APOD载波调制三电平Z源逆变器

马运亮，高梅峰，朱元辰，张辑，方遒

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.许昌供电公司，河南 许昌 461000；3.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024）

APOD载波调制三电平Z源逆变器

马运亮1，高梅峰2，朱元辰1，张辑3，方遒3

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.许昌供电公司，河南 许昌 461000；3.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024）

根据中点钳位三电平单Z源逆变器的拓扑结构，详细分析了其3种工作状态。与传统逆变器不同，直通状态的插入不仅省去死区的设置以及死区时间的补偿，同时实现了逆变器升压输出的效果。根据直通矢量插入特点，提出一种基于交替反相层叠载波调制（APOD）的三电平Z源逆变器脉宽调制方法。该方法将直通状态插入于零矢量中，实现直流链的全直通，获得升压能力的同时又不增加开关损耗。仿真和实验结果表明该调制策略能够实现逆变器升压输出，验证了所提出的APOD载波调制三电平Z源逆变器控制策略的有效性。

Z源逆变器；交替反相层叠载波调制；直通矢量；中点钳位三电平

多电平变换器在高压大功率场合得到越来越广泛的应用［1-2］。传统多电平逆变器只能实现降压输出，这种级联结构不仅增加系统成本，而且降低了整体可靠性［3-8］。文献［9］提出了一种中点钳位三电平Z源逆变器，在充分利用传统NPC电压型三电平逆变器原有优势之外，引入桥臂直通状态，实现逆变器升压输出，近年来已成为研究热点。

Z源逆变器通过将桥臂直通状态作为一种正常工作模式，无需死区设置及死区时间补偿，通过直通占空比的控制，实现交流侧的升压输出。按照拓扑结构的不同，三电平Z源逆变器分为双Z源网络和单Z源网络，由于单Z源网络使用的无源器件少，装置体积小，可靠性更高，且控制算法也较为简单，具有更好的应用前景［10-12］。

本文根据单Z源三电平逆变器的工作原理，设计了一种适用于中点钳位三电平单Z源网络的脉宽调制算法，该方法通过交替反向载波层叠PWM调制，将直通状态插入于（000）矢量，实现直流链的全直通，通过直通矢量的插入，获得逆变器升压输出的效果。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性与正确性。

1　中点钳位三电平单Z源逆变器工作原理

中点钳位三电平单Z源逆变器主电路拓扑如图1所示，其中Cs1，Cs2为直流电源Vdc的2个分压电容，为实现直通状态时的反向阻隔，直流电源回路串联2个二极管D1，D2。单Z源网络中，L1= L2，C1=C2，Z源网络输出侧与传统中点钳位三电平逆变器级联。中点o连接至ABC三相桥臂的钳位中点并定义为零电位。根据每相桥臂开关器件的开关状态3种组合，可以输出3种电平：VP，VU及VN，分别记为1，0，-1。

图1　中点钳位三电平单Z源逆变器Fig.1　NPC three level single Z source inverter

中点钳位三电平单Z源逆变器正常工作状态有以下3种：1）非直通状态；2）上直通状态，定义Tsh_U为上直通时间；3）下直通状态，定义Tsh_G为下直通时间。一般为考虑输入谐波最小时，保持Tsh_U=Tsh_G=Tsh。稳定工作后，一个周期内根据电感两端电压伏秒平衡，可得电容电压与输入直流电压关系式：

式中：D为直通占空比，D=Tsh/Ts。

为获得升压输出作用，需在逆变器工作时插入上下直通状态。逆变器在3种工作状态下对应输出的3种电平满足以下关系：

中点钳位三电平单Z源逆变器输出相电压峰值Ux，则：

式中：M为调制系数；B为升压系数，B=1/（1-2D）。当需要升压输出时，可令升压系数B＞1，当B=1时，逆变器降压运行。

Z源逆变器脉宽调制的关键是直通状态的插入，本文采用交替反相层叠载波调制（APOD）技术［13-16］，在矢量合成伏秒平衡原则的基础上，确保参考矢量位于空间矢量图的任何区域时，其合成矢量在1个开关周期内均以矢量（000）开始并结束，将直通状态插入于（000）矢量。此时，逆变器工作于直流链全直通及非直通状态，其等效电路如图2a、图2b所示，APOD调制时空间矢量图如图3所示。

图2等效电路Fig.2　Equivalent circuit

图3APOD调制时逆变器空间矢量图Fig.3　Space vector diagram under APOD modulation

以参考矢量位于图3所示区域为例，其调制原理图如图4所示。合成参考矢量的3个矢量分别为（000）、（10-1）及（1-1-1），直流链全直通状态可以通过两相不同的桥臂实现，例如在由矢量（000）变为矢量（10-1）时，A相由状态“0”变为状态“1”，C相由状态“0”变为状态“-1”，通过在第1个状态瞬变的左侧提前Tsh/2时间导通SA1与SC4，则在从tCE1-Tsh/2到tCE1的Tsh/2时间内，A相桥臂导通开关管SA1，SA2，SA3，C相桥臂导通开关管SC2，SC3，SC4，实现整个直流链的全直通，从tCE1时刻开始，SA3与SC2关断，矢量合成由直通零矢量（000）进入矢量（10-1）。同理，第2个直通状态位于tCE4右侧Tsh/2时间段内，通过延迟关断SA1及SC4实现直流链的全直通，tCE4+Tsh/2时刻SA1及SC4关断，合成矢量由直通零矢量进入传统零矢量。

图4　三电平Z源逆变器APOD调制原理Fig.4　APOD modulation principle of three-level Z-source inverter

通过对参考电压Va向上平移Tsh/Ts位移得到控制SA1提前导通的控制信号，通过对参考电压Vc向下平移Tsh/Ts位移得到控制SC4提前导通的控制信号，2条新增的控制信号Va'，Vc'如图4中粗线所示，同时将最大相电压Vmax向上平移Tsh/Ts位移，最小相电压Vmin向下平移Tsh/Ts位移，保持中间相电压Vmid不变，可以有效实现既定直通状态的插入。为了提高直流电压利用率［17］，在三相参考电压中加入3次谐波分量Voff（SVM），且Voff（SVM）满足式Voff（SVM）=-0.5（Vmax+Vmin），可得三相调制信号为

2　仿真结果分析

为验证上述三电平Z源逆变器APOD载波调制策略的可行性，在Matlab/Simulink环境下搭建了仿真模型。仿真参数为：调制系数M=1，直流电源Vdc=60 V，Z源电容C=3 300 μF，Z源电感L= 4.5 mH，负载Rl=10 Ω，Ll=3 mH，Y型连接，开关频率fsc=10 kHz，基波频率50 Hz。恒直流输入时令直通占空比D在0.2 s时由0变为0.15。

图5给出了三电平Z源逆变器的仿真波形。其中图5a所示为Z源网络输出电压Vi波形，0.2 s前直通占空比设为0，输出电压维持在直流电源电压，0.2 s后直通占空比变为0.15，根据式（3），此时升压至85 V，仿真结果与理论分析一致。图5b和图5c分别为上述动态升压过程中，线电压Vab，及A相对中点的电压Vao波形，由图中可以看出，在0.2 s直通占空比突变时，经一个周期调整，逆变器输出实现升压功能。图5d所示为A相负载的线电流，在直通占空比变化过程中，负载电流随之变化，且正弦度高，谐波含量少。

图5　三电平Z源逆变器仿真波形Fig.5　Simulation waveforms of three-level Z-source inverter

3　实验结果分析

为验证上述控制策略的可行性，搭建了基于dSPACE单板控制三电平Z源逆变器实验平台。dSPACE实时仿真平台是在Matlab/Simulink软件基础之上实现Matlab/Simulink/RTW无缝连接的1套软硬件结合的实验平台，本实验平台的硬件核心为DS1104单板处理器，将Matlab/Simulink中搭建的仿真模型下载到处理器中，利用dSPACE公司提供的ControlDesk软件实现人机交互式操作［18-20］。实验参数与仿真相同，功率器件选择Infineon公司的BSM50GB120DLC型号IGBT。

图6所示为三电平Z源逆变器实验波形。其中，图6a所示为加入直通占空比前后线电压Vab的波形，由图中可以看出，通过插入直通状态，实现了升压输出。图6b所示为加入直通状态稳定运行后，负载线电流及Z源网络的输出电压波形。由图6可知，输出电流波形正弦度高，谐波含量小，Z源网络的输出电压由于直通状态的插入呈一系列脉冲波，其局部放大图如图6c所示，采用APOD载波调制，可以实现上下桥臂的全直通，与传统三电平载波调制技术相比，直通状态均是插入于零矢量，且参考矢量从零矢量开始并结束，不增加额外的开关损耗即可实现升压输出。实验结果验证了前述理论分析的正确性。

图6　三电平Z源逆变器实验波形Fig.6　Experiment waveforms of three-level Z-source inverter

4　结论

本文基于中点钳位三电平单Z源逆变器拓扑结构，详细分析了其工作状态及升压原理。采用APOD载波调制技术，按照相应的控制原则将直通矢量插入正常工作状态中，能够得到正弦度良好的输出波形并且实现升压输出效果。仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性与正确性。

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Three-level Z-source Inverter Based on APOD Carrier Modulate

MA Yunliang1，GAO Meifeng2，ZHU Yuanchen1，ZHANG Ji3，FANG Qiu3
（1.Xuji Electric Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China；2.Xuchang Power Supply Company Xuchang 461000，Henan，China；3.Shool of Electrical Engineering，Automaion of Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，Fujian，China）

Analyzed three working condition of neutral-point clamped three-level Z-source inverter based on its topological structure.Unlike traditional inverter，the insertion of shoot through state not only left out setting of dead zone and compensation time of dead zone，but also realized booster output of this inverter.Proposed a three-level Z-Source inverter pulse width modulation（PWM）method based on alternative phase opposition disposition（APOD）insertion characteristics of shoot through vector.This method inserted the shoot through state into zero vector to realize all shoot through of DC chain，it realized the function of getting booster ability without increase of switching loss.Simulation and experimental resulted show that this modulation strategy can realize booster output of inverter，and it verifies the effectiveness of this proposed APOD carrier modulation strategy which is used to modulate three-level Z-source inverter.

Z-source inverter；alternative phase opposition disposition；shoot-through vector；neutral-point clamped three level

TM464

A

2015-06-17

修改稿日期：2016-01-17

福建省重大重点项目（2013I0008）；厦门市科技局项目（3502Z20153016）；福建省自然基金项目（XYK201403）；福建省教育厅项目（JA13234）

马运亮（1980-），男，本科，工程师，Email：ma_yunliang@163.com