0 引言

    傳統的電壓源逆變器具有兩個主要問題：第一，交流輸出電壓總是比直流輸入電壓低，也就是說：傳統的電壓源逆變器只能工作在降壓模式中。這就不適用于一些直流輸入電壓較低的場合，比如說微網中的光伏并網，它需要將太陽能電池中較低的直流輸入電壓轉換為相對較高的電網交流電壓。這就需要在前段安裝一個DC/DC轉換器來提高輸入電壓等級，而安裝DC/DC轉換器會引進復雜的控制方法，并且增加設備投入的成本。第二，傳統電壓源逆變器同一橋臂上的上下開關不能同時導通，否則會出現短路狀況，損壞逆變器。因此，需要加入死區時間，而死區時間的加入又會引起波形的畸變。

    Z源逆變器^[1]克服了傳統電壓源逆變器的上述不足，被廣泛應用于新能源發電系統中。但是傳統Z源逆變器也存在著眾多問題，比如較小的升壓能力，輸入電流斷續等。文獻[2]中提出了四種準Z源逆變器，其中第二種準Z源逆變器輸入電流連續，且在相同的升壓倍數下降低了器件的應力，為后續學者改進Z源逆變器提供了原型。文獻[3]用一個開關電感替代文獻[2]準Z源逆變器中的一個電感，構成開關電感（Switched Inductor，SL）準Z源逆變器Ⅰ型，從而提升了準Z源逆變器的升壓能力。文獻[4]在文獻[3]的基礎上，用一個自舉電容來替代SL準Z源逆變器Ⅰ型中的一個二極管，構成SL準Z源逆變器Ⅱ型，進一步提升了準Z源逆變器的升壓能力。但是升壓能力依舊有限，達不到實際應用中的要求。

    本文在文獻[4]研究的基礎上，借鑒部分學者通過級聯開關電感來提升Z源逆變器升壓能力的思想，在文獻[4]改進的開關電感上再級聯一層，構成增強型拓撲Ⅰ型。同時用自舉電容代替開關電感中的一個二極管，構成增強型拓撲Ⅱ型。在避免硬件結構過于復雜的基礎上極大地提升了準Z源逆變器的升壓能力，使這兩種準Z源逆變器可以應用于大多數場合。

1 增強型準Z源逆變器

1.1 電路拓撲

    本文提出的兩種增強型準Z源逆變器拓撲如圖1和圖2所示。

    與文獻[4]所提出的SLⅡ型準Z源逆變器不同的是：本文在文獻[4]所示的拓撲結構上，分別增加D₄、D₅、D₆、L₄構成增強型準Z源逆變器Ⅰ型和增加D₄、D₅、C₄、L₄構成增強型準Z源逆變器Ⅱ型。Ⅰ型和Ⅱ型在拓撲結構上非常相似，唯一的區別是Ⅱ型用一個自舉電容C₄代替了Ⅰ型中的一個二極管D₆。

1.2 工作原理

    兩種增強型準Z源逆變器的升壓原理相同，都可分為直通和非直通兩種工作狀態進行分析。為了簡化分析，假設所有器件都在理想狀態下工作，并且增強型準Z源逆變器拓撲中所有電感或者電容的取值相同，即電感L₁=L₂=L₃=L₄=L；電容C₁=C₂=C₃=C₄=C。

    首先對增強Ⅰ型準Z源逆變器進行穩態分析。當處于直通狀態時，逆變橋導通，可以等效為短路狀態。同時二極管D₁、D₆斷開，D₂、D₃、D₄、D₅導通。等效電路圖如圖3(a)所示。根據基爾霍夫電壓定律，可得如下公式：

    根據伏秒平衡定理：在一個開關周期內電感兩端電壓的積分為0，可得

    增強Ⅱ型的兩種工作狀態如圖4所示。

    由圖4(a)可知，增強Ⅱ型在直通狀態下的電路方程為：

    同樣由伏秒平衡定理可得：

1.3 Z源網絡升壓能力

    增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型Z源網絡的升壓能力如圖5所示，由圖5可見，增強Ⅰ型的升壓能力高于SLⅡ型準Z源逆變器，尤其是在直通比D大于0.2的時候。而增強Ⅱ型的升壓能力比增強Ⅰ型和SLⅡ型準Z源逆變器都要出色。當D在0.1～0.2之間時，增強Ⅱ型的升壓因子B在5～15之間，遠遠大于相同條件下SLⅡ型的升壓能力(B在2.87～5之間)。并且隨著D繼續增大(D<0.25)，它的升壓能力會急劇增大。所以在相同D的情況下，兩種增強型準Z源逆變器比SLⅡ型準Z源逆變器具有更高的升壓能力，更適用于光伏、燃料電池等新能源的大功率發電并網系統。

1.4 整個逆變器升壓能力分析

    Z源逆變器的升壓能力是由Z源網絡本身和PWM控制策略共同決定的。在簡單升壓控制方法下，直通占空比D最大值可以表示為

    根據式(15)、式(16)，可以繪制增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準Z源逆變器在簡單升壓控制下的交流升壓增益對比曲線。如圖6所示，兩種增強型準Z源逆變器的升壓能力均優于SLⅡ型準Z源逆變器。增強Ⅰ型在調制系數M接近0.7的時候電壓增益G會顯著增大，對比SLⅡ型準Z源逆變器升壓效果明顯。而增強Ⅱ型在M趨近0.8時就能獲得很大的電壓增益。當M=0.8時，增強Ⅱ型的電壓增益為12相比較SLⅡ型的電壓增益G等于4具有顯著的優勢。這就意味著對于任意給定的交流升壓增益G，增強型準Z源逆變器可以采用更高的調制因子，從而提高輸出電能質量，并降低開關器件的電壓應力。

2 仿真分析

    在上文對增強Ⅰ型、Ⅱ型進行詳細理論分析的基礎上，為了驗證相關理論分析的正確性，在MATLAB/Simulink仿真軟件里搭建了增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準Z源逆變器拓撲的仿真模型。仿真所用參數設置如表1所示。

    當這三種拓撲D=0.2時，根據理論分析計算得出增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準Z源逆變器的直流鏈電壓UPN分別為293 V、720 V和240 V，仿真結果如圖7所示。

    由仿真波形可見，增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準Z源逆變器的直流鏈電壓大小和計算結果基本一致。在升壓能力方面，增強Ⅰ型略優于SLⅡ型準Z源逆變器,而增強Ⅱ型的升壓能力相較于SLⅡ型準Z源逆變器具有明顯的優勢。另外，由圖7可見，增強Ⅰ型的直流鏈電壓是由低到高逐漸趨于穩定，證明增強Ⅰ型不存在啟動沖擊的問題。相較于SLⅡ型準Z源逆變器更加安全穩定。

3 實驗驗證

    為了進一步驗證理論分析的有效性，對兩種增強型準Z源逆變器進行了實驗，輸入電壓U_in=50 V，其他實驗參數與仿真參數一致(見表1)。圖8、圖9所示為簡單升壓控制下，兩種增強型準Z源逆變器與SLⅡ型準Z源逆變器的逆變器直流側電壓及輸出電壓的實驗波形。其中圖8是在直通占空比D=0.25的情況下，增強Ⅰ型與SLⅡ型準Z源逆變器的實驗結果圖。圖9為直通占空比D=0.2的時候，增強Ⅱ型以及SLⅡ型準Z源逆變器的實驗結果。

    由實驗波形可見，本文提出的兩種增強型準Z源逆變器的升壓能力均優于前人提出的SLⅡ型準Z源逆變器。在D=0.25時，增強Ⅰ型的UPN相對于U_in的升壓倍數為12(從50 V到600 V)>SLⅡ型相同條件下的8倍左右(從50 V到400 V)的升壓能力；而增強Ⅱ型在D=0.2時，其升壓倍數就能達到15(從50 V到750 V)>>同等情況下的SLⅡ型準Z源逆變器的5倍左右(從50 V到250 V)的升壓能力。實驗結果驗證了理論分析的有效性。

4 結論

    本文針對現有Z源逆變器升壓能力不足的問題，提出兩種增強型準Z源逆變器。分析了其穩態工作原理，與前人提出的SLⅡ型準Z源拓撲相比，它具有以下優點：

    (1)在相同的直通占空比下，增強型拓撲擁有更高的電壓增益，能夠應用于輸入電壓等級較低的場合。

    (2)在實現相同電壓增益的前提下，調制因子較高，能夠提高逆變器輸出的電能質量。

仿真以及實驗結果驗證了上述結論。 

參考文獻

[1] PENG F Z.Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Applications，2003，39(2)：504-510.

[2] ANDERSON J，PENG F Z．Four quasi-Z-source inverters[C]//Power Electronics Specialists Conference．Rhodes，Greece：IEEE，2008：15-19．

[3] NGUYEN M K，LIM Y C，CHO G B．Switched-inductor quasi-Z-source inverter[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(11)：3183-3191．

[4] 鄧凱，梅軍，鄭建勇，等．改進型開關電感準Ｚ源逆變器[J].電網技術，2013，37(11)：3254-3261．

[5] 湯雨，謝少軍，張超華.改進型Z源逆變器[J]．中國電機工程學報，2009，29(30)：28-34．

[6] 蔡春偉，曲延濱，盛況．增強型Z源逆變器[J]．中國電機工程學報，2011，31(S1)：259-266．

[7] 侯世英，黃哲，肖旭，等．改進型Z源并網逆變器[J]．電機與控制學報，2012，16(12)：47-53.

[8] 劉孝輝，鄭建勇，尤鏨，等．開關電感型Quasi-Z源逆變器[J]．電力自動化設備，2011，31(9)：65-68，99．

[9] GAJANAYAKE C J，LUO F L，BENG G H，et al．Extended-Boost Z-Source Inverters[J]．IEEE Trans．on Power Electronics，2010，25(10)：2642-2652．

[10] ZHU M，YU K，LUO F L．Switched Inductor Z-Source Inverter[J]．IEEE Trans．on Power Electronics，2010，25(8)：2150-2158．

[11] 楊水濤，丁新平，張帆，等．Z-源逆變器在光伏發電系統中的應用[J]．中國電機工程學報，2008，28(17)：112-118．

作者信息:

李正明，周建偉，張國松

（江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮江212013）