一种新型耦合电感高升压增益单级逆变电路研究

丁新平 王伯荣 张承慧

（1.青岛理工大学自动化工程学院 青岛 266520 2.山东大学控制科学与工程学院 济南 250061）

1 引言

可再生能源和新能源的发展迫切需要高效节能的电能转换电路以充分利用来之不易的能量。分布式发电系统作为电网的有益补充，在边远地区和环境比较特殊的地方优势非常明显[1]。光伏模块和燃料电池的电压等级对系统的影响较大，高电压需要多个模块的串联，给系统造成了高故障率和高成本的缺点。传统的解决方案是采用如图1所示的两级电路来实现升压及并网功能。前级 DC-DC电路实现直流链电压的升压，后级VSI实现并网功能。

图1 级联DC-DC斩波电路的两级逆变电路Fig.1 DC-DC converter cascaded with VSI

两级电路结构复杂，效率低。文献[3]提出Z源逆变电路（ZSI），作为单级逆变电路（Single-Stage Boost Inverter，SSBI）实现了两级电路的功能，并增强了逆变电路的安全性。准Z源逆变电路（qZSI）是Z源逆变电路的拓展，除了继承了ZSI的优点外，还增加了输入电流连续和电容电压应力小的优点[4]。

ZSI和qZSI独特的升压原理限制了该类电路的升压能力，直通必须加在传统零矢量里面。要得到较高的升压比，逆变电路必须工作在较小的调制因子下。文献[11-14]实现了 SSBI在较小的直通占空比 Dsh时得到较大的升压因子 B。文献[18-21]引入了开关电感以提升ZSI和qZSI的升压能力，得到较高的升压比 B。以上措施不同程度地改善了升压能力，但是在获得高升压增益的同时，相应地带来电路结构复杂、漏感增加等一系列缺点，系统成本、样机重量和体积明显增加，单位功率密度下降。

文献[25]在总结现有单级可升压逆变电路的特点和共性后，提出电抗源逆变电路（X-Source Inverter，XSI）概念。对单级可升压逆变电路进行了统一定义，并提出两种推演单级可升压逆变电路的方法。

本文利用XSI的推演方法，提出了新型高升压增益单级逆变电路，采用耦合电感匝比n和直通占空比 Dsh两个自由度来实现较高的升压比 B。该电路元器件较少、结构简单，作为单级逆变电路能够实现非常高的升压比，优势明显。本文首先利用耦合电感的伏秒平衡法则，推导了电路各部分之间的电压关系。然后详细地分析和研究了电路的工作模式和一个周期里面的工作状态。最后利用仿真软件和实验样机验证了理论分析的正确性和可行性。

2 新型高升压增益单级逆变电路

2.1 典型单级可升压逆变电路

最具代表性的单级可升压逆变电路是如图2a所示的Z源逆变电路。该电路首次实现了单级逆变电路的升压功能。图2b、图2c是在其基础之上进行的优化和改良。三种电路工作模式都是在传统零矢量里面增加了直通零矢量，通过电路的直通实现了电容能量向电感的转换，此时电容相当于电源，在非直通模式时，除了普通的VSI工作模式外，电源给电容充电，电容储能，为直通模式时的放电做好前期储能准备。Z源逆变器和准Z源逆变器的升压比可以表示为：

式中，VPN是直流链电压最大值；Vg是输入电压；Dsh是直通占空比。

图2 几种典型的单级可升压逆变电路Fig.2 The typical single-stage boost inverters

变压器型Z源逆变器结构简单，升压能力较好，具体升压能力和直通占空比的关系见式（2）。要得到高升压增益，必须增加耦合电感的匝比，相应的带来的较大的漏感和串联电阻，给整个逆变系统带来了很大影响，如EMI和损耗等。

其他改良电路诸如开关电感Z源逆变电路等也能得到较大的电压升压能力[18]，但其电路较复杂，并且升压能力也有限。鉴于篇幅，此处不再赘述。

2.2 新型高升压增益单级逆变电路

采用文献[25]提出的 DR-XSI推演法，得到如图3所示的新型高升压增益单级逆变电路，命名为耦合电感升降压电抗源逆变电路（Coupled-Inductor Buck-Boost X-Source Inverter，CIBBXSI）。该电路从耦合升-降压斩波电路（Buck-Boost Converter，BBC）级联电压源逆变器（VSI）的两级电路推演而来。利用逆变桥的续流二级管代替Buck-Boost电路的整流二极管，用耦合电感代替Buck-Boost电路里面的电感就构成了本文所提新型单级高升压增益逆变电路。

图3 单级耦合电感升-降压电抗源逆变电路Fig.3 The coupled-inductor buck-boost X-source inverter(CIBBXSI)

考虑耦合电感的漏感和数学模型后，新型单级高升压增益逆变电路的等效电路如图4所示。

图4 单级耦合电感升-降压电抗源逆变电路等效电路图Fig.4 The equivalent circuit diagram of CIBBXSI

2.2.1 CIBBXSI工作模式及稳态分析

与所有单级可升压逆变电路工作模式相似，新型单级逆变电路也存在两种根本的工作模式：直通模式和非直通模式。如图5所示。直通模式时电容储能，电感释放能量；非直通时电容连同电源一起给负载供电，同时电感储存能量。具体工作模式和电压关系为：

非直通时，电源通过 S7-L1回路给电感充电，电容C和电感L2放电，供给负载能量。关系式为

直通模式时，电感能量通过续流二极管或MOS管（同步整流状态）为电容充电，如图5b所示。该模式下满足关系式

图5 CIBBXSI工作模式Fig.5 The operating modes of proposed CIBBXSI

利用耦合电感两个绕组的电感伏秒平衡法则，由式（3）和式（4）得到电路各部分电压满足

从式（5）可以推导出直流链电压VPN和直流侧电容电压VC分别为

式中，vL1为耦合电感初级绕组电感电压；vL2为耦合电感次级绕组电感电压；Vg为直流输入电源电压；VC为直流侧电容电压；VPN为直流链电压最大值；Dsh为直通占空比；1-Dsh为开关 S7导通占空比；n=Ns/Np为耦合电感次级绕组和初级绕组匝比；B=n/Dsh为直流链电压增益。

从式（6）能够看出，直流链电压最大值可以通过耦合电感匝比n和直通占空比Dsh两个自由度调节，并且直通占空比Dsh越小时，升压增益B越大。消除了直通占空比和调制因子的限制。

图6为直流链电压增益B随逆变电路直通占空比 Dsh的变化情况。在 0

图6 CIBBXSI电压增益与直通占空比的关系Fig.6 The relationship between voltage gain and shoot-through duty cycle of CIBBXSI

2.2.2 CIBBXSI电路周期工作状态

电路在进入稳态后，周期工作。一个周期中基本有下面的4个（3种）工作状态，以有效状态作为周期循环的初始状态。具体时段情况如图7、图8所示。

（1）t1时刻以前：开关S7导通，电源给电感Lm充电，同时连同电容C的能量一起给负载供电，此时输出电流为负载额定电流。

（2）t1-t2时段：该时段，逆变电路进入传统零状态，即传统意义的000或111空间状态。此时直流链电路和交流负载没有能量交换，直流侧输出电流iload为零。电感Lm由电源继续充电，为下一个工作状态储存能量。

图7 CIBBXSI周期工作状态Fig.7 The operating states of proposed CIBBXSI in one switching cycle

图8 CIBBXSI工作模式Fig.8 The operating modes of proposed CIBBXSI

（3）t2-t3时段：在时刻t2之后，直通信号加到逆变桥的开关上，同时关断了S7。电感中储存的能量给电容C充电，充电回路见图6c。值得说明的是，在MOSFET管作为有源器件的逆变电路中，续流通过MOSFET管的反向流动来实现，相当于同步整流电路中的整流管。在 IGBT作为有源元件的逆变电路中，续流电路通过逆变电路反并二极管完成。

（4）t3-t4时段：该时刻为另一个传统零状态，具体和t1-t2时段相似。

（5）t4时刻后，新的有效状态开始，进入下一个循环周期。

3 仿真和实验

3.1 仿真结果

利用 saber仿真软件对本文提出的高升压增益单级逆变电路进行验证。电路的具体参数如表所示，参数取值可以参考文献[25]。

表 仿真和实验验证时电路参数值Tab.The parameters value of the proposed inverter in the simulation and experiment.

图9所示为在输入电压为48V，耦合电感匝比为n=2，直通占空比Dsh=0.22时的仿真波形。直流链电压最大值升到 420V左右，基本符合理论计算值 nVg/Dsh=96/0.22=436V，理论计算和仿真存在差值由仿真电路中寄生参数（电感串联电阻、二极管等效电阻等）的压降造成。升压比B=420/48=8.75，此时逆变电路调制因子为M=0.78。逆变电路输出相电压最大值可以计算为 420V×0.78/2=164。基本满足输出三相额定 120VRMS的要求。仿真结果验证了理论分析的正确性。

图9 仿真波形Fig.9 Simulation waveforms

3.2 实验验证

在实验室构建了1kW样机进行实验验证，样机参数与仿真时完全一致（见表）。实验结果如图10所示。

图10 实验结果Fig.10 Experimental results

由图10a可以看出，逆变器输出电压可以任意调节，并随着调制因子M的增大而升高，符合理论分析。图10b显示，在调制因子 M=0.78，D=0.22时，直流链电压升压比B=420/50=8.4，与理论分析和仿真结果比较吻合。由实验可以看出，本文提出的单级逆变电路能够实现高升压增益，应用在微电网中可以显著减少微源模块的串联个数，减少系统故障率，并提高系统的功率密度。

4 结论

针对单级可升压逆变电路升压能力受调制因子限制的局限性，提出了新型高升压增益单级逆变电路。该电路适合应用于电压大范围变化且升压能力要求较高的场合。具体优点为：

（1）逆变电路元器件较少。能够实现较高的功率密度。

（2）克服了升压能力和调制因子的限制。在较大调制因子下，能够得到较高的升压增益。

（3）电路安全性能高。独特的 LC结构使得逆变电路的直通成为一种工作模式，不会损坏逆变桥。

（4）电容电压引力较之直流链电压最大值小。在可调度式分布式并网系统里面，储能元件的电压等级较小，减少了串联个数，继而降低了成本和故障率。

1kW实验样机如图11所示。

图11 1kW实验样机Fig.11 Prototype of proposed inverter

[1] Blaabjerg F,Zhe C,Kjaer S B.Power electronics as efficient interface in dispersed Power generation systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(5): 1184-1194.

[2] Peng F Z.Z-Source Inverter[J].IEEE Transactions on Industry Application,2003,39(2): 504-510.

[3] Anderson J,Peng F Z.Four Quasi-Z-source inverters[C] In Proc.IEEE PESC’08,Rhodes,Greece,2008.

[4] Haitham Abu-Rub,Atif Iqbal,Moin Ahmed SK,et al.Quasi-Z-source inverter-based photovoltaic generation system with maximum power tracking control using ANFIS[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy,2013,4(1): 11-20.

[5] 张瑾,齐铂金,张少如.Z源三电平中点钳位逆变器的空间矢量调制方法[J].电工技术学报,2010,25(9): 108-114.Zhang Jin,Qi Bojin,Zhang Shaoru.A space vector PWM algorithm for Z-source three-level NPC inverters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(9): 108-114.

[6] Jin-Woo Jung,Ali Keyhani.Control of a fuel cell based Z-source converter[J].IEEE Transaction on Energy Conversion,2007,22(2): 467-475.

[7] Huang,Yi Shen Miaosen,Fang Z Peng,et al,Z-source inverter for residential photovoltaic system[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21(6):1776-1782.

[8] 丁新平,钱照明,崔彬,等.适应负载大范围变动的高性能 Z源逆变器[J].电工技术学报,2007,22(10): 61-67.Ding Xinping,Qian Zhaoming,Cui Bin,et al.A high-performance Z-source inverter operating at wide-range load[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(10): 61-67.

[9] 丁新平,卢燕,钱照明,等.Z源逆变器光伏并网系统光伏电池MPPT和逆变器并网的单级控制[J].电工技术学报,2010,25(4): 122-128.Ding Xinping,Lu Yan,Qian Zhaoming,et al.Single-stage Control of MPPT and Grid-connected on Z-source Inverter PV system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(4): 122-128.

[10] Ge Baoming,Qin Lei,Qian Wei,et al.A family of Z-source matrix converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(1): 35-46.

[11] 赵健伍,黄文新,周玉斐,等.带抽头电感的准 Z源逆变器建模与特性分析[J].电工技术学报,2014,29(6): 7-15.Zhao Jianwu,Huang Wenxin,Zhou Yufei,et al.Modeling and analysis of tapped-inductor quasi-Z-source inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(6): 7-15.

[12] Shen M S,Wang J,Joseph A,et al.Maximum constant boost control of the Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Industry Application,2006,42(3): 770-778.

[13] Dmitri Vinnikov,Indrek Roasto.Quasi-Z-source based isolated DC-DC converters for distributed power generation[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,58(1): 192-201.

[14] Loh P C,Lim Sok Wei,Gao Feng,et al.Three-level Z-source inverters using a single LC impedance network[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,22(2): 706-711.

[15] Gao F,Loh,P C,Blaabjerg F,et al.Five-level Z-source diode-clamped inverter[J].IET Power Electronics,2010,3(4): 500-510.

[16] 刘鸿鹏,王卫,吴辉,等.基于 Z源电容电压变化的并网电流控制策略.电工技术学报,2011,26(7):97-103.Liu Hongpeng,Wang Wei,Wu Hui,et al.Grid Current control strategy based on Z-source capacitor voltage change[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(7): 97-103.

[17] Peng F Z,Shen Miaosen,Qian Zhaoming.Maximum boost control of the Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2006,20(4):833-838.

[18] Miao Zhu,Kun Yu,Fang Lin Luo.Switched inductor Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(8): 2150-2158.

[19] 周玉斐,黄文新,赵健伍,等.开关耦合电感准 Z源逆变器[J].电工技术学报,2014,29(6): 31-39.Zhou Yufei,Huang Wenxin,Zhao Jianwu,et al.Switched coupled inductor quasi-Z-source inverters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(6): 31-39.

[20] Minh-Khai Nguyen,Young-Cheol Lim,Geum- Bae Cho.Switched-inductor quasi-Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(11): 3183-3191.

[21] Wei Qian,Fang Zhengpeng,Cha Honnyong.Trans-Z-source inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(12): 3453-3463.

[22] Shen Miaosen,Fang Z Peng.Operation Modes and characteristics of the Z-source inverter with small inductance or low power factor[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(1): 89-96.

[23] 周玉斐,黄文新,赵健伍,等.一种高升压比的 Z源逆变器[J].电工技术学报,2013,28(9): 239-246.Zhou Yufei,Huang Wenxin,Zhao Jianwu,et al.A high gain Z-source inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(9): 239-246.

[24] 李杰,王得利,陈国呈,等.直驱式风力发电系统的三相Z源并网逆变器建模与控制[J].电工技术学报,2009,24(2): 114-120.Li Jie,Wang Deli,Chen Guocheng,et al.Modeling and control of three-phase Z-source inverter for direct-drive wind generation system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(2):114-120.

[25] Ding Xinping,Zhang Chenghui,Qian Zhaoming.X-source inverter: a generic Z-source inverter structure[C].In Proc.IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Denver,USA,2013:5341-5348.