基于改进型SVPWM的开关电感型准Z源逆变并网的研究

王 哲，张欣欣

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引 言

在现代科学技术高速发展的当下，光伏发电技术一直备受瞩目。逆变器作为光伏逆变中最重要的一部分，对其研究十分必要。传统逆变器前级升压后级逆变的两级结构，提高了成本，降低了传输效率，因此Z源逆变器被提出，随后逐步改进得到了qZSI和SL-qZSI。qZSI与传统Z源相比减小了电路元件的应力。SL-qZSI与qZSI相比提高了升压倍数，改善了升压波形，提高了电路可靠性。在调制策略上，通过加入直通时间改进传统SVPWM，使得同一桥臂开关管允许直通，实现拓扑升压的同时减小了死区时间，降低了输出波形的失真效果。

1 SL-qZSI拓扑的工作过程分析

调制系数M影响输出电流，直通占空比D影响升压因子B，当对升压因子B的要求更高时，要求有较长时间的直通状态。由M+D≤1可知，输出电流的质量和升压倍数之间互相制约。为了更好解决这一矛盾，可以将开关电感和qZSI拓扑相结合得到SL-qZSI拓扑，如图1所示。

图1 SL-qZSI拓扑结构

SL-qZSI拓扑工作于非直通状态时，如图2所示。根据基尔霍夫电压定律，依次对Vin、L1、C1所在回路，L2、L3、C2所在回路和VPN、C1、L2、L3所在回路列写KVL：

SL-qZSI拓扑工作于直通状态时，如图3所示。根据基尔霍夫电压定律，依次对L1、C2、Vin所在回路，C1、L2所在回路和C1、L3所在回路列写KVL：

图2 SL-qZSI拓扑非直通状态

图3 SL-qZSI拓扑直通状态

此时，直流链侧峰值电压为：

相同条件下，qZSI的升压因子可以表示为B=1/(1-2D)。由式（3）可知，SL-qZSI拓扑的升压因子B变大，当升压效果相同即B相同时，SL-qZSI所需直通占空比D更小，从而使得M更大，则输出电流效果更好，且小范围占空比调节提高了系统稳定性。

2 改进型SVPWM的算法实现

改进型SVPWM通过在传统SVPWM调节策略中加入直通零矢量，使得同一桥臂的两个开关管可以直通。

由8种组合的基本空间电压矢量，可得到电压空间矢量图如图4所示。它们将复平面分成6个区，并将之定义为扇区。

改进的SVPWM调制波主要由3部分组成：判断电压空间矢量Uref所在扇区，确定各扇区相邻两非零矢量和零矢量作用时间，确定各扇区矢量切换点。

2.1 判断电压空间矢量Uref所在的扇区

两相静止坐标系α、β下，Uα、Uβ与Uref的关系为。由Clark变换可知，三相电压分量VA、VB、VC可表示为：

图4 电压空间矢量与对应（abc）示意图

定义A、B、C，有：

（1）若VA＞0，则A=1，否则A=0；

（2）若VB＞0，则B=1，否则B=0；

（3）若VC＞0，则C=1，否则C=0。

A、B、C共有8种组合，但A、B、C不同时为1或0，所以实际组合是6种组合。由于不同的组合和相应的扇区唯一对应，所以扇区的判断可以通过对A、B、C组合取不同的值来实现。为区别6种状态，可以令N=4×C+2×B+A，则可以得到N与扇区的对应关系。Uref所在的扇区可由表1判断。

表1 N与扇区的对应关系

2.2 确定各扇区相邻两非零矢量和零矢量作用时间

引出3个辅助变量X、Y、Z，以此类推可以得出其他扇区各矢量的作用时间，令：

得到各个扇区T1、T2作用的时间如表2所示。

表2 各扇区T1、T1作用时间

2.3 确定各扇区矢量切换点

由PWM调制原理计算每一相比较器的值，分别计算3个电压矢量作用时间后，可以先计算每个电压矢量在一个开关周期内的切换点。传统七段式SVPWM调制技术的各切换时间运算关系如下：

而改进型SVPWM的七段式调制技术的同一桥臂的上下两个开关管的切换时间不一样，所以要分为上下桥臂来分别列写。对3个上桥臂而言，开关管的各切换时间分别为：

下桥臂3个开关管矢量切换时间为：

Ta、Tb、Tc为对应比较器的值，则不同扇区切换点Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3与各扇区的关系如表3所示。

表3 各扇区时间切换点Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3

对于一个任意给定的Uref，都可按照以上几个步骤得出马鞍波作为SVPWM的调制波，然后与载波三角波进行比较得出期望的SVPWM信号波形。上述中TPWM为三角波周期，T0为直通零矢量作用时间，Vin为输入电压。

3 仿真实现

3.1 SVPWM中重要输出波形

扇区N输出波形和SVPWM输出算法波形，分别如图5和图6所示。

图5 扇区N输出波形图

图6 SVPWM输出算法波形

3.2 开关电感型准Z源逆变并网系统仿真

理论分析基于改进型SVPWM的开关电感型准Z源逆变拓扑后，下面利用Matlab建立开关电感型准Z源逆变并网系统仿真模型来进一步验证理论分析的正确性。仿真参数设置如下：系统输入电压Vin=500 V，开关电感型准Z源中电感L1=L2=L3=0.3 mH，电容C1=C2=600μF，开关电感型准Z源输出直流链侧电压VPN=700 V；逆变后输出滤波电感L=7 mH，逆变后输出滤波电容C=8μF，设置Z源逆变所并电网幅值为220V、频率为50 Hz，SVPWM调制策略中输出马鞍波后与频率为10 kHz三角波相比较得到最后的驱动波形。

图7 开关电感型准Z源输出直流电压波形

图8 逆变输出A相并网电流和电压

由图7可以看出，开关电感型准Z源输出直流电压为700 V，升压效果良好。图8的并网电压和并网电流波形是逆变器输出端经过滤波电路滤波后得到的波形。由图8可以看出，开关电感型准Z源逆变器输出的电流与电压同频同相。仿真结果表明，开关电感型准Z源逆变器作为一种单级型升压逆变器，以含有直通零矢量的SVPWM为调制策略时能够实现正常并网，验证了理论分析的正确性与可行性。

4 结 论

本文主要分为两部分介绍了基于改进型SVPWM的开关电感型准Z源逆变电路的原理与工作过程。第一部分主要介绍开关电感型准Z源逆变电路拓扑，第二部分详细介绍了改进型SVPWM的算法实现。最后，搭建仿真验证了调制策略的正确性和这一拓扑逆变并网的可行性，发现仿真逆变并网效果良好。