新型準Z源三電平逆變器的分析及其特性研究

程啟明　沈磊　程尹曼　魏霖　王玉嬌

摘 要：針對傳統Z源逆變器（ZSI）電容電壓應力大和升壓能力不足等缺陷，提出一種新型準Z源逆變器 （QZSI） 拓撲結構。首先，對新型準Z源逆變器拓撲結構進行穩態分析，得到新型準Z源逆變器的直流鏈輸出電壓和電容電壓;接著，建立新型準Z源逆變器的狀態平均空間模型，引入小信號擾動，分析新型準Z源逆變器的直流側動態特性，為新型準Z源逆變器網絡的無源參數選取和閉環控制提供參考;然后，對新型準Z源逆變器進行簡單升壓控制（SBC），分析新型準Z源逆變器整體的升壓能力;最后，經過計算機仿真和實驗平臺研究，驗證了新型準Z源逆變器拓撲的優越性。新型準Z源逆變器具有更強的升壓能力，可用于需要高輸出電壓場合;新型準Z源逆變器可以有效降低電容電壓應力，一定程度上抑制起動沖擊。

關鍵詞：準Z源逆變器;三電平;直通占空比;簡單升壓控制;狀態空間平均模型;小信號分析

DOI：10.15938/j.emc.2020.09.015

中圖分類號：TM 464

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2020）09-0134-11

Analysis and characteristics of new quasi-Z source three-level inverter

CHENG Qi-ming1， SHEN Lei1， CHENG Yin-man2， WEI Lin 1， WANG Yu-jiao1

（1.College of Automation Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China; 2.College of Electronics and Information Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract：

Aiming at the limitations of traditional Z-source Inverter （ZSI）， insufficient boosting capacity and large capacitance voltage stress， a new quasi Z-source inverter （QZSI） topology was proposed. First， the new QZSI topology structure is aligned with steady-state analysis. The DC link output voltage and capacitor voltage of new QZSI were got; Then， the state average space model of new QZSI was established， small signal disturbance was introduced， and the DC side dynamic characteristics were analyzed to provide reference for passive parameter selection and closed-loop control of the new QZSI network. Then， it is subjected to simple boost control （SBC） to analyze the overall boosting capability of the new QZSI inverter. Finally， through the computer simulation and experimental platform， the superiority of the new QZSI topology was verified. The new quasi-Z-source inverter has stronger boost capability， which is used in the situation where high output voltage is required; and the new quasi-Z-source inverter can effectively reduce the voltage stress of capacitor and restrain the starting impulse to a certain extent.

Keywords：quasi-Z source inverter; three-level; shoot-through duty ratio; simple boost control; state space average model; small signal analysis

0 引 言

Z源逆變器（Z-source inverter，ZSI）在2003年由彭方正[1]提出，結合對逆變器的直通控制，避免插入死區，實現電壓靈活輸出，增強逆變器系統可靠性和兼容性[2-3]。因為ZSI的上述優點，使其在光伏風力發電、燃料電池等輸入電壓寬范圍的場合具有廣闊的發展前途[4-5]。但是，現有Z源逆變器拓撲存在一些缺陷：直流升壓因子較小，在要求輸出電壓較高時，必須增加直通時間，使得逆變器長時間處于惡劣工作環境，也加大了電容電壓應力，容易損壞逆變器[6-8]。由于調制比的制約，傳統ZSI的直通占空比無法取得較大值，這就限制了電壓輸出范圍。

海內外專家在不同方向致力于ZSI研究。文獻[9-15]對Z源網絡的建模、無源參數的設計和調制器的設計進行了細致地研究;文獻[16-18]針對傳統ZSI的不足，在拓撲結構上進行了不同層次改進。

上述文獻分析集中于兩電平，與兩電平逆變器對比，三電平中點箝位型（neutral-point-clamped，NPC）逆變器輸出的電壓電流諧波低。IGBT關斷時承受的電壓更低，可有效降低濾波器等無源器件的體積和重量。用NPC結構實現三電平ZSI，可以充分發揮兩者各自優勢。

文獻[19]提出結構簡單的NPC三電平ZSI，但會出現中點電位不是0的現象。文獻[20]采用級聯方式來擴大升壓因子，這種級聯式結構雖然理論上可行，但是硬件實現起來成本較高，降低了系統穩定性。文獻[21]提出用電感耦合技術減小磁性元件的尺寸重量，減小輸入電流紋波，但是電容承受電壓依舊很大。

本文提出一種NPC準Z源三電平逆變器結構，與現有技術比較，明顯提高升壓能力，電容承受電壓降低，IGBT承受電壓強度減小，逆變器輸出波形正弦度更高。

首先，在穩態時對準Z源工作原理進行深入分析。通過理論計算，得出直流鏈輸出電壓和電容電壓;然后，建立其狀態平均空間模型，引入小信號擾動，分析其動態特性;接著，研究基于改進載波同相層疊法的簡單升壓控制[22]，分析逆變器整體的升壓能力;最后，軟件和實驗平臺驗證了新拓撲的優越性。

1 新型QZSI的結構和狀態

1.1 QZSI逆變器的拓撲結構

為了解決傳統ZSI電容電壓應力大，升壓效果有限等問題，提出了一種新型準Z源逆變器（quasi Z-source inverter，QZSI）三電平拓撲結構，如圖1所示。這種逆變器拓撲結構采用了只有1個電壓為uin的直流輸入電源，Cs1和Cs2為分壓電容，且Cs1=Cs2，upn為直流鏈輸出電壓。準Z源網絡部分由4個電感（L1～L4）、2個電容（C1～C2）和8個二極管（D1～D6、VD1和VD2）組成。L1～L2、D1～D3組成第1路開關電感單位，L3～L4、D4～D6組成第2路開關電感單位。

1.2 QZSI的工作原理

QZSI通過切換半直通與非直通狀態的2種工作方式來獲得升壓效果。為了便于分析，假設準Z源中電感L1=L2=L3=L4=L，電容值C1=C2=C。準Z源逆變器具有直通與非直通2種運行狀況。

1）直通狀態。

在此運行方式，直通零矢量作用，逆變橋臂被短接。在基于載波同相層疊法的簡單升壓控制基礎上插入上下直通達到升壓效果，具體調制策略下文有介紹。圖2是上下直通等效電路。

上、下直通的工作原理相同，為了保證2種直通狀態下輸出電壓平衡，兩者作用時間都等于T0，能量都從電源和電容向電感和負載轉移。

2）非直通狀態。

在此運行方式，非直通零矢量作用。逆變橋臂和負載等效為2個電流源，此時VD1、VD2導通。此方式的運行狀態如圖3所示。

由圖3可得：

設開關周期為Ts，依據電感伏秒平衡定理，可得

uC=2D1-2Duin。（4）

式中D為直通占空比，D=T0/Ts。

根據電容安秒平衡定理，可得

將式（4）分別帶入式（2）和式（3），得到直流母線電壓為：

upn=1+2D1-2Duin，非直通時;

1+2D2（1-2D）uin，上/下直通。（6）

整個逆變器系統輸出的相電壓基波為

ux=Mupn2=M（1+2D）2（1-2D）uin=MBuin2。（7）

式中：下標x=A、B、C三相中某一相;M為逆變器的調制比;B為升壓比，B=1+2D1-2D。

1.3 QZSI升壓效果與電容電壓應力研究

ZSI直流鏈的峰值電壓為

upn=11-2Duin。（8）

比較式（6）與式（8）能夠看出，相對于傳統的ZSI，本文提出的QZSI升壓效果更好。圖4為2種拓撲結構下B與D之間的曲線圖。

由圖4可見，在D=0.4時，傳統ZSI的升壓比B僅為5，而新型的QZSI的升壓比可達9。新型拓撲具有更強的升壓效果。

傳統Z源的電容電壓可以表示為

uC=1-D1-2Duin。（9）

文獻[15]提出的開關電感型Z源逆變器電容電壓為

uC=1-D1-3Duin。（10）

圖5是不同拓撲下電容電壓比較曲線。以uin=800 V、D=0.1為例，傳統Z源逆變器的Z源電容電壓為900 V，開關電感型的電容電壓為1 028.6 V，本文所提新拓撲結構的電容電壓僅為228.3 V。可以看出，新拓撲極大降低了電容電壓。

2 新型QZSI的小信號穩定性分析

根據新拓撲結構特點，可分為準Z源直流升壓側和逆變側兩部分。直流側控制逆變器D0實現輸入電壓的升高，最能體現新型QZSI特性。為此下面分析準Z源直流升壓側的動態性能。

設直流升壓側上部電感電流是iL1，電容電壓是uC1;下部2個電感電流均為iL2，電容電壓為uC2;中性線上方的負載電流為iload1，下方的負載電流為iload2。不考慮電感寄生電阻和電容串聯電阻，定義狀態變量x=[iL1 iL2 uC1 uC2]T、u=[uin iload1 iload2]T。

非直通狀態時有：

設定表1所示的參數為額定條件下的參數，分析額定條件下的零極點分布情況。

按照表1中的額定參數，根據式（4）、式（5）可得到IL=45 A、UC=200 V，將額定條件參數代入式（26），得到傳遞函數為

Gud（s）=0.18s+2 4002×10-6s2+0.96。（27）

觀察不同參數改變對系統零極點的分布影響。圖6為不同電容值下，傳遞函數Gud（s）的零極點分布。電容值C分別為1 000、2 000、3 000和4 000 μF。

圖7為不同電感值下，Gud（s）的零極點分布，電感值L分別為1、5、10和15 mH。

圖8為不同直通占空比下，Gud（s）的零極點分布。D0分別為0.1、0.15、0.2和0.25。

無論電容值、電感值和直通占空比如何改變，Gud（s）的零極點都位于左半平面或者虛軸上，本系統為一個最小相位系統。由圖6可見，當電容值C變大，Gud（s）極點越發靠近實軸，系統阻尼提高，上升時間延長。由圖7可見，當電感值L增大，Gud（s）極點逐漸靠近實軸，延長穩定時間，損壞其動態特性，容易發生震蕩。同時零點沿著實軸逐漸接近原點，超調量變大。由圖8可見，D0變大時，Gud（s）的極點逐漸接近實軸，系統的震蕩頻率降低，零點遠離虛軸，影響系統的魯棒性。

分析不同參數改變對系統魯棒性和動態特性的影響，對ZSI參數優化選擇與控制系統設計有一定的參考意義。

3 新型QZSI的簡單升壓控制

準Z源三電平逆變器的簡單升壓控制（simple boost control，SBC）用兩層幅值和相位均相同的三角波作為載波，并與同一調制波比較，產生脈沖信號。在保證非直通狀態不變的前提下，插入上下直通零矢量，起到簡單升壓效果。因而需要對雙層載波層疊法進行改進。

保留雙層載波層疊法的整體結構，引入周期性的直通脈動量Vp。隨著調制波過零點，Vp發生脈動。以A相為例，圖9是基于改進雙層載波層疊法的SBC原理示意圖。

比較上層載波Vα與調制波Vm的大小來控制VTA1和VTA3的開關狀態。當Vα>Vm時，開關部件VTA1關斷、VTA3導通;當VαVm時，開關部件VTA2關斷、VTA4導通。

在此基礎上，調制波正半波時，當Vα>脈動直流分量Vp時，VTA1、VTA2和VTA3導通，實現了上直通狀態的插入。調制波負半周期時，當Vβ

定義電壓增益為

G=MB=U0Uin/2。（28）

式中U0為輸出相電壓的峰值。在SBC下，采用最大的調制比M=1-D，QZSI能夠獲得的電壓增益為

G=MB=M（3-2M）2M-1。（29）

傳統ZSI的電壓增益為

G=MB=M2M-1。（30）

比較式（29）和式（30），可得到2種拓撲結構在SBC下電壓增益曲線，如圖10所示。

由圖10可見，在調制因子為1時，兩者不實現升壓。QZSI相比于ZSI，電壓增益要大得多，這表明QZSI可以擴大電壓輸出范圍。電壓增益確定時，新拓撲能夠采取更高的M，從而提高輸出電壓波形正弦度，提升經濟性。

4 新型QZSI的軟件仿真分析

為驗證上文中的理論推導，對新型QZSI進行了計算機仿真研究。仿真參數取值為：Z源網絡L1=L2=L3=L4=10 mH，C1=C2=400 μF;載波的頻率為5 kHz;輸出濾波器為Lf=30 mH，Cf=50 μF;每相阻性負載為10SymbolWA@。

當uin=200 V、D0=0.2且M=0.8時，QZSI仿真波形如圖11所示。當uin=200 V且D0=0.1時，傳統ZSI與QZSI的電容電壓仿真波形如圖12所示。

由圖11可見，uin=200 V、D0= 0.2時，電容C1、C2的電壓是133.3 V，直流母線電壓是466 V，上下直通時電壓約為233 V，與之前的理論計算相符合，此時B=2.34、G=1.87。電感一開始存在起動沖擊電流，在0.02 s也就是一個周期之后進入穩態，穩態時的電感電流維持在數安左右，電感電流波動小。理論上逆變器輸出的相電壓為±BUdc、0共3種電平值，也就是±2333 V和0，基波幅值為MBuin/2，即186.4 V。理論上逆變器輸出線電壓為SymbolqB@ BUdc、SymbolqB@ BUdc/2、0共5種幅值，即為±466.6、±233.3、0 V，經過濾波后正弦度高。對于傳統ZSI而言，直流鏈峰值輸出電壓僅為333.3 V，只有新拓撲結構的71%，相應的逆變器輸出電壓值以及濾波后輸出的電壓都會降低，此時ZSI的電容電壓為26667 V。

由圖12可見，uin=200 V、D0=0.1情況下，穩態時QZSI的電容電壓僅為50 V左右，而傳統ZSI電容電壓為225 V，大于直流源輸入電壓，并且進入穩態前動態沖擊大，容易破壞Z源網絡。

圖13為分壓電容CS1、CS2電壓，由圖可見，經過控制策略調整，分壓電容穩定在128 V左右，震蕩幅度很小，系統具有較高穩定性。

5 新型QZSI的硬件實驗分析

硬件實驗平臺如圖14所示，圖中，直流輸入由一臺直流穩壓電源提供，載波同相層疊法的SBC調制信號由TMS320F28335型的DSP產生。參數取值均與軟件仿真相同，逆變器輸出經過濾波器接到電阻負載上。

圖15為直流輸入電壓Uin=200 V且直通占空比D0=0時實驗波形。由圖可見，此時準Z源網絡電容電壓很低，直流鏈輸出電壓在100 V和200 V之間跳變，直流輸出電壓沒有得到提升，逆變器輸出線電壓經過濾波后正弦度優良。

圖16為Uin=200 V和D0=0.2時穩態實驗波形，準Z源網絡電容電壓在130 V左右。直流母線電壓在230 V與460 V之間跳變，與理論相一致。逆變器輸出線電壓有±460、±230、0 V共5個電平值。經過濾波，電壓正弦度高，電能質量好。

圖17為Uin=200 V時QZSI分壓電容電壓波形，由圖可見，分壓電容電壓波動小，CS1和CS2均壓效果優良，系統的穩定性較高。

圖18為Uin=200 V和D0=0.1時，ZSI與QZSI的電容電壓實驗波形。由圖可見，新拓撲的電容電壓大大降低，并在一定程度上抑制了沖擊。因此，硬件平臺實驗進一步驗證了新拓撲結構具有很強的升壓能力和降低電容電壓的應力效果。

6 結 論

本文提出了一種新型的NPC型準Z源三電平逆變器，并對其進行簡單升壓控制。通過軟件仿真和硬件實驗，并與傳統ZSI相比，可得出如下結論：

1）新拓撲具有更強的升壓能力，可用于需要高輸出的電壓場合;

2）新拓撲結構可以有效降低電容電壓應力，一定程度上抑制起動沖擊;

3）利用狀態空間模型和小信號分析，較大的電感電容值雖然有利于穩態性能的提高，但零極點更靠近原點，從而破壞其動態特性。

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（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2019-04-21

基金項目：國家自然科學基金（61573239）; 上海市電站自動化技術重點實驗室項目（13DZ2273800）

作者簡介：程啟明（1965—），男，博士，教授，研究方向為電力系統自動化、發電過程控制、先進控制及應用等;

沈 磊（1994—），男，碩士，研究方向為電力系統自動化、新能源發電控制等;

程尹曼（1990—），女，碩士，研究方向為電力系統自動化、新能源發電控制等;

魏 霖（1995—），男，碩士，研究方向為電力系統自動化、電機控制等;

王玉嬌（1990—），女，碩士，研究方向為電力系統自動化、電機控制等。

通信作者：沈 磊