基于Z源逆變器的改進空間矢量脈寬調制算法研究*

薛　陽，　闞東躍，　時宇飛，　鄭　蓉，　鄭夢秋，　張明超

(1. 上海電力學院 自動化工程學院，上海　200090；2. 江蘇國艾電氣有限公司，江蘇 鹽城　224300)

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基于Z源逆變器的改進空間矢量脈寬調制算法研究*

薛陽1，闞東躍1，時宇飛1，鄭蓉1，鄭夢秋1，張明超2

(1. 上海電力學院 自動化工程學院，上海200090；2. 江蘇國艾電氣有限公司，江蘇 鹽城224300)

Z源逆變器通過在空間矢量脈寬調制(SVPWM)算法中插入直通零矢量，從而獲得獨有的升壓能力。傳統算法首先需要坐標變換來進行扇區判斷及時間點計算，存在大量復雜運算，降低了系統時效性。針對這一問題提出改進算法，直接利用三相電壓進行扇區判斷，并計算扇區內相鄰基礎矢量及直通零矢量作用時間，從而得到開關次序，無需進行坐標變換。通過仿真，在以DSP為控制核心的Z源逆變器系統中驗證了算法的可行性。試驗表明，與傳統SVPWM算法相比，改進型算法響應速度快，具有較高的系統效率。

Z源逆變器； 空間矢量脈寬調制； 扇區； 直通零矢量

0　引　言

隨著能源危機的日益加劇，風能、太陽能、水能等清潔能源逐漸興起。在這些新能源發電系統中，逆變器是主要的組成部分。與傳統逆變器相比，Z源逆變器可在直通和非直通兩種模式下正常工作[1-2]，對于開關器件的控制不再需要加入死區時間，可以通過調整直通占空比來控制其升降壓特性[3]。因此，Z源逆變器有較寬的輸入電壓范圍和較高的系統可靠性及電磁兼容性。逆變器脈寬調制模塊主要采用正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation， SPWM)與空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM)兩種算法。與SPWM算法相比，SVPWM算法能夠使輸出的電流波形盡可能的接近于理想的正弦波，且直流電壓利用率提高15.47%，能夠有效減少諧波，但也有算法復雜、實現較難等缺點[4-8]。文獻[9]提出了一種壓縮變換，通過壓縮后矢量符號及大小進行扇區判斷，減少了運算量及代碼長度。文獻[10]將兩個零矢量重新分配，減少了開關次數及諧波的出現，提高了系統運行效率。文獻[11]在三相四開關系統中對電壓矢量扇區進行重新劃分，提高了系統可靠性。文獻[12-13]分別敘述了基于Z源逆變器SVPWM算法的兩種改進方向： 一種是通過改進直通零矢量的分配方法，提高零矢量的利用率，獲得更好的升壓能力；另一種是通過改進扇區判斷條件來減少算法復雜程度，提高系統效率。文獻[14-15]介紹了在DSP上如何實現SVPWM算法。

本文在參考以上文獻的基礎上，改進了基于Z源逆變器7段式SVPWM的實現方法，去掉了傳統算法中的坐標變換，通過比較三相電壓來判斷所在扇區。該算法簡化了傳統算法的運算步驟，縮短了DSP上的代碼長度，改善了系統的實時性。同時，在MATLAB中對改進型算法進行仿真，最后在以DSP(TMS320F28335)為控制器的Z源逆變器系統中進行試驗，驗證改進算法的有效性。

1　Z源逆變器的拓撲結構及工作原理

Z源逆變器的拓撲結構如圖1所示。與傳統逆變器相比，Z源逆變器是在直流側引入一個由兩個電容C1，C2和兩個電感L1，L2呈X形所組成的Z源網絡，將直流電源與逆變器耦合在一起，其中C1=C2，L1=L2。

圖1　Z源逆變器拓撲結構

Z源網絡的引入，使逆變橋與橋臂上下功率管可以同時導通。Z源逆變器正是通過這種直通零矢量狀態獲得了升壓能力，由直通和非直通分為兩種工作狀態。

當Z源逆變器處于直通狀態時，二極管反向截止，其等效電路如圖2(a)所示。設開關周期時間為T，直通時間為Tsh，由等效電路可得

(1)

處于非直通狀態時，其等效電路如圖2(b)所示。設非直通時間為T0，由等效電路可得

(2)

由安秒特性將式(1)、式(2)聯立可得

(3)

其中：

D0=Tsh/T

式中：D0——直通零矢量占空比；

B——Z源逆變器的升壓比。

圖2　Z源逆變器兩種工作狀態

(4)

其中：

式中：M——逆變器的調制比。

Z源逆變器通常采用SPWM與SVPWM兩種控制算法。當采用SVPWM算法時，逆變器能夠輸出的最大不失真圓形旋轉電壓的幅值為

2　傳統SVPWM算法

SVPWM是由三相逆變器的六個開關元件所組成特定開關模式，產生調制波的控制方法。其目的是得到圓形的旋轉磁場，使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波。

設逆變器輸出的三相相電壓為UA、UB、UC，它們的方向分別在空間上互差120°的三相平面靜止坐標系的軸線上，而大小則隨時間按正弦規律變化，則有

(6)

其中：

θ=2πft

式中：Um——相電壓有效值。

合成的空間矢量Uref可以表示為

(7)

用SA、SB、SC分別標記三個橋臂的狀態，規定當上橋臂器件導通時橋臂狀態為1，下橋臂導通時橋臂狀態為0，當3個橋臂的功率開關管變化時，就會得到8種開關模式，每種開關模式對應一個幅值為2Ud/3的電壓矢量，同時存在兩種零矢量。這樣就得到了逆變器在不同開關狀態下的基本空間矢量，如表1所示。

表1　逆變器的不同開關狀態對應的空間矢量表

觀察表1可知，三相電壓源逆變器在不同的開關組合時的交流側電壓可用一個模為2Ud/3的空間電壓矢量在復平面上表示出來，這樣就會得到8條空間矢量，將正六邊形平分成6個扇區，如圖3所示。

圖3　基礎矢量及扇區分布

算法實現結構如圖4所示。重點是利用所在扇區的兩個相鄰基礎矢量去合成扇區中的任意矢量Uref，并計算Uref在兩個基礎矢量上投影得到矢量的作用時間。然后計算出時間切換點，與三角波比較生成PWM波。

圖4　傳統SVPWM算法流程

(8)

通過計算可得投影矢量作用時間：

(9)

計算T1、T2時有可能出現T1+T2>Ts的情況，因此，還必須進行T1、T2的標準化：

(10)

這樣就得到了電壓指令Uref在第Ⅰ扇區時，基礎電壓矢量作用的時間，同理可得Uref在其他各個扇區的作用時間。由此可計算出時間切換點，從而生成PWM波。

3　基于Z源逆變器的改進型SVPWM算法

傳統基于Z源逆變器的SVPWM算法首先需要進行坐標變換，然后進行扇區判斷及矢量作用時間的計算，存在復雜無理數計算，導致系統效率較低。本文提出的新型算法不需要進行坐標變換就可直接進行扇區判斷及時間點計算，減少了計算量和系統占用的資源。

3.1簡化扇區判斷

設矢量在第Ⅰ扇區。通過式(7)可得矢量在第Ⅰ扇區的判斷條件為

(11)

化簡可得UA>UB>UC。同理可得全部扇區判斷流程如圖5所示。

圖5　改進扇區判斷流程

由此可見簡化扇區判斷方法不需要進行坐標變換，可直接通過三相電壓大小比較判斷所在扇區。

3.2基于Z源逆變器的改進SVPWM算法

因為直通零狀態和傳統零狀態對逆變器輸出影響相同，所以每個載波周期內在保持每個開關周期內有效矢量不變的情況下，零狀態可以由直通零狀態部分或者全部替代來實現升降壓的目的[3]。基于Z源逆變器的SVPWM算法存在簡單控制和直通分段控制兩種。由于簡單SVPWM算法直接添加直通狀態會使開關頻率加倍，進而導致開關容易損壞，降低系統穩定性，所以本文中所述均為直通分段式SVPWM控制。

為了保證與傳統的PWM控制開關頻率一致，可將直通狀態平均分配到每個橋臂上，并保持原有效時間不變。在第Ⅰ扇區時開關作用時間如圖6所示。

圖6　Z源逆變器開關時序

在改進算法中，T1、T2與傳統SVPWM算法中相同。將式(7)代入式(9)可得

(12)

設在一個周期Ts內，直通零矢量作用時間為Tsh。在圖6中，Ta、Tb、Tc為傳統三個橋臂開關管狀態變化的時間。T1、T2由式(12)計算所得。將Tsh平均分為6等份，在上下橋臂開關換流時插入，作用時間為Tsh/6。剩余時段由傳統零矢量作用，時間為(T0-Tsh)/4。由此可以計算出Z源逆變器各橋臂開關管狀態的時間信號Tan、Tap，Tbn、Tbp，Tcn、Tcp。

4　仿真及試驗驗證

為驗證上述理論分析，在MATLAB環境下進行仿真驗證。由改進型SVPWM控制模塊輸出6路PWM波，如圖7所示。

當直流母線電壓Ud=200V，L=2mH，C=500mF時，得到直流側電壓、濾波后輸出線電壓

圖7　三相PWM信號

及電流、電容電壓和電感電流如圖8所示。由圖8可見，當D0取0.2時，直流側電壓接近333V，與上述分析一致。

圖8　仿真輸出結果

最后為了更好地驗證理論分析與仿真結果，搭建了由DSP(TMS320F28335)控制器、Z源逆變器、示波器、可調直流電源所組成的試驗平臺。由TLP250構成驅動電路輸出一路PWM信號，如圖9所示。將輸出線電壓進行濾波后得到圖10，可見所得電流波形接近正弦波。

5　結　語

本文在分析Z源逆變器的工作原理及傳統SVPWM算法實現過程的基礎上，給出了改進型SVPWM算法的實現過程。設計并成功制作有

圖9　驅動電路輸出PWM

圖10　濾波輸出線電壓與電流

DSP(TMS320F28335)控制器的Z源逆變器系統試驗平臺。通過仿真試驗，驗證了本文所提出的改進型算法的正確性。由于算法的簡化，可以有效地降低運算難度，減少了內存占用空間，提高了系統運行速度穩定性。

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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

上海市自然科學基金資助項目(13ZR1417800)；國家自然科學基金資助項目(51405286)；上海市重點科技攻關計劃項目(14110500700)；上海市電站自動化技術重點實驗室項目(13DZ2273800)

薛陽(1976—)，男，博士后，副教授，研究方向為智能控制、太陽能發電技術、微電網技術等。

闞東躍(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為光伏逆變器并網控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)09- 0014- 06

2016-04-05