吳曉迪，梁占紅，陶瑞

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器SVPWM調(diào)制策略仿真研究

吳曉迪，梁占紅，陶瑞

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

針對開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器，采用Matlab/Simulink仿真平臺對空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)策略進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，與簡單升壓調(diào)制策略相比，SVPWM調(diào)制策略具有開關(guān)頻率低、直流母線電壓小、調(diào)制度較大等優(yōu)點，可以提高直流母線電壓的利用率。

開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器；空間矢量脈寬調(diào)制；逆變器；簡單升壓調(diào)制

在追求低碳社會的今天，新能源分布式發(fā)電得到了快速的發(fā)展，逆變器作為能量轉(zhuǎn)換過程中的一個主要環(huán)節(jié)，已經(jīng)成為研究的熱點。Z源逆變器自提出后就得到了極大的關(guān)注。該拓撲在輸入電源和逆變器之間加入Z源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用橋臂直通升壓，不需要加入直通時間，降低了控制復(fù)雜度，克服了傳統(tǒng)逆變器的缺點，提高了逆變器的抗干擾性。開關(guān)電感Quasi-Z源逆變器是在開關(guān)電感型Z源逆變器的基礎(chǔ)上提出的新型Z源逆變器，與后者相比，Quasi-Z網(wǎng)絡(luò)減少了無源器件的個數(shù)，降低了電感、二極管電流，不僅能提供連續(xù)輸入電流，消除浪涌電流，而且減少了電容電感的電氣應(yīng)力。

調(diào)制策略方面，為了實現(xiàn)升壓，Z源逆變器需要注入直通狀態(tài)。文獻[1]提出的簡單升壓調(diào)制最先應(yīng)用于Z源逆變器，該調(diào)制策略實現(xiàn)簡單，但是存在電感電流脈動大、直流母線電壓高、開關(guān)器件電氣應(yīng)力大等缺點；文獻[2]提出的最大升壓調(diào)制策略解決了簡單升壓調(diào)制開關(guān)器件電氣應(yīng)力大的缺點，但是會在電感電流上引入低頻脈動；文獻[3]提出的最大恒定升壓調(diào)制策略相比于簡單升壓調(diào)制策略，減小了電壓應(yīng)力，但是并沒對電感電流紋波進行深入分析。

為了解決上述問題，本文將空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)策略應(yīng)用于開關(guān)電感Quasi-Z源逆變器。該策略可有效降低開關(guān)頻率，減小逆變器直流母線電壓，增大逆變器調(diào)制度，提高直流母線電壓利用率。仿真結(jié)果證實了SVPWM調(diào)制策略的有效性。

1 開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器結(jié)構(gòu)及其工作原理

開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器電路拓撲如圖1所示，它包括兩個電容（1和2），三個電感（1，2和3）和四個二極管（in，1，2和3）。與Quasi-Z源逆變器相比，它用電感（2和3）和三個二極管（1，2和3）替代了原來的一個電感2，這樣在啟動時幾乎沒有電流流向主電路，可有效抑制浪涌電壓。

為了方便分析，假定開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器的電感1=2=3，電容1=2。處于直通狀態(tài)時，由于逆變橋短路，二極管1和in關(guān)斷，2和3導(dǎo)通，如圖2(a)，這樣就會使電感2和3并聯(lián)，此時電感1，2和3處于充電狀態(tài)而電容1和2處于放電狀態(tài)。電路的方程為：

圖1 開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器電路拓撲

圖2 開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器的工作狀態(tài)

由伏秒平衡原理可知：在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感兩端的電壓對時間的積分為零。這里直通占空比設(shè)為，周期設(shè)為。將該原理應(yīng)用于2和3，由式（2）和式（5）可得：

2 簡單升壓調(diào)制策略

最先應(yīng)用于Z源逆變器的調(diào)制策略是簡單升壓調(diào)制策略，如圖3。直通狀態(tài)的插入方法如下：使用兩條大于正弦波調(diào)制信號的直流電壓，分別設(shè)定為p、n，兩者的絕對值相等，當三角波高于上包絡(luò)線p或者低于下包絡(luò)線n時，實現(xiàn)直通的插入。設(shè)調(diào)制比為：正弦調(diào)制波峰值/三角載波峰值。這樣直通狀態(tài)在每個周期都是固定的時間，并且直通占空比的最大值為1-。

由文獻[4]可知開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器的電壓增益為：

圖3 簡單升壓調(diào)制策略

根據(jù)式（9）、式（11）可知，在同等的電壓增益下，減小調(diào)制比必然會使升壓因子增加，根據(jù)式（10）可知升壓因子的增加會引起直流母線電壓升高，造成逆變橋開關(guān)器件應(yīng)力大的問題。由圖3可看出直通狀態(tài)被注入到零矢量狀態(tài)的正中位置，開關(guān)頻率明顯提高，使得電感電流脈動大并增加了開關(guān)損耗。

3 SVPWM調(diào)制策略

SVPWM作為一種新型的矢量控制技術(shù)，具有電壓利用率高、輸出諧波少、控制方法簡單等優(yōu)點。該調(diào)制技術(shù)是利用6個開關(guān)管以一定的方式開通關(guān)斷，形成8種電壓空間矢量，即：100、110、010、011、001、101、111、000（上橋臂開關(guān)管“開”時，開關(guān)狀態(tài)為1；下橋臂開關(guān)管“開”時，開關(guān)狀態(tài)為0）。利用這8種電壓空間矢量的線性組合可以獲得各種新的電壓矢量。與SPWM控制方法相比，具有動態(tài)響應(yīng)快、波動小的特點。傳統(tǒng)VSI的SVPWM矢量圖如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)VSI的SVPWM矢量圖

由式（13）可知，最小的零矢量時間為：

經(jīng)過以上分析，在選定了合適的直通時間后，利用SVPWM調(diào)制策略對開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器進行控制。圖5所示為SVPWM第一扇區(qū)一個開關(guān)周期的控制信號，該控制是在每個橋臂上下開關(guān)器件換流期間將直通矢量平均分配在每條橋臂中。圖5中陰影部分即為直通的時刻，一個周期里有6次這樣的開關(guān)狀態(tài)，從而把直通零矢量時間分為6份。對這種直通插入方式，其存在的零矢量最大轉(zhuǎn)化為上橋臂開關(guān)狀態(tài){111}全部占滿，通過圖5可列等式(-0)/2=0/3，就是說最大能將3/5的轉(zhuǎn)化為直通時間。根據(jù)以上分析可得最大直通占空比為：

圖5 SVPWM一個開關(guān)周期的控制信號

下面對簡單升壓調(diào)制策略和SVPWM調(diào)制策略的各方面進行分析：在開關(guān)頻率方面，簡單升壓調(diào)制策略每個開關(guān)管在一個周期切換了四次，而SVPWM調(diào)制策略每個開關(guān)管在一個周期切換了兩次，僅是前者的一半；在電感電流紋波方面，簡單升壓調(diào)制策略在一個載波周期中有兩次直通，SVPWM調(diào)制策略在一個載波周期中有六個直通狀態(tài)，SVPWM調(diào)制策略的電感電流紋波是簡單升壓調(diào)制策略的三分之一；電氣應(yīng)力方面，零矢量時間最大化地轉(zhuǎn)化為直通矢量時間，從而將升壓因子降到最低，減小了開關(guān)器件的電氣應(yīng)力。

4 仿真結(jié)果分析

本文以Matlab/Simulink為仿真平臺，搭建了開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器的仿真模型。仿真參數(shù)如下：開關(guān)電感型Quasi-Z源網(wǎng)絡(luò)，1=2=3=1 mH，1=2=33μF；交流側(cè)電感=0.5H，=33μF；輸入直流電壓為300 V，輸出交流峰值電壓為160 V，頻率為50 Hz，輸出功率為500W，開關(guān)頻率為1 kHz。在以上相同參數(shù)的情況下將簡單升壓調(diào)制和SVPWM調(diào)制策略進行了仿真對比。如圖6、圖7所示，dc為直流母線電壓；1為Quasi-Z源網(wǎng)絡(luò)電容1電壓；1為Quasi-Z源網(wǎng)絡(luò)電感1電流；為輸出濾波后三相相電壓。

圖6 簡單升壓調(diào)制

圖7 SVPWM調(diào)制策略

處于穩(wěn)態(tài)后，簡單升壓調(diào)制策略直流母線電壓維持在472 V左右，Quasi-Z源網(wǎng)絡(luò)電容C1電壓基本穩(wěn)定在367 V，Quasi-Z源網(wǎng)絡(luò)電感1電流為2.8 A，調(diào)制度=0.88；SVPWM調(diào)制策略直流母線電壓維持在375 V左右，Quasi-Z源網(wǎng)絡(luò)電容1電壓基本穩(wěn)定在328 V，Quasi-Z源網(wǎng)絡(luò)電感1電流為1.7 A，調(diào)制度=0.93。經(jīng)比較，可知直流母線電壓降低了97 V，電容電壓應(yīng)力減少39 V，調(diào)制比有所增加。由此可看出，在元器件參數(shù)相同并且輸入電壓、輸出電壓、輸出功率相同的情況下，SVPWM調(diào)制策略能夠降低開關(guān)器件的電氣應(yīng)力，提高直流母線電壓利用率并獲得更高的調(diào)制度。

5 結(jié)論

基于簡單升壓調(diào)制策略的開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器存在開關(guān)電氣應(yīng)力大、直流母線電壓高以及電感電流脈動大的缺陷，本文將SVPWM調(diào)制策略應(yīng)用于開關(guān)電感型Quasi-Z源逆變器。該策略具有以下優(yōu)點：（1）降低了開關(guān)頻率，進而減少了開關(guān)損耗，可用于載波頻率較高的場合；（2）減少了開關(guān)器件應(yīng)力，降低了直流母線電壓，提高了直流母線電壓利用率；（3）增大調(diào)制度；（4）增加了每個周期的直通次數(shù)，電感的充電頻率有所增加。

[1]PENG F Z.Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2003,39(2):504-510.

[2]PENG FZ,SHENM S,QIAN ZM.Maximum boost control of theZ-source inverter[J].IEEE Trans Power Electron,2005,20(4): 833-838.

[3]SHEN M S，WANG J，PENG F Z.Maximum constantboost control of the Z-source inverter[C]//Proceedingsof IEEE Industry Application Society AnnualMeeting.Piscataway:IEEE,2004:142-147.

[4]侯世英，肖旭，張闖，等.改進型Z逆變器[J].電力自動化設(shè)備，2011，31(8)：24-28.

Simulation study of sw itched-inductor Quasi-Z-source inverter SVPWM modulation strategy

WU Xiao-di,LIANG Zhan-hong,TAO Rui

For sw itched-inductor Quasi-Z-source inverter,simulation study on SVPWM modulation strategy was carried on through Matlab/Simulink simulation p latform.Simulation results show that compared with simple boost modulation strategy,the SVPWM modulation strategy has the advantages of low sw itching frequency,small DC bus voltage and largemodulation level,im proving the utilization of DC bus voltage.

switched-inductor Quasi-Z-source inverter;SVPWM;inverter;simp le boostmodulation

TM 464

A

1002-087 X(2014)05-0924-03

2013-10-25

鄭州大學(xué)研究生科學(xué)研究基金資助項目(11L00604)

吳曉迪(1989—)，女，河南省人，碩士研究生，主要研究方向為光伏發(fā)電。