淺析電流型trans-準(zhǔn)Z源逆變器的優(yōu)化SVPWM調(diào)制策略

唐心柳，翁創(chuàng)業(yè)

（武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430030）

1 前言

電流型trans-準(zhǔn)Z源逆變器是一種具有具有能量雙向流動及升-降壓功能的單級逆變器。它不僅能降低元器件數(shù)量，而且可以通過耦合電感提高輸出電壓范圍，具有更高的可靠性、效率和功率密度等優(yōu)點。

目前，逆變器的調(diào)制方法大致可分為基于載波的規(guī)則采樣法(PWM)和SVPWM法，用于電流型逆變器(CSI)調(diào)制方法有不連續(xù)脈寬調(diào)制、SPWM法和SVPWM法等。文獻[10]分析了在不同SVPWM開關(guān)序列時電流型準(zhǔn)Z源逆變器的損耗，并從中選出輸出電流THD最小的序列，但是，該序列在升壓和降壓狀態(tài)時間過于集中，此時，直流電感體積較大，且開路狀態(tài)時需將所有開關(guān)均斷開，增加了開關(guān)頻率。

本文針對電流型trans-準(zhǔn)Z源逆變器對SVPWM從調(diào)制序列和開路狀態(tài)開關(guān)矢量兩個方面進行優(yōu)化,在文獻[11]基礎(chǔ)上提出了一種優(yōu)化SVPWM序列，同時，將開路電流零矢量進行優(yōu)化，由傳統(tǒng)的一個增加至6個，通過選定每個扇區(qū)內(nèi)開路零狀態(tài)和短路零狀態(tài)的電流矢量使得降壓狀態(tài)時，每兩個不同的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時只有一個開關(guān)動作，減小直流電感紋波，優(yōu)化電流型Trans-準(zhǔn)Z源逆變器直流電感紋波，同時，減小了輸出電流降壓模式下的THD。

2 電流型trans-準(zhǔn)ZSI調(diào)制策略

電流型trans-準(zhǔn)Z源逆變器直流側(cè)等效電路如圖1，作為車用逆變器時，能實現(xiàn)降壓、升壓和能量回饋三種模式。當(dāng)處于升壓模式時，Dop=0此時二極管D截止，Vpn-0能量正向流動。當(dāng)處于降壓模式時，0＜Dop＜Do，Vpn＞0時能量由電源經(jīng)逆變器提供給負(fù)載。當(dāng)處于能量回饋模式時，Vpn＜0負(fù)載功率因數(shù)COSφ＜0,負(fù)載側(cè)等效為發(fā)電機，從而實現(xiàn)能量反向流動，電流型Trans-準(zhǔn)ZSI結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電流型trans-準(zhǔn)Z源逆變器結(jié)構(gòu)圖

電流型逆變器的SVPWM調(diào)制通過α-β坐標(biāo)平面已知基本電流矢量合成來逼近電流空間矢量，具有低開關(guān)次數(shù)，電流利用率高，較好的諧波抑制效果和易于數(shù)字化實現(xiàn)的特點而被廣泛運用。傳統(tǒng)電流型準(zhǔn)Z源SVPWM調(diào)制總共對應(yīng)了10種不同的開關(guān)狀態(tài)，各開關(guān)狀態(tài)分別對應(yīng)不同的電流矢量。

當(dāng)升壓狀態(tài)時，此時，逆變器只有有效狀態(tài)和短路狀態(tài)。主要存在表1所示3種開關(guān)序列。

表1 升壓開關(guān)序列

表2 降壓狀態(tài)開關(guān)序列

在升壓模式下，to為短路時間段，當(dāng)L不變短路時間to大時電感升壓紋波電流ΔiL_boost增大，在開路時間top增大時，電感降壓紋波ΔiL_buck也增大，故理減小短路時間段和開路時間段的長度能夠有效減少電流紋波。在一個載波周期內(nèi)，當(dāng)改變開關(guān)序列，將TO和TOP拆分為小部分插入到開關(guān)序列中能夠改變的大小從而改變電感L電流紋波的大小，當(dāng)VL不變時，相同的電感L和調(diào)制因子m的情況下電感電流紋波幅值ΔiL_max_bo隨to_max值增大而增大。

3 優(yōu)化SVPWM調(diào)制策略

由電感伏秒平衡，在電流型準(zhǔn)Z源逆變器中四種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的時間T1、T2、T0和Top在一個開關(guān)周期內(nèi)任意排列順序都不會影響輸出電流有效值。但實際上開關(guān)序列的改變影響著開關(guān)損耗、電感電流紋波和輸出電流諧波。逆變器工作于第I扇區(qū)時，表3中三種開關(guān)序列時母線電壓和直流母線電感紋波如圖2所示。

圖2 I扇區(qū)不同開關(guān)序列母線電壓和直流電感電流紋波

上述分析可以看出，減小to_max能夠減小電感電流紋波的幅值，為減小電流紋波，從而改善輸出特性，在已有的開關(guān)序列的基礎(chǔ)上將TO和TOP細(xì)分為幾個小部分，從而減小to_max和top_max。針對此思路提出在升壓狀態(tài)時，將短路零狀態(tài)分為3份，優(yōu)化升壓序列改進為：t0_t1_t2_t0_t2_t1_t0；在降壓狀態(tài)時將開路時間等分為6份插入開關(guān)狀態(tài)之間，此時，降壓序列為：top/2_to_top_t1_top_t2_top_to_top_t2_top_t1_top_to_top/2，如圖3所示。

圖3 I區(qū)優(yōu)化序列開關(guān)序列圖

在上述開關(guān)序列基礎(chǔ)上，將開關(guān)狀態(tài)Sk由原有的-1、1、0三種狀態(tài)增加為-1、1、0、D四種狀態(tài)。同時，將開路零狀態(tài)細(xì)分為6個開路零矢量如表6中的，根據(jù)各個扇區(qū)兩種有效狀態(tài)時開關(guān)矢量的特點，選擇對應(yīng)的短路開關(guān)矢量和開路開關(guān)矢量，使每次狀態(tài)改變只有一個開關(guān)動作。開關(guān)矢量選擇如表3。

表3 開路狀態(tài)優(yōu)化后各扇區(qū)對應(yīng)狀態(tài)的電流矢量及對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)

4 仿真與結(jié)果分析

使用Matlab/Simulink搭建電流型trans-準(zhǔn)Z源逆變器仿真模型（如圖4所示），分別采用非對稱序列、非交替對稱序列、交替對稱序列和優(yōu)化序列進行仿真比較。直流側(cè)電壓Vdc為78V,直流電感Ldc為1mH，變壓器的變比n為2，電感Lm為207μH,電容C1為100μF,阻感負(fù)載Lload為646μH，電阻R為1Ω，功率因素為0.98，交流側(cè)濾波電容為30μF。載波頻率為10kHz。

圖4 Matlab/Simulink仿真模型

圖5為四種不同開關(guān)序列輸出相電流ia的THD隨開路占空比DOP增大時的變化曲線。

通過對四種序列對比分析表明：在相同DOP時，不同序列在相同開路占空比下THD不同，優(yōu)化SVPWM序列在DOP增大過程中iaTHD增幅相對較小，降壓穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)語

本文在對電流型trans-準(zhǔn)Z源逆變器傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制方式下直流側(cè)電流紋波的分析基礎(chǔ)上，提出了改進型SVPWM調(diào)制方法，采用t0-top-t1-top-t2-top-2t0-top-t2-top-t1-top-t0的時間序列，與傳統(tǒng)電流型逆變器SVPWM調(diào)制相比，將一個載波周期內(nèi)短路和開路時間進行了細(xì)分，使得電感電流紋波減少，從而減小了所需無源器件的體積，減小了降壓狀態(tài)時輸出相電流THD，在原橋臂0、-1、1開關(guān)狀態(tài)的基礎(chǔ)上增加了短路D狀態(tài)，使各開關(guān)狀態(tài)更為明確地表示，并針對各個扇區(qū)有效矢量不同選擇相應(yīng)的開路零矢量和短路零矢量，減少開關(guān)頻率。結(jié)果表明，對于電流型trans-準(zhǔn)Z，在DOP=0.25時，采用優(yōu)化序列時輸出電流ia總畸變率比交替對稱序列低36%。

圖5 四種開關(guān)序列ia的THD隨開路占空比DOP變化圖