2 Z源逆变器的拓扑结构及工作原理
Z源逆变器是2002年美国密西根州立大学的彭方正教授提出的一种新型逆变器。它为功率变换提供了一种新的思路和理论,可以克服传统电压源和电流源逆变器的不足之处。Z源逆变器引进了一个包含电感L1、L2和电容器C1、C2的二端口网络接成X形的Z源网络,将逆变器主电路与电源耦合。图3所示的是Z源功率逆变器的一般拓扑结构。
图3 Z源逆变器的一般拓扑
以传统三相阻抗型电压源逆变器为例,传统的三相逆变器具有8个允许的开关状态或矢量,而Z源逆变器则有9个开关状态或矢量。除了传统逆变器工作时所具有的6个非零矢量(有效矢量)和2个零电压矢量,Z源逆变器还有一个另外的零电压矢量,即在原来的零电压矢量中间插入同臂的上下器件同时导通的短路零矢量。在传统的电压源逆变器中,这个短路零电压矢量是禁止的,因为输入端为容性,它会导致瞬间直通短路时的过电流而损坏开关器件。而Z源网络的引入,使短路零电压矢量在三相电压型逆变器中成为可能。就是这个短路零电压矢量的应用,为三相电压型逆变器提供了独特的升压、降压特性。图4为产生短路零矢量的一种控制时序图。
图4 产生短路零矢量的控制时序图
当Z源逆变器工作在传统的6种非零电压矢量和2种零电压矢量的任意一种时,在一个开关周期中逆变桥侧可以等效为一个电流源(当处于传统的两个零电压矢量状态时,逆变桥也可以用一个零值的电流源或开路来代替),其等效电路如图5如下
图5 Z源逆变器工作在非短路零矢量时的等效电路
当Z源逆变器工作在短路零矢量时,逆变器相当于短路状态,其等效电路如图6所示:
图6 Z源逆变器工作在短路零矢量时的等效电路
4 Z源逆变器的发展前景
Z源逆变器已经在很多具体方面有所应用,并取得很好的效果。
(1)Z 源逆变器在燃料电池供电系统的混合动力方面的应用,取得很好的性能,能够克服燃料电池输出直流电压大范围变化带来的影响,是单级电路,控制简单,效率高,同时安全性能也得到了大幅度的提高。
( 2 )交流调速系统,由于电网电压的跌落而容易造成系统工作的中断和瘫痪。为了抑制电压跌落对系统造成的危害,通常情况下增加一级电路来实现升压功能,以承受电网电压跌落,此时,系统结构复杂,增加了系统硬件。而Z源逆变器在交流调速系统中能够承受电网电压跌落,同时具有改善网侧电流波形的能力。基于PWM 的Z源交流调压电路,在交流调速中也有一定的优势。
( 3 ) Z源逆变器在分布式发电系统中作为功率调节环节,能够适应各种大范围变动的电源电压,同时,降低了逆变器的功率等级和电源的电压等级。对系统的低成本、高安全性、控制方面有很大的优势。随着节能减排及新能源应用的发展,Z源逆变器将会有更好的发展前景。
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