基于Z源逆变器的改进空间矢量脉宽调制算法研究*

薛　阳，　阚东跃，　时宇飞，　郑　蓉，　郑梦秋，　张明超

(1. 上海电力学院 自动化工程学院，上海　200090；2. 江苏国艾电气有限公司，江苏 盐城　224300)



基于Z源逆变器的改进空间矢量脉宽调制算法研究*

薛阳1，阚东跃1，时宇飞1，郑蓉1，郑梦秋1，张明超2

(1. 上海电力学院 自动化工程学院，上海200090；2. 江苏国艾电气有限公司，江苏 盐城224300)

Z源逆变器通过在空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法中插入直通零矢量，从而获得独有的升压能力。传统算法首先需要坐标变换来进行扇区判断及时间点计算，存在大量复杂运算，降低了系统时效性。针对这一问题提出改进算法，直接利用三相电压进行扇区判断，并计算扇区内相邻基础矢量及直通零矢量作用时间，从而得到开关次序，无需进行坐标变换。通过仿真，在以DSP为控制核心的Z源逆变器系统中验证了算法的可行性。试验表明，与传统SVPWM算法相比，改进型算法响应速度快，具有较高的系统效率。

Z源逆变器； 空间矢量脉宽调制； 扇区； 直通零矢量

0　引　言

随着能源危机的日益加剧，风能、太阳能、水能等清洁能源逐渐兴起。在这些新能源发电系统中，逆变器是主要的组成部分。与传统逆变器相比，Z源逆变器可在直通和非直通两种模式下正常工作[1-2]，对于开关器件的控制不再需要加入死区时间，可以通过调整直通占空比来控制其升降压特性[3]。因此，Z源逆变器有较宽的输入电压范围和较高的系统可靠性及电磁兼容性。逆变器脉宽调制模块主要采用正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation， SPWM)与空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM)两种算法。与SPWM算法相比，SVPWM算法能够使输出的电流波形尽可能的接近于理想的正弦波，且直流电压利用率提高15.47%，能够有效减少谐波，但也有算法复杂、实现较难等缺点[4-8]。文献[9]提出了一种压缩变换，通过压缩后矢量符号及大小进行扇区判断，减少了运算量及代码长度。文献[10]将两个零矢量重新分配，减少了开关次数及谐波的出现，提高了系统运行效率。文献[11]在三相四开关系统中对电压矢量扇区进行重新划分，提高了系统可靠性。文献[12-13]分别叙述了基于Z源逆变器SVPWM算法的两种改进方向： 一种是通过改进直通零矢量的分配方法，提高零矢量的利用率，获得更好的升压能力；另一种是通过改进扇区判断条件来减少算法复杂程度，提高系统效率。文献[14-15]介绍了在DSP上如何实现SVPWM算法。

本文在参考以上文献的基础上，改进了基于Z源逆变器7段式SVPWM的实现方法，去掉了传统算法中的坐标变换，通过比较三相电压来判断所在扇区。该算法简化了传统算法的运算步骤，缩短了DSP上的代码长度，改善了系统的实时性。同时，在MATLAB中对改进型算法进行仿真，最后在以DSP(TMS320F28335)为控制器的Z源逆变器系统中进行试验，验证改进算法的有效性。

1　Z源逆变器的拓扑结构及工作原理

Z源逆变器的拓扑结构如图1所示。与传统逆变器相比，Z源逆变器是在直流侧引入一个由两个电容C1，C2和两个电感L1，L2呈X形所组成的Z源网络，将直流电源与逆变器耦合在一起，其中C1=C2，L1=L2。

图1　Z源逆变器拓扑结构

Z源网络的引入，使逆变桥与桥臂上下功率管可以同时导通。Z源逆变器正是通过这种直通零矢量状态获得了升压能力，由直通和非直通分为两种工作状态。

当Z源逆变器处于直通状态时，二极管反向截止，其等效电路如图2(a)所示。设开关周期时间为T，直通时间为Tsh，由等效电路可得

(1)

处于非直通状态时，其等效电路如图2(b)所示。设非直通时间为T0，由等效电路可得

(2)

由安秒特性将式(1)、式(2)联立可得

(3)

其中：

D0=Tsh/T

式中：D0——直通零矢量占空比；

B——Z源逆变器的升压比。

图2　Z源逆变器两种工作状态

(4)

其中：

式中：M——逆变器的调制比。

Z源逆变器通常采用SPWM与SVPWM两种控制算法。当采用SVPWM算法时，逆变器能够输出的最大不失真圆形旋转电压的幅值为

2　传统SVPWM算法

SVPWM是由三相逆变器的六个开关元件所组成特定开关模式，产生调制波的控制方法。其目的是得到圆形的旋转磁场，使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波。

设逆变器输出的三相相电压为UA、UB、UC，它们的方向分别在空间上互差120°的三相平面静止坐标系的轴线上，而大小则随时间按正弦规律变化，则有

(6)

其中：

θ=2πft

式中：Um——相电压有效值。

合成的空间矢量Uref可以表示为

(7)

用SA、SB、SC分别标记三个桥臂的状态，规定当上桥臂器件导通时桥臂状态为1，下桥臂导通时桥臂状态为0，当3个桥臂的功率开关管变化时，就会得到8种开关模式，每种开关模式对应一个幅值为2Ud/3的电压矢量，同时存在两种零矢量。这样就得到了逆变器在不同开关状态下的基本空间矢量，如表1所示。

表1　逆变器的不同开关状态对应的空间矢量表

观察表1可知，三相电压源逆变器在不同的开关组合时的交流侧电压可用一个模为2Ud/3的空间电压矢量在复平面上表示出来，这样就会得到8条空间矢量，将正六边形平分成6个扇区，如图3所示。

图3　基础矢量及扇区分布

算法实现结构如图4所示。重点是利用所在扇区的两个相邻基础矢量去合成扇区中的任意矢量Uref，并计算Uref在两个基础矢量上投影得到矢量的作用时间。然后计算出时间切换点，与三角波比较生成PWM波。

图4　传统SVPWM算法流程

(8)

通过计算可得投影矢量作用时间：

(9)

计算T1、T2时有可能出现T1+T2>Ts的情况，因此，还必须进行T1、T2的标准化：

(10)

这样就得到了电压指令Uref在第Ⅰ扇区时，基础电压矢量作用的时间，同理可得Uref在其他各个扇区的作用时间。由此可计算出时间切换点，从而生成PWM波。

3　基于Z源逆变器的改进型SVPWM算法

传统基于Z源逆变器的SVPWM算法首先需要进行坐标变换，然后进行扇区判断及矢量作用时间的计算，存在复杂无理数计算，导致系统效率较低。本文提出的新型算法不需要进行坐标变换就可直接进行扇区判断及时间点计算，减少了计算量和系统占用的资源。

3.1简化扇区判断

设矢量在第Ⅰ扇区。通过式(7)可得矢量在第Ⅰ扇区的判断条件为

(11)

化简可得UA>UB>UC。同理可得全部扇区判断流程如图5所示。

图5　改进扇区判断流程

由此可见简化扇区判断方法不需要进行坐标变换，可直接通过三相电压大小比较判断所在扇区。

3.2基于Z源逆变器的改进SVPWM算法

因为直通零状态和传统零状态对逆变器输出影响相同，所以每个载波周期内在保持每个开关周期内有效矢量不变的情况下，零状态可以由直通零状态部分或者全部替代来实现升降压的目的[3]。基于Z源逆变器的SVPWM算法存在简单控制和直通分段控制两种。由于简单SVPWM算法直接添加直通状态会使开关频率加倍，进而导致开关容易损坏，降低系统稳定性，所以本文中所述均为直通分段式SVPWM控制。

为了保证与传统的PWM控制开关频率一致，可将直通状态平均分配到每个桥臂上，并保持原有效时间不变。在第Ⅰ扇区时开关作用时间如图6所示。

图6　Z源逆变器开关时序

在改进算法中，T1、T2与传统SVPWM算法中相同。将式(7)代入式(9)可得

(12)

设在一个周期Ts内，直通零矢量作用时间为Tsh。在图6中，Ta、Tb、Tc为传统三个桥臂开关管状态变化的时间。T1、T2由式(12)计算所得。将Tsh平均分为6等份，在上下桥臂开关换流时插入，作用时间为Tsh/6。剩余时段由传统零矢量作用，时间为(T0-Tsh)/4。由此可以计算出Z源逆变器各桥臂开关管状态的时间信号Tan、Tap，Tbn、Tbp，Tcn、Tcp。

4　仿真及试验验证

为验证上述理论分析，在MATLAB环境下进行仿真验证。由改进型SVPWM控制模块输出6路PWM波，如图7所示。

当直流母线电压Ud=200V，L=2mH，C=500mF时，得到直流侧电压、滤波后输出线电压

图7　三相PWM信号

及电流、电容电压和电感电流如图8所示。由图8可见，当D0取0.2时，直流侧电压接近333V，与上述分析一致。

图8　仿真输出结果

最后为了更好地验证理论分析与仿真结果，搭建了由DSP(TMS320F28335)控制器、Z源逆变器、示波器、可调直流电源所组成的试验平台。由TLP250构成驱动电路输出一路PWM信号，如图9所示。将输出线电压进行滤波后得到图10，可见所得电流波形接近正弦波。

5　结　语

本文在分析Z源逆变器的工作原理及传统SVPWM算法实现过程的基础上，给出了改进型SVPWM算法的实现过程。设计并成功制作有

图9　驱动电路输出PWM

图10　滤波输出线电压与电流

DSP(TMS320F28335)控制器的Z源逆变器系统试验平台。通过仿真试验，验证了本文所提出的改进型算法的正确性。由于算法的简化，可以有效地降低运算难度，减少了内存占用空间，提高了系统运行速度稳定性。

[1]PENG F Z. Z-source Inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2003，39(2)： 504-510.

[2]蔡春伟，曲延滨，盛况.增强型Z源逆变器[J].中国电机工程学报，2011，31(S1)： 259-266.

[3]赵二刚，程如岐，郭天勇，等.SVPWM技术在Z源逆变器中的应用[J].南开大学学报(自然科学版)，2009，42(1)： 76-79.

[4]KANCHAN R S， BAIJU M R， MOHAPATRA K， et al. Space vector PWM signal generation for multilevel inverters using only the sampled amplitudes of reference phase voltages[J]. IEE-Proceedings Electric Power Applications， 2005，152(2)： 297-309.

[5]杨贵杰，孙力，崔乃政，等.空间矢量脉宽调制方法的研究[J].中国电机工程学报，2001，21(05)： 80-84.

[6]董大为，杨墨.基于空心杯电机的SPWM与SVPWM研究[J].电机与控制应用，2010，37(4)： 21-25.

[7]GAO L， FLETCHER J. A space vector switching strategy for three-level five-phase inverter drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010，57(7)： 2332-2343.

[8]赵耀，赵庚申，郭天勇，等.基于SVPWM低谐波死区算法的研究及应用[J].电力系统保护与控制，2012，40(8)： 57-62.

[9]齐昕，王冲，周晓敏，等.一种低硬件资源消耗快速SVPWM算法[J].电机与控制学报，2014，18(4)： 31-38.

[10]DUSMEZ S， QIN L， AKIN B. A new SVPWM modulation technique for dc negative rail current sensing at low speeds[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2015，62(2)： 826-831.

[11]李国华，孙强.一种三相四开关有源电力滤波器SVPWM方法[J].电力电子技术，2015，49(4)： 4-6.

[12]吴凤江，孙秀冬，孙力，等.单相电压空间矢量无差拍控制Z源并网发电系统[J].中国电机工程学报，2010，30(31)： 22-27.

[13]王洋，朱红.基于无扇区判断的SVPWM控制Z源逆变器的研究[J].电测与仪表，2014，51(16)： 21-24.

[14]RAMIREZ J D B， RIVAS J， PERALTA-SANCHEZ E. DSP-based simplified space-vector PWM for a three-level VSI with experimental validation[J]. J Power Electron， 2012，12(2)： 285-293.

[15]张传金，王志业.基于DSP28335的三电平SVPWM算法研究[J].电力电子技术，2011，45(6)： 67-69.

Research on Improved Space Vector Pulse Width Modulation Algorithm Based on Z-Source Inverter*

XUEYang1，KANDongyue1，SHIYufei1，ZHENGRong1，ZHENGMengqiu1，ZHANGMingchao2

(1. School of Automation Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China；2. Jiangsu Guoai Electric Co.， Ltd.， Yancheng 224300， China)

By inserting shoot-through zero state into space vector pulse width modulation algorithm， a unique ability of voltage increasing could be obtained by Z-source inverter. Since the coordinate transformation， sector determination and point-in-time calculation were needed in the traditional SVPWM algorithm， and as a matter of increasing the time efficiency， the improved algorithm determined the sector by using three-phase voltage directly， and then calculated the effective acting time of resultant vector and shoot-through zero state. Thus， the sequence of switches could be obtained. Further more， the feasibility of the algorithm has been verified by simulating the DSP-controlled Z-source inverter system. And the experiment results also showed the feature of fast response and high efficiency of the improved algorithm compared to traditional SVPWM.

Z-source inverter； space vector pulse width modulation(SVPWM)； sector； shoot-through zero state

上海市自然科学基金资助项目(13ZR1417800)；国家自然科学基金资助项目(51405286)；上海市重点科技攻关计划项目(14110500700)；上海市电站自动化技术重点实验室项目(13DZ2273800)

薛阳(1976—)，男，博士后，副教授，研究方向为智能控制、太阳能发电技术、微电网技术等。

阚东跃(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为光伏逆变器并网控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)09- 0014- 06

2016-04-05