[科普中国]-Z源逆变器

简介

传统的电压源和电流源功率逆变器，分别为升压型或降压型逆变器，可得到的输出电压范围有限。对于输入电压宽范围变化的场合，常需要串联一个DC/DC变流器，这样不仅增加了电路和控制的复杂性，而且提高了系统成本，降低了变换效率;同时为了防比同一桥臂上管直通，在换流过程中插入死区导致输出交流电压波形发生畸变;而且电磁干扰造成的误触发易导致的开关管直通，降低了逆变器的可靠性2。

为了克服常规逆变器的不足，2002年浙江大学彭方正教授提出了Z源逆变器，利用其独特的无源网络，允许同一桥臂上管直通从而实现其升降压变换的功能，提高了逆变器可靠性，并且避免了由死区引起的输出波形畸变。因此Z源逆变器在直流链电压大范围变化的领域中得到广泛应用。

因电压源型逆变器较常用，阐述了传统z源逆变器的工作原理及特点，并对比分析了两种Quasi-Z源逆变器和新型Z源逆变器相较传统拓扑在电容电压应力、启动冲击电流方面的改善情况，然后归纳了各种Z源逆变器的最新应用及并网控制的研究现状，最后对Z源逆变器的发展方向做了展望。

Z源并网逆变器的提出Z源逆变器有效地克服了上述传统电压源和电流源逆变器的不足，同时可以得到一些传统电压源和电流源逆变器所无法得到的新特性。 图1. 3所示为Z源逆变器的一般拓扑结构。其中的Z网络由两个相同的电感L1, L2和相同的电容器Cl, C2接成X形构成，它将逆变器和直流电源或负载祸合在一起。Z源逆变器可以开路和短路运行，这为变流器主电路根据需要升压或降压提供了一种新的机制。Z网络的应用为电源、主电路和负载提供了下列巨大的灵活性:3

Z源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。因此，与传统的电压源和电流源逆变器不同，Z源逆变器的直流电源可以为任意的，如电池、二极管整流器、晶闸管变流器、燃料电池堆、电感、电容器或它们的组合。

Z源逆变器的主电路既可为传统的电压源的形式，也可为传统的电流源的形式。Z源逆变器所采用的开关可以是开关器件和二极管的组合。即可以是如图1. 1中所示传统电压源逆变器的反并联组合，也可以是图1. 2所示的传统电流源逆变器的串联组合。

相比传统的电压型逆变器，Z源逆变器具有以下优点:

1)逆变桥臂上下功率器件可直通而不会烧毁器件。由于独特的Z网络的存在，在直通期间能够使逆变桥臂功率器件的电流的上升得到控制，从而可控制其值在功率器件可以承受的范围之内4。

2)输出电压在系统不附加升压环节的情况下仍可比输入电压高。传统的电压源型逆变器是降压型逆变器，而Z源逆变器由于可直通，并可利用直通的升压作用，对逆变桥的输入电压进行升压。

Z源逆变器的基本原理Z源逆变器的最大特点是可以实现直接升降压功能。传统的电压源逆变器包括有效状态和零矢量状态，而Z源逆变器则有一个独特的工作状态，即直通零矢量状态，意思是逆变器的上、下桥臂短路。Z源逆变器正是利用这个状态来实现升压功能的。这样一个直通零矢量状态可以通过以下方式来实现:任一个桥臂直通或所有桥臂同时直通。

Z源逆变器的应用研究交流调速系统、燃料电池供电系统、光伏和风电等分布式发电系统以及微电网都有随负载和环境因素的变化输出电压波动范围很大的共同特点，因此具有独特升降压特性的Z源逆变器在这些领域具有广阔的应用价值。

传统的电压源型变频调速系统中为降压型逆变器，输出电压低于电网电压，这对许多要求系统过载运行的场合很不利;且系统本身不具备穿越电网电压跌落的能力，通常增加一级Boost电路升压来承受电网电压跌落，但这样又提高了系统复杂度，增加了系统成本和体积。因此提出采用具有升降压性能的Z源逆变器，这样通过控制直通占空比D}就可以输出任意值，并且Z源逆变器允许逆变器上卜桥臂直通，降低了系统的冲击和谐波电流，改善网侧电流波形。

由于光伏电池和风力发电机等分布式电源，其直流输出电压变化波动比较大，故在传统的分布式发电系统中要加入DC/DC升压电路以应对直流端电压跌落对系统的影响，增加了系统的复杂性。在分布式发电系统中采用Z源电压型逆变器代替传统的Boost电路和电压源型逆变器，利用其独特的升降压特性，可以充分适应分布式电源输出电压大范围波动的特点，使系统保持良好的鲁棒性，同时简化系统结构和设计;另外，Z源逆变器允许上卜桥臂直通，不需设定死区，可有效减小输出正弦波的谐波污染，改善输出电流波形质量。

由于Quasi-Z源、新型Z源逆变器继承了传统Z源逆变器升降压、可直通的优点，因此它们在输入电压宽范围变化的场合，如变频调速系统、电动汽车、分布式发电、微电网系统等领域都具有良好的应用前景，但是其电路特性及控制方法仍需要更深入的研究。

光伏现为当今研究热点，并且Z源独特的升降压特性能更好地适应光伏系统的输入电压变化范围大的特点，因此Z源逆变器在光伏发电领域中的应用研究也越来越受关注。故

Z源逆变器的光伏并网控制研究关于传统Z源逆变器的光伏并网控制已取得很多成果，较多的采用两级控制:即分别控制直通占空比D。和调制度M来实现直流链升压和逆变器并网功能。但是两级控制仍有不足之处，提出Z源逆变器光伏并网系统的单级控制:即把D和M合为一个统一电压空间矢量，通过控制其长度，从而控制D。和M，以实现前级光伏电池输出电压MPPT控制和逆变器并网控制。鉴于两级和单级控制各自的优缺点，两级随动控制，继承了前两种方法的优点，同时通过将D的变换范围上限放大而减少了D和M之问的影响，但仍有放宽的D}的限值大小不易确定的不足。。因目前Z源光伏并网系统多采用两级控制，故此处主要介绍两级控制的闭环控制策略，具体控制如图7所示。其中的MPPT控制环检测光伏电池的输出电压、电流，通过调节直通占空比D。使系统工作点跟随光伏电池MPP电压;逆变器并网控制则是采用PI调节的电网电压定向矢量控制，即将三相静比坐标系卜的逆变器网侧交流电压电流转变为相应的d-q同步旋转坐标系的直流量来控制，d轴按电网电压矢量E定向。其中以电压外环调节器输出作为有功电流参考值，为了实现单位功率因数运行，无功电流给定Iq设为0。将其分别与经检测变换得到的电流作差，再经过PI调节得到有功、无功电压指令，利用电网电压锁相环得到相位信息，'转换到两相静比坐标系形成电压指令根据空间矢量调制方法即可得到逆变器控制信号。但是该控制需要经过多次坐标变换和前馈解祸控制，使得系统结构复杂，实现困难。提出电流内环采用坐标系的比例谐振((PR)控制器来代替传统PI控制器，减少了坐标变换，而且不需要设置前馈解祸，从而简化了控制系统结构，并仿真验证了所提控制策略的有效性。将单周控制这一非线性控制方法用于电流内环，开关频率恒定使参数设计更方便简单，并网电流响应速度快有利于孤岛检测，保障电网安全。

由于光伏系统电压电流双闭环控制会导致系统存在动态响应速度慢或开关频率不稳定的缺陷，提出在此基础上增加一频率闭环，通过一模拟开关使开关频率稳定在一固定值，简化并网侧滤波器的设计难度，同时又不会影响到常规的MPPT及开关管的控制，从而提高并网逆变系统的性能和效率5。

目前对于Quasi-Z源、新型Z源逆变器的研究还很少，基于它们与传统Z源原理的相似性，故传统Z源逆变器的并网控制方法对其仍都适用，但针对某些问题也略有改进。分别设计了不对称的Quasi-Z源逆变器接负载和并网时的双闭环PI控制器，并进行了实验验证，并指出目前常用的控制V恒定的方法仍存在缺陷:输出直流链电压跟随输入光伏电池电压变化，使得逆变器很难工作在一个稳定状态;以及需要闭环调节和D两个变量，从而控制复杂并且很难保证动态调节的性能。因此针对对称的Quasi-Z源逆变器提出了一种新的能够维持直流链峰值电压恒定的光伏并网控制策略，闭环只需调节V一个变量，能很容易地保持系统良好的动静态特性。

将输入电压前馈加输出电压峰值反馈控制策略应用于新型Z源逆变器，通过输入电压前馈实现输入电压大范围波动时的直流链峰值电压稳定，通过交流侧输出电压峰值反馈实现负载扰动时的输出电压稳定，并仿真验证了其控制策略的有效性。

受Z源网络和逆变器开关元器件本身具有的非线性特性等的影响，使得Z源逆变器替代传统的电压源型逆变器应用在各领域的系统中也不可避免地存在谐波与无功电流等的电能质量问题，因此对Z源系统中电能质量问题的研究也是必不可少的。

Z源逆变器的非最小相位特性通过对几种拓扑进行小信号建模可知，Z源阻抗网络的传递函数都包含一个无法通过调整网络参数将其去除的右半平面零点RHPZ，使得Z源电容电压在输入电压出现扰动时产生超调和振荡，因此RHPZ问题也是Z源逆变器研究中必不可少的，且已取得一些成果。一般方法是通过设计相应的闭环控制器来尽量减小直流侧出现的非最小相位特性的影响和直流侧扰动向交流侧的传递。分别提出多环PI控制器和离散PI控制器来控制Z源网络电容电压，但都只是减小了当输入电压突降时非最小相位对系统特性的影响，而未能消除2。

一种具有两个积分环节的固定频率的滑模控制器，消除了直流非最小相位特性对系统的影响，但是当系统达到滑模面时，系统工作在一个降维的状态空间中，与原始系统有偏差，很难保证其动态性能;并且在固定开关频率下逆变器输出电压和电流中存在大量与开关频率相关的谐波。对此提出了随机开关频率的滑模控制器，使逆变器输出电压呈连续分布而不影响基波分量，有效抑制了并网谐波分量。但是都没有消除由于滑模面切换频率过高而带来的抖动现象。

提出的模糊PID控制器能够实现直流链电压最大值的直接控制，消除了RHPZ造成的影响;但是模糊规则的建立很大程度上依赖于设计者的经验，没有严格的理论依据，有一定的局限性。因此还需要对RHPZ问题进行深入的研究，期望能在减小或消除非最小相位特性影响的前提卜更好地保证系统的动静态特性。

展望传统z源逆变器独特的升降压特性能够满足输入电压宽范围变化的要求，因此其在交流调速、燃料电池、光伏、风电等领域广泛应用并已取得较多成果。随着研究的不断深入新衍生出改进的Quasi-Z源逆变器和新型Z源逆变器，继承了传统Z源逆变器优点的同时在电容电压应力、启动冲击电流方面也有所改善，因此改进拓扑的应用必将具有更广泛的研究前景和发展空间2。