[科普中國]-Z源逆變器

簡介

傳統(tǒng)的電壓源和電流源功率逆變器，分別為升壓型或降壓型逆變器，可得到的輸出電壓范圍有限。對于輸入電壓寬范圍變化的場合，常需要串聯(lián)一個DC/DC變流器，這樣不僅增加了電路和控制的復(fù)雜性，而且提高了系統(tǒng)成本，降低了變換效率;同時為了防比同一橋臂上管直通，在換流過程中插入死區(qū)導(dǎo)致輸出交流電壓波形發(fā)生畸變;而且電磁干擾造成的誤觸發(fā)易導(dǎo)致的開關(guān)管直通，降低了逆變器的可靠性2。

為了克服常規(guī)逆變器的不足，2002年浙江大學(xué)彭方正教授提出了Z源逆變器，利用其獨特的無源網(wǎng)絡(luò)，允許同一橋臂上管直通從而實現(xiàn)其升降壓變換的功能，提高了逆變器可靠性，并且避免了由死區(qū)引起的輸出波形畸變。因此Z源逆變器在直流鏈電壓大范圍變化的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

因電壓源型逆變器較常用，闡述了傳統(tǒng)z源逆變器的工作原理及特點，并對比分析了兩種Quasi-Z源逆變器和新型Z源逆變器相較傳統(tǒng)拓?fù)湓陔娙蓦妷簯?yīng)力、啟動沖擊電流方面的改善情況，然后歸納了各種Z源逆變器的最新應(yīng)用及并網(wǎng)控制的研究現(xiàn)狀，最后對Z源逆變器的發(fā)展方向做了展望。

Z源并網(wǎng)逆變器的提出Z源逆變器有效地克服了上述傳統(tǒng)電壓源和電流源逆變器的不足，同時可以得到一些傳統(tǒng)電壓源和電流源逆變器所無法得到的新特性。 圖1. 3所示為Z源逆變器的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中的Z網(wǎng)絡(luò)由兩個相同的電感L1, L2和相同的電容器Cl, C2接成X形構(gòu)成，它將逆變器和直流電源或負(fù)載禍合在一起。Z源逆變器可以開路和短路運行，這為變流器主電路根據(jù)需要升壓或降壓提供了一種新的機(jī)制。Z網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用為電源、主電路和負(fù)載提供了下列巨大的靈活性:3

Z源逆變器的電源既可為電壓源，也可為電流源。因此，與傳統(tǒng)的電壓源和電流源逆變器不同，Z源逆變器的直流電源可以為任意的，如電池、二極管整流器、晶閘管變流器、燃料電池堆、電感、電容器或它們的組合。

Z源逆變器的主電路既可為傳統(tǒng)的電壓源的形式，也可為傳統(tǒng)的電流源的形式。Z源逆變器所采用的開關(guān)可以是開關(guān)器件和二極管的組合。即可以是如圖1. 1中所示傳統(tǒng)電壓源逆變器的反并聯(lián)組合，也可以是圖1. 2所示的傳統(tǒng)電流源逆變器的串聯(lián)組合。

相比傳統(tǒng)的電壓型逆變器，Z源逆變器具有以下優(yōu)點:

1)逆變橋臂上下功率器件可直通而不會燒毀器件。由于獨特的Z網(wǎng)絡(luò)的存在，在直通期間能夠使逆變橋臂功率器件的電流的上升得到控制，從而可控制其值在功率器件可以承受的范圍之內(nèi)4。

2)輸出電壓在系統(tǒng)不附加升壓環(huán)節(jié)的情況下仍可比輸入電壓高。傳統(tǒng)的電壓源型逆變器是降壓型逆變器，而Z源逆變器由于可直通，并可利用直通的升壓作用，對逆變橋的輸入電壓進(jìn)行升壓。

Z源逆變器的基本原理Z源逆變器的最大特點是可以實現(xiàn)直接升降壓功能。傳統(tǒng)的電壓源逆變器包括有效狀態(tài)和零矢量狀態(tài)，而Z源逆變器則有一個獨特的工作狀態(tài)，即直通零矢量狀態(tài)，意思是逆變器的上、下橋臂短路。Z源逆變器正是利用這個狀態(tài)來實現(xiàn)升壓功能的。這樣一個直通零矢量狀態(tài)可以通過以下方式來實現(xiàn):任一個橋臂直通或所有橋臂同時直通。

Z源逆變器的應(yīng)用研究交流調(diào)速系統(tǒng)、燃料電池供電系統(tǒng)、光伏和風(fēng)電等分布式發(fā)電系統(tǒng)以及微電網(wǎng)都有隨負(fù)載和環(huán)境因素的變化輸出電壓波動范圍很大的共同特點，因此具有獨特升降壓特性的Z源逆變器在這些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價值。

傳統(tǒng)的電壓源型變頻調(diào)速系統(tǒng)中為降壓型逆變器，輸出電壓低于電網(wǎng)電壓，這對許多要求系統(tǒng)過載運行的場合很不利;且系統(tǒng)本身不具備穿越電網(wǎng)電壓跌落的能力，通常增加一級Boost電路升壓來承受電網(wǎng)電壓跌落，但這樣又提高了系統(tǒng)復(fù)雜度，增加了系統(tǒng)成本和體積。因此提出采用具有升降壓性能的Z源逆變器，這樣通過控制直通占空比D}就可以輸出任意值，并且Z源逆變器允許逆變器上卜橋臂直通，降低了系統(tǒng)的沖擊和諧波電流，改善網(wǎng)側(cè)電流波形。

由于光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等分布式電源，其直流輸出電壓變化波動比較大，故在傳統(tǒng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)中要加入DC/DC升壓電路以應(yīng)對直流端電壓跌落對系統(tǒng)的影響，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。在分布式發(fā)電系統(tǒng)中采用Z源電壓型逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Boost電路和電壓源型逆變器，利用其獨特的升降壓特性，可以充分適應(yīng)分布式電源輸出電壓大范圍波動的特點，使系統(tǒng)保持良好的魯棒性，同時簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計;另外，Z源逆變器允許上卜橋臂直通，不需設(shè)定死區(qū)，可有效減小輸出正弦波的諧波污染，改善輸出電流波形質(zhì)量。

由于Quasi-Z源、新型Z源逆變器繼承了傳統(tǒng)Z源逆變器升降壓、可直通的優(yōu)點，因此它們在輸入電壓寬范圍變化的場合，如變頻調(diào)速系統(tǒng)、電動汽車、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)系統(tǒng)等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景，但是其電路特性及控制方法仍需要更深入的研究。

光伏現(xiàn)為當(dāng)今研究熱點，并且Z源獨特的升降壓特性能更好地適應(yīng)光伏系統(tǒng)的輸入電壓變化范圍大的特點，因此Z源逆變器在光伏發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用研究也越來越受關(guān)注。故

Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制研究關(guān)于傳統(tǒng)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制已取得很多成果，較多的采用兩級控制:即分別控制直通占空比D。和調(diào)制度M來實現(xiàn)直流鏈升壓和逆變器并網(wǎng)功能。但是兩級控制仍有不足之處，提出Z源逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的單級控制:即把D和M合為一個統(tǒng)一電壓空間矢量，通過控制其長度，從而控制D。和M，以實現(xiàn)前級光伏電池輸出電壓MPPT控制和逆變器并網(wǎng)控制。鑒于兩級和單級控制各自的優(yōu)缺點，兩級隨動控制，繼承了前兩種方法的優(yōu)點，同時通過將D的變換范圍上限放大而減少了D和M之問的影響，但仍有放寬的D}的限值大小不易確定的不足。。因目前Z源光伏并網(wǎng)系統(tǒng)多采用兩級控制，故此處主要介紹兩級控制的閉環(huán)控制策略，具體控制如圖7所示。其中的MPPT控制環(huán)檢測光伏電池的輸出電壓、電流，通過調(diào)節(jié)直通占空比D。使系統(tǒng)工作點跟隨光伏電池MPP電壓;逆變器并網(wǎng)控制則是采用PI調(diào)節(jié)的電網(wǎng)電壓定向矢量控制，即將三相靜比坐標(biāo)系卜的逆變器網(wǎng)側(cè)交流電壓電流轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直流量來控制，d軸按電網(wǎng)電壓矢量E定向。其中以電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出作為有功電流參考值，為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，無功電流給定Iq設(shè)為0。將其分別與經(jīng)檢測變換得到的電流作差，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到有功、無功電壓指令，利用電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)得到相位信息，'轉(zhuǎn)換到兩相靜比坐標(biāo)系形成電壓指令根據(jù)空間矢量調(diào)制方法即可得到逆變器控制信號。但是該控制需要經(jīng)過多次坐標(biāo)變換和前饋解禍控制，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)困難。提出電流內(nèi)環(huán)采用坐標(biāo)系的比例諧振((PR)控制器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制器，減少了坐標(biāo)變換，而且不需要設(shè)置前饋解禍，從而簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并仿真驗證了所提控制策略的有效性。將單周控制這一非線性控制方法用于電流內(nèi)環(huán)，開關(guān)頻率恒定使參數(shù)設(shè)計更方便簡單，并網(wǎng)電流響應(yīng)速度快有利于孤島檢測，保障電網(wǎng)安全。

由于光伏系統(tǒng)電壓電流雙閉環(huán)控制會導(dǎo)致系統(tǒng)存在動態(tài)響應(yīng)速度慢或開關(guān)頻率不穩(wěn)定的缺陷，提出在此基礎(chǔ)上增加一頻率閉環(huán)，通過一模擬開關(guān)使開關(guān)頻率穩(wěn)定在一固定值，簡化并網(wǎng)側(cè)濾波器的設(shè)計難度，同時又不會影響到常規(guī)的MPPT及開關(guān)管的控制，從而提高并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的性能和效率5。

目前對于Quasi-Z源、新型Z源逆變器的研究還很少，基于它們與傳統(tǒng)Z源原理的相似性，故傳統(tǒng)Z源逆變器的并網(wǎng)控制方法對其仍都適用，但針對某些問題也略有改進(jìn)。分別設(shè)計了不對稱的Quasi-Z源逆變器接負(fù)載和并網(wǎng)時的雙閉環(huán)PI控制器，并進(jìn)行了實驗驗證，并指出目前常用的控制V恒定的方法仍存在缺陷:輸出直流鏈電壓跟隨輸入光伏電池電壓變化，使得逆變器很難工作在一個穩(wěn)定狀態(tài);以及需要閉環(huán)調(diào)節(jié)和D兩個變量，從而控制復(fù)雜并且很難保證動態(tài)調(diào)節(jié)的性能。因此針對對稱的Quasi-Z源逆變器提出了一種新的能夠維持直流鏈峰值電壓恒定的光伏并網(wǎng)控制策略，閉環(huán)只需調(diào)節(jié)V一個變量，能很容易地保持系統(tǒng)良好的動靜態(tài)特性。

將輸入電壓前饋加輸出電壓峰值反饋控制策略應(yīng)用于新型Z源逆變器，通過輸入電壓前饋實現(xiàn)輸入電壓大范圍波動時的直流鏈峰值電壓穩(wěn)定，通過交流側(cè)輸出電壓峰值反饋實現(xiàn)負(fù)載擾動時的輸出電壓穩(wěn)定，并仿真驗證了其控制策略的有效性。

受Z源網(wǎng)絡(luò)和逆變器開關(guān)元器件本身具有的非線性特性等的影響，使得Z源逆變器替代傳統(tǒng)的電壓源型逆變器應(yīng)用在各領(lǐng)域的系統(tǒng)中也不可避免地存在諧波與無功電流等的電能質(zhì)量問題，因此對Z源系統(tǒng)中電能質(zhì)量問題的研究也是必不可少的。

Z源逆變器的非最小相位特性通過對幾種拓?fù)溥M(jìn)行小信號建?？芍?，Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)都包含一個無法通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)將其去除的右半平面零點RHPZ，使得Z源電容電壓在輸入電壓出現(xiàn)擾動時產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，因此RHPZ問題也是Z源逆變器研究中必不可少的，且已取得一些成果。一般方法是通過設(shè)計相應(yīng)的閉環(huán)控制器來盡量減小直流側(cè)出現(xiàn)的非最小相位特性的影響和直流側(cè)擾動向交流側(cè)的傳遞。分別提出多環(huán)PI控制器和離散PI控制器來控制Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓，但都只是減小了當(dāng)輸入電壓突降時非最小相位對系統(tǒng)特性的影響，而未能消除2。

一種具有兩個積分環(huán)節(jié)的固定頻率的滑模控制器，消除了直流非最小相位特性對系統(tǒng)的影響，但是當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到滑模面時，系統(tǒng)工作在一個降維的狀態(tài)空間中，與原始系統(tǒng)有偏差，很難保證其動態(tài)性能;并且在固定開關(guān)頻率下逆變器輸出電壓和電流中存在大量與開關(guān)頻率相關(guān)的諧波。對此提出了隨機(jī)開關(guān)頻率的滑?？刂破?，使逆變器輸出電壓呈連續(xù)分布而不影響基波分量，有效抑制了并網(wǎng)諧波分量。但是都沒有消除由于滑模面切換頻率過高而帶來的抖動現(xiàn)象。

提出的模糊PID控制器能夠?qū)崿F(xiàn)直流鏈電壓最大值的直接控制，消除了RHPZ造成的影響;但是模糊規(guī)則的建立很大程度上依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗，沒有嚴(yán)格的理論依據(jù)，有一定的局限性。因此還需要對RHPZ問題進(jìn)行深入的研究，期望能在減小或消除非最小相位特性影響的前提卜更好地保證系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。

展望傳統(tǒng)z源逆變器獨特的升降壓特性能夠滿足輸入電壓寬范圍變化的要求，因此其在交流調(diào)速、燃料電池、光伏、風(fēng)電等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并已取得較多成果。隨著研究的不斷深入新衍生出改進(jìn)的Quasi-Z源逆變器和新型Z源逆變器，繼承了傳統(tǒng)Z源逆變器優(yōu)點的同時在電容電壓應(yīng)力、啟動沖擊電流方面也有所改善，因此改進(jìn)拓?fù)涞膽?yīng)用必將具有更廣泛的研究前景和發(fā)展空間2。