内直通状态时间为To,传统1作状态时间为下:,且To=T,-T」,则有Vc=Vcz=Vc=V12=Uu=UL
稳态情况下,Z源电感L:和L。在开关周期下。内应满足伏秒特性,即(Vin-Vc)T;+VcTo=0
整理上式,可得乙网络电容电压T;-VinVc=T一个。
根据非直通状态下乙网络输出端(即逆变器母线)电压及直通和非直通状态的持续间,求得逆变器母线电压的平均值为:
Vde1T1+0To_(2Vc-Vi)T:T1-Vin
Vdc=T,T。T,-T。如前所述,在非直通工作状态下Vse=2Vc-Vin=ァ一个2T1Vw-V.-孙十Tv--一V=BV式中,B显然大于等于1,称为升压因子,
对于乙网络后面的三相逆变桥,其输出相电压基波峰值和母线电压的关系为VdeV1m=m2式中,m通常称为调制度,与逆变器调制策略有关系,且与升压因子B不相关。将上两式合并,得到Vim=BmVin2显然,对于一个确定的乙源逆变器,只要选择合适的调制度m和升压因子B,就可以实现逆变器输出电压高于或低于直流输人电压,且不需要加中间变换电路Z源逆变器突出的优点是其在可再生能源、电力传动控制、电能质量控制等无源、有源逆变场合有广阔的应用前景。对于光伏发电系统而言,利用Z源逆变器来取代传统的电压源型逆变器,将使得系统具有一些独特的优势。例如利用乙源逆变器独特的升/降于功能,可以放宽太阳能阵列电池的电压输入范围,非常适合因光照强度的变化而导致伏阵列电压大范围波动的情况;另外,乙源逆变器无需死区时间,并网电流的谐波威率(THD)相比传统电压源刑光伏系统的并网电流THD要小,从而提高了回馈电能质量。
能进行相应的处理,从而达到将交流或直流输入人电能变换成为标准的交流电供给负载。
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对于电压型逆变器,其拓扑可看作是由 Buck变换电路拓展而来,这将使得逆变器输出电压总是低于直流输入电压。因此,在一些需要高电压输出的场合,通常要在逆变器输入前端增加升压电路或在逆变器输出级加人升压变压器。前者由于多了DC/DC变换器,使得系统存在两级变换,从而降低了效率,且增加了控制电路的复杂程度;后者因变压器的引入,导致系统的成本、体积增加,且变压器低压侧的电流相对较大,在设计时将必须考虑开关电流应力等问题。此外,电压型逆变器直流侧的电容低阻特性将禁止逆变器工作在一相桥臂的上下开关管直通状态,否则,如果电容短路,功率开关管会因过流而损坏。
考虑到开关管的开通、关断及驱动电路的延迟时间,为避免直通状态的发生,逆变器功率开关必须加入死区时间,使桥臂开关管先关断、后
导通,而死区则会带来输出电压波形的畸变对于电流型逆变器,其拓扑可看作是由 Boost变换电路拓展而来的,这将使得逆变器输出电压总是高于直流输入电压。
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因此,在一些需要低电压输出的场合,往往要在逆变器输入前级加人降压电路或在逆变器输出级加人降压变压器,这两种解决方案也会带来系统效率下降,控制电路复杂化以及成本增加等与电压型逆变器相同的问题。此外,电流型逆变器直沫侧的电感高阻特性将禁止逆变器工作在上桥臂开关管全部关断或下桥臂开关管全部关断的开关状态,否则,如果电感开路,功率开关管会因过压而损坏。考虑到开关管的开通、关断及驱动电路的延迟时间,为避免上述被禁止的开关状态发生,电流刑逆变器也必须加人死区时间使得桥臂开关管先导通,后关断,
为了克服传统电压源和电流源逆变器的不足,美国密西根州立大学的彭方正教授(浙江大学电力电子及电力传动学科点教育部“长江学者奖励计划”特聘教授)提出了7源逆本器,为逆变器提供了一种新的拓扑。如图 3-58所示为2源逆变器的拓扑结构,
Z源逆变器引进了一个2源网络:由一个包含电感L1、L和电容器C1、Cz的二端口网络接成义形,将逆变器和直流电源耦合在一起。
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由于Z源逆变器用独特的X形L、C网络代替了传统的电压源逆变器中的直流母线电容器和电流源逆变器中的直流电抗器,因而Z源逆变器的直流输人端可以是电压源形式也可以是电流源形式。对于电压型Z源逆变器,输人电源为电压源,逆变器为电压型逆变器,此时逆变器可以承受短路(直通),并通过特殊的控制方法能够使得系统工作在升压模式;对于电流型乙源逆变器,输人电源为电流源,逆变器为电流型逆变器,此时逆变器可以承受开路,并通过特殊的控制方法能够使得系统工作在降压模式。下面以电压型2源逆变器为例,简要介绍其工作原理,
Z源逆变器的特点是可实现直接升降压功能。如图3-59和图3-60所示分别给出了Z源逆变器两个基本工作状态时直流端的等效电路。其中图3-59表示乙源逆变器工作在传统逆变状态,相应的图3-60则表示2源逆变器工作在直通状态。传统的电压源逆变器包括有效状态和零矢量状态,而2源逆变器则有一个独特的工作状态,即直通零矢量状态,意思是逆变器的上、下桥臂短路。2源逆变器正是利用这个状态来实现升压功能的。这样一个直通零矢量状态可以通过任一个桥臂直通或所有桥臂同时直通的方式来实现。
假设Z源网络是对称的,即L;=L2,C;=C2,在稳态情况下,由于电路的对称性,有vu=V12=U,Vcr=Vcz=Vc。对于图3-59所示的传统工作状态,有
Vn=Vc1+vu2=Vc2+vu=Vc+vLVdc=Vc1ーvp=Vc2-vn2=Vc-V从而得到Vdc=2Vc-Vin
直通工作状态等效电路图3-59传统工作状态等效电路对于图3-60所示的直通工作状态,若一个开关周期下。