電流型Z源逆變器的三值邏輯空間矢量控制策略＊

房緒鵬，朱明杰，譚延超

（山東科技大學信息與電氣工程學院，山東青島266510）

1 引言

Z源逆變器克服了傳統電壓源和電流源逆變器的不足，提供了一個新穎的功率變換概念，其主橋臂可開路或短路運行，具備直接升／降壓功能［1］。Z源逆變器尤其適用于直流輸入端電壓波動較大的應用場合，如燃料電池等。目前對于電壓型Z源逆變器的研究已經比較深入，電流型Z源逆變器的研究則處于剛起步階段，而電流型Z源逆變器在電氣傳動、電力系統以及超導電力等場合具有廣闊的應用前景。電壓型逆變器的控制策略不能直接應用到電流型逆變器上，本文引入了三值邏輯控制策略，通過一個二-三邏輯轉換電路，使得電壓型Z源逆變器的控制策略能夠過渡到電流型Z源逆變器，并由此提出了電流型Z源逆變器的三值邏輯空間矢量控制策略。

2 電流型Z源逆變器的三值邏輯控制

圖1所示出電流型Z源逆變器的基本拓撲，直流電壓源串聯一個電感，輸入側相當于電流源。逆變橋開關采用全控型器件和功率二極管串聯的形式，與傳統電流源逆變器相同。對傳統的電壓源逆變器而言，在進行PWM控制時，其同一橋臂的上下兩個開關器件有兩種狀態，即：

然而，在電流源逆變器的脈寬調制控制中，對同一橋臂的上側和下側開關器件而言，則存在著4種狀態，分別是上通下斷，上斷下通，上下全通和上下全斷。其中，后兩種狀態對于輸出側來說效果相同，都為零電流。為此需要構造三值邏輯開關函數Q，有：

圖1 電流型Z源逆變器的主電路拓撲結構圖

下面研究由傳統二值邏輯信號產生三值邏輯信號的方法。由電流型逆變器工作時的開關狀態，可以得出：

將上式展開，得

上式說明雙極性二值邏輯開關函數Pj（j＝a，b，c）通過相應的線性結合可以表達三值邏輯開關函數Qj（j＝a，b，c），即

對于電流型Z源逆變器而言，可以在傳統的直通零狀態中插入開路零狀態，即把關斷6個開關管的開路零狀態控制信號加入二-三邏輯轉換表中。結果如表1所示。

表1 二-三邏輯狀態轉換表

關于開路零矢量的注入方法，成熟的電壓型Z源逆變器的控制方法都可以應用到電流型Z源逆變器中來，如簡單升壓控制法，最大增益控制法，三次諧波注入法等。下文中將采用簡單升壓控制方法對電路進行仿真。

3 三值邏輯空間矢量的信號發生原理

可以利用空間矢量PWM技術實現三值邏輯空間矢量PWM信號的發生。

設iat，ibt，ict為電流源逆變器的交流側電流瞬時值，進行坐標變換，將三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系，則在α β坐標系中的電流源逆變器的交流側電流瞬時值寫成矩陣形式：

變換過程中α軸與a軸相重合。式（5）用復平面（α、β）的電流矢量描述為：

若假定電流源逆變器交流側基波電流對稱，且令：

式中，Im為電流源逆變器交流側基波電流幅值，將式（7）代入式（6）得：

式（8）表明：用一個空間同步旋轉電流矢量可以描述三相對稱基波電流。

圖2 三相CSI空間電流矢量的組成

把傳統的二值邏輯空間矢量對應的開關狀態經過二-三值邏輯轉換之后可得對應的三相電流源逆變器的電流空間矢量，該矢量可用開關函數（Qa，Qb，Qc）的組合來描述，其構成如圖2所示。

三相電流源逆變器的空間電流矢量可描述為：

圖3 三相電流源逆變器（CSI）空間電流矢量分布

三相電流源逆變器（CSI）的空間電流矢量分布如圖3所示，利用電流源逆變器的9個空間電流矢量Ik（k＝1-9）按照一定的次序進行矢量合成，就可以得到指令電流矢量I，如指令電流矢量在扇區I范圍內，則可以利用扇區I的兩個邊界矢量I1、I2來合成指令矢量。假如兩個矢量I1、I2的作用時間分別為T1、T2，設脈寬調制的開關周期為TS，則有I1T1＋I2T2＝ITS。并且在邊界矢量I1、I2的合成過程中根據需要插入零矢量，從而填補TS和T1＋T2之間的時間差，零矢量的作用時間為T0＝（TS-T1-T2）／2，開路零矢量可平均地插入傳統零矢量中。

圖4 矢量合成示意圖

指令矢量的合成原理如圖4所示，由三角形正弦定理得：

上式中，γ為指令矢量I和I1的夾角，并且有：

聯立式（10）和式（11）得：

上式即為指令矢量合成的定量關系式。

電流源逆變器的零矢量有3種形式，分別為I0＝I7，I0＝I8，I0＝I9。為了使一個開關周期中開關器件的轉換次數最少，必須使一個切換過程中只發生一對開關器件的切換，分析各個區域的開關狀態，得出零狀態選擇結果如表2所示。

表2 區域對應零矢量表

4 Matlab仿真電路

根據上述的原理構建基于Matlab Simulink的仿真圖，三值邏輯SVPWM產生模型如圖5所示。

圖5 三值邏輯空間矢量信號產生模型圖

零狀態選擇模型如圖6所示，其中零狀態的選擇由脈沖發生器來實現。上下橋選擇電路如圖7所示，開路零矢量選擇電路如圖8所示。

圖6 零狀態選擇仿真模型圖

圖7 上下橋選擇電路

圖8 開路零矢量選擇電路

對于開路零矢量的注入，采用簡單升壓控制方法，將開路零矢量平均的插入傳統零矢量的中間，開路占空比可由上圖所示的constant模塊來調節。將以上的各部分模塊綜合，可得到系統的控制信號生成模型如圖9所示。

圖9 控制系統仿真模型圖

此外，根據電路的拓撲結構，修改元器件的參數，繪制系統的仿真主電路如圖10所示。

圖10 系統仿真主電路

5 仿真實驗結果

根據以上的分析進行仿真實驗，仿真參數設置如下：Z 源網絡 L1＝L2＝2mH；C1＝C2＝200μF；開關頻率為3kHz，逆變器輸入側電流30A，輸出功率P＝10kW，仿真波形如圖11-13所示。圖11為功率開關管的觸發脈沖信號，從上往下依次為 S1、S2、S3、S4、S5、S6，圖12為Z源網絡電感電流，圖13為輸出的相電流和相電壓波形。

圖11 開關管對應的觸發脈沖

圖12 仿真波形（Z源網絡電感電流）

圖13 空間矢量調制法的輸出電流電壓波形圖

通過仿真結果可以看出，與普通的電流源逆變器相比，通過開路零矢量的引入，Z源逆變器具有升電流的特性，同時應用了三值邏輯SVPWM控制策略后，直流電流利用率得到了顯著提高，且輸出電流和電壓波形的THD有所改善。

6 結論

本文將三值邏輯控制策略引入了電流型Z源逆變器，通過一個二-三值邏輯轉換電路，將傳統電壓型Z源逆變器的控制信號轉換成了電流型Z源逆變器的控制信號，從而將電壓型和電流型Z源逆變器的控制統一起來，并由此提出了電流型Z源逆變器的三值邏輯空間矢量控制策略，最后通過Matlab的Simulink控制箱對控制電路進行了仿真，仿真結果與計算分析結果一致，證明了前述控制策略的合理性和可行性。

［1］Fang Zheng Peng，Z-Source Inverter，IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39（2）：504-510.

［2］房緒鵬.Z源逆變器研究［D］.浙江：浙江大學，2005.

［3］張崇巍，張 興.PWM整流器及其控制［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［4］顧 斌等.Z源逆變器空間矢量控制的DSP實現［J］.電力電子技術，2005（12）：107-108.