准Z源逆变器交流调速系统及部分PAM/PWM控制策略

薛必翠 丁新平 张承慧 张 民

（1.山东大学控制科学与工程学院 济南 250061 2.济南大学自动化与电气工程学院 济南 250022 3.青岛理工大学自动化工程学院 青岛 266520）

1 引言

交流调速系统（Adjustable Speed Drives，ASD）在工业中的应用越来越广泛，其具有显著的优点：高效、节能和过程可控。传统的ASD如图1所示，主电路包括二极管整流、直流储能环节和电压源逆变（VSI）三部分。传统ASD有其自身无法克服的局限性和缺点[1,2]：①交流侧输出电压限制在最大AC310V，电动机性能不能完全发挥。交流电动机额定电压是按照AC380V设计的，而传统ASD受到二极管整流电路的限制，直流链电压基本限制在DC510V左右，在线性调制（linear modulation）方式下，逆变器交流输出电压远远达不到电动机的额定电压AC380V；②电压跌落（voltage sags）会中断传统交流调速系统，切断关键负载，同时中断控制过程，严重地影响到调速系统的正常运行。电压跌落是指电网电压突然降到额定电压的10%～50%、持续0.1～2s然后又恢复到额定电压的一种电网故障，如图2所示。电压跌落在交流调速系统中发生的概率非常高，90%的电网故障都是电网电压跌落引起的[2]；③系统的性能受到电压源逆变电路的影响，而电压源逆变器致命的故障是逆变桥桥臂上、下开关管的“直通”，为了防止直通的发生，逆变器控制时给驱动信号增加了死区保护。死区时间的加入，给逆变器带来诸如谐波含量增加、输出电压与期望电压产生偏差，引起基波电压的降低，等很多影响，同时又不能从根本上杜绝直通故障的发生。

图1 传统交流调速系统Fig.1 Traditional ASD system

图2 交流调速系统中的电压跌落Fig.2 Voltage sags in traditional ASD system

Z源逆变器交流调速系统如图3所示[3]。Z源逆变器交流调速系统（ZSI-ASD）能够很好地解决上述传统交流调速系统固有的缺点和不足，即：①能够实现交流侧电压的任意调节，满足0～380V交流电压调节，充分利用了电动机的潜能；②由于Z源逆变器具有升压的功能，基于Z源逆变器的交流调速系统（ZSI-ASD）拥有穿越（ride-through）电压跌落的能力；③直通不再是损害逆变桥的元凶，而是调速系统正常工作的一个状态，调速系统安全性能有了可靠保障，从根本上杜绝了直通故障的发生。

图3 Z源逆变器交流调速系统Fig.3 Z-source inverter-based ASD system

基于Z源逆变器的交流调速系统（ZSI-ASD）虽然能够克服传统交流调速系统的缺点，但是也有不尽如人意的弱点：①Z源网络输入端电流断续，而网侧输入电感电流不能突变，所以二极管整流桥上增加了三个交流电容来提供续流通路，具体如图3所示，较之传统二极管整流电路复杂且增加了硬件成本和系统故障率；②电容电压应力较大。虽然所有的升压电路中电容电压应力都较大，但是两个高电压等级的电容使系统成本较高，数个电容的串联增加了系统的故障率和硬件成本。

本文在Z源逆变器交流调速系统的基础上[3]，提出了基于准Z源逆变器的交流调速系统（QZSIASD），电路结构如图4所示。具体内容为：①分析了准Z源逆变器的交流调速系统的工作模式及优点。准Z源逆变器的交流调速系统直流储能电容C2的电压应力下降非常明显，减少了储能元件（电容、超级电容及电池等）的串联个数，从而大大地减少硬件成本和故障率。准Z源网络直流输入端电流连续，其二极管整流部分和传统交流调速系统一致，较之Z源逆变器交流调速系统结构简单，硬件成本和系统故障率有很大程度的改善；②针对系统的工作特点，提出了适合准Z源逆变器交流调速系统的部分PAM/PWM控制策略，该控制策略克服了传统PWM控制策略在低频调速时逆变器调制因子M过小带来的各种不良影响[4]（比如逆变器直流电压利用率低、电动机铁损增加等），使交流调速系统在满足调速性能的前提下，逆变器的调制因子M尽可能大，相应地提高了直流电压利用率，减小了有源元件的电压应力、优化了电动机运行环境。

图4 准Z源逆变器交流调速系统Fig.4 Quasi-Z-source inverter-based ASD system

2 准Z源逆变器交流调速系统

2.1 准Z源逆变器交流调速系统工作模式

图4所示的准Z源逆变器交流调速系统由二极管整流、准Z源网络和电压源逆变器三部分组成。二极管整流后的直流电压表示为Vdc，其平均值为0.9～1.41Va(b,c)，具体试负载轻重而定，该直流电压作为后级准Z源逆变器的输入，从准Z源网络角度出发，二极管整流电路可以完全等效成直流电压源，具体工作模式如图5所示。仅以a相和b相导通时为例，其他时段与此类同。

工作模式1：如图5a所示。逆变桥工作在六个传统有效矢量中，从直流链准Z源网络的角度来看，电压源逆变器可以等效成一个电流源，此时二极管导通，交流电网和准Z源网络电感一起给负载供电，同时给电容充电。流经二极管整流桥的电流等于电感L1的电流，由于准Z源网络的不完全对称性，使得流过两个电感的瞬时电流不完全相等，但是两个电感的平均电流相等。电路各部分电压关系为

工作模式2：该模式属于传统零矢量模式，意味着负载从主电路中断开，流过准Z源网络电感的电流由电容实现续流，具体如图5b所示。各部分电流关系可表示为

图5 准Z源逆变器交流调速系统的工作模式Fig.5 Operating modes of quasi-Z-source ASD system

工作模式3：直通零状态是（准）Z源逆变器升压的基础，也是此类逆变器优于传统逆变器的显著优点之一。在该模式下，电容放电，电感储能，电感电流线性上升，各部分电压和电流关系为

在稳态时，依据电感的伏秒平衡法则，由式（1）和式（3）可以得到

从而有

式中，Vdc为二极管整流所得直流链电压；D0为逆变桥直通占空比；VC1为准Z源网络电容C1电压；VC2为准Z源网络电容C2电压；vL1为准Z源网络电感L1瞬时电压；vL2为准Z源网络电感L2瞬时电压；vpn为逆变桥前端直流链电压。

从上面的工作模式分析以及推导的公式可以看出，准Z源逆变器交流调速系统可以通过控制直通占空比D0来实现电压的任意升降，从而能够克服传统交流调速系统输出交流电压低，没有穿越电网电压跌落的能力以及逆变器容易损坏等缺点，同时比Z源逆变器交流调速系统在硬件成本和故障率上有长足改善。在主电路优化方面主要有：①减少了为续流而增加的三个交流电容；②直流链准Z源网络电容C2的电压应力明显减小，减少了电解电容的串联个数，相应的降低了样机的故障率和硬件成本，两个电容具体的电压应力情况如图6所示。硬件的减少除了体现在成本和故障率的减少外，样机的体积和重量也有不同程度的改善。

图6 准Z源交流调速系统直流链电容电压应力曲线Fig.6 The voltage stress of quasi-Z-source capacitors in quasi-Z-source ASD system

2.2 准Z源逆变器交流调速系统升压控制

准Z源逆变器实现升压功能的控制策略和Z源逆变器相同，是通过给桥臂加入直通状态实现升压功能。由于逆变器输出电压只与有效状态有关，为了使直通零状态不影响逆变器输出电压，在控制中需要把直通零状态加在传统零矢量里面。最常用的升压控制方法是简单升压控制，如图7所示。为了实现直通零状态，在传统PWM控制的基础上，用正负两个恒值v+,v-跟三角载波比较，得到如图7阴影部分所示的直通零状态。在简单升压控制下，Z源逆变器交流输出相电压峰值vˆac可以表示为

式中，D0是直通占空比，等于一个载波周期内总的直接时间T0除以载波周期T；B是升压因子，；为直流链峰值电压；M是逆变器调制因子，与传统逆变器定义相同。

图7 简单升压控制模式下直通驱动信号及逆变器驱动信号Fig.7 The single boost control sketch map

3 部分PAM/PWM控制算法

正如文献[4-6]所述，PWM技术在交流调速中取得了前所未有的应用，优点非常突出。PWM技术影响电动机性能的主要因素有PWM调制波形、开关频率和逆变器调制因子M。相对于PWM调制波形和开关频率，逆变器调制因子M在电动机铁损和电流纹波方面扮演着至关重要的角色。为了改善电流纹波和减少电动机铁损，最好的选择是在保证实现调速功能的前提下，逆变器工作于尽可能大的调制因子下。为了得到低速环境时较大的调制因子M，文献[6]提出了采用PAM/PWM变流器实现交流传动，即通过调节直流链母线电压来满足电动机所需的交流电压值，以此来实现调速系统低速运行时调制因子尽可能大的目的，并取得理想效果。缺点是电路结构复杂，成本上升，故障率增加。

本文提出了准Z源逆变器交流调速系统部分PAM/PWM控制策略，通过直流链电压的部分可调（升压功能）以实现相对较大的逆变器调制因子，进而减少PWM控制对电动机的影响。

3.1 部分PAM/PWM控制原理

PAM/PWM控制策略是指逆变器输出交流电压的幅值由直流链电压调节实现，简称脉冲幅值调节（PAM）技术，而逆变器的频率变化则通过PWM调节。通过该控制策略能够得到较大的调制因子，改善交流电动机的工作环境。准Z源逆变器直流链电路具有升压的功能，但是由于其前级是三相二极管整流电路，所以直流链电压满足

式中：Vdc、Vla分别是二极管整流后直流电压的平均值和电网a相相电压有效值。直流链电压不能降压，只能部分实现PAM/PWM控制功能，简称“部分PAM/PWM控制”，具体控制策略如图8所示。

图8 遵循V/f曲线运行时的部分PAM/PWM控制策略Fig.8 Control algorithm following constant V/f law

必须指出的是所有的VVVF控制策略都适用于准Z源逆变器交流调速系统，为简单起见，本文主要以开环V/f控制为例来讨论部分PAM/PWM控制。开环V/f控制由于简单、实用的优点，在感应电动机变频调速中应用最广，是工业中应用最普遍的一种调速策略。传统的开环V/f控制策略保持直流链电压恒定，仅通过调节逆变器PWM控制中的调制因子M来跟随V/f曲线以实现调速功能。为了使感应电动机能够工作在380Vrms的额定电压以发掘电动机潜能，直流链电压必须升压到更高的电压等级，比如从510V变为750V，相应地，低速时逆变器调制因子会变的更小，电动机工作环境恶化。

部分PAM/PWM控制的具体实现过程分为如下4步（为了分析问题的方便，假设变频范围10～50Hz，逆变器交流相电压最大值变化范围30～310V）：

（1）确定V/f曲线，V/f=constant。确定逆变器交流相电压幅值vˆac随逆变器工作频率f的变化曲线，通过调频就能实现交流电压幅值大小的控制，如图8a所示，按照假设可以得到具体的V/f曲线为

（2）确定频率（f）-时间（t）变化曲线，该曲线确定频率变化的快慢，间接地确定了速度变化的快慢。假设频率从10Hz变到50Hz用时1s，频率随时间变化曲线具体表示为

（3）直流链电压的确定。由以上两个步骤确定了逆变器交流相电压最大值vˆac随时间的变化情况，如图8b所示，而逆变器交流相电压和直流链电压满足

式中，Vpn为准Z源逆变桥前端直流链电压，具体如图4所示；M为逆变器调制因子。要实现调速电路遵循设定的V/f曲线运行，有两个自由度可调：直流链电压Vpn和调制因子M（传统ASD系统只调节M）。根据假设和图8c可以得到满足V/f曲线运行的直流链电压可调公式为

（4）逆变器调制因子M的确定。由上面的步骤确定了直流链电压Vpn和交流相电压最大值vˆac，再由式（10）很容易得到基于开环V/f曲线的部分PAM/PWM控制的调制因子M变化曲线，具体如图8d所示。

3.2 部分PAM/PWM控制实现

准Z源逆变器交流调速系统部分PAM/PWM控制实现框图如图9所示。主要由两部分构成：一是通过调节直通占空比D0实现直流链电压的部分升压功能，二是由逆变器调制因子M实现变频调速功能。

图9 准Z源逆变器交流调速系统控制框图Fig.9 Control block diagram of proposed quasi-Z-source inverter based ASD System

基于开环V/f控制的部分PAM/PWM控制首先确定f*(t)，该参数决定了交流电动机的转速，而交流相电压vˆac完全按照设定的V/f曲线变化。在低速时，不引入升压功能，直流链电压保持在二极管整流后的510Vdc，随着频率的上升，交流相电压vˆac上升到510Vdc直流链电压已经不能满足要求时，引入直流链电压升压功能（直通占空比调节）以实现高速时交流电压的高电压。在低速低频时，定子电阻吸收了主要的定子电压，弱化了磁链。为了电动机的起动方便，零速时交流相电压vˆac保持在30V左右，如图8a所示。

4 仿真和实验研究

为了验证所提理论的正确性和可行性，通过仿真软件和实验室样机对所提理论进行了仿真和验证。仿真和实验电路参数如下：三相电网线电压380Vac；准Z源网络参数L1=L2=500μH，C1=C2=470μF；开关频率fs=10kHz。

图10所示为准Z源逆变器交流调速系统在开环V/f控制时，采用PWM调节和采用“部分PAM/PWM控制”时的仿真波形对比。可以看出准Z源逆变器交流调速系统在PWM控制和本文所提“部分PAM/PWM控制”时都能够遵循V/f曲线实现变频调速功能，效果良好。在具有相同交流相电压vˆac的情况下（见图10a、10b下面曲线），部分PAM/PWM控制较之PWM控制具有更低的直流链电压Vpn,sen（见图10a、10b上面曲线），相应的，在实现变频调速功能时拥有更大的调制因子M，如图10c所示。

图10 仿真波形Fig.10 Simulation results

图11 实验波形Fig.11 Experimental results

为了更直观地比较两种调节方式的差别，把开环V/f控制时各交流电压对应的直流链电压和逆变器调制因子进行实际数据统计，得到图12a和图12b所示的比较图。由图可以很直观地看出部分PAM/PWM控制的优点。

图12 实验数据统计Fig.12 Statistic of the experimental results

5 结论

本文研究了基于准Z源逆变器的交流调速系统，该调速系统能够实现交流调速电压的任意升/降压功能（AC0～380V），满足了电动机额定电压运行的条件、同时具有电压跌落的穿越（ridethrough）能力；直流链电容电压应力的显著下降减少了储能元件（电容、超级电容等）的串联个数，降低了硬件成本和故障率。针对准Z源逆变器交流调速系统独特的升压功能，提出了部分PAM/PWM控制策略。变频调速过程中，低速时输出交流电压低，此时不需要升压功能，直流链电压恒定在二极管整流后的DC510V左右，交流调速V/f功能由逆变器PWM控制实现；当转速达到一定值（此时交流电压相电压最大值达到AC255V）后，控制策略变为PAM/PWM方式，控制直通占空比D0以实现直流链电压按照交流调速V/f曲线的需要而升压，而变频功能由PAM实现。该策略充分利用了准Z源逆变器的优点，有选择地加入升压功能，逆变器的调制因子M增大，直流电压利用率高，有源器件的电压应力和感应电动机铁损得到显著的改善。

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