关键词：Z源逆变器；简单升压SPWM；仿真

1 引言

为有效克服传统电压源逆变器和传统电流源逆变器所具有输出电压范围有限和抗电磁干扰噪声能力脆弱等理论及实际局限性，美国密西根州立大学彭方正教授首次提出了Z源逆变器^[1]，为功率变换提供了一种全新的逆变器拓扑结构。该逆变器拓扑是在传统逆变器前端引入一个由电容电感组成的对称的X型交叉Z源网络，该Z源网络使得逆变器上下桥臂功率开关器件的直通成为一种正常工作状态而不会烧毁，抗电磁干扰能力明显增强，并利用该直通状态实现了对输入电压的升压功能，且可以通过调节调制因子实现逆变器降压功能，可以说Z源逆变器能在没有附加装置环节的情况下，实现升降压功能。因此，Z源逆变器的出现为功率变换提供了一种低成本、高可靠性的单级式升降压实现方案。

简单升压SPWM^[2]作为逆变器常用的几种调制方法之一，控制简单，实现容易，能使逆变桥三相直通，大大降低流过开关管的电流。基于此，本文将简单升压SPWM调制技术应用于三相Z源逆变器，通过在Matlab仿真软件中搭建模块实现仿真。

2 Z源逆变器

2.1 Z源逆变器拓扑

Z源逆变器主要包括直流电压源、X型交叉Z源网络、逆变桥模块三部分，Z源网络的加入使其兼具传统电压型和电流型逆变器的优点，可以在不附加额外器件的情况下，根据实际需要实现升降压功能。其拓扑结构如图1所示。

图1  Z源逆变器拓扑

2.2 Z源逆变器工作原理

Z源逆变器除包括传统电压型逆变器中逆变桥所有的6个有效矢量状态和2个零矢量状态外，由于前端Z源网络的引入，其还可以实现三相桥臂直通使其成为一种正常的工作状态，从而避免出现传统电压型逆变器由于死区时间的插入而引起的输出波形畸变问题。当Z源逆变器逆变桥处于直通零电压工作状态时，可视为短路，当逆变桥处于6种有效矢量电压工作状态时，可视为一等效电流源，当逆变桥处于2种传统零电压工作状态时，可将其视为一零值电流源或开路^[1]。

当图1中Z源逆变器拓扑中Z源网络电感L=L₁=L₂，C=C₁=C₂，且U_C1、U_C2分别为Z源网络电容C₁、C₂端电压，直通占空比为D时，根据文献[3]得，Z源网络中电容电压、直流链峰值电压U_pn及输出相电压峰值U₀分别为
               

式中：U_in为直流输入电压；B为升压因子；M为调制系数；G为增益因子。由以上关系可以看出：升压因子B由直通占空比D决定，要得到期望的直流链电压需要调节直通占空比D进而调节升压因子B；通过选择合适的增益因子G实现的升降压功能就可以得到期望的逆变器输出电压，而增益因子G=MB由升压因子B和调制系数M共同决定；直通占空比由零矢量作用时间约束，零矢量作用时间又决定于调制系数^[3]。

3 简单升压SPWM技术原理及仿真模型搭建

3.1 简单升压SPWM技术原理

简单升压SPWM作为Z源逆变器的一种调制技术，其是基于将直通零矢量时间插入并部分代替传统零矢量时间而产生，控制简单，实现容易。该调制方法是在传统PWM调制基础上，采用三相正弦调制波和三角载波，并分别使用一个大于三相正弦波正峰值的恒定信号V_p和小于三相正弦波负峰值的恒定信号V_n来调节逆变器的直通状态。当三角载波幅值大于给定的恒定信号V_p或者小于给定的恒定信号V_n时，逆变器三相桥臂直通，工作于直通零矢量状态，并部分替代传统零矢量时间；当三角载波幅值位于恒定信号V_p和V_n两者之间时，逆变器处于传统PWM工作状态^[3,4]。该调制技术原理图如图2所示。

图2  简单升压SPWM

3.2 简单升压SPWM仿真模型搭建

Z源逆变器的简单升压SPWM仿真模型搭建框图如图3所示。

图3  简单升压SPWM仿真模型

在该仿真模型中，最左边四个模块从上到下依次产生三角载波，A相正弦调制波，B相正弦调制波及C相正弦调制波，然后通过中间部分模块对载波和调制波形进行比较分别产生传统零矢量时间及直通零矢量时间，并将直通零矢量时间插入传统零矢量时间完成部分替换，实现逆变器的直通工作状态，最终调制信号通过示波器Scope可以输出显示出来。

4 仿真验证

基于Matlab仿真软件的Simulink工具箱中模块搭建了三相Z源逆变器简单升压SPWM模型仿真框图如图4所示。设置仿真参数：直流电源U_in=48V，逆变器桥开关频率f=10kHz，调制波频率为50Hz，M=0.8，Z源阻抗网络中电容C₁=C₂=C=1000µF，电感L₁=L₂=L=1mH，滤波电容为20µF，滤波电感为1mH，电阻性负载值为10Ω。在所搭建模型中设置以上参数，运行后可以产生简单升压SPWM调制信号，并将该信号作用于Z源逆变器后就可以得到如图5（a）、（b）及（c）所示分别为Z源网络电容电压、直流链峰值电压及逆变器输出电压的仿真结果波形。

图4  三相Z源逆变器简单升压SPWM仿真模型

根据以上参数及各电压公式^[5]可以计算理论值：Z源逆变器Z源网络电容电压为U_c=64V，直流链峰值电压为U_pn=80V，逆变器输出电压为U₀=32V，比较图5仿真结果及理论值，二者相同，由此验证所搭建仿真及算法的正确性。

5 结论

在Matlab仿真软件中利用Simulink工具箱中的模块针对三相Z源逆变器的简单升压SPWM技术算法进行仿真模型搭建，取得了实际运行结果与理论计算值的一致性，验证了仿真模型及算法的正确性，为同行使用者提供了可靠参考。

参考文献

[1] 彭方正, 房绪鹏, 顾斌, 等. Z源逆变器[J]. 电工技术学报, 2004, 19(2): 47-51.

[2] 顾斌. Z源逆变器控制方法的研究[D]. 浙江大学, 2005: 23-56.

[3] 薛必翠, 张承慧, 丁新平. Z-源逆变器PWM调制策略的分析与比较[J]. 电工电能新技术, 2013, 32(3): 95-100.

[4] 王思. Z源逆变器拓扑及控制方法的研究[D]. 西南交通大学, 2015: 14-15.

[5] 李长云, 张超, 张迎春. Z-源/准Z-源逆变器拓扑的演绎机理[J]. 高电压技术, 2016, 42(7): 2111-2118.     

作者简介：

鞠宏宝（1986-） 男  硕士研究生在读  齐鲁工业大学（山东省科学院）电气工程与自动化学院

研究方向：新能源发电及并网技术