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作者：www.www.pcmenaggio.com 發(fā)布日期：2015-01-15 22:56 信息來(lái)源：http://www.www.pcmenaggio.com
摘要：與傳統逆變器相比，文章提出的改進(jìn)型Z源逆變器不僅可以減小電容和電感，同時(shí)電容的電壓應力得到有效降低。文中首先對其電路工作原理進(jìn)行分析，得到各參數的設計方法，再由計算及仿真，推算出開(kāi)關(guān)管上的電流應力確實(shí)有效降低，并在Simulink中驗證了該改進(jìn)型Z源設計的合理性。
0 引 言
太陽(yáng)能在我國低碳化產(chǎn)業(yè)中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，因而太陽(yáng)能中所用的逆變器無(wú)疑是研究的熱點(diǎn)。
常規的電壓源型逆變器同一橋臂的上下兩個(gè)功率管如果同時(shí)導通會(huì )發(fā)生短路現象，從而損壞功率管，因此需要加入死區時(shí)間，而死區時(shí)間會(huì )導致輸出波形的畸變。
同時(shí)電壓源型逆變器輸出電壓低于直流輸入電壓，在輸入電壓較低或者輸入電壓變化幅度比較大的場(chǎng)合，需要在前一級加入升壓電路。而電流源型逆變器則是逆變器輸出電壓高于直流輸入電壓。因此浙江大學(xué)彭方正教授提出的Z源逆變器能夠有效地解決這些不足。一般用的比較多的是電壓源型逆變器，下面將主要討論電壓源型逆變器。
電壓源型Z源逆變器同樣有一些缺點(diǎn)，比如在升壓模式下，輸入電流不連續和電容承受電壓過(guò)大，因而要求電容的最大承受電壓能力大，從而增加成本。本文針對傳統Z源逆變器的這些缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)型Z源的拓撲結構，并分析了穩定狀態(tài)的工作原理以及其控制策略，闡述了其對于電容上電壓耐壓值降低的原因，同時(shí)分析了其開(kāi)關(guān)管與傳統Z源在電壓電流應力上面的改進(jìn)。
1 電路工作原理
1.1穩態(tài)工作原理
與傳統Z源逆變器一樣，改進(jìn)型Z源逆變器也是通過(guò)逆變器橋臂的直通狀態(tài)來(lái)達到升壓目的，如圖1所示。逆變器處于6種有效矢量狀態(tài)即非直通狀態(tài)時(shí)，工作狀態(tài)如圖2（a）所示。而當逆變器處于直通狀態(tài)時(shí)，工作狀態(tài)如圖2（b）所示。
圖1 改進(jìn)型Z源拓撲電路
（a） 非直通狀態(tài)
(b) 直通狀態(tài)
圖2 改進(jìn)型Z源逆變器工作狀態(tài)
圖2中，兩個(gè)電感和電容的取值相等，直通占空比為D0.非直通狀態(tài)時(shí)：
直通狀態(tài)時(shí)：
由于穩態(tài)時(shí)電感上的平均電壓為零，所以：
因此：
逆變器直流端的峰值電壓為：
式中，B 為直通狀態(tài)得到的升壓因子。
系統功率為P,則：
1.2 改進(jìn)Z源對于電容耐壓值減少的影響
在傳統Z源中，電容與電感在直通和非直通狀態(tài)下都是在工作的，所以電感電流無(wú)疑很大，且電容電壓由于對稱(chēng)性而相同；而改進(jìn)Z源中，在非直通狀態(tài)電容基本不工作，而且C2上由于其支路部分與電源直接相連，所以分擔了大部分的電壓，故而電容C2上電壓極大地減少了，從而對器件的耐壓等要求有很大降低，這些優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)應用中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，同時(shí)可以間接通過(guò)采樣其中一個(gè)電容的大小來(lái)控制電路的直通占空比，從而控制直流鏈最大電壓。
2 調制策略與參數選擇
2.1 調制策略逆變器輸出的交流電壓
調制策略逆變器輸出的交流電壓如下：
式中，M 為調制因子。簡(jiǎn)單升壓模式是加入一正一負大小相等的兩個(gè)不變的電壓Up和UN,則定義電壓增益為則加在逆變器開(kāi)關(guān)管上的電壓應力為：
假設載波幅值大小為1,調制因子為M,Up=-UN,直通占空比為D0.根據它們的線(xiàn)性關(guān)系，D0=0時(shí)，Up=1;D0=M 時(shí)，Up=1-M.很容易得到Up=1-D0,Up=-UN.控制示意圖如圖3所示。
圖3 控制示意圖
因此，控制模塊在Simulink中的仿真模塊如圖4所示。
圖4 控制模塊
2.2 電感電容參數的選擇
假設在給定光伏電源系統，開(kāi)關(guān)器件的頻率為10kHz,那么在改進(jìn)型Z源拓撲結構中，直通頻率放大到20 kHz,在升壓模式下，最大直通時(shí)間可以表示如下，部分參數參見(jiàn)表1.
表1 電路參數選擇
令Gmax=1.7,則Mmin=0.875,
令電流紋波為：
式中，ｒ′％＝１％。
2.3 開(kāi)關(guān)管電壓電流應力
開(kāi)關(guān)管的電壓應力等于逆變器橋臂的直流鏈最大電壓UPN.直通時(shí)承受的開(kāi)關(guān)應力大小由上面的推導可知為BUin,它跟調制策略相關(guān)，這與傳統Z源逆變器開(kāi)關(guān)管上承受電壓類(lèi)似。
而對于開(kāi)關(guān)管的電流應力：假設為理想開(kāi)關(guān)管，導通電阻都相等，考慮三相短路時(shí)的電流應力結合圖5很容易分析得到：
圖5 開(kāi)關(guān)管電流應力
因而，
而功率開(kāi)關(guān)管最大電流應力為：
其大小由輸出電流和電感上的電流決定。假設輸出電流一定，則要減少開(kāi)關(guān)應力，只有減少電感上的電流，由仿真圖6、圖7所示，改進(jìn)Z源電感上電流明顯小于傳統Z源電感上電流，從而不僅減少了電感上的電流限制，也減少了功率管上的電流應力。因此在開(kāi)關(guān)管和電感上的選擇上面也有效地節約了成本。
圖6 傳統Z源電感上電流
圖7 改進(jìn)型Z源電感上電流
3 基于Simulink的仿真與結論
電路參數選擇如表1所示。
改進(jìn)型Z源電容電壓和直流鏈電壓如圖8所示。
圖8 改進(jìn)型Z源電容電壓和直流鏈電壓
從圖8中可以看出，改進(jìn)型Z源逆變器其中一個(gè)電容上面的電壓很低，而傳統Z源逆變器電容電壓都是相同的，而且接近于直流鏈最大電壓。從這個(gè)方面考慮有效地減少了電容上的電壓應力，從而對該電容的選擇有很大余地。并且由圖中可以得知，直流鏈最大電壓基本保持不變，通過(guò)一定控制策略改變直流時(shí)間可以改變其大小，這跟傳統Z源基本相似。本文通過(guò)對改進(jìn)型Z源的工作原理進(jìn)行分析，得出其對電感電容的選擇條件以及開(kāi)關(guān)管電流應力、電容電壓等方面均有改進(jìn)。
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