Z源逆變器

1 Z源逆變器的提出背景

能源是經(jīng)濟發(fā)展的基礎，沒(méi)有能源工業(yè)的發(fā)展就沒(méi)有現代文明。隨著(zhù)世界能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴重，能源和環(huán)境成為二十一世紀人類(lèi)所面臨的重大基本問(wèn)題，清潔的可再生能源的發(fā)展和應用越來(lái)越受到世界各國的廣泛關(guān)注。DC/AC變流電路，即逆變電路，能夠實(shí)現直流電能到交流電能的轉換。在已有的電能生產(chǎn)方式中，化學(xué)能電池和太陽(yáng)能電池都屬于直流電源，當需要由這些電源向交流負載供電時(shí)，就必須要經(jīng)過(guò)DC/AC變換。此外，還有公共電網(wǎng)和各種獨立電源，由這些電源向交流負載供電是最普遍的方式，但隨著(zhù)生產(chǎn)的發(fā)展，有相當一部分的用電負載對供電質(zhì)量有特殊要求，上述電源難于直接向這些負載供電。為滿(mǎn)足這些要求，也需要DC/AC變換。直接將太陽(yáng)電池或化學(xué)電池等直流電能轉換為負載所需要的交流電能稱(chēng)為直接變換。而采用AC-DC一AC結構的多級轉換系統中的逆變轉換稱(chēng)為間接變換。

根據直流側濾波器的形式，傳統的逆變電路可以分為電壓源和電流源兩類(lèi)。電壓源逆變器輸入直流電壓而輸出交流電壓，根據應用場(chǎng)合的不同，輸出電壓的幅值和頻率可以恒定或變化。其電路結構如圖1所示。而電流源逆變器則是需要輸入一個(gè)恒定的電源，其電路結構如圖2所示。

圖1 電壓源逆變器電路結構

圖2 電流源逆變器電路結構

電壓源逆變器和電流源逆變器存在下述共同的缺點(diǎn)。

(1) 它們或是升壓型，或是降壓型變換器，而不可能是升/降壓型變換器。也就是說(shuō)，它們可得到的輸出電壓范圍是有限的，或低于、或高于輸入電壓，如果需要較寬的輸入電壓范圍，需要額外附加一級DC/DC變流器，影響效率的提高。

(2) 它們抗電磁干擾的能力較差，當由于電磁干擾導致橋臂短路或者開(kāi)路時(shí)，容易造成變流器損壞，影響它們的可靠性。

(3) 針對不同性質(zhì)的負載，其主電路不同，當負載性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，主電路必須跟著(zhù)變化。

雖然說(shuō)傳統的電壓源和電流源逆變器存在缺點(diǎn)，但是基于傳統的電壓源和電流源逆變器的電力傳動(dòng)系統又應用非常普遍。因此，研究一種拓撲簡(jiǎn)單、效率高、可靠性高的逆變器來(lái)取代傳統的逆變器將會(huì )產(chǎn)生很大的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

2 Z源逆變器的拓撲結構及工作原理

Z源逆變器是2002年美國密西根州立大學(xué)的彭方正教授提出的一種新型逆變器。它為功率變換提供了一種新的思路和理論，可以克服傳統電壓源和電流源逆變器的不足之處。Z源逆變器引進(jìn)了一個(gè)包含電感L1、L2和電容器C1、C2的二端口網(wǎng)絡(luò )接成X形的Z源網(wǎng)絡(luò )，將逆變器主電路與電源耦合。圖3所示的是Z源功率逆變器的一般拓撲結構。

圖3 Z源逆變器的一般拓撲

以傳統三相阻抗型電壓源逆變器為例，傳統的三相逆變器具有8個(gè)允許的開(kāi)關(guān)狀態(tài)或矢量，而Z源逆變器則有9個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)或矢量。除了傳統逆變器工作時(shí)所具有的6個(gè)非零矢量（有效矢量）和2個(gè)零電壓矢量，Z源逆變器還有一個(gè)另外的零電壓矢量，即在原來(lái)的零電壓矢量中間插入同臂的上下器件同時(shí)導通的短路零矢量。在傳統的電壓源逆變器中，這個(gè)短路零電壓矢量是禁止的，因為輸入端為容性，它會(huì )導致瞬間直通短路時(shí)的過(guò)電流而損壞開(kāi)關(guān)器件。而Z源網(wǎng)絡(luò )的引入，使短路零電壓矢量在三相電壓型逆變器中成為可能。就是這個(gè)短路零電壓矢量的應用，為三相電壓型逆變器提供了獨特的升壓、降壓特性。圖4為產(chǎn)生短路零矢量的一種控制時(shí)序圖。

圖4 產(chǎn)生短路零矢量的控制時(shí)序圖

當Z源逆變器工作在傳統的6種非零電壓矢量和2種零電壓矢量的任意一種時(shí)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中逆變橋側可以等效為一個(gè)電流源（當處于傳統的兩個(gè)零電壓矢量狀態(tài)時(shí)，逆變橋也可以用一個(gè)零值的電流源或開(kāi)路來(lái)代替），其等效電路如圖5如下

圖5 Z源逆變器工作在非短路零矢量時(shí)的等效電路

當Z源逆變器工作在短路零矢量時(shí)，逆變器相當于短路狀態(tài)，其等效電路如圖6所示：

圖6 Z源逆變器工作在短路零矢量時(shí)的等效電路

若電感L1、L2和電容器C1、C2分別具有相同的電感量L和電容量C，Z源網(wǎng)絡(luò )則變?yōu)橐粋€(gè)對稱(chēng)網(wǎng)絡(luò )。假設電路已經(jīng)工作在穩態(tài)，根據電路對稱(chēng)和等效電路，可得：

vL1=vL2=vL，VC1=VC2=VC。

假設在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T中，逆變橋工作于直通狀態(tài)中的一種工作狀態(tài)的時(shí)間為T(mén)0，由等效電路圖6可得：

vL=VC，vd=2VC，vi=0 。

逆變橋工作于非直通零電壓狀態(tài)的時(shí)間為T(mén)1，由等效電路圖5可得：

vL= V0－VC，vd = V0，vi= VC－VL=2VC－V0。

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T中，電感兩端的平均電壓在穩態(tài)下必然為0，由上式可得

上式表明，通過(guò)選擇一個(gè)合適的升/降壓因子BB，輸出電壓可以升高和降低(相對于輸入電壓)。升/降壓因子BB是由調制因子 和升壓因子B≥1決定的。

3 Z源逆變器的優(yōu)點(diǎn)

從Z源逆變器的電路拓撲結構可以看出，它是由一個(gè)包含電感器L1、L2和電容器C1、C2的二端口網(wǎng)絡(luò )接成X形，以提供一個(gè)Z源，將逆變器和直流電源耦合在一起。與傳統的電壓源逆變器或電流源逆變器不同的是，它允許逆變橋臂瞬時(shí)開(kāi)路或短路而不會(huì )燒毀器件，這為逆變器主電路根據需要升壓或降壓提供了一種機制。Z源網(wǎng)絡(luò )為電源、主電路和負載提供了巨大的靈活性。Z源逆變器的電源既可為電壓源，也可為電流源，Z源逆變器的主電路既可為傳統的電壓源結構，也可為傳統的電流源結構。另外，Z源逆變器所采用的開(kāi)關(guān)可以是開(kāi)關(guān)器件和二極管的組合，Z源逆變器的負載可為電感性或電容性。

對于Z源逆變器來(lái)說(shuō)，因為它既可以以電壓源逆變器模式工作，也可以以電流源逆變器模式工作，它具有以下的獨特優(yōu)點(diǎn)。

(1) 從電路結構上

以電壓型逆變器模式工作時(shí)，Z源逆變器的輸入電源為電壓源，主電路為傳統的電壓源逆變器結構，Z源網(wǎng)絡(luò )輸入阻抗較小，所采用的開(kāi)關(guān)是開(kāi)關(guān)器件和二極管反并聯(lián)的組合，負載為感性，輸出阻抗較大。以電流型逆變器模式工作時(shí)，Z源逆變器的輸入電源為電流源，主電路為傳統的電流源逆變器結構，Z源網(wǎng)絡(luò )輸入阻抗較大，所采用的開(kāi)關(guān)是開(kāi)關(guān)器件和二極管串聯(lián)的組合，負載為容性，輸出阻抗較小。

(2) 從控制方法上

以電壓型逆變器模式工作時(shí)，Z源逆變器主電路可以承受瞬時(shí)短路，并通過(guò)特殊的控制方式引入短路零矢量，為逆變器的升壓提供可能，從而使該電路成為boost型電路。

以電流型逆變器模式工作時(shí)，Z源逆變器主電路可以承受瞬時(shí)開(kāi)路，并通過(guò)特殊的控制方式引入開(kāi)路零矢量，為逆變器的降壓提供了可能性，從而使該電路成為buck型電路。

4 Z源逆變器的發(fā)展前景

Z源逆變器已經(jīng)在很多具體方面有所應用，并取得很好的效果。

（1）Z 源逆變器在燃料電池供電系統的混合動(dòng)力方面的應用，取得很好的性能，能夠克服燃料電池輸出直流電壓大范圍變化帶來(lái)的影響，是單級電路，控制簡(jiǎn)單，效率高，同時(shí)安全性能也得到了大幅度的提高。

( 2 ）交流調速系統，由于電網(wǎng)電壓的跌落而容易造成系統工作的中斷和癱瘓。為了抑制電壓跌落對系統造成的危害，通常情況下增加一級電路來(lái)實(shí)現升壓功能，以承受電網(wǎng)電壓跌落，此時(shí)，系統結構復雜，增加了系統硬件。而Z源逆變器在交流調速系統中能夠承受電網(wǎng)電壓跌落，同時(shí)具有改善網(wǎng)側電流波形的能力?；赑WM 的Z源交流調壓電路，在交流調速中也有一定的優(yōu)勢。

( 3 ) Z源逆變器在分布式發(fā)電系統中作為功率調節環(huán)節，能夠適應各種大范圍變動(dòng)的電源電壓，同時(shí)，降低了逆變器的功率等級和電源的電壓等級。對系統的低成本、高安全性、控制方面有很大的優(yōu)勢。隨著(zhù)節能減排及新能源應用的發(fā)展，Z源逆變器將會(huì )有更好的發(fā)展前景。

參考文獻

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