三相Z源逆变器延时控制的定性分析研究

刘洁 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】传统的三相电压型逆变器的输出总是小于输入，想要得到一个大的输出的话就必须要外接一个升压电路，这会造成成本的增加。Z源逆变器的提出能够有效的解决这个问题，z源逆变器作为一个可以自由控制升、降压范围的单级式的逆变模型，具有简单的拓扑结构、高效的利用率和系统的可靠性等特点，目前正被广泛的应用到各种新能源系统中。本文通过对Z源逆变器电路工作原理进行分析，在正弦脉冲宽度调制技术（SPWM控制）的基础上提出了延时控制方式，在保持所有上桥臂导通时间不变的情况下，对三个下桥臂的导通时间做一个延时滞后处理，利用延时产生的微小的时间差，获得直通零矢量，从而实现对输出电压调节的目的。最后利用matlab仿真验证了Z源逆变器的加入能提高输出电压的大小，并且能够很好的控制谐波畸变率。

【关键词】Z源逆变器;SPWM控制;延时控制

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

对三相逆变器的研究分析过程表明传统的三相电压型逆变器是一个降压模式，输出电压总是小于输入给定电压，也就是说，得到的输出电压范围是有限的。对于一些需要得到较大输出电压范围的电能传输系统来说，常常需要在输出侧级联一个升压斩波器，从而实现升压的目的，这样的结果不仅会使系统的成本增加，开关损耗也会相应的增加，而且还会导致系统的传递效率降低。同时由于电压型逆变器与电流型逆变器主电路不能互换，造成了使用的局限性。传统逆变器最大的问题是当电磁干扰导致桥臂瞬时开路或短路时，会造成器件的损坏，可靠性较低[1-2]。正是由于这些缺点，Z源逆变器这种新型的逆变器拓扑结构受到了越来越多的人关注，该模型在一定程度上克服了传统电压源和电流源逆变器的不足。

1.Z源逆变器拓扑结构

Z源逆变器较传统逆变器而言，多了一个Z源网络，它由等值的两个电感L1，L2和电容C1，C2组成，接成X形，提供Z源，连接着电源与逆变器主电路。正是这一结构，允许逆变桥臂瞬时开路和短路，由此实现主电路电压的升、降调节。

图1 Z源逆变器一般结构

Z源逆变器的电源既可以是电压源，也可以是电流源，与传统的电压源或电流源逆变器不同，Z源逆变器的直流电源可以是任意的，如电池，二极管整流器，晶闸管变流器，电感，电容器或者是它们的组合[3]。

Z源逆变器既可以工作于电压型逆变器模式，也可以工作于以电流型逆变器模式情况下，考虑到实际应用中电压型的逆变器使用的较多，因此本文主要研究电压型逆变器模式下的工作情况。输入电源为电压源，主电路为传统的电压源逆变器结构，三相桥臂采用开关器件和二极管反并联的组合，负载为感性。

利用两个电感和两电容组成的Z网络使得逆变机构能够实现单级的升降压过程，简化了结构，允许桥臂的上下开关管直通且无死区时间，增强了逆变器的电压利用率和抗干扰能力。正是这些优点，使得Z源逆变器在燃料电池，光伏发电和风力发电等新能源领域有较大的应用价值。

2.Z源逆变器工作原理

Z源逆变器的升压主要是通过Z网络中的电容电压的作用实现的，首先输入的直流电压在逆变桥臂的高频开断的作用下对电容充电，使电容升压，再由电容和电感谐振配合作用下提升逆变桥的输入电压;伴随着高频开关管的开通与关断，对电容的不断充放电过程，使得电压升成为可能，因此电容电压的质量直接影响到整个网络输出电压的质量[4-6]。

Z源网络的电容电压同样也受到输出交流电压的影响，若要求输出交流电压比较高，相应的该电容的直流电压也比较高，它们之间存在以下关系：

（1）

上式表明电容电压与输出电压成线性关系。

根据基本公式：

（2）

简单控制的方式下，计逆变器一个开关周期为TS，一个短路零矢量的时间为：

（3）

最后考虑到电容的电压波动，稳态时的电压比值为：

（4）

所以最终的电容确定为：

（5）

3.Z源逆变器的控制方式

基于连续模式下的传统电压型逆变器的正弦脉冲宽度调制（SPWM控制）是在一个采样周期中由两个相邻的有效工作状态和两个零矢量状态配合完成的。而Z源拓扑结构的加入相应的SPWM控制的方式也随之改变，传统的逆变器有八个矢量状态，其中六个是有效矢量状态，两个零矢量状态，而Z源逆变器有九个矢量状态，与传统逆变器比较，Z源逆变器多了一个直通零矢量，即任一桥臂的上下开关管同时导通的情况，这在传统逆变方式中是绝对不允许出现的。调节Z源逆变器的电压变化主要就是通过这多出的直通零矢量来实现的，而直通零矢量的加入有多种方式，目前主要的有部分或全部替代传统的零矢量状态方式来实现Z源逆变器特有的升压功能。

3.1 SPWM调制分析

文献[7]通过对几种不同的PWM控制方式的比较，侧重分析了一种采用将直通零矢量加在传统零矢量两侧的控制方式，即将直通零矢量平均分配在开关换流时刻，结果显示并不会影响桥臂的正常工作状态。

图2 SPWM调制

如图2所示，令调制信号为，将控制该调制信号上桥臂的导通时间增加，下桥臂的导通时间保持不变，增加的部分就是直通状态的时间。

时间关系如下：

（6）

（7）

p，n分别表示桥臂的上下开关器件。

同时，另外的两桥臂是通过保持上开关导通时间不变，增加下开关的导通时间来实现直通零矢量的，即：

（8）

考虑到要增加某一桥臂的任意开关管的导通时间存在一定的难度，涉及到要判断调制信号的大小的问题，及对调制信号做出相应的时间控制，灵活性不是很高，更重要的是随着时间的变化，三相调制信号的大小也随之变化，因此就要不停的切换以寻求最大的控制信号来判断该哪个桥臂增加作用时间的问题，这些问题还有待商榷。基于此本文提出了通过延时的方法来引入直通零矢量的方法。

图5 负载电流分析

图6 负载线电压分析

3.2 延时控制分析

延时控制的主要思想就是在保持所有上桥臂导通时间不变的情况的下，对三个下桥臂的导通时间做一个延时滞后处理，与传统的控制方式比较，并没有增加或者减少开关管的导通时间，只是使原来上下桥臂互补的关系发生了些许的变化。

如图3所示，延时控制方法下生成的SPWM控制波形，与传统的简单升压控制和最大升压控制模式比较，可以看出控制上下开关管作用的波形不存在上下互补的关系，有一定的错位，正是利用这一微小的时间差，引入了想得到的直通零矢量，从而实现对输出电压可调节的目的。

图7 负载相电压分析

图8 负载线电压分析

图9 负载相电压分析

假设Sp，Sn分别表示上下开关管，0、1分别表示开关管的关断与导通状态，随机采样图3中的波形，列表可以看出直通零矢量存在的时间范围，如表1所示。

观测一个连续周期发现，在两个传统的零矢量作用时间范围内，三桥臂轮流依次直通，被均匀的分配在几个非零矢量间，确保了输出电压连续的增加，保证了稳定输出结果。

4.仿真分析

图5-7给出了延时控制下负载输出电流，线电压，相电压的波形，并对其进行了FFT分析，而图8-9则是一般控制方式下负载输出的线电压和相电压的情况，对比分析后结果表明通过延时控制下的Z源逆变器可以得到比较好的仿真结果，谐波畸变率也控制在了很小的范围内，达到了理想的状态。为了进一步减小畸变率，可以在后续模块中引入滤波器的部分来减小谐波的含量，也可以通过进一步完善Z源模块的结构及控制方式来减小畸变率，实现真正意义上的低成本，高效率。

5.结束语

本文通过分析SPWM控制方式，提出了Z源逆变器的延时控制模型，主要从定性的角度分析了延时控制的可靠性，利用matlab仿真软件验证了该方法的可行性，后期的工作重点将会更加侧重与定向的分析延迟时间长短与输出电压大小及电容电压应力大小间的关系。

参考文献

[1]贾斌.Z源逆变器控制及应用研究[D].山东科技大学学位论文，2012.

[2]丁新平.Z源变流器关键技术的研究[D].浙江大学博士学位论文，2007.

[3]崔彬.Z源逆变器的电压电流双闭环控制[D].电力电子技术，2007，9.

[4]高奇，彭方正.Z源逆变器主电路研究[D].浙江大学硕士学位论文，2005.

[5]丁久平，谢少军.具有无功补偿功能的串联型Z源并网逆变器研究[D].南京航空航天大学硕士学位论，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，张承惠.Z-源逆变器PWM调制策略的分析与比较[J].电工电能新技术，2013，7.

作者简介：刘洁（1989—），硕士研究生，主要研究方向：Z源逆变器的研究。