摘要：准 Z 源逆变器电路拓扑由 Z 源逆变器拓扑发展而来，是近几年来提出的一类新型电路拓扑，由于其具有诸多优点，在光伏、燃料电池等可再生能源发电领域具有重要的研究价值与广阔的应用前景。本文分析了准 Z 源并网逆变器的结构与特点，介绍其基本工作原理，并侧重从电路拓扑、调制策略、建模与控制策略等几个方面综述了准 Z 源并网逆变器的发展与研究现状，最后给出了一个设计仿真实例。
1.引言
并网逆变器是可再生能源并网发电系统的重要组成部分，而可再生能源普遍具有宽输入电压范围的特点。传统的电压型或电流型并网逆变器由于只能实现降压或升压，在上述应用场合下常需另外附加一级dc-dc 变换器来实现电压适配， 这种两级式的电路结构成本高且效率低。Z 源逆变器[1]是一种新型电路拓扑，由彭方正博士于 2003年首次提出， 其独特的阻抗网络结构使之具有单级升/降压能力，克服了传统电压型逆变器和电流型逆变器的不足，但同时也具有输入电流不连续，启动冲击电流大，电容电压应力高等缺点。针对 Z 源逆变器的这些缺点，文献[2]在 Z 源拓扑的基础上又提出了四种新型的准 Z 源拓扑。准 Z 源逆变器通过对 Z 源逆变器拓扑进行微小改动从而克服了后者的不足，同时保留 Z 源逆变器所有优点，在并网应用中能满足更高的要求。目前，对准 Z 源并网逆变器的研究主要集中在电路拓扑、调制策略、建模与控制策略等几个方面，下面将一一进行介绍。
2 .电路拓扑与基本原理
文献[2]共提出了四种准Z源逆变器拓扑，包括两种电压型拓扑和两种电流型拓扑，如图 1所示。
a 和 b 为电压型准 Z 源并网逆变器电路拓扑 qvz1和 qvz2，c 和 d 为电流型准 Z 源并网逆变器电路拓扑qcz1和 qcz2。 与电压型 Z 源逆变器相比， qvz1 具有连续的输入电流， 且电容 C2的电压应力更小， 而 qvz2 的C1与 C2电压应力均更小，qvz1 与 qvz2 均没有启动冲击问题;与电流型 Z 源逆变器相比， qcz1 与 qcz2的储能电感电流更小。
由于目前应用研究大多集中在电压型拓扑上，下面重点介绍其中一种电压型准 Z 源拓扑 qvz1，其电路结构如图 1(a)所示。与 Z 源逆变器相同，稳态工作时，准 Z 源逆变器有直通和非直通两种状态。图 2 与图 3为从直流侧看进去的等效电路，当逆变桥处于直通零电压状态时，可视为短路，等效电路如图 2 所示，当处于非直通零电压状态时，逆变桥可等效为一个电流源，等效电路如图 3所示。
3.调制策略
准 Z 源逆变器直流侧利用桥臂直通来实现升压，其调制策略是建立在传统的SPWM或SVPWM控制的基础上的，所有可用于 Z 源逆变器的调制策略均适用于准 Z 源逆变器。由于逆变桥处于直通状态(直通矢量作用时)和非直通零电压状态(传统零矢量作用时)对于负载来讲效果是一样的，所以在非直通零电压期间插入直通时间将不会影响输出波形。基于上述原理，研究人员陆续提出了几种调制策略。简单升压控制[1]是最早提出的一种调制方案，其原理如图 4 所示，将调制产生的恒定直通矢量插入到 SPWM或SVPWM的传统零矢量的正中间。此法容易实现，但有限的直通时间限制了电路的升压能力，使得功率器件电压应力大及电感电流脉动大，直通矢量放置的位置还会使得开关频率加倍。
为了得到最大的升压比，降低器件电压应力，文献[3]提出了最大升压控制策略，将所有的传统零矢量用直通零矢量替代，即将直通时间最大化，但此法会在直流侧引入低频脉动，增加电感电容设计难度。最大恒定升压控制[4]的提出，解决了低频脉动的问题，但升压能力稍不如前者，且仍存在开关频率倍增的问题。从降低开关频率的角度出发，文献[5]又提出了一种改进型最大恒定升压控制策略，与最大恒定升压控制相比，该调制方法不仅能有效地降低开关频率，还能增加电感电容充电频率，从而减小 Z 源网络中组件体积。降低开关频率的调制方法还有恒开关频率控制[6]，其调制方法如图 5 所示，将一个开关周期的直通时间分散到每个开关转换时刻，利用同一个桥臂上、下两个管子的延时关断或提前导通来产生直通矢量，这样便不会增加开关频率，但其升压能力依然有限。上述几种调制方法是比较常用的，不仅可以用来对传统 SPWM 调制进行改造，对 SVPWM 也同样适用， 而且基于 SVPWM 的调制策略[7]具有直流利用率高、谐波畸变率低、动态响应快、易于数字化等优点，因而更受研究人员青睐。
4.系统建模与控制策略
电路建模的准确与否对于研究控制系统的稳态和动态性能至关重要，而准 Z 源逆变器由于其特殊的结构与工作方式，建模存在一定难度，因而也是研究的热点。由于拓扑相近，Z 源逆变器和准 Z 源逆变器的建模方法与控制策略可以互相借鉴。文献[7-8]将交流侧等效到直流侧，近似认为一个开关周期电路只有直通和非直通两种状态，得到简化等效模型(如图 6 所示)， 再利用状态空间平均法和信号流图法对准 Z 源逆变器建模。这种方法较为简单和常见，但没有考虑直流侧与逆变侧的相互影响，忽视了直通占空比和调制比之间的制约关系，不利于对系统进行精确控制。文献[9-10]同时引入直通占空比和调制比， 将一个开关周期细分为直通状态、 有效矢量状态和传统零矢量状态，得到阻感负载下的等效电路模型(如图 7 所示)， 建立的模型也更加精确，但由于要同时考虑直通占空比和调制比对输出的影响，控制系统的设计也将更加复杂。
为了简化控制器的设计， 目前准Z源逆变器的控制常被分为独立两部分来考虑：直流侧升压控制部分和交流侧的逆变控制部分。直流侧控制的目的在于实现升压并通过调节直通时间稳定母线电压，其方法主要可以分为直接控制和间接控制两种。直接控制通过直接检测母线电压来进行控制，但由于母线电压是脉动量， 检测起来具有一定难度。文献[11]提出可附加额外的峰值检测电路来实现，但这增加了成本，且控制器设计较为复杂。考虑到当输入电压不变时稳态电容电压与母线电压具有确定的数量关系，可以采用间接控制即通过控制阻抗网络电容电压来间接控制母线电压。由于Z源网络具有非最小相位特性，所以许多研究人员采用不同的控制策略来减少或抑制非最小相位特性对系统稳定性和鲁棒性的影响。文献[12]采用PID控制来稳定Z源网络电容电压，控制如图8所示，通过引入微分环节， 并合理设计PID参数， 使得系统的幅值裕度和相位裕度满足要求，但这种方法只是减小了非最小相位特性对系统特性的影响， 未能消除。文献[13]采用滑模变结构控制，该控制器可以实现当输入电压发生扰动时，Z 源网络电容电压不产生超调和振荡，保证了并网电流的质量，提高了系统的抗扰性能。文献[14]采用模糊PID控制，该文献采样电容电压，通过计算稳态直通占空比并引入除法器，将其转化为逆变桥母线进行反馈调节，间接实现逆变桥输入侧电压的闭环控制， 与传统PID控制相比，这两种非线性控制方法在保证系统动态响应的前提下，增加了系统的抗扰动性能。 以上控制都是单环控制， 文献[15]以小信号模型为基础，在电压外环之内加入了电感电流内环，采用双环控制，进一步提升了系统的动态性能。电网电流闭环控制的目的是使电网电流快速跟基准电流，基准电流与电网电压频率相同，相位根据逆变器实现功能的不同或与电网电压同相或超前电网电压相位。PI控制由于其设计简单，参数整定容易，成为应用最为广泛的电流控制方式之一，但输出电流存在稳态误差，通常可以引入电网电压前馈控制来改善这一问题。随着研究深入，单周期控制[16]、无差拍控制[17]、比例谐振控制[18]等也陆续被引入到准Z源逆变器的并网控制中，有效地提高了输出并网电流的质量。
以上介绍的控制方法都是通过两个独立的闭环分别实现直流侧和逆变侧的控制，如果输入电源是光伏电池或风力发电机等具有最大功率点的能源，则这些方法并不适用，还需要加入最大功率点跟踪(MPPT)环节和电能存储环节。学者们对此展开了大量的研究[18-20]，下面介绍一种常见控制方案，如图9所示，整个控制系统包括三部分：交流电流内环，储能电容电压外环和直通零矢量环。电容电压外环和交流电流内环的作用在于稳定母线电压于给定值，并实现输出并网控制。直通零矢量环作用在于调节输入电压，MPPT环节的输出作为直通零矢量环的输入电压给定，从而使输入功率跟踪光伏电池输出最大功率值。
5.设计仿真实例
为了验证准Z源并网逆变器的优越性，本文利用Pspice对基于qvz1的单相并网逆变器进行仿真， 仿真参数为：输入电压150V，输出220V、50Hz电网电压，L1=L2=1mH，C1=C2=500uF，D0=0.38，输出滤波电感1.2mH，仿真结果如图10所示
从仿真结果来看，输出波形质量较好，得到的各主要参数波形与理论分析结果基本一致。
6 .总结
准 Z 源并网逆变器拓扑作为由 Z 源并网逆变器拓扑发展而来的一种新型电路拓扑，它能有效克服后者的一些不足，因而具有更加重要的研究价值。近几年来，对准 Z 源逆变器的研究主要集中在电路拓扑、调制策略、建模方法、控制策略等几个方面。准 Z 源逆变器的调制目标是将直通信号与传统的 SPWM 或SVPWM 信号相合成，研究方向在于进一步减小开关频率及提升升压比，减小开关应力。准 Z 源逆变器的建模精细与否直接影响控制的性能，精确的建模方法应将直流侧与交流侧统一起来建模，并在各种负载情况下，考虑各控制变量对输出的影响。准 Z 源逆变器的控制策略更是研究的一大热点，借助数字控制，控制算法和手段在不断推陈出新，并促使输出电能的质量越来越好。
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