关键词：Z源逆变器；直通分段SVPWM；仿真

Abstract: As an improved algorithm based on traditional SVPWM modulation, shoot-through-segment SVPWM has not been described in detail in paper so far. This paper firstly introduces the working principle and topology of the three phase Z source inverter. Then, based on the modulation principle and algorithm implementation and simulation of the traditional SVPWM, the corresponding changes are made to illustrate the principle of the shoot-through-segment SVPWM, and the simulation model is built by using the modules in the Simulink toolbox of MATLAB software. Finally, the simulation model is built by combining it with the three-phase Z source inverter. By analyzing the simulation results, the validity of the shoot-through-segment SVPWM modulation algorithm and the simulation model are verified, which provides a reliable reference for the relevant learners and users.

Key words: Z source inverter; Shoot-through-segment SVPWM; Simulation

1 引言

传统电压源逆变器和电流源逆变器都存在只能实现单级的升压或者降压、主电路不能互换及逆变桥同一桥臂两开关器件易受电磁噪声干扰发生直通而损坏等缺陷^[1]，随着风电、光伏等可再生能源利用的发展及新能源汽车的兴起，对于变换器的转换效率、抗干扰能力和电压及功率等级等提出了更高的要求^[2]。基于此，2002年美国密西根州立大学彭方正教授创造性地提出了一种逆变器拓扑结构—Z源逆变器^[3]，其拓扑结构就是在传统逆变器前端加上一个由电容电感组成的交叉X型Z源网络而成。Z源网络的引入使得Z源逆变器逆变桥同一桥臂上下开关器件可以实现直通而不会被损坏并成为一种正常工作状态，从而避免出现传统逆变器需在上下桥臂开关信号之间加入死区时间防止桥臂直通损坏器件而引起的输出波形畸变问题。同时利用逆变桥同一桥臂上下功率开关器件的直通工作模式，Z源逆变器可以在没有额外附加升压装置情况下实现对输入电压的升压功能，而其利用调制因子进行调节又可以完成降压功能，因此Z源逆变器是一种升降压型逆变器。可以说，Z源逆变器实现了一种成本低、可靠性高的变换方案，其相对于传统逆变器的优点，使它在燃料电池、光伏电池及直趋式风力发电等新能源发电领域有着潜在而广阔的应用前景^[4]。

逆变器脉宽调制技术主要包括正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量脉宽调制（SVPWM），随着电力电子技术的发展，在实现脉宽调制技术的数字化后，因为SVPWM相比SPWM具有能使逆变器输出尽可能接近理想正弦波的电流波形，直流电压利用率提高15.47%，且输出电压谐波含量少等优点，从而使得SVPWM得到了更加广泛地应用^[5]。

直通分段SVPWM^[6]作为SVPWM中一种性能优越的控制技术，其在传统SVPWM调制基础上，通过将直通时间等分分别插入到有效状态与有效状态及与传统零矢量状态切换瞬间，在保证有效状态作用时间不变前提下，用直通时间来部分或全部替代传统零矢量作用时间，从而完成对输入直流电压的升压。同时，由于其单相桥臂直通的特性，使其在加入直通零矢量后能够保持系统开关频率不变，也避免了简单升压调制、最大升压调制等SPWM调制技术因三相桥臂直通而产生的系统开关频率加倍及损耗增加问题。本文基于直通分段SVPWM算法的理论基础，将其用Matlab软件的Simuink工具箱中模块搭建仿真模型，并与三相Z源逆变器相结合搭建仿真模型，最后通过仿真实例运行得到了相关电压的仿真波形。

2 Z源逆变器拓扑

Z源逆变器是在传统逆变器前端加上由电感电容组成的交叉X型Z源网络而成，该Z源网络中两电感、电容分别相等，即L=L₁=L₂，C=C₁=C₂，结构对称。因此，Z源逆变器拓扑主要包括直流输入电源、Z源网络及逆变桥三部分。其中，直流输入电源作为输入环节为逆变器提供逆变源；Z源网络将直流输入电源和逆变桥进行耦合，并保证逆变桥同一桥臂上下开关器件可以实现直通而不会被损坏；逆变桥则实现了直流电到交流电的变换，其桥臂上开关器件一般为IGBT等有源器件和与之反并联的二极管组成^[1]。Z源逆变器拓扑结构如图1所示。

图1  Z源逆变器拓扑

3 直通分段SVPWM调制

3.1 SVPWM原理

空间矢量脉宽调制（SVPWM）是由正弦脉宽调制（SPWM）和电机磁链圆形轨迹相结合的一种技术方法^[7]。其原理就是利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形^[8]。虽然三相逆变器利用逆变桥的6个功率开关器件只能形成V₀～V₇共8种基本电压空间矢量，但将其进行线性组合可以得到各种不同相位的逼近给定所需参考电压矢量的新的合成矢量，从而将正六边形逼近为圆形^[9]。与正弦脉宽调制（SPWM）相比，SVPWM能减少逆变器输出电压谐波，提高直流供电电源利用率，减小转矩脉动且数字控制更易实现，可以说SVPWM技术是一种优化了的PWM技术^[10]。SVPWM技术的基本矢量及合成和扇区Ⅰ～Ⅵ分布如图2所示。

图2  基本矢量及合成和扇区分布

3.2 直通分段SVPWM原理

改变SVPWM技术中逆变输出零电压矢量的时间分配和位置分布，可以得到性能各异的SVPWM技术。本文所述直通分段SVPWM调制^[11-13]就是在保证原有效矢量作用时间不变的前提下，将直通时间六等分的加在逆变器逆变桥臂上下功率开关器件的换流时刻，从而把直通状态平均分配于每相桥臂，实现升压的同时保持系统开关频率恒定，避免损耗的增加。文献[6]给出如图3所示的直通分段SVPWM调制在扇区Ⅰ时，一个载波周期中传统零矢量、直通零矢量及有效矢量的时间分配和位置分布情况。同时由文献[6]知，同为将直通时间六等分分别分配在逆变桥臂上下功率开关器件换流时刻，直通分段SVPWM调制策略又分为传统零矢量均分（如图3（a）所示，即四等分，分别为T₀/4）和传统零矢量不均分（如图3（b）所示，即分为T₀/6、T₀/3、T₀/3、T₀/6）两种情况，而后者由于可将传统零矢量时间全部由直通时间替换，因此能实现最大升压。本文选用升压性能更佳的传统零矢量不等分情况下的直通分段SVPWM调制策略来分析并将其应用于三相Z源逆变器。

（b）传统零矢量不均分

图3  直通分段SVPWM调制

3.3 直通分段SVPWM算法实现及仿真

本部分将直通分段SVPWM算法实现方案及仿真搭建分为三步：判断期望合成的参考电压矢量V_ref所在扇区；计算各扇区相邻两非零矢量和零矢量作用时间；确定各扇区矢量切换点，根据各基本电压矢量作用时间合成三相PWM信号。其中前两步与SVPWM实现方案及仿真搭建一致，文献[10]中已有详述，此部分不再赘述，仅将第三步在SVPWM实现方案及仿真搭建的基础上做相应改变，并运用Matlab仿真软件Simulink工具箱中各模块搭建该调制仿真模型，最终形成信号生成模型。

本部分令T_cmp1、T_cmp2、T_cmp3、T_cmp4、T_cmp5、T_cmp6六个变量表示三相电压开关时间切换点，T_sh为一个开关周期中直通时间，T_Xp、T_yp、T_zp、T_Xn、T_yn、T_zn分别为逆变桥臂上面和下面三个功率器件开关时间，则根据图3（b）及文献[10]可得如下关系：

则直通分段SVPWM中三相电压开关时间切换点T_cmp1、T_cmp2、T_cmp3、T_cmp4、T_cmp5、T_cmp6在各扇区赋值如表1所示。

图4  直通分段SVPWM三相电压开关时间切换点T_cmp1～T_cmp6计算模型

图5  直通分段SVPWM脉冲信号形成模型

图6  直通分段SVPWM仿真模型

4 仿真验证

将三相Z源逆变器与直通分段SVPWM调制技术相结合，利用Matlab仿真软件Simulink工具箱中模块搭建仿真模型如图7所示。仿真参数设置如下：直流输入电源V_dc=60V，逆变桥开关频率f_c=10KHz，三相正弦调制波频率f_r=50Hz，直通占空比D=0.37，Z源网络电容C=C₁=C₂=,1000µF，负载电阻R=R₁=R₂=R₃=10Ω，电感L=L₁=L₂=1mH，滤波电路电容、电感分别为C_f=20µF，L_f=1mH。运行仿真模型所得Z源网络电容电压、直流链峰值电压和逆变器输出电压仿真波形分别如图8（a）、（b）、（c）所示。

将仿真模型中所设参数代入相关公式^[1]计算得到：Z源网络电容电压Vc≈145V，直流链峰值电压V_d≈231V，逆变器输出电压V_O≈88V。对应仿真波形图8（a）、（b）、（c），与以上理论计算值一致。因此，本文所述算法及所搭建仿真模型是正确的。

5 结论

本文将在传统SVPWM调制基础上改进而成的直通分段SVPWM调制技术与三相Z源逆变器相结合，利用Matlab仿真软件Simulink工具箱中模块对其搭建仿真模型，经过运行仿真实例，验证了直通分段SVPWM调制算法及所搭建仿真模型的正确性，从而为相关学习和使用者提供了可靠参考。

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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