三相准Z源并网逆变器的PWAM控制研究

郭允丰，庄圣贤，贺永平



三相准Z源并网逆变器的PWAM控制研究

郭允丰，庄圣贤，贺永平

（西南交通大学电气工程学院，成都610031）

摘要：分析了脉冲宽度幅值调制PWAM（pulse width amplitude modulation）的工作原理，结合最大化直通零矢量控制，提出一种适用于PWAM调制下的输入电压前馈、输出电压反馈的直流链峰值电压控制策略，引入的PWAM调制减少了开关频率，降低了开关损耗，设计的基于dq坐标系的电流解耦控制保证了逆变器以单位功率向电网输送能量，控制系统结构简单，在输入电压、输出电压和并网电流突变的情况下，系统动态性能良好。仿真结果验证了控制方法的正确性。

关键词：准Z源逆变器；最大化直通零矢量控制；PWAM；解耦控制

引言

随着能源危机的日益加深，以风能、太阳能、燃料电池等为代表的新能源发电技术受到越来越多的关注［1-2］。并网逆变器作为新能源发电系统中的关键环节之一，更是成为关注的焦点。相对于两级和多级逆变器，单级并网逆变器以其电路结构和控制方法简单、效率较高、成本较低等优点成为新能源并网领域的一个研究热点［3-4］。其中，准Z源逆变器以其独特的阻抗网络，具有输入电流连续、单级升/降压功能、允许桥臂直通等特点，受到广泛应用［5-6］。但是，由于直通矢量的加入，使得开关频率增加，相应的开关损耗也增加了。文献［7-8］提出一种新的逆变器调制方法脉冲宽度幅值调制PWAM （pulse width amplitude modulation），可以减少开关次数，降低开关损耗，及减小直流侧的电容取值；文献［9-10］将PWAM调制应用到电动车的电机驱动中，开关损耗至少减少50%；文献［11］把PWAM调制和最大恒定直通结合起来，应用到准Z源矩阵变换器中；文献［12］提出了准Z源级联多电平光伏逆变器的移相PWAM控制，取得了较好的效果。稳定的直流链峰值电压给逆变器提供了一个相对稳定的工作状态，有利于简化逆变器侧的设计，并且减小了器件的电压应力。为此，文献［13］提出了基于模糊PID的直流链峰值电压控制；文献［14］提出了以电感电流误差、电容电压误差和电容电压积分为状态变量的直流链电压滑模控制器，控制相对复杂；文献［15-16］通过引入检测电路测量直流链电压，提高了控制精度，但是这些控制方法都是基于传统脉宽调制提出的，不适用于PWAM调制中。

本文在分析了PWAM调制以及最大化直通零矢量控制的基础上，提出一种适用于PWAM调制的输入电压前馈、输出电压反馈的直流链峰值电压控制，该控制策略结构简单，系统的动态性能较好。引入的PWAM调制降低了开关损耗，提高了系统的功率密度。

1　准Z源逆变器及PWAM调制

1.1准Z源逆变器及最大化直通零矢量控制

图1为准Z源逆变器的主电路拓扑。图中Uin为输入电压，ugabc为三相电网电压，L1、L2和C1、C2分别为准Z网络电感和电容，Lf、Lg分别为逆变器侧和网侧电感，Cf为滤波电容，Rcf为电阻。

通过对准Z源逆变电路有效状态和直通状态进行分析，得到准Z源逆变器的直流侧峰值电压Upn与直流电压源Uin之间的关系［5］为

式中：D0为直通占空比；B为逆变器的升压因子。

SPWM最大化直通零矢量控制的原理是当三角载波大于三相调制波最大值或者小于三相调制波最小值时，桥臂直通，并且直通零矢量的作用时间以π/3为周期重复。当开关频率远大于基波频率时，直通矢量在（π/6，π/2）内的平均占空比［17］为

式中：m为调制因子。

由（2）式可以看出，在最大化直通零矢量控制中，平均占空比只与调制波的调制因子有关系，并且平均占空比随调制因子的变化而单调变化。

结合式（1）和式（2）可得逆变器的升压因子与调制因子之间的关系为

1.2脉冲宽度幅值调制PWAM原理

图2给出了PWAM的原理，Sap、Sbp、Scp分别代表a、b、c相3个桥臂的上开关管，San、Sbn、Scn分别代表a、b、c相3个桥臂的下开关管，“1”表示导通，“0”表示关断，“*”表示进行PWM动作。假如Va＞Vb＞Vc，即a相电压最大，c相电压最小，此时a相桥臂的上开关管一直导通，c相桥臂的上开关管一直关断，只有b相桥臂在进行脉宽动作。所以在每一个载波周期，只有一个桥臂的开关管作开关动作。对应于Va＞Vb＞Vc，等效电路如图3所示，此时逆变器输出的线电压Vac等于直流母线电压，a相的相电压峰值与直流母线电压之间是倍的关系。

图2　PWAM原理Fig.2 Schematic of PWAM

图3　Va＞Vb＞Vc时的等效电路Fig.3 Equivalent circuit when Va＞Vb＞Vc

2　控制策略

2.1输入电压前馈、输出电压反馈的直流链峰值电压控制

在传统的SPWM中，直通矢量插入到传统的零矢量中，所以直流链峰值电压的控制与逆变器的输出是相对独立的，插入的直通零矢量对逆变器的输出不产生影响，但是在PWAM中情况有所不同，PWAM不存在传统的零矢量，插入的直通零矢量直接占用有效矢量的作用时间。若插入的平均直通占空比为D0，输出相电压的峰值为Vo，则有

结合式（1）、式（3）、式（4），可以得到直流链峰值电压采用最大化直通零矢量控制、逆变器采用PWAM调制时，调制因子与输入电压、输出电压之间的关系，即

需要指出的是这里的调制因子是最大化直通零矢量控制对应的调制波的调制因子，与逆变器的调制因子不同。式（5）反映了调制因子与输入电压、输出电压之间的关系，当输入电压和输出电压确定以后，调制度m也唯一确定，所以只要控制调制因子，就可以得到稳定的直流链峰值电压。

根据式（5），当电网电压一定时，输入电压与调制因子的关系如图4所示。由图可见，随着输入电压的增大，调制因子增大。图5为调制因子与直流链峰值电压间的关系，当输入电压一定时，调制因子增大，直流链峰值电压减小。结合图（4）、图（5）知，当输入电压很低时，直流链峰值电压会比较大，输入电压在300 V至400 V左右时，逆变器能够工作在较好的工作状态。

图4　输入电压与调制因子的关系Fig.4 Relationship between input voltage and modulation factor

图5　调制因子与直流链峰值电压间的关系Fig.5 Relationship between modulation factor and DC link peak voltage

2.2电流解耦控制

由于LCL滤波器的低频特性与L滤波器相似，所以并网方案可采用L型并网逆变器的控制方法［18］，得系统在d-q坐标系下的状态方程为

式中：L=Lf+Lg；ug为电网电压；ii为逆变器侧电流；带d、q下标的量分别为对应状态变量的d轴分量和q轴分量；ωg为电网角频率。

反馈量选取的是逆变器侧电流，LCL滤波器中的容性无功会使并网电流的相位滞后于电网电压，无法实现以单位功率因数向电网传输能量，因此需要对其进行补偿，补偿无功电流Δiq的计算公式为

逆变器侧电流内环采用PI控制，则对应的系统控制方程为

式中：KiP、KiI分别为逆变器侧电流内环调节器对应的比例系数、积分系数；iiq*、iid*为期望电流的q轴、d轴分量。

直流链输入电压前馈、输出电压反馈控制以及基于PWAM调制的逆变器侧电流解耦控制框图如图6所示。

图6　准Z源并网逆变器系统控制框图Fig.6 Control block diagram of quasi-Z-source grid-connected inverter system

3　仿真分析

为验证所提控制方法的正确性，利用Matlab软件搭建6 kW准Z源并网逆变器的仿真模型，电路参数如表1所示。

表1　准Z源并网逆变器参数Tab.1 Parameters of Quasi-Z-sourcegrid-connected inverter

系统稳态运行时的仿真波形如图7所示。由图可见，直流链电压峰值稳定在680 V左右，并网电流峰值13 A，经FFT分析知总谐波失真THD为2.04%。图8为电网电压和并网电流放大20倍后的波形，从图中可以看出电压电流同相，逆变器以单位功率因数运行。

图7　稳态时仿真波形Fig.7 Simulation waveforms at steady state

图8　电网电压和并网电流放大20倍波形Fig.8 Waveforms of grid voltage and 20 times Current

在0.2 s时输入电压由400 V降到350 V，仿真波形如图9所示。由（5）式可知，调制因子减小，直通占空比增加，这里与传统PWM调制不同点在于，在传统的PWM调制中，直通占空比对输出没有影响，直通占空比的增加是为了维持直流链峰值电压的稳定，而在PWAM调制中，当电网电压不变，直通占空比增加，则需要直流链电压Upn也要增大。并且从图中可以看出直流链电压和并网电流经短暂过渡，很快达到新的平衡。

图9　输入电压突变仿真波形Fig.9 Simulation waveforms when input voltage chops

电网电压降低时的仿真波形如图10所示，0.2 s电网相电压峰值跌落到280 V，Upn电压增加，并网电流经过极小的波动后，能很快达到新的平衡。

图10　电网电压降低仿真波形Fig.10 Simulation waveforms when grid voltage chops

图11为并网电流突变时的仿真波形，从图中可以看出，由于输入电压和电网电压不变，直流链峰值电压稳定不变，并网电流能够迅速达到新的稳态。

图11　并网电流突变仿真波形Fig.11 Simulation waveforms when grid current chops

4　结语

本文在三相准Z源并网逆变器中引入了可以减小开关损耗的PWAM调制，并且提出了一种适用于PWAM调制的输入电压前馈、输出电压反馈的直流链峰值电压控制策略，得到了稳定的直流链电压。逆变器侧电流解耦控制使得逆变器以单位功率向电网输送电能，系统动态性能良好。仿真结果验证了所提控制方法的正确性。

参考文献：

［1］国家能源局.分布式发电有望实现整作推进［EB/OL］. （2013-08-22）http：//www.nea.gov.cn/2013-08/22/c_13265 2917.htm.

［2］Blaabjerg F，Teodorescu R，Liserre M，et al．Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（5）：1398-1409.

［3］黄瑞哲，陈道炼.储能电容电压输出电流双环控制准Z源逆变器［J］.电力电子技术，2015，49（2）：12-15. Huang Ruizhe，Chen Daolian. Quasi Z-source inverter based on dual-loop control of energy storage capacitor voltage output current［J］. Power Electronics，2015，49（2）：12-15（in Chinese）.

［4］黄瑞哲，陈道炼，许志龙.新颖的单相电压型准Z源逆变器［J］.电工技术学报，2015，30（16）：33-41. Huang Ruizhe，Chen Daolian，Xu Zhilong. A novel single phase voltage mode quasi-Z-source inverter［J］. Transaction of China Electrotechnical Society，2015，30（16）：33-41（in Chinese）.

［5］夏鲲，朱琳玲，曾彦能，等.基于准Z源网络的永磁无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法［J］.中国电机工程学报，2014，34（4）：1-8. Xia Kun，Zhu Linling，Zeng Yanneng，et al. Researches on the method of suppressing commutation torque ripple for brushless DC motors based on a quasi-Z-source net［J］. Proceedings of the CSEE，2014，34（4）：1-8（in Chinese）.

［6］孙向东，任碧莹，杨惠，等.准Z源单相逆变系统研究［J］.电力电子技术，2014，48（6）：59-61. Sun Xiangdong，Ren Biying，Yang Hui，et al. Research on a quasi-Z-source single-phase inverter system［J］. Power Electronics，2014，48（6）：59-61（in Chinese）.

［7］Fujita H. A three-phase voltage-source solar power conditioner using a single-phase PWM control method［J］. IEEE Energy Conversion Congress & Exposition，2009：3748-3754.

［8］Fujita H. Switching loss analysis of a three-phase solar power conditioner using a single-phase PWM control method［J］. IEEE Energy Conversion Congress & Exposition，2010：618-623.

［9］Yu X，Lei Q，Peng F Z. Boost converter-inverter system using PWAM for HEV/EV motor drive［J］. IEEE Applied Power Electronics Conference & Exposition，2012：946-950.

［10］Liu Y，Peng F Z. Fast control of PWAM boost-converterinverter system for HEV/EV motor drives［J］. IEEE Applied Power Electronics Conference & Exposition，2014：2446 -2452.

［11］Lei Q，Peng F Z，Ge B M. Pulse-width-amplitude-modulated voltage-fed quasi-Z-source direct matrix converter with maximum constant boost［J］. 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference & Exposition，2012：641-646.

［12］刘钰山.准Z源级联多电平光伏逆变器控制方法的研究［D］.北京：北京交通大学，2014. Liu Yushan.Research on Control Method for Quasi-ZSource Cascade Multilevel Photovoltaic Inverter［D］. Beijing：Beijing Jiaotong University，2014（in Chinese）.

［13］丁新平，钱照明，催彬，等.基于模糊PID的Z源逆变器直流链升压电路控制［J］.中国电机工程学报，2008，28 （24）：31-38. Ding Xinping，Qian Zhaoming，Cui Bin，et al. Fuzzy PID controller for DC-link boost voltage in Z-source inverter［J］. Proceedings of the CSEE，2008，28（24）：31-38（in Chinese）.

［14］王晓刚，肖立业. Z源逆变器直流链电压滑模控制研究［J］.电机与控制学报，2015，19（2）：1-6. Wang Xiaogang，Xiao Liye. Sliding mode control for DC-link voltage of Z-source inverter［J］. Electric Machines and Control，2015，19（2）：1-6（in Chinese）.

［15］蔡春伟，曲延滨，盛况.增强型Z源逆变器的直流链电压直接控制策略［J］.电机与控制学报，2012，16（5）：73-85. Cai Chunwei，Qu Yanbin，Sheng Kuang. DC-link voltage direct control strategy of enhanced Z-source inverters［J］. Electric Machines and Control，2012，16（5）：73-85（in Chinese）.

［16］李林林，汤雨，谢少军，等.一种新颖的Z源逆变器直流链峰值电压控制策略［J］.南京航空航天大学学报，2014，46 （1）：72-77. Li Linlin，Tang Yu，Xie Shaojun，et al. New peak DC-Link voltage control strategy of Z-Source inverters［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2014，46 （1）：72-77（in Chinese）.

［17］顾斌. Z源逆变器控制方法的研究［D］.杭州：浙江大学，2005. Gu Bin. Research of Control strategies for Z-scouce Invert-

er［D］. Hangzhou：Zhejiang University，2005（in Chinese）. ［18］姚志垒，肖岚，陈良亮.三相SVPWM并网逆变器的改进

解耦控制方法［J］.电力系统自动化，2012，36（20）：99-

103.

Yao Zhilei，Xiao Lan，Chen Liangliang. An improved de

coupling control method for three-phase grid-connected in

verters with SVPWM［J］. Automation of Electric Power Sys

tems，2012，36（20）：99-103（in Chinese）.

郭允丰

Research on PWAM Control of Three-phase Grid Connected Quasi-Z Source Inverter

GUO Yunfeng，ZHUANG Shengxian，HE Yongping
（School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract：The principle of pulse width amplitude modulation（PWAM）is analyzed. Combining of the maximum straight zero vector control，an input voltage feed-forward and output voltage feedback control strategy is proposed which is used to control the DC link peak voltage with the PWAM appling in the quasi-Z-source inverter. The PWAM can reduce the switching frequency and the losses. The current decoupling control which is based on dq coordinate ensures that the inverter delivery energy to the grid with unit power. The control system is simple and the dynamic performance is good in the case of the input voltage，output voltage and grid connected current mutations. The simulation results verify the validity of the control method.

Keywords:quasi-Z-source inverter；maximum straight zero vector control；pulse width amplitude modulation（PWAM）；decoupling control

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．2．89中图分类号：TM 464

文献标志码：A

收稿日期：2015-11-12

作者简介：

郭允丰（1991-），男，硕士研究生，研究方向：逆变器并网控制技术，E-mail：gyf90 0630@163.com。

庄圣贤（1964-），男，通信作者，博士，教授，博士生导师，研究方向：电力电子系统与新能源电力变换，电机其调速控制技术，E-mail：zhuangsx@sina.com。

贺永平（1991-），男，硕士研究生，研究方向：逆变器并网技术、有源电力滤波器，E-mail：1016245482@qq.com。