- 頭條西安航空學院學者提出準Z源逆變器直流鏈電壓跌落判斷和抑制方法2023-02-09 作者：許宇豪、肖海峰 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為提升準Z源逆變器的輸出性能和安全可靠性，防止準Z源逆變器出現非正常狀態，西安航空學院電子工程學院、西北工業大學航海學院的研究人員許宇豪、肖海峰、馬昭、高文、賀昱曜，在2022年第14期《電工技術學報》上撰文，基于系統協調控制的思想提出了直流鏈電壓跌落抑制方法。該方法能夠準確預測直流鏈電壓跌落的條件，并能夠有效防止直流鏈電壓跌落。
逆變器作為風能、太陽能、燃料電池等新能源發電系統中的重要組成部分，在能源轉換與能量傳遞過程中發揮著重要作用。在當前大力發展新能源應用技術的背景下，學者們普遍認為，需要研發具有安全可靠性高、成本低、性能高的新型逆變器。
準Z源逆變器是彭方正教授提出的一種具有獨特升降壓方式的新型功率變換拓撲，它的現實意義在于：在有電磁干擾的環境下，允許橋臂直通的特性一定程度上降低了逆變器損壞的風險，提高了設備的可靠性和安全性；脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）控制信號中無需加入死區時間，解決了死區時間造成交流輸出電壓畸變的問題；實現了直流升降壓與交直流變換一體化的設計結構，降低了軟硬件成本。
交流調速系統、燃料電池供電系統、光伏和風電等分布式發電系統以及微電網系統等具有隨負載和環境因素的變化而導致輸出電壓波動范圍很大的共同特點，因此準Z源逆變器在這些領域中具有廣闊應用價值。
準Z源逆變器是通過電感周期性的充放電，實現直流鏈電壓的泵升。然而當準Z源網絡的電感儲能不足時，二極管電流會發生斷續。此時準Z源逆變器會處于一種非正常工作狀態，電感停止放電，直流鏈電壓僅由電容電壓決定。這將導致直流鏈電壓發生跌落，嚴重降低了準Z源逆變器的安全可靠性和輸出電能質量。
國內外學者對準Z源逆變器直流鏈電壓跌落的原因進行了大量研究。解決直流鏈電壓跌落問題主要采用適應負載大范圍變動的雙向準Z源逆變器拓撲。該拓撲在二極管兩端反并聯了一個開關器件。當二極管電流即將斷續時打開開關器件，逆變器直流側產生的回饋電流能夠避免電流斷續。但是，增加的反并聯開關器件會提高電路的成本和控制難度；此外，如果在切換直通狀態時沒有關斷反并聯開關器件，會使電容和橋臂受到巨大的電流沖擊而損壞逆變器。
目前關于準Z源逆變器直流鏈電壓跌落的研究還存在三方面的不足：①雖然現有文獻已得出準Z源逆變器直流鏈電壓跌落的原因，但分析的角度較為單一，缺乏全面性和深入性；②尚無可預判直流鏈電壓跌落的方法，給準Z源逆變器運行狀態帶來了不確定性；③解決直流鏈電壓跌落問題的方法非常有限，有待進一步研究。
為提升準Z源逆變器的輸出性能和安全可靠性，防止準Z源逆變器出現非正常狀態，西安航空學院電子工程學院、西北工業大學航海學院的研究人員許宇豪、肖海峰、馬昭、高文、賀昱曜，在2022年第14期《電工技術學報》上撰文，基于系統協調控制的思想提出了直流鏈電壓跌落抑制方法。該方法能夠準確預測直流鏈電壓跌落的條件，并能夠有效防止直流鏈電壓跌落。
圖1 所提方法的結構框圖
他們深入研究了準Z源逆變器直流鏈電壓跌落的原因，發現了直流鏈電壓在二極管電流斷續時不僅會跌落，還有高于正常幅值的情況，極大地增加了逆變器過電壓損壞的風險，該現象也未有文獻研究過。針對該問題科研人員給出了電壓跌落深度的定義，可用于計算和衡量直流鏈電壓升高和降低的幅值，研究了二極管電流連續和斷續期間的直流鏈電壓變化規律，分析了直流鏈電壓變化對準Z源逆變器的危害，完善了直流鏈電壓跌落的基礎理論。
圖2 抑制直流鏈電壓跌落綜合方法的流程
他們根據造成二極管電流斷續的因素，將準Z源逆變器的系統參數和狀態劃分為跌落、臨界跌落和安全區域，提出了一種直流鏈電壓跌落的判斷方法。該方法可準確地預測直流鏈電壓發生跌落的條件，為準Z源逆變器工作狀態預測和直流鏈電壓跌落預防提供了理論依據。
圖3 三相電壓型準Z源逆變器實驗平臺
研究人員提出了一種直流鏈電壓跌落抑制方法。以二極管電流為控制目標，以電路參數、調制方法及其參數、逆變器工作條件為約束條件，利用系統協調控制的思想調整準Z源逆變器的系統參數和狀態，使其進入安全工作區域，避免了直流鏈電壓跌落的發生，提高了準Z源逆變器的安全可靠性。
本次課題的研究成果進一步完善了直流鏈電壓跌落的基礎理論，為保證準Z源逆變器正常工作提供了新的依據和方法。
本文編自2022年第14期《電工技術學報》，論文標題為“準Z源逆變器直流鏈電壓跌落的判斷和抑制方法”。本課題得到陜西省科技廳項目和陜西省教育廳項目的支持。
