APOD載波調(diào)制三電平Z源逆變器

馬運(yùn)亮，高梅峰，朱元辰，張輯，方遒

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌供電公司，河南 許昌 461000；3.廈門(mén)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024）

APOD載波調(diào)制三電平Z源逆變器

馬運(yùn)亮1，高梅峰2，朱元辰1，張輯3，方遒3

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌供電公司，河南 許昌 461000；3.廈門(mén)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024）

根據(jù)中點(diǎn)鉗位三電平單Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了其3種工作狀態(tài)。與傳統(tǒng)逆變器不同，直通狀態(tài)的插入不僅省去死區(qū)的設(shè)置以及死區(qū)時(shí)間的補(bǔ)償，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了逆變器升壓輸出的效果。根據(jù)直通矢量插入特點(diǎn)，提出一種基于交替反相層疊載波調(diào)制（APOD）的三電平Z源逆變器脈寬調(diào)制方法。該方法將直通狀態(tài)插入于零矢量中，實(shí)現(xiàn)直流鏈的全直通，獲得升壓能力的同時(shí)又不增加開(kāi)關(guān)損耗。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該調(diào)制策略能夠?qū)崿F(xiàn)逆變器升壓輸出，驗(yàn)證了所提出的APOD載波調(diào)制三電平Z源逆變器控制策略的有效性。

Z源逆變器；交替反相層疊載波調(diào)制；直通矢量；中點(diǎn)鉗位三電平

多電平變換器在高壓大功率場(chǎng)合得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1-2］。傳統(tǒng)多電平逆變器只能實(shí)現(xiàn)降壓輸出，這種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)不僅增加系統(tǒng)成本，而且降低了整體可靠性［3-8］。文獻(xiàn)［9］提出了一種中點(diǎn)鉗位三電平Z源逆變器，在充分利用傳統(tǒng)NPC電壓型三電平逆變器原有優(yōu)勢(shì)之外，引入橋臂直通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)逆變器升壓輸出，近年來(lái)已成為研究熱點(diǎn)。

Z源逆變器通過(guò)將橋臂直通狀態(tài)作為一種正常工作模式，無(wú)需死區(qū)設(shè)置及死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償，通過(guò)直通占空比的控制，實(shí)現(xiàn)交流側(cè)的升壓輸出。按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，三電平Z源逆變器分為雙Z源網(wǎng)絡(luò)和單Z源網(wǎng)絡(luò)，由于單Z源網(wǎng)絡(luò)使用的無(wú)源器件少，裝置體積小，可靠性更高，且控制算法也較為簡(jiǎn)單，具有更好的應(yīng)用前景［10-12］。

本文根據(jù)單Z源三電平逆變器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種適用于中點(diǎn)鉗位三電平單Z源網(wǎng)絡(luò)的脈寬調(diào)制算法，該方法通過(guò)交替反向載波層疊PWM調(diào)制，將直通狀態(tài)插入于（000）矢量，實(shí)現(xiàn)直流鏈的全直通，通過(guò)直通矢量的插入，獲得逆變器升壓輸出的效果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性與正確性。

1　中點(diǎn)鉗位三電平單Z源逆變器工作原理

中點(diǎn)鉗位三電平單Z源逆變器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，其中Cs1，Cs2為直流電源Vdc的2個(gè)分壓電容，為實(shí)現(xiàn)直通狀態(tài)時(shí)的反向阻隔，直流電源回路串聯(lián)2個(gè)二極管D1，D2。單Z源網(wǎng)絡(luò)中，L1= L2，C1=C2，Z源網(wǎng)絡(luò)輸出側(cè)與傳統(tǒng)中點(diǎn)鉗位三電平逆變器級(jí)聯(lián)。中點(diǎn)o連接至ABC三相橋臂的鉗位中點(diǎn)并定義為零電位。根據(jù)每相橋臂開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)3種組合，可以輸出3種電平：VP，VU及VN，分別記為1，0，-1。

圖1　中點(diǎn)鉗位三電平單Z源逆變器Fig.1　NPC three level single Z source inverter

中點(diǎn)鉗位三電平單Z源逆變器正常工作狀態(tài)有以下3種：1）非直通狀態(tài)；2）上直通狀態(tài)，定義Tsh_U為上直通時(shí)間；3）下直通狀態(tài)，定義Tsh_G為下直通時(shí)間。一般為考慮輸入諧波最小時(shí)，保持Tsh_U=Tsh_G=Tsh。穩(wěn)定工作后，一個(gè)周期內(nèi)根據(jù)電感兩端電壓伏秒平衡，可得電容電壓與輸入直流電壓關(guān)系式：

式中：D為直通占空比，D=Tsh/Ts。

為獲得升壓輸出作用，需在逆變器工作時(shí)插入上下直通狀態(tài)。逆變器在3種工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)輸出的3種電平滿足以下關(guān)系：

中點(diǎn)鉗位三電平單Z源逆變器輸出相電壓峰值Ux，則：

式中：M為調(diào)制系數(shù)；B為升壓系數(shù)，B=1/（1-2D）。當(dāng)需要升壓輸出時(shí)，可令升壓系數(shù)B＞1，當(dāng)B=1時(shí)，逆變器降壓運(yùn)行。

Z源逆變器脈寬調(diào)制的關(guān)鍵是直通狀態(tài)的插入，本文采用交替反相層疊載波調(diào)制（APOD）技術(shù)［13-16］，在矢量合成伏秒平衡原則的基礎(chǔ)上，確保參考矢量位于空間矢量圖的任何區(qū)域時(shí)，其合成矢量在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)均以矢量（000）開(kāi)始并結(jié)束，將直通狀態(tài)插入于（000）矢量。此時(shí)，逆變器工作于直流鏈全直通及非直通狀態(tài)，其等效電路如圖2a、圖2b所示，APOD調(diào)制時(shí)空間矢量圖如圖3所示。

圖2等效電路Fig.2　Equivalent circuit

圖3APOD調(diào)制時(shí)逆變器空間矢量圖Fig.3　Space vector diagram under APOD modulation

以參考矢量位于圖3所示區(qū)域?yàn)槔?，其調(diào)制原理圖如圖4所示。合成參考矢量的3個(gè)矢量分別為（000）、（10-1）及（1-1-1），直流鏈全直通狀態(tài)可以通過(guò)兩相不同的橋臂實(shí)現(xiàn)，例如在由矢量（000）變?yōu)槭噶浚?0-1）時(shí)，A相由狀態(tài)“0”變?yōu)闋顟B(tài)“1”，C相由狀態(tài)“0”變?yōu)闋顟B(tài)“-1”，通過(guò)在第1個(gè)狀態(tài)瞬變的左側(cè)提前Tsh/2時(shí)間導(dǎo)通SA1與SC4，則在從tCE1-Tsh/2到tCE1的Tsh/2時(shí)間內(nèi)，A相橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)管SA1，SA2，SA3，C相橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)管SC2，SC3，SC4，實(shí)現(xiàn)整個(gè)直流鏈的全直通，從tCE1時(shí)刻開(kāi)始，SA3與SC2關(guān)斷，矢量合成由直通零矢量（000）進(jìn)入矢量（10-1）。同理，第2個(gè)直通狀態(tài)位于tCE4右側(cè)Tsh/2時(shí)間段內(nèi)，通過(guò)延遲關(guān)斷SA1及SC4實(shí)現(xiàn)直流鏈的全直通，tCE4+Tsh/2時(shí)刻SA1及SC4關(guān)斷，合成矢量由直通零矢量進(jìn)入傳統(tǒng)零矢量。

圖4　三電平Z源逆變器APOD調(diào)制原理Fig.4　APOD modulation principle of three-level Z-source inverter

通過(guò)對(duì)參考電壓Va向上平移Tsh/Ts位移得到控制SA1提前導(dǎo)通的控制信號(hào)，通過(guò)對(duì)參考電壓Vc向下平移Tsh/Ts位移得到控制SC4提前導(dǎo)通的控制信號(hào)，2條新增的控制信號(hào)Va'，Vc'如圖4中粗線所示，同時(shí)將最大相電壓Vmax向上平移Tsh/Ts位移，最小相電壓Vmin向下平移Tsh/Ts位移，保持中間相電壓Vmid不變，可以有效實(shí)現(xiàn)既定直通狀態(tài)的插入。為了提高直流電壓利用率［17］，在三相參考電壓中加入3次諧波分量Voff（SVM），且Voff（SVM）滿足式Voff（SVM）=-0.5（Vmax+Vmin），可得三相調(diào)制信號(hào)為

2　仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述三電平Z源逆變器APOD載波調(diào)制策略的可行性，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了仿真模型。仿真參數(shù)為：調(diào)制系數(shù)M=1，直流電源Vdc=60 V，Z源電容C=3 300 μF，Z源電感L= 4.5 mH，負(fù)載Rl=10 Ω，Ll=3 mH，Y型連接，開(kāi)關(guān)頻率fsc=10 kHz，基波頻率50 Hz。恒直流輸入時(shí)令直通占空比D在0.2 s時(shí)由0變?yōu)?.15。

圖5給出了三電平Z源逆變器的仿真波形。其中圖5a所示為Z源網(wǎng)絡(luò)輸出電壓Vi波形，0.2 s前直通占空比設(shè)為0，輸出電壓維持在直流電源電壓，0.2 s后直通占空比變?yōu)?.15，根據(jù)式（3），此時(shí)升壓至85 V，仿真結(jié)果與理論分析一致。圖5b和圖5c分別為上述動(dòng)態(tài)升壓過(guò)程中，線電壓Vab，及A相對(duì)中點(diǎn)的電壓Vao波形，由圖中可以看出，在0.2 s直通占空比突變時(shí)，經(jīng)一個(gè)周期調(diào)整，逆變器輸出實(shí)現(xiàn)升壓功能。圖5d所示為A相負(fù)載的線電流，在直通占空比變化過(guò)程中，負(fù)載電流隨之變化，且正弦度高，諧波含量少。

圖5　三電平Z源逆變器仿真波形Fig.5　Simulation waveforms of three-level Z-source inverter

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述控制策略的可行性，搭建了基于dSPACE單板控制三電平Z源逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。dSPACE實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)是在Matlab/Simulink軟件基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)Matlab/Simulink/RTW無(wú)縫連接的1套軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件核心為DS1104單板處理器，將Matlab/Simulink中搭建的仿真模型下載到處理器中，利用dSPACE公司提供的ControlDesk軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式操作［18-20］。實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真相同，功率器件選擇Infineon公司的BSM50GB120DLC型號(hào)IGBT。

圖6所示為三電平Z源逆變器實(shí)驗(yàn)波形。其中，圖6a所示為加入直通占空比前后線電壓Vab的波形，由圖中可以看出，通過(guò)插入直通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了升壓輸出。圖6b所示為加入直通狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行后，負(fù)載線電流及Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓波形。由圖6可知，輸出電流波形正弦度高，諧波含量小，Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓由于直通狀態(tài)的插入呈一系列脈沖波，其局部放大圖如圖6c所示，采用APOD載波調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)上下橋臂的全直通，與傳統(tǒng)三電平載波調(diào)制技術(shù)相比，直通狀態(tài)均是插入于零矢量，且參考矢量從零矢量開(kāi)始并結(jié)束，不增加額外的開(kāi)關(guān)損耗即可實(shí)現(xiàn)升壓輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了前述理論分析的正確性。

圖6　三電平Z源逆變器實(shí)驗(yàn)波形Fig.6　Experiment waveforms of three-level Z-source inverter

4　結(jié)論

本文基于中點(diǎn)鉗位三電平單Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了其工作狀態(tài)及升壓原理。采用APOD載波調(diào)制技術(shù)，按照相應(yīng)的控制原則將直通矢量插入正常工作狀態(tài)中，能夠得到正弦度良好的輸出波形并且實(shí)現(xiàn)升壓輸出效果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性與正確性。

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Three-level Z-source Inverter Based on APOD Carrier Modulate

MA Yunliang1，GAO Meifeng2，ZHU Yuanchen1，ZHANG Ji3，F(xiàn)ANG Qiu3
（1.Xuji Electric Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China；2.Xuchang Power Supply Company Xuchang 461000，Henan，China；3.Shool of Electrical Engineering，Automaion of Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，F(xiàn)ujian，China）

Analyzed three working condition of neutral-point clamped three-level Z-source inverter based on its topological structure.Unlike traditional inverter，the insertion of shoot through state not only left out setting of dead zone and compensation time of dead zone，but also realized booster output of this inverter.Proposed a three-level Z-Source inverter pulse width modulation（PWM）method based on alternative phase opposition disposition（APOD）insertion characteristics of shoot through vector.This method inserted the shoot through state into zero vector to realize all shoot through of DC chain，it realized the function of getting booster ability without increase of switching loss.Simulation and experimental resulted show that this modulation strategy can realize booster output of inverter，and it verifies the effectiveness of this proposed APOD carrier modulation strategy which is used to modulate three-level Z-source inverter.

Z-source inverter；alternative phase opposition disposition；shoot-through vector；neutral-point clamped three level

TM464

A

2015-06-17

修改稿日期：2016-01-17

福建省重大重點(diǎn)項(xiàng)目（2013I0008）；廈門(mén)市科技局項(xiàng)目（3502Z20153016）；福建省自然基金項(xiàng)目（XYK201403）；福建省教育廳項(xiàng)目（JA13234）

馬運(yùn)亮（1980-），男，本科，工程師，Email：ma_yunliang@163.com