郭允豐，莊圣賢，賀永平

?

三相準Z源并網(wǎng)逆變器的PWAM控制研究

郭允豐，莊圣賢，賀永平

（西南交通大學電氣工程學院，成都610031）

摘要：分析了脈沖寬度幅值調(diào)制PWAM（pulse width amplitude modulation）的工作原理，結(jié)合最大化直通零矢量控制，提出一種適用于PWAM調(diào)制下的輸入電壓前饋、輸出電壓反饋的直流鏈峰值電壓控制策略，引入的PWAM調(diào)制減少了開關(guān)頻率，降低了開關(guān)損耗，設(shè)計的基于dq坐標系的電流解耦控制保證了逆變器以單位功率向電網(wǎng)輸送能量，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在輸入電壓、輸出電壓和并網(wǎng)電流突變的情況下，系統(tǒng)動態(tài)性能良好。仿真結(jié)果驗證了控制方法的正確性。

關(guān)鍵詞：準Z源逆變器；最大化直通零矢量控制；PWAM；解耦控制

引言

隨著能源危機的日益加深，以風能、太陽能、燃料電池等為代表的新能源發(fā)電技術(shù)受到越來越多的關(guān)注［1-2］。并網(wǎng)逆變器作為新能源發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，更是成為關(guān)注的焦點。相對于兩級和多級逆變器，單級并網(wǎng)逆變器以其電路結(jié)構(gòu)和控制方法簡單、效率較高、成本較低等優(yōu)點成為新能源并網(wǎng)領(lǐng)域的一個研究熱點［3-4］。其中，準Z源逆變器以其獨特的阻抗網(wǎng)絡(luò)，具有輸入電流連續(xù)、單級升/降壓功能、允許橋臂直通等特點，受到廣泛應(yīng)用［5-6］。但是，由于直通矢量的加入，使得開關(guān)頻率增加，相應(yīng)的開關(guān)損耗也增加了。文獻［7-8］提出一種新的逆變器調(diào)制方法脈沖寬度幅值調(diào)制PWAM （pulse width amplitude modulation），可以減少開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損耗，及減小直流側(cè)的電容取值；文獻［9-10］將PWAM調(diào)制應(yīng)用到電動車的電機驅(qū)動中，開關(guān)損耗至少減少50%；文獻［11］把PWAM調(diào)制和最大恒定直通結(jié)合起來，應(yīng)用到準Z源矩陣變換器中；文獻［12］提出了準Z源級聯(lián)多電平光伏逆變器的移相PWAM控制，取得了較好的效果。穩(wěn)定的直流鏈峰值電壓給逆變器提供了一個相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有利于簡化逆變器側(cè)的設(shè)計，并且減小了器件的電壓應(yīng)力。為此，文獻［13］提出了基于模糊PID的直流鏈峰值電壓控制；文獻［14］提出了以電感電流誤差、電容電壓誤差和電容電壓積分為狀態(tài)變量的直流鏈電壓滑模控制器，控制相對復(fù)雜；文獻［15-16］通過引入檢測電路測量直流鏈電壓，提高了控制精度，但是這些控制方法都是基于傳統(tǒng)脈寬調(diào)制提出的，不適用于PWAM調(diào)制中。

本文在分析了PWAM調(diào)制以及最大化直通零矢量控制的基礎(chǔ)上，提出一種適用于PWAM調(diào)制的輸入電壓前饋、輸出電壓反饋的直流鏈峰值電壓控制，該控制策略結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)的動態(tài)性能較好。引入的PWAM調(diào)制降低了開關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)的功率密度。

1　準Z源逆變器及PWAM調(diào)制

1.1準Z源逆變器及最大化直通零矢量控制

圖1為準Z源逆變器的主電路拓撲。圖中Uin為輸入電壓，ugabc為三相電網(wǎng)電壓，L1、L2和C1、C2分別為準Z網(wǎng)絡(luò)電感和電容，Lf、Lg分別為逆變器側(cè)和網(wǎng)側(cè)電感，Cf為濾波電容，Rcf為電阻。

通過對準Z源逆變電路有效狀態(tài)和直通狀態(tài)進行分析，得到準Z源逆變器的直流側(cè)峰值電壓Upn與直流電壓源Uin之間的關(guān)系［5］為

式中：D0為直通占空比；B為逆變器的升壓因子。

SPWM最大化直通零矢量控制的原理是當三角載波大于三相調(diào)制波最大值或者小于三相調(diào)制波最小值時，橋臂直通，并且直通零矢量的作用時間以π/3為周期重復(fù)。當開關(guān)頻率遠大于基波頻率時，直通矢量在（π/6，π/2）內(nèi)的平均占空比［17］為

式中：m為調(diào)制因子。

由（2）式可以看出，在最大化直通零矢量控制中，平均占空比只與調(diào)制波的調(diào)制因子有關(guān)系，并且平均占空比隨調(diào)制因子的變化而單調(diào)變化。

結(jié)合式（1）和式（2）可得逆變器的升壓因子與調(diào)制因子之間的關(guān)系為

1.2脈沖寬度幅值調(diào)制PWAM原理

圖2給出了PWAM的原理，Sap、Sbp、Scp分別代表a、b、c相3個橋臂的上開關(guān)管，San、Sbn、Scn分別代表a、b、c相3個橋臂的下開關(guān)管，“1”表示導(dǎo)通，“0”表示關(guān)斷，“*”表示進行PWM動作。假如Va＞Vb＞Vc，即a相電壓最大，c相電壓最小，此時a相橋臂的上開關(guān)管一直導(dǎo)通，c相橋臂的上開關(guān)管一直關(guān)斷，只有b相橋臂在進行脈寬動作。所以在每一個載波周期，只有一個橋臂的開關(guān)管作開關(guān)動作。對應(yīng)于Va＞Vb＞Vc，等效電路如圖3所示，此時逆變器輸出的線電壓Vac等于直流母線電壓，a相的相電壓峰值與直流母線電壓之間是倍的關(guān)系。

圖2　PWAM原理Fig.2 Schematic of PWAM

圖3　Va＞Vb＞Vc時的等效電路Fig.3 Equivalent circuit when Va＞Vb＞Vc

2　控制策略

2.1輸入電壓前饋、輸出電壓反饋的直流鏈峰值電壓控制

在傳統(tǒng)的SPWM中，直通矢量插入到傳統(tǒng)的零矢量中，所以直流鏈峰值電壓的控制與逆變器的輸出是相對獨立的，插入的直通零矢量對逆變器的輸出不產(chǎn)生影響，但是在PWAM中情況有所不同，PWAM不存在傳統(tǒng)的零矢量，插入的直通零矢量直接占用有效矢量的作用時間。若插入的平均直通占空比為D0，輸出相電壓的峰值為Vo，則有

結(jié)合式（1）、式（3）、式（4），可以得到直流鏈峰值電壓采用最大化直通零矢量控制、逆變器采用PWAM調(diào)制時，調(diào)制因子與輸入電壓、輸出電壓之間的關(guān)系，即

需要指出的是這里的調(diào)制因子是最大化直通零矢量控制對應(yīng)的調(diào)制波的調(diào)制因子，與逆變器的調(diào)制因子不同。式（5）反映了調(diào)制因子與輸入電壓、輸出電壓之間的關(guān)系，當輸入電壓和輸出電壓確定以后，調(diào)制度m也唯一確定，所以只要控制調(diào)制因子，就可以得到穩(wěn)定的直流鏈峰值電壓。

根據(jù)式（5），當電網(wǎng)電壓一定時，輸入電壓與調(diào)制因子的關(guān)系如圖4所示。由圖可見，隨著輸入電壓的增大，調(diào)制因子增大。圖5為調(diào)制因子與直流鏈峰值電壓間的關(guān)系，當輸入電壓一定時，調(diào)制因子增大，直流鏈峰值電壓減小。結(jié)合圖（4）、圖（5）知，當輸入電壓很低時，直流鏈峰值電壓會比較大，輸入電壓在300 V至400 V左右時，逆變器能夠工作在較好的工作狀態(tài)。

圖4　輸入電壓與調(diào)制因子的關(guān)系Fig.4 Relationship between input voltage and modulation factor

圖5　調(diào)制因子與直流鏈峰值電壓間的關(guān)系Fig.5 Relationship between modulation factor and DC link peak voltage

2.2電流解耦控制

由于LCL濾波器的低頻特性與L濾波器相似，所以并網(wǎng)方案可采用L型并網(wǎng)逆變器的控制方法［18］，得系統(tǒng)在d-q坐標系下的狀態(tài)方程為

式中：L=Lf+Lg；ug為電網(wǎng)電壓；ii為逆變器側(cè)電流；帶d、q下標的量分別為對應(yīng)狀態(tài)變量的d軸分量和q軸分量；ωg為電網(wǎng)角頻率。

反饋量選取的是逆變器側(cè)電流，LCL濾波器中的容性無功會使并網(wǎng)電流的相位滯后于電網(wǎng)電壓，無法實現(xiàn)以單位功率因數(shù)向電網(wǎng)傳輸能量，因此需要對其進行補償，補償無功電流Δiq的計算公式為

逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)采用PI控制，則對應(yīng)的系統(tǒng)控制方程為

式中：KiP、KiI分別為逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器對應(yīng)的比例系數(shù)、積分系數(shù)；iiq*、iid*為期望電流的q軸、d軸分量。

直流鏈輸入電壓前饋、輸出電壓反饋控制以及基于PWAM調(diào)制的逆變器側(cè)電流解耦控制框圖如圖6所示。

圖6　準Z源并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)控制框圖Fig.6 Control block diagram of quasi-Z-source grid-connected inverter system

3　仿真分析

為驗證所提控制方法的正確性，利用Matlab軟件搭建6 kW準Z源并網(wǎng)逆變器的仿真模型，電路參數(shù)如表1所示。

表1　準Z源并網(wǎng)逆變器參數(shù)Tab.1 Parameters of Quasi-Z-sourcegrid-connected inverter

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的仿真波形如圖7所示。由圖可見，直流鏈電壓峰值穩(wěn)定在680 V左右，并網(wǎng)電流峰值13 A，經(jīng)FFT分析知總諧波失真THD為2.04%。圖8為電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流放大20倍后的波形，從圖中可以看出電壓電流同相，逆變器以單位功率因數(shù)運行。

圖7　穩(wěn)態(tài)時仿真波形Fig.7 Simulation waveforms at steady state

圖8　電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流放大20倍波形Fig.8 Waveforms of grid voltage and 20 times Current

在0.2 s時輸入電壓由400 V降到350 V，仿真波形如圖9所示。由（5）式可知，調(diào)制因子減小，直通占空比增加，這里與傳統(tǒng)PWM調(diào)制不同點在于，在傳統(tǒng)的PWM調(diào)制中，直通占空比對輸出沒有影響，直通占空比的增加是為了維持直流鏈峰值電壓的穩(wěn)定，而在PWAM調(diào)制中，當電網(wǎng)電壓不變，直通占空比增加，則需要直流鏈電壓Upn也要增大。并且從圖中可以看出直流鏈電壓和并網(wǎng)電流經(jīng)短暫過渡，很快達到新的平衡。

圖9　輸入電壓突變仿真波形Fig.9 Simulation waveforms when input voltage chops

電網(wǎng)電壓降低時的仿真波形如圖10所示，0.2 s電網(wǎng)相電壓峰值跌落到280 V，Upn電壓增加，并網(wǎng)電流經(jīng)過極小的波動后，能很快達到新的平衡。

圖10　電網(wǎng)電壓降低仿真波形Fig.10 Simulation waveforms when grid voltage chops

圖11為并網(wǎng)電流突變時的仿真波形，從圖中可以看出，由于輸入電壓和電網(wǎng)電壓不變，直流鏈峰值電壓穩(wěn)定不變，并網(wǎng)電流能夠迅速達到新的穩(wěn)態(tài)。

圖11　并網(wǎng)電流突變仿真波形Fig.11 Simulation waveforms when grid current chops

4　結(jié)語

本文在三相準Z源并網(wǎng)逆變器中引入了可以減小開關(guān)損耗的PWAM調(diào)制，并且提出了一種適用于PWAM調(diào)制的輸入電壓前饋、輸出電壓反饋的直流鏈峰值電壓控制策略，得到了穩(wěn)定的直流鏈電壓。逆變器側(cè)電流解耦控制使得逆變器以單位功率向電網(wǎng)輸送電能，系統(tǒng)動態(tài)性能良好。仿真結(jié)果驗證了所提控制方法的正確性。

參考文獻：

［1］國家能源局.分布式發(fā)電有望實現(xiàn)整作推進［EB/OL］. （2013-08-22）http：//www.nea.gov.cn/2013-08/22/c_13265 2917.htm.

［2］Blaabjerg F，Teodorescu R，Liserre M，et al．Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（5）：1398-1409.

［3］黃瑞哲，陳道煉.儲能電容電壓輸出電流雙環(huán)控制準Z源逆變器［J］.電力電子技術(shù)，2015，49（2）：12-15. Huang Ruizhe，Chen Daolian. Quasi Z-source inverter based on dual-loop control of energy storage capacitor voltage output current［J］. Power Electronics，2015，49（2）：12-15（in Chinese）.

［4］黃瑞哲，陳道煉，許志龍.新穎的單相電壓型準Z源逆變器［J］.電工技術(shù)學報，2015，30（16）：33-41. Huang Ruizhe，Chen Daolian，Xu Zhilong. A novel single phase voltage mode quasi-Z-source inverter［J］. Transaction of China Electrotechnical Society，2015，30（16）：33-41（in Chinese）.

［5］夏鯤，朱琳玲，曾彥能，等.基于準Z源網(wǎng)絡(luò)的永磁無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法［J］.中國電機工程學報，2014，34（4）：1-8. Xia Kun，Zhu Linling，Zeng Yanneng，et al. Researches on the method of suppressing commutation torque ripple for brushless DC motors based on a quasi-Z-source net［J］. Proceedings of the CSEE，2014，34（4）：1-8（in Chinese）.

［6］孫向東，任碧瑩，楊惠，等.準Z源單相逆變系統(tǒng)研究［J］.電力電子技術(shù)，2014，48（6）：59-61. Sun Xiangdong，Ren Biying，Yang Hui，et al. Research on a quasi-Z-source single-phase inverter system［J］. Power Electronics，2014，48（6）：59-61（in Chinese）.

［7］Fujita H. A three-phase voltage-source solar power conditioner using a single-phase PWM control method［J］. IEEE Energy Conversion Congress & Exposition，2009：3748-3754.

［8］Fujita H. Switching loss analysis of a three-phase solar power conditioner using a single-phase PWM control method［J］. IEEE Energy Conversion Congress & Exposition，2010：618-623.

［9］Yu X，Lei Q，Peng F Z. Boost converter-inverter system using PWAM for HEV/EV motor drive［J］. IEEE Applied Power Electronics Conference & Exposition，2012：946-950.

［10］Liu Y，Peng F Z. Fast control of PWAM boost-converterinverter system for HEV/EV motor drives［J］. IEEE Applied Power Electronics Conference & Exposition，2014：2446 -2452.

［11］Lei Q，Peng F Z，Ge B M. Pulse-width-amplitude-modulated voltage-fed quasi-Z-source direct matrix converter with maximum constant boost［J］. 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference & Exposition，2012：641-646.

［12］劉鈺山.準Z源級聯(lián)多電平光伏逆變器控制方法的研究［D］.北京：北京交通大學，2014. Liu Yushan.Research on Control Method for Quasi-ZSource Cascade Multilevel Photovoltaic Inverter［D］. Beijing：Beijing Jiaotong University，2014（in Chinese）.

［13］丁新平，錢照明，催彬，等.基于模糊PID的Z源逆變器直流鏈升壓電路控制［J］.中國電機工程學報，2008，28 （24）：31-38. Ding Xinping，Qian Zhaoming，Cui Bin，et al. Fuzzy PID controller for DC-link boost voltage in Z-source inverter［J］. Proceedings of the CSEE，2008，28（24）：31-38（in Chinese）.

［14］王曉剛，肖立業(yè). Z源逆變器直流鏈電壓滑?？刂蒲芯浚跩］.電機與控制學報，2015，19（2）：1-6. Wang Xiaogang，Xiao Liye. Sliding mode control for DC-link voltage of Z-source inverter［J］. Electric Machines and Control，2015，19（2）：1-6（in Chinese）.

［15］蔡春偉，曲延濱，盛況.增強型Z源逆變器的直流鏈電壓直接控制策略［J］.電機與控制學報，2012，16（5）：73-85. Cai Chunwei，Qu Yanbin，Sheng Kuang. DC-link voltage direct control strategy of enhanced Z-source inverters［J］. Electric Machines and Control，2012，16（5）：73-85（in Chinese）.

［16］李林林，湯雨，謝少軍，等.一種新穎的Z源逆變器直流鏈峰值電壓控制策略［J］.南京航空航天大學學報，2014，46 （1）：72-77. Li Linlin，Tang Yu，Xie Shaojun，et al. New peak DC-Link voltage control strategy of Z-Source inverters［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2014，46 （1）：72-77（in Chinese）.

［17］顧斌. Z源逆變器控制方法的研究［D］.杭州：浙江大學，2005. Gu Bin. Research of Control strategies for Z-scouce Invert-

er［D］. Hangzhou：Zhejiang University，2005（in Chinese）. ［18］姚志壘，肖嵐，陳良亮.三相SVPWM并網(wǎng)逆變器的改進

解耦控制方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，36（20）：99-

103.

Yao Zhilei，Xiao Lan，Chen Liangliang. An improved de

coupling control method for three-phase grid-connected in

verters with SVPWM［J］. Automation of Electric Power Sys

tems，2012，36（20）：99-103（in Chinese）.

郭允豐

Research on PWAM Control of Three-phase Grid Connected Quasi-Z Source Inverter

GUO Yunfeng，ZHUANG Shengxian，HE Yongping
（School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract：The principle of pulse width amplitude modulation（PWAM）is analyzed. Combining of the maximum straight zero vector control，an input voltage feed-forward and output voltage feedback control strategy is proposed which is used to control the DC link peak voltage with the PWAM appling in the quasi-Z-source inverter. The PWAM can reduce the switching frequency and the losses. The current decoupling control which is based on dq coordinate ensures that the inverter delivery energy to the grid with unit power. The control system is simple and the dynamic performance is good in the case of the input voltage，output voltage and grid connected current mutations. The simulation results verify the validity of the control method.

Keywords:quasi-Z-source inverter；maximum straight zero vector control；pulse width amplitude modulation（PWAM）；decoupling control

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．2．89中圖分類號：TM 464

文獻標志碼：A

收稿日期：2015-11-12

作者簡介：

郭允豐（1991-），男，碩士研究生，研究方向：逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)，E-mail：gyf90 0630@163.com。

莊圣賢（1964-），男，通信作者，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子系統(tǒng)與新能源電力變換，電機其調(diào)速控制技術(shù)，E-mail：zhuangsx@sina.com。

賀永平（1991-），男，碩士研究生，研究方向：逆變器并網(wǎng)技術(shù)、有源電力濾波器，E-mail：1016245482@qq.com。