=30uF

阻性負載

R=5

升壓因子

D0=0.2

調制系數

M=0.8

圖5??改進型Z源仿真電路

Fig.5?The?modified?Z?source?simulation?circuit

圖6-7中的變量含義為：

VC：?Z源網絡電容電壓

VPN：?直流鏈峰值電壓

IL：?Z源網絡電感電流

V0：?輸出電壓峰值

圖6?傳統型單相Z源逆變器仿真波形

Fig.6?Traditional?single-phase?Z?source?inverter?simulation?waveform

圖7?改進型單相Z源逆變器仿真波形

Fig.7?Improved?single-phase?Z?source?inverter?simulation?waveform

從仿真結果來看，改進后的Z源拓撲在保持同樣的升壓能力下，其電容電壓應力明顯減小，輸出波形質量較好;改進型Z源逆變器直流鏈電壓峰值相對較小一些，得到的主要參數波形與理論分析結果基本一致。

4.?結語

通過控制升壓因子B和調制系數M可以靈活的控制Z源逆變器輸出電壓的升降。本文對二者拓撲下的工作原理、輸入電流紋波進行了對比性分析：可知，在保持直流鏈電壓和輸出交流電壓一樣的前提下，改進型Z源拓撲的電容電壓應力明顯減小，這樣低壓電容能夠被使用，能夠減少器件體積和系統成本;此外，改進型Z源如果控制占空比從零逐漸增加，這樣就能夠實現軟啟動，其沖擊電流和諧振問題能有效抑制，提高了整體電路效率，滿足實際應用的需求。

參考文獻

[1]??彭方正.Z源逆變器在工業應用中的研究[J].電力電子技術，2003，39（2）：504-510.

Peng?Fangzheng.?Z-Source?Inverter?in?the?industrial?applications?research[J].?Power?Electronics?Technology，?2003，?39（2）：504-510.

[2]??李紅新，周林，郭珂.Z源逆變器最新進展及應用研究[J].電源技術，2013（03）：504-507.

Li?Hongxin，?Zhou?Lin，?Guo?Ke.?Z-Source?Inverter?and?application?of?the?latest?developments[J].?Power?Technology，?2013?（03）：?504-507.

[3]??高??奇.Z源逆變器的主電路研究[D].杭州：浙江大學?信息學院，2005.

Gao?Qi.?The?main?circuit?of?Z-Source?Inverter?research?[D].?Hangzhou：?Zhejiang?University?School?of?Information，?2005.

[4]??盛立健，張先飛，鄭建勇.Z源逆變器的研究[J].?江蘇電器，2008（02）：19-21.

Sheng?Lijian，?Zhang?Xianfei，?Zheng?Jianyong.?Z-Source?Inverter?research?[J].?Jiang?Su?Electric，?2008?（02）：?19-21.

[5]??湯??雨，謝少軍，張超華.改進型Z源逆變器[J].中國電機工程學報，2009，29（30）：28-34.

Tang?Yu，?Xie?Shaojun，?Zhang?Chaohua.?Improved?Z-Source?Inverter[J].?Proceedings?of?the?CSEE，?2009，?29（30）：?28-34.

[6]??湯??雨.Z源逆變器的研究[D].?南京：南京航空航天大學?自動化學院，2008.

Tang?Yu.?Z-Source?Inverter?research?[D].?Nanjing：?Nanjing?University?of?Aeronautics?and?Astronautics，?2008.

[7]??丁新平.Z源變流器關鍵技術的研究[D].?杭州：浙江大學?信息學院，2007.

Ding?Xinping.?Z-Source?Converter?research?of?key?technologies[D].?Hangzhou：?Zhejiang?University?School?of?Information，?2007.