基于Z源网络的功率变换器基础理论与应用技术研究

Z source inverter is a novel power conversion concept which is different from traditional voltage source inverter and current source inverter. Z source inverter has single stage boost conversion, high reliability and high waveform quality. But research on Z source inverter lacks of systematic and theoretical fundamental. To direct at overcoming the Structure defect and Performance deficiency of Z source inverter, the main researches of the project include the following aspects:.(1) Study general circuit structure of Z source inverter under the systems analysis and synthesis of the current Z source networks. And we will derive new family of Z source inverter topologies to solve its inherent limitation to inrush current at startup and reduce Z source capacitor voltage stress and develop new synthetic analysis approaches for Z source inverter. .(2) To lay emphasis on Z source multi-inverter as an object of study, we will explore new Z source network topologies and control strategy of Z source multi-inverter..(3) Perform the characteristic analysis of new Z source inverter and develop the parameter optimization design, modeling and closed loop control strategy deeply. .(4) Taking grid-connected photovoltaic power generation as a research background, we will study application theories and technologies of Z source inverter for broadening and deepening the application fields. .Through the research projects，we will establish the theoretic and technical system of Z source inverters and explore the Implementation plan of Z source inverter, which has simple circuit topologies, good performance and high reliability. The prospective achievements of the project research have good scientific sense and good promise for engineering applications.

Z源变换器是一种不同于传统电压源和电流源变换器的新型功率变换器，具有单级升降压变换、可靠性高、波形质量高等优点。但目前对Z源变换器的研究还缺乏系统性和理论深度。针对现有Z源变换器存在的结构缺陷和性能的不足，在对现有Z源变换器拓扑进行电路分析与综合的基础上，研究Z源变换器的通用电路结构，并从通用电路结构出发，提出新型的Z源变换器拓扑族，以解决现有拓扑存在的启动冲击，Z源网络元件应力大的问题。其次，以Z源多电平变换器为研究对象，探索新的Z 源多电平变换器网络拓扑和调制控制方法。进而，对新型Z源变换器进行特性分析、参数优化设计、建模和控制策略等进行深入的研究。最后，以光伏并网发电为应用背景，研究Z源变换器的应用技术基础和应用技术，以拓宽和深化Z源变换器的应用领域。通过本项目研究，建立较系统的Z源变换器理论与技术知识体系，探索具有拓扑结构简洁，控制方案简单，可靠性高等优点的新型变换器实现方案。

Z源变换器是一种新型的变换电路拓扑，具有升降压功能、可靠性高、输出波形质量好等优点。项目主要研究内容有：Z源变换器电路的综合分析方法、新型电路拓扑研究、Z源变换电路特性分析及控制策略、应用技术及实验研究。取得的重要成果有：. （1）给出了Z源变换器和Z源网络的拓扑结构、组合形式的综合分析与分类方法，总结出了Z源网络拓扑结构与组合网络形式的演变规律，提出了新的Z源网络导出的一般方法。（2）提出一种Z源级联三电平NPC逆变器。新型拓扑结构不仅能将升压因子提高到1/(1-4D)，亦拓宽了调制因子M的取值范围。仿真和试验结果证明了新拓扑的优越性。（3）提出一种增强型Z源级联逆变器拓扑，即在Z源级联逆变器前增加Boost 电路，提高了Z源逆变器的升压因子和克服了启动冲击电流大的问题。（4）通过将开关电感和H桥电路相结合，设计出一种全新的准开关电感单元。将新准开关电感单元引入到Z源网络中，提出了非对称准开关电感型Z源网络变换器。（5）提出了一种“准Z源多电平直流环节+H桥逆变器”的多电平直流环节逆变电路结构。新型逆变器不仅所需开关器件少，且电流连续，可实现升降压功能。（6）提出了三次谐波注入下的最大升压控制法和NPC逆变器选择性谐波消除脉宽调制方法。（7）针对Z-源三相逆变电路工作过程中存在的二极管断流以及由此导致的直流母线电压跌落问题，导出了直流母线电压跌落的表达式，提出一种新的抑制直流母线电压跌落SVPWM控制方法。（8）设计并研制完成多峰光伏阵列最大功率点跟踪实验平台和Z源变换器电机调速系统实验平台，进行了大量的实验，验证了本项目提出的新型变换器原理的正确性和性能的有效性。研究成果具有重要的科学意义与工程应用前景。