如何设计用于可再生能源集成的准Z源逆变器？-电子发烧友网

常用的电力转换技术，如电流源逆变器(CSI)和电压源逆变器(VSI)，在处理可再生能源来源的输入电压变化时常常受到限制。它们可能需要额外的直流-直流转换器，这会影响系统的复杂性和效率。这就是准Z源逆变器(qZSI)发挥作用的地方。

准Z源逆变器概述

qZSI 的设计旨在解决可再生能源源电压范围有限所带来的挑战，能够处理功率波动，而与传统的逆变器拓扑如CSI和VSI相比，qZSI拓扑对故障(如突发电压尖峰)具有更强的容忍性，从而提高其电压转换的整体效率和可靠性。qZSI是Z源逆变器(ZSI)拓扑的演变，允许在一个阶段内进行电压提升和降压操作。ZSI拓扑由以“X”形排列的电容器和两个电感器组成，用于存储能量并提供功率传输能力。这在逆变器的开关设备与可再生能源直流源之间创建了一个阻抗网络。尽管能够处理CSI和VSI的波动限制，ZSI也带来了一些问题，如启动时的涌入电流，这会使逆变器的组件承受压力，并影响电压稳定性和可靠性。这些限制和电压波动使得ZSI拓扑需要更复杂的控制。

另一方面，qZSI提供了对其组件的应力减少、效率提高和优于ZSI的电压调节。为了改善启动性能和输入电压的稳定性，qZSI拓扑在一个更紧凑的阻抗网络中具有额外的二极管。这种特性及其穿越能力提高了对故障的容忍度，而这些故障可能会损坏VSI和CSI逆变器。qZSI拓扑还具有升降压能力和单级电力转换，消除了对DC-DC转换器的需求，从而减少了功率损耗和系统复杂性。

qZSI的设计与工作原理

在qZSI的操作中，其设计允许在不损坏逆变器组件的情况下实现受控的“穿越”状态。为了实现电压反转和提升，qZSI在非穿越状态与穿越工作模式之间交替。在设计过程中，正确的组件尺寸至关重要。L1和L2电感器可以根据在穿越状态下的能量存储和峰值电流进行合理尺寸选择。为了限制涟漪电流(ΔL)，qZSI逆变器的电感可以通过考虑开关周期(T)、输入直流电压(Vin)和穿越占空比(Dshoot-through)进行评估。

在选择逆变器用电容器时，应进行适当的尺寸选择，以确保稳定的直流连接电压并减少穿越状态下的电压涟漪。电容值可以通过考虑所选电容器能够承受的电压(ΔC)进行评估。

图1

在穿越状态下，当同时激活逆变器一侧的两个开关时，电流会在准Z网络内循环。在此模式下，电流不会流入逆变器桥。为了更好地理解电压提升机制，需要考虑穿越状态的占空比(Ts)，并用来评估逆变器的提升因子(B)。随着电流通过网络中的两个电感器，能量得以存储，从而提升电容器两端的电压，增加逆变器的整体直流连接电压。

通过在反转之前提升电压，即使在低直流输入电压的情况下，也可以实现更高的交流输出电压。假设qZSI的占空比为0.25，则提升因子等于2，如下所示，这意味着输出电压是输入电压的两倍。

这意味着随着占空比的增加，提升因子也会增加，如图2所示。例如，在占空比为0.1时，提升因子约为1.11，而占空比为0.4时，提升因子约为1.67。

图2

一旦在穿越状态下提升了电压，非穿越状态下的直流到交流的反转过程就可以进行，此时逆变器桥由充电电容器提供存储的能量。标准的脉宽调制技术(PWM)可以将直流电压转换为交流电压输出。qZSI逆变器的调制交流输出电压(Vac)可以通过考虑调制指数M来近似，M如以下所示(Vdc)，即直流输入电压。

qZSI控制的脉宽调制技术

qZSI控制的三种PWM技术包括简单提升控制(SBC)、最大提升控制(MBC)和恒定提升控制(CBC)，这些技术影响逆变器的稳定性、效率和开关损耗。这些PWM方法在qZSI控制中各有优缺点。SBC涉及在调制信号中插入穿越状态，当载波信号低于预定义参考时。这种调制方法调整穿越占空比以实现所需的电压提升。就效率而言，SBC在高提升因子下的效率低于CBC和MBC，因为持续开关带来了较高的开关损耗。该PWM控制方法中的高开关频率也可能导致qZSI中的谐波失真。

MBC PWM技术通过调整穿越状态与参考信号的零交点重叠来优化直流电压的利用。这通过在阻抗网络电压最低的时段施加穿越来最小化切换损失。与SBC不同，MBC在峰值电压条件下避免了持续开关，因此效率更高。CBC通过根据负载条件和输出需求动态调整穿越占空比，以平衡效率和电压提升。这使得在负载变化时能够保持一致性，并减少逆变器组件的整体压力。