【導讀】qZSI 旨在解決與可再生能源中電壓范圍受限相關(guān)的挑戰，與 CSI 和 VSI 等傳統逆變器拓撲不同，qZSI 可以處理功率波動(dòng)。qZSI 拓撲結構增強了對突然電壓尖峰等故障的容忍度，從而提高了電壓轉換的整體效率和可靠性。QZSI 是從 Z 源逆變器 （ZSI） 拓撲演變而來(lái)的，允許在一個(gè)階段進(jìn)行升壓和降壓操作。
準 Z 源逆變器概述
qZSI 旨在解決與可再生能源中電壓范圍受限相關(guān)的挑戰，與 CSI 和 VSI 等傳統逆變器拓撲不同，qZSI 可以處理功率波動(dòng)。qZSI 拓撲結構增強了對突然電壓尖峰等故障的容忍度，從而提高了電壓轉換的整體效率和可靠性。QZSI 是從 Z 源逆變器 （ZSI） 拓撲演變而來(lái)的，允許在一個(gè)階段進(jìn)行升壓和降壓操作。ZSI 拓撲由以“X”形配置排列的電容器和兩個(gè)電感器組成，用于存儲能量并提供電力傳輸功能。這會(huì )在逆變器的開(kāi)關(guān)設備和可再生能源直流電源之間形成一個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò )。盡管能夠處理 CSI 和 VSI 的波動(dòng)限制，但 ZSI 也帶來(lái)了一些問(wèn)題，例如啟動(dòng)過(guò)程中的浪涌電流，使逆變器的組件承受壓力并影響電壓穩定性和可靠性。這些限制和電壓紋波使 ZSI 拓撲需要更復雜的控制。
另一方面，QZSI 比 ZSI 減少了其組件的壓力、提高了效率和更好的電壓調節。為了提高啟動(dòng)性能和輸入電壓穩定性，qZSI 拓撲結構在更緊湊的阻抗網(wǎng)絡(luò )中增加了二極管。這及其擊穿功能提高了對故障的容忍度，否則會(huì )損壞 VSI 和 CSI 逆變器。qZSI 拓撲還具有降壓-升壓功能和單級電源轉換功能，無(wú)需 DC-DC 轉換器，從而降低了功率損耗和系統復雜性。
qZSI 的設計和工作原理
當談到 qZSI 的運行時(shí)，其設計允許在不損壞逆變器組件的情況下發(fā)生受控的“擊穿”狀態(tài)。對于電壓反轉和升壓，qZSI 在非擊穿狀態(tài)和擊穿工作模式之間交替。在設計過(guò)程中，正確的組件尺寸至關(guān)重要。L1 和 L2 電感器的尺寸可以調整，以處理?yè)舸顟B(tài)下的能量存儲和峰值電流。為了限制紋波電流 （L），則可以通過(guò)考慮開(kāi)關(guān)周期 （T）、輸入直流電壓 （V 來(lái)評估 qZSI 逆變器的電感在） 和擊穿占空比 （D射擊).
L=Vin×Dshoot?through×TΔIl
為逆變器選擇電容器時(shí)，應正確調整尺寸，以確保穩定的直流母線(xiàn)電壓并減少擊穿狀態(tài)下的電壓紋波。電容可以通過(guò)考慮所選電容器可以處理的電壓來(lái)評估 （C).
L=I負載×D擊穿×TΔVc絡(luò )有兩個(gè)電感器和電容器，用于在擊穿狀態(tài)下處理能量存儲。圖片由 Bob Odhiambo 提供
在擊穿狀態(tài)下，在同時(shí)激活一個(gè)逆變器支路中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)后，準 z 網(wǎng)絡(luò )內發(fā)生電流循環(huán)。在這種模式下，電流不會(huì )流入逆變器橋。為了更好地理解升壓機制，考慮了擊穿狀態(tài)的占空比 （Ts） 并用于評估逆變器的升壓因子 （B）。當電流流過(guò)網(wǎng)絡(luò )中的兩個(gè)電感器時(shí)，能量被儲存起來(lái)，從而提升電容器兩端的電壓，從而增加逆變器的整體直流母線(xiàn)電壓。
B=11?2Ts
通過(guò)在反轉前提高電壓，即使在 DC 輸入電壓較低的情況下，也可以實(shí)現更高的 AC 輸出電壓。假設 qZSI 的占空比為 0.25，則升壓因數等于 2，如下所示，這意味著(zhù)輸出電壓是輸入電壓的兩倍。
B=11?2×0.25=11?0.5=2
這意味著(zhù)，隨著(zhù)占空比的增加，升壓因子也會(huì )增加，如圖 2 所示。例如，占空比為 0.1 時(shí)的升壓系數約為 1.11，而占空比為 0.4 時(shí)的升壓系數約為 1.67。
圖 2.準 z 源逆變器的占空比與其升壓因數之間的關(guān)系。圖片由 Bob Odhiambo 提供
一旦電壓在擊穿狀態(tài)下被提升，就可以在非擊穿狀態(tài)下完成直流到交流的反轉過(guò)程，其中逆變器橋由帶電電容器提供的存儲能量。標準脈寬調制技術(shù) （PWM） 可以在單級中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(guò)考慮調制指數 M 來(lái)近似計算，如下所示 （Vdc），即直流輸入電壓。 B=11?2Ts
用于 qZSI 控制的脈寬調制
qZSI 控制的三種 PWM 技術(shù)包括簡(jiǎn)單升壓控制 （SBC）、升壓控制 （MBC） 和恒定升壓控制 （CBC），它們會(huì )影響逆變器的穩定性、效率和開(kāi)關(guān)損耗。這些 PWM 方法在 qZSI 控制中各有優(yōu)勢和局限性。SBC 涉及在載波信號低于預定義的參考信號時(shí)將擊穿狀態(tài)插入調制信號。這種調制方法修改了擊穿占空比，以實(shí)現所需的電壓提升。在效率方面，由于連續開(kāi)關(guān)會(huì )導致高開(kāi)關(guān)損耗，因此 SBC 在高升壓系數下的效率低于 CBC 和 MBC。這種 PWM 控制方法中的高開(kāi)關(guān)頻率也可能在 qZSI 中引入諧波失真。
MBC PWM 技術(shù)的工作原理是通過(guò)調整擊穿狀態(tài)以與參考信號的過(guò)零點(diǎn)一致來(lái)優(yōu)化直流電壓的使用。這通過(guò)在阻抗網(wǎng)絡(luò )上電壓的周期內應用擊穿，限度地減少了開(kāi)關(guān)期間的損耗。與 SBC 不同，MCB 效率更高，因為它避免了在峰值電壓條件下的連續開(kāi)關(guān)。CBC 通過(guò)根據負載條件和輸出需求對擊穿占空比進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整來(lái)平衡效率和電壓升壓。無(wú)論負載如何變化，這都能實(shí)現一致性，并減少逆變器組件的整體應力。
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