准Z源逆变器正弦脉宽调制控制策略分析

Sunpho乔治¹——贾尼·达斯²

印度喀拉拉邦拉贾吉里工程技术学院EEE系学生
印度喀拉拉邦拉贾吉里工程技术学院EEE系助理教授2

摘要

准Z源逆变器已被提出作为电源转换概念的替代方案，因为它们既可以降压也可以升压输入电压。本文探讨了电压馈准z源逆变器的各种调制技术。为了有效地控制准z源逆变器，近年来提出了几种改进的控制技术。对拟z源逆变器的各种调制技术进行了比较分析。调制技术有简单升压控制、最大升压控制和最大恒升压控制。通过研究发现，最大恒升压控制技术优于其他正弦脉宽调制技术

关键字

Z源逆变器，准Z源逆变器，直通状态，简单升压控制，最大升压控制，最大恒定升压控制。

介绍

为了应对当今时代快速增长的能源需求，需要更多的发电资源。由于环境问题和有限的化石燃料资源，燃料电池、光伏和风能等可再生能源正变得越来越重要。可再生能源具有较大的输出电压范围。因此需要额外的dc- dc转换器来提高或降低电压。传统电机驱动采用电压源逆变器，存在可获得输出限制在线路电压以下、电流涌流和二极管整流器注入谐波含量等缺点。这些逆变器的设计减少了有源半导体器件，从工业应用的角度来看，由于减少了复杂的控制电路和门控，提高了可靠性，降低了成本。但减少组件逆变器只能执行降压，升压或降压升压能力与额外引入的dc- dc变换器。然后，电力电子领域出现了一种新兴的拓扑结构，它在单级完成buck升压和dc-ac转换。因此近年来Z源逆变器受到了广泛的关注。[1]

图1所示的z源逆变器(ZSI)是使用独特LC网络的单级降压升压变换器系统。它通过控制占空比(do)产生大于线路电压的输出电压，这显示了它优于传统电压源逆变器的优势，并通过独特的电感和电容器[4]排列，可称为晶格网络。该栅格网络在PWM逆变器中起到二级低通滤波器的作用，比电容更能抑制电压波动。它可以在电压下降期间提供通过，并且不需要死区时间，因为允许在任何相位腿上短路。ZSI具有广泛的工作点，因此可以用于不稳定的电源，如风力发电，燃料电池等。图1为Z源逆变器。

ZSI有几个缺点，即输入电流在升压模式下是不连续的，晶格网络中的电容器必须承受高电压。但是对于许多源来说，不连续的输入电流是不可取的，并且可能需要较大的输入滤波器。

一种被称为准Z源逆变器(qZSI)的新拓扑结构避免了ZSI所面临的缺点。准Z源逆变器中的输入电感缓冲源电流，并且Z网络中的一个电容器上的电压低于Z源逆变器的情况。准Z源逆变器可提供直流链路与输入源的联合接地;因此可以降低共模噪声。因此，与ZSI相比，准Z源逆变器没有任何缺点，因此准Z源逆变器可以在ZSI应用的地方使用。[２]

改进的qZSI开关方案在传统方案的基础上进行了改进，提高了发射、开关和射穿状态的准确插入。控制准Z源逆变器的关键因素是在开关信号中插入射穿零状态，它决定了设备上的电压应力、交流电压输出及其谐波分布[5]。逆变器内部的控制是用来调节输出电压的。脉冲宽度调制(PWM)可用于此目的，以实现最大的控制效率。在PWM中，给定一个固定的直流输入电压给逆变器，在输出端，通过调节逆变器内开关设备的开和关周期，获得一个可控的交流输出电压。针对拟Z源逆变器的输出电压控制，介绍了正弦脉宽调制和空间矢量调制两种PWM技术。正弦脉宽调制可以通过简单升压控制、最大升压控制和最大恒升压控制等不同的控制方式实现。

准z源逆变器的运行

为了避免振荡，LC电路的谐振频率应远低于开关频率，因此电感和电容必须保持足够大。有五种操作模式;主动模式、直通模式(升压)和三种不连续模式。

A.直通状态通过短路所述三相桥的至少一条腿来实现直通状态。在这种操作模式下，没有功率传输到负载中。C1和L2连接到地，反向电压应用到二极管，这是两个电容电压的和。在准Z源逆变器进入正常工作模式之前，电容器C2被预充电到输入电压水平。因此，电容器电压远远大于零，因此二极管立即阻塞[11]。qZSI贯穿状态下的等效电路如图4所示。

由于L1=L2，电感电流相等。

当C1=C2时，两个电容器的电压降相同。由于C1和L2通过同一物理连接接地，直流链路穿射状态电流为

B.有源状态在有源状态下，短路被释放，负载连接到直流链路母线上。直流链路电位随着电感电流的减小而增加，直到二极管电位等于uC2，二极管导电。qZSI在有源状态下的等效电路如图5所示。

直流链路代表负载的电容电压源。

由上式可知，施加在两个电感器上的电压是相同的。电感电流iL1和iL2相等地减小。

因此，二极管电流等于两个电感电流的总和，并由直流链路电流减少。

正弦脉宽调制

SPWM可以将传统的零状态转换为直通状态，并保持有源状态不变。因此，输出可以获得正弦，同时实现电压从射穿状态升压。简单升压控制(SBC)在SBC中，有5条调制曲线:2个透包络信号和3个调制参考正弦信号。透包络信号的幅值应大于或等于调制正弦参考信号的峰值。通过将直流信号与高频三角载波进行比较，产生直通开关脉冲。将三相调制基准信号与高频三角信号进行比较，得到开关脉冲。这两个信号由比较器进行比较。因此，当三角形信号大于上包络或小于下包络时，电路进入ST状态。简单升压控制波形如图6所示。由逻辑或门ST状态插入开关波形。这些脉冲被发送到逆变器中开关设备的栅极。 For SBC the modulation index (M) increases with the decrease in the shoot through duty ratio (Do).

当调制指数为1时，最大ST比为零。图8显示了电压增益(MB)与调制指数M之间的关系。在调制指数(M) 1处没有电压升压和电压增益。SBC下可能的操作区域为阴影区域。应该使用小的调制指数来产生需要高调制指数的输出电压[10]. b表示升压因子。

电压增益G为

可用于任何所需电压增益的最大调制指数(G)

是通过开关的电压应力。简单升压控制的电压应力(Vs)可由

因此，SBC开关上的电压应力很高，因此可获得的输出电压增益是有限的。

B.最大升压控制(MBC)

MBC可以降低开关上的电压应力，并通过将传统的零状态转换为直通状态来获得升压。在不失真输出波形的情况下，任何调制指标都可以得到最大值和B。当三角形信号大于最大参考曲线或小于最小参考曲线时，生成穿射状态。在电感电流和电容电压中，引入了低频电流纹波。最大升压控制的波形如图9所示。

六个有源状态保持不变，零状态变为直通状态，从而在不扭曲输出波形的情况下，可以获得任何调制指标的最大值和B。

最大升压控制可以实现如图10所示。在每个)ST处周期性重复。假设开关频率远高于调制频率。在间隔内，一个开关周期的平均射穿占空比可以表示为

最大射穿占空比可表示为

图11中阴影部分表示操作区域。输出电压随着调制指数的增加而降低。与SBC相比，MBC的操作区域更广。对于给定的电压增益，可以使用高调制指数，这意味着通过开关的电压应力更小。

在三相逆变系统中，为了增加调制指标范围，通常采用三次谐波注入。这在这里也被使用，以增加调制指数范围，从而增加系统电压增益。所能达到的最大调制指数为)，该调制指数可在三次谐波注入时实现。

C.最大恒定升压控制(MCBC)

为了减少体积和成本，通过射空比应保持恒定，并且对于给定的调制指数需要更大的升压以降低开关[12]上的电压应力。ST占空比需要保持恒定，以减少体积和成本。对于给定的调制指数，可以获得更大的升压，从而降低开关上的电压应力。该控制有5条调制曲线，包括3个参考信号和2个ST包络

当载波信号大于上包络信号或小于下包络信号时，产生直通信号状态。在ST状态之间，它像传统的PWM控制一样工作。通过保持ST占空比Do恒定，可以获得最大的升压和电压增益。因此，通过电感的电流波纹可以完全减少。逆变器可以在设备电压的限制范围内，将电压从零降压或升压到任何期望的值。图:13显示了最大恒定升压控制的波形。

电压增益与调制指数的曲线如图12所示。从图中可以看出，当调制指数减小到3时，电压增益趋于无穷大。最大恒定升压控制可以通过三次谐波注入实现。

结果与讨论

采用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真。Simulink库文件包括许多电气和电子元件和设备的内置模型，如二极管、igbt、电容器、电感器、电源、正弦波发生器等。在电阻性和感性负载1000Ω和1000mH的情况下进行模拟。

结论

本文综述了准Z源逆变器的三种ST升压控制方法。对各种调制技术进行了批判性的研究。应根据不同负荷的要求选择合适的控制方法。对相同的输入和系统参数执行不同控制方法的结果。准Z源的最大恒升压控制性能较好。

数字一览


图1	图2	图3	图4	图5

图6	图7	图8	图9	图10

图11	图12	图13

参考文献

彭富忠:“z源逆变器”，电子工程学报，Vol. 39, No. 2, 2003年3月/ 4月，pp. 504-510。

彭福忠，沈明，钱振忠:z源逆变器的最大升压控制，电力电子学报，Vol. 20, No. 4, 2005年7月，pp. 833-838。

Omar Ellaban, Abu-Rub H;双向准z源逆变器馈电异步电机的间接磁场定向控制”IECON 2012-第38届IEEE工业电子学会会议。

Poh Chiang Loh, Na Duan1, Chao Liang, FengGao, FredeBlaabjerg;“Z-Source B4逆变器”电力电子专家会议，2007,PESC 2007。

S.桑格普拉卡什，A.克里希南;“三相阻抗源逆变器调制方案的实现和关键研究”，伊朗电气与电子工程杂志，卷。2010年6月，第6期

Omar Ellabban, Joeri Van Mierlo和Philippe Lataire;z源逆变器直通升压控制方法的实验研究。

沈淼森，王劲，Alan Joseph，方正鹏，Leon M. Tolbert, Donald J. Adams;“恒定的升压控制Z-源逆变器最小化电流纹波和电压应力”，IEEE工业应用汇刊，第42卷，no. 1。3、2006年5月至6月。

巴巴先生，拉斯古，博尔迪亚;“V/f感应电机驱动的Z转换器控制”第13届国际电气和电子设备优化会议2012。

李元，乔尔·安德森，彭方泽，刘dichen;“准z源逆变器光伏发电系统”2011年第26届IEEE应用电力电子会议暨博览会。

方ZhengPeng，MiaosenShen, ZhaomingQian”,“z源逆变器的最大升压控制”，《电力电子学报》，vol. 20, no. 1。2005年7月4日

安德烈亚斯·里斯克，格哈德·克洛斯和迈克尔·布劳恩;准z源逆变器的分析与建模

沈苗森，王劲，彭丰志，彭丰志，杜尔伯特，L.M.，亚当斯，D.J.;“z源逆变器的最大恒升压控制”工业应用会议，2004。第39届国际会计协会年会。2004年IEEE会议记录。