一種新型開關耦合電感準Ｚ源逆變器

宋奇吼，劉文安，陳 莉，楊 飏

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一種新型開關耦合電感準Ｚ源逆變器

宋奇吼，劉文安，陳 莉，楊 飏

提出一種新型開關耦合電感準Z源逆變器，實現相同輸入電壓和直通占空比條件下逆變器輸出電壓的大幅提升。分析了新拓撲的工作機理、升壓特性和控制策略，采用簡單升壓控制方法，通過Matlab仿真試驗驗證了新拓撲的可行性。

準Z源逆變器；開關耦合電感；升壓能力

0 引言

傳統電壓源逆變器屬于降壓型逆變器，輸出電壓低，難以滿足分布式發電系統的升壓需求。為防止傳統逆變器上下橋臂直通，傳統電壓源逆變器需要引入死區控制，不僅增加了輸出電壓的諧波含量，還增加了系統控制的復雜性[1，2]。

與傳統逆變器相比，Z源逆變器具有可直通、控制簡單、升壓能力強的優點，能有效克服傳統逆變器的不足，適應新能源發電的需求。文獻[3]在Z源逆變器的基礎上提出了準Z源逆變器。與Z源逆變器相比，準Z源逆變器具有輸入電流連續、電容電壓應力小的優點，但準Z源逆變器同樣無法在不影響系統穩定性的前提下，通過控制直通占空比獲得足夠大的直流增益[4]。

1 準Z源逆變器技術發展現狀

針對Z源/準Z源逆變器升壓能力有限的問題，許多文獻通過改進電路拓撲提升Z源逆變器直流升壓能力，先后提出了開關電感Z源逆變器、擴展升壓Z源逆變器、抽頭電感Z源逆變器、耦合電感Z源逆變器等拓撲結構[5～20]。

其中文獻[11]以準Z源逆變器為基礎，引入開關耦合電感升壓思路，提出開關耦合電感準Z源逆變器（SCL-qZSI），其拓撲結構如圖1所示。SCL-qZSI的升壓比可表示為

式中，為直流占空比；為耦合電感變比。

圖1 開關耦合電感準Z源逆變器拓撲結構

與開關耦合電感相比，SCL-qZSI具有母線負極與輸入電源負極共地、輸入電流連續的優點，但也存在一些不足：SCL-qZSI升壓能力有限，拓撲結構比較復雜，開關損耗較大。

為改進開關耦合電感準Z源逆變器拓撲結構，本文提出一種新型開關耦合電感準Z源逆變器（New Type Switched Coupled Inductor Quasi- Z- Source Inverter ，NTSCI-qZSI）。新拓撲結構簡單可靠，具備更強的升壓能力。

2 新型開關耦合電感準Z源逆變器

2.1 拓撲結構

以傳統準Z源逆變器為基礎，提出2種開關耦合電感準Z源逆變器：輸入電流連續型開關耦合電感準Z源逆變器（圖2 a）和輸入電流斷續型開關耦合電感準Z源逆變器（圖2 b）。與傳統準Z源逆變器相比，新型開關耦合電感準Z源逆變器以耦合電感替代Z源網絡中的1個電感，在耦合電感之間插入1個二極管，同時以二極管代替Z源網絡中的1個電容，利用工作模態變化提升直流鏈電壓。

與圖1所示拓撲結構進行比較，圖2（a）所示輸入電流連續型開關耦合電感準Z源逆變器具有輸入電流連續、輸入輸出電壓共地的優點，為此本文選取該電路拓撲為分析對象。

（a）輸入電流連續型

（b）輸入電流斷續型

圖2 新型開關耦合電感準Z源逆變器拓撲結構

為簡化分析，將圖中的耦合電感等效為理想狀態，忽略漏感影響，耦合系數為1。原邊匝數為1，副邊匝數為2，定義耦合電感匝比為，耦合電感原、副邊電壓分別為Ln1、Ln2，則有1∶2，Ln1Ln2。

2.2 穩態情況下的工作原理

穩態情況下的開關周期包括1個直通零矢量狀態、2個傳統零矢量狀態、6個有效矢量狀態。為方便分析，可簡化為直通零矢量狀態、傳統零矢量狀態和有效矢量狀態3種工作模態。

（1）模態I：直通零矢量狀態。等效電路如圖3（a）所示。該狀態下，控制逆變橋上下橋臂直通，直流鏈電壓為零。二極管D1承受正向電壓導通，輸入電源通過D1和逆變橋給電感L儲能。電容C通過耦合電感副邊和逆變橋線性放電，耦合電感副邊儲能。耦合電感副邊承受電容電壓，極性左正右負，耦合至原邊后電壓極性相同，因此二極管D2承受反向電壓關斷，此時系統滿足：

（2）

（2）模態Ⅱ：傳統零矢量狀態。等效電路見圖3（b）。該狀態下，逆變橋開路，直流母線電流為零。耦合電感電壓極性左負右正，二極管D1承受反向電壓關斷，D2承受正向電壓導通，電容充電，電感L及耦合電感原邊儲能，此時系統滿足：

（3）

（3）模態III：有效矢量狀態。等效電路如圖3（c）所示。該狀態下，逆變橋等效為電流源，二極管D1關斷，D2導通，輸入電源、電感、耦合電感原邊、耦合電感副邊串聯向負載供電，提升逆變橋直流鏈電壓，此時系統滿足：

（a）直通零矢量狀態

（b）傳統零矢量狀態

（c）有效矢量狀態

2.3 升壓特性分析

一個開關周期內，直通零矢量狀態時間為0，傳統零矢量狀態時間為1，有效矢量狀態時間為2。由式（2）、式（3）可見，傳統零矢量狀態和有效矢量狀態下電感L與耦合電感承受電壓相同。系統穩態時根據電感L及耦合伏秒平衡可得

-i+ (1-)[(1 +)C-i-B] = 0 （5）

-C+ (1-)(B-C) = 0 （6）

兩式聯立，可解得

（7）

結合式（3）可得直流鏈電壓峰值B為

（8）

新拓撲的升壓因子為

（9）

從式（9）可以看出，升壓因子與耦合電感變比及直通占空比有關。圖4為2時，準Z源逆變器（qZSI）、開關耦合電感準Z源逆變器（SCL-qZSI）及新型開關耦合電感準Z源逆變器（NTSCL-qZSI）的升壓因子與直通占空比的關系曲線，可以看出，升壓因子均隨直通占空比的增大而增大，相同直通占空比條件下，新型開關耦合電感準Z源逆變器升壓能力更強，且其直通占空比必須滿足＜1/(1)。圖5為0.2時，開關耦合電感準Z源逆變器和新型開關耦合電感準Z源逆變器的升壓因子與變比的關系曲線，從圖中可以看出直通占空比確定后，隨的增大而增大，且相同變比條件下新拓撲結構升壓能力更強。

圖4 升壓因子B與直通占空比D的關系

圖5 升壓因子B與耦合電感變比N的關系

3 開關耦合電感準Z源逆變器控制策略

目前適于Z源逆變器的控制方式有：簡單升壓控制、三次諧波注入控制、最大升壓控制等控制方式[12，13]。簡單升壓控制方式原理簡單、易于實現；三次諧波注入控制通過在調制波中注入基波的三次分量實現直通占空比增大，提高升壓范圍；最大升壓控制策略將逆變器的傳統零矢量狀態全部變為直通零矢量狀態，可獲得最大升壓。為更好地體現新拓撲結構在提升直流鏈電壓方面的能力，本文分析所采用的是簡單升壓控制策略，其原理如圖6所示。

圖6 簡單升壓調制原理

正弦調制度為，則輸出電壓基波幅值為

（10）

4 仿真驗證

通過簡單升壓控制，利用Matlab/Simlink工具搭建新型開關耦合電感準Z源逆變器模型，電路參數如下：Z源電感1 mH，Z源電容=800mF，耦合電感變比2，耦合電感原邊2200mH，耦合電感副邊3200mH，輸入電源電壓i100 V，開關頻率10 kH，直通占空比0.2，調制度0.8。實驗結果如圖7所示。

從仿真結果可以看出，開關耦合電感準Z源逆變器直流鏈電壓為316 V，Z源網絡電容電壓為244 V，逆變器輸出電壓為120 V，與理論分析一致。

（a）直流鏈電壓波形

（b）Z源網絡電容電壓

（c）逆變器輸出電壓波形

5 結語

本文基于準Z源逆變器，通過改變電路拓撲結構，提出新型開關耦合電感準Z源逆變器。新拓撲結構簡單可靠，能大幅提升逆變器直流鏈電壓，更好地滿足分布式電源并網發電的需求。

[1] N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics: Converters Application and Design. New York: Wiley, 2003.

[2] 吳茂剛，趙榮祥，湯新舟. 正弦和空間矢量PWM逆變器死區效應分析與補償[J]. 中國電機工程學報，2006，26（12）：101-105.

[3] Wei Qian, Fang Zhengpeng, Honnyong Cha. Trans- Z-source Inverters[C]. Proceedings of Power Electronics Conference, 2010, 1874-1881.

[4] N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Application and Design. New York: Wiley, 2003.

[5] Miao Zhu, KunYu, Fang Lin Luo, IEEE transactions on power electronics: Switched Inductor Z-Source Inverter[J]. 2010,25(8),2150-2158.

[6] 石季英，劉文安，李春玲. 擴展升壓Z源逆變器及其控制策略的研究[J]，電氣傳動，2012，42（8）：29-33.

[7] Chandana Jayampathi Gajanayake,Fang Lin Luo,Hoay Beng Gooi,Ping Lam So,Lip Kian Siow. Extended-Boost Z-Source Inverters[J].IEEE Transactions on Power- electronics, 2010, 25(10):2643-2645.

[8] LiD, Loh PC, ZhuM, et a1. Cascaded Switched Inductor and tapped-inductor Z-source inverters[C] IEEE Applied Power Electronics Conference．IEEE，2011：1661-1666．

[9] 周玉斐，黃文新，趙健伍，等. 抽頭電感準Z源逆變器[J]. 中國電機工程學報，2012，32（27）：126-134.

[10] Se-Jin Kim, Young-Cheol Lim, Switched Trans Z-source inverter using two isolated two-winding transformers[C], Proceedings of Power Electronics Conference,2014,677-681

[11] 周玉斐，黃文新，趙健伍，等. 開關耦合電感準Z源逆變器[J]. 電工技術學報，2014，29（6），31-39.

[12] Miaosen Shen , Jin Wang ,Alan Joseph , Fang Z. Peng. Maximum Constant Boost Control of the Z-Source Inverter[c]. IEEE IAS, 2004：143-144.

[13] 張超華，湯雨，謝少軍. 改進Z源逆變器的三次諧波注入控制策略[J]. 電工技術學報，2009，24（11）：116-117.

[14] 宋奇吼，劉文安，陳莉，等. 三電平Z源逆變器SPWM調制策略的研究[J]. 電測與儀表，2014，（14）：83-87.

[15] 宋奇吼，陶紅華，陳莉，等. 地鐵牽引變電所綜合電源監控系統研究[J]. 電測與儀表，2014，（11）：107-113.

[16] 宋奇吼，劉文安，陳莉，等. 開關電感Z源三電平中點鉗位逆變器的研究[J]. 電測與儀表，2014，（18）：104-107+111.

[17] 宋奇吼，劉文安，陳莉，等. 新型三相Z源逆變器的研究[J]. 電源技術，2014，（12）：2346-2348+2395.

[18] 宋奇吼，楊飏，童巖峰，徐百釧. 一種模糊電流預測控制算法在永磁同步電機矢量控制上的應用[J]. 微電機，2015，（11）：81-84.

[19] 宋奇吼，陳志輝，施樹榮. 四相雙凸極發電機的相磁鏈模型仿真方法研究[J]. 微電機，2015，（4）：34-37.

[20] 宋奇吼，陳莉，楊飏. 一種新型Z源逆變器拓撲結構的研究[J]. 電氣化鐵道，2016，（6）：17-20.

A new type of switch coupled induction quasi-Z-source inverter is put forward, with realizing of dramatic increase of inverter output voltage under conditions of same input voltage and shoot-through duty ratio. The paper analyzes the working mechanism, boosting characteristics and control strategies of new topology, verifies the feasibility of new topology by means of simple boosting method and by application of Matlab simulation test.

Quasi-Z-source inverter; switch coupled inductance; voltage boosting capability

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.007

U223.5

A

1007-936X(2017)05-0026-05

宋奇吼.南京鐵道職業技術學院電力工程學院，教授；劉文安.國網山東省電力公司淄博供電公司，工程師；陳 莉，楊 飏.南京鐵道職業技術學院電力工程學院，助教。

（江蘇省高等職業院校專業帶頭人高端研修資助項目，2016TDFX005。）

2016-12-29