1、改进型抽头电感准 Z 源逆变器张建华 梁岩岩（郑州大学电气工程学院,郑州 450001）摘要：以分布式电源并网发电为背景，以提高逆变器的升压能力、探索新的逆变器拓扑结构为目的，提出一种改进型抽头电感准 Z 源逆变器。采用在准 Z 源逆变器中引入抽头电感的方法，得到了一种新的逆变器拓扑，与抽头电感准 Z 源逆变器相比，此改进型拓扑具有对称抽头电感结构。介绍了改进型抽头电感准 Z 源逆变器的工作原理，分析了升压能力。将所提逆变器与传统 Z 源逆变器作比较，结果表明所提出的逆变器具有较高的升压能力，可以利用抽头的位置来调节升压比，具有良好的对称性，减少器件的电压应力，增强了系统的可靠性。设计并观察实
2、验，实验结果验证了此逆变器的性能。表明此逆变器具有良好的性能，在一定程度上能够满足分布式电源并网发电对逆变器的要求。关键字：准 Z 源逆变器；对称抽头电感；拓扑；升压比中图分类号: TM46 文献标识码：A 文章编号：1001-1390（2013）00-0000-00Improved Tapped Inductor Quasi-Z-source InverterZHANG Jian-hua , LIANG Yan-yan(The School of Electrical Engineering in, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001)Abstrac
3、t: Based on the distributed grid-connected power generation, an kind of improved tapped inductor quasi-Z-source inverter is proposed, in this paper, is proposed in order to improve the boost inversion ability of the inverter and to explore novel topological structure of the inverter. A novel inverte
4、r topology is acquired by the introduction of tapped inductor into the quasi-Z-source inverter. Compared with tapped inductor quasi-Z-source inverter, the improved topology one has symmetrical tapped inductor design. Then the operation principle of the improved tapped inductor quasi-Z-source inverte
5、r This is paper introducesd, the operation principle of the improved tapped inductor quasi-Z-source inverter and its boost inversion is analyzesanalyzed its boost inversion. A comparison between the traditional Z-source inverter and the proposed one indicates that the latter has relatively high boos
6、t inversion ability, which is able to with the capacity to regulate the step-up ratio by adjusting the location of the tap. It has good s symmetrical features, which can reduce the voltage stress of the devices as well as enhancing enhance system reliability. The result of An an designed experiment
7、is designed and the result has verifieds its performance, suggesting that the improved one inverter has good performances, which, to some extent, is able to meet the requirements of distributed grid-connected power supply on for inverters.Key words: Quasi-Z-source inverter, symmetrical tapped induct
8、or, topology, step-up ratio0 引言近年来，新能源得到了快速的发展。将新能源转化为电力能源是一种很好的利用新能源的形式。新能源并网发电系统中需要将较低的直流电逆变为较高的交流电，传统的降压型逆变器不能满足升压的要求。为满足分布式电源并网系统的需要，有学者提出了 Z 源逆变器。Z 源逆变器在其被提出的较短时间内得到了快速的发展,并成为能源变换领域研究的热点 1-5。围绕逆变器的研究包括几个方面，其中逆变器拓扑的研究是 Z 源逆变器研究的主要方向之一。改进型 Z 源逆变器、开关型 Z 源逆变器、准 Z 源逆变器、抽头电感 Z 源逆变器等各种逆变器的拓扑被提出，科研人员主要
9、围绕升压能力、调制策略、冲击电流、器件电压应力、增强系统可靠性等几个方面进行论述 6-10。本文提出的改进型抽头电感准 Z 源逆变器，具有灵活的调压性能、较高的升压能力，减少了器件的电压应力，增强了系统的可靠性。1 抽头电感准 Z 源逆变器图 1 为抽头电感准 Z 源逆变器。抽头电感准 Z 源逆变器是在准 Z 源逆变器的基础上用抽头电感代替普通电感得到的。与Z 源逆变器一样，抽头电感准 Z 源逆变器利用在传统零矢量中插入直通零矢量的方法提高升压能力。L1c1D2D1Uic2N1N2图 1 抽头电感准 Z 源逆变器Fig.1 Tapped inductor quasi-zZ-source inv
10、erter由文献1可知，抽头电感准 Z 源逆变器的升压比 可表示如下。B（1 ）021Nd式中 为抽头电感的匝比，21N为直通占空比。为了防止 达到极限值，0dB直通占空比 必须满足0。由以上分析可知，01N当匝比 比较小的时候，直通占空比 也0d较小，逆变器的升压能力受到限制，当匝比 比较大的时候，电压不稳定，影响电能质量 11-12。2 改进型抽头电感准 Z 源逆变器2.1 改进型抽头电感准 Z 源逆变器拓扑及功能简介图 2 为本文提出的改进型抽头电感准Z 源逆变器的拓扑。它的 Z 源网络包括两个抽头电感，两个普通电感，四个电容和六个二极管。电容和电感在直通期间储存较多的能量并在有效矢量状
11、态期间通过逆变桥将能量输送出去。与抽头电感相连的两只二极管交替导通，通过调节抽头的位置，可以改变母线电压。改进型抽头电感准 Z源逆变器继承了准 Z 源逆变器和抽头电感Z 源逆变器的优点。与抽头电感准 Z 源逆变器相比，它采取了对称的抽头电感准 Z 源逆变器结构，提高了升压比。与抽头电感Z 源逆变器相比，输入电流是连续的，具有更广泛的应用。L1c1D2D1Uic2D4D3L2c4N1N2N3N4c3图 2 改进型抽头电感准 Z 源逆变器Fig.2 Improved tapped inductor quasi-zZ-source inverter2.2 稳态工作原理在一个开关周期内，改进型抽头电感
12、准 Z 源逆变器共有 9 种矢量状态，这 9 种矢量状态又可分为 3 种开关状态，包括直通零矢量状态、传统零矢量状态和有效矢量状态。逆变器运行在各个状态的等效电路如图 3、4、5 所示。为简化分析，逆变器处于 6 种有效矢量状态时，逆变桥用电流源代替，处于两种传统零矢量状态时，用开路表示，处于直通零矢量状态时，用短路表示。模态。如图 3 所示，在直通零矢量状态下，逆变桥短路，母线电压为零。此模态下，电容 两端的电压加在绕组1C上，二极管 导通，给抽头电感 储1NDt1L能。电容 两端的电压加在绕组 上，33N给抽头电感 储能。直通时间很短，在此t2L期间可认为电容一直处于放电状态，所以和 一直
13、导通，其他二极管处于截止1D3状态。L1c1D2D1Uic2D4D3L2c4N1N2N3N4c 3+-Ub+- -Lt 1Lt 2图 3 直通零矢量状态Fig.3 Shoot-through zero state模态。如图 4 所示，传统零矢量状态下，逆变桥开路。不同的直通零矢量插入方式，对应不同的矢量顺序。在本文采用的控制方式，按先直通零矢量状态，再传统零矢量状态，最后有效矢量状态，之后又直通零矢量状态的循环方式导通。电感电流和电容电压不能突变，在传统零矢量状态的前期极短的时间内， 和 维1D3持导通的状态。与其它时间段相比，此阶段极短，在估算时可忽略不计。经过短暂的过程后， 和 导通， 和
14、 截止，2413抽头电感 和 分别给电容 和 t1Lt22C充电。4CL1c1D2D1Uic2D4D3L2c4N1N2N3N4c3+-Ub+- -Lt 1Lt 2图 4 传统零矢量状态Fig.4 Traditional zero state模态。如图 5 所示，有效矢量状态下，逆变桥相当于电流源。电容 、1C、 、 均处于放电状态，抽头电感2C34和 继续释放能量，提升母线电压，t1Lt为电流源提供能量。此模态下绕组 、2N一直处于导通状态，所以 、 两端4N1D3电势为负， 、 均处于截止状态。13L1c1D2D1Uic2D4D3L2c4N1N2N3N4c 3+-Ub+- -Lt 1Lt 2
15、图 5 有效矢量状态Fig.5 Effective vector state3 升压原理简单分析由上一节的分析可知，直通零矢量时间内，由电路拓扑的对称性知，0T， ， 两端的电压为c24Uc131L，其余时间内 两端的电()/iComment TU1: 中文文献无英文对译压为 。直通零矢量状态c1c2()/iU时 绕组两端的电压为 ，其余矢量状N1态内 绕组两端的电压为 。1c2()N根据伏秒平衡理论，一个开关周期内电感两端的平均电压为零。所以得到如下两式。（2） 0c10c2()/dU（3 ）1c)0i i整理上式可得 、 两端的电压。C2（4）0c1(3)idN（5 ）0c22iUU直流母
16、线电压 ，即得到升压bc1因子 的值。B（6 ）02(3)Nd从升压因子的表达式可以看出，直通占空比较小的情况下，适当调整匝比即可获得较高的升压因子。0 . 2 4 0 . 2 5 0 . 2 6 0 . 2 7 0 . 2 8 0 . 2 9 0 . 3t / s3 0 03 0 12 9 9U/V图 6 直流电压Fig.6 DC voltage4 实验验证传统 Z源逆变器的调制策略同样适用于改进型抽头电感准 Z源逆变器。以固定升压比调制策略为例，验证了几种逆变器的升压能力。设计了改进型抽头电感准 Z源逆变器，其参数如下：匝比 ，2N， = = ，13mHL13，输入直流电压 ，输出相0.8
17、d0V电压幅值为 。采用同样的控制方式，同样的直通占空比，同样的匝比，传统 Z源逆变器得到的相电压幅值约为 。19图 6、图 7、图 8 分别直流电压、传统 Z源逆变器输出相电压、改进型抽头电感准 Z源逆变器输出相电压。实验结果表明，所提出的改进型抽头电感准 Z源逆变器具有较高的升压能力。1 0 02 0 0- 1 0 0- 2 0 000 . 2 5 0 . 2 6 0 . 2 7 0 . 2 8 0 . 2 9 0 . 3t / sU/V图 7传统 Z源逆变器输出相电压Fig.7 Phase voltage of traditional zZ-source inverter0 . 2 4
18、0 . 2 5 0 . 2 6 0 . 2 7 0 . 2 8 0 . 2 9 0 . 30- 2 0 02 0 0t / sU/V图 8改进型抽头电感准 Z源逆变器输出相电压Fig.8 Phase voltage of improved tapped inductor quasi-zZ-source inverter5结论改进型抽头电感准 Z源逆变器具有改变抽头位置灵活调压的优点，且具有较高的升压能力。传统 Z源逆变器的控制方式也适用于所提出的逆变器，都是利用直通零矢量来提高母线电压，升压原理相同。对称的结 构提高了系统的稳定性，降低了器件的电压应力，增强了系统的可靠性。参考文献1周玉斐 ,
19、 黄文新, 赵健伍, 等. 抽头电感准 Z源逆变器J.中国电机工程学报, 2012, 32(27): 126-134. 2汤雨 , 谢少军, 张超华. 对称 Z源逆变器J. 中国电机工学报, 2009, 30: 28-34.3刘孝辉 ,郑建勇,尤鋆 ,黄金军,王冲. 开关电感型 Quasi-Z 逆变器J. 电力自动化设备,2011,09:65-68，99.4李杰 , 葛宝明, 郑立纹. Quasi-Z 源逆变器的建模分析与控制J. 电气传动, 2010, 04: 36-40.5郭金龙 , 张加胜, 贾焕焕, 等. 一种基于 APF 电压闭环控制的自适应干扰抑制方案J. 电测与仪表, 2013,
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