quasi-TZ源逆變器

quasi-TZ源逆變器是一種新型改進Z源逆變器。quasi-TZ源逆變器具有和傳統Z源系列逆變器相似的原理與控制方法，但是這種逆變器獨特的拓撲結構能夠有效緩解傳統Z源系列逆變器存在的啟動衝擊過大的問題，並且能夠保持直流母線輸出電流的連續，同時提高逆變器的升壓比。因此，這種逆變器的提出，能夠在將其套用於各種需要功率變換器的系統(如分散式發電系統)時，提高系統的穩定性，安全性，增強電路的升壓能力，使電路有更寬的功率範圍。

基本介紹

• 中文名：quasi-TZ源逆變器
• 外文名：Quasi - TZ source inverter
• 本質：逆變器
• 優點：更寬的功率範圍
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

在科學技術不斷發展的當今社會，每個行業的正常運作都離不開能源的支撐。隨著人口增長，工業水平的進步，能源的消耗更是以指數級在不斷增長。在過去的一個多世紀中，人類主要通過燃燒石油，天然氣，煤炭等化石燃料提供能源。近幾十年來人們意識到，隨著化石能源的不斷消耗，這些有限的資源必將無法滿足人類社會的長遠發展。除此之外，由於人類對傳統化石能源的無節制利用，地球的生態環境遭到了嚴重的破壞，空氣污染，氣候異常等現象也愈發明顯。因此，為了能同時滿足人類文明發展對能源的需求與對地球生態環境的保護，21世紀以來科學家們不斷地在對新能源進行探索。

目前，在技術套用上相對比較成熟的清潔能源有太陽能，風能，潮汐能。其中風能的利用受到自然環境條件制約較大，在低風速地區幾乎無法利用風力發電技術，而風資源又基本都分布在偏遠地區。而潮汐能受地理環境制約更嚴重，不能被廣泛利用。太陽能則相對風能和潮汐能來說更加靈活，幾乎不受地理條件制約，在城市的屋頂、曠野，沙漠等地區均可以搭建規模不同的太陽能發電機組。因此，太陽能的開發和利用在新能源領域中具有十分重要的地位。近幾十年來光伏發電產業迅速發展,2000年時世界的太陽能電池產量僅有281MWp，而截止到2014年，這項數值已經增長到了196530MWp。光伏發電產業如此迅猛的發展，必然伴隨著光伏發電技術不斷地創新和進步。光伏逆變器作為光伏發電系統重要的一部分，近幾十年來也在不斷地發展和改變。

光伏發電系統功率變換器

在光伏發電系統中，功率變換器起到連線光伏輸入與電網的作用，是光伏發電系統中最重要的部分，功率變換器的性能優劣直接影響整體系統是否穩定可靠。主要功能有以下幾點:

1)升壓

功率變換器前級需要能通過升壓電路，如UOOSt電路能夠將光伏組件發出的電壓升高，並通過前級的DC-DC變換器穩定直流輸出端電壓，保證直流母線電壓值符合逆變橋輸入要

求。

2)逆變

經過DC-DC前級的升壓與穩壓之後，通過橋式逆變電路將直流母線電壓轉換為交流電壓，根據使用需求的不同輸出三相交流電壓或者單相交流電壓。

(3)最大功率跟蹤

功率變換器通過檢測光伏組件功率，對DC-DC側功率管通斷進行控制。

quasi-TZ源逆變器的提出

綜合以上z源系列逆變器的優點，同時為了緩解這些逆變器各自存在的一些不足。quasi-TZ源逆變器具有和傳統Z源系列逆變器相似的原理與控制方法，但是這種逆變器獨特的拓撲結構能夠有效緩解傳統Z源系列逆變器存在的啟動衝擊過大的問題，並且能夠保持直流母線輸出電流的連續，同時提高逆變器的升壓比。因此，這種逆變器的提出，能夠在將其套用於各種需要功率變換器的系統(如分散式發電系統)時，提高系統的穩定性，安全性，增強電路的升壓能力，使電路有更寬的功率範圍。

Z源系列逆變器研究現狀

為了改進傳統逆變器，2002年彭方正教授首先提出了z源逆變器的概念，為電力電子領域開闢了新的道路。隨後幾年中，國內外學者紛紛加入到z源系列逆變器的研究當中。

z源系列逆變器通過在傳統控制矢量中插入直通矢量，對直流電壓進行升降壓控制。針對這一思想，目前對z源系列逆變器的研究主要分為兩大方向。首先是對z源系列逆變器的控制策略研究，根據直通矢量的生成與插入方式的不同可分為:簡單升壓控制、恆定直通升壓控制、最大升壓控制、三次諧波注入、分段直通控制等等。根據控制策略的不同，z網路中各元器件所承受的應力、電壓增益等都不盡相同。其次就是對z源逆變器拓撲結構本身的研究。在彭教授提出的x型z源逆變器基礎上，國內外學者不斷對z源逆變器進行改進。在傳統z源逆變器結構的基礎上，通過將電感換成開關電感、改變電源位置、改變z網路結構、加入變壓器代替電感等方式改變拓撲結構，通過這些改變使原始z源逆變器的電壓應力、啟動衝擊、電壓增益等獲得不同的改變。

z源系列逆變器作為一種通用的變換器結構，套用範圍很廣，許多學者也就z源系列逆變器在各個領域的套用做出研究。比如，在蓄電池與燃料電池並聯的混合動力系統的套用上，z源系列逆變器能夠減小燃料電池輸出電壓在一段時間內發生迅速跌落或突然抬高時對電路帶來的不良影響，而且由於z源逆變器具有單級電路的結構特點，它能夠使燃料電池系統更方便控制，具有更高的效率和安全性。同時z源逆變器還廣泛套用與交流電機的調速系統當中，傳統的逆變器結構在套用於交流調速系統時，為了避免由於電網電壓的跌落造成的停機故障，需要增加冗餘電路來承受電網電壓的跌落，這不但增加了系統的複雜性，難於控制，也提高了系統整體的建造維護成本而z源逆變器套用與交流電機調速系統當中時，不需要額外增加硬體來承受電壓跌落，而且z源逆變器還能使網側的電流得到有效改善。分散式發電也是z源逆變器套用的主要領域，作為風能、太陽能等發電系統中的主要功率調節環節，它能夠適應輸入輸出電壓的大範圍變化，有效提高系統的穩定性。同時，z源逆變器能夠在降低逆變器的功率等級和電源的電壓等級z源逆變器套用於分散式發電系統當中，能夠降低整體成本，提高系統安全性，使系統控制更為方便。本文提出的quasi-TZ源逆變器，作為Z源系列逆變器的一員不但繼承了Z源系列逆變器的共同優點，同時也能套用於Z源系列逆變器所套用的所有領域。

quasi-TZ源逆變器原理

quasi-TZ源逆變器是一種結合了Z源逆變器與T型Z源逆變器結構特點的一種新型光伏功率變換器。。為了能夠解決傳統Z源系列逆變器具有的直流母線電流斷續，升壓能力有限，啟動時電流衝擊過大等一系列問題，本文在傳統T型Z源逆變器的拓撲結構基礎上，在Z網路電感兩端並聯雙變壓器，不同程度上解決了述問題。

quasi-TZ源逆變器控制方法

由上節分析可知quasi-TZ源逆變器雖然拓撲結構較已有Z源逆變器發生了改變，但其基本升壓思想並未脫離Z源系列逆變器。所以其升壓控制方法與傳統Z源系列逆變基本一致。在傳統逆變器的占空比中插入直通零矢量即可對電路進行升壓控制。由於直通零矢量的插入對有效矢量不造成影響，所以逆變部分和傳統逆變器沒有區別。

目前對Z源逆變器零矢量控制的方法有很多。根據其不同的零矢量插入時機，主要可以分為恆定直通零矢量控制、最大化直通零矢量控制、恆開關頻率直通零矢量控制、直通零矢量常占空比最大化控制等控制方法。在這些方法的基礎上，學者又提出了在插入零矢量時注入諧波等方法對這些控制方法進行改善。

恆定直通零矢量控制

對於z源逆變器的控制經歷了十幾年的發展歷程，恆定直通零矢量控制是最先被提出的一種z源系列逆變器的控制方法。這種控制方法思路簡單清晰，硬體電路及程式均容易實現，所以被早期的z源系列逆變器廣泛採用。

傳統PWM控制與恆定直通零矢量控制時序上半部分為傳統PWM控制時序，可以看出在每個開關周期當中，傳統零矢量都穿插在有效矢量中間。而Z源系列逆變器的控制目的是在不影響傳統有效矢量的基礎上，在開關周期中插入直通零矢量。因此，恆定直通零矢量控制的控制思想就是截取在傳統的零矢量的一個固定部分，插入直通零矢量，這樣既不影有效矢量的逆變效果，也能夠簡單有效的完成插入直通零矢量升壓的目的。

最大化直通零矢量控制

為了能夠取得更大的升壓能力，在恆定直通零矢量控制策略的基礎上，將直通時間延長，直到完全等於傳統零矢量時間。這樣就得到了最大化直通零矢量控制策略。由於傳統零矢量時間完全被直通時間代替，z網路處於直通狀態的時間得到了最大化，通過前文分析可知，z源系列逆變器的升壓大小由z網路處於直通狀態下的時間長短所決定，所以最大化直通零矢量控制將z網路的升壓能力進行了最大化的提高。

在最大化直通零矢量控制與恆定直通零矢量控制的不同點在於，恆定直通零矢量控制的每個載波周期內的直通時間都相同，而最大化零矢量控制的直通時間根據每相的調製信號。

恆定開關頻率零矢量控制

最大直通零矢量的控制雖然提高了z網路的電壓增益，但是由於每個載波周期的直通時間不等長，這將給z網路的電感電流和電容電壓引入6次諧波。為了不影響併網電能質量，z網路需要額外大量提高電感與電容值以濾掉諧波的干擾。而且，相比與傳統逆變器的pwm控制，最大直通零矢量控制與恆定直通零矢量控制的開關頻率都增加了一倍，對功率器件損耗也增加了一倍。同時，增加的開關頻率也引入了高次諧波，這對併網電能質量也造成了很大的影響。為了改善這幾點不足，學者提出了恆定開關頻率的直通零矢量控制策略。