蔡智林 侯涛
摘 要： 针对传统Z源逆变器升压能力不足，电容电压应力较高，输入电流断续，高电压增益时直流链电压利用率较低等问题，提出一种新型高增益准Z源逆变器拓扑。该拓扑结构通过在传统Z源网络中串入升压单元，并引入2个电容和2个电感，提高了升压能力和直流链电压利用率，并拓宽了调制比范围。在相同电压增益条件下，相比传统Z源逆变器，有效降低了电容电压应力；直通占空比更小，可降低系统直通状态时的导通损耗，实现了输入电流连续。升压单元级联越多，升压能力越强，调制比范围越宽，电压利用率越高，电容电压应力越低。在Matlab中进行了大量仿真研究，结果证明所提新型拓扑的正确性与有效性。
关键词： 高增益Z源逆变器； 电容电压； 升压单元； 级联单元
中图分类号： TN61?34； TM464 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）24?0149?05
A new high?gain quasi Z?source inverter
CAI Zhilin， HOU Tao
（School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）
Abstract： Since the traditional Z?source inverter has the problems of insufficient voltage boost ability， high capacitor voltage stress， discontinuous input current， and low DC link voltage utilization ratio under the condition of the high?voltage gain， a new high?gain quasi Z?source inverter topology is proposed. The boost unit is cascaded in the Z?source network， and two capacitors and two inductances are introduced in the topology structure. This topology can improve the boost ability and DC link voltage utilization ratio， and widen the modulation ratio. In comparison with the traditional Z?source inverter， this inverter can reduce the capacitor voltage stress effectively under the condition of the same voltage gain. The smaller shoot?through duty ratio can reduce the breakover loss of the shoot?through state， and realize the continuity of input current. The more the boost voltage cascade units are imported， the better the boost capability becomes； the wider the modulation ratio is， the higher the voltage utilization ratio becomes， and the lower the capacitor voltage stress becomes. A lot of simulation studies are carried out in Matlab， and the results prove that the new topology is correct and valid.
Keywords： high?gain Z?source inverter； capacitor voltage； boost unit； cascade unit
0 引 言
Z源逆变器以其独特的阻抗源网络，有效实现了升降压变换，弥补了传统电压源与电流源逆变器输出交流电压只能小于输入直流电压的不足[1?2]。将其应用在光伏发电，风力发电等新能源领域，可省去直流升压电路，效率更高，得到了广泛研究[3?5]。但传统Z源逆变器升压能力不足，电容电压应力较高，由于直通占空比与调制比的制约关系，在需要较高的电压增益时，不得不减小调制比以获得较大的直通占空比，这同时造成了直流链电压利用率降低[6?7]。因此，改进Z源网络，以提高升压能力，降低电容电压应力，提高直流链电压利用率是Z源逆变器的主要研究方向[7?9]。
Z源逆变器自被提出以来，为弥补传统Z源逆变器的不足，出现了一些改进拓扑。文献[10]首次提出准Z源逆变器，实现了输入电流连续，降低了Z源网络其中一个电容的电压应力，但升压能力未得到提升。文献[11]提出一种基于开关电感的准Z源逆变器，用开关电感单元代替Z源网络中的一个电感，提高了升压能力。文献[12]对开关电感单元进行改进，将其中一个二极管用一个自举电容代替，升压能力进一步提高，但逆变器启动过程中，自举电容迅速充电，开关电感单元中的二极管启动冲击电流非常大，极易损坏，而且升压能力仍不够理想。文献[13]提出一种Trans?Z?source逆变器Z源逆变器，在Z源网络中引入变压器，有较好的调压性能，但增加了系统的体积和复杂性，且造价较高。针对以上问题，本文提出一种基于升压单元的新型高增益准Z源逆变器拓扑。首先，传统Z源网络中正负直流母线端的电感用一升压单元代替，其次，对传统Z源网络进一步改进，引入一对电容和一对电感。新型拓扑有效提高了升压能力，拓宽了调制比范围，电压利用率提高，输入电流连续，在相同的电压增益时，电容的电压应力更低，直通占空比更小，直通状态的导通损耗降低。仿真结果证明了该新型高增益准Z源逆变器的正确性。
1 传统Z源逆变器
图1为传统Z源逆变器的电路拓扑[14]。前级Z源网络由二极管、对称相等的电感L1和L2、电容C1和C2构成，前级Z源网络与后级逆变桥共同构成传统Z源逆变器。
根据传统Z源逆变器的工作原理，为实现升降压变换，有两种工作状态：直通状态与非直通状态。直通状态时，二极管D关断，电感充电，电容放电；非直通状态时，二极管D导通，电感放电，电容充电。直通状态与非直通状态交替工作，电路稳态时，由伏秒特性原则，一个开关周期电感的平均电压为零，可得Z源网络的直流链电压Ui为：
2 新型高增益准Z源逆变器
2.1 电路拓扑
为了实现高电压增益，高电压利用率和低电容电压应力，将传统Z源逆变器中正负直流母线端的电感用一升压单元代替；为了进一步提高其调压性能和实现输入电流连续，在传统Z源网络中又增加了两个电感L1，L2和两个电容C1，C2，共同构成新型高增益准Z源网络，新型高增益准Z源网络与逆变桥共同构成新型高增益准Z源逆变器，具体拓扑结构如图2所示。
新型高增益准Z源网络中电感L2与L3，电容C2与C3，二极管D2组成直流母线正端升压单元；电感L5与L6，电容C5与C6，二极管D4组成直流母线负端升压单元。由新型高增益准Z源网络的对称性，升压单元与Z源网络中的电感值和电容值分别对称相等，即：
式中：LD，CD为升压单元的电感值与电容值；LQ，CQ，CZ为Z源网络的电感值与电容值。由式（4）与式（5）可知，在电路正常工作条件下，电感与电容的电压模值同样满足式（4）与式（5）的关系。
2.2 工作原理
新型高增益准Z源逆变器的工作原理与传统Z源逆变器相似，同样分为直通状态和非直通状态。具体工作原理如下：
（1） 直通状态。逆变器工作在直通状态时的等效电路图如图3所示。
直通状态时，二极管D1～D4反相关断，逆变器桥臂短路，由基尔霍夫电压定律得：
[Udc=2ULQ+2UCQUCZ=UCD+ULDUi=0] （6）
（2） 非直通状态。逆变器工作在非直通状态时的等效电路如图4所示。非直通状态时，二极管D1～D4正向导通，逆变器与负载可等效为电流源，由基尔霍夫电压定律得：
[Udc=2ULQ+2UCQ+UiUCQ=UCD+ULDUi=UCZ+ULD+UCDULD=UCD] （7）
根据伏秒特性原则，一个开关周期新型高增益Z源网络中电感平均电压为零，由式（6）、式（7）可得新型高增益Z源网络的电容电压：
[UCZ=1-2D01-5D0Udc] （8）
[UCQ=2D01-5D0Udc] （9）
其中，升压单元中电容电压：
[UCD=D01-5D0Udc] （10）
由式（7）～式（10）可得新型高增益准Z源逆变器的直流链电压：
[Ui=11-5D0Udc=BUdc] （11）
比较式（1）与式（11），相同占空比时，新型高增益准Z源逆变器的升压因子B远大于传统Z源逆变器的升压因子。
2.3 多升压单元级联高增益准Z源网络
为了进一步提高新型高增益准Z源逆变器的升压能力，在相同电压增益下降低电容电压的应力，可将多个升压单元进行级联，链接方式如图5所示，构成多升压单元级联的新型高增益准Z源网络。
假设新型高增益准Z源网络直流母线正负端级联的升压单元数目为n，各升压单元中的电容电压模值均相等，可表示为：
[UCD=D01-（2n+3）D0Udc] （12）
准Z源网络的电容电压为：
[UCQ=（n+1）D01-（2n+3）D0Udc] （13）
[UCZ=1-（n+1）D01-（2n+3）D0Udc] （14）
级联新型高增益准Z源网络的直流链电压为：
式中，升压单元级联数目n越多，升压因子B越大，新型高增益准Z源逆变器的升压能力越强。
3 升压能力及电容电压应力分析
3.1 升压能力分析
由于占空比与调制比存在制约关系，为了实现Z源逆变器最大程度的升降压变换，减小开关器件的电压应力及电感电流的脉动，常采用恒占空比最大化调制[15]，即调制过程中始终保持：
图6为传统Z源逆变器与新型高增益准Z源逆变器的升压能力对比图。首先，取相同调制比时，新型高增益准Z源逆变器升压能力明显高于传统型，且随升压单元级联数的增加，升压能力进一步增强；其次，当需要较高电压增益时，由升压占空比与调制比存在制约关系，如式（16）所示，传统Z源逆变器不得不降低调制比M，以获得较大的升压占空比D，由G=MB，进而得到高电压增益，但同时也造成了直流链电压大幅升高，开关器件和电容电压应力增大，直通状态的导通损耗增加。而对于新型高增益准Z源逆变器，仍可取较高的调制比，即在较小的直通占空比下，直流链电压无需过高，就可获得较高的电压增益，升压能力强，电压利用率更高，开关器件与电容的电压应力低，且直通状态的导通损耗小。并且升压单元级联越多，优越性越明显，很大程度上克服了传统Z源逆变器的不足。
3.2 电容电压应力分析
在相同电压增益时，传统Z源逆变器的电容电压可表示为：
[UC=3G2] （17）
新型高增益准Z源逆变器的电容电压可表示为：
[UCQ=（n+1）（23-G）23-（2n+3）G-（2n+3）（23-G）Udc] （18）
[UCZ=23-（2n+3）G-（n+1）（23-G）23-（2n+3）G-（2n+1）（23-G）Udc] （19）
其中，升压单元的电容电压可表示为：
[UCD=23-G23-（2n+3）G-（2n+1）（23-G）Udc] （20）
Z源网络电容电压与直流输入电压比和电压增益的关系曲线如图7所示。在电压增益相同时，新型高增益准Z源逆变器的Z源网络上的电容电压UCZ，UCQ和升压单元的电容电压UCD均小于传统型Z源逆变器的Z源网络上电容电压UC。取相同电压增益，随升压单元数n的增加，UCZ与UCD也更小，而UCQ保持不变。整体上，新型高增益准Z源逆变器的所有的电容电压应力均更低，更加可靠。
4 仿真结果与分析
为验证所提新型高增益准Z源逆变器拓扑结构的正确性，在Matlab中建立新型高增益准Z源逆变器与传统Z源逆变器仿真模型。新型准Z源逆变器仿真参数：直流出入电压Udc=200 V，升压单元数n=1，新型高增益准Z源网络的电容C1=C4=C7=C8=500 μF，电感L=2 mH；升压单元中的电容C2=C3=C5=C6=500 μF，电感L=2 mH，开关频率取f=4 kHz。传统Z源逆变器仿真参数：Z源网络的电感L=2 mH，电容C=500 μF，其他参数两者均相同。仿真结果如图8～图14所示。
采用恒占空比最大化调制，设直通占空比D0=0.15，则M=0.981。由式（1）得出传统Z源逆变器的升压因子B=1.429；由式（11）得出新型高增益准Z源逆变器的升压因子B=4。图8为传统Z源逆变器直流链电压，最大值约280 V（理论值[200×1.429=285 V]）；图10为新型高增益准Z源逆变器直流链电压，最大值约800 V（理论值[200×4=800 V]），升压能力较强。图9为传统Z源逆变器输出相电压，其最大值U0约为140 V（理论值[285÷2×0.981=139 V]）；图11为新型高增益准Z源逆变器输出相电压，其最大值U0约为390 V（理论值[800÷2×0.981=392 V]），可见新型高增益准Z源逆变器的升压能力更强。
图12与图13为取相同电压增益G=3时，传统Z源逆变器与新型高增益准Z源逆变器输出相电压，最大值U0都约为300 V（理论值[200÷2×3=300 V）]。
图14为电容电压对比图，传统Z源逆变器的电容电压明显大于新型高增益准Z源逆变器的电容电压。当G相同时，由式（1），式（3），式（11），式（16）得传统Z源逆变器的占空比D0=0.381，新型高增益准Z源逆变器的占空比D0=0.134，所以新型高增益准Z源逆变器的直通状态时间短，因此，直通状态时的导通损耗更小。
5 结 论
本文提出的新型高增益准Z源逆变器拓扑，利用升压单元，显著提高了升压能力，拓宽了调压范围，实现了输入电流连续。该新型拓扑在较高的电压增益条件下，依然可以获得较高的调制比，因此直流链电压利用率高，同时可有效降低Z源网络电容的电压应力，更加可靠，很好地解决了传统Z源逆变器的不足。而且采用升压单元级联，可以获得更高的电压增益和更小的电容电压应力，优越性更加明显。在相同电压增益时，相对于传统Z源逆变器直通占空比更小，导通损耗降低。因此，所提出的新型高增益准Z源逆变器在直流电压输入较低，波动较大或转换效率要求较高的场合，如光伏发电、风力发电、新能源汽车等领域有着广阔的应用前景。
参考文献
[1] 徐聪，程启明，李明，等.Z源逆变器及其多种改进拓扑结构的比较[J].电网技术，2014，38（10）：2926?2931.
[2] YANG S T， PENG F Z. Current?fed quasi?Z?source inverter with voltage buck?boost and regeneration capability [J]. IEEE transactions on industry applications， 2011， 47（2）： 882?892.
[3] 李媛，彭方正.Z源/准Z源逆变器在光伏并网系统中的电容电压恒压控制策略[J].电工技术学报，2011，26（5）：62?69.
[4] 刘和平，刘平，胡银全，等.改善电动汽车动力性能的双向Z源逆变器控制策略[J].电工技术学报，2012，27（2）：139?145.
[5] LIU Yushan， GE Baoming. Quasi?Z?source inverter based PMSG wind power generation system [C]// Proceedings of 2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Beijing， China： IEEE， 2011： 291?297.
[6] 丁新平，钱照明，崔彬，等.适应负载大范围变动的高性能Z源逆变器[J].电工技术学报，2008，23（2）：61?67.
[7] 侯世英，黄哲，肖旭，等.改进型Z源并网逆变器[J].电机与控制学报，2012，16（12）：47?53.
[8] TANG Yu， XIE Shaojun， ZHANG Chaohua， et al. Improved Z?source inverter with reduced Z?source capacitor voltage stress and soft?start capability [J]. IEEE transactions on power electronics， 2009， 24（2）： 409?415.
[9] 林宏健，苏宏升.改进型Z源逆变器的并网控制策略[J].电网技术，2015，39（12）：3477?3484.
（上接第153页）
[10] Anderson J， Peng F Z. Four quasi?Z?source inverters[C]// Rhodes， Greece， Power Electronics Specialists Conference， 2008：15?19.
[11] 刘孝辉，郑建勇，尤鋆，等.开关电感型Quasi?Z源逆变器[J].电力自动化设备，2011，31（9）：65?68.
[12] 邓凯，梅军，郑建勇，等.改进型开关电感准Z源逆变器[J].电网技术，2013，37（11）：3254?3261.
[13] NGUYEN M K， LIM Y C， PARK S J. Improved trans?Z?source inverter with continuous input current and Boost inversion capability [J]. IEEE transactions on power electronics， 2014， 28（10）： 4500?4510.
[14] PENG F Z. Z?source inverter [J]. IEEE transaction on industry application， 2003， 39（2）： 504?510.
[15] 蔡春伟，曲延滨，盛况.Z源逆变器的改进型最大恒定升压调制策略[J].电机与控制学报，2011，15（12）：14?20.
