基于簡化型Z源逆變器的優(yōu)化調(diào)制策略研究

鄭連鋒， 姜吉順， 孫志偉

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 山東淄博255049)

基于簡化型Z源逆變器的優(yōu)化調(diào)制策略研究

鄭連鋒， 姜吉順， 孫志偉

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 山東淄博255049)

摘要：在對簡化型Z源逆變器進行理論研究的基礎(chǔ)上，參考傳統(tǒng)單相SPWM調(diào)制策略，應(yīng)用Z源逆變器簡單升壓控制原理，研究了優(yōu)化型SPWM調(diào)制方法，并通過MATLAB仿真軟件驗證了優(yōu)化型調(diào)制策略的有效性.

關(guān)鍵詞：Z源逆變器； 阻抗網(wǎng)絡(luò)； SPWM； 啟動沖擊

為了克服傳統(tǒng)逆變器的不足，彭方正教授2002年提出了Z源逆變器這種新型的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)[1]，但該結(jié)構(gòu)依然存在許多缺點，如輸入電流斷續(xù)、電路體積龐大、啟動沖擊嚴重等.針對這些缺點，文獻[2]提出了一種簡化型的Z源逆變器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖 1所示，該拓撲結(jié)構(gòu)基本可以保持傳統(tǒng)Z源逆變器的升壓能力，并在此基礎(chǔ)上減少了一個高壓電容，并用二極管為直通狀態(tài)下的阻抗網(wǎng)絡(luò)電感電流提供續(xù)流電路.因此，簡化型Z源逆變器減小了電路的體積及設(shè)計成本并保證了輸入電流的連續(xù)，從而提高了直流電壓的利用率.因此，簡化型Z源逆變器具有更廣闊的應(yīng)用前景.

目前對于單相Z源逆變器，存在許多種升壓控制策略，但其中實際應(yīng)用最廣泛的為最大增益SPWM調(diào)制、簡單升壓SPWM調(diào)制及三次諧波注入調(diào)制[1,3-4].倍頻式SPWM調(diào)制，其逆變電路輸出電壓的等效載波頻率是逆變器開關(guān)的2倍，這樣就可以在抑制輸出電壓諧波的同時最大程度地提高逆變效率.本文主要研究倍頻式單極性簡單升壓SPWM調(diào)制和基于其的優(yōu)化型SPWM調(diào)制.

1簡化型Z源逆變拓撲分析

簡化型單相Z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1中，VPV為直流輸入電壓；L1，L2，C構(gòu)成獨特的阻抗網(wǎng)絡(luò)；Vdc為逆變橋的輸入電壓；S1~S4構(gòu)成逆變器的主要開關(guān)器件；L為輸出濾波電感；C1為輸出濾波電容.

與傳統(tǒng)Z源逆變器一樣，簡化型Z源逆變器一個開關(guān)周期包含2個工作狀態(tài)：直通狀態(tài)與非直通狀態(tài).令開關(guān)周期為T，T0為直通時間，T1為非直通時間，則T= T0+ T1，直通占空比D=T0/T.

非直通狀態(tài)下，二極管D1導(dǎo)通，D2關(guān)斷，單相逆變橋可以等效為一個電流源，如圖2(a)所示.電感L1上的電壓為

VL1=VPV-VC

(1)

相應(yīng)地，此時電感L2上的電壓為

VL2=VC-Vdc

(2)

當逆變器處于直通狀態(tài)時，逆變器的直流鏈電壓為零，單相逆變橋可以等效為短路，如圖2(b)所示.此時，二極管D1關(guān)斷，為了使電感L1上的電流可以獲得通路，故迫使二極管D2導(dǎo)通，則此時L1上的電壓為

VL1=VPV

(3)

相應(yīng)地，此時電感L2上的電壓為

VL2=VC

(4)

根據(jù)電感L1，L2的伏秒平衡關(guān)系，即一個開關(guān)周期T中，改進型Z源逆變器在穩(wěn)態(tài)下電感兩端平均電壓為0，則

(5)

綜上可得

(6)

定義B為升壓因子，由式(6)可得升壓因子B的表達式為

(7)

對于整個系統(tǒng)，輸出正弦波電壓為

(8)

圖1　簡化型單相Z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖2 簡化型Z源逆變器等效電路圖

2SPWM調(diào)制策略

2.1簡單升壓調(diào)制

簡單升壓調(diào)制就是將直通零矢量作用的時間插入到傳統(tǒng)零矢量作用的時間內(nèi)，對于傳統(tǒng)的倍頻式單極性SPWM調(diào)制方式來說，就是在其中加入了一個大于正弦調(diào)制波正半軸峰值的參考信號Vp和一個小于正弦調(diào)制波負半軸峰值的參考信號Vn[1].如圖3所示，調(diào)制信號Va控制開關(guān)管S1和S2的通斷，調(diào)制信號Vb控制開關(guān)管S3和S4的通斷，每個橋臂的上下開關(guān)管互補導(dǎo)通.當三角載波大于Vp或者小于Vn時，4個開關(guān)管同時導(dǎo)通，逆變橋臂產(chǎn)生直通.這種調(diào)制方法實現(xiàn)起來最為簡單，直通零矢量平均插入到傳統(tǒng)零矢量之間，而且位置都固定在傳統(tǒng)零矢量中心，如圖4所示.這樣的結(jié)果就是調(diào)制因數(shù)大大限制了直通占空比，直通占空比D隨著調(diào)制因數(shù)M的增大而減小.這樣，直通占空比D就必須小于(1-M)，當調(diào)制因數(shù)M為1時，直通占空比D就只能為0，這時電壓增益G=1，系統(tǒng)就失去了直通升壓的功能.而且這種調(diào)制方式增加了開關(guān)管的開關(guān)頻率，因而增大了開關(guān)管的損耗，電流紋波脈動的頻率是普通調(diào)制方式的兩倍[5].

圖3 簡單升壓控制原理圖

圖4 直通零矢量平均插入示意圖

2.2優(yōu)化型升壓調(diào)制

優(yōu)化型升壓調(diào)制仍然是利用直通零矢量來代替?zhèn)鹘y(tǒng)零矢量，是對簡單升壓調(diào)制的一項技術(shù)改進.

在傳統(tǒng)電壓源逆變器的一個調(diào)制周期中，逆變橋經(jīng)過關(guān)斷-導(dǎo)通-關(guān)斷兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換.在簡單升壓SPWM調(diào)制中，直通零矢量被加在關(guān)斷狀態(tài)的中間部位，這就使得諧波畸變增大.而優(yōu)化型SPWM調(diào)制則在兩個相鄰周期的轉(zhuǎn)換時刻加入直通狀態(tài)，這就避免了簡單升壓SPWM調(diào)制中的問題.在全橋逆變器中，為了避免直通零矢量加在中間部位而引起的諧波畸變增大，將兩段同樣時間間隔的直通狀態(tài)分插入到兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換中.

如圖5所示，由于載波周期遠小于調(diào)制波周期，因此調(diào)制波在一個載波周期內(nèi)可以近似為一條直線.假設(shè)用 (1 0)來表示逆變橋臂中開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài).在S1和S2組成的橋臂中，上管S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通的狀態(tài)用0表示，反之用1表示.開關(guān)管S3、S4組成的橋臂同理. 在逆變器簡單升壓SPWM調(diào)制中，當

圖5　優(yōu)化型SPWM升壓控制原理圖

逆變橋臂在正弦調(diào)制波正半周期有輸出電壓，即只有S1和S4開通時，逆變橋臂處于(1 0)狀態(tài).反之系統(tǒng)在正弦波負半周期有輸出電壓時，即只有開關(guān)管S2、S3開通時，逆變橋臂處于(0 1)狀態(tài).在優(yōu)化型SPWM調(diào)制中，將 Va和 -Va分別增加和減小一定幅值后，形成了4個正弦調(diào)制波：Va、-Va、Vb和-Vb.他們分別控制開關(guān)管S1、S2、S3和S4的開斷，即逆變橋臂中4個開關(guān)管各由1個正弦調(diào)制波進行調(diào)制.

圖5將優(yōu)化型SPWM與傳統(tǒng)SPWM進行比較，可以知道優(yōu)化型SPWM只是提前了開關(guān)管的導(dǎo)通時間或者延遲了開關(guān)管的關(guān)斷時間，而并沒有增加開關(guān)管的開關(guān)頻率，并將直通零矢量均分為4份加在了逆變橋臂狀態(tài)轉(zhuǎn)換的相鄰時刻，使得系統(tǒng)既獲得了直通時間，同時又不影響有效矢量.

通過對參考波信號做出上述的相應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)了將直通零矢量插入到傳統(tǒng)零矢量中的目的，在理論上證明了優(yōu)化型SPWM技術(shù)的可行性.

為了實現(xiàn)優(yōu)化型正弦脈寬調(diào)制，通過圖6搭建SPWM模塊.此方法將正弦波的正負半周分別實現(xiàn)調(diào)制.因此，首先將參考波Uref分為正負.如果參考波在正半周期，將正參考波上移，負參考波下移；當參考波在負半周期時，將正參考波下移，負參考波上移.上移與下移的具體距離取決于升壓因子D.隨后再將參考波和三角載波進行比較，這樣就可輸出符合要求的獨立四路開關(guān)脈沖波形[6].

圖6　優(yōu)化型SPWM模塊內(nèi)部原理圖

3系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本設(shè)計使用dsPIC30f6012A作為控制系統(tǒng)的主控芯片，此款單片機具有64個引腳，采用哈弗結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)、地址線分開，每個IO口都是雙向通信，既可以作為輸入端口，也可以作為輸出端口.該芯片具有C編譯器優(yōu)化指令集、靈活的尋址模式、24位寬指令，16位寬數(shù)據(jù)總線，144KB的片內(nèi)閃存程序空間，8KB的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM、4KB的EEROM，高達30MIPS的工作速度，4~10MHz時鐘輸入，帶PLL鎖相技術(shù)，16個輸入通道的12位ADC，轉(zhuǎn)換速率200ksps，可編程低壓檢測，工作電壓范圍2.5~5.5V，PWM輸出等功能，特別適用于交流逆變控制器設(shè)計.最小系統(tǒng)SPWM輸出控制如圖7所示.

顯示電路DWIN_LCD采用北京迪文公司生產(chǎn)的DWT80480T070觸摸屏，DSP經(jīng)過RS232電平轉(zhuǎn)換和觸摸屏相連，通訊波特率可調(diào).DGUS屏基于GUI系統(tǒng)軟件開發(fā)，采用直接變量驅(qū)動顯示方式，所有的顯示和操作都是基于預(yù)先設(shè)置好的變量配置文件來工作的.使用DGUS進行開發(fā)，實現(xiàn)快速開發(fā)全圖形觸摸屏人機界面及觸摸屏輸入法、彈出菜單、滑塊拖動、增量調(diào)節(jié)等觸摸屏交互方式和變量圖標、藝術(shù)字、曲線顯示、時間變量等變量顯示，觸摸屏觸摸區(qū)域可以靈活定義，觸摸顯示區(qū)下傳變量可以是字節(jié)、字或字符串格式，設(shè)置靈活方便.

4仿真驗證

為了驗證優(yōu)化型SPWM調(diào)制方法在簡化型單相Z源逆變器中使用的可行性，本文利用Matlab/Simlink仿真工具對優(yōu)化型SPWM調(diào)制方法進行仿真驗證.其仿真參數(shù)設(shè)置如下：直流電源電壓40V，Z源網(wǎng)絡(luò)電容C=1 000μF，Z源網(wǎng)絡(luò)電感L1=L2=50μh，濾波電感L=1 000μh，濾波電容C1=220μF，阻性負載R=1Ω，載波頻率為10kHz，直通占空比D=0.2，調(diào)制比M=0.65.圖8為四路獨立開關(guān)SPWM脈沖的仿真結(jié)果，圖9為阻抗網(wǎng)絡(luò)電容電壓波形，圖10為逆變器輸出端電壓波形，圖11為逆變器輸出端濾波后電壓、電流波形.由圖9~圖11

圖7　最小系統(tǒng)SPWM輸出控制電路

圖8　四路獨立SPWM脈沖仿真波形

圖9　阻抗網(wǎng)絡(luò)電容電壓波形

圖10　逆變器輸出端電壓波形

圖11　逆變器輸出端濾波后電壓、電流波形

可知，仿真結(jié)果與理論計算值相符.

5結(jié)束語

簡化型Z源單相逆變器克服了傳統(tǒng)Z源逆變器的許多不足，同時也保留了其優(yōu)點，為功率逆變器的設(shè)計提供了新的有效途徑.本文研究了簡化型Z源單相逆變器的優(yōu)化SPWM調(diào)制策略，為簡化型Z源單相逆變器的深入研究提供了技術(shù)支持.

參考資料

[1]PengFZ.Z-sourceinverter[J].IEEETransactionsonIndustryApplications, 2003, 39(2): 504-510.

[2]唐榮波、侯世英、肖旭.簡化型Z源并網(wǎng)逆變器[J].低壓電器,2013(17)：47-51.

[3]PengFZ,ShenM，QianZM.MaximumboostcontroloftheZsourceinverter[C]//Proceedingsof35thAnnualIEEEPowerElectronicsSpecialistsConference.Aachen:IEEE,2004:255-260.

[4]BlaabjergE,TeodorescuR,LiserreM, et al .Overviewofcontrolandgridsynchronizationfordistributedpowergenerationsystems.[C]//IEEEIndustrialElectronicsSociety.IndustrialEkctronics,IEEETransactionsonvolume53.IEEE,2006,1 398-1 409.

[5]PengFZ,JosephA,wangJ, et al.Z-sourceinverterformotordrives[J].IEEETransactionsonPowereleetronies, 2005,220(4):857-863.

[6]張蓉.數(shù)字控制SPWM逆變器研究[D].南京：南京航空航天大學(xué), 2006.

(編輯：郝秀清)

收稿日期：2014-06-08

作者簡介：鄭連鋒, 男, 591371194@qq.com; 通信作者：姜吉順, 男, jandj8@sina.com

文章編號：1672-6197(2015)01-0039-06

中圖分類號：TM464

文獻標志碼：A

Researchonoptimizedmodulationstrategy
basedonthesimplifiedZ-sourceinverter

ZHENGLian-feng,JIANGJi-shun，SUNZhi-wei

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:Based on the theoretical research of simplifing the Z-source inverter, referringtraditional single-phase SPWM modulation strategy, and using simple boost control principle of Z-source inverter,we researched the optimized SPWM modulation method, and verified the effectiveness of optimized modulation strategy by MATLAB simulation software.

Key words:Z-source inverter; impedance network; SPWM; start impact