Z源逆變器

Z源逆變器是一種新型併網逆變器。2002年浙江大學彭方正教授提出了Z源逆變器，利用其獨特的無源網路，允許同一橋臂上管直通從而實現其升降壓變換的功能，提高了逆變器可靠性，並且避免了由死區引起的輸出波形畸變。因此Z源逆變器在直流鏈電壓大範圍變化的領域中得到廣泛套用。交流調速系統、燃料電池供電系統、光伏和風電等分散式發電系統以及微電網都有隨負載和環境因素的變化輸出電壓波動範圍很大的共同特點，因此具有獨特升降壓特性的Z源逆變器在這些領域具有廣闊的套用價值。

基本介紹

• 中文名：Z源逆變器
• 外文名：Z-source inverter
• 提出者：彭方正
• 提出時間：2002年
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

基本介紹

傳統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，可得到的輸出電壓範圍有限。對於輸入電壓寬範圍變化的場合，常需要串聯一個DC/DC變流器，這樣不僅增加了電路和控制的複雜性，而且提高了系統成本，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導致輸出交流電壓波形發生畸變;而且電磁干擾造成的誤觸發易導致的開關管直通，降低了逆變器的可靠性。

為了克服常規逆變器的不足，2002年浙江大學彭方正教授提出了Z源逆變器，利用其獨特的無源網路，允許同一橋臂上管直通從而實現其升降壓變換的功能，提高了逆變器可靠性，並且避免了由死區引起的輸出波形畸變。因此Z源逆變器在直流鏈電壓大範圍變化的領域中得到廣泛套用。

因電壓源型逆變器較常用，闡述了傳統z源逆變器的工作原理及特點，並對比分析了兩種Quasi-Z源逆變器和新型Z源逆變器相較傳統拓撲在電容電壓應力、啟動衝擊電流方面的改善情況，然後歸納了各種Z源逆變器的最新套用及併網控制的研究現狀，最後對Z源逆變器的發展方向做了展望。

提出

Z源逆變器有效地克服了上述傳統電壓源和電流源逆變器的不足，同時可以得到一些傳統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源逆變器的一般拓撲結構。其中的Z網路由兩個相同的電感L1, L2和相同的電容器Cl, C2接成X形構成，它將逆變器和直流電源或負載禍合在一起。Z源逆變器可以開路和短路運行，這為變流器主電路根據需要升壓或降壓提供了一種新的機制。Z網路的套用為電源、主電路和負載提供了下列巨大的靈活性:

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、二極體整流器、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的電壓源的形式，也可為傳統的電流源的形式。Z源逆變器所採用的開關可以是開關器件和二極體的組合。即可以是如圖1. 1中所示傳統電壓源逆變器的反並聯組合，也可以是圖1. 2所示的傳統電流源逆變器的串聯組合。

相比傳統的電壓型逆變器，Z源逆變器具有以下優點:

1)逆變橋臂上下功率器件可直通而不會燒毀器件。由於獨特的Z網路的存在，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範圍之內。

2)輸出電壓在系統不附加升壓環節的情況下仍可比輸入電壓高。傳統的電壓源型逆變器是降壓型逆變器，而Z源逆變器由於可直通，並可利用直通的升壓作用，對逆變橋的輸入電壓進行升壓。

基本原理

Z源逆變器的最大特點是可以實現直接升降壓功能。傳統的電壓源逆變器包括有效狀態和零矢量狀態，而Z源逆變器則有一個獨特的工作狀態，即直通零矢量狀態，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來實現升壓功能的。這樣一個直通零矢量狀態可以通過以下方式來實現:任一個橋臂直通或所有橋臂同時直通。

套用研究

交流調速系統、燃料電池供電系統、光伏和風電等分散式發電系統以及微電網都有隨負載和環境因素的變化輸出電壓波動範圍很大的共同特點，因此具有獨特升降壓特性的Z源逆變器在這些領域具有廣闊的套用價值。

傳統的電壓源型變頻調速系統中為降壓型逆變器，輸出電壓低於電網電壓，這對許多要求系統過載運行的場合很不利;且系統本身不具備穿越電網電壓跌落的能力，通常增加一級Boost電路升壓來承受電網電壓跌落，但這樣又提高了系統複雜度，增加了系統成本和體積。因此提出採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，並且Z源逆變器允許逆變器上卜橋臂直通，降低了系統的衝擊和諧波電流，改善網側電流波形。

由於光伏電池和風力發電機等分散式電源，其直流輸出電壓變化波動比較大，故在傳統的分散式發電系統中要加入DC/DC升壓電路以應對直流端電壓跌落對系統的影響，增加了系統的複雜性。在分散式發電系統中採用Z源電壓型逆變器代替傳統的Boost電路和電壓源型逆變器，利用其獨特的升降壓特性，可以充分適應分散式電源輸出電壓大範圍波動的特點，使系統保持良好的魯棒性，同時簡化系統結構和設計;另外，Z源逆變器允許上卜橋臂直通，不需設定死區，可有效減小輸出正弦波的諧波污染，改善輸出電流波形質量。

由於Quasi-Z源、新型Z源逆變器繼承了傳統Z源逆變器升降壓、可直通的優點，因此它們在輸入電壓寬範圍變化的場合，如變頻調速系統、電動汽車、分散式發電、微電網系統等領域都具有良好的套用前景，但是其電路特性及控制方法仍需要更深入的研究。

光伏現為當今研究熱點，並且Z源獨特的升降壓特性能更好地適應光伏系統的輸入電壓變化範圍大的特點，因此Z源逆變器在光伏發電領域中的套用研究也越來越受關注。故

光伏併網控制

關於傳統Z源逆變器的光伏併網控制已取得很多成果，較多的採用兩級控制:即分別控制直通占空比D。和調製度M來實現直流鏈升壓和逆變器併網功能。但是兩級控制仍有不足之處，提出Z源逆變器光伏併網系統的單級控制:即把D和M合為一個統一電壓空間矢量，通過控制其長度，從而控制D。和M，以實現前級光伏電池輸出電壓MPPT控制和逆變器併網控制。鑒於兩級和單級控制各自的優缺點，兩級隨動控制，繼承了前兩種方法的優點，同時通過將D的變換範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源光伏併網系統多採用兩級控制，故此處主要介紹兩級控制的閉環控制策略，具體控制如圖7所示。其中的MPPT控制環檢測光伏電池的輸出電壓、電流，通過調節直通占空比D。使系統工作點跟隨光伏電池MPP電壓;逆變器併網控制則是採用PI調節的電網電壓定向矢量控制，即將三相靜比坐標系卜的逆變器網側交流電壓電流轉變為相應的d-q同步旋轉坐標系的直流量來控制，d軸按電網電壓矢量E定向。其中以電壓外環調節器輸出作為有功電流參考值，為了實現單位功率因數運行，無功電流給定Iq設為0。將其分別與經檢測變換得到的電流作差，再經過PI調節得到有功、無功電壓指令，利用電網電壓鎖相環得到相位信息，'轉換到兩相靜比坐標系形成電壓指令根據空間矢量調製方法即可得到逆變器控制信號。但是該控制需要經過多次坐標變換和前饋解禍控制，使得系統結構複雜，實現困難。提出電流內環採用坐標系的比例諧振((PR)控制器來代替傳統PI控制器，減少了坐標變換，而且不需要設定前饋解禍，從而簡化了控制系統結構，並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於電流內環，開關頻率恆定使參數設計更方便簡單，併網電流回響速度快有利於孤島檢測，保障電網安全。

由於光伏系統電壓電流雙閉環控制會導致系統存在動態回響速度慢或開關頻率不穩定的缺陷，提出在此基礎上增加一頻率閉環，通過一模擬開關使開關頻率穩定在一固定值，簡化併網側濾波器的設計難度，同時又不會影響到常規的MPPT及開關管的控制，從而提高併網逆變系統的性能和效率。

目前對於Quasi-Z源、新型Z源逆變器的研究還很少，基於它們與傳統Z源原理的相似性，故傳統Z源逆變器的併網控制方法對其仍都適用，但針對某些問題也略有改進。分別設計了不對稱的Quasi-Z源逆變器接負載和併網時的雙閉環PI控制器，並進行了實驗驗證，並指出目前常用的控制V恆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定狀態;以及需要閉環調節和D兩個變數，從而控制複雜並且很難保證動態調節的性能。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恆定的光伏併網控制策略，閉環只需調節V一個變數，能很容易地保持系統良好的動靜態特性。

將輸入電壓前饋加輸出電壓峰值反饋控制策略套用於新型Z源逆變器，通過輸入電壓前饋實現輸入電壓大範圍波動時的直流鏈峰值電壓穩定，通過交流側輸出電壓峰值反饋實現負載擾動時的輸出電壓穩定，並仿真驗證了其控制策略的有效性。

受Z源網路和逆變器開關元器件本身具有的非線性特性等的影響，使得Z源逆變器替代傳統的電壓源型逆變器套用在各領域的系統中也不可避免地存在諧波與無功電流等的電能質量問題，因此對Z源系統中電能質量問題的研究也是必不可少的。

相位特性

通過對幾種拓撲進行小信號建模可知，Z源阻抗網路的傳遞函式都包含一個無法通過調整網路參數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擾動時產生超調和振盪，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。一般方法是通過設計相應的閉環控制器來儘量減小直流側出現的非最小相位特性的影響和直流側擾動向交流側的傳遞。分別提出多環PI控制器和離散PI控制器來控制Z源網路電容電壓，但都只是減小了當輸入電壓突降時非最小相位對系統特性的影響，而未能消除。

一種具有兩個積分環節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的影響，但是當系統達到滑模面時，系統工作在一個降維的狀態空間中，與原始系統有偏差，很難保證其動態性能;並且在固定開關頻率下逆變器輸出電壓和電流中存在大量與開關頻率相關的諧波。對此提出了隨機開關頻率的滑模控制器，使逆變器輸出電壓呈連續分布而不影響基波分量，有效抑制了併網諧波分量。但是都沒有消除由於滑模面切換頻率過高而帶來的抖動現象。

提出的模糊PID控制器能夠實現直流鏈電壓最大值的直接控制，消除了RHPZ造成的影響;但是模糊規則的建立很大程度上依賴於設計者的經驗，沒有嚴格的理論依據，有一定的局限性。因此還需要對RHPZ問題進行深入的研究，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的動靜態特性。

展望

傳統z源逆變器獨特的升降壓特性能夠滿足輸入電壓寬範圍變化的要求，因此其在交流調速、燃料電池、光伏、風電等領域廣泛套用並已取得較多成果。隨著研究的不斷深入新衍生出改進的Quasi-Z源逆變器和新型Z源逆變器，繼承了傳統Z源逆變器優點的同時在電容電壓應力、啟動衝擊電流方面也有所改善，因此改進拓撲的套用必將具有更廣泛的研究前景和發展空間。