开关电感型Quasi-Z源逆变器SVPWM调制策略仿真研究

吴晓迪，梁占红，陶瑞

（郑州大学电气工程学院，河南 郑州 450001）

开关电感型Quasi-Z源逆变器SVPWM调制策略仿真研究

吴晓迪，梁占红，陶瑞

（郑州大学电气工程学院，河南 郑州 450001）

针对开关电感型Quasi-Z源逆变器，采用Matlab/Simulink仿真平台对空间矢量脉宽调制(SVPWM)策略进行了仿真研究。仿真结果表明，与简单升压调制策略相比，SVPWM调制策略具有开关频率低、直流母线电压小、调制度较大等优点，可以提高直流母线电压的利用率。

开关电感型Quasi-Z源逆变器；空间矢量脉宽调制；逆变器；简单升压调制

在追求低碳社会的今天，新能源分布式发电得到了快速的发展，逆变器作为能量转换过程中的一个主要环节，已经成为研究的热点。Z源逆变器自提出后就得到了极大的关注。该拓扑在输入电源和逆变器之间加入Z源网络结构，利用桥臂直通升压，不需要加入直通时间，降低了控制复杂度，克服了传统逆变器的缺点，提高了逆变器的抗干扰性。开关电感Quasi-Z源逆变器是在开关电感型Z源逆变器的基础上提出的新型Z源逆变器，与后者相比，Quasi-Z网络减少了无源器件的个数，降低了电感、二极管电流，不仅能提供连续输入电流，消除浪涌电流，而且减少了电容电感的电气应力。

调制策略方面，为了实现升压，Z源逆变器需要注入直通状态。文献[1]提出的简单升压调制最先应用于Z源逆变器，该调制策略实现简单，但是存在电感电流脉动大、直流母线电压高、开关器件电气应力大等缺点；文献[2]提出的最大升压调制策略解决了简单升压调制开关器件电气应力大的缺点，但是会在电感电流上引入低频脉动；文献[3]提出的最大恒定升压调制策略相比于简单升压调制策略，减小了电压应力，但是并没对电感电流纹波进行深入分析。

为了解决上述问题，本文将空间矢量脉宽调制(SVPWM)策略应用于开关电感Quasi-Z源逆变器。该策略可有效降低开关频率，减小逆变器直流母线电压，增大逆变器调制度，提高直流母线电压利用率。仿真结果证实了SVPWM调制策略的有效性。

1 开关电感型Quasi-Z源逆变器结构及其工作原理

开关电感型Quasi-Z源逆变器电路拓扑如图1所示，它包括两个电容（1和2），三个电感（1，2和3）和四个二极管（in，1，2和3）。与Quasi-Z源逆变器相比，它用电感（2和3）和三个二极管（1，2和3）替代了原来的一个电感2，这样在启动时几乎没有电流流向主电路，可有效抑制浪涌电压。

为了方便分析，假定开关电感型Quasi-Z源逆变器的电感1=2=3，电容1=2。处于直通状态时，由于逆变桥短路，二极管1和in关断，2和3导通，如图2(a)，这样就会使电感2和3并联，此时电感1，2和3处于充电状态而电容1和2处于放电状态。电路的方程为：

图1 开关电感型Quasi-Z源逆变器电路拓扑

图2 开关电感型Quasi-Z源逆变器的工作状态

由伏秒平衡原理可知：在一个开关周期内，电感两端的电压对时间的积分为零。这里直通占空比设为，周期设为。将该原理应用于2和3，由式（2）和式（5）可得：

2 简单升压调制策略

最先应用于Z源逆变器的调制策略是简单升压调制策略，如图3。直通状态的插入方法如下：使用两条大于正弦波调制信号的直流电压，分别设定为p、n，两者的绝对值相等，当三角波高于上包络线p或者低于下包络线n时，实现直通的插入。设调制比为：正弦调制波峰值/三角载波峰值。这样直通状态在每个周期都是固定的时间，并且直通占空比的最大值为1-。

由文献[4]可知开关电感型Quasi-Z源逆变器的电压增益为：

图3 简单升压调制策略

根据式（9）、式（11）可知，在同等的电压增益下，减小调制比必然会使升压因子增加，根据式（10）可知升压因子的增加会引起直流母线电压升高，造成逆变桥开关器件应力大的问题。由图3可看出直通状态被注入到零矢量状态的正中位置，开关频率明显提高，使得电感电流脉动大并增加了开关损耗。

3 SVPWM调制策略

SVPWM作为一种新型的矢量控制技术，具有电压利用率高、输出谐波少、控制方法简单等优点。该调制技术是利用6个开关管以一定的方式开通关断，形成8种电压空间矢量，即：100、110、010、011、001、101、111、000（上桥臂开关管“开”时，开关状态为1；下桥臂开关管“开”时，开关状态为0）。利用这8种电压空间矢量的线性组合可以获得各种新的电压矢量。与SPWM控制方法相比，具有动态响应快、波动小的特点。传统VSI的SVPWM矢量图如图4所示。

图4 传统VSI的SVPWM矢量图

由式（13）可知，最小的零矢量时间为：

经过以上分析，在选定了合适的直通时间后，利用SVPWM调制策略对开关电感型Quasi-Z源逆变器进行控制。图5所示为SVPWM第一扇区一个开关周期的控制信号，该控制是在每个桥臂上下开关器件换流期间将直通矢量平均分配在每条桥臂中。图5中阴影部分即为直通的时刻，一个周期里有6次这样的开关状态，从而把直通零矢量时间分为6份。对这种直通插入方式，其存在的零矢量最大转化为上桥臂开关状态{111}全部占满，通过图5可列等式(-0)/2=0/3，就是说最大能将3/5的转化为直通时间。根据以上分析可得最大直通占空比为：

图5 SVPWM一个开关周期的控制信号

下面对简单升压调制策略和SVPWM调制策略的各方面进行分析：在开关频率方面，简单升压调制策略每个开关管在一个周期切换了四次，而SVPWM调制策略每个开关管在一个周期切换了两次，仅是前者的一半；在电感电流纹波方面，简单升压调制策略在一个载波周期中有两次直通，SVPWM调制策略在一个载波周期中有六个直通状态，SVPWM调制策略的电感电流纹波是简单升压调制策略的三分之一；电气应力方面，零矢量时间最大化地转化为直通矢量时间，从而将升压因子降到最低，减小了开关器件的电气应力。

4 仿真结果分析

本文以Matlab/Simulink为仿真平台，搭建了开关电感型Quasi-Z源逆变器的仿真模型。仿真参数如下：开关电感型Quasi-Z源网络，1=2=3=1 mH，1=2=33μF；交流侧电感=0.5H，=33μF；输入直流电压为300 V，输出交流峰值电压为160 V，频率为50 Hz，输出功率为500W，开关频率为1 kHz。在以上相同参数的情况下将简单升压调制和SVPWM调制策略进行了仿真对比。如图6、图7所示，dc为直流母线电压；1为Quasi-Z源网络电容1电压；1为Quasi-Z源网络电感1电流；为输出滤波后三相相电压。

图6 简单升压调制

图7 SVPWM调制策略

处于稳态后，简单升压调制策略直流母线电压维持在472 V左右，Quasi-Z源网络电容C1电压基本稳定在367 V，Quasi-Z源网络电感1电流为2.8 A，调制度=0.88；SVPWM调制策略直流母线电压维持在375 V左右，Quasi-Z源网络电容1电压基本稳定在328 V，Quasi-Z源网络电感1电流为1.7 A，调制度=0.93。经比较，可知直流母线电压降低了97 V，电容电压应力减少39 V，调制比有所增加。由此可看出，在元器件参数相同并且输入电压、输出电压、输出功率相同的情况下，SVPWM调制策略能够降低开关器件的电气应力，提高直流母线电压利用率并获得更高的调制度。

5 结论

基于简单升压调制策略的开关电感型Quasi-Z源逆变器存在开关电气应力大、直流母线电压高以及电感电流脉动大的缺陷，本文将SVPWM调制策略应用于开关电感型Quasi-Z源逆变器。该策略具有以下优点：（1）降低了开关频率，进而减少了开关损耗，可用于载波频率较高的场合；（2）减少了开关器件应力，降低了直流母线电压，提高了直流母线电压利用率；（3）增大调制度；（4）增加了每个周期的直通次数，电感的充电频率有所增加。

[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，张闯，等.改进型Z逆变器[J].电力自动化设备，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

郑州大学研究生科学研究基金资助项目(11L00604)

吴晓迪(1989—)，女，河南省人，硕士研究生，主要研究方向为光伏发电。