劉潔 魏金成 伍林

The Research of the Three Phase Z-Source Inverter Based on the Method in Delay

School of Electronic Information and Electrical Engineering，Xihua University ?LIU Jie ?WEI Jin Cheng ?WU Lin

【摘要】傳統(tǒng)的三相電壓型逆變器的輸出總是小于輸入，想要得到一個(gè)大的輸出的話就必須要外接一個(gè)升壓電路，這會(huì)造成成本的增加。Z源逆變器的提出能夠有效的解決這個(gè)問題，z源逆變器作為一個(gè)可以自由控制升、降壓范圍的單級(jí)式的逆變模型，具有簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高效的利用率和系統(tǒng)的可靠性等特點(diǎn)，目前正被廣泛的應(yīng)用到各種新能源系統(tǒng)中。本文通過對(duì)Z源逆變器電路工作原理進(jìn)行分析，在正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（SPWM控制）的基礎(chǔ)上提出了延時(shí)控制方式，在保持所有上橋臂導(dǎo)通時(shí)間不變的情況下，對(duì)三個(gè)下橋臂的導(dǎo)通時(shí)間做一個(gè)延時(shí)滯后處理，利用延時(shí)產(chǎn)生的微小的時(shí)間差，獲得直通零矢量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)的目的。最后利用matlab仿真驗(yàn)證了Z源逆變器的加入能提高輸出電壓的大小，并且能夠很好的控制諧波畸變率。

【關(guān)鍵詞】Z源逆變器;SPWM控制;延時(shí)控制

Abstract：The result of traditional three-phase inverter can not gain a good condition，which the value of the voltage in the side of load is lower than the DC side.In order to get a well result，we can contact a boost model in the cicurt，absolutly，the way will arise the price.More and more paper proposed Z-source inverter to solve these problem，Z-source inverter is a single-stage inverter model which can make the circuit buck-boost.The simple topology，efficient utilization and system reliability ，those features make it being applied to a variety of new energy systems widely.The paper proposed the control methods of delay by analyzing the work principle，which is keeping the upper leg constant with the voltage of lower leg lag.So the relationship between the upper and the lower has been changed，in this way，a new vector has been product.we can chang the range of the output by the vector.Finaly，it is verified that the rationality of the Z-source based on Simulink.

Key words：Z-source inverter;SPWM control;delay control

引言

對(duì)三相逆變器的研究分析過程表明傳統(tǒng)的三相電壓型逆變器是一個(gè)降壓模式，輸出電壓總是小于輸入給定電壓，也就是說，得到的輸出電壓范圍是有限的。對(duì)于一些需要得到較大輸出電壓范圍的電能傳輸系統(tǒng)來說，常常需要在輸出側(cè)級(jí)聯(lián)一個(gè)升壓斬波器，從而實(shí)現(xiàn)升壓的目的，這樣的結(jié)果不僅會(huì)使系統(tǒng)的成本增加，開關(guān)損耗也會(huì)相應(yīng)的增加，而且還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的傳遞效率降低。同時(shí)由于電壓型逆變器與電流型逆變器主電路不能互換，造成了使用的局限性。傳統(tǒng)逆變器最大的問題是當(dāng)電磁干擾導(dǎo)致橋臂瞬時(shí)開路或短路時(shí)，會(huì)造成器件的損壞，可靠性較低[1-2]。正是由于這些缺點(diǎn)，Z源逆變器這種新型的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受到了越來越多的人關(guān)注，該模型在一定程度上克服了傳統(tǒng)電壓源和電流源逆變器的不足。

1.Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Z源逆變器較傳統(tǒng)逆變器而言，多了一個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)，它由等值的兩個(gè)電感L1，L2和電容C1，C2組成，接成X形，提供Z源，連接著電源與逆變器主電路。正是這一結(jié)構(gòu)，允許逆變橋臂瞬時(shí)開路和短路，由此實(shí)現(xiàn)主電路電壓的升、降調(diào)節(jié)。

圖1 Z源逆變器一般結(jié)構(gòu)

Z源逆變器的電源既可以是電壓源，也可以是電流源，與傳統(tǒng)的電壓源或電流源逆變器不同，Z源逆變器的直流電源可以是任意的，如電池，二極管整流器，晶閘管變流器，電感，電容器或者是它們的組合[3]。

Z源逆變器既可以工作于電壓型逆變器模式，也可以工作于以電流型逆變器模式情況下，考慮到實(shí)際應(yīng)用中電壓型的逆變器使用的較多，因此本文主要研究電壓型逆變器模式下的工作情況。輸入電源為電壓源，主電路為傳統(tǒng)的電壓源逆變器結(jié)構(gòu)，三相橋臂采用開關(guān)器件和二極管反并聯(lián)的組合，負(fù)載為感性。

利用兩個(gè)電感和兩電容組成的Z網(wǎng)絡(luò)使得逆變機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)單級(jí)的升降壓過程，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，允許橋臂的上下開關(guān)管直通且無死區(qū)時(shí)間，增強(qiáng)了逆變器的電壓利用率和抗干擾能力。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使得Z源逆變器在燃料電池，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等新能源領(lǐng)域有較大的應(yīng)用價(jià)值。

2.Z源逆變器工作原理

Z源逆變器的升壓主要是通過Z網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓的作用實(shí)現(xiàn)的，首先輸入的直流電壓在逆變橋臂的高頻開斷的作用下對(duì)電容充電，使電容升壓，再由電容和電感諧振配合作用下提升逆變橋的輸入電壓;伴隨著高頻開關(guān)管的開通與關(guān)斷，對(duì)電容的不斷充放電過程，使得電壓升成為可能，因此電容電壓的質(zhì)量直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的質(zhì)量[4-6]。

Z源網(wǎng)絡(luò)的電容電壓同樣也受到輸出交流電壓的影響，若要求輸出交流電壓比較高，相應(yīng)的該電容的直流電壓也比較高，它們之間存在以下關(guān)系：

（1）

上式表明電容電壓與輸出電壓成線性關(guān)系。

根據(jù)基本公式：

（2）

簡(jiǎn)單控制的方式下，計(jì)逆變器一個(gè)開關(guān)周期為TS，一個(gè)短路零矢量的時(shí)間為：

（3）

最后考慮到電容的電壓波動(dòng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓比值為：

（4）

所以最終的電容確定為：

（5）

3.Z源逆變器的控制方式

基于連續(xù)模式下的傳統(tǒng)電壓型逆變器的正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM控制）是在一個(gè)采樣周期中由兩個(gè)相鄰的有效工作狀態(tài)和兩個(gè)零矢量狀態(tài)配合完成的。而Z源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的加入相應(yīng)的SPWM控制的方式也隨之改變，傳統(tǒng)的逆變器有八個(gè)矢量狀態(tài)，其中六個(gè)是有效矢量狀態(tài)，兩個(gè)零矢量狀態(tài)，而Z源逆變器有九個(gè)矢量狀態(tài)，與傳統(tǒng)逆變器比較，Z源逆變器多了一個(gè)直通零矢量，即任一橋臂的上下開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的情況，這在傳統(tǒng)逆變方式中是絕對(duì)不允許出現(xiàn)的。調(diào)節(jié)Z源逆變器的電壓變化主要就是通過這多出的直通零矢量來實(shí)現(xiàn)的，而直通零矢量的加入有多種方式，目前主要的有部分或全部替代傳統(tǒng)的零矢量狀態(tài)方式來實(shí)現(xiàn)Z源逆變器特有的升壓功能。

3.1 SPWM調(diào)制分析

文獻(xiàn)[7]通過對(duì)幾種不同的PWM控制方式的比較，側(cè)重分析了一種采用將直通零矢量加在傳統(tǒng)零矢量?jī)蓚?cè)的控制方式，即將直通零矢量平均分配在開關(guān)換流時(shí)刻，結(jié)果顯示并不會(huì)影響橋臂的正常工作狀態(tài)。

圖2 SPWM調(diào)制

如圖2所示，令調(diào)制信號(hào)為，將控制該調(diào)制信號(hào)上橋臂的導(dǎo)通時(shí)間增加，下橋臂的導(dǎo)通時(shí)間保持不變，增加的部分就是直通狀態(tài)的時(shí)間。

時(shí)間關(guān)系如下：

（6）

（7）

p，n分別表示橋臂的上下開關(guān)器件。

同時(shí)，另外的兩橋臂是通過保持上開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，增加下開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)直通零矢量的，即：

（8）

考慮到要增加某一橋臂的任意開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間存在一定的難度，涉及到要判斷調(diào)制信號(hào)的大小的問題，及對(duì)調(diào)制信號(hào)做出相應(yīng)的時(shí)間控制，靈活性不是很高，更重要的是隨著時(shí)間的變化，三相調(diào)制信號(hào)的大小也隨之變化，因此就要不停的切換以尋求最大的控制信號(hào)來判斷該哪個(gè)橋臂增加作用時(shí)間的問題，這些問題還有待商榷?；诖吮疚奶岢隽送ㄟ^延時(shí)的方法來引入直通零矢量的方法。

圖5 負(fù)載電流分析

圖6 負(fù)載線電壓分析

3.2 延時(shí)控制分析

延時(shí)控制的主要思想就是在保持所有上橋臂導(dǎo)通時(shí)間不變的情況的下，對(duì)三個(gè)下橋臂的導(dǎo)通時(shí)間做一個(gè)延時(shí)滯后處理，與傳統(tǒng)的控制方式比較，并沒有增加或者減少開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，只是使原來上下橋臂互補(bǔ)的關(guān)系發(fā)生了些許的變化。

如圖3所示，延時(shí)控制方法下生成的SPWM控制波形，與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單升壓控制和最大升壓控制模式比較，可以看出控制上下開關(guān)管作用的波形不存在上下互補(bǔ)的關(guān)系，有一定的錯(cuò)位，正是利用這一微小的時(shí)間差，引入了想得到的直通零矢量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓可調(diào)節(jié)的目的。

圖7 負(fù)載相電壓分析

圖8 負(fù)載線電壓分析

圖9 負(fù)載相電壓分析

假設(shè)Sp，Sn分別表示上下開關(guān)管，0、1分別表示開關(guān)管的關(guān)斷與導(dǎo)通狀態(tài)，隨機(jī)采樣圖3中的波形，列表可以看出直通零矢量存在的時(shí)間范圍，如表1所示。

觀測(cè)一個(gè)連續(xù)周期發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)傳統(tǒng)的零矢量作用時(shí)間范圍內(nèi)，三橋臂輪流依次直通，被均勻的分配在幾個(gè)非零矢量間，確保了輸出電壓連續(xù)的增加，保證了穩(wěn)定輸出結(jié)果。

4.仿真分析

圖5-7給出了延時(shí)控制下負(fù)載輸出電流，線電壓，相電壓的波形，并對(duì)其進(jìn)行了FFT分析，而圖8-9則是一般控制方式下負(fù)載輸出的線電壓和相電壓的情況，對(duì)比分析后結(jié)果表明通過延時(shí)控制下的Z源逆變器可以得到比較好的仿真結(jié)果，諧波畸變率也控制在了很小的范圍內(nèi)，達(dá)到了理想的狀態(tài)。為了進(jìn)一步減小畸變率，可以在后續(xù)模塊中引入濾波器的部分來減小諧波的含量，也可以通過進(jìn)一步完善Z源模塊的結(jié)構(gòu)及控制方式來減小畸變率，實(shí)現(xiàn)真正意義上的低成本，高效率。

5.結(jié)束語

本文通過分析SPWM控制方式，提出了Z源逆變器的延時(shí)控制模型，主要從定性的角度分析了延時(shí)控制的可靠性，利用matlab仿真軟件驗(yàn)證了該方法的可行性，后期的工作重點(diǎn)將會(huì)更加側(cè)重與定向的分析延遲時(shí)間長(zhǎng)短與輸出電壓大小及電容電壓應(yīng)力大小間的關(guān)系。

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作者簡(jiǎn)介：劉潔（1989—），碩士研究生，主要研究方向：Z源逆變器的研究。