基于光伏发电的改进型Z源逆变器

沈琳钰，姚晓东，杨 洋

(1.上海电机学院电气学院，上海 201306；2.上海航天电子技术研究所，上海 201100)

Z 源逆变器[1-2]的出现改善了传统逆变器输出电压范围有限、受电磁干扰影响大、效率较低等缺点。采用Z 源结构的逆变器将无需加装额外的DC-DC 升压转换器，可以减小光伏系统的体积。由于光伏电池输出电压较低，因此还需采用合适的调制策略来提高逆变器的升压能力与电压利用率。此外，输入电流纹波的存在会影响光伏电池的使用寿命，所以消除输入电流纹波对光伏系统来说也尤为关键[3]。

国内外研究者们针对不同应用对象以及不同输出要求对Z 源拓扑结构进行了改进。文献[4]提出了二极管辅助升压逆变器，该结构的阻抗网络中采用了有源开关器件，但是该开关管的脉冲控制信号与直通时间同步变化，导致调制范围受限，输出增益也有限。文献[5]提出了双向耦合准Z 源逆变器，该结构是将准Z 源逆变器的电感用耦合电感替换，消除了输入电流的纹波，但是升压能力不理想。文献[6]提出了有源准Z 源逆变器，对阻抗网络中开关器件的控制是基于三次谐波注入升压调制，但是电压利用率不高。

基于准Z 源逆变器的拓扑结构，本文利用有源开关与耦合电感结构，设计出改进型准Z 源逆变器，并与其他几种逆变器性能进行比较。基于直通四段式空间矢量脉宽调制(SVPWM)调制法，引入开关调制数i，设计出改进型SVPWM直通升压调制法，并与现有关于有源开关器件控制的方法作比较。最后利用Matlab/Simulink 软件对耦合型开关准Z 源逆变器的模型进行仿真实验，验证其拓扑结构与直通调制方法的可行性以及消除输入电流纹波的效果。

1 耦合型开关准Z 源逆变器

1.1 工作原理

本文提出的耦合型开关准Z 源逆变器(SC-qZSI)的拓扑结构(图1)是在二极管辅助开关升压逆变器(DA-SBI)的结构上，将其中一个二极管替换成电容，从而形成准Z 源网络结构。虽然准Z 源结构使直流侧具有连续输入电流，但是依然存在电流纹波的问题。因此，引入耦合电感技术，将准Z 源结构中的两个电感器件用耦合电感替换。通过配置合理的耦合电感电感量，消去电感上的电流纹波，且不会对输出效率产生影响。

图1 耦合型开关准Z源逆变器的拓扑结构

如图1 所示，该拓扑结构包括一对耦合电感L1、L2，三个电容C1、C2、C3，三个二极管D1、D2、D3，以及一个有源开关管S0。根据耦合型开关准Z 源逆变器直通和非直通工作状态时的等效电路图(图2)，分析该拓扑结构的工作原理。

图2 耦合型开关准Z源逆变器的等效电路

由图2(a)可知，直通工作状态时，二极管D1、D2、D3反向截止，有源开关管S0处于导通状态，逆变桥等效为短路。此时，所有电容释放电量，给电感充电。根据基尔霍夫电压定律(KVL)和基尔霍夫电流定律(KCL)可得电路的状态微分方程式：

式中：M为互感系数；Vdc为直流链电压峰值。

由图2(b)可知，非直通工作状态时，二极管D1、D2、D3正向导通，有源开关管S0处于关断状态，逆变桥等效为电流源[7]。此时，电感释放储存的能量，电路的状态微分方程式为：

设在一个周期T内，直通占空比为D。根据电感的伏秒平衡原理，并结合式(1)～(2)，可得：

式中：Vin为输入电压；B为升压因子。

1.2 耦合电感的电感量设计

参考文献[5]的选型方法，耦合电感采用EE 型磁芯，铁芯长度关系为l1=l2=l3，根据磁阻公式[8]，计算得到耦合电感之间的匝数比为n1=4n2，初级与次级电感量的关系为L1=16L2。

1.3 拓扑结构的比较

1.3.1 升压能力的比较

升压能力是分析逆变器性能的一个重要指标。将准Z 源逆变器(qZSI)、DA-SBI、双向耦合准Z 源逆变器(CqZSI)、开关电感型准Z 源逆变器(SL-qZSI)[9]和SC-qZSI 进行升压能力的比较，并把上述逆变器的直通占空比与升压因子的关系绘制成图，如图3 所示。CqZSI 与qZSI 在升压能力上是相同的，在五种逆变器中也是最低的，另外三种逆变器升压能力由小到大依次是SL-qZSI、DA-SBI、SC-qZSI。耦合型开关准Z 源逆变器比其他四种逆变器在升压能力上有显著的提高。

图3 升压因子与直通占空比的关系

1.3.2 电流纹波的比较

采用三次谐波注入升压调制法，以直通占空比取最大值为例[10]：

推导出qZSI、CqZSI、DA-SBI、SC-qZSI 这四种逆变器在直通状态下的电流纹波系数[11]，绘制与电压增益的关系图，如图4 所示，当电压增益相同时，SC-qZSI 中电感L1的电流纹波系数比CqZSI 低，且几乎接近于零，可见耦合电感的加入起到了很好的消除输入电流纹波的作用。相比于其他三个逆变器，耦合型开关准Z 源逆变器中电感L2的电流纹波系数也最低，说明改进型逆变器的电流纹波更小了。

图4 电流纹波系数与电压增益的关系图

2 改进型SVPWM 直通调制方法

针对阻抗网络中带有有源开关器件的Z 源逆变器结构，该开关器件触发脉冲的控制方法常见的是控制信号与直通时间同步变化[12]。该种方法只能通过改变直通占空比来提高输出电压增益，导致调制范围受限，输出增益也有限。本文提出了一种调制方法：基于BC 相直通四段式SVPWM 调制法[13]，在两直通矢量之间插入导通脉冲，该脉冲宽度随着开关调制数i的取值而改变。通过调整i的大小，即可改变控制阻抗网络中开关器件的脉冲大小，从而实现提高输出电压增益的目的。

2.1 相邻扇区分布

在时间上，有源开关器件的导通时间处于两段直通矢量时间之间，具体分布如图5 所示。

图5 有源开关管导通的时序图

根据直通四段式SVPWM 调制法，在一个调制周期里，直通矢量时间共四段。有源开关器件的第一段导通时间处于第一段与第二段直通矢量时间之间，其时间小于“100”与“110”矢量时间之和，是该矢量时间之和的0.1i倍；第二段导通时间处于第二、三段直通矢量时间之间，其时间小于“111”矢量的时间，是该矢量时间的0.1i倍；第三段导通时间与第一段相同，且关于Ts/2 对称。

2.2 矢量时间切换点

设调制周期为Ts，相邻有效矢量时间为T1和T2，传统零矢量时间为T0，直通矢量时间为Tsh，开关器件关于i的调节时间为t1和t2。基于四段式SVPWM 方法，再根据各矢量时间作用的时间和顺序，得到阻抗网络开关器件的矢量时间切换点[14]。由于参考电压矢量在扇区的位置不断变化，各矢量时间的大小也随之不断变化。因此，阻抗网络开关器件的控制步骤与逆变桥开关器件相似，同样需要上下各三个比较值。

对于阻抗网络开关器件的控制，前两个步骤与逆变桥开关器件控制一样，而矢量时间切换点的安排独立于逆变桥开关器件的控制，最终产生独立的一路触发脉冲，其流程图如图6 所示。

图6 改进型SVPWM 流程图

3 仿真验证

采用Matlab/Simulink 软件进行仿真实验，仿真参数如表1 所示。

表1 仿真参数设置表

3.1 改进型SVPWM 直通调制法的验证

采用现有同步于直通时间的方法对耦合型开关准Z 源逆变器进行仿真实验，该方法只能通过改变直通占空比使输出电压增益变大。因此只改变直通占空比D，将仿真后的电压峰值与对应的直通占空比绘制成关系图，如图7 所示，随着直通占空比的不断递增，输出电压增益基本维持不变，输出线电压的峰值在210 V 上下浮动，而直流链电压的峰值却不断升高。若按210 V 计算，最大增益值只达到了1.6 左右。

图7 输出线电压和直流链电压峰值与直通占空比的关系

采用改进型SVPWM 直通调制法进行仿真，同样只改变直通占空比D，观察输出线电压和直流链电压峰值与直通占空比的关系，选取i=1 时的仿真结果绘制关系图(图8)，输出线电压峰值先增加后减小，直流链电压不断增加。当i的取值一定，D=0.13 时，输出电压增益最大，输入电压利用率最佳。与图7 对比后可知，当直通占空比处于0.1～0.175 时，输出线电压峰值均大于210 V，说明改进型调制法以较小的直通占空比就能获得高于同步于直通时间方法的电压增益。

图8 输出线电压和直流链电压峰值与直通占空比的关系(i=1)

仍然采用改进型直通调制法，固定直通占空比D不变，改变开关调制数，选取D=0.1、D=0.13、D=0.2 的仿真结果绘制成关系图，如图9 所示，随着开关调制数i的不断增大，输出电压增益也不断增大。结合图8，在调制数i相同的情况下，D=0.13 时的输出电压增益最大。但就直流链电压峰值而言，若直通占空比选取D=0.1，既可以实现通过改变开关调制数提高电压增益，又可保证电路具有较低的开关器件电压应力。

图9 输出线电压和直流链电压峰值与开关调制数的关系

3.2 耦合电感消除纹波的验证

耦合电感参数为L1=16 mH、L2=1 mH、Lm=2 mH，采用改进型SVPWM 直通调制法对逆变器进行仿真，D=0.13，i=4时，仿真结果如图10 所示。电感L2的电流纹波为3 A 左右，而电感L1的电流纹波几乎为零，与1.3 节中推导出的电感电流纹波接近于零吻合。仿真结果说明，配置耦合电感量满足L1=16L2的关系，可以达到消除输入电流纹波的效果。

图10 采用耦合电感的仿真波形

将耦合型开关准Z 源逆变器中的耦合电感换成电感量为1 mH 的普通电感Lr1、Lr2，其余参数不变，仿真结果如图11 所示。

对比图10～11 可知，图10 中的直流链电压以及电容两端电压更稳定，即采用耦合电感的各项电压输出比采用普通电感的逆变器更稳定。对比输入电感上的电流纹波，显然普通电感Lr1上的纹波比耦合电感L1上的电流纹波大很多。

图11 采用普通电感的仿真波形

4 结论

本文提出了一种新型逆变器——耦合型开关准Z 源逆变器，分析了该逆变器的工作状态，并与其他逆变器在升压能力与电流纹波方面作比较，结果发现新型逆变器的性能最优。针对新型逆变器中阻抗网络的有源开关器件，提出了改进型SVPWM 直通调制法，实验证明该方法通过调节开关调制数i可以以较小的直通占空比获得更高的输出电压增益，并保持较低的开关器件电压应力。另外，通过仿真实验还验证了加入耦合电感可以达到消除输入电流纹波的效果。