三相Z源逆變器延時控制的定性分析研究

劉潔 魏金成 伍林

The Research of the Three Phase Z-Source Inverter Based on the Method in Delay

School of Electronic Information and Electrical Engineering，Xihua University ?LIU Jie ?WEI Jin Cheng ?WU Lin

【摘要】傳統的三相電壓型逆變器的輸出總是小于輸入，想要得到一個大的輸出的話就必須要外接一個升壓電路，這會造成成本的增加。Z源逆變器的提出能夠有效的解決這個問題，z源逆變器作為一個可以自由控制升、降壓范圍的單級式的逆變模型，具有簡單的拓撲結構、高效的利用率和系統的可靠性等特點，目前正被廣泛的應用到各種新能源系統中。本文通過對Z源逆變器電路工作原理進行分析，在正弦脈沖寬度調制技術（SPWM控制）的基礎上提出了延時控制方式，在保持所有上橋臂導通時間不變的情況下，對三個下橋臂的導通時間做一個延時滯后處理，利用延時產生的微小的時間差，獲得直通零矢量，從而實現對輸出電壓調節的目的。最后利用matlab仿真驗證了Z源逆變器的加入能提高輸出電壓的大小，并且能夠很好的控制諧波畸變率。

【關鍵詞】Z源逆變器;SPWM控制;延時控制

Abstract：The result of traditional three-phase inverter can not gain a good condition，which the value of the voltage in the side of load is lower than the DC side.In order to get a well result，we can contact a boost model in the cicurt，absolutly，the way will arise the price.More and more paper proposed Z-source inverter to solve these problem，Z-source inverter is a single-stage inverter model which can make the circuit buck-boost.The simple topology，efficient utilization and system reliability ，those features make it being applied to a variety of new energy systems widely.The paper proposed the control methods of delay by analyzing the work principle，which is keeping the upper leg constant with the voltage of lower leg lag.So the relationship between the upper and the lower has been changed，in this way，a new vector has been product.we can chang the range of the output by the vector.Finaly，it is verified that the rationality of the Z-source based on Simulink.

Key words：Z-source inverter;SPWM control;delay control

引言

對三相逆變器的研究分析過程表明傳統的三相電壓型逆變器是一個降壓模式，輸出電壓總是小于輸入給定電壓，也就是說，得到的輸出電壓范圍是有限的。對于一些需要得到較大輸出電壓范圍的電能傳輸系統來說，常常需要在輸出側級聯一個升壓斬波器，從而實現升壓的目的，這樣的結果不僅會使系統的成本增加，開關損耗也會相應的增加，而且還會導致系統的傳遞效率降低。同時由于電壓型逆變器與電流型逆變器主電路不能互換，造成了使用的局限性。傳統逆變器最大的問題是當電磁干擾導致橋臂瞬時開路或短路時，會造成器件的損壞，可靠性較低[1-2]。正是由于這些缺點，Z源逆變器這種新型的逆變器拓撲結構受到了越來越多的人關注，該模型在一定程度上克服了傳統電壓源和電流源逆變器的不足。

1.Z源逆變器拓撲結構

Z源逆變器較傳統逆變器而言，多了一個Z源網絡，它由等值的兩個電感L1，L2和電容C1，C2組成，接成X形，提供Z源，連接著電源與逆變器主電路。正是這一結構，允許逆變橋臂瞬時開路和短路，由此實現主電路電壓的升、降調節。

圖1 Z源逆變器一般結構

Z源逆變器的電源既可以是電壓源，也可以是電流源，與傳統的電壓源或電流源逆變器不同，Z源逆變器的直流電源可以是任意的，如電池，二極管整流器，晶閘管變流器，電感，電容器或者是它們的組合[3]。

Z源逆變器既可以工作于電壓型逆變器模式，也可以工作于以電流型逆變器模式情況下，考慮到實際應用中電壓型的逆變器使用的較多，因此本文主要研究電壓型逆變器模式下的工作情況。輸入電源為電壓源，主電路為傳統的電壓源逆變器結構，三相橋臂采用開關器件和二極管反并聯的組合，負載為感性。

利用兩個電感和兩電容組成的Z網絡使得逆變機構能夠實現單級的升降壓過程，簡化了結構，允許橋臂的上下開關管直通且無死區時間，增強了逆變器的電壓利用率和抗干擾能力。正是這些優點，使得Z源逆變器在燃料電池，光伏發電和風力發電等新能源領域有較大的應用價值。

2.Z源逆變器工作原理

Z源逆變器的升壓主要是通過Z網絡中的電容電壓的作用實現的，首先輸入的直流電壓在逆變橋臂的高頻開斷的作用下對電容充電，使電容升壓，再由電容和電感諧振配合作用下提升逆變橋的輸入電壓;伴隨著高頻開關管的開通與關斷，對電容的不斷充放電過程，使得電壓升成為可能，因此電容電壓的質量直接影響到整個網絡輸出電壓的質量[4-6]。

Z源網絡的電容電壓同樣也受到輸出交流電壓的影響，若要求輸出交流電壓比較高，相應的該電容的直流電壓也比較高，它們之間存在以下關系：

（1）

上式表明電容電壓與輸出電壓成線性關系。

根據基本公式：

（2）

簡單控制的方式下，計逆變器一個開關周期為TS，一個短路零矢量的時間為：

（3）

最后考慮到電容的電壓波動，穩態時的電壓比值為：

（4）

所以最終的電容確定為：

（5）

3.Z源逆變器的控制方式

基于連續模式下的傳統電壓型逆變器的正弦脈沖寬度調制（SPWM控制）是在一個采樣周期中由兩個相鄰的有效工作狀態和兩個零矢量狀態配合完成的。而Z源拓撲結構的加入相應的SPWM控制的方式也隨之改變，傳統的逆變器有八個矢量狀態，其中六個是有效矢量狀態，兩個零矢量狀態，而Z源逆變器有九個矢量狀態，與傳統逆變器比較，Z源逆變器多了一個直通零矢量，即任一橋臂的上下開關管同時導通的情況，這在傳統逆變方式中是絕對不允許出現的。調節Z源逆變器的電壓變化主要就是通過這多出的直通零矢量來實現的，而直通零矢量的加入有多種方式，目前主要的有部分或全部替代傳統的零矢量狀態方式來實現Z源逆變器特有的升壓功能。

3.1 SPWM調制分析

文獻[7]通過對幾種不同的PWM控制方式的比較，側重分析了一種采用將直通零矢量加在傳統零矢量兩側的控制方式，即將直通零矢量平均分配在開關換流時刻，結果顯示并不會影響橋臂的正常工作狀態。

圖2 SPWM調制

如圖2所示，令調制信號為，將控制該調制信號上橋臂的導通時間增加，下橋臂的導通時間保持不變，增加的部分就是直通狀態的時間。

時間關系如下：

（6）

（7）

p，n分別表示橋臂的上下開關器件。

同時，另外的兩橋臂是通過保持上開關導通時間不變，增加下開關的導通時間來實現直通零矢量的，即：

（8）

考慮到要增加某一橋臂的任意開關管的導通時間存在一定的難度，涉及到要判斷調制信號的大小的問題，及對調制信號做出相應的時間控制，靈活性不是很高，更重要的是隨著時間的變化，三相調制信號的大小也隨之變化，因此就要不停的切換以尋求最大的控制信號來判斷該哪個橋臂增加作用時間的問題，這些問題還有待商榷?；诖吮疚奶岢隽送ㄟ^延時的方法來引入直通零矢量的方法。

圖5 負載電流分析

圖6 負載線電壓分析

3.2 延時控制分析

延時控制的主要思想就是在保持所有上橋臂導通時間不變的情況的下，對三個下橋臂的導通時間做一個延時滯后處理，與傳統的控制方式比較，并沒有增加或者減少開關管的導通時間，只是使原來上下橋臂互補的關系發生了些許的變化。

如圖3所示，延時控制方法下生成的SPWM控制波形，與傳統的簡單升壓控制和最大升壓控制模式比較，可以看出控制上下開關管作用的波形不存在上下互補的關系，有一定的錯位，正是利用這一微小的時間差，引入了想得到的直通零矢量，從而實現對輸出電壓可調節的目的。

圖7 負載相電壓分析

圖8 負載線電壓分析

圖9 負載相電壓分析

假設Sp，Sn分別表示上下開關管，0、1分別表示開關管的關斷與導通狀態，隨機采樣圖3中的波形，列表可以看出直通零矢量存在的時間范圍，如表1所示。

觀測一個連續周期發現，在兩個傳統的零矢量作用時間范圍內，三橋臂輪流依次直通，被均勻的分配在幾個非零矢量間，確保了輸出電壓連續的增加，保證了穩定輸出結果。

4.仿真分析

圖5-7給出了延時控制下負載輸出電流，線電壓，相電壓的波形，并對其進行了FFT分析，而圖8-9則是一般控制方式下負載輸出的線電壓和相電壓的情況，對比分析后結果表明通過延時控制下的Z源逆變器可以得到比較好的仿真結果，諧波畸變率也控制在了很小的范圍內，達到了理想的狀態。為了進一步減小畸變率，可以在后續模塊中引入濾波器的部分來減小諧波的含量，也可以通過進一步完善Z源模塊的結構及控制方式來減小畸變率，實現真正意義上的低成本，高效率。

5.結束語

本文通過分析SPWM控制方式，提出了Z源逆變器的延時控制模型，主要從定性的角度分析了延時控制的可靠性，利用matlab仿真軟件驗證了該方法的可行性，后期的工作重點將會更加側重與定向的分析延遲時間長短與輸出電壓大小及電容電壓應力大小間的關系。

參考文獻

[1]賈斌.Z源逆變器控制及應用研究[D].山東科技大學學位論文，2012.

[2]丁新平.Z源變流器關鍵技術的研究[D].浙江大學博士學位論文，2007.

[3]崔彬.Z源逆變器的電壓電流雙閉環控制[D].電力電子技術，2007，9.

[4]高奇，彭方正.Z源逆變器主電路研究[D].浙江大學碩士學位論文，2005.

[5]丁久平，謝少軍.具有無功補償功能的串聯型Z源并網逆變器研究[D].南京航空航天大學碩士學位論，2011.

[6]J.Gajanayake，D.M.Vilathgamuwa.“Small-signal and signal-flow-graph modeling of switched Z-source impedance network”.IEEE Power.electron.Lett.vlo.3，no.3，pp.111-116，Sep.2005.

[7]薛必翠，張承惠.Z-源逆變器PWM調制策略的分析與比較[J].電工電能新技術，2013，7.

作者簡介：劉潔（1989—），碩士研究生，主要研究方向：Z源逆變器的研究。