《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術 > 設計應用 > 增強型準Z源逆變器的設計和驗證
增強型準Z源逆變器的設計和驗證
2017年電子技術應用第5期
李正明,周建偉,張國松
江蘇大學 電氣信息工程學院,江蘇 鎮江212013
摘要: 傳統的Z源逆變器的升壓倍數較低,限制了Z源逆變器在一些輸入電壓等級較低的場合的應用。針對這種情況,提出增強型準Z源逆變器。相比于前人提出的拓撲具備下列優勢:提高了逆變器整體的升壓能力,從而增加了逆變器的使用場合;高調制因子,使逆變器可以輸出較高質量的電能。對兩種增強型拓撲進行理論分析,仿真和實驗驗證了這兩種拓撲的可行性和優越性。
中圖分類號: TM464
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.05.036
中文引用格式: 李正明,周建偉,張國松. 增強型準Z源逆變器的設計和驗證[J].電子技術應用,2017,43(5):147-150,154.
英文引用格式: Li Zhengming,Zhou Jianwei,Zhang Guosong. Design and verification of enhanced quasi-Z source inverter[J].App-
lication of Electronic Technique,2017,43(5):147-150,154.
Design and verification of enhanced quasi-Z source inverter
Li Zhengming,Zhou Jianwei,Zhang Guosong
College of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China
Abstract: Lower boost capability of traditional Z source inverter limits the Z-source inverter used in some occasions with low input voltage levels. In view of this situation, we propose enhanced quasi-Z-source inverter. Compared to the previous proposed topology, the new topologies have two advantages:voltage boost capacity of the inverter is enhanced to expand the scope of application,higher modulation factor can improve the output power quality. Enhanced topologies were theoretical analyzed in detail. In addition, simulation and experimental results validate the feasibility and superiority of proposed topologies.
Key words : quasi-Z source inverter;boost capacity;shoot-through

0 引言

    傳統的電壓源逆變器具有兩個主要問題:第一,交流輸出電壓總是比直流輸入電壓低,也就是說:傳統的電壓源逆變器只能工作在降壓模式中。這就不適用于一些直流輸入電壓較低的場合,比如說微網中的光伏并網,它需要將太陽能電池中較低的直流輸入電壓轉換為相對較高的電網交流電壓。這就需要在前段安裝一個DC/DC轉換器來提高輸入電壓等級,而安裝DC/DC轉換器會引進復雜的控制方法,并且增加設備投入的成本。第二,傳統電壓源逆變器同一橋臂上的上下開關不能同時導通,否則會出現短路狀況,損壞逆變器。因此,需要加入死區時間,而死區時間的加入又會引起波形的畸變。

    Z源逆變器[1]克服了傳統電壓源逆變器的上述不足,被廣泛應用于新能源發電系統中。但是傳統Z源逆變器也存在著眾多問題,比如較小的升壓能力,輸入電流斷續等。文獻[2]中提出了四種準Z源逆變器,其中第二種準Z源逆變器輸入電流連續,且在相同的升壓倍數下降低了器件的應力,為后續學者改進Z源逆變器提供了原型。文獻[3]用一個開關電感替代文獻[2]準Z源逆變器中的一個電感,構成開關電感(Switched Inductor,SL)準Z源逆變器Ⅰ型,從而提升了準Z源逆變器的升壓能力。文獻[4]在文獻[3]的基礎上,用一個自舉電容來替代SL準Z源逆變器Ⅰ型中的一個二極管,構成SL準Z源逆變器Ⅱ型,進一步提升了準Z源逆變器的升壓能力。但是升壓能力依舊有限,達不到實際應用中的要求。

    本文在文獻[4]研究的基礎上,借鑒部分學者通過級聯開關電感來提升Z源逆變器升壓能力的思想,在文獻[4]改進的開關電感上再級聯一層,構成增強型拓撲Ⅰ型。同時用自舉電容代替開關電感中的一個二極管,構成增強型拓撲Ⅱ型。在避免硬件結構過于復雜的基礎上極大地提升了準Z源逆變器的升壓能力,使這兩種準Z源逆變器可以應用于大多數場合。

1 增強型準Z源逆變器

1.1 電路拓撲

    本文提出的兩種增強型準Z源逆變器拓撲如圖1和圖2所示。

dy2-t1.gif

dy2-t2.gif

    與文獻[4]所提出的SLⅡ型準Z源逆變器不同的是:本文在文獻[4]所示的拓撲結構上,分別增加D4、D5、D6、L4構成增強型準Z源逆變器Ⅰ型和增加D4、D5、C4、L4構成增強型準Z源逆變器Ⅱ型。Ⅰ型和Ⅱ型在拓撲結構上非常相似,唯一的區別是Ⅱ型用一個自舉電容C4代替了Ⅰ型中的一個二極管D6

1.2 工作原理

    兩種增強型準Z源逆變器的升壓原理相同,都可分為直通和非直通兩種工作狀態進行分析。為了簡化分析,假設所有器件都在理想狀態下工作,并且增強型準Z源逆變器拓撲中所有電感或者電容的取值相同,即電感L1=L2=L3=L4=L;電容C1=C2=C3=C4=C。

    首先對增強Ⅰ型準Z源逆變器進行穩態分析。當處于直通狀態時,逆變橋導通,可以等效為短路狀態。同時二極管D1、D6斷開,D2、D3、D4、D5導通。等效電路圖如圖3(a)所示。根據基爾霍夫電壓定律,可得如下公式:

dy2-gs1-2.gif

dy2-t3.gif

    根據伏秒平衡定理:在一個開關周期內電感兩端電壓的積分為0,可得

dy2-gs3-6.gif

    增強Ⅱ型的兩種工作狀態如圖4所示。

dy2-t4.gif

    由圖4(a)可知,增強Ⅱ型在直通狀態下的電路方程為:

     dy2-gs7-8.gif

    同樣由伏秒平衡定理可得:

dy2-gs9-12.gif

1.3 Z源網絡升壓能力

    增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型Z源網絡的升壓能力如圖5所示,由圖5可見,增強Ⅰ型的升壓能力高于SLⅡ型準Z源逆變器,尤其是在直通比D大于0.2的時候。而增強Ⅱ型的升壓能力比增強Ⅰ型和SLⅡ型準Z源逆變器都要出色。當D在0.1~0.2之間時,增強Ⅱ型的升壓因子B在5~15之間,遠遠大于相同條件下SLⅡ型的升壓能力(B在2.87~5之間)。并且隨著D繼續增大(D<0.25),它的升壓能力會急劇增大。所以在相同D的情況下,兩種增強型準Z源逆變器比SLⅡ型準Z源逆變器具有更高的升壓能力,更適用于光伏、燃料電池等新能源的大功率發電并網系統。

dy2-t5.gif

1.4 整個逆變器升壓能力分析

    Z源逆變器的升壓能力是由Z源網絡本身和PWM控制策略共同決定的。在簡單升壓控制方法下,直通占空比D最大值可以表示為

dy2-gs13-16.gif

    根據式(15)、式(16),可以繪制增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準Z源逆變器在簡單升壓控制下的交流升壓增益對比曲線。如圖6所示,兩種增強型準Z源逆變器的升壓能力均優于SLⅡ型準Z源逆變器。增強Ⅰ型在調制系數M接近0.7的時候電壓增益G會顯著增大,對比SLⅡ型準Z源逆變器升壓效果明顯。而增強Ⅱ型在M趨近0.8時就能獲得很大的電壓增益。當M=0.8時,增強Ⅱ型的電壓增益為12相比較SLⅡ型的電壓增益G等于4具有顯著的優勢。這就意味著對于任意給定的交流升壓增益G,增強型準Z源逆變器可以采用更高的調制因子,從而提高輸出電能質量,并降低開關器件的電壓應力。

dy2-t6.gif

2 仿真分析

    在上文對增強Ⅰ型、Ⅱ型進行詳細理論分析的基礎上,為了驗證相關理論分析的正確性,在MATLAB/Simulink仿真軟件里搭建了增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準Z源逆變器拓撲的仿真模型。仿真所用參數設置如表1所示。

dy2-b1.gif

    當這三種拓撲D=0.2時,根據理論分析計算得出增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準Z源逆變器的直流鏈電壓UPN分別為293 V、720 V和240 V,仿真結果如圖7所示。

dy2-t7.gif

    由仿真波形可見,增強Ⅰ型、Ⅱ型以及SLⅡ型準Z源逆變器的直流鏈電壓大小和計算結果基本一致。在升壓能力方面,增強Ⅰ型略優于SLⅡ型準Z源逆變器,而增強Ⅱ型的升壓能力相較于SLⅡ型準Z源逆變器具有明顯的優勢。另外,由圖7可見,增強Ⅰ型的直流鏈電壓是由低到高逐漸趨于穩定,證明增強Ⅰ型不存在啟動沖擊的問題。相較于SLⅡ型準Z源逆變器更加安全穩定。

3 實驗驗證

    為了進一步驗證理論分析的有效性,對兩種增強型準Z源逆變器進行了實驗,輸入電壓Uin=50 V,其他實驗參數與仿真參數一致(見表1)。圖8、圖9所示為簡單升壓控制下,兩種增強型準Z源逆變器與SLⅡ型準Z源逆變器的逆變器直流側電壓及輸出電壓的實驗波形。其中圖8是在直通占空比D=0.25的情況下,增強Ⅰ型與SLⅡ型準Z源逆變器的實驗結果圖。圖9為直通占空比D=0.2的時候,增強Ⅱ型以及SLⅡ型準Z源逆變器的實驗結果。

dy2-t8.gif

dy2-t9.gif

    由實驗波形可見,本文提出的兩種增強型準Z源逆變器的升壓能力均優于前人提出的SLⅡ型準Z源逆變器。在D=0.25時,增強Ⅰ型的UPN相對于Uin的升壓倍數為12(從50 V到600 V)>SLⅡ型相同條件下的8倍左右(從50 V到400 V)的升壓能力;而增強Ⅱ型在D=0.2時,其升壓倍數就能達到15(從50 V到750 V)>>同等情況下的SLⅡ型準Z源逆變器的5倍左右(從50 V到250 V)的升壓能力。實驗結果驗證了理論分析的有效性。

4 結論

    本文針對現有Z源逆變器升壓能力不足的問題,提出兩種增強型準Z源逆變器。分析了其穩態工作原理,與前人提出的SLⅡ型準Z源拓撲相比,它具有以下優點:

    (1)在相同的直通占空比下,增強型拓撲擁有更高的電壓增益,能夠應用于輸入電壓等級較低的場合。

    (2)在實現相同電壓增益的前提下,調制因子較高,能夠提高逆變器輸出的電能質量。

仿真以及實驗結果驗證了上述結論。 

參考文獻

[1] PENG F Z.Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Applications,2003,39(2):504-510.

[2] ANDERSON J,PENG F Z.Four quasi-Z-source inverters[C]//Power Electronics Specialists Conference.Rhodes,Greece:IEEE,2008:15-19.

[3] NGUYEN M K,LIM Y C,CHO G B.Switched-inductor quasi-Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(11):3183-3191.

[4] 鄧凱,梅軍,鄭建勇,等.改進型開關電感準Z源逆變器[J].電網技術,2013,37(11):3254-3261.

[5] 湯雨,謝少軍,張超華.改進型Z源逆變器[J].中國電機工程學報,2009,29(30):28-34.

[6] 蔡春偉,曲延濱,盛況.增強型Z源逆變器[J].中國電機工程學報,2011,31(S1):259-266.

[7] 侯世英,黃哲,肖旭,等.改進型Z源并網逆變器[J].電機與控制學報,2012,16(12):47-53.

[8] 劉孝輝,鄭建勇,尤鏨,等.開關電感型Quasi-Z源逆變器[J].電力自動化設備,2011,31(9):65-68,99.

[9] GAJANAYAKE C J,LUO F L,BENG G H,et al.Extended-Boost Z-Source Inverters[J].IEEE Trans.on Power Electronics,2010,25(10):2642-2652.

[10] ZHU M,YU K,LUO F L.Switched Inductor Z-Source Inverter[J].IEEE Trans.on Power Electronics,2010,25(8):2150-2158.

[11] 楊水濤,丁新平,張帆,等.Z-源逆變器在光伏發電系統中的應用[J].中國電機工程學報,2008,28(17):112-118.



作者信息:

李正明,周建偉,張國松

(江蘇大學 電氣信息工程學院,江蘇 鎮江212013)

此內容為AET網站原創,未經授權禁止轉載。
主站蜘蛛池模板: 韩日精品| 日韩欧美成末人一区二区三区 | 手机看片久久青草福利盒子 | 久草在线国产 | 美女张开腿给男生桶下面视频 | 亚洲天堂在线视频观看 | 91成人免费在线视频 | 国产欧美另类 | 亚洲最大成人 | 天堂8在线天堂资源bt | 亚洲精品资源网在线观看 | 日本不卡一二三区 | 亚洲一区二区三区国产精品 | 国产在线精品一区二区三区不卡 | 亚洲国产品综合人成综合网站 | 亚洲入口 | 国产成人18黄网站免费 | 欧美成人免费全部观看天天性色 | 一级片免费观看 | 一级做a爰片久久毛片免费看 | 国产性tv国产精品 | 91青青国产在线观看免费 | 91精品专区 | 亚洲国产视频网 | 一区二区三区四区视频 | 视频一区 在线 | 国产三级做爰在线观看∵ | 熟女毛片 | 亚洲欧美日本人成在线观看 | 精品久久久影院 | 成人做爰免费网站 | 77yyxf影音先锋 | 中文欧美一级强 | 久草视频免费在线观看 | 国产在线一区二区三区四区 | 国产高清精品自在线看 | 欧美精品另类 | 久久久久女人精品毛片九一 | 亚洲精国产一区二区三区 | 欧美激情综合亚洲一二区 | 国产亚洲男人的天堂在线观看 |