Z源逆变器

1 Z源逆变器的提出背景

能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大基本问题，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。DC/AC变流电路，即逆变电路，能够实现直流电能到交流电能的转换。在已有的电能生产方式中，化学能电池和太阳能电池都属于直流电源，当需要由这些电源向交流负载供电时，就必须要经过DC/AC变换。此外，还有公共电网和各种独立电源，由这些电源向交流负载供电是最普遍的方式，但随着生产的发展，有相当一部分的用电负载对供电质量有特殊要求，上述电源难于直接向这些负载供电。为满足这些要求，也需要DC/AC变换。直接将太阳电池或化学电池等直流电能转换为负载所需要的交流电能称为直接变换。而采用AC-DC一AC结构的多级转换系统中的逆变转换称为间接变换。 

根据直流侧滤波器的形式，传统的逆变电路可以分为电压源和电流源两类。电压源逆变器输入直流电压而输出交流电压，根据应用场合的不同，输出电压的幅值和频率可以恒定或变化。其电路结构如图1所示。而电流源逆变器则是需要输入一个恒定的电源，其电路结构如图2所示。

图1 电压源逆变器电路结构

图2 电流源逆变器电路结构

电压源逆变器和电流源逆变器存在下述共同的缺点。

(1) 它们或是升压型，或是降压型变换器，而不可能是升/降压型变换器。也就是说，它们可得到的输出电压范围是有限的，或低于、或高于输入电压，如果需要较宽的输入电压范围，需要额外附加一级DC/DC变流器，影响效率的提高。

(2) 它们抗电磁干扰的能力较差，当由于电磁干扰导致桥臂短路或者开路时，容易造成变流器损坏，影响它们的可靠性。

(3) 针对不同性质的负载，其主电路不同，当负载性质发生变化时，主电路必须跟着变化。

虽然说传统的电压源和电流源逆变器存在缺点，但是基于传统的电压源和电流源逆变器的电力传动系统又应用非常普遍。因此，研究一种拓扑简单、效率高、可靠性高的逆变器来取代传统的逆变器将会产生很大的经济和社会效益。

2 Z源逆变器的拓扑结构及工作原理

Z源逆变器是2002年美国密西根州立大学的彭方正教授提出的一种新型逆变器。它为功率变换提供了一种新的思路和理论，可以克服传统电压源和电流源逆变器的不足之处。Z源逆变器引进了一个包含电感L1、L2和电容器C1、C2的二端口网络接成X形的Z源网络，将逆变器主电路与电源耦合。图3所示的是Z源功率逆变器的一般拓扑结构。

图3 Z源逆变器的一般拓扑

以传统三相阻抗型电压源逆变器为例，传统的三相逆变器具有8个允许的开关状态或矢量，而Z源逆变器则有9个开关状态或矢量。除了传统逆变器工作时所具有的6个非零矢量（有效矢量）和2个零电压矢量，Z源逆变器还有一个另外的零电压矢量，即在原来的零电压矢量中间插入同臂的上下器件同时导通的短路零矢量。在传统的电压源逆变器中，这个短路零电压矢量是禁止的，因为输入端为容性，它会导致瞬间直通短路时的过电流而损坏开关器件。而Z源网络的引入，使短路零电压矢量在三相电压型逆变器中成为可能。就是这个短路零电压矢量的应用，为三相电压型逆变器提供了独特的升压、降压特性。图4为产生短路零矢量的一种控制时序图。

图4 产生短路零矢量的控制时序图

当Z源逆变器工作在传统的6种非零电压矢量和2种零电压矢量的任意一种时，在一个开关周期中逆变桥侧可以等效为一个电流源（当处于传统的两个零电压矢量状态时，逆变桥也可以用一个零值的电流源或开路来代替），其等效电路如图5如下

图5 Z源逆变器工作在非短路零矢量时的等效电路

当Z源逆变器工作在短路零矢量时，逆变器相当于短路状态，其等效电路如图6所示：

图6 Z源逆变器工作在短路零矢量时的等效电路

若电感L1、L2和电容器C1、C2分别具有相同的电感量L和电容量C，Z源网络则变为一个对称网络。假设电路已经工作在稳态，根据电路对称和等效电路，可得：

vL1=vL2=vL，VC1=VC2=VC。

假设在一个开关周期T中，逆变桥工作于直通状态中的一种工作状态的时间为T0，由等效电路图6可得：

vL=VC，vd=2VC，vi=0 。

逆变桥工作于非直通零电压状态的时间为T1，由等效电路图5可得：

vL= V0－VC，vd = V0，vi= VC－VL=2VC－V0。

在一个开关周期T中，电感两端的平均电压在稳态下必然为0，由上式可得

上式表明，通过选择一个合适的升/降压因子BB，输出电压可以升高和降低(相对于输入电压)。升/降压因子BB是由调制因子 和升压因子B≥1决定的。

3 Z源逆变器的优点

从Z源逆变器的电路拓扑结构可以看出，它是由一个包含电感器L1、L2和电容器C1、C2的二端口网络接成X形，以提供一个Z源，将逆变器和直流电源耦合在一起。与传统的电压源逆变器或电流源逆变器不同的是，它允许逆变桥臂瞬时开路或短路而不会烧毁器件，这为逆变器主电路根据需要升压或降压提供了一种机制。Z源网络为电源、主电路和负载提供了巨大的灵活性。Z源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源，Z源逆变器的主电路既可为传统的电压源结构，也可为传统的电流源结构。另外，Z源逆变器所采用的开关可以是开关器件和二极管的组合，Z源逆变器的负载可为电感性或电容性。

对于Z源逆变器来说，因为它既可以以电压源逆变器模式工作，也可以以电流源逆变器模式工作，它具有以下的独特优点。

(1)    从电路结构上

以电压型逆变器模式工作时，Z源逆变器的输入电源为电压源，主电路为传统的电压源逆变器结构，Z源网络输入阻抗较小，所采用的开关是开关器件和二极管反并联的组合，负载为感性，输出阻抗较大。以电流型逆变器模式工作时，Z源逆变器的输入电源为电流源，主电路为传统的电流源逆变器结构，Z源网络输入阻抗较大，所采用的开关是开关器件和二极管串联的组合，负载为容性，输出阻抗较小。

(2)    从控制方法上

以电压型逆变器模式工作时，Z源逆变器主电路可以承受瞬时短路，并通过特殊的控制方式引入短路零矢量，为逆变器的升压提供可能，从而使该电路成为boost型电路。

以电流型逆变器模式工作时，Z源逆变器主电路可以承受瞬时开路，并通过特殊的控制方式引入开路零矢量，为逆变器的降压提供了可能性，从而使该电路成为buck型电路。

4 Z源逆变器的发展前景

Z源逆变器已经在很多具体方面有所应用，并取得很好的效果。

（1）Z 源逆变器在燃料电池供电系统的混合动力方面的应用，取得很好的性能，能够克服燃料电池输出直流电压大范围变化带来的影响，是单级电路，控制简单，效率高，同时安全性能也得到了大幅度的提高。

( 2 ）交流调速系统，由于电网电压的跌落而容易造成系统工作的中断和瘫痪。为了抑制电压跌落对系统造成的危害，通常情况下增加一级电路来实现升压功能，以承受电网电压跌落，此时，系统结构复杂，增加了系统硬件。而Z源逆变器在交流调速系统中能够承受电网电压跌落，同时具有改善网侧电流波形的能力。基于PWM 的Z源交流调压电路，在交流调速中也有一定的优势。

( 3 ) Z源逆变器在分布式发电系统中作为功率调节环节，能够适应各种大范围变动的电源电压，同时，降低了逆变器的功率等级和电源的电压等级。对系统的低成本、高安全性、控制方面有很大的优势。随着节能减排及新能源应用的发展，Z源逆变器将会有更好的发展前景。

参考文献

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