基于SPWM的Z源T型三電平逆變器中點(diǎn)平衡和升壓控制

摘 要： 由于Z源三電平中點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器存在無源器件多的缺點(diǎn)，采用Z源T型三電平逆變器拓?fù)?，該拓?fù)渚哂衂源NPC逆變器相同的升壓特性，但是開關(guān)器件數(shù)目較少，效率高。以電壓源型Z源三電平T型逆變器為例，對同相電壓偏移（PD）和反相電壓偏移（APOD）方法進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)采用PD的方法可以減少開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損耗。在Matlab/Simulink下，建立Z源T型三電平逆變器PD模型，仿真結(jié)果表明，采用PD方法能夠獲得較好的波形質(zhì)量，并針對T型三電平逆變器固有的中點(diǎn)不平衡，提出了注入零序分量實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞： Z源； T型逆變器； 同相電壓偏移； 反相電壓偏移； 中點(diǎn)平衡

中圖分類號： TN919?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）21?0153?06

Neutral point balance and boost control of Z?source T?type three?level inverter

based on SPWM

JIA Yuxiang1， LI Runjuan1， LIU Tao2

（1. Department of Electrical Engineering， Henan Radio Television University， Zhengzhou 450000， China；

2. School of Electrical Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China）

Abstract： The Z?source three?level neutral point clamped （NPC） inverter has the disadvantage of more passive components. The topology of Z?source T?type three?level inverter is adopted， which has the same boost characteristics with Z?source NPC inverter， but has less quantity of switching devices and higher efficiency than those of Z?source NPC inverter. Taking Z?source three?level T?type inverter as an example， the methods of phase disposition （PD） and alternative phase opposition disposition （APOD） are analyzed. The study found that the PD method can reduce the switching frequency and switching loss. The PD model of Z?source T?type three?level inverter was established with Matlab/Simulink. The simulation results show that the PD method can obtain preferable waveform quality. To solve the inherent neutral point imbalance of T?type three?level inverter， the method of injecting zero?sequence component to control the neutral point balance is put forward. The effectiveness of the proposed method was verified with an experiment.

Keywords： Z?source； T?type inverter； phase disposition； phase opposition disposition； neutral point balance

0 引 言

隨著分布式電源的迅速發(fā)展及其在效率要求的不斷提升，提高電能質(zhì)量、減少諧波污染、提高發(fā)電系統(tǒng)的效率已經(jīng)成為逆變設(shè)備的必要條件。三電平變換器（見圖1）相比于傳統(tǒng)的兩電平逆變器具有諧波少、耐壓高、開關(guān)應(yīng)力小、電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）少等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在分布式電源及微電網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而對于燃料電池、光伏電池等分布式電源的輸出電壓并不是恒定的，無法實(shí)現(xiàn)較寬直流電壓范圍的變流功能和得到較高的交流輸出電壓[1?3]。為了滿足直流母線較寬的電壓范圍，文獻(xiàn)[4]加入了DC/DC變換器，即采用兩級結(jié)構(gòu)。然而此變換器不僅需要較多的功率器件，在工作過程中還產(chǎn)生大量的開關(guān)損耗，降低系統(tǒng)效率。為了減少因DC/DC多電平變換器開關(guān)損耗對系統(tǒng)效率的影響，采用Z源多電平變換器是一種理想的選擇。

文獻(xiàn)[5]提出了一種Z源中點(diǎn)鉗位（Neutral Point Clamped，NPC）逆變器，它由兩個(gè)獨(dú)立的直流電源、兩個(gè)Z源和一個(gè)三電平NPC逆變電路組成。Z源的引入使直通成為一種正常的工作狀態(tài)，通過控制直通占空比，Z源三電平NPC逆變器可以實(shí)現(xiàn)升壓功能，且不用控制死區(qū)時(shí)間，可以防止輸出電流波形畸變。橋臂直通不會引起功率器件的損壞，可靠性明顯增加。雖然Z源給二極管中點(diǎn)鉗位逆變器的性能帶來了改善，但是該電路拓?fù)浯嬖趦δ茉啵布杀靖叩热秉c(diǎn)。文獻(xiàn)[6]在上述研究的基礎(chǔ)上提出了一種單Z源的二極管中點(diǎn)鉗位（Neutral Point Clamped，NPC）逆變器，該逆變器可以實(shí)現(xiàn)同樣的升壓和逆變功能。因此，Z源三電平NPC逆變器相對于傳統(tǒng)三電平NPC逆變器優(yōu)勢明顯，前景十分廣闊。

文獻(xiàn)[7?8]對Z源NPC逆變器提出新的工作模式，該模式可以改善波形質(zhì)量和具有最少的開關(guān)切換。然而，Z源NPC逆變器需要無源器件太多，效率低、損耗大。

為此文獻(xiàn)[9]提出一種新的基于Z源三電平T型逆變器的拓?fù)?，如圖2所示。Z源三電平T型逆變器結(jié)合Z源兩電平逆變器低傳導(dǎo)損失和Z源三電平NPC逆變器（如圖2）低開關(guān)損耗和輸出波形質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。該逆變器不僅能實(shí)現(xiàn)升壓功能，而且具有較少的無源器件，能夠產(chǎn)生和Z源三電平NPC逆變器相同的波形質(zhì)量（參數(shù)相同時(shí)）和電壓增益。該逆變器能夠很好地實(shí)現(xiàn)升壓和逆變的功能。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出控制方案的合理性和可行性。

1 T型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 T型逆變器工作原理

1.2 控制方式

由分析可知，載波反相SPWM控制方式符合上述條件，具體控制方式如下。

調(diào)制波為三相正弦波，即：

[ura=sinωturb=sinωt-120°urc=sinωt-240°] （1）

載波CA1和CA2為在相位上相差180°的三角波，如圖3所示。

以a相為例，開關(guān)序列生成方式如下：

（1） 如果[Ura>CA1]并且[Ura>CA2，]則開關(guān)序列（Sa1，Sa2，Sa3，Sa4）=（1，1，0，0）=P。Sa1開通時(shí)，雖然Sa2開通，但是沒有電流流過Sa2，Sa3，Sa4關(guān)斷。因此[Va0=Vdc2。，]其中[Vin=Vdc。]

（2） 如果[Ura

（3） 如果[UraCA2，]則開關(guān)序列（Sa1，Sa2，Sa3，Sa4）=（0，1，1，0）=OA。Sa2開通，Sa1，Sa3，Sa4關(guān)斷。因此[Va0=0。]

（4） 如果[Ura>CA1]并且[Ura

2 Z源T型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

Z源三電平T型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中[Vin]為輸入電源電壓[Vin=Vdc；][O]為中點(diǎn)；二極管[D1，D2]在直通狀態(tài)起反向阻斷作用；Z源的2個(gè)電感電容相等，即[L1=][L2，][C1=C2。]

非直通電壓狀態(tài)等效電路如圖4所示。上直通狀態(tài)時(shí)，二極管承受反向壓降而截止，等效電路如圖5所示。下直通狀態(tài)等效電路如圖6所示。

假設(shè)Z源T型逆變器在一個(gè)開關(guān)周期[T]內(nèi)的直通時(shí)間為[Ds，]非直通時(shí)間為[1-Ds，]因此在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過電感兩端的平均電壓為0：

[2E-Vc?TN+E?TUT=0] （2）

[TN+TU+TL=T] （3）

逆變橋的輸出電壓[Vi]在非直通條件下為：

[Vi_NST=2E1-TULSTT] （4）

逆變橋的輸出電壓[Vi]在直通條件下為：

[Vi_UST=Vi_LST=E1-TULSTT] （5）

因此，逆變器輸出相電壓峰值可以表示為：

[VXO=M3?Vi_NST] （6）

[VXO=11-TULSTT?M3（2E）=BM3（2E）] （7）

式中：[M]為調(diào)制比；[B]為升壓比。

由式（7）可知，當(dāng)[B=1]時(shí)，Z源三電平T型逆變器工作在傳統(tǒng)降壓模式；當(dāng)[B>1]時(shí)，則工作在升壓模式。

3 Z源三電平T型逆變器升壓控制方法

文獻(xiàn)[7]對PD和APOD方法進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)采用PD的方法可以減少開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損耗。因此本文采用PD方法實(shí)現(xiàn)升壓控制。

為了得到[T0]的直通狀態(tài)，需要在調(diào)制波的垂直方向增加[T0T，]在水平方向得到直通時(shí)間。在任意時(shí)刻，對調(diào)制信號的[Vmax]增加[T0T]的垂直偏移，同時(shí)對調(diào)制信號的[Vmin]減少[T0T]的垂直偏移，從而保持調(diào)制信號的[Vmid]不改變。從而得到Z源三電平T型逆變器所需要的直通占空比。為了增加直流電壓的利用率，在原始的正弦波信號的基礎(chǔ)上注入零序分量[7][U0]。

由以上分析可以得出控制Z源三電平T型逆變器所需的調(diào)制信號為：

[U0=-0.5max（Ua，Ub，Uc）] （8）

[Umax（X1）=Umax+U0+T0TUmax（X2）=Umax+U0Umid（X1）=Umid+U0+T0TUmid（X2）=Umid+U0Umin（X1）=Umin+U0+T0TUmin（X2）=Umin+U0] （9）

圖7在傳統(tǒng)三電平逆變器的開關(guān)周期內(nèi)的兩端加入上直通，在中間加入下直通。如圖7所示，V（0?1?1）作用時(shí)間內(nèi)，A相為0電平，滿足上直通的條件，因此A相由（0110）?（1110）?（1100），B相和C相保持不變。V（100）作用時(shí)間內(nèi)，B，C兩相都可以產(chǎn)生下直通，但是V（100）的前一個(gè)狀態(tài)是V（10?1），若選擇B相直通會產(chǎn)生過多的開關(guān)動作，因此選擇C相產(chǎn)生下直通是理想選擇。

在任意時(shí)刻，對調(diào)制信號的（Vmax+V0）增加[T0T]的垂直偏移產(chǎn)生上直通，同時(shí)對調(diào)制信號的（Vmin+V0）減少[T0T]的垂直偏移產(chǎn)生下直通，從而保持調(diào)制信號的Vmid不改變。從而得到Z源三電平T型逆變器需要的直通占空比。

4 Z源三電平逆變器中點(diǎn)平衡控制

假設(shè)P，O，N分別代表1，0，-1狀態(tài)。大矢量[PNN]沒有和直流側(cè)電容中性點(diǎn)相連，故不會影響中點(diǎn)電位平衡，如圖8（a）所示。零矢量[OOO]雖然和直流側(cè)電容中性點(diǎn)相連，但是三相輸出電流之和為0，也不會影響中點(diǎn)平衡，如圖8（b）所示。如果T型三相三電平逆變器輸出為P?type的小矢量[POO]，如圖8（c）所示，該類型的小矢量會減少上側(cè)電容電壓Vdc1。反之，如果T型三相三電平逆變器輸出為N?type的小矢量[OON]，如圖8（d）所示，該類型的小矢量會減少下側(cè)電容電壓[Vdc2。]

本文采用中點(diǎn)平衡控制是通過控制N?type和P?type小矢量實(shí)現(xiàn)的。P?type小矢量用于減小上側(cè)電容電壓，P?type小矢量用于減小下側(cè)電容電壓。

如果下側(cè)電容電壓[Vdc2]大于上側(cè)電容電壓[Vdc1，]N?type小矢量用于實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡控制；即 A相，B相和C相的調(diào)制波[Ua，Ub，Uc]分別同時(shí)減去[Tmin，]可得：[Tmin]為調(diào)制波[Ua，Ub，Uc]中的最小值，通過每個(gè)控制周期比較獲得。

反之，如果下側(cè)電容電壓[Vdc2]小于上側(cè)電容電壓[Vdc1，]P?type小矢量用于實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡控制，即A相，B相和C相的調(diào)制波[Ua，Ub，Uc]分別同時(shí)加上[Tmin，]可得：[Tmin]為調(diào)制波[Ua，Ub，Uc]中的最小值，通過每個(gè)控制周期比較獲得。

5 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證Z源三電平T型逆變器拓?fù)涞目尚行?，首先按照電路參?shù)進(jìn)行仿真研究，本文采用Matlab/Simulink建立該逆變器的PD仿真模型，進(jìn)行仿真對比驗(yàn)證。仿真參數(shù)為：獨(dú)立電壓[Uin=]200 V；直流側(cè)的電容[C1=C2=C3=C4=3 ]mF；電感[L1=L2=L3=L4=3 ]mH；負(fù)載為三相對稱負(fù)載，負(fù)載電阻為10 Ω；濾波電感為2.8 mH；濾波電容為0.1 mF；載波頻率為6 kHz。

為了證明Z源三電平T型逆變器的升壓能力，首先，設(shè)定調(diào)制度[M=]0.8，直通占空比的時(shí)間[TULST=]0。圖9依次輸出的是相電壓、相電流、線電壓、Z源電容電壓、直流鏈電壓[Vi。]Z源三電平T型逆變器沒有升壓，因此線電壓的峰值等于200 V。由式（7）可得理論相電壓為92 V，理論線電壓值為159 V，高質(zhì)量的正弦相電流可以得到。Z源電容電壓由于沒有升壓而保持200 V不變化。直流鏈電壓[Vi]也是保持在200 V附近波動。

然后，設(shè)定調(diào)制度[M=]0.8，直通占空比的時(shí)間[TULST=]0.2，仿真波形如圖10所示。由式（7）可知升壓因子[B=1.66，]相電壓為[159×1.661.732=]152.4 V，實(shí)際測量值為140 V。由式（5）可得升壓最大值[Vi]為332 V，而實(shí)際測量值為324 V。電流沒有受到直通信號的影響而發(fā)生畸變。Z源的電容電壓由式（5）可得為266 V，實(shí)際測量值為265 V。另外，[Vdc]電壓在162～324 V變化實(shí)現(xiàn)升壓和逆變功能。

仿真結(jié)果表明Z源三電平T型逆變器可以使線電壓升到設(shè)定的值而不影響輸出電流的波形質(zhì)量。

為了證明ULST方法比FST方法具有更好的波形質(zhì)量，假定FST方法采用和ULST方法一樣的參數(shù)。設(shè)定調(diào)制度[M=]0.8，直通占空比的時(shí)間[TFST=]0.2。圖11依次輸出的是相電壓、線電流、線電壓、Z源電容電壓、[Vi]電壓。表2給出了濾波之前線電壓諧波和開關(guān)損耗的比較。

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為了證明加入直通不會影響輸出電壓的波形質(zhì)量，相同的輸入電壓加在直通模式（TULST=0.2）和非直通模式（TULST=0）下，它們的諧波對比如圖12所示。

最后，對Z源三電平NPC逆變器采用PD方法進(jìn)行仿真對比，在參數(shù)一樣的情況下，線電壓、相電流、Vi電壓如圖13，圖14所示。THD對比如表3所示。

從表3中可以看出，Z源三電平T型逆變器與Z源三電平NPC逆變器在相同的調(diào)制策略下，波形質(zhì)量相同。

為了驗(yàn)證Z源三電平T型逆變器拓?fù)涞闹悬c(diǎn)平衡和升壓，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真參數(shù)為：獨(dú)立電壓[Uin=]80 V；直流側(cè)的電容[C1=C2=C3=C4=]3 mF；電感[L1=L2=L3=][L4=]3 mH；負(fù)載為三相對稱負(fù)載，負(fù)載電阻為20 Ω；濾波電感為2.8 mH；濾波電容為0.1 mF；載波頻率為6 kHz。

為了證明Z源三電平T型逆變器的中點(diǎn)平衡能力，首先，設(shè)定調(diào)制度[M=]0.8，直通占空比的時(shí)間[TULST=]0。圖17依次輸出的是電容電壓、相電流、直流鏈電壓[Vi。]Z源三電平T型逆變器沒有升壓，因此線電壓的峰值等于80 V。

為了證明中點(diǎn)平衡能力和升壓能力，設(shè)定調(diào)制度[M=0.8，]直通占空比的時(shí)間[TFST=0.15。]圖18依次輸出的是電容電壓、相電流、直流鏈電壓[Vi。]經(jīng)過本文算法以后中點(diǎn)電容是平衡的。Z源三電平T型逆變器實(shí)現(xiàn)升壓功能，因此線電壓的峰值等于115 V。

6 結(jié) 論

T型三電平具有較少的開關(guān)器件得到廣泛的應(yīng)用。本文采用一種新型Z源T型三電平逆變器拓?fù)?，采用PD調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)升壓和逆變功能，其相對于APOD調(diào)制方法具有較少的諧波。針對T型三電平固有缺點(diǎn)，提出了注入零序分量實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡控制方法。本文所提算法實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)平衡和升壓的功能。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提算法的正確性。

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