如何設(shè)計(jì)用于可再生能源集成的準(zhǔn)Z源逆變器？

常用的電力轉(zhuǎn)換技術(shù)，如電流源逆變器(CSI)和電壓源逆變器(VSI)，在處理可再生能源來源的輸入電壓變化時(shí)常常受到限制。它們可能需要額外的直流-直流轉(zhuǎn)換器，這會(huì)影響系統(tǒng)的復(fù)雜性和效率。這就是準(zhǔn)Z源逆變器(qZSI)發(fā)揮作用的地方。

準(zhǔn)Z源逆變器概述

qZSI 的設(shè)計(jì)旨在解決可再生能源源電壓范圍有限所帶來的挑戰(zhàn)，能夠處理功率波動(dòng)，而與傳統(tǒng)的逆變器拓?fù)淙鏑SI和VSI相比，qZSI拓?fù)鋵?duì)故障(如突發(fā)電壓尖峰)具有更強(qiáng)的容忍性，從而提高其電壓轉(zhuǎn)換的整體效率和可靠性。qZSI是Z源逆變器(ZSI)拓?fù)涞难葑?，允許在一個(gè)階段內(nèi)進(jìn)行電壓提升和降壓操作。ZSI拓?fù)溆梢浴癤”形排列的電容器和兩個(gè)電感器組成，用于存儲(chǔ)能量并提供功率傳輸能力。這在逆變器的開關(guān)設(shè)備與可再生能源直流源之間創(chuàng)建了一個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò)。盡管能夠處理CSI和VSI的波動(dòng)限制，ZSI也帶來了一些問題，如啟動(dòng)時(shí)的涌入電流，這會(huì)使逆變器的組件承受壓力，并影響電壓穩(wěn)定性和可靠性。這些限制和電壓波動(dòng)使得ZSI拓?fù)湫枰鼜?fù)雜的控制。

另一方面，qZSI提供了對(duì)其組件的應(yīng)力減少、效率提高和優(yōu)于ZSI的電壓調(diào)節(jié)。為了改善啟動(dòng)性能和輸入電壓的穩(wěn)定性，qZSI拓?fù)湓谝粋€(gè)更緊湊的阻抗網(wǎng)絡(luò)中具有額外的二極管。這種特性及其穿越能力提高了對(duì)故障的容忍度，而這些故障可能會(huì)損壞VSI和CSI逆變器。qZSI拓?fù)溥€具有升降壓能力和單級(jí)電力轉(zhuǎn)換，消除了對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的需求，從而減少了功率損耗和系統(tǒng)復(fù)雜性。

qZSI的設(shè)計(jì)與工作原理

在qZSI的操作中，其設(shè)計(jì)允許在不損壞逆變器組件的情況下實(shí)現(xiàn)受控的“穿越”狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)和提升，qZSI在非穿越狀態(tài)與穿越工作模式之間交替。在設(shè)計(jì)過程中，正確的組件尺寸至關(guān)重要。L1和L2電感器可以根據(jù)在穿越狀態(tài)下的能量存儲(chǔ)和峰值電流進(jìn)行合理尺寸選擇。為了限制漣漪電流(ΔL)，qZSI逆變器的電感可以通過考慮開關(guān)周期(T)、輸入直流電壓(Vin)和穿越占空比(Dshoot-through)進(jìn)行評(píng)估。

在選擇逆變器用電容器時(shí)，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)某叽邕x擇，以確保穩(wěn)定的直流連接電壓并減少穿越狀態(tài)下的電壓漣漪。電容值可以通過考慮所選電容器能夠承受的電壓(ΔC)進(jìn)行評(píng)估。

在穿越狀態(tài)下，當(dāng)同時(shí)激活逆變器一側(cè)的兩個(gè)開關(guān)時(shí)，電流會(huì)在準(zhǔn)Z網(wǎng)絡(luò)內(nèi)循環(huán)。在此模式下，電流不會(huì)流入逆變器橋。為了更好地理解電壓提升機(jī)制，需要考慮穿越狀態(tài)的占空比(Ts)，并用來評(píng)估逆變器的提升因子(B)。隨著電流通過網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)電感器，能量得以存儲(chǔ)，從而提升電容器兩端的電壓，增加逆變器的整體直流連接電壓。

通過在反轉(zhuǎn)之前提升電壓，即使在低直流輸入電壓的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)更高的交流輸出電壓。假設(shè)qZSI的占空比為0.25，則提升因子等于2，如下所示，這意味著輸出電壓是輸入電壓的兩倍。

這意味著隨著占空比的增加，提升因子也會(huì)增加，如圖2所示。例如，在占空比為0.1時(shí)，提升因子約為1.11，而占空比為0.4時(shí)，提升因子約為1.67。

一旦在穿越狀態(tài)下提升了電壓，非穿越狀態(tài)下的直流到交流的反轉(zhuǎn)過程就可以進(jìn)行，此時(shí)逆變器橋由充電電容器提供存儲(chǔ)的能量。標(biāo)準(zhǔn)的脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓輸出。qZSI逆變器的調(diào)制交流輸出電壓(Vac)可以通過考慮調(diào)制指數(shù)M來近似，M如以下所示(Vdc)，即直流輸入電壓。

qZSI控制的脈寬調(diào)制技術(shù)

qZSI控制的三種PWM技術(shù)包括簡單提升控制(SBC)、最大提升控制(MBC)和恒定提升控制(CBC)，這些技術(shù)影響逆變器的穩(wěn)定性、效率和開關(guān)損耗。這些PWM方法在qZSI控制中各有優(yōu)缺點(diǎn)。SBC涉及在調(diào)制信號(hào)中插入穿越狀態(tài)，當(dāng)載波信號(hào)低于預(yù)定義參考時(shí)。這種調(diào)制方法調(diào)整穿越占空比以實(shí)現(xiàn)所需的電壓提升。就效率而言，SBC在高提升因子下的效率低于CBC和MBC，因?yàn)槌掷m(xù)開關(guān)帶來了較高的開關(guān)損耗。該P(yáng)WM控制方法中的高開關(guān)頻率也可能導(dǎo)致qZSI中的諧波失真。

MBC PWM技術(shù)通過調(diào)整穿越狀態(tài)與參考信號(hào)的零交點(diǎn)重疊來優(yōu)化直流電壓的利用。這通過在阻抗網(wǎng)絡(luò)電壓最低的時(shí)段施加穿越來最小化切換損失。與SBC不同，MBC在峰值電壓條件下避免了持續(xù)開關(guān)，因此效率更高。CBC通過根據(jù)負(fù)載條件和輸出需求動(dòng)態(tài)調(diào)整穿越占空比，以平衡效率和電壓提升。這使得在負(fù)載變化時(shí)能夠保持一致性，并減少逆變器組件的整體壓力。

可再生能源集成應(yīng)用

由于qZSI能夠在功率波動(dòng)中提供電力轉(zhuǎn)換，因此可以輕松集成到光伏(PV)系統(tǒng)中，以應(yīng)對(duì)低輻照度或部分遮陰的問題。這種逆變器拓?fù)溥€提供了來自光伏陣列的電壓穩(wěn)定性，并通過對(duì)電壓和電流的動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以簡化最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。

qZSI逆變器拓?fù)溥€在風(fēng)能或結(jié)合風(fēng)能和太陽能的混合系統(tǒng)中表現(xiàn)良好。風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出電壓變化可以通過這種逆變器拓?fù)涞纳祲耗芰p松穩(wěn)定。隨著綠色能源的日益普及，對(duì)提供效率和可靠性的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的需求也在增加。電力工程師可以通過這些信息了解哪種拓?fù)湓谔峁└€(wěn)定的電力輸出方面效果最佳。