三相电压型准Z源逆变器电路拓扑和调制策略

屈艾文，许俊阳，陈道炼

（福建省新能源发电与电能变换重点实验室（福州大学），福州 350116）

近年来，光伏、风力等可再生能源发电系统获得了越来越广泛的应用。可再生能源输出功率需经变换器调节，其可靠性需变换器的性能加以保证。脉宽调制 PWM（pulse width modulation）逆变器电路结构简洁，易于控制，但存在如下缺陷：①电压型/电流型逆变器为降压型/升压型逆变器，不适合应用在光伏、风力等宽输入电压变化范围的逆变场合；②电压型逆变器同一桥臂开关管需设死区时间，而电流型逆变器上、下桥臂开关管需设换流重叠时间，系统抗电磁干扰EMI（electro-magnetic interference）能力差，可靠性低，谐波含量大。传统两级PWM变换器虽可满足宽输入电压变化要求，但开关管较多，成本相对较高、可靠性相对较低[1-2]。

文献[1]提出了Z源逆变器，具有单级升/降压、允许桥臂直通和输出波形畸变小等优点，克服了传统PWM逆变器的固有缺陷，但Z源逆变器存在输入电流不连续、阻抗网络电容电压应力大以及启动冲击严重等不足。文献[3]提出了准Z源逆变器，除了具有Z源逆变器的优点外，还具有输入电流连续、逆变桥与输入源共地及电容电压应力较小等优点，广泛应用在光伏、风力等可再生能源发电系统[4-7]。本文主要从电路拓扑和调制策略两方面来论述三相电压型准Z源逆变器的发展与现状。

1 电路拓扑

1.1 基本型

输入电流连续的三相电压型准Z源逆变器[3]如图1所示。该逆变器在稳态时有直通和非直通两种状态，设在一个开关周期Ts内储能电容电压近似不变，由储能电感L1、L2伏秒平衡可得，储能电容C1、C2电压稳态值 UC1和 UC2分别为

图1 三相电压型准Z源逆变器Fig.1 Three-phase voltage-fed quasi-Z-source inverter

式中：Dsh为直通占空比，Dsh=Tsh/Ts，Tsh为一个开关周期Ts内的直通状态时间；Ui为输入电压。

设B为升压因子，则母线电压幅值Upn为

该准Z源逆变器电压增益G为

式中：Em为三相相电压峰值；M为三相逆变桥调制系数，M=Em/（Upn/2）。

1.2 强升压能力改进型

图1中，当准Z源逆变器输入电压较低时，需较大Dsh以得到期望的输出电压，导致功率开关管和阻抗网络储能电容的电压应力大、M小、输出波形质量差。为此，文献[8-16]提出了具有强升压能力的改进型准Z源逆变器电路拓扑，根据是否存在级联电路，这类准Z源逆变器又分为单阻抗网络改进型和级联阻抗网络改进型2种。

1.2.1 单阻抗网络改进型

强升压能力的单阻抗网络改进型准Z源逆变器如图2所示。文献[8，10]分别提出了开关电感准Z源逆变器 SL-qZSI（switch-inductor quasi-Z-source inverter）和开关耦合电感准Z源逆变器SCL-qZSI（switchcoupled-inductor quasi-Z-source inverter），如图2（a）、（b）所示。SL-qZSI和SCL-qZSI在向输出馈能的非直通期间，电容C3位于主功率通路，因此C3选取很关键。若C3选用电解电容，电容损耗相对较高，若C3选用薄膜电容，则电容体积相对较大。

图2 强升压能力的单阻抗网络改进型准Z源逆变器Fig.2 Single impedance-source network improved qZSI with strong boost capability

为了采用更少元件来提高升压能力，文献[11]提出了基于变压器的准Z源逆变器Trans-qZSI（transformer based quasi-Z-source inverter），如图2（c）所示。当绕组匝比n大于1时，可得更强的升压能力，但其变压器存在磁心饱和的问题。为了解决此问题，文献[12]提出了LCCT-准Z源逆变器LCCT-qZSI（inductor-capacitor-capacitor-transformer quasi-Z-source inverter），如图2（d）所示。加入内嵌电容防止了磁心饱和，且当匝比nT1/nT2＞1时，可得到更强的升压能力。为了减小Tran-qZSI变压器的匝比、尺寸和重量，文献[13]提出了基于变压器的准TZ源逆变器Quasi-TZ-SI（quasi-TZ-source inverter），如图2（e）所示。

为了提高安全性，文献[14]提出了隔离准Z源逆变器 Isolated-qZSI（isolated quasi-Z-source inverter），如图2（f）所示。当变压器副边与原边的匝比N＞1时，具有更强的升压能力，然而其多了一个开关管，控制相对复杂。

1.2.2 级联阻抗网络改进型

文献[15,16]提出了级联阻抗网络改进型准Z源逆变器，如图3所示。图3（a）为通过级联D3-D2-L3-C1来实现高增益的辅助二极管扩展升压准Z源逆变器DAEB-qZSI（diode-assisted extended-boost qZSI），图3（b）为通过级联C4-D2-L3-C1来实现高增益的辅助电容扩展升压准Z源逆变器CAEB-qZSI（capacitor-assisted extended-boost qZSI），图3（c）为通过级联 D2-D3-L3-C3来实现高增益的辅助二极管级联准Z源逆变器 DAC-qZSI（diode assisted cascaded qZSI），图3（d）为通过级联D2-C3-L3-C4来实现高增益的辅助电容级联准Z源逆变器CAC-qZSI（capacitor assisted cascaded qZSI）。

表1给出了采用简单升压SPWM调制策略[17]且M=1－Dsh时qZSI和强升压能力改进型 qZSI的电压增益G、升压因子B、开关管电压应力标幺值（Us/Ui）、阻抗网络二极管电压应力标幺值（UD1/Ui）、电容电压应力标幺值（UC1/Ui）和（UC2/Ui）的表达式。参考表1分别得出B与Dsh的关系曲线、G与M的关系曲线、G与Dsh的关系曲线、逆变桥（Us/Ui）与G的关系曲线、阻抗网络（UD1/Ui）与G的关系曲线，如图4所示。

在相同G或B下，相比基本qZSI，强升压能力改进型qZSI所需Dsh更小，M更大，输出波形质量更好，如图4（a）～（d）所示；在相同 Dsh或 M 下，升压能力SCL-qZSI最强，SL-qZSI次之，整体上级联阻抗网络升压能力不如单阻抗网络，如图4（a）～（c）所示；在相同G下，逆变桥开关管电压应力中，SL-qZSI、DAEB-qZSI 和 Isolated-qZSI最大，SCL-qZSI和Quasi-TZ-SI最小，如图4（e）所示；阻抗网络二极管电压应力中，Quasi-TZ-SI、LCCT-qZSI 和 Trans-qZSI最大，Isolated-qZSI和SCL-qZSI最小，级联型的qZSI居中，如图4（f）所示；在级联阻抗网络qZSI中，在相同G下，逆变桥开关管和阻抗网络二极管电压应力 DAEB-qZSI最大，CADE-qZSI和 CAC-qZSI最小，如图4（e）所示；在级联阻抗网络 qZSI中，在相同Dsh时，CADE-qZSI和CAC-qZSI的电压增益G最大，DAEB-qZSI的电压增益G最小，如图4（d）所示。

图3 强升压能力的级联阻抗网络改进型准Z源逆变器Fig.3 Cascaded impedance-source network improved qZSI with strong boost capability

表1 qZSI拓扑性能比较Tab.1 Comparison of qZSI’s topological performance

可见，SCL-qZSI具有最强的升压能力、最低的开关管和阻抗网络二极管电压应力，但其储能电容位于主功率通路上；虽然辅助电容级联准Z源逆变器CADE-qZSI和CAC-qZSI升压能力不如单阻抗网络，但在低输入电压的并网逆变场合功率器件的电压应力相对较小，且其储能电容不位于主功率通路上；相比辅助二极管级联准Z源逆变器，辅助电容级联电压型准Z源逆变器具有更强的升压能力。

1.2.3 低电压应力改进型

为了解决高输入电压下开关管电压应力大的问题，文献[18]提出了三相三电平中点钳位准Z源逆变器，如图5所示。相比两电平准Z源逆变器，该准Z源逆变器具有开关管电压应力小、所需阻断电压能力弱、du/dt小、开关频率高、输出波形谐波含量低等优点。为了解决高输出电压下开关管电压应力大和传统级联多电平光伏并网逆变器直流链电压不平衡的问题，文献[19]提出了级联多电平光伏并网准Z源逆变器，如图6所示。该拓扑具有单级升降压、独立直流链控制功能、谐波含量少、开关频率低、滤波器尺寸小、开关管电压应力小和效率高等优点。

文献[20]提出了级联Trans准Z源逆变器，如图7所示。通过级联trans准Z源阻抗网络，解决了高增益带来的储能电容电压应力大、高匝比带来的绕组W2的电压高、成本高、可靠性低的问题。

图4 qZSI性能关系比较曲线Fig.4 Performance comparison curves for qZSI

图5 三相三电平中点钳位准Z源逆变器Fig.5 Three-phase three-level neutral-point-clamped qZSI

图6 三相级联多电平准Z源逆变器Fig.6 Three-phase cascaded multi-level qZSI

图7 级联Trans-准Z源逆变器Fig.7 Cascaded Trans-qZSI

1.2.4 能量存储功能型

为了平滑光伏输出功率的波动、输出稳定的负载功率，文献[6,21]提出了具有能量存储功能的准Z源逆变器，把蓄电池与准Z源阻抗网络的电容C1[6]或C2[21]并联，当光伏功率大于负载功率时，电池充电；当光伏功率小于负载功率时，电池放电；当光伏功率等于负载功率时，电池不充电也不放电。

2 调制策略

三相电压型准Z源逆变器通过产生直通状态的调制策略来实现单级升降压。目前，SPWM和基于电压矢量的改进型空间矢量脉宽调制SVPWM（space vector pulse width modulation）策略是Z源/准Z源逆变器的主流调制策略[17，22-26]。

2.1 SPWM调制策略

应用在两电平准Z源逆变器的SPWM调制策略主要有简单升压SPWM、最大升压SPWM和最大恒定升压SPWM3种典型方法[17，22]，其调制原理波形和正弦载波PWM波形如图8所示。

图8 准Z源逆变器SPWM调制原理波形Fig.8 Waveforms of SPWM principle for qZSI

简单升压SPWM调制策略如图8（a）所示，用直线调制信号Vp、Vn与三角载波信号交截产生直通状态，直通占空比为常数，阻抗网络电感和电容体积小，M最大为1；最大升压SPWM调制策略如图8（b）所示，将所有零状态的时间都用作直通升压，直通占空比含6倍输出频率脉动，所需阻抗网络储能电感和电容的体积大，M最大为；最大恒定升压 SPWM 调制策略如图8（c）、（d）所示，用正弦调制信号Vp、Vn与三角载波信号交截产生直通状态或调制波中注入3次谐波并用直线调制信号Vp、Vn与三角载波信号交截产生直通状态，在一个开关周期内直通时间之和为常数，阻抗网络电感和电容体积小，M最大为。在获得相同电压增益G时，开关管电压应力关系为简单升压SPWM＞最大恒定升压SPWM＞最大升压SPWM；在采用相同M时，获得电压增益G的关系为：最大升压SPWM＞最大恒定升压SPWM＞简单升压SPWM。文献[23]提出了基于简单升压SPWM的正弦载波PWM调制策略，如图8（e）所示，采用直线调制信号 Vp、Vn与高频正弦载波信号交截产生直通状态，虽然M最大为1，但在相同M下可获得比简单升压更大的直通占空比和升压能力。

文献[24，25]提出应用在级联多电平准Z源逆变器中的移相正弦PWM调制策略[24]和移相脉冲宽度幅值 PS-PWAM（phase-shifted pulse-width-amplitude modulation）[25]调制策略，且 PS-PWAM 调制策略具有更少的开关动作次数和更小的开关损耗；文献[18]提出应用在三电平中点钳位准Z源逆变器中的在最大恒定升压调制策略基础上基于载波的电平移相脉宽调制LS-PWM（carrier-based level shifted pulse width modulation）策略。

2.2 改进空间矢量脉冲宽度调制策略

为了克服SPWM策略直通时开关转换次数多、开关损耗大的缺点，并充分利用空间矢量方法的谐波失真小、线性调制范围宽和输入电压利用率高等优点，文献[26]提出了4种改进SVPWM策略，即6段直通ZSVM4、6段直通 ZSVM6、4段直通ZSVM2和2段直通ZSVM1，其在扇区I的开关动作模式如图9所示。

图9 准Z源逆变器在扇区I的空间矢量开关动作模式Fig.9 Space vector switch action pattern in Sector I for qZSI

通过改变传统空间矢量开关管开通关断控制信号的开关时间，在开关转换时刻插入直通状态，不需额外的开关动作，减小了开关损耗，且调制系数M最大都为。在一个开关周期中，ZSVM1、ZSVM4、ZSVM6和 ZSVM2的最大直通时间分别为1/2、3/4、1和1倍的传统零矢量作用时间。与ZSVM4和ZSVM1相比，ZSVM6和ZSVM2在相同调制系数M的情况下具有更大直通占空比和更高的升压能力；与ZSVM4相比，ZSVM6和ZSVM2在相同电压增益G的情况下，具有更低的开关管电压应力。可见，直通时间占传统零矢量作用时间越多，在相同调制系数M时，阻抗网络升压能力越强；在相同电压增益G时，所需传统零矢量时间越少、调制系数M越大、开关管电压应力越小。

2.3 消除共模漏电流的改进PWM调制策略

三相电压型准Z源逆变器在奇矢量（V1（100）、V3（010）、V5（001））作用时，输出共模电压为 BUi/3；在偶矢量（V2（110）、V4（011）、V6（101））作用时，输出共模电压为 2BUi/3；在零矢量 V0（000）、V7（111）和直通矢量作用时，输出共模电压分别为0、BUi/和0[27]。当采用文献[26]的改进SVPWM调制策略时，由于各矢量输出共模电压不同，非隔离准Z源光伏逆变器会产生共模漏电流，将不满足共模漏电流有效值低于300 mA的德国VDE 0126-1-1标准[28]。

文献[28]提出了采用奇矢量的脉冲调制OPWM（odd PWM）、采用偶矢量的脉冲调制EPWM（even PWM）和采用奇偶矢量的脉冲调制OEPWM（oddeven PWM）等3种调制策略来减小共模漏电流，OPWM、EPWM、OEPWM的最大调制系数分别为0.667、0.667、0.770，3种调制策略具有调制系数低、输入电压利用率低和开关管电压应力大的缺点；文献[29]提出了把有效零状态脉宽调制AZSPWM（active zero state PWM）和OEPWM相结合的调制策略来减小共模漏电流，调制系数M最大为0.816，但此调制策略只适合应用在高功率因数负载场合；文献[30]提出了改进近态脉宽调制MNSPWM（modifiednearsta-tePWM）策略来减小共模漏电流，采用3个相邻的电压矢量来代替零矢量以减小共模电压变化，适合应用在不同功率因数负载场合，调制系数M最大为1，具有输出电流谐波小、输入电压利用率高、开关管电压应力小、开关损耗小等优点。

3 结论

三相电压型准Z源逆变器电路拓扑，包括基本型、强升压能力改进型、低电压应力改进型和能量存储型4类。强升压能力改进型，包括SC-qZSI、SCL-qZSI、Trans-qZSI等单阻抗网络和辅助电容CAEB-qZSI、CAC-qZSI、辅助二极管DAEB-qZSI、DAC-qZSI等级联阻抗网络，其中SCL-qZSI的升压能力最强，开关管电压应力最小，但存在储能电容位于主功率通路的问题，辅助电容级联阻抗网络CAEB-qZSI、CAC-qZSI虽升压能力弱于单阻抗网络，但器件电压应力低于单阻抗网络；低电压应力型，包括三相三电平中点钳位准Z源逆变器、级联多电平准Z源逆变器、级联Trans-准Z源逆变器；能量存储型通过在储能电容上并联电池，平滑了光伏输出功率的波动、提高了输出负载功率的稳定性。

三相电压型准Z源逆变器调制策略，包括SPWM、改进SVPWM调制策略和减小共模漏电流的改进PWM调制策略。SPWM调制策略开通所有的开关管产生直通状态，开关损耗大，调制系数都不低于1；改进SVPWM调制策略在开关转换时刻插入直通状态，不需额外的开关动作，开关损耗小，调制系数高；改进PWM调制策略重新选取作用的矢量来降低输出共模电压的变化，减小共模漏电流，但调制系数都不大于1。

具有更强升压能力、更低器件电压应力、能量存储功能的电路拓扑和具有更大调制系数、更小共模漏电流的调制策略，是三相电压型准Z源逆变器的未来发展方向。