基于SVPWM和模糊PI参数自整定的Z源逆变器并网研究

杨旭红, 杨峰峰, 郭 凯, 薛 冰, 王阗姝

(上海电力学院 自动化工程学院 上海市电站自动化重点实验室,上海 200090)

基于SVPWM和模糊PI参数自整定的Z源逆变器并网研究

杨旭红, 杨峰峰, 郭 凯, 薛 冰, 王阗姝

(上海电力学院 自动化工程学院 上海市电站自动化重点实验室,上海 200090)

相比于传统的电压/电流型逆变器，Z源逆变器能实现升降压变换的功能，同时桥臂不需要死区时间，变换器可靠性更高。在传统SVPWM调制方法里，通过在零矢量中插入直通状态(同一桥臂同时导通)，使其应用在逆变器中。Z源逆变器在实现更好交流输出的同时，实现了对直流侧电压任意倍数的升压。对于Z源逆变器传统的控制策略是采用电压外环和电流内环构成的双环PI控制，但双环PI控制无法达到较高的控制精度并且并网电流谐波畸变率较高。针对PI控制的局限性，提出了模糊PI控制器。该控制器利用模糊控制技术，根据误差大小对PI参数进行实时在线调整，从而满足最优的性能要求。通过仿真研究，试验结果证实了所提方法的有效性和正确性。

Z源逆变器; 空间矢量脉宽调制; 模糊PI控制器; 直通占空比; 解耦

0 引 言

随着能源危机的日益严重，开发利用新能源(风能、太阳能等)已成为人类社会发展的关键。新能源利用过程中，逆变器的控制是十分重要的[1-2]。传统电压源型逆变器桥臂的上下开关管不能同时导通，否则就会形成短路，烧毁器件，因此必须在上下桥臂开关信号间加入一定的死区时间。但由于死区时间的影响，就使得输出波形发生畸变和谐波畸变率增加。电压型逆变器本身为降压型逆变器，当要求输出电压高于输入电压或电压变化较大时，通常必须在逆变器前端增加Boost电路，就会使得系统的体积增加、成本提高，但同时效率降低。

Z源逆变器的特殊工作模式能够有效克服传统逆变器的不足。一方面，Z源逆变器利用两个开关管的直通来实现对输入电压的升压功能，因此Z源逆变器是一种升降压型逆变器；另一方面，由于直通状态成为一种工作模式，因此Z源逆变器不需要再加入死区时间，从而降低了输出波形发生畸变的可能[3]。

基于空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)的并网逆变器由于具有直流电压利用率高、电网电流总谐波畸变率(THD)低、无静差调节、直轴交轴电流可实现解耦控制等优点，在中、大功率场合得到了广泛应用[4]。模糊控制的一个显著优点为不需要精确的对象模型，适用于复杂的非线性系统。模糊PI控制能够根据误差大小对PI参数进行实时在线调整。

基于上述原因，本文提出基于SVPWM和模糊PI控制的控制策略。一方面可以增加直流电压利用率，降低总谐波畸变率(THD)，提高控制精度；另一方面实时调节PI控制参数，增强系统的鲁棒性，提高系统动态性能，加快响应速度。

1 Z源逆变器拓扑结构及工作原理

图1 三相Z源逆变器拓扑结构

三相Z源逆变器并网拓扑结构如图1所示。其在直流电源与逆变桥之间增加了一个由两个电容和两个电感交叉而成的对称阻抗源网络，即Z源网络。

传统的逆变器有8种开关矢量，而Z源逆变器比传统逆变器多出一种直通零矢量，即同一桥臂上下同时导通的状态。这在传统逆变器中是不允许的，而Z源逆变器正是利用这种直通零矢量实现升压功能。为了方便分析，假设Z源逆变器满足对称条件，即有：

由对称和等效电路可得

由于Z源逆变器允许上下桥臂同时导通，所以得到Z源逆变器的两种工作状态：直通状态和非直通状态。其等效电路图分别如图2和图3所示。

图2 直通状态等效电路图

图3 非直通状态下等效电路图

在一个开关周期中，假设逆变桥工作在直通状态的时间为T0，且T0=D0T(T为一个开关周期)，D0为直通占空比。由图2可得

同理可知，逆变器工作于非直通状态的时间T1=(1-D0)T。由等效电路图3可得

根据电感的伏秒平衡原理可知，在一个开关周期中，稳态工作时电感两端平均电压为零。因此，由式(3)、式(4)可得

即：

而逆变器上的直流电压峰值为

式中：B——通过直通状态而获得的升压因子。

同时，逆变器输出的相电压峰值为

式中:M——逆变器的调制因子。

式中：G——Z源逆变器的电压增益。

因此，通过选择合适的调制因子M，调节直通占空比D0，间接调节升压因子B，即可得到理想的逆变器输出电压[6]。

2 SVPWM调制方法

SVPWM技术与常规的SPWM相比具有直流母线电压利用率高、电流波形畸变小等优点。其基本原理如下：把开关函数引入逆变器的控制中，规定逆变器上桥臂导通时为状态1，下桥臂导通时为状态0。逆变器共有3个桥臂，所以相应的会有8种开关状态(U0-U7)。每种状态对应唯一的线电压瞬时值矢量，因此会有8个基本空间电压矢量。其中U0和U7为零电压矢量，U1-U6为有效电压矢量。6个有效电压矢量将复平面平均分为6个扇区，每个扇区60°。对于任意给定参考电压矢量，均可利用与该矢量相邻的两个基本空间电压矢量合成得到[7-8]。

假设参考矢量Uref在扇区1中，通过图4可知该矢量可由相邻的两个基本空间矢量U1和U2进行表示。

图4 基本电压空间矢量图

假设一个开关周期为T，矢量U1和矢量U2作用的时间分别为T1和T2。T0为零矢量作用时间T0=T-T1-T2。根据等效合成原理，有

假设Uref与U1之间的夹角为θ，由正弦定理得

由式(10)、式(11)可以计算得到：

式中:m——SVPWM调制系数。

相比于传统逆变器，Z源逆变器多出一个直通零矢量，如图5、图6所示。按直通零矢量注入的方法不同可以分为简单SVPWM和直通状态分段SVPWM、最大化SVPWM。本文采用简单SVPWM控制。在传统SVPWM控制方法的基础上，用直通零矢量来代替部分零矢量的作用时间，且保证有效矢量作用时间不变，这样就可得到Z源逆变器简单SVPWM控制。

图5 传统电压型SVPWM控制

图6 三相Z源逆变器简单SVPWM

3 基于SVPWM和模糊PI控制的Z源逆变器系统原理

Z源逆变器并网控制系统的原理如图7所示，系统采用双闭环控制结构：并网电流环控制和Z源电容电压环控制。此处采用电容电压而没有采用直流链升电压的原因是，直流链升电压由于加入了直通零矢量后为一系列不规则的方波，较难控制，但是直流链升电压最大值和电容电压之间存在一定的关系，所以选择电容电压。

图7 Z源逆变器并网控制系统结构图

图8 dq轴解耦控制

传统模型都是在三相静止坐标系下建立起来的，此时的网侧电流均为正弦交流量，无法用于指导控制器的设计。通常采用坐标变换的方法将三相静止坐标系下的正弦量转换成两相旋转坐标系下的直流量，减少状态变量，很大程度上使控制的设计更加简单[9-11]。经3s/2r变换后的状态方程为

从式(13)可以看出，直轴和交轴分量是相互耦合的，这会给交流控制器的设计带来一定的难度。因此，需要对式(13)进行解耦控制。令

结合式(13)可得

此时，直轴和交轴并网电流是相互独立的，控制变量Δud和Δuq可由电流环PI调节器来控制，如式(16)所示。

4 模糊PI控制器设计

传统的PI控制参数往往是固定的，不能根据外部的变化而产生相应的调整，控制作用有限。模糊PI控制能够弥补以上的不足，适用于非线性和高阶系统，能够根据系统的特性，对参数进行实时的调整修改，增强系统的动态性能，加快系统的响应速度，提高稳态精度[12-17]。

PI参数模糊自整定(见图9)的原理如下：在每个周期对并网电流进行实时检测，将检测到的并网电流igrid通过反馈电路与电网电流的给定值iref相比较，得到误差e,将此误差e分别送给模糊控制器和PI控制器。

图9 PI控制参数模糊自整定框图

模糊控制器会根据输入的误差及误差的变化率，通过一定的模糊规则输出PI参数的变量ΔKp和ΔKi，然后将该变量送给PI控制器，与预先设定好的Kp0、Ki0分别进行计算，从而达到实时调整的效果[18-19]。

根据误差e和误差变换率ec建立的ΔKp和ΔKi模糊规则表如表1所示。

表1 模糊控制规则表

误差e和误差的变化率de/dt的论域分别是[-150,150]、[-3.5,0.5]，输出的模糊规则图形如图10、图11所示。

图10 输出变量ΔKp的模糊规则图形

图11 输出变量ΔKi的模糊规则图形

5 仿真结果与分析

并网电流、电压的仿真结果如图12和图13所示。A相并网电压和并网电流如图14所示。通过分析图14，可以得出：在此控制下，并网电压和并网电流基本能达到同相位(即以单位功率因数并网)。

图12 三相逆变器并网电流波形

图13 三相逆变器并网电压波形

图14 A相并网电压和并网电流

由图15和图16可以看出，基于SVPWM调制的Z源逆变器并网控制系统本身谐波含量就比较低，另外将模糊控制应用到系统中后系统的总谐波畸变率更是由THD=2.15%下降到1.75%，满足国家标准(GB/T14549—1993)中，并网总谐波畸变率应≤5%的要求，且并网电流质量有了较大提升。

图15 传统PI控制下并网电流频谱分析

图16 模糊PI控制下并网电流频谱分析

图17 并网电流突变时仿真波形

当输入电压由600 V突变到500 V时，Z源网络电容电压出现短暂小幅值的波动后迅速恢复到675 V并维持稳定状态，由于逆变器的直流链电压和电容电压之间存在固定的关系，所以逆变器交流侧电压可以保持稳定。由此可知，电容电压控制环能够保证系统具有较好的稳定性。

分析表明，本文所提的控制方法，一方面可以降低并网电流的谐波畸变率，减小了并网逆变器稳态运行时对电网的谐波污染。另一方面控制系统的鲁棒性较好，具有快速的动态响应能力，指令电流突变时能够迅速有效地跟随。输入电压改变时，系统能够通过快速调节，维持并网电流的稳定。结果证明了所提控制方法的可行性和有效性。

6 结 语

本文分析了Z源逆变器的拓扑结构和升压原理，对SVPWM调制方法进行了介绍，对Z源逆变器的SVPWM调制法进行了详细分析，对双环控制中的电流环进行了解耦，并针对传统双闭环PI的不足提出了模糊PI控制策略。通过仿真，表明所提控制方法在抑制谐波、提高并网质量和控制精度方面有很大的优势；另一方面系统有优良的动态性能，能够实现快速响应。

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Research on Z Source Inverter Grid-Connected System Based on SVPWM and Fuzzy PI Control of Parameter Self-Adjustment

YANG Xuhong, YANG Fengfeng, GUO Kai, XUE Bing, WANG Tianshu

(Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology, Automatic Engineering,Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Compared with the traditional voltage source inverter (VSI) and current source inverter (CSI), Z-source inverter had the ability like buck-boost conversion and no dead time was needed in phase legs,so high reliability could be achieved. A space vector pulse width modulation (SVPWM) technique was modified to realize the shoot-through zero vectors in the Z-source inverter(ZSI). The Z-source inverter could generate a more ideal sinusoidal AC output voltage and step up the DC-link voltage in any multiple. For the Z-source inverter, the traditional control strategy often used the double loop PI control of outer voltage loop and inner current loop. It was hard to achieve higher control accuracy while using the control of traditional double PI loop and the harmonic distortion rate of grid-connected current was high. According to the limitations of traditional PI control, a fuzzy PI controller was proposed. The controller took advantage of fuzzy control to adjust the PI parameter online according to the error, so as to meet the requirments of optimal performance. Through the simulation experiment the effectiveness and validity of the proposed method were verified.

Z-source inverter; space vector pulse width modulation (SVPWM); fuzzy PI control; shoot-through duty ratio; decouple

国家自然科学基金(61203224);上海自然科学基金项目(13ZR1417800);上海市电站自动化技术重点实验室开放课题(13DZ2273800);上海市科技创新行动技术高新技术领域重点项目(14511101200);上海市重点科技攻关计划(上海市科委地方院校能力建设项目)(14110500700)

杨旭红(1969—)，女，教授，硕士生导师，研究方向为智能电网控制技术、新能源发电及储能技术、火电和核电机组的仿真建模及控制技术。 杨峰峰(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为Z源逆变器并网控制技术。

TM 464

A

1673-6540(2017)07- 0059- 07

2016 -11 -07