改进型Quasi—Z源逆变器
杨世强+苏宏升
摘 要： 传统Z源逆变器通过自身特殊的阻抗网络实现升压功能，而不需要加入升压斩波电路，使得Z源逆变器得到了广泛的应用。但是传统Z源逆变器的升压能力有限，且存在启动冲击电流问题。为了克服传统Z源逆变器的不足，提出一种改进型Quasi?Z源逆变器拓扑结构，以改善逆变器的工作性能。改进型Quasi?Z源逆变器有效提高了逆变器的升压能力，使其可以适用于需要高增益的场合，在理论研究的基础上，通过Matlab/Simulink仿真验证了改进型Quasi?Z源逆变器拓扑结构的可行性和优越性。
關键词： Quasi?Z源逆变器； 电压应力； 升压能力； 简单升压控制
中图分类号： TN303?34； TM464 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0139?05
Abstract： The boost function of the traditional Z?source inverter is realized by its special impedance network， but it does not need any boost chopper circuit， which makes the traditional Z inverter to be widely used. However， the boost capability of the traditional Z inverter is limited， and it exists start surge current. In order to overcome the insufficient of the traditional Z?source inverter， an improved Quasi?Z?source inverter topology structure is proposed to improve the performance of the inverter. The improved Quasi?Z?source inverter can improve the inverter boost ability， so that it can be applied to the occasion of high gain. On the basis of theoretical study， the correctness and advantages of the improved Quasi?Z?source inverter were verified with Matlab/Simulink simulation.
Keywords： quasi?Z?source inverter； voltage stress； boost ability； simple boost control
0 引 言
Z源逆变器[1]由于其独特的阻抗源（Z源）网络，通过逆变桥直通状态升高电压，从而不需要Boost变换器，可以在很大程度上缩小系统体积，降低系统成本，在以燃料电池、光伏、风力为代表的新能源发电系统得到了高速发展，并且都有着广泛的应用前景[2?4]。虽然Z源逆变器有诸多优点，但是其不足之处也十分明显。理论上，Z源逆变器可以得到无限大的电压增益，但由于Z源逆变器的直通占空比（D）和调制因数（M）相互牵制，这些因素限制了输出电压增益。为了得到高电压增益的输出电压，就必须使用小的调制因数。然而，小的调制因数会导致开关器件的电压应力更大。同时，小的调制因数也会降低电压利用率，增加系统的不稳定性。因而提升Z源网络的升压因子（B），使得Z源逆变器能够在更大的调制因数下得到相同的电压增益，同时减少开关器件的电压应力是值得研究的问题。
为了进一步提升Z源逆变器的升压能力、实现减小成本，更好地应用于新能源发电场合。国内外学者对Z源逆变器开展了大量的研究，研究内容主要包括Z源逆变器的电路拓扑结构和调制策略，为此提出了多种改进Z源逆变器拓扑结构[5?9]，更好地应用于新能源发电系统。国内外学者对Z源逆变器开展了大量的研究[5]，主要包括Z源逆变器的电路拓扑结构和调制策略。文献[6]所提逆变器虽然提升了升压能力，但其并没有解决传统Z源逆变器的启动冲击问题，输入电流仍不连续，在升压能力提升的同时增加了电容电压应力。文献[7]所改进的逆变器是将二极管与逆变桥位置互换，虽然降低了电容电压应力，但是并没有提升逆变器的升压能力。文献[8]提出的直通物理分离式Z源逆变器将升压因子与调制因数解耦，但是升压能力并没有得到有效提升，且其增加了额外器件使得逆变器变为二级结构，使得控制更加复杂。文献[9]在准Z源逆变器阻抗网络中引入两个开关电感单元，在提升逆变器升压能力的同时，电容电压应力有效降低。文献[10]提出的逆变器升压能力显著，但是电容电压应力大，且其增加了四个开关电感单元使得成本变高。Quasi?Z源逆变器是由浙江大学教授彭方正于2008年提出[11]。相对于Z源逆变器，Quasi?Z源逆变器不但克服了Z源逆变器的缺点，而且具有一些新的特性。根据阻抗网络结构的对称性，可以将Quasi?Z源逆变器分为对称的Quasi?Z源逆变器和不对称的Quasi?Z源逆变器。本文在对称Quasi?Z源逆变器的基础上，将阻抗网络中的第二个电感元件替换为开关电感单元。利用开关电感中二极管工作状态的变化，在直通状态期间将储存在开关电感的能量传递给负载，从而提升了逆变器的升压能力。
1 传统Quasi?Z源逆变器
传统三相电压型逆变器[11]一共有8种工作状态，其中有6个有效矢量状态，2个零矢量状态；而Quasi?Z源逆变器可以有9个工作状态，在传统8种工作状态的基础上增加了一个直通零矢量状态。正是由于增加的直通零矢量使得Quasi?Z源逆变器具有了升压和降压的功能。其主电路结构拓扑图如图1所示。
由文献[10]可以知道， 对称Quasi?Z源逆变器电容电压可以表示为：
2 改进Z源逆变器原理分析
本文将开关电感型技术应用到Z源阻抗网络中来提升Z源逆变器的升压能力。其改进Z源逆变器的电路拓扑结构如图2所示，在改进Z源逆变器拓扑结构中，Z源网络是按照直通状态和非直通状态的改变而配置的。在直通状态，D1是关闭的，类似于传统的逆变器。4个二极管D2，D4，D5和D7导通，而2个二极管D3和D6截止。然后，3个电感L2，L3，L4并联连接并且由电容C1和电源充电。直通状态的等效电路见图3（a）。在非直通状态下，D1是导通的。4个二极管D2，D4，D5和D7关闭，而2个二极管D3和D6导通。然后，3个电感L2，L3，L4串联，此时电感和电源同时为负载和电容充电。等效电路如图3（b）所示。
比较式（2）与式（9）可得，相比于传统Quasi?Z源逆变器，改进逆变器升压能力得到了很大的提升。图4给出了两种Z源逆变器的升压因子与直通占空比的关系曲线。由图4可以看出，与传统型相比，改进型逆变器的升压能力有了很大的提高。
3 Z源阻抗网络参数设计
3.1 电容参数设计
如前所述，新型Z源逆变器在一个开关周期内具有两个状态，在直通零状态，Z源阻抗网络的电容放电。在非直通零状态，Z源阻抗网络的电容充电。所以，可通过对Z源阻抗网络的电容进行设计。通过设定电容电压波动的大小，即稳态时电容电压波动，可得到电容的设计公式，如下：
3.2 电感参数设计
首先，电感要满足非谐振取值條件，电感、电容的谐振频率为。若要使Z源阻抗网络不发生谐振，则Z源阻抗网络的固有谐振频率必须要小于逆变器的开关频率，可得电感的设计公式：
4 简单升压控制原理
三相电压源逆变器[12]包含6个有效矢量以及2个传统零矢量工作状态。改进型 Quasi?Z 源逆变器工作状态包含6个有效矢量以及2个传统零矢量和1个直通零矢量，然而逆变器输出电压波形由逆变器的6个有效矢量决定。也就是说，2个传统零矢量和1个直通零矢量对逆变器负载的作用效果是一样的，因此，可以用直通零矢量代替部分传统零矢量，这样在不改变有效矢量的作用效果的同时实现了Z源逆变器的升压功能。所谓简单升压控制[13]就是将直通零矢量部分地代替传统零矢量，这样既不影响逆变器的调制特性，而且由于直通零矢量的插入增加了逆变器输入侧直流电压的峰值。
图5为简单升压控制的控制原理示意图，图5中up，un为直通零矢量调制波信号；ua，ub，uc为三相正弦调制波信号；ur为三角波载波信号，当三相正弦调制信号满足式（14）时，逆变器工作于零矢量状态。当直通零矢量调制信号满足式（15）时插入直通零矢量，实现简单升压控制。
5 仿真分析
改进Z源逆变器的控制策略与传统Z源逆变器一致。应用简单升压控制方法对上述两种拓扑结构仿真分析。具体仿真参数为，Z源网络：L1=L2=L3=L4=2.4 mH，C1=C2=1 000 μF；输出滤波器：Lf=3 mH，Cf=10 μF； 开关频率：5 kHz；输入直流电压：380 V。
其仿真结果如图6和图7所示。
图6、图7中波形自上而下分别是直流链峰值电压 ，电容的电压及其交流输出电压。波形为输入 380 V，直通占空比D=0.16，调制因子M=0.72下的仿真波形。
对于改进Z源逆变器，根据理论计算，升压因子为2.69，直流链峰值电压为1 022 V，电容电压为437 V，电容电压为201 V，输出三相电压为367 V，与仿真结果一致。对于传统Z源逆变器，升压因子仅为1.67，直流链峰值电压为640 V，远低于改进Z源逆变器直流链电压，电容电压为126 V，输出三相电压为230 V，远低于改进Z逆变器输出电压。图6（a）与图7（a）为传统Z源逆变器与改进Z源逆变器的直流链母线电压波形，从仿真图可知，改进Z源逆变器具有更强的升压能力。图6（b）与图7（b）、图7（c）为电容的电压。图6（c）与图7（d）为传统Z源逆变器与改进Z源逆变器的三相输出电压，改进Z源逆变器的三相电压波形大于传统Z逆变器，升压能力得到有效提高。
6 结 论
本文对所提出的改进Z源逆变器拓扑结构进行了深入分析，与传统Z源逆变器相比，改进拓扑结构具有内在的抑制启动冲击电流能力，并且使得输入电流连续。开关电感单元应用到Z源逆变器中，虽然成本有所增加，但升压能力得到有效的提升。改进型拓扑结构更适用于燃料发电、光伏发电、直驱式风力发电等对输入电压变化范围大的新能源发电应用场合。
参考文献
[1] 彭方正，房绪鹏，顾斌，等.Z源变换器[J].电工技术学报，2004，19（2）：47?51.
[2] SUPATTI Uthane， FANG Z P. Z?source inverter with grid connected for wind power system [J]. IEEE transactions on power electronics conference and exposition， 2009， 20（24）： 398?403.
[3] HUANG Yi， SHEN Miaosen， PENG F Z， et al. Z?source inverter for residential photovoltaic systems [J]. IEEE transactions on power electronics， 2006， 21（6）： 1776?1782.
[4] SU B Z， GU H R， WANG Y R， et al. Research on the composite control for PV grid?connected and energy?storage based on Quasi?Z?source inverter [J] electronics and application conference and exposition. 2014， 5（8）： 572?577.
[5] 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.
[6] ZHU M， YU K， LUO F L. Switched inductor Z?source inverter [J]. IEEE transactions on power electronics， 2010， 25（8）： 2150?2158.
[7] 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.
[8] 张华强，齐彩娟，姚统.直通物理分离型Z源逆变器并网[J].电力自动化设备，2014，34（7）：1?8.
[9] 蔡春伟，曲延滨，盛况.增强型Z源逆变[J].中国电机工程学报，2011（z1）：259?266.
[10] TRINH Quoc?Nam， LEE Hong?Hee， CHUN Tae?Won. A new Z?source inverter topology to improve voltage boost ability [C]// IEEE 8th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia. [S.l.]： IEEE， 2011： 210?216.
[11] ANDERSON J， PENG F Z. Four quasi?Z?source inverters [C]// IEEE Power Electronics Specialist Conference. Greece： IEEE， 2008： 2743?2749.
[12] SHEN M， JOSEPH A， WANG J， et al. Comparison of traditional inverters and Z?Source inverter [J]. IEEE power electronics， 2005， 30（10）： 1692?1698.
[13] PENG F Z， SHEN Miaosen. Maximum boost control of the Z?source inverter [J]. IEEE transactions on power electronics， 2005， 20（4）： 833?838.
摘 要： 传统Z源逆变器通过自身特殊的阻抗网络实现升压功能，而不需要加入升压斩波电路，使得Z源逆变器得到了广泛的应用。但是传统Z源逆变器的升压能力有限，且存在启动冲击电流问题。为了克服传统Z源逆变器的不足，提出一种改进型Quasi?Z源逆变器拓扑结构，以改善逆变器的工作性能。改进型Quasi?Z源逆变器有效提高了逆变器的升压能力，使其可以适用于需要高增益的场合，在理论研究的基础上，通过Matlab/Simulink仿真验证了改进型Quasi?Z源逆变器拓扑结构的可行性和优越性。
關键词： Quasi?Z源逆变器； 电压应力； 升压能力； 简单升压控制
中图分类号： TN303?34； TM464 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0139?05
Abstract： The boost function of the traditional Z?source inverter is realized by its special impedance network， but it does not need any boost chopper circuit， which makes the traditional Z inverter to be widely used. However， the boost capability of the traditional Z inverter is limited， and it exists start surge current. In order to overcome the insufficient of the traditional Z?source inverter， an improved Quasi?Z?source inverter topology structure is proposed to improve the performance of the inverter. The improved Quasi?Z?source inverter can improve the inverter boost ability， so that it can be applied to the occasion of high gain. On the basis of theoretical study， the correctness and advantages of the improved Quasi?Z?source inverter were verified with Matlab/Simulink simulation.
Keywords： quasi?Z?source inverter； voltage stress； boost ability； simple boost control
0 引 言
Z源逆变器[1]由于其独特的阻抗源（Z源）网络，通过逆变桥直通状态升高电压，从而不需要Boost变换器，可以在很大程度上缩小系统体积，降低系统成本，在以燃料电池、光伏、风力为代表的新能源发电系统得到了高速发展，并且都有着广泛的应用前景[2?4]。虽然Z源逆变器有诸多优点，但是其不足之处也十分明显。理论上，Z源逆变器可以得到无限大的电压增益，但由于Z源逆变器的直通占空比（D）和调制因数（M）相互牵制，这些因素限制了输出电压增益。为了得到高电压增益的输出电压，就必须使用小的调制因数。然而，小的调制因数会导致开关器件的电压应力更大。同时，小的调制因数也会降低电压利用率，增加系统的不稳定性。因而提升Z源网络的升压因子（B），使得Z源逆变器能够在更大的调制因数下得到相同的电压增益，同时减少开关器件的电压应力是值得研究的问题。
为了进一步提升Z源逆变器的升压能力、实现减小成本，更好地应用于新能源发电场合。国内外学者对Z源逆变器开展了大量的研究，研究内容主要包括Z源逆变器的电路拓扑结构和调制策略，为此提出了多种改进Z源逆变器拓扑结构[5?9]，更好地应用于新能源发电系统。国内外学者对Z源逆变器开展了大量的研究[5]，主要包括Z源逆变器的电路拓扑结构和调制策略。文献[6]所提逆变器虽然提升了升压能力，但其并没有解决传统Z源逆变器的启动冲击问题，输入电流仍不连续，在升压能力提升的同时增加了电容电压应力。文献[7]所改进的逆变器是将二极管与逆变桥位置互换，虽然降低了电容电压应力，但是并没有提升逆变器的升压能力。文献[8]提出的直通物理分离式Z源逆变器将升压因子与调制因数解耦，但是升压能力并没有得到有效提升，且其增加了额外器件使得逆变器变为二级结构，使得控制更加复杂。文献[9]在准Z源逆变器阻抗网络中引入两个开关电感单元，在提升逆变器升压能力的同时，电容电压应力有效降低。文献[10]提出的逆变器升压能力显著，但是电容电压应力大，且其增加了四个开关电感单元使得成本变高。Quasi?Z源逆变器是由浙江大学教授彭方正于2008年提出[11]。相对于Z源逆变器，Quasi?Z源逆变器不但克服了Z源逆变器的缺点，而且具有一些新的特性。根据阻抗网络结构的对称性，可以将Quasi?Z源逆变器分为对称的Quasi?Z源逆变器和不对称的Quasi?Z源逆变器。本文在对称Quasi?Z源逆变器的基础上，将阻抗网络中的第二个电感元件替换为开关电感单元。利用开关电感中二极管工作状态的变化，在直通状态期间将储存在开关电感的能量传递给负载，从而提升了逆变器的升压能力。
1 传统Quasi?Z源逆变器
传统三相电压型逆变器[11]一共有8种工作状态，其中有6个有效矢量状态，2个零矢量状态；而Quasi?Z源逆变器可以有9个工作状态，在传统8种工作状态的基础上增加了一个直通零矢量状态。正是由于增加的直通零矢量使得Quasi?Z源逆变器具有了升压和降压的功能。其主电路结构拓扑图如图1所示。
由文献[10]可以知道， 对称Quasi?Z源逆变器电容电压可以表示为：
2 改进Z源逆变器原理分析
本文将开关电感型技术应用到Z源阻抗网络中来提升Z源逆变器的升压能力。其改进Z源逆变器的电路拓扑结构如图2所示，在改进Z源逆变器拓扑结构中，Z源网络是按照直通状态和非直通状态的改变而配置的。在直通状态，D1是关闭的，类似于传统的逆变器。4个二极管D2，D4，D5和D7导通，而2个二极管D3和D6截止。然后，3个电感L2，L3，L4并联连接并且由电容C1和电源充电。直通状态的等效电路见图3（a）。在非直通状态下，D1是导通的。4个二极管D2，D4，D5和D7关闭，而2个二极管D3和D6导通。然后，3个电感L2，L3，L4串联，此时电感和电源同时为负载和电容充电。等效电路如图3（b）所示。
比较式（2）与式（9）可得，相比于传统Quasi?Z源逆变器，改进逆变器升压能力得到了很大的提升。图4给出了两种Z源逆变器的升压因子与直通占空比的关系曲线。由图4可以看出，与传统型相比，改进型逆变器的升压能力有了很大的提高。
3 Z源阻抗网络参数设计
3.1 电容参数设计
如前所述，新型Z源逆变器在一个开关周期内具有两个状态，在直通零状态，Z源阻抗网络的电容放电。在非直通零状态，Z源阻抗网络的电容充电。所以，可通过对Z源阻抗网络的电容进行设计。通过设定电容电压波动的大小，即稳态时电容电压波动，可得到电容的设计公式，如下：
3.2 电感参数设计
首先，电感要满足非谐振取值條件，电感、电容的谐振频率为。若要使Z源阻抗网络不发生谐振，则Z源阻抗网络的固有谐振频率必须要小于逆变器的开关频率，可得电感的设计公式：
4 简单升压控制原理
三相电压源逆变器[12]包含6个有效矢量以及2个传统零矢量工作状态。改进型 Quasi?Z 源逆变器工作状态包含6个有效矢量以及2个传统零矢量和1个直通零矢量，然而逆变器输出电压波形由逆变器的6个有效矢量决定。也就是说，2个传统零矢量和1个直通零矢量对逆变器负载的作用效果是一样的，因此，可以用直通零矢量代替部分传统零矢量，这样在不改变有效矢量的作用效果的同时实现了Z源逆变器的升压功能。所谓简单升压控制[13]就是将直通零矢量部分地代替传统零矢量，这样既不影响逆变器的调制特性，而且由于直通零矢量的插入增加了逆变器输入侧直流电压的峰值。
图5为简单升压控制的控制原理示意图，图5中up，un为直通零矢量调制波信号；ua，ub，uc为三相正弦调制波信号；ur为三角波载波信号，当三相正弦调制信号满足式（14）时，逆变器工作于零矢量状态。当直通零矢量调制信号满足式（15）时插入直通零矢量，实现简单升压控制。
5 仿真分析
改进Z源逆变器的控制策略与传统Z源逆变器一致。应用简单升压控制方法对上述两种拓扑结构仿真分析。具体仿真参数为，Z源网络：L1=L2=L3=L4=2.4 mH，C1=C2=1 000 μF；输出滤波器：Lf=3 mH，Cf=10 μF； 开关频率：5 kHz；输入直流电压：380 V。
其仿真结果如图6和图7所示。
图6、图7中波形自上而下分别是直流链峰值电压 ，电容的电压及其交流输出电压。波形为输入 380 V，直通占空比D=0.16，调制因子M=0.72下的仿真波形。
对于改进Z源逆变器，根据理论计算，升压因子为2.69，直流链峰值电压为1 022 V，电容电压为437 V，电容电压为201 V，输出三相电压为367 V，与仿真结果一致。对于传统Z源逆变器，升压因子仅为1.67，直流链峰值电压为640 V，远低于改进Z源逆变器直流链电压，电容电压为126 V，输出三相电压为230 V，远低于改进Z逆变器输出电压。图6（a）与图7（a）为传统Z源逆变器与改进Z源逆变器的直流链母线电压波形，从仿真图可知，改进Z源逆变器具有更强的升压能力。图6（b）与图7（b）、图7（c）为电容的电压。图6（c）与图7（d）为传统Z源逆变器与改进Z源逆变器的三相输出电压，改进Z源逆变器的三相电压波形大于传统Z逆变器，升压能力得到有效提高。
6 结 论
本文对所提出的改进Z源逆变器拓扑结构进行了深入分析，与传统Z源逆变器相比，改进拓扑结构具有内在的抑制启动冲击电流能力，并且使得输入电流连续。开关电感单元应用到Z源逆变器中，虽然成本有所增加，但升压能力得到有效的提升。改进型拓扑结构更适用于燃料发电、光伏发电、直驱式风力发电等对输入电压变化范围大的新能源发电应用场合。
参考文献
[1] 彭方正，房绪鹏，顾斌，等.Z源变换器[J].电工技术学报，2004，19（2）：47?51.
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[4] SU B Z， GU H R， WANG Y R， et al. Research on the composite control for PV grid?connected and energy?storage based on Quasi?Z?source inverter [J] electronics and application conference and exposition. 2014， 5（8）： 572?577.
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[7] 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.
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[13] PENG F Z， SHEN Miaosen. Maximum boost control of the Z?source inverter [J]. IEEE transactions on power electronics， 2005， 20（4）： 833?838.
