【導讀】qZSI 旨在解決與可再生能源中電壓范圍受限相關的挑戰，與 CSI 和 VSI 等傳統逆變器拓撲不同，qZSI 可以處理功率波動。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） 拓撲演變而來的，允許在一個階段進行升壓和降壓操作。
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。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） 拓撲演變而來的，允許在一個階段進行升壓和降壓操作。ZSI 拓撲由以“X”形配置排列的電容器和兩個電感器組成，用于存儲能量并提供電力傳輸功能。這會在逆變器的開關設備和可再生能源直流電源之間形成一個阻抗網絡。盡管能夠處理 CSI 和 VSI 的波動限制，但 ZSI 也帶來了一些問題，例如啟動過程中的浪涌電流，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。為了提高啟動性能和輸入電壓穩定性，qZSI 拓撲結構在更緊湊的阻抗網絡中增加了二極管。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，其設計允許在不損壞逆變器組件的情況下發生受控的“擊穿”狀態。對于電壓反轉和升壓，qZSI 在非擊穿狀態和擊穿工作模式之間交替。在設計過程中，正確的組件尺寸至關重要。L1 和 L2 電感器的尺寸可以調整，以處理擊穿狀態下的能量存儲和峰值電流。為了限制紋波電流 （L），則可以通過考慮開關周期 （T）、輸入直流電壓 （V 來評估 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，應正確調整尺寸，以確保穩定的直流母線電壓并減少擊穿狀態下的電壓紋波。電容可以通過考慮所選電容器可以處理的電壓來評估 （C).
L=I負載×D擊穿×TΔVc絡有兩個電感器和電容器，用于在擊穿狀態下處理能量存儲。圖片由 Bob Odhiambo 提供
在擊穿狀態下，在同時激活一個逆變器支路中的兩個開關后，準 z 網絡內發生電流循環。在這種模式下，電流不會流入逆變器橋。為了更好地理解升壓機制，考慮了擊穿狀態的占空比 （Ts） 并用于評估逆變器的升壓因子 （B）。當電流流過網絡中的兩個電感器時，能量被儲存起來，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電壓。
B=11?2Ts
通過在反轉前提高電壓，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，隨著占空比的增加，升壓因子也會增加，如圖 2 所示。例如，占空比為 0.1 時的升壓系數約為 1.11，而占空比為 0.4 時的升壓系數約為 1.67。
圖 2.準 z 源逆變器的占空比與其升壓因數之間的關系。圖片由 Bob Odhiambo 提供
一旦電壓在擊穿狀態下被提升，就可以在非擊穿狀態下完成直流到交流的反轉過程，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 （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） 可以通過考慮調制指數 M 來近似計算，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 技術包括簡單升壓控制 （SBC）、升壓控制 （MBC） 和恒定升壓控制 （CBC），它們會影響逆變器的穩定性、效率和開關損耗。這些 PWM 方法在 qZSI 控制中各有優勢和局限性。SBC 涉及在載波信號低于預定義的參考信號時將擊穿狀態插入調制信號。這種調制方法修改了擊穿占空比，以實現所需的電壓提升。在效率方面，由于連續開關會導致高開關損耗，因此 SBC 在高升壓系數下的效率低于 CBC 和 MBC。這種 PWM 控制方法中的高開關頻率也可能在 qZSI 中引入諧波失真。
MBC PWM 技術的工作原理是通過調整擊穿狀態以與參考信號的過零點一致來優化直流電壓的使用。這通過在阻抗網絡上電壓的周期內應用擊穿，限度地減少了開關期間的損耗。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關。CBC 通過根據負載條件和輸出需求對擊穿占空比進行動態調整來平衡效率和電壓升壓。無論負載如何變化，這都能實現一致性，并減少逆變器組件的整體應力。
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