基于Z源逆變器的改進(jìn)空間矢量脈寬調(diào)制算法研究*

薛　陽(yáng)，　闞東躍，　時(shí)宇飛，　鄭　蓉，　鄭夢(mèng)秋，　張明超

(1. 上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，上?！?00090；2. 江蘇國(guó)艾電氣有限公司，江蘇 鹽城　224300)

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基于Z源逆變器的改進(jìn)空間矢量脈寬調(diào)制算法研究*

薛陽(yáng)1，闞東躍1，時(shí)宇飛1，鄭蓉1，鄭夢(mèng)秋1，張明超2

(1. 上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090；2. 江蘇國(guó)艾電氣有限公司，江蘇 鹽城224300)

Z源逆變器通過在空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法中插入直通零矢量，從而獲得獨(dú)有的升壓能力。傳統(tǒng)算法首先需要坐標(biāo)變換來進(jìn)行扇區(qū)判斷及時(shí)間點(diǎn)計(jì)算，存在大量復(fù)雜運(yùn)算，降低了系統(tǒng)時(shí)效性。針對(duì)這一問題提出改進(jìn)算法，直接利用三相電壓進(jìn)行扇區(qū)判斷，并計(jì)算扇區(qū)內(nèi)相鄰基礎(chǔ)矢量及直通零矢量作用時(shí)間，從而得到開關(guān)次序，無需進(jìn)行坐標(biāo)變換。通過仿真，在以DSP為控制核心的Z源逆變器系統(tǒng)中驗(yàn)證了算法的可行性。試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)SVPWM算法相比，改進(jìn)型算法響應(yīng)速度快，具有較高的系統(tǒng)效率。

Z源逆變器； 空間矢量脈寬調(diào)制； 扇區(qū)； 直通零矢量

0　引　言

隨著能源危機(jī)的日益加劇，風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等清潔能源逐漸興起。在這些新能源發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是主要的組成部分。與傳統(tǒng)逆變器相比，Z源逆變器可在直通和非直通兩種模式下正常工作[1-2]，對(duì)于開關(guān)器件的控制不再需要加入死區(qū)時(shí)間，可以通過調(diào)整直通占空比來控制其升降壓特性[3]。因此，Z源逆變器有較寬的輸入電壓范圍和較高的系統(tǒng)可靠性及電磁兼容性。逆變器脈寬調(diào)制模塊主要采用正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation， SPWM)與空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM)兩種算法。與SPWM算法相比，SVPWM算法能夠使輸出的電流波形盡可能的接近于理想的正弦波，且直流電壓利用率提高15.47%，能夠有效減少諧波，但也有算法復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)較難等缺點(diǎn)[4-8]。文獻(xiàn)[9]提出了一種壓縮變換，通過壓縮后矢量符號(hào)及大小進(jìn)行扇區(qū)判斷，減少了運(yùn)算量及代碼長(zhǎng)度。文獻(xiàn)[10]將兩個(gè)零矢量重新分配，減少了開關(guān)次數(shù)及諧波的出現(xiàn)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。文獻(xiàn)[11]在三相四開關(guān)系統(tǒng)中對(duì)電壓矢量扇區(qū)進(jìn)行重新劃分，提高了系統(tǒng)可靠性。文獻(xiàn)[12-13]分別敘述了基于Z源逆變器SVPWM算法的兩種改進(jìn)方向： 一種是通過改進(jìn)直通零矢量的分配方法，提高零矢量的利用率，獲得更好的升壓能力；另一種是通過改進(jìn)扇區(qū)判斷條件來減少算法復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[14-15]介紹了在DSP上如何實(shí)現(xiàn)SVPWM算法。

本文在參考以上文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了基于Z源逆變器7段式SVPWM的實(shí)現(xiàn)方法，去掉了傳統(tǒng)算法中的坐標(biāo)變換，通過比較三相電壓來判斷所在扇區(qū)。該算法簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)算法的運(yùn)算步驟，縮短了DSP上的代碼長(zhǎng)度，改善了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，在MATLAB中對(duì)改進(jìn)型算法進(jìn)行仿真，最后在以DSP(TMS320F28335)為控制器的Z源逆變器系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證改進(jìn)算法的有效性。

1　Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)逆變器相比，Z源逆變器是在直流側(cè)引入一個(gè)由兩個(gè)電容C1，C2和兩個(gè)電感L1，L2呈X形所組成的Z源網(wǎng)絡(luò)，將直流電源與逆變器耦合在一起，其中C1=C2，L1=L2。

圖1　Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Z源網(wǎng)絡(luò)的引入，使逆變橋與橋臂上下功率管可以同時(shí)導(dǎo)通。Z源逆變器正是通過這種直通零矢量狀態(tài)獲得了升壓能力，由直通和非直通分為兩種工作狀態(tài)。

當(dāng)Z源逆變器處于直通狀態(tài)時(shí)，二極管反向截止，其等效電路如圖2(a)所示。設(shè)開關(guān)周期時(shí)間為T，直通時(shí)間為Tsh，由等效電路可得

(1)

處于非直通狀態(tài)時(shí)，其等效電路如圖2(b)所示。設(shè)非直通時(shí)間為T0，由等效電路可得

(2)

由安秒特性將式(1)、式(2)聯(lián)立可得

(3)

其中：

D0=Tsh/T

式中：D0——直通零矢量占空比；

B——Z源逆變器的升壓比。

圖2　Z源逆變器兩種工作狀態(tài)

(4)

其中：

式中：M——逆變器的調(diào)制比。

Z源逆變器通常采用SPWM與SVPWM兩種控制算法。當(dāng)采用SVPWM算法時(shí)，逆變器能夠輸出的最大不失真圓形旋轉(zhuǎn)電壓的幅值為

2　傳統(tǒng)SVPWM算法

SVPWM是由三相逆變器的六個(gè)開關(guān)元件所組成特定開關(guān)模式，產(chǎn)生調(diào)制波的控制方法。其目的是得到圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波。

設(shè)逆變器輸出的三相相電壓為UA、UB、UC，它們的方向分別在空間上互差120°的三相平面靜止坐標(biāo)系的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，則有

(6)

其中：

θ=2πft

式中：Um——相電壓有效值。

合成的空間矢量Uref可以表示為

(7)

用SA、SB、SC分別標(biāo)記三個(gè)橋臂的狀態(tài)，規(guī)定當(dāng)上橋臂器件導(dǎo)通時(shí)橋臂狀態(tài)為1，下橋臂導(dǎo)通時(shí)橋臂狀態(tài)為0，當(dāng)3個(gè)橋臂的功率開關(guān)管變化時(shí)，就會(huì)得到8種開關(guān)模式，每種開關(guān)模式對(duì)應(yīng)一個(gè)幅值為2Ud/3的電壓矢量，同時(shí)存在兩種零矢量。這樣就得到了逆變器在不同開關(guān)狀態(tài)下的基本空間矢量，如表1所示。

表1　逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的空間矢量表

觀察表1可知，三相電壓源逆變器在不同的開關(guān)組合時(shí)的交流側(cè)電壓可用一個(gè)模為2Ud/3的空間電壓矢量在復(fù)平面上表示出來，這樣就會(huì)得到8條空間矢量，將正六邊形平分成6個(gè)扇區(qū)，如圖3所示。

圖3　基礎(chǔ)矢量及扇區(qū)分布

算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。重點(diǎn)是利用所在扇區(qū)的兩個(gè)相鄰基礎(chǔ)矢量去合成扇區(qū)中的任意矢量Uref，并計(jì)算Uref在兩個(gè)基礎(chǔ)矢量上投影得到矢量的作用時(shí)間。然后計(jì)算出時(shí)間切換點(diǎn)，與三角波比較生成PWM波。

圖4　傳統(tǒng)SVPWM算法流程

(8)

通過計(jì)算可得投影矢量作用時(shí)間：

(9)

計(jì)算T1、T2時(shí)有可能出現(xiàn)T1+T2>Ts的情況，因此，還必須進(jìn)行T1、T2的標(biāo)準(zhǔn)化：

(10)

這樣就得到了電壓指令Uref在第Ⅰ扇區(qū)時(shí)，基礎(chǔ)電壓矢量作用的時(shí)間，同理可得Uref在其他各個(gè)扇區(qū)的作用時(shí)間。由此可計(jì)算出時(shí)間切換點(diǎn)，從而生成PWM波。

3　基于Z源逆變器的改進(jìn)型SVPWM算法

傳統(tǒng)基于Z源逆變器的SVPWM算法首先需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，然后進(jìn)行扇區(qū)判斷及矢量作用時(shí)間的計(jì)算，存在復(fù)雜無理數(shù)計(jì)算，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低。本文提出的新型算法不需要進(jìn)行坐標(biāo)變換就可直接進(jìn)行扇區(qū)判斷及時(shí)間點(diǎn)計(jì)算，減少了計(jì)算量和系統(tǒng)占用的資源。

3.1簡(jiǎn)化扇區(qū)判斷

設(shè)矢量在第Ⅰ扇區(qū)。通過式(7)可得矢量在第Ⅰ扇區(qū)的判斷條件為

(11)

化簡(jiǎn)可得UA>UB>UC。同理可得全部扇區(qū)判斷流程如圖5所示。

圖5　改進(jìn)扇區(qū)判斷流程

由此可見簡(jiǎn)化扇區(qū)判斷方法不需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，可直接通過三相電壓大小比較判斷所在扇區(qū)。

3.2基于Z源逆變器的改進(jìn)SVPWM算法

因?yàn)橹蓖銧顟B(tài)和傳統(tǒng)零狀態(tài)對(duì)逆變器輸出影響相同，所以每個(gè)載波周期內(nèi)在保持每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有效矢量不變的情況下，零狀態(tài)可以由直通零狀態(tài)部分或者全部替代來實(shí)現(xiàn)升降壓的目的[3]?；赯源逆變器的SVPWM算法存在簡(jiǎn)單控制和直通分段控制兩種。由于簡(jiǎn)單SVPWM算法直接添加直通狀態(tài)會(huì)使開關(guān)頻率加倍，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)容易損壞，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以本文中所述均為直通分段式SVPWM控制。

為了保證與傳統(tǒng)的PWM控制開關(guān)頻率一致，可將直通狀態(tài)平均分配到每個(gè)橋臂上，并保持原有效時(shí)間不變。在第Ⅰ扇區(qū)時(shí)開關(guān)作用時(shí)間如圖6所示。

圖6　Z源逆變器開關(guān)時(shí)序

在改進(jìn)算法中，T1、T2與傳統(tǒng)SVPWM算法中相同。將式(7)代入式(9)可得

(12)

設(shè)在一個(gè)周期Ts內(nèi)，直通零矢量作用時(shí)間為Tsh。在圖6中，Ta、Tb、Tc為傳統(tǒng)三個(gè)橋臂開關(guān)管狀態(tài)變化的時(shí)間。T1、T2由式(12)計(jì)算所得。將Tsh平均分為6等份，在上下橋臂開關(guān)換流時(shí)插入，作用時(shí)間為Tsh/6。剩余時(shí)段由傳統(tǒng)零矢量作用，時(shí)間為(T0-Tsh)/4。由此可以計(jì)算出Z源逆變器各橋臂開關(guān)管狀態(tài)的時(shí)間信號(hào)Tan、Tap，Tbn、Tbp，Tcn、Tcp。

4　仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述理論分析，在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。由改進(jìn)型SVPWM控制模塊輸出6路PWM波，如圖7所示。

當(dāng)直流母線電壓Ud=200V，L=2mH，C=500mF時(shí)，得到直流側(cè)電壓、濾波后輸出線電壓

圖7　三相PWM信號(hào)

及電流、電容電壓和電感電流如圖8所示。由圖8可見，當(dāng)D0取0.2時(shí)，直流側(cè)電壓接近333V，與上述分析一致。

圖8　仿真輸出結(jié)果

最后為了更好地驗(yàn)證理論分析與仿真結(jié)果，搭建了由DSP(TMS320F28335)控制器、Z源逆變器、示波器、可調(diào)直流電源所組成的試驗(yàn)平臺(tái)。由TLP250構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路輸出一路PWM信號(hào)，如圖9所示。將輸出線電壓進(jìn)行濾波后得到圖10，可見所得電流波形接近正弦波。

5　結(jié)　語(yǔ)

本文在分析Z源逆變器的工作原理及傳統(tǒng)SVPWM算法實(shí)現(xiàn)過程的基礎(chǔ)上，給出了改進(jìn)型SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)過程。設(shè)計(jì)并成功制作有

圖9　驅(qū)動(dòng)電路輸出PWM

圖10　濾波輸出線電壓與電流

DSP(TMS320F28335)控制器的Z源逆變器系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。通過仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提出的改進(jìn)型算法的正確性。由于算法的簡(jiǎn)化，可以有效地降低運(yùn)算難度，減少了內(nèi)存占用空間，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度穩(wěn)定性。

[1]PENG F Z. Z-source Inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2003，39(2)： 504-510.

[2]蔡春偉，曲延濱，盛況.增強(qiáng)型Z源逆變器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(S1)： 259-266.

[3]趙二剛，程如岐，郭天勇，等.SVPWM技術(shù)在Z源逆變器中的應(yīng)用[J].南開大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，42(1)： 76-79.

[4]KANCHAN R S， BAIJU M R， MOHAPATRA K， et al. Space vector PWM signal generation for multilevel inverters using only the sampled amplitudes of reference phase voltages[J]. IEE-Proceedings Electric Power Applications， 2005，152(2)： 297-309.

[5]楊貴杰，孫力，崔乃政，等.空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21(05)： 80-84.

[6]董大為，楊墨.基于空心杯電機(jī)的SPWM與SVPWM研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37(4)： 21-25.

[7]GAO L， FLETCHER J. A space vector switching strategy for three-level five-phase inverter drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010，57(7)： 2332-2343.

[8]趙耀，趙庚申，郭天勇，等.基于SVPWM低諧波死區(qū)算法的研究及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(8)： 57-62.

[9]齊昕，王沖，周曉敏，等.一種低硬件資源消耗快速SVPWM算法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2014，18(4)： 31-38.

[10]DUSMEZ S， QIN L， AKIN B. A new SVPWM modulation technique for dc negative rail current sensing at low speeds[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2015，62(2)： 826-831.

[11]李國(guó)華，孫強(qiáng).一種三相四開關(guān)有源電力濾波器SVPWM方法[J].電力電子技術(shù)，2015，49(4)： 4-6.

[12]吳鳳江，孫秀冬，孫力，等.單相電壓空間矢量無差拍控制Z源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(31)： 22-27.

[13]王洋，朱紅.基于無扇區(qū)判斷的SVPWM控制Z源逆變器的研究[J].電測(cè)與儀表，2014，51(16)： 21-24.

[14]RAMIREZ J D B， RIVAS J， PERALTA-SANCHEZ E. DSP-based simplified space-vector PWM for a three-level VSI with experimental validation[J]. J Power Electron， 2012，12(2)： 285-293.

[15]張傳金，王志業(yè).基于DSP28335的三電平SVPWM算法研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45(6)： 67-69.

Research on Improved Space Vector Pulse Width Modulation Algorithm Based on Z-Source Inverter*

XUEYang1，KANDongyue1，SHIYufei1，ZHENGRong1，ZHENGMengqiu1，ZHANGMingchao2

(1. School of Automation Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China；2. Jiangsu Guoai Electric Co.， Ltd.， Yancheng 224300， China)

By inserting shoot-through zero state into space vector pulse width modulation algorithm， a unique ability of voltage increasing could be obtained by Z-source inverter. Since the coordinate transformation， sector determination and point-in-time calculation were needed in the traditional SVPWM algorithm， and as a matter of increasing the time efficiency， the improved algorithm determined the sector by using three-phase voltage directly， and then calculated the effective acting time of resultant vector and shoot-through zero state. Thus， the sequence of switches could be obtained. Further more， the feasibility of the algorithm has been verified by simulating the DSP-controlled Z-source inverter system. And the experiment results also showed the feature of fast response and high efficiency of the improved algorithm compared to traditional SVPWM.

Z-source inverter； space vector pulse width modulation(SVPWM)； sector； shoot-through zero state

上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13ZR1417800)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405286)；上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(14110500700)；上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(13DZ2273800)

薛陽(yáng)(1976—)，男，博士后，副教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂?、太?yáng)能發(fā)電技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)等。

闞東躍(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥孀兤鞑⒕W(wǎng)控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)09- 0014- 06

2016-04-05