基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器

李云侠，张巧杰，余 巧

(北京信息科技大学 自动化学院， 北京 100192)

随着国家“十三五”计划的颁布实施，促使新能源的应用研究尤其是光伏发电迅速发展[1-2]。传统的光伏逆变器通常由DC/DC升压电路和逆变器两级结构组成，2004年彭方正[3-4]教授提出的Z源逆变器只需要一级结构就可以同时完成升压和逆变的功能。另外，Z源逆变器利用其独特的Z源阻抗网络，允许逆变器的上下桥臂同时导通，并利用其直通状态实现升压功能，不需要设置死区，从而弥补了传统逆变器由死区时间带来的缺陷，提高了逆变器输出波形的质量。但是传统的Z源逆变器也存在缺陷：输入电流不连续、冲击电流大、硬件电路成本高。针对上述缺陷，彭教授提出了准Z源逆变器[5]，两者具有相同的工作原理，但是升压能力未得到提升。光伏发电系统输入电压一般较低，为了得到较高的输出并网电压，需要增大直通占空比D0，而较大的直通占空比D0会降低逆变器的基波逆变能力，从而影响逆变器的输出波形质量[6-8]。近年来，提高准Z源逆变器的升压能力成为相关领域一个新的研究热点。文献[9～10]通过增加开关器件，实现增大Z源网络升压能力的目的；文献[11～12]利用耦合电感结构提高准Z源逆变器的升压能力；文献[13]结合前者的特性，将耦合电感和开关电感相结合，更好地提高了升压因子，同时降低了电容电压应力；文献[14～15]通过将Z源网络级联，得到大升压比的阻抗结构，更适应于低输入电压的发电场合。

本文在上述研究的基础上，提出了一种基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器结构，该结构是用一个改进型开关电感替代级联型准Z源逆变器中的一个储能电感。新拓扑在相同直通占空比的情况下具有更大的升压因子和更小的电容电压应力。

1 基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器拓扑结构和原理分析

1.1 级联型准Z源逆变器的拓扑结构

文献[14～15]所提的级联型准Z源逆变器拓扑结构如图1所示，图中，L1～L3为电感，D1、D2为二极管，C1～C4为电容，S1～S6为逆变器开关管。该结构由两级准Z源阻抗网络构成，其工作原理和传统准Z源逆变器相同。稳定状态下的升压因子为：

(1)

式中：B为升压因子；VPN为直流侧母线电压；Vin为输入电压；D0为直通占空比，D0=T0/T，T0为一个开关周期T内的直通时间。

图1 级联型准Z源逆变器的拓扑结构

1.2 改进型开关电感单元

为了提高准Z源逆变器的升压能力，在级联型准Z源逆变器结构中引入改进的开关电感单元，如图2(a)，由两个电感L3、L4，两个二极管D3、D4和一个电容C5构成。该开关电感单元有两种工作状态：充电模式和放电模式，分别如图2(b)和(c)所示。

图2 改进开关电感单元

本文用图2所示的单元结构代替图1中的电感L3，得到基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器，如图3所示。

1.3 基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的工作原理

改进后的准Z源逆变器与传统的准Z源逆变器的工作原理完全相同，工作状态可分为直通状态和非直通状态(6种有效状态和2种零状态)。本文计算时假设所有器件均工作在理想状态，同时拓扑中的电容和电感的取值均相同，即L1=L2=L3=L4=L，C1=C2=C3=C4=C5=C。

图3 基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器拓扑

1) 直通状态。当准Z源逆变器工作在直通状态时，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的三相桥臂工作在直通零电压状态，等效为短路，其等效电路如图4(a)所示。此时，前级准Z源阻抗网络结构中的二极管D1反向截止，电源和电感L1给电容C1、C2充电；后级准Z源阻抗网络结构中的二极管D2反向截止，电容C3、C4充电，开关电感单元中的二极管D3、D4导通，电容C5充电，电感L3、L4放电。

根据基尔霍夫电压定律(KVL)，可得电感电压方程：

(2)

2) 非直通状态。当准Z源逆变器工作在非直通状态时，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器等效为电流源，其等效电路如图4(b)所示。此时，前级准Z源阻抗网络结构中的二极管D1导通，电容C1、C2放电，电感L1充电；后级准Z源阻抗网络结构中的二极管D2导通，电容C3、C4放电，开关电感单元中的二极管D3、D4反向截止，电容C5放电，电感L3、L4串联充电。

根据KVL，可得电感电压方程：

(3)

图4 基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的等效电路

电路运行稳定后，由电感L1、L2、L3、L4、L5的伏秒平衡关系，可得电感平衡方程：

(4)

稳态时，电容C1、C2、C3、C4、C5两端的电压分别为：

(5)

该逆变器的直流侧母线电压为：

(6)

改进后准Z源逆变器的升压因子为：

(7)

在简单升压控制中，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的直通占空比D0最大值为1-M，当M=1时，D0=0，M为逆变器的调制系数。

此时，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的电压增益G为：

(8)

同理，根据式(1)可得级联型准Z源逆变器的电压增益G为：

(9)

2 基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器工作特性对比分析

2.1 升压能力对比分析

基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器、级联型准Z源逆变器和传统准Z源逆变器的升压因子B随直通占空比D0变化的对比曲线如图5所示。由图可知，当直通占空比小于0.2时，改进后的逆变器升压能力明显提升，在直通占空比D0较小时就拥有较大的升压因子B，升压能力的可选择范围比较大，更适用于光伏发电系统。

图5 升压因子随直通占空比变化的曲线

基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器、级联型准Z源逆变器和传统准Z源逆变器的电压增益G随调制系数M变化的对比曲线，如图6所示。由图6可知，当调制系数取相同值，即具有相同的升压能力时，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的电压增益更高，并且在调制系数较大时即可获得较高的电压增益。

图6 电压增益随调制系数变化的曲线

2.2 输入电感电流纹波对比分析

由图4可知，当改进后的逆变器运行在直通状态时，电感L1充电，当其运行在非直通状态时，L1放电，由储能原理可得输入电感电流纹波值ΔiL1a为：

(10)

将式(7)代入式(10)，可得：

(11)

同理，图1所示的级联型准Z源逆变器的输入电感电流纹波值ΔiL1b为：

(12)

传统准Z源逆变器的输入电感电流纹波值ΔiL1c为：

(13)

联立式(11)、式(12)和式(13)可得基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器、级联型准Z源逆变器与传统准Z源逆变器的输入电感电流纹波相对值：

(14)

(15)

式中：K1表示基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器与传统准Z源逆变器的输入电感电流纹波相对值；K2表示级联型准Z源逆变器与传统准Z源逆变器的输入电感电流纹波相对值。

根据式(14)和式(15)可得3种拓扑的输入电感电流纹波相对值K1、K2随升压因子B变化的曲线，如图7所示。

图7 输入电感电流纹波相对值

由图7可知，在升压因子B>1，即逆变器处于升压状态时，在其具有相同的升压能力的情况下，K1和K2均小于1，且K1

2.3 电容电压应力对比分析

联立式(5)和式(7)，可得电容电压应力关于升压因子B的方程：

(16)

根据式(16)，可得电容电压应力与输入电压的比值关于升压因子的对比分析图，如图8所示。由图可知，当3种准Z源逆变器具有相同升压能力时，即升压因子B取相同值时，改进后拓扑中电容C1、C2和C3两端的电压应力明显减小，但电容C4两端的电压有所增加。由式(7)可知，当直通占空比D0=0.15时，升压因子为8，此时电容C1、C2、C3、C4的电压相对输入电压Vin的倍数分别为2.2、1.2、3.4、4.6，即使电容C4的电压相对增大，仍比改进前拓扑的最大电容电压应力要小。总的来说，改进后的拓扑比改进前更好。

图8 3种准Z源逆变器电容电压应力对比

2.4 二极管反向电压对比分析

由图4的分析可知，在直通状态下，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的二极管D1、D2反向截止，D3、D4导通，因此在直通状态下承受反向电压的是二极管D1、D2。关断二极管反向电压为：

(17)

(18)

式中：VD1、VD2、VD3、VD4为二极管D1、D2、D3、D4的反向电压。

同理可知，在直通状态下，级联型准Z源逆变器的二极管D1、D2反向截止，二极管D1、D2反向电压为：

(19)

根据式(17)～式(19)可知，与级联型准Z源逆变器相比，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器中D1的反向电压应力减小，D2的反向电压应力不变，额外增加的D3、D4所承受的反向电压较小，仅为D1的一半。

基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器与级联型准Z源逆变器的性能对比如表1所示。从表1中可以看出，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器与级联型准Z源逆变器、传统准Z源逆变器相比，升压能力得到明显提升，而电容电压应力明显减小。

表1 3种准Z源逆变器的性能对比

3 仿真分析

由于实验条件的限制，本文仅做了仿真验证。参数设置如下：准Z源阻抗网络中电感为1 mH，电容为470 μF，开关频率为10 kHz，直通占空比D0为0.15；逆变器输出端接滤波器及阻性负载，三相输出滤波器滤波电感为3 mH，滤波电容为470 μF；三相阻性负载为10 Ω。根据图3搭建改进后准Z源逆变器的Matlab/Simulink仿真模型。基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器系统的仿真结果如图9～13所示。

基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的输入电感电流和二极管反向电压的仿真波形分别如图9和图10所示。由图可知，输入电感电流和二极管反向电压的仿真值均与理论分析基本一致。

图9 输入电感电流仿真波形

图10 二极管反向电压仿真波形

简单升压调制策略下，直流源输入电压Vin=50 V时，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的交流仿真波形如图11所示。

由图11可知，逆变器输出相电压最大值Va=280 V，稳态时的电容电压VC1=110 V、VC2=60 V、VC3=VC5=170 V、VC4=230 V；直流侧母线电压VPN=400 V，仿真值与理论值基本一致。

图12为直流源输入电压Vin=50V时，3种电路系统的直流侧母线电压VPN仿真对比图。其中，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器、级联型准Z源逆变器和传统准Z源逆变器的直流侧母线电压分别为VPN1=400 V、VPN2=90.9 V、VPN3=71.4 V，由图12可以看出，仿真值与理论值基本一致。由仿真结果可知，本文所提出的基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的升压能力远远高于其他两种拓扑结构。

图11 基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的仿真波形

图12 逆变器直流侧母线电压仿真波形

当准Z源阻抗网络输出相同时，即逆变器直流侧母线电压VPN=400 V时，3种拓扑结构的电容电压对比仿真波形如图13所示。其中，基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的电容电压VC1=110 V、VC2=60 V、VC3=VC5=170 V、VC4=230 V；级联型准Z源逆变器的电容电压VC1=166.7 V、VC2=VC4=116.7 V、VC3=283.3 V；传统准Z源逆变器的电容电压VC1=225 V、VC2=175 V。由图13可以看出，各个电容电压的仿真值均与理论值基本一致。

图13 3种拓扑电容电压仿真波形

仿真结果表明，本文所提出的基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器的电容电压应力明显减小，电容C4两端的电压虽然有所增加，但仍然比级联型准Z源逆变器的最大电容电压要小。

4 结 语

本文采用改进型开关电感替代级联型准Z源逆变器中的L3，提出了一种基于改进型开关电感的级联准Z源逆变器拓扑结构。首先从理论上分析了新拓扑稳态时的工作原理和工作特性，又与改进前的拓扑结构进行了升压因子、电容电压应力、二极管反向电压和输入电感电流纹波方面的对比，结果表明，本文提出的拓扑在增大升压因子的同时，可以减小网络阻抗中电容的电压应力和输入电感电流纹波，保证了输入电流的连续性。最后，利用Matlab/Simulink仿真软件验证了本文所提拓扑的可行性和可靠性。