常用的電力轉換技術，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常常受到限制。它們可能需要額外的直流-直流轉換器，這會影響系統(tǒng)的復雜性和效率。這就是準Z源逆變器(qZSI)發(fā)揮作用的地方。

準Z源逆變器概述

qZSI 的設計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，而與傳統(tǒng)的逆變器拓撲如CSI和VSI相比，qZSI拓撲對故障(如突發(fā)電壓尖峰)具有更強的容忍性，從而提高其電壓轉換的整體效率和可靠性。qZSI是Z源逆變器(ZSI)拓撲的演變，允許在一個階段內進行電壓提升和降壓操作。ZSI拓撲由以“X”形排列的電容器和兩個電感器組成，用于存儲能量并提供功率傳輸能力。這在逆變器的開關設備與可再生能源直流源之間創(chuàng)建了一個阻抗網(wǎng)絡。盡管能夠處理CSI和VSI的波動限制，ZSI也帶來了一些問題，如啟動時的涌入電流，這會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使得ZSI拓撲需要更復雜的控制。

另一方面，qZSI提供了對其組件的應力減少、效率提高和優(yōu)于ZSI的電壓調節(jié)。為了改善啟動性能和輸入電壓的穩(wěn)定性，qZSI拓撲在一個更緊湊的阻抗網(wǎng)絡中具有額外的二極管。這種特性及其穿越能力提高了對故障的容忍度，而這些故障可能會損壞VSI和CSI逆變器。qZSI拓撲還具有升降壓能力和單級電力轉換，消除了對DC-DC轉換器的需求，從而減少了功率損耗和系統(tǒng)復雜性。

qZSI的設計與工作原理

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

在選擇逆變器用電容器時，應進行適當?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)進行評估。

在穿越狀態(tài)下，當同時激活逆變器一側的兩個開關時，電流會在準Z網(wǎng)絡內循環(huán)。在此模式下，電流不會流入逆變器橋。為了更好地理解電壓提升機制，需要考慮穿越狀態(tài)的占空比(Ts)，并用來評估逆變器的提升因子(B)。隨著電流通過網(wǎng)絡中的兩個電感器，能量得以存儲，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。

通過在反轉之前提升電壓，即使在低直流輸入電壓的情況下，也可以實現(xiàn)更高的交流輸出電壓。假設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，提升因子也會增加，如圖2所示。例如，在占空比為0.1時，提升因子約為1.11，而占空比為0.4時，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過程就可以進行，此時逆變器橋由充電電容器提供存儲的能量。標準的脈寬調制技術(PWM)可以將直流電壓轉換為交流電壓輸出。qZSI逆變器的調制交流輸出電壓(Vac)可以通過考慮調制指數(shù)M來近似，M如以下所示(Vdc)，即直流輸入電壓。

qZSI控制的脈寬調制技術

qZSI控制的三種PWM技術包括簡單提升控制(SBC)、最大提升控制(MBC)和恒定提升控制(CBC)，這些技術影響逆變器的穩(wěn)定性、效率和開關損耗。這些PWM方法在qZSI控制中各有優(yōu)缺點。SBC涉及在調制信號中插入穿越狀態(tài)，當載波信號低于預定義參考時。這種調制方法調整穿越占空比以實現(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，因為持續(xù)開關帶來了較高的開關損耗。該PWM控制方法中的高開關頻率也可能導致qZSI中的諧波失真。

MBC PWM技術通過調整穿越狀態(tài)與參考信號的零交點重疊來優(yōu)化直流電壓的利用。這通過在阻抗網(wǎng)絡電壓最低的時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，因此效率更高。CBC通過根據(jù)負載條件和輸出需求動態(tài)調整穿越占空比，以平衡效率和電壓提升。這使得在負載變化時能夠保持一致性，并減少逆變器組件的整體壓力。

可再生能源集成應用

由于qZSI能夠在功率波動中提供電力轉換，因此可以輕松集成到光伏(PV)系統(tǒng)中，以應對低輻照度或部分遮陰的問題。這種逆變器拓撲還提供了來自光伏陣列的電壓穩(wěn)定性，并通過對電壓和電流的動態(tài)調整，可以簡化最大功率點跟蹤(MPPT)。

qZSI逆變器拓撲還在風能或結合風能和太陽能的混合系統(tǒng)中表現(xiàn)良好。風力渦輪機的輸出電壓變化可以通過這種逆變器拓撲的升降壓能力輕松穩(wěn)定。隨著綠色能源的日益普及，對提供效率和可靠性的電力轉換系統(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撲在提供更穩(wěn)定的電力輸出方面效果最佳。