[科普中国]-quasi-TZ源逆变器

简介

在科学技术不断发展的当今社会，每个行业的正常运作都离不开能源的支撑。随着人口增长，工业水平的进步，能源的消耗更是以指数级在不断增长。在过去的一个多世纪中，人类主要通过燃烧石油，天然气，煤炭等化石燃料提供能源。近几十年来人们意识到，随着化石能源的不断消耗，这些有限的资源必将无法满足人类社会的长远发展。除此之外，由于人类对传统化石能源的无节制利用，地球的生态环境遭到了严重的破坏，空气污染，气候异常等现象也愈发明显。因此，为了能同时满足人类文明发展对能源的需求与对地球生态环境的保护，21世纪以来科学家们不断地在对新能源进行探索2。

目前，在技术应用上相对比较成熟的清洁能源有太阳能，风能，潮汐能。其中风能的利用受到自然环境条件制约较大，在低风速地区几乎无法利用风力发电技术，而风资源又基本都分布在偏远地区。而潮汐能受地理环境制约更严重，不能被广泛利用。太阳能则相对风能和潮汐能来说更加灵活，几乎不受地理条件制约，在城市的屋顶、旷野，沙漠等地区均可以搭建规模不同的太阳能发电机组。因此，太阳能的开发和利用在新能源领域中具有十分重要的地位。近几十年来光伏发电产业迅速发展,2000年时世界的太阳能电池产量仅有281MWp，而截止到2014年，这项数值已经增长到了196530MWp。光伏发电产业如此迅猛的发展，必然伴随着光伏发电技术不断地创新和进步。光伏逆变器作为光伏发电系统重要的一部分，近几十年来也在不断地发展和改变。

光伏发电系统功率变换器在光伏发电系统中，功率变换器起到连接光伏输入与电网的作用，是光伏发电系统中最重要的部分，功率变换器的性能优劣直接影响整体系统是否稳定可靠。主要功能有以下几点2:

1)升压

功率变换器前级需要能通过升压电路，如UOOSt电路能够将光伏组件发出的电压升高，并通过前级的DC-DC变换器稳定直流输出端电压，保证直流母线电压值符合逆变桥输入要

求。

2)逆变

经过DC-DC前级的升压与稳压之后，通过桥式逆变电路将直流母线电压转换为交流电压，根据使用需求的不同输出三相交流电压或者单相交流电压。

(3)最大功率跟踪

功率变换器通过检测光伏组件功率，对DC-DC侧功率管通断进行控制。

quasi-TZ源逆变器的提出综合以上z源系列逆变器的优点，同时为了缓解这些逆变器各自存在的一些不足。quasi-TZ源逆变器具有和传统Z源系列逆变器相似的原理与控制方法，但是这种逆变器独特的拓扑结构能够有效缓解传统Z源系列逆变器存在的启动冲击过大的问题，并且能够保持直流母线输出电流的连续，同时提高逆变器的升压比。因此，这种逆变器的提出，能够在将其应用于各种需要功率变换器的系统(如分布式发电系统)时，提高系统的稳定性，安全性，增强电路的升压能力，使电路有更宽的功率范围2。

Z源系列逆变器研究现状为了改进传统逆变器，2002年彭方正教授首先提出了z源逆变器的概念，为电力电子领域开辟了新的道路。随后几年中，国内外学者纷纷加入到z源系列逆变器的研究当中。

z源系列逆变器通过在传统控制矢量中插入直通矢量，对直流电压进行升降压控制。针对这一思想，目前对z源系列逆变器的研究主要分为两大方向。首先是对z源系列逆变器的控制策略研究，根据直通矢量的生成与插入方式的不同可分为:简单升压控制、恒定直通升压控制、最大升压控制、三次谐波注入、分段直通控制等等。根据控制策略的不同，z网络中各元器件所承受的应力、电压增益等都不尽相同。其次就是对z源逆变器拓扑结构本身的研究。在彭教授提出的x型z源逆变器基础上，国内外学者不断对z源逆变器进行改进。在传统z源逆变器结构的基础上，通过将电感换成开关电感、改变电源位置、改变z网络结构、加入变压器代替电感等方式改变拓扑结构，通过这些改变使原始z源逆变器的电压应力、启动冲击、电压增益等获得不同的改变。

z源系列逆变器作为一种通用的变换器结构，应用范围很广，许多学者也就z源系列逆变器在各个领域的应用做出研究。比如，在蓄电池与燃料电池并联的混合动力系统的应用上，z源系列逆变器能够减小燃料电池输出电压在一段时间内发生迅速跌落或突然抬高时对电路带来的不良影响，而且由于z源逆变器具有单级电路的结构特点，它能够使燃料电池系统更方便控制，具有更高的效率和安全性。同时z源逆变器还广泛应用与交流电机的调速系统当中，传统的逆变器结构在应用于交流调速系统时，为了避免由于电网电压的跌落造成的停机故障，需要增加冗余电路来承受电网电压的跌落，这不但增加了系统的复杂性，难于控制，也提高了系统整体的建造维护成本而z源逆变器应用与交流电机调速系统当中时，不需要额外增加硬件来承受电压跌落，而且z源逆变器还能使网侧的电流得到有效改善。分布式发电也是z源逆变器应用的主要领域，作为风能、太阳能等发电系统中的主要功率调节环节，它能够适应输入输出电压的大范围变化，有效提高系统的稳定性。同时，z源逆变器能够在降低逆变器的功率等级和电源的电压等级z源逆变器应用于分布式发电系统当中，能够降低整体成本，提高系统安全性，使系统控制更为方便。本文提出的quasi-TZ源逆变器，作为Z源系列逆变器的一员不但继承了Z源系列逆变器的共同优点，同时也能应用于Z源系列逆变器所应用的所有领域。

quasi-TZ源逆变器原理quasi-TZ源逆变器是一种结合了Z源逆变器与T型Z源逆变器结构特点的一种新型光伏功率变换器。。为了能够解决传统Z源系列逆变器具有的直流母线电流断续，升压能力有限，启动时电流冲击过大等一系列问题，本文在传统T型Z源逆变器的拓扑结构基础上，在Z网络电感两端并联双变压器，不同程度上解决了述问题。

quasi-TZ源逆变器控制方法由上节分析可知quasi-TZ源逆变器虽然拓扑结构较已有Z源逆变器发生了改变，但其基本升压思想并未脱离Z源系列逆变器。所以其升压控制方法与传统Z源系列逆变基本一致。在传统逆变器的占空比中插入直通零矢量即可对电路进行升压控制。由于直通零矢量的插入对有效矢量不造成影响，所以逆变部分和传统逆变器没有区别。

目前对Z源逆变器零矢量控制的方法有很多。根据其不同的零矢量插入时机，主要可以分为恒定直通零矢量控制、最大化直通零矢量控制、恒开关频率直通零矢量控制、直通零矢量常占空比最大化控制等控制方法。在这些方法的基础上，学者又提出了在插入零矢量时注入谐波等方法对这些控制方法进行改善。

恒定直通零矢量控制对于z源逆变器的控制经历了十几年的发展历程，恒定直通零矢量控制是最先被提出的一种z源系列逆变器的控制方法。这种控制方法思路简单清晰，硬件电路及程序均容易实现，所以被早期的z源系列逆变器广泛采用。

传统PWM控制与恒定直通零矢量控制时序上半部分为传统PWM控制时序，可以看出在每个开关周期当中，传统零矢量都穿插在有效矢量中间。而Z源系列逆变器的控制目的是在不影响传统有效矢量的基础上，在开关周期中插入直通零矢量。因此，恒定直通零矢量控制的控制思想就是截取在传统的零矢量的一个固定部分，插入直通零矢量，这样既不影有效矢量的逆变效果，也能够简单有效的完成插入直通零矢量升压的目的。

最大化直通零矢量控制为了能够取得更大的升压能力，在恒定直通零矢量控制策略的基础上，将直通时间延长，直到完全等于传统零矢量时间。这样就得到了最大化直通零矢量控制策略。由于传统零矢量时间完全被直通时间代替，z网络处于直通状态的时间得到了最大化，通过前文分析可知，z源系列逆变器的升压大小由z网络处于直通状态下的时间长短所决定，所以最大化直通零矢量控制将z网络的升压能力进行了最大化的提高2。

在最大化直通零矢量控制与恒定直通零矢量控制的不同点在于，恒定直通零矢量控制的每个载波周期内的直通时间都相同，而最大化零矢量控制的直通时间根据每相的调制信号。

恒定开关频率零矢量控制最大直通零矢量的控制虽然提高了z网络的电压增益，但是由于每个载波周期的直通时间不等长，这将给z网络的电感电流和电容电压引入6次谐波。为了不影响并网电能质量，z网络需要额外大量提高电感与电容值以滤掉谐波的干扰。而且，相比与传统逆变器的pwm控制，最大直通零矢量控制与恒定直通零矢量控制的开关频率都增加了一倍，对功率器件损耗也增加了一倍。同时，增加的开关频率也引入了高次谐波，这对并网电能质量也造成了很大的影响。为了改善这几点不足，学者提出了恒定开关频率的直通零矢量控制策略。