Z源逆變器

1 Z源逆變器的提出背景

能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒有能源工業(yè)的發(fā)展就沒有現(xiàn)代文明。隨著世界能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，能源和環(huán)境成為二十一世紀(jì)人類所面臨的重大基本問題，清潔的可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用越來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?qū)崿F(xiàn)直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)換。在已有的電能生產(chǎn)方式中，化學(xué)能電池和太陽能電池都屬于直流電源，當(dāng)需要由這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就必須要經(jīng)過DC/AC變換。此外，還有公共電網(wǎng)和各種獨(dú)立電源，由這些電源向交流負(fù)載供電是最普遍的方式，但隨著生產(chǎn)的發(fā)展，有相當(dāng)一部分的用電負(fù)載對(duì)供電質(zhì)量有特殊要求，上述電源難于直接向這些負(fù)載供電。為滿足這些要求，也需要DC/AC變換。直接將太陽電池或化學(xué)電池等直流電能轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需要的交流電能稱為直接變換。而采用AC-DC一AC結(jié)構(gòu)的多級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的逆變轉(zhuǎn)換稱為間接變換。 

根據(jù)直流側(cè)濾波器的形式，傳統(tǒng)的逆變電路可以分為電壓源和電流源兩類。電壓源逆變器輸入直流電壓而輸出交流電壓，根據(jù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 電壓源逆變器電路結(jié)構(gòu)

圖2 電流源逆變器電路結(jié)構(gòu)

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，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(jí)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(dāng)由于電磁干擾導(dǎo)致橋臂短路或者開路時(shí)，容易造成變流器損壞，影響它們的可靠性。

(3) 針對(duì)不同性質(zhì)的負(fù)載，其主電路不同，當(dāng)負(fù)載性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，主電路必須跟著變化。

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

2 Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(tǒng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 Z源逆變器的一般拓?fù)?/p>

以傳統(tǒng)三相阻抗型電壓源逆變器為例，傳統(tǒng)的三相逆變器具有8個(gè)允許的開關(guān)狀態(tài)或矢量，而Z源逆變器則有9個(gè)開關(guān)狀態(tài)或矢量。除了傳統(tǒng)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，即在原來的零電壓矢量中間插入同臂的上下器件同時(shí)導(dǎo)通的短路零矢量。在傳統(tǒng)的電壓源逆變器中，這個(gè)短路零電壓矢量是禁止的，因?yàn)檩斎攵藶槿菪?，它?huì)導(dǎo)致瞬間直通短路時(shí)的過電流而損壞開關(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(yīng)用，為三相電壓型逆變器提供了獨(dú)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(dāng)Z源逆變器工作在傳統(tǒng)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)開關(guān)周期中逆變橋側(cè)可以等效為一個(gè)電流源（當(dāng)處于傳統(tǒng)的兩個(gè)零電壓矢量狀態(tài)時(shí)，逆變橋也可以用一個(gè)零值的電流源或開路來代替），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(dāng)Z源逆變器工作在短路零矢量時(shí)，逆變器相當(dāng)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(duì)稱網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)電路已經(jīng)工作在穩(wěn)態(tài)，根據(jù)電路對(duì)稱和等效電路，可得：

vL1=vL2=vL，VC1=VC2=VC。

假設(shè)在一個(gè)開關(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T0，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T1，由等效電路圖5可得：

vL= V0－VC，vd = V0，vi= VC－VL=2VC－V0。

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

上式表明，通過選擇一個(gè)合適的升/降壓因子BB，輸出電壓可以升高和降低(相對(duì)于輸入電壓)。升/降壓因子BB是由調(diào)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(tǒng)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)開路或短路而不會(huì)燒毀器件，這為逆變器主電路根據(jù)需要升壓或降壓提供了一種機(jī)制。Z源網(wǎng)絡(luò)為電源、主電路和負(fù)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(tǒng)的電壓源結(jié)構(gòu)，也可為傳統(tǒng)的電流源結(jié)構(gòu)。另外，Z源逆變器所采用的開關(guān)可以是開關(guān)器件和二極管的組合，Z源逆變器的負(fù)載可為電感性或電容性。

對(duì)于Z源逆變器來說，因?yàn)樗瓤梢砸噪妷涸茨孀兤髂Ｊ焦ぷ?，也可以以電流源逆變器模式工作，它具有以下的?dú)特優(yōu)點(diǎn)。

(1)    從電路結(jié)構(gòu)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(tǒng)的電壓源逆變器結(jié)構(gòu)，Z源網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗較小，所采用的開關(guān)是開關(guān)器件和二極管反并聯(lián)的組合，負(fù)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(tǒng)的電流源逆變器結(jié)構(gòu)，Z源網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗較大，所采用的開關(guān)是開關(guān)器件和二極管串聯(lián)的組合，負(fù)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)開路，并通過特殊的控制方式引入開路零矢量，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(yīng)用，并取得很好的效果。

（1）Z 源逆變器在燃料電池供電系統(tǒng)的混合動(dòng)力方面的應(yīng)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的影響，是單級(jí)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(diào)速系統(tǒng)，由于電網(wǎng)電壓的跌落而容易造成系統(tǒng)工作的中斷和癱瘓。為了抑制電壓跌落對(duì)系統(tǒng)造成的危害，通常情況下增加一級(jí)電路來實(shí)現(xiàn)升壓功能，以承受電網(wǎng)電壓跌落，此時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了系統(tǒng)硬件。而Z源逆變器在交流調(diào)速系統(tǒng)中能夠承受電網(wǎng)電壓跌落，同時(shí)具有改善網(wǎng)側(cè)電流波形的能力?；赑WM 的Z源交流調(diào)壓電路，在交流調(diào)速中也有一定的優(yōu)勢(shì)。

( 3 ) Z源逆變器在分布式發(fā)電系統(tǒng)中作為功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，能夠適應(yīng)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(jí)和電源的電壓等級(jí)。對(duì)系統(tǒng)的低成本、高安全性、控制方面有很大的優(yōu)勢(shì)。隨著節(jié)能減排及新能源應(yīng)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(xiàn)

    [1] F.Z.Peng，“Z-Source Inverter，”IEEE Transactions on Industry Applications，
Vol.39，No.2，Mareh/APril2003，0504-510．

    [2] Fang Z.Peng，xiaoming Yuan，Xupeng Fang，and Zhaoming Qian，“Z-Source Inverter
For Adjustable Speed Drives，”IEEE Power Electronics Letters，Vol,l，No.2，June
2003，P33-35．

    [3] Fang Z.Peng:“Z-Source Inverter for MotorDrives”:IEEE Power Electronics
Specialists Conference: Aachen，Germany，2004，P249-254．

    [4] Peng Fangzheng．Z-source Inverter[J]．IEEE Trans．on Industry Applications，2003，39(2)：504—510．

    [5] 王利民，錢照明，彭方正．z源升壓變換器[J]．電氣傳動(dòng)，2006，36(1)．■