[科普中國]-Z源逆變器控制方法

Z源逆變器的提出

美國密歇根州立大學彭方正博士1提出的Z源逆變器，有效地克服了上述傳統(tǒng)電壓源和電流源逆變器的不足，為功率變換提供了一種新的思路和理論，通過引進一個X型交叉阻抗源網絡，將逆變橋與電源藕合，其拓撲結構如圖所示。

Z源逆變器憑借其自身拓撲的獨特性可自由地工作在開關管斷路或直通狀態(tài)下，這為逆變電路根據需要來選擇升/降壓提供了一種新的機制。這種機制具有極大的靈活性1：

(1)Z源逆變器的電源既可為電壓源，也可為電流源。因此，與傳統(tǒng)的電壓源和電流源逆變器不同，Z源逆變器的直流電源可以為任意的，如電池、二極管整流器、晶閘管變流器、燃料電池堆、光伏陣列輸入、電感、電容器或它們的組合。

(2)Z源逆變器的主電路既可為傳統(tǒng)的電壓源的形式，也可為傳統(tǒng)的電流源的形式。Z源逆變器所采用的開關可以是開關器件和二極管的組合。既可以是傳統(tǒng)電壓源逆變器的反并聯(lián)組合，也可以是傳統(tǒng)電流源逆變器的串聯(lián)組合。

(3)Z源逆變器的輸出負載可為感性，也可以為容性。

Z源逆變器國內外的研究現(xiàn)狀如今，對Z源逆變器的理論研究己取得了重大突破，其拓撲結構在AC/AC，AC/DC，DC/DC，DC/AC功率變換的應用前景也引起了國內外學者的廣泛關注。因此，研究Z源逆變器就具有了很強的理論與實際意義。近年來，在Z源逆變器的新型拓撲結構,PWM脈沖寬度調制方法、建?？刂萍肮ぷ髂Ｊ椒治?、應用領域源AC-AC變換器等方面展開了大量的研究。

對Z源逆變器的新型拓撲結構的研究，己有許多成果。準Z源逆變器的提出改善了Z源逆變器，在不增加元件的基礎上，提高輸入性能，降低電容耐壓值，從而減小電容體積。最近，關于提高Z源逆變器升壓因子的研究很多。開關電感型Z源/準Z源逆變器利用開關電感結構實現(xiàn)升壓因子的提高；T型逆變器變壓器型Z源/準Z源逆變器利用融合電感或變壓器結構提高電路的升壓能力。這些新型拓撲在提高升壓因子的同時，朝著減少元件個數(shù)、降低元器件電壓/電流應力、減小輸入電流紋波、改善輸出波形質量等方向邁進。

關于脈寬調制方法的研究也有很多，有研究通過對直通零矢量時間的合理分配來減小電感電流紋波，從而減小電感值。在控制方法上，有文獻分析比較4種SVPWM調制策略，將直通零矢量平均分為6段、4段、2段或1段插入到傳統(tǒng)零矢量的開關切換時刻，不同的分段插入方法使得最大直通占空比不同。與三角載波相比，采用正弦載波，可以獲得更大的直通占空比?？偟膩碚f，有簡單升壓調制、最大升壓調制、最大恒定升壓調制、3次諧波注入升壓調制、正弦載波PWM調制、簡單SVPWM調制、直通分段SVPWM調制等，每種調制方法對應的最大增益因子、輸出電壓的諧波性能、功率器件的電壓應力都有所不同。

建?？刂品矫妫形墨I深入研究了Z源變換器的交流小信號模型，并推導和驗證了其建模方法。也有研究提出了電壓源型Z源逆變器的瞬態(tài)建模方法，進行推導分析，并采用開關函數(shù)法建立了三相Z源逆變器的數(shù)學模型2。

將Z源逆變器可以應用到燃料電池領域，具有單級式的系統(tǒng)結構、輸出電壓范圍寬、效率高等優(yōu)點，如圖所示。

Z源逆變器應用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，該系統(tǒng)為可實現(xiàn)升/降壓功能的單級系統(tǒng)，具有結構簡單、可靠性高等優(yōu)點，如圖所示。

三相Z源逆變器還可以應用在風力發(fā)電系統(tǒng)中，可實現(xiàn)系統(tǒng)在較寬范圍內的變速運行，同時具有高效率特點。

Z源逆變器在燃料電池、太陽能、風能等分布式能源的應用中具有廣闊的前景。

Z源逆變器的基本工作原理Z源逆變器的拓撲結構已給出，在Z源逆變器里，電感 ， 與電容 ， 構成一個兩端口X型網絡，其阻抗網絡將電源與逆變器主電路藕合在一起。與傳統(tǒng)逆變器相比，Z源逆變器最大的特點是逆變橋的功率開關管可以同一橋臂上下同時導通或上、下橋臂同時斷開。傳統(tǒng)電壓源型逆變器的PWM調制包括6種有效矢量狀態(tài)與2種零矢量狀態(tài)，共8種狀態(tài)。在此基礎上，Z源逆變器增加了一種傳統(tǒng)逆變器所禁止的狀態(tài)一直通零矢量狀態(tài)(即任一橋臂的上、下開關管同時導通)，共9種狀態(tài)。Z源逆變器正是應用直通零矢量狀態(tài)來達到輸出電壓的升/降壓。因此，可避免由電磁干擾引起開關誤動作而損壞變壓器的情況，提高整機的可靠性。Z源逆變器的PWM調制無需考慮死區(qū)時間，控制顯得相對簡單，輸出波形亦得到改善。

電路工作在直通狀態(tài)下， 關斷， 與 并聯(lián)， 經 續(xù)流； 與 并聯(lián)， 經 續(xù)流。另一方面，電路工作在非直通狀態(tài)（對應傳統(tǒng)逆變器的6種有效矢量和2種零矢量狀態(tài)）下， 導通， 與 分別通過兩回路（電源- - ，電源- - ）進行充電， 與 向主電路傳輸能量3。

Z源逆變器的拓撲結構準Z源逆變器準Z源逆變器有2種類型，即輸入電流連續(xù)型與輸入電流斷續(xù)型。其電路拓撲結構如右圖所示。在不增加元件個數(shù)的基礎上，對傳統(tǒng)Z源逆變器阻抗網絡的電感、電容的位置稍作調整，形成一種新的拓撲結構，即準Z源逆變器。與傳統(tǒng)Z源逆變器相比，準Z源逆變器整個電路拓撲擁有一個公共的直流源接地點，且不存在啟動沖擊電流回路。同時，準Z源逆變器具有相同的升壓因子，也是利用直通零矢量狀態(tài)來實現(xiàn)輸出電壓的升/降壓。

開關電感型Z源逆變器

在DC-DC變換器里，常利用開關電感或開關電容結構來實現(xiàn)變換器的升/降壓。開關電感型Z源逆變器將開關電感結構與Z源逆變器里結合在一起，形成開關電感型Z源逆變器，其電路拓撲結構如右圖所示。

開關電感型Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器一樣，亦是利用直通現(xiàn)象來實現(xiàn)輸出電壓的升/降壓。該拓撲里，設電感L1, L2, L3, L4的電感量相等，電容C1，C2的電容量相等。因此，電路具有對稱結構，其工作狀態(tài)亦可分為直通狀態(tài)與非直通狀態(tài)。

T型Z源逆變器電感融合可以通過融合作用，進行能量的傳輸。將融合電感結構應用到準Z源逆變器中，使其替代準Z源逆變器阻抗網絡的電感結構，從而形成變壓器型Z源逆變器，其電路拓撲結構如右圖（a）所示。直流電壓源與變壓器原邊繞組串聯(lián)，因此輸入電流連續(xù)。移除一個電容，重新配置電路，得到另一種形式的變壓器型逆變器，即T型Z源逆變器，其電路拓撲結構如右圖(b)所示。相比開關電感型，T型Z源逆變器元件個數(shù)減少，電路的升壓能力除直通零矢量時間外，還與變壓器匝比有關。

T型Z源逆變器里，變壓器可等效為理想變壓器并聯(lián)勵磁電感。T型Z源逆變器的工作狀態(tài)亦可分為直通狀態(tài)與非直通狀態(tài)。

三種拓撲結構比較準Z源逆變器、開關電感型Z源逆變器、T型Z源逆變器都是基于改進傳統(tǒng)Z源逆變器的一些不足而提出的新拓撲結構。分別對準Z源逆變器、開關電感型Z源逆變器、T型Z源逆變器簡要分析可知，這3種Z源逆變器的工作狀態(tài)與傳統(tǒng)Z源逆變器一樣，均可分為直通狀態(tài)與非直通狀態(tài)，都利用直通零矢量狀態(tài)來實現(xiàn)輸出電壓的升/降壓。

準Z源逆變器在元件個數(shù)不變的基礎上，改善輸入電流紋波、減小電容電壓應力；開關電感型Z源逆變器通過添加開關電感結構來提高電路的升壓能力。T型Z源逆變器引入融合電感結構提高，但由于其輸入電流斷續(xù)，利用變壓器原副邊繞組匝數(shù)比實現(xiàn)升壓能力的往往需在電路前級加入LC濾波結構。

Z源逆變器控制方法與傳統(tǒng)逆變器相比，Z源逆變器最大的不同之處在于直通狀態(tài)的存在，可對其加以利用實現(xiàn)升壓輸出。因此，可通過對傳統(tǒng)逆變器PWM調制策略的分析，加以改進，以實現(xiàn)Z源逆變器的PWM調制。從直流側看，傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)與直通零矢量狀態(tài)對負載而言，均起到短路的作用效果。因此，在升壓場合下，可根據需要將直通零矢量時間替代部分或全部的傳統(tǒng)零矢量時間，而不改變有效矢量的作用時間，不會影響輸出波形。Z源逆變器及其新拓撲都是利用直通狀態(tài)來實現(xiàn)升壓輸出的45。

簡單升壓調制在傳統(tǒng)PWM調制的基礎上，簡單升壓調制只是單純地用直通零矢量替代部分的傳統(tǒng)零矢量，而不做其他改變，如右圖所示。

該調制方法中，采用三相正弦調制波與三角載波。當三角載波的值大于VP或小于VN時，逆變器工作于直通狀態(tài)；當三角載波的值處于VP與VN兩者之間時，逆變器工作于傳統(tǒng)PWM調制狀態(tài)。該調制方法中,直通零矢量的位置固定，且均勻分布在傳統(tǒng)零矢量里。同時，直通占空比D的取值受到限制，須小于或等于(1-M)，當調制系數(shù)M=1時，D=0，電路無升壓能力。逆變器的最大增益為：

開關管的電壓應力Vs，即直流側母線電壓，表達式為：

由上兩式可知，簡單升壓調制下，減小調制系數(shù)M，逆變器的增益能力提高，但同時亦會增大開關管的電壓應力。

簡單升壓調制的控制簡單，實現(xiàn)容易。該調制方法下，逆變橋為三相直通，可有效降低流過開關管的電流。但是，隨著逆變器增益能力的提高，開關管的電壓應力也會變大。在某些場合下，將受限于開關器件的電壓應力等級，不能滿足輸出電壓大小的要求。同時，直通零矢量的插入，使得開關頻率倍增，從而增大開關損耗。

最大升壓調制在傳統(tǒng)PWM調制的基礎上，最大升壓調制只是單純地將直通零矢量替代全部的傳統(tǒng)零矢量，而不做其他改變，如右圖所示。

當載波大于最大的正弦調制波或小于最小的正弦調制波時，逆變器進入直通狀態(tài)；當載波處于最大與最小的正弦調制波之間時，逆變器進入傳統(tǒng)PWM調制狀態(tài)。該調制方法中，直通占空比D在每個開關周期T中都在變化。由于三相正弦波具有對稱性，直通狀態(tài)以PI/3作周期性變化。平均直通占空比為：

逆變器的增益因子為：

開關管的電壓應力為

與簡單升壓調制相比，在相同調制系數(shù)M下，最大升壓調制的增益能力更強；在給定增益因子G下，最大升壓調制的開關電壓應力得到降低。然而，最大升壓調制里，直通占空比D在每個開關周期T內是變化的，存在6倍基波頻率。這將為逆變器引入相同頻率的低頻脈動。

最大恒定升壓調制最大升壓調制在給定調制系數(shù)M下，增益能力變強，開關電壓應力減小。但變化的直通占空比D會為逆變器引入6倍基波頻率。為減小開關器件的電壓應力，同時使直通占空比D固定不變，提出了一種最大恒定升壓調制策略，如圖所示。

與簡單升壓調制不同的是，作為直通狀態(tài)調制信號的VP,VN不再是固定的，而是變化的。

可知，在任意時刻VP與VN之間的距離始終保持M不變，因此直通占空比D在每個開關周期里是恒定不變的。

可知，最大恒定升壓調制綜合了前兩種調制方法的優(yōu)點。與簡單升壓調制相比，相同調制系數(shù)M下，該調制方法的增益能力更強，有利于降低開關器件的電壓應力；與最大升壓調制相比，該調制方法具有恒定不變的直通占空比D，避免了6倍基波頻率的引入。

三次諧波注入升壓調制右圖為三次諧波注入升壓調制的示意圖，在簡單升壓調制的三相正弦調制波中，注入三次諧波成分，其幅值為1/6基波幅值大小。

與簡單升壓調制相似，利用恒定的VP與VN控制直通占空比D，實現(xiàn)升壓輸出。然而，在三次諧波注入升壓調制中，調制系數(shù)M的工作范圍得到了拓寬，M小于等于。直通占空比D同樣受到限制，須小于或等于(1-M/2)，當調制系數(shù)M =時，D=0，電路無升壓能力。

該調制方法與最大恒定升壓調制相比，具有相同的最大直通占空比、升壓因子、增益因子、開關電壓應力。唯一的不同是，該調制方法拓寬了調制系數(shù)的工作范圍，M可達到2/婦，使得系統(tǒng)的工作區(qū)域范圍增大。

直通分段SVPWM空間矢量脈寬調制SVPWM與正弦脈寬調制SPWM出發(fā)點不同，但兩者之間仍存在相似之處。與SPWM調制一樣，SVPWM也是使直通零矢量時間作用在傳統(tǒng)零矢量時間里，不改變有效矢量的作用時間。

傳統(tǒng)電壓源型三相逆變器里，共8種開關狀態(tài)，包括6種有效矢量狀態(tài)與2種傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)。其中，6種有效矢量的模長均為2Vdc/3。如右圖所示，6個有效電壓矢量將空間等分為6個扇區(qū)。

利用Sa，Sb，Sc表示8種開關狀態(tài)。Sk為1時，表示k相開關管上通下斷；Sk為0時，表示k相開關管上斷下通，其中，k=a， b或c。

傳統(tǒng)SVPWM里，三相正弦調制信號合成以同頻率旋轉的參考電壓矢量Vref，在每個開關周期T里，先確定參考電壓矢量Vref所處的扇區(qū)位置，再由該扇區(qū)兩相鄰的有效矢量及兩零矢量合成。當參考電壓矢量Vref位于扇區(qū)I時，Vref由兩相鄰的有效矢量V1,V2與零矢量合成。

在Z源逆變器的SVPWM里，需考慮的是如何把直通零矢量時間插入到傳統(tǒng)零矢量時間里。若將直通零矢量直接替代傳統(tǒng)零矢量，同時為保持PWM波形的對稱性，勢必會使開關頻率加倍，從而增加開關損耗。為了使開關頻率保持不變，可在每相上、下橋臂開關管的換流時刻插入直通零矢量。同時，為了最大化利用傳統(tǒng)零矢量的作用時間,將其由傳統(tǒng)的平均分配（各占0.25倍T0）改為如圖所示的分配形式。

這時，圖中黑色部分為插入的直通狀態(tài)，灰色部分是保證有效矢量作用時間不變而做出的平移。該調制方法下，可最大化利用傳統(tǒng)零矢量時間，若全部由直通零矢量時間代替，可實現(xiàn)最大化的SVPWM。這時，Z源逆變器具有最強的增益能力，亦可降低開關電壓應力。但與最大化升壓調制一樣，直通占空比的變化會為逆變器引入6倍基波頻率脈動，對阻抗網絡的電感、電容設計不利。

五種調制策略比較所述5種Z源逆變器的PWM調制策略，它們的改進均是基于傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)與直通零矢量狀態(tài)對負載具有相同的作用效果。在傳統(tǒng)脈寬調制PWM基礎上，利用直通零矢量狀態(tài)替代部分或全部的傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)。簡單升壓調制實現(xiàn)簡單，但開關電壓應力大，使得在某些場合受限于開關器件的電壓應力等級，不能滿足輸出電壓大小的要求。最大升壓調制克服了簡單升壓調制里開關應力大的難題，但直通占空比的變化為逆變器引入了6倍基波頻率的脈動，加大了Z源網絡電感、電容的設計難度。最大恒定升壓調制綜合了這兩種調制策略的優(yōu)點，在保持直通占空比恒定不變的同時，減小開關電壓應力。三次諧波注入升壓調制更是擴大了調制系數(shù)M的工作范圍，從而增大系統(tǒng)的工作區(qū)域范圍。從空間矢量脈寬調制角度出發(fā)，直通分段SVPWM具有寬范圍的調制系數(shù)M、高升壓能力、低開關損耗等優(yōu)點。文獻「34]中，Z源逆變器的簡單升壓調制策略使用的是正弦載波，可獲得更高的輸出電壓。這為Z源逆變器的調制方法開拓了一種新的思考方向。

三次諧波注入升壓與直通分段SVPWM均擴大了調制系數(shù)M的工作范圍，增大了Z源逆變器的工作區(qū)域。當調制系數(shù)M一定時，最大升壓與直通分段SVPWM的升壓因子B、增益因子G最大，最大恒定升壓與三次諧波注入次之，簡單升壓的最小。當Z源逆變器的增益因子G一定時，簡單升壓的開關電壓應力Vs最大，最大恒定升壓與三次諧波注入次之，最大升壓與直通分段SVPWM的最小。4種SPWM調制策略均為三相直通方式，開關電流應力(直通狀態(tài)下，流過逆變橋開關管的電流)小，但開關頻率加倍，損耗增加。但是，一個開關周期內只實現(xiàn)2次直通，Z源阻抗網絡的電感電流與電容電壓脈動次數(shù)較少。而直通分段SVPWM為單相直通方式，是在開關管換流時刻插入直通零矢量，故開關頻率保持不變。且一個開關周期內實現(xiàn)6次直通，Z源阻抗網絡的電感電流與電容電壓脈動6次，有利于減小電容電壓紋波、電感電流紋波，從而減小電容值與電感值。但是，單相直通會導致開關電流應力較大。綜上所述，直通分段SVPWM具有更為優(yōu)良的綜合性能。