開關電感型Quasi-Z源逆變器SVPWM調制策略仿真研究

吳曉迪，梁占紅，陶瑞

（鄭州大學電氣工程學院，河南 鄭州 450001）

開關電感型Quasi-Z源逆變器SVPWM調制策略仿真研究

吳曉迪，梁占紅，陶瑞

（鄭州大學電氣工程學院，河南 鄭州 450001）

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

開關電感型Quasi-Z源逆變器；空間矢量脈寬調制；逆變器；簡單升壓調制

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，逆變器作為能量轉換過程中的一個主要環(huán)節(jié)，已經成為研究的熱點。Z源逆變器自提出后就得到了極大的關注。該拓撲在輸入電源和逆變器之間加入Z源網絡結構，利用橋臂直通升壓，不需要加入直通時間，降低了控制復雜度，克服了傳統逆變器的缺點，提高了逆變器的抗干擾性。開關電感Quasi-Z源逆變器是在開關電感型Z源逆變器的基礎上提出的新型Z源逆變器，與后者相比，Quasi-Z網絡減少了無源器件的個數，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力。

調制策略方面，為了實現升壓，Z源逆變器需要注入直通狀態(tài)。文獻[1]提出的簡單升壓調制最先應用于Z源逆變器，該調制策略實現簡單，但是存在電感電流脈動大、直流母線電壓高、開關器件電氣應力大等缺點；文獻[2]提出的最大升壓調制策略解決了簡單升壓調制開關器件電氣應力大的缺點，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制策略相比于簡單升壓調制策略，減小了電壓應力，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制(SVPWM)策略應用于開關電感Quasi-Z源逆變器。該策略可有效降低開關頻率，減小逆變器直流母線電壓，增大逆變器調制度，提高直流母線電壓利用率。仿真結果證實了SVPWM調制策略的有效性。

1 開關電感型Quasi-Z源逆變器結構及其工作原理

開關電感型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關斷，2和3導通，如圖2(a)，這樣就會使電感2和3并聯，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 開關電感型Quasi-Z源逆變器電路拓撲

圖2 開關電感型Quasi-Z源逆變器的工作狀態(tài)

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

2 簡單升壓調制策略

最先應用于Z源逆變器的調制策略是簡單升壓調制策略，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制信號的直流電壓，分別設定為p、n，兩者的絕對值相等，當三角波高于上包絡線p或者低于下包絡線n時，實現直通的插入。設調制比為：正弦調制波峰值/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]可知開關電感型Quasi-Z源逆變器的電壓增益為：

圖3 簡單升壓調制策略

根據式（9）、式（11）可知，在同等的電壓增益下，減小調制比必然會使升壓因子增加，根據式（10）可知升壓因子的增加會引起直流母線電壓升高，造成逆變橋開關器件應力大的問題。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，開關頻率明顯提高，使得電感電流脈動大并增加了開關損耗。

3 SVPWM調制策略

SVPWM作為一種新型的矢量控制技術，具有電壓利用率高、輸出諧波少、控制方法簡單等優(yōu)點。該調制技術是利用6個開關管以一定的方式開通關斷，形成8種電壓空間矢量，即：100、110、010、011、001、101、111、000（上橋臂開關管“開”時，開關狀態(tài)為1；下橋臂開關管“開”時，開關狀態(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)響應快、波動小的特點。傳統VSI的SVPWM矢量圖如圖4所示。

圖4 傳統VSI的SVPWM矢量圖

由式（13）可知，最小的零矢量時間為：

經過以上分析，在選定了合適的直通時間后，利用SVPWM調制策略對開關電感型Quasi-Z源逆變器進行控制。圖5所示為SVPWM第一扇區(qū)一個開關周期的控制信號，該控制是在每個橋臂上下開關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化為上橋臂開關狀態(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的轉化為直通時間。根據以上分析可得最大直通占空比為：

圖5 SVPWM一個開關周期的控制信號

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

4 仿真結果分析

本文以Matlab/Simulink為仿真平臺，搭建了開關電感型Quasi-Z源逆變器的仿真模型。仿真參數如下：開關電感型Quasi-Z源網絡，1=2=3=1 mH，1=2=33μF；交流側電感=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，開關頻率為1 kHz。在以上相同參數的情況下將簡單升壓調制和SVPWM調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源網絡電容1電壓；1為Quasi-Z源網絡電感1電流；為輸出濾波后三相相電壓。

圖6 簡單升壓調制

圖7 SVPWM調制策略

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

5 結論

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

鄭州大學研究生科學研究基金資助項目(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。