一种新型电源嵌入式Z 源逆变器

房绪鹏，林 强，王晓丽，李凤钊

（山东科技大学电气与自动化工程学院，青岛 266590）

逆变器广泛应用于分布式电力系统和可再生能源系统中，传统的电流源、电压源逆变器是DCAC 功率变换的主要拓扑结构。传统电压源逆变器只具有降压功能，因此必须利用额外的DC-DC 变换器来进行升压，电路元件增多、控制方式复杂、成本增加[1-2]。针对传统电压源逆变器的先天缺陷，彭方正教授提出了Z 源逆变器ZSI（Z-source inverter）[3]。与传统逆变器相比，Z 源逆变器可以消除开关管死区时间，实现单级升、降压变换，有效弥补传统电压源逆变器的不足，但同时也存在一些缺点，例如器件应力大和输入电流不连续等。文献[4]提出的准Z 源逆变器具有传统Z 源逆变器的全部优点，不仅降低了电容器的电压应力，还使输入电流连续，但是在升压能力方面并没有得到改善。

近年来，国内外许多学者对Z 源拓扑做了一系列改进。文献[5-6]提出了一系列含有耦合电感的Z源逆变器拓扑，这类拓扑在原有阻抗源网络的基础上加入耦合电感，逆变器变得更加灵活，但是耦合电感的漏感不可避免，开关两端容易产生尖峰电压，导致电路器件损坏；文献[7-10]用开关电感结构或者开关电容结构等替换电感电容元件，利用多个L、C 进行吸收和释放能量，大大提高了升压能力，同时减小了输出电压的谐波含量；文献[11]将两个准Z 源网络进行级联，储能元件增多，电压增益提高；文献[12]将输入电源嵌入电路，保证输入电流连续的同时降低了电容的额定值；文献[13]提出了变换器电源放置的一般规律，对电源放置在不同位置时的变换器性能进行了对比和分析。

本文在已有研究的基础上，提出了一种新型电源嵌入式Z 源逆变器拓扑结构（简称新型Z 源逆变器）。这种结构具有出色的升压能力，而且开关应力和电容电压应力有所减小，此外还具有一定的电源容错能力，大大提高了系统的稳定性。

1 新型Z 源逆变器拓扑结构及工作原理

图1 为本文提出的新型Z 源逆变器电路原理。新拓扑保留了Z 源逆变器上下对称的结构，直流电源嵌入阻抗网络中，极性与电容器C1的极性一致，电感L1在起到限制启动冲击电流作用的同时还可以起到滤波的作用。

图1 新型Z 源逆变器Fig.1 Novel power supply embedded Z-source inverter

新型Z 源逆变器正常运行时包含两个工作状态：直通状态和非直通状态，其等效电路如图2 所示。直通状态时，负载端短路，逆变桥可用导线代替，此时二极管D1、D2、D3反向截止，D4、D5正向导通，电容C1、C3和电源V1向电感L1、L2充电，电容C2、C4和电源V2向电感L3、L4充电；非直通状态时，逆变桥和交流负载等效为理想电流源，此时二极管D1、D2、D3正向导通，D4、D5反向截止，直流电源V1、V2以及L1、L2、L3、L4向C1、C2、C3、C4以及负载供电。

图2 电源正常工作时的等效电路Fig.2 Equivalent circuit in the normal working state of power supply

假设网络中所有器件均为理想器件且有L1=L2=L3=L4、C1=C2=C3=C4、V1=V2=Vin，其中Vin为直流电源，则直通状态下有

非直通状态下有

设开关周期为T，直通时间为T1，直通占空比为d，则直通时间T1=dT，非直通时间T-T1=（1-d）T。根据电感伏秒平衡原理可得

化简式（3）可得

将式（4）代入式（2）可得直流母线电压Vdc与直流电源Vin之间的关系为

三相输出电压峰值为

式中：M 为调制因子；G 为电压增益。

2 新型Z 源逆变器特殊工作状况分析

新型Z 源逆变器具有两个直流电源，当某个直流电源发生故障时，系统可以在低升压比下作暂时运行。以电源V2发生开路为例，此时等效电路如图3 所示。逆变器仍然具有直通和非直通两种工作状态，L4和C4不具有充、放电环节，只有L3进行能量的转换，而未发生故障的电源V1所在部分的工作状态与电路正常运行时一致。可以得到电容电压与直流电源之间的关系为

图3 电源V2 开路时的等效电路Fig.3 Equivalent circuit in the case of open-circuit in power source V2

此时，直流母线电压Vdc为

以电源V2发生短路为例，此时等效电路如图4所示。

图4 电源V2 短路时等效电路Fig.4 Equivalent circuit in the case of short-circuit in power source V2

逆变器依然具有直通和非直通两种工作状态，工作过程与正常情况下类似，可以得到

直流母线电压Vdc与直流电源Vin之间的关系为

除了电源短路和开路两种情况，在实际中会存在两个电源V1和V2的电压大小不同的情况，但其工作情况与正常时完全一样。根据前文分析，直流母线电压Vdc与直流电源V1、V2之间的关系可表示为

由式（11）可以看出，当V1=V2=Vin时，结果与式（6）相同；当V1、V2其中一个为0 时，即为单电源短路运行方式，则与式（10）相同。

传统Z 源逆变器与本文所提新型Z 源逆变器在正常和异常情况下的升压因子B 与直通占空比d 的关系如图5 所示。

图5 不同拓扑下升压能力对比Fig.5 Comparison of boosting capacity among different topologies

可以看出，在相同的直通占空比下，新型Z 源逆变器的升压能力比传统Z 源逆变器有所提高，在电路正常工作时，升压能力约为传统Z 源逆变器的2 倍。由文献[14]可知，直通占空比增加的同时会减小逆变器的调制范围，调制因子过低时还会引入高次谐波，降低输出电能的质量，因此直通占空比不可能一直增加。新型Z 源逆变器能够在低直通占空比下获得更大的升压能力，较小的直通占空比能够使系统更加稳定，适用于光伏和燃料电池等输出电压低的新能源电源场合[15]。

3 新型Z 源逆变器的应力比较

Z 源逆变器常用的调制策略包括简单升压控制、最大升压控制、三次谐波注入法以及直通分段SVPWM 控制[16-19]。简单升压控制策略在传统SPWM策略的基础上，将直通零矢量注入到传统三角载波正负顶点中，直通零矢量均匀地分布在各桥臂中。Vp和Vn是两个恒定的电压量，通过调节这两个恒定电压的大小来控制注入的直通零矢量的大小。在此控制方式下，直通零矢量代替部分传统零矢量，且注入的直通零矢量位置固定、实现简单。采用简单升压控制策略时，可用的最大直通占空比为1-M，则电压增益G 与调制因子M 的关系为

将式（12）代入式（4）和式（5）中得

式中，VS为功率开关管的电压应力。

同理可得传统Z 源逆变器用电压增益表达的电容电压与直流电源的关系和直流母线电压与直流电源的关系，两种拓扑结构对应关系比较如表1所示。

表1 电压应力比较Tab.1 Comparison of voltage stress

根据表1 绘制新型Z 源逆变器和传统Z 源逆变器电容C1、C2的电压应力以及开关管的电压应力曲线。由图6 可以看出，在控制方式以及电压增益相同的情况下，新型Z 源逆变器的C1、C2的电压应力以及功率开关管的电压应力均显著低于传统Z 源逆变器，逆变器的性能得到了优化。

图6 不同拓扑下电容应力和开关管应力比较Fig.6 Comparison of voltage stress in capacitors and switch among different topologies

4 仿真以及实验验证

为了验证对新型Z 源逆变器理论分析的正确性，利用Matlab/Simulink 搭建仿真模型，在仿真的基础上，搭建实验电路。控制方式采用简单升压调制策略，由型号为TMS320F28335 的DSP 芯片输出控制信号，取电感电流纹波系数为0.3，电容电压纹波系数为0.004，各元件参数如表2 所示。

表2 仿真及实验参数Tab.2 Simulation and experimental parameters

给定直通占空比d=0.2，调制因子M=0.7。基于前文分析可知，逆变器在正常条件下运行时，直流母线电压为274.3 V，三相相电压的峰值为96 V，电容C1和C2的电压应力为137.0 V，电容C3和C4的电压应力为34.3 V；在电源V2开路情况下运行时，直流母线电压为87.3 V，三相相电压的峰值为30.5 V，电容C1、C2和C3的电压应力分别为17.5、65.5 和4.4 V；在电源V2短路情况下运行时，直流母线电压为137.1 V，三相相电压的峰值为48 V，电容C1、C2、C3和C4的电压应力分别为49.4、87.8、12.3 和21.9 V，仿真波形如图7 所示。可以看出，仿真结果与理论推导基本相同，电感L2和L4电流连续，误差在允许范围内，证明了理论分析的正确性。

图7 新型Z 源逆变器仿真Fig.7 Simulation of novel Z-source inverter

实验样机参数采用仿真参数，利用示波器记录主要实验波形，利用串联小电阻的方式测量输入电流。需要说明的是，电源短路在实际中是一种很严重的事故，会造成前级保护电路跳闸，因此没有对其进行实验验证，仅对单电源开路情况进行了验证。

图8 和图9 分别为直流母线电压和电感L2、L4的电流波形，从图中可以看出，在直通占空比d=0.2 时，新型Z 源逆变器在正常和电源V2开路运行情况下的直流母线电压分别为Vdc1=255 V、Vdc2=80 V，电感电流分别为5 A 和2 A 且连续，与理论值误差在允许范围内。

图8 直流母线电压波形Fig.8 Waveforms of DC-link voltage

图9 输入电感电流波形Fig.9 Waveforms of input inductor current

图10 为a 相输出电压波形，可以看出，在直通占空比d=0.2 时，新型Z 源逆变器在正常和电源V2开路运行情况下的a 相输出电压分别为ua1=92 V、ua2=25 V，与理论分析的结果基本一致，误差在允许范围内。

图10 a 相输出电压波形Fig.10 Waveforms of phase-a output voltage

图11 为输出相电压为96 V 时，新型Z 源逆变器的电容电压波形。为了保证两种情况下逆变器输出相电压相同，需要改变调制系数。由式（9）和式（10）可知，在电源V2开路时，令d=0.32 可使输出电压与正常工作情况下的输出电压相等。可以看出，在输出电压相同的情况下，新型Z 源逆变器正常工作时，电容C1和C2的电压为132 V，C3和C4的电压为31 V；电源V2开路时，电容C1、C2和C3的电压分别为70、151 和29 V，与理论结果一致。

图11 电容电压波形Fig.11 Waveforms of capacitor voltage

5 结语

本文提出了一种新型电源嵌入式Z 源逆变器拓扑结构，详细分析了该电路结构的工作原理及其性能参数，并与其他Z 源逆变器进行了比较。在理论分析的基础上进行模型仿真并搭建实验样机进行验证。结果表明，该逆变器不仅在低占空比下拥有良好的升压能力，而且双电源的加入使得系统的可靠性有所增强，可广泛应用于光伏发电和风力发电等新能源发电场合。