《电子技术应用》

增强型准Z源逆变器的设计和验证

2017年电子技术应用第5期 作者:李正明,周建伟,张国松
2017/6/27 11:28:00

李正明,周建伟,张国松

(江苏大学 电气信息工程学院,江苏 镇江212013)


    摘  要: 传统的Z源逆变器的升压倍数较低,限制了Z源逆变器在一些输入电压等级较低的场合的应用。针对这种情况,提出增强型准Z源逆变器。相比于前人提出的拓扑具备下列优势:提高了逆变器整体的升压能力,从而增加了逆变器的使用场合;高调制因子,使逆变器可以输出较高质量的电能。对两种增强型拓扑进行理论分析,仿真和实验验证了这两种拓扑的可行性和优越性。

    关键词: 准Z源逆变器;升压能力;直通

    中图分类号: TM464

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.05.036


    中文引用格式: 李正明,周建伟,张国松. 增强型准Z源逆变器的设计和验证[J].电子技术应用,2017,43(5):147-150,154.

    英文引用格式: Li Zhengming,Zhou Jianwei,Zhang Guosong. Design and verification of enhanced quasi-Z source inverter[J].Application of Electronic Technique,2017,43(5):147-150,154.

0 引言

    传统的电压源逆变器具有两个主要问题:第一,交流输出电压总是比直流输入电压低,也就是说:传统的电压源逆变器只能工作在降压模式中。这就不适用于一些直流输入电压较低的场合,比如说微网中的光伏并网,它需要将太阳能电池中较低的直流输入电压转换为相对较高的电网交流电压。这就需要在前段安装一个DC/DC转换器来提高输入电压等级,而安装DC/DC转换器会引进复杂的控制方法,并且增加设备投入的成本。第二,传统电压源逆变器同一桥臂上的上下开关不能同时导通,否则会出现短路状况,损坏逆变器。因此,需要加入死区时间,而死区时间的加入又会引起波形的畸变。

    Z源逆变器[1]克服了传统电压源逆变器的上述不足,被广泛应用于新能源发电系统中。但是传统Z源逆变器也存在着众多问题,比如较小的升压能力,输入电流断续等。文献[2]中提出了四种准Z源逆变器,其中第二种准Z源逆变器输入电流连续,且在相同的升压倍数下降低了器件的应力,为后续学者改进Z源逆变器提供了原型。文献[3]用一个开关电感替代文献[2]准Z源逆变器中的一个电感,构成开关电感(Switched Inductor,SL)准Z源逆变器Ⅰ型,从而提升了准Z源逆变器的升压能力。文献[4]在文献[3]的基础上,用一个自举电容来替代SL准Z源逆变器Ⅰ型中的一个二极管,构成SL准Z源逆变器Ⅱ型,进一步提升了准Z源逆变器的升压能力。但是升压能力依旧有限,达不到实际应用中的要求。

    本文在文献[4]研究的基础上,借鉴部分学者通过级联开关电感来提升Z源逆变器升压能力的思想,在文献[4]改进的开关电感上再级联一层,构成增强型拓扑Ⅰ型。同时用自举电容代替开关电感中的一个二极管,构成增强型拓扑Ⅱ型。在避免硬件结构过于复杂的基础上极大地提升了准Z源逆变器的升压能力,使这两种准Z源逆变器可以应用于大多数场合。

1 增强型准Z源逆变器

1.1 电路拓扑

    本文提出的两种增强型准Z源逆变器拓扑如图1和图2所示。

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    与文献[4]所提出的SLⅡ型准Z源逆变器不同的是:本文在文献[4]所示的拓扑结构上,分别增加D4、D5、D6、L4构成增强型准Z源逆变器Ⅰ型和增加D4、D5、C4、L4构成增强型准Z源逆变器Ⅱ型。Ⅰ型和Ⅱ型在拓扑结构上非常相似,唯一的区别是Ⅱ型用一个自举电容C4代替了Ⅰ型中的一个二极管D6

1.2 工作原理

    两种增强型准Z源逆变器的升压原理相同,都可分为直通和非直通两种工作状态进行分析。为了简化分析,假设所有器件都在理想状态下工作,并且增强型准Z源逆变器拓扑中所有电感或者电容的取值相同,即电感L1=L2=L3=L4=L;电容C1=C2=C3=C4=C。

    首先对增强Ⅰ型准Z源逆变器进行稳态分析。当处于直通状态时,逆变桥导通,可以等效为短路状态。同时二极管D1、D6断开,D2、D3、D4、D5导通。等效电路图如图3(a)所示。根据基尔霍夫电压定律,可得如下公式:

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    根据伏秒平衡定理:在一个开关周期内电感两端电压的积分为0,可得

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    增强Ⅱ型的两种工作状态如图4所示。

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    由图4(a)可知,增强Ⅱ型在直通状态下的电路方程为:

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    同样由伏秒平衡定理可得:

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1.3 Z源网络升压能力

    增强Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型Z源网络的升压能力如图5所示,由图5可见,增强Ⅰ型的升压能力高于SLⅡ型准Z源逆变器,尤其是在直通比D大于0.2的时候。而增强Ⅱ型的升压能力比增强Ⅰ型和SLⅡ型准Z源逆变器都要出色。当D在0.1~0.2之间时,增强Ⅱ型的升压因子B在5~15之间,远远大于相同条件下SLⅡ型的升压能力(B在2.87~5之间)。并且随着D继续增大(D<0.25),它的升压能力会急剧增大。所以在相同D的情况下,两种增强型准Z源逆变器比SLⅡ型准Z源逆变器具有更高的升压能力,更适用于光伏、燃料电池等新能源的大功率发电并网系统。

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1.4 整个逆变器升压能力分析

    Z源逆变器的升压能力是由Z源网络本身和PWM控制策略共同决定的。在简单升压控制方法下,直通占空比D最大值可以表示为

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    根据式(15)、式(16),可以绘制增强Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型准Z源逆变器在简单升压控制下的交流升压增益对比曲线。如图6所示,两种增强型准Z源逆变器的升压能力均优于SLⅡ型准Z源逆变器。增强Ⅰ型在调制系数M接近0.7的时候电压增益G会显著增大,对比SLⅡ型准Z源逆变器升压效果明显。而增强Ⅱ型在M趋近0.8时就能获得很大的电压增益。当M=0.8时,增强Ⅱ型的电压增益为12相比较SLⅡ型的电压增益G等于4具有显著的优势。这就意味着对于任意给定的交流升压增益G,增强型准Z源逆变器可以采用更高的调制因子,从而提高输出电能质量,并降低开关器件的电压应力。

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2 仿真分析

    在上文对增强Ⅰ型、Ⅱ型进行详细理论分析的基础上,为了验证相关理论分析的正确性,在MATLAB/Simulink仿真软件里搭建了增强Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型准Z源逆变器拓扑的仿真模型。仿真所用参数设置如表1所示。

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    当这三种拓扑D=0.2时,根据理论分析计算得出增强Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型准Z源逆变器的直流链电压UPN分别为293 V、720 V和240 V,仿真结果如图7所示。

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    由仿真波形可见,增强Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型准Z源逆变器的直流链电压大小和计算结果基本一致。在升压能力方面,增强Ⅰ型略优于SLⅡ型准Z源逆变器,而增强Ⅱ型的升压能力相较于SLⅡ型准Z源逆变器具有明显的优势。另外,由图7可见,增强Ⅰ型的直流链电压是由低到高逐渐趋于稳定,证明增强Ⅰ型不存在启动冲击的问题。相较于SLⅡ型准Z源逆变器更加安全稳定。

3 实验验证

    为了进一步验证理论分析的有效性,对两种增强型准Z源逆变器进行了实验,输入电压Uin=50 V,其他实验参数与仿真参数一致(见表1)。图8、图9所示为简单升压控制下,两种增强型准Z源逆变器与SLⅡ型准Z源逆变器的逆变器直流侧电压及输出电压的实验波形。其中图8是在直通占空比D=0.25的情况下,增强Ⅰ型与SLⅡ型准Z源逆变器的实验结果图。图9为直通占空比D=0.2的时候,增强Ⅱ型以及SLⅡ型准Z源逆变器的实验结果。

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    由实验波形可见,本文提出的两种增强型准Z源逆变器的升压能力均优于前人提出的SLⅡ型准Z源逆变器。在D=0.25时,增强Ⅰ型的UPN相对于Uin的升压倍数为12(从50 V到600 V)>SLⅡ型相同条件下的8倍左右(从50 V到400 V)的升压能力;而增强Ⅱ型在D=0.2时,其升压倍数就能达到15(从50 V到750 V)>>同等情况下的SLⅡ型准Z源逆变器的5倍左右(从50 V到250 V)的升压能力。实验结果验证了理论分析的有效性。

4 结论

    本文针对现有Z源逆变器升压能力不足的问题,提出两种增强型准Z源逆变器。分析了其稳态工作原理,与前人提出的SLⅡ型准Z源拓扑相比,它具有以下优点:

    (1)在相同的直通占空比下,增强型拓扑拥有更高的电压增益,能够应用于输入电压等级较低的场合。

    (2)在实现相同电压增益的前提下,调制因子较高,能够提高逆变器输出的电能质量。

仿真以及实验结果验证了上述结论。 

参考文献

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