改进型高增益准 Z 源逆变器

许文强， 王维庆， 王海云

（1.新疆大学 电气工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830047； 2.新疆大学 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心， 新疆 乌鲁木齐 830047）

0 引言

Z 源逆变器[1]通过改变直通时间来提高升压因子，从而改变直流链电压峰值，弥补了电压源逆变器为降压逆变器的不足。 但是，传统的Z 源逆变器升压能力有限， 且直通占空比与调制因子相互制约，升压因子的提高必然降低调制因子范围，导致开关器件的电压应力变大[2]，较小的调制因子范围也会降低电压利用率， 增加系统的不稳定性，这限制了Z 源逆变器的使用领域[3]。

为了进一步提高Z 源逆变器的升压能力，以便于更好的应用于更多的场合， 近年来国内外学者做了大量的研究，各种新型Z 源逆变器拓扑结构不断被提出。 文献[4]总结分析了11 种Z 源逆变器拓扑结构，相比于传统Z 源逆变器，其拓扑结构升压能力有了一定的提升，但电气元件过多，增大了成本与体积。 文献[5]设计了一种前级增加IGBT 的逆变器，虽然提升了升压能力，但是增加了系统控制难度，且成本较高。 文献[6]提出一种增强了型Z 源逆变器， 虽然改善了升压能力，但是电气元器件过多，造成逆变器经济性较差。文献[7]提出一种新型准Z 源逆变器，相比于传统准Z源逆变器，其整体性能有所提升，但是升压能力依然有限。 文献[8]提出一种使用耦合电感的准Z 源逆变器， 克服了传统准Z 源逆变器的一些缺点，但其升压能力的提升还有很大空间。 文献[9]提出一种电源嵌入式Z 源逆变器，但其拓扑结构过于复杂，且升压能力并不理想。

本文在传统准Z 源逆变器的基础上，提出一种改进型准Z 源逆变器， 从而提高了升压能力、扩大了调制因子范围， 使其在新能源领域有更好的应用前景。

1 新型准Z-源逆变器及其原理

本文设计的新型准Z 源逆变器分别用升压单元[10]和开关电感代替传统准Z 源逆变器的两个电感[11]，并且将二极管的位置与传统逆变器位置互换。 该新型准Z 源逆变器拓扑结构如图1 所示。

图1 新型准Z-源逆变器拓扑结构Fig.1 New quasi-Z-source inverter topology

新型准Z 源逆变器分为直通状态和非直通状态，当逆变器处于直通状态时，电容C1，C2，C3，C4，C5开始放电，电感L1，L2，L3，L4开始充电。 此时二极管D1，D2处于反向截止状态， 二极管D3，D4处于正向导通状态。 当逆变器处于非直通状态各电气元件的状态与直通状态相反， 直通状态和非直通状态如图3，4 所示。

图2 直通状态Fig.2 Through state

图3 非直通状态Fig.3 Non-through state

根据电感伏秒定律得：

式中：当占空比D<0.2 时，B>1，新型准Z 源逆变器实现了升压功能。

对式中的升压因子和传统准Z 源逆变器的升压因子[12]进行仿真分析，对比结果如图4 所示。

图4 两种准Z 源逆变器升压能力对比Fig.4 Comparison of two kinds of quasi-Z-source inverter boosting capability

由图4 可知，当D 相等时新型准Z 源逆变器的升压能力明显比传统准Z 源逆变器有了很大的提升。

2 仿真分析及理论验证

为了验证理论的正确性，在MATLAB/Simulink中搭建了模型，分别对新型准Z 源逆变器和传统准Z 源逆变器在简单升压控制策略[12]，[13]下进行了仿真，结果如图5，6 所示。

图5 直流链电压仿真分析Fig.5 DC link voltage simulation analysis

图6 三相负载电压仿真分析Fig.6 Three-phase load voltage simulation analysis

新型准Z 源逆变器仿真参数：L1，L2，L3，L4均为1 mH；C1，C2，C3，C4均为1 000 μF；Ui为60 V；Lf为1 mH；Cf为20 μF；负载电阻Rl为5 Ω。 传统准Z 源逆变器仿真参数：L1，L2为1 mH；C1，C2为1 000 μF；Ui为60 V；Lf为1 mH；Cf为20 μF；负载电阻Rl为5 Ω。 载波频率为10 kHz；D 为0.11；调节因子M 为0.8，仿真时间为0.3 s。

由式（1）、文献[12]以及各仿真参数可得：传统准Z 源逆变器三相负载电压峰值Uac，直流链电压U0分别为30.8 V，67.9 V； 新型准Z 源逆变器三相负载电压峰值Uac， 直流链电压U0分别为106.7 V，266.7 V。

由图5，6 可知，仿真结果与理论计算完全一致，且新型准Z 源逆变器的升压能力远强于传统准Z 源逆变器的升压能力，证明了新型拓扑结构的准确性与有效性。 由式（1）、文献[12]可得，若U0=Ui， 则新型准Z 源逆变器的D 必然要远小于传统准Z 源逆变器的D。又因在简单升压控制策略[12]下，D=1-M，M≤1，所以新型逆变器的调制因子M 有更大的调制范围， 从而便于获得优质的电能。

从两种准Z 源逆变器三相负载电压的仿真波形可以发现，新型准Z 源逆变器负载电压峰值远高于传统准Z 源逆变器负载电压峰值，体现了新型准Z 源逆变器升压能力的提升，从而扩宽了M 的调制范围，使其在新能源领域中有较好的发展前景。

选取0.100 1～0.100 9 s，分别对新型准Z 源逆变器和传统准Z 源逆变器两种拓扑结构的8 个开关周期（每个开关周期时间为0.000 1 s）的直流链电压脉动波形进行分析，结果如图7 所示。

图7 直流链电压脉动波形分析Fig.7 DC chain voltage ripple waveform analysis

图7 中， 每个周期内电压为0 的时间是直通时间， 电压为正的时间是非直通时间。 新型准Z源逆变器拓扑和传统准Z 源逆变器拓扑的直流链电压理论计算值分别为266.7 V，67.9 V。 图7的理论计算与仿真结果完全一致，且新型准Z 源逆变器拓扑的升压能力远强于传统准Z 源逆变器拓扑的升压能力。

当两种拓扑结构直流链电压相等时， 对其电容电压应力进行分析。 取直流链电压峰值为300 V，且D 不变，由式（1），（5）可得新型准Z 源逆变器和传统准Z 源逆变器的输入电压Ui分别为67.5 V，234 V。 其他仿真参数不变，分析结果如图8 所示。

由式（1）、文献[12]及各仿真参数可得，传统准Z 源逆变器UC1，UC2的理论计算值分别为267 V，33 V； 新型准Z 源逆变器UC1，UC2，UC3，UC4，UC5的 理 论 计 算 值 分 别 为166.5，133.5，33，133.5，33 V。 仿真结果与理论计算完全一致，证明了该新型准Z 源逆变器拓扑结构的准确性与有效性。 当获得相同的直流链电压峰值时，新型准Z 源逆变器C1电压应力减小，然而由于升压能力的提升，电容C2的电压应力增大，综合考虑两种准Z 源逆变器的整体性能。 新型准Z 源逆变器的性能更加优越。

图8 电容电压仿真分析Fig.8 Capacitor voltage simulation analysis

3 结束语

本文提出了一种新改进型准Z 源逆变器，并对其进行分析，在MATLAB/Simulink 下搭建了仿真模型， 验证了理论的准确性与有效性。升压能力的提升使新型准Z 源逆变器拥有较大的调制因子范围，从而可以确保输出优质的电能并使其应用范围更广。更加适用于光伏发电系统等输入电压较低或者直流侧与交流侧电压变化较大的场合。