学术︱新颖的单相电压型准Z源逆变器
福州大学电力电子与电力传动研究所的研究人员黄瑞哲、陈道炼、许志龙，在2015年第16期《电工技术学报》上撰文，提出了一种电压型准Z源逆变器电路拓扑与控制策略，对构成这种逆变器的电路拓扑、具有阻抗网络储能电容电压前馈的输出电压瞬时值反馈单极性SPWM控制策略和稳态原理特性进行了深入的分析，获得了重要结论和关键电路参数的设计准则。
这种电路拓扑是由大升压比阻抗网络、单相逆变桥和单相LC滤波器依序级联构成，其中大升压比阻抗网络是由储能电感L0和依序级联的2个相同的DLCC型二端口阻抗网络单元串联构成。理论分析和实验结果表明，这种逆变器具有电路拓扑简洁、升压比大、功率密度高，输出波形失真度低、可靠性高，输入电压配制灵活、成本低、应用前景广泛等优点。
逆变器电路结构通常可分为单级、两级和多级电路结构，其中两级或多级逆变器具有电路结构和控制系统复杂、变换效率偏低、成本偏高等缺陷，因而单级逆变系统成为新能源发电领域的一个研究热点[1,2]。
人们对电压型逆变器和电流型逆变器的研究取得了显著的成果[3-5]，然而它们存在一些固有的缺陷：①电压型逆变器为降压型逆变器，当直流母线电压低于输出交流电压时，需要增加一级升压变换器来实现电压匹配，而电流型逆变器为升压型逆变器，当直流母线电压高于输出交流电压时，需要增加一级降压变换器来实现电压匹配；②电压型逆变器同一桥臂的功率开关不能同时导通，以避免造成短路现象，而电流型逆变器上、下桥臂任意时刻都要保持一个开关导通，避免造成开路现象，抗电磁干扰能力较差，系统可靠性降低；③由于加入死区时间或换流重叠时间，输出电压和电流波形发生畸变，导致谐波含量增大。
文献[6]首次提出了Z源逆变器新概念及其电路拓扑和理论。Z源逆变器具有如下特点：①能够实现单级升降压功能；②桥臂可以直通或开路，电磁干扰引起的开关误直通或开路现象不会损坏电路；③不需额外加入死区时间或换流重叠时间，输出波形畸变小。
然而，Z源逆变器的许多不足也需要改进[7-9]：①电压型Z源逆变器输入电流不连续且阻抗网络中电容电压应力较大；②电流型Z源逆变器的电感必须承受较大的电流；③Z源逆变器存在严重的启动冲击问题。
准Z源逆变器电路拓扑继承了Z源逆变器的所有优点，并且通过对阻抗网络的改进获得了一些新的特性[10-12]。如与电压型Z源逆变器相比，电压型准Z源逆变器的电容电压应力更低，同时输入侧电感使得输入电流连续且不存在启动冲击问题[13]；与电流型Z源逆变器相比，电流型准Z源逆变器的储能电感电流更小。
光伏、风力、燃料电池等新能源发电通常具有宽输入电压范围的特点，要求逆变器具有适应宽输入电压变化的能 力[14,15]。准Z源逆变器的电压增益理论上可以达到零至无穷大，但实际中它的直流侧升压因子较小，通常适用于输入电压150V以上场合，当输入电压低于该值时，为了得到期望的输出电压幅值，需要增大直通占空比D0。
直通占空比D0和逆变器的调制系数M相互制约，从而需要减小调制系数M，导致的结果是：①逆变桥输入侧母线电压和Z网络储能电容电压较高，逆变桥开关器件电压应力和Z网络储能电容电压应力较大；②输出电压（电流）波形谐波含量增大。
本文提出和深入分析了一种新颖的适用于低输入电压场合的单相电压型准Z源逆变器及其控制策略，获得了重要结论。这类逆变器在保留准Z源逆变器电路拓扑优点的同时，提升了直流侧的升压因子，拓宽了输入电压的变化范围，降低了功率开关和Z源网络储能电容电压应力。
结论
（1）新颖的单相电压型准Z源逆变器电路拓扑是由大升压比阻抗网络、单相逆变桥和单相LC滤波器依序级联构成，其中大升压比阻抗网络是由储能电感L0和依序级联的两个相同的DLCC型二端口阻抗网络单元串联构成。
（2）新颖的单相电压型准Z源逆变器，采用具有大升压比阻抗网络储能电容电压前馈控制的输出电压瞬时值反馈单极性SPWM控制策略。
（3）深入分析了所提出逆变器在一个高频开关周期内5种基本工作模态及其等效电路，推导出了电压传输比。
（4）给出了大升压比阻抗网络储能电感、储能电容、功率开关电压应力等关键电路参数的设计准则，储能电感设计需要兼顾抑制高频电流纹波、避免发生谐振、确保储能电感电流连续三个方面，储能电容设计需要兼顾抑制高频纹波和抑制二次谐波两个方面。
（5）实验验证了所提出电路拓扑、控制策略和理论分析的正确性，这类逆变器在低输入电压或输入电压波动范围大的光伏、风力和燃料电池等新能源发电领域具有重要的应用前景。