基于Simulink的改进Z源逆变器的设计

 摘要：与传统逆变器相比，文章提出的改进型Z源逆变器不仅可以减小电容和电感，同时电容的电压应力得到有效降低。文中首先对其电路工作原理进行分析，得到各参数的设计方法，再由计算及仿真，推算出开关管上的电流应力确实有效降低，并在Simulink中验证了该改进型Z源设计的合理性。

　　0 引 言

　　太阳能在我国低碳化产业中起着至关重要的作用，因而太阳能中所用的逆变器无疑是研究的热点。

　　常规的电压源型逆变器同一桥臂的上下两个功率管如果同时导通会发生短路现象，从而损坏功率管，因此需要加入死区时间，而死区时间会导致输出波形的畸变。

　　同时电压源型逆变器输出电压低于直流输入电压，在输入电压较低或者输入电压变化幅度比较大的场合，需要在前一级加入升压电路。而电流源型逆变器则是逆变器输出电压高于直流输入电压。因此浙江大学彭方正教授提出的Z源逆变器能够有效地解决这些不足。一般用的比较多的是电压源型逆变器，下面将主要讨论电压源型逆变器。

　　电压源型Z源逆变器同样有一些缺点，比如在升压模式下，输入电流不连续和电容承受电压过大，因而要求电容的最大承受电压能力大，从而增加成本。本文针对传统Z源逆变器的这些缺点，提出了改进型Z源的拓扑结构，并分析了稳定状态的工作原理以及其控制策略，阐述了其对于电容上电压耐压值降低的原因，同时分析了其开关管与传统Z源在电压电流应力上面的改进。

　　1 电路工作原理

　　1.1稳态工作原理

　　与传统Z源逆变器一样，改进型Z源逆变器也是通过逆变器桥臂的直通状态来达到升压目的，如图1所示。逆变器处于6种有效矢量状态即非直通状态时，工作状态如图2（a）所示。而当逆变器处于直通状态时，工作状态如图2（b）所示。

 

图1　改进型Z源拓扑电路

 

（a）　非直通状态

 

(b)　直通状态

图2　改进型Z源逆变器工作状态

　　图2中，两个电感和电容的取值相等，直通占空比为D0.非直通状态时：

 

　　直通状态时：

 

　　由于稳态时电感上的平均电压为零，所以：

 

　　因此：

　逆变器直流端的峰值电压为：

 

　　式中，B 为直通状态得到的升压因子。

　　系统功率为P,则：

 

　　1.2 改进Z源对于电容耐压值减少的影响

　　在传统Z源中，电容与电感在直通和非直通状态下都是在工作的，所以电感电流无疑很大，且电容电压由于对称性而相同；而改进Z源中，在非直通状态电容基本不工作，而且C2上由于其支路部分与电源直接相连，所以分担了大部分的电压，故而电容C2上电压极大地减少了，从而对器件的耐压等要求有很大降低，这些优点在工业应用中起着至关重要的作用，同时可以间接通过采样其中一个电容的大小来控制电路的直通占空比，从而控制直流链最大电压。

　　2 调制策略与参数选择

　　2.1 调制策略逆变器输出的交流电压

　　调制策略逆变器输出的交流电压如下：

 

　　式中，M 为调制因子。简单升压模式是加入一正一负大小相等的两个不变的电压Up和UN,则定义电压增益为，同样则加在逆变器开关管上的电压应力为：

 

　　假设载波幅值大小为1,调制因子为M,Up=-UN,直通占空比为D0.根据它们的线性关系，D0=0时，Up=1;D0=M 时，Up=1-M.很容易得到Up=1-D0,Up=-UN.控制示意图如图3所示。

 

图3 控制示意图

　　因此，控制模块在Simulink中的仿真模块如图4所示。

 

图4 控制模块

　　2.2 电感电容参数的选择

　　假设在给定光伏电源系统，开关器件的频率为10kHz,那么在改进型Z源拓扑结构中，直通频率放大到20 kHz,在升压模式下，最大直通时间可以表示如下，部分参数参见表1.

表1 电路参数选择

 

　　令Gmax=1.7,则Mmin=0.875,

 

　　令电流纹波为：

　2.3 开关管电压电流应力

　　开关管的电压应力等于逆变器桥臂的直流链最大电压UPN.直通时承受的开关应力大小由上面的推导可知为BUin,它跟调制策略相关，这与传统Z源逆变器开关管上承受电压类似。

　　而对于开关管的电流应力：假设为理想开关管，导通电阻都相等，考虑三相短路时的电流应力结合图5很容易分析得到：

 

图5　开关管电流应力

 

　　因而，

 

　　而功率开关管最大电流应力为：

 

　　其大小由输出电流和电感上的电流决定。假设输出电流一定，则要减少开关应力，只有减少电感上的电流，由仿真图6、图7所示，改进Z源电感上电流明显小于传统Z源电感上电流，从而不仅减少了电感上的电流限制，也减少了功率管上的电流应力。因此在开关管和电感上的选择上面也有效地节约了成本。

 

图6 传统Z源电感上电流

 

图7 改进型Z源电感上电流

　　3 基于Simulink的仿真与结论

　　电路参数选择如表1所示。

　　改进型Z源电容电压和直流链电压如图8所示。

 

图8 改进型Z源电容电压和直流链电压

　　从图8中可以看出，改进型Z源逆变器其中一个电容上面的电压很低，而传统Z源逆变器电容电压都是相同的，而且接近于直流链最大电压。从这个方面考虑有效地减少了电容上的电压应力，从而对该电容的选择有很大余地。并且由图中可以得知，直流链最大电压基本保持不变，通过一定控制策略改变直流时间可以改变其大小，这跟传统Z源基本相似。本文通过对改进型Z源的工作原理进行分析，得出其对电感电容的选择条件以及开关管电流应力、电容电压等方面均有改进。

 

　　式中，ｒ′％＝１％。