基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器

李云俠，張巧杰，余 巧

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100192)

隨著國(guó)家“十三五”計(jì)劃的頒布實(shí)施，促使新能源的應(yīng)用研究尤其是光伏發(fā)電迅速發(fā)展[1-2]。傳統(tǒng)的光伏逆變器通常由DC/DC升壓電路和逆變器兩級(jí)結(jié)構(gòu)組成，2004年彭方正[3-4]教授提出的Z源逆變器只需要一級(jí)結(jié)構(gòu)就可以同時(shí)完成升壓和逆變的功能。另外，Z源逆變器利用其獨(dú)特的Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，允許逆變器的上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，并利用其直通狀態(tài)實(shí)現(xiàn)升壓功能，不需要設(shè)置死區(qū)，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)逆變器由死區(qū)時(shí)間帶來(lái)的缺陷，提高了逆變器輸出波形的質(zhì)量。但是傳統(tǒng)的Z源逆變器也存在缺陷：輸入電流不連續(xù)、沖擊電流大、硬件電路成本高。針對(duì)上述缺陷，彭教授提出了準(zhǔn)Z源逆變器[5]，兩者具有相同的工作原理，但是升壓能力未得到提升。光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入電壓一般較低，為了得到較高的輸出并網(wǎng)電壓，需要增大直通占空比D0，而較大的直通占空比D0會(huì)降低逆變器的基波逆變能力，從而影響逆變器的輸出波形質(zhì)量[6-8]。近年來(lái)，提高準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力成為相關(guān)領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[9～10]通過增加開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)增大Z源網(wǎng)絡(luò)升壓能力的目的；文獻(xiàn)[11～12]利用耦合電感結(jié)構(gòu)提高準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力；文獻(xiàn)[13]結(jié)合前者的特性，將耦合電感和開關(guān)電感相結(jié)合，更好地提高了升壓因子，同時(shí)降低了電容電壓應(yīng)力；文獻(xiàn)[14～15]通過將Z源網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)，得到大升壓比的阻抗結(jié)構(gòu)，更適應(yīng)于低輸入電壓的發(fā)電場(chǎng)合。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是用一個(gè)改進(jìn)型開關(guān)電感替代級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器中的一個(gè)儲(chǔ)能電感。新拓?fù)湓谙嗤蓖ㄕ伎毡鹊那闆r下具有更大的升壓因子和更小的電容電壓應(yīng)力。

1 基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原理分析

1.1 級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[14～15]所提的級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中，L1～L3為電感，D1、D2為二極管，C1～C4為電容，S1～S6為逆變器開關(guān)管。該結(jié)構(gòu)由兩級(jí)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其工作原理和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器相同。穩(wěn)定狀態(tài)下的升壓因子為：

(1)

式中：B為升壓因子；VPN為直流側(cè)母線電壓；Vin為輸入電壓；D0為直通占空比，D0=T0/T，T0為一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)的直通時(shí)間。

圖1 級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 改進(jìn)型開關(guān)電感單元

為了提高準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力，在級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器結(jié)構(gòu)中引入改進(jìn)的開關(guān)電感單元，如圖2(a)，由兩個(gè)電感L3、L4，兩個(gè)二極管D3、D4和一個(gè)電容C5構(gòu)成。該開關(guān)電感單元有兩種工作狀態(tài)：充電模式和放電模式，分別如圖2(b)和(c)所示。

圖2 改進(jìn)開關(guān)電感單元

本文用圖2所示的單元結(jié)構(gòu)代替圖1中的電感L3，得到基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器，如圖3所示。

1.3 基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的工作原理

改進(jìn)后的準(zhǔn)Z源逆變器與傳統(tǒng)的準(zhǔn)Z源逆變器的工作原理完全相同，工作狀態(tài)可分為直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)(6種有效狀態(tài)和2種零狀態(tài))。本文計(jì)算時(shí)假設(shè)所有器件均工作在理想狀態(tài)，同時(shí)拓?fù)渲械碾娙莺碗姼械娜≈稻嗤碙1=L2=L3=L4=L，C1=C2=C3=C4=C5=C。

圖3 基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)?/p>

1) 直通狀態(tài)。當(dāng)準(zhǔn)Z源逆變器工作在直通狀態(tài)時(shí)，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的三相橋臂工作在直通零電壓狀態(tài)，等效為短路，其等效電路如圖4(a)所示。此時(shí)，前級(jí)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的二極管D1反向截止，電源和電感L1給電容C1、C2充電；后級(jí)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的二極管D2反向截止，電容C3、C4充電，開關(guān)電感單元中的二極管D3、D4導(dǎo)通，電容C5充電，電感L3、L4放電。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)，可得電感電壓方程：

(2)

2) 非直通狀態(tài)。當(dāng)準(zhǔn)Z源逆變器工作在非直通狀態(tài)時(shí)，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器等效為電流源，其等效電路如圖4(b)所示。此時(shí)，前級(jí)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的二極管D1導(dǎo)通，電容C1、C2放電，電感L1充電；后級(jí)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的二極管D2導(dǎo)通，電容C3、C4放電，開關(guān)電感單元中的二極管D3、D4反向截止，電容C5放電，電感L3、L4串聯(lián)充電。

根據(jù)KVL，可得電感電壓方程：

(3)

圖4 基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的等效電路

電路運(yùn)行穩(wěn)定后，由電感L1、L2、L3、L4、L5的伏秒平衡關(guān)系，可得電感平衡方程：

(4)

穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C1、C2、C3、C4、C5兩端的電壓分別為：

(5)

該逆變器的直流側(cè)母線電壓為：

(6)

改進(jìn)后準(zhǔn)Z源逆變器的升壓因子為：

(7)

在簡(jiǎn)單升壓控制中，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的直通占空比D0最大值為1-M，當(dāng)M=1時(shí)，D0=0，M為逆變器的調(diào)制系數(shù)。

此時(shí)，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的電壓增益G為：

(8)

同理，根據(jù)式(1)可得級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器的電壓增益G為：

(9)

2 基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器工作特性對(duì)比分析

2.1 升壓能力對(duì)比分析

基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器、級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的升壓因子B隨直通占空比D0變化的對(duì)比曲線如圖5所示。由圖可知，當(dāng)直通占空比小于0.2時(shí)，改進(jìn)后的逆變器升壓能力明顯提升，在直通占空比D0較小時(shí)就擁有較大的升壓因子B，升壓能力的可選擇范圍比較大，更適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖5 升壓因子隨直通占空比變化的曲線

基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器、級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的電壓增益G隨調(diào)制系數(shù)M變化的對(duì)比曲線，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)調(diào)制系數(shù)取相同值，即具有相同的升壓能力時(shí)，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的電壓增益更高，并且在調(diào)制系數(shù)較大時(shí)即可獲得較高的電壓增益。

圖6 電壓增益隨調(diào)制系數(shù)變化的曲線

2.2 輸入電感電流紋波對(duì)比分析

由圖4可知，當(dāng)改進(jìn)后的逆變器運(yùn)行在直通狀態(tài)時(shí)，電感L1充電，當(dāng)其運(yùn)行在非直通狀態(tài)時(shí)，L1放電，由儲(chǔ)能原理可得輸入電感電流紋波值ΔiL1a為：

(10)

將式(7)代入式(10)，可得：

(11)

同理，圖1所示的級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器的輸入電感電流紋波值ΔiL1b為：

(12)

傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的輸入電感電流紋波值ΔiL1c為：

(13)

聯(lián)立式(11)、式(12)和式(13)可得基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器、級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器與傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的輸入電感電流紋波相對(duì)值：

(14)

(15)

式中：K1表示基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器與傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的輸入電感電流紋波相對(duì)值；K2表示級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器與傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的輸入電感電流紋波相對(duì)值。

根據(jù)式(14)和式(15)可得3種拓?fù)涞妮斎腚姼须娏骷y波相對(duì)值K1、K2隨升壓因子B變化的曲線，如圖7所示。

圖7 輸入電感電流紋波相對(duì)值

由圖7可知，在升壓因子B>1，即逆變器處于升壓狀態(tài)時(shí)，在其具有相同的升壓能力的情況下，K1和K2均小于1，且K1

2.3 電容電壓應(yīng)力對(duì)比分析

聯(lián)立式(5)和式(7)，可得電容電壓應(yīng)力關(guān)于升壓因子B的方程：

(16)

根據(jù)式(16)，可得電容電壓應(yīng)力與輸入電壓的比值關(guān)于升壓因子的對(duì)比分析圖，如圖8所示。由圖可知，當(dāng)3種準(zhǔn)Z源逆變器具有相同升壓能力時(shí)，即升壓因子B取相同值時(shí)，改進(jìn)后拓?fù)渲须娙軨1、C2和C3兩端的電壓應(yīng)力明顯減小，但電容C4兩端的電壓有所增加。由式(7)可知，當(dāng)直通占空比D0=0.15時(shí)，升壓因子為8，此時(shí)電容C1、C2、C3、C4的電壓相對(duì)輸入電壓Vin的倍數(shù)分別為2.2、1.2、3.4、4.6，即使電容C4的電壓相對(duì)增大，仍比改進(jìn)前拓?fù)涞淖畲箅娙蓦妷簯?yīng)力要小。總的來(lái)說(shuō)，改進(jìn)后的拓?fù)浔雀倪M(jìn)前更好。

圖8 3種準(zhǔn)Z源逆變器電容電壓應(yīng)力對(duì)比

2.4 二極管反向電壓對(duì)比分析

由圖4的分析可知，在直通狀態(tài)下，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的二極管D1、D2反向截止，D3、D4導(dǎo)通，因此在直通狀態(tài)下承受反向電壓的是二極管D1、D2。關(guān)斷二極管反向電壓為：

(17)

(18)

式中：VD1、VD2、VD3、VD4為二極管D1、D2、D3、D4的反向電壓。

同理可知，在直通狀態(tài)下，級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器的二極管D1、D2反向截止，二極管D1、D2反向電壓為：

(19)

根據(jù)式(17)～式(19)可知，與級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器相比，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器中D1的反向電壓應(yīng)力減小，D2的反向電壓應(yīng)力不變，額外增加的D3、D4所承受的反向電壓較小，僅為D1的一半。

基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器與級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器的性能對(duì)比如表1所示。從表1中可以看出，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器與級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器、傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器相比，升壓能力得到明顯提升，而電容電壓應(yīng)力明顯減小。

表1 3種準(zhǔn)Z源逆變器的性能對(duì)比

3 仿真分析

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文僅做了仿真驗(yàn)證。參數(shù)設(shè)置如下：準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)中電感為1 mH，電容為470 μF，開關(guān)頻率為10 kHz，直通占空比D0為0.15；逆變器輸出端接濾波器及阻性負(fù)載，三相輸出濾波器濾波電感為3 mH，濾波電容為470 μF；三相阻性負(fù)載為10 Ω。根據(jù)圖3搭建改進(jìn)后準(zhǔn)Z源逆變器的Matlab/Simulink仿真模型。基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖9～13所示。

基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的輸入電感電流和二極管反向電壓的仿真波形分別如圖9和圖10所示。由圖可知，輸入電感電流和二極管反向電壓的仿真值均與理論分析基本一致。

圖9 輸入電感電流仿真波形

圖10 二極管反向電壓仿真波形

簡(jiǎn)單升壓調(diào)制策略下，直流源輸入電壓Vin=50 V時(shí)，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的交流仿真波形如圖11所示。

由圖11可知，逆變器輸出相電壓最大值Va=280 V，穩(wěn)態(tài)時(shí)的電容電壓VC1=110 V、VC2=60 V、VC3=VC5=170 V、VC4=230 V；直流側(cè)母線電壓VPN=400 V，仿真值與理論值基本一致。

圖12為直流源輸入電壓Vin=50V時(shí)，3種電路系統(tǒng)的直流側(cè)母線電壓VPN仿真對(duì)比圖。其中，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器、級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的直流側(cè)母線電壓分別為VPN1=400 V、VPN2=90.9 V、VPN3=71.4 V，由圖12可以看出，仿真值與理論值基本一致。由仿真結(jié)果可知，本文所提出的基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖11 基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的仿真波形

圖12 逆變器直流側(cè)母線電壓仿真波形

當(dāng)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)輸出相同時(shí)，即逆變器直流側(cè)母線電壓VPN=400 V時(shí)，3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電容電壓對(duì)比仿真波形如圖13所示。其中，基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的電容電壓VC1=110 V、VC2=60 V、VC3=VC5=170 V、VC4=230 V；級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器的電容電壓VC1=166.7 V、VC2=VC4=116.7 V、VC3=283.3 V；傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的電容電壓VC1=225 V、VC2=175 V。由圖13可以看出，各個(gè)電容電壓的仿真值均與理論值基本一致。

圖13 3種拓?fù)潆娙蓦妷悍抡娌ㄐ?/p>

仿真結(jié)果表明，本文所提出的基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的電容電壓應(yīng)力明顯減小，電容C4兩端的電壓雖然有所增加，但仍然比級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器的最大電容電壓要小。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用改進(jìn)型開關(guān)電感替代級(jí)聯(lián)型準(zhǔn)Z源逆變器中的L3，提出了一種基于改進(jìn)型開關(guān)電感的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先從理論上分析了新拓?fù)浞€(wěn)態(tài)時(shí)的工作原理和工作特性，又與改進(jìn)前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了升壓因子、電容電壓應(yīng)力、二極管反向電壓和輸入電感電流紋波方面的對(duì)比，結(jié)果表明，本文提出的拓?fù)湓谠龃笊龎阂蜃拥耐瑫r(shí)，可以減小網(wǎng)絡(luò)阻抗中電容的電壓應(yīng)力和輸入電感電流紋波，保證了輸入電流的連續(xù)性。最后，利用Matlab/Simulink仿真軟件驗(yàn)證了本文所提拓?fù)涞目尚行院涂煽啃浴?/p>