基于Z源逆变器的两种控制策略对比研究

张文煜，刘立群，杨 凯

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

进入21世纪，能源枯竭问题、环境污染问题成为制约经济发展的主要因素。解决能源危机跟环境污染的有效方法就是开发并发展新能源、可再生能源等，其中光伏发电发展尤为迅速。光伏发电系统的核心功率器件就是逆变器，逆变器的成本大约占整个光伏发电系统成本的15%～20%左右，技术含量比较高，所以对各种新型光伏逆变器的研发具有大的意义。传统逆变器存在由于多级控制效率低下，电磁干扰影响安全性能低，以及加入死区时间引起输出电压电流波形畸变等缺陷。基于以上问题，对传统逆变器以及新型Z源逆变器进行了对比分析研究，验证了Z源逆变器的优越性，分析了其在不同PWM控制策略下的性能。

1 传统逆变器与Z源逆变器

1.1 传统电压源型逆变器

传统电压源型逆变器电路直流侧并联有电容，通过电容进行能量存储。所以其输入端阻抗变低，从而具有电压源性质。传统电压源型逆变器应用广泛，主要应用在不间断电源UPS、有源电力滤波、电气传动以及新能源并网发电等。但传统电压源逆变器自身也存在如下缺陷：(1)电压源型逆变器电路本身是一种BUCK型电路，想实现升压需要加装升压装置，这将降低系统的逆变效率，系统的体积还有成本都会大幅增加，系统的稳定性也会由于多级控制而大大降低；(2)逆变侧电流很大，开关器件的电流应力很高，不利于系统的长期稳定高效工作；(3)严格禁止同一桥臂上的开关管同时导通，否则电源电容被短接，开关管瞬时电流急剧升高导致开关管过流损坏。一般为了避免直通状态的出现，都会在微控制器中加入死区时间，但是死区时间的加入会导致波形的畸变，对电网造成极大危害。

1.2 传统电流源型逆变器

电流源型逆变器输入侧串联大电感，其作用为能量存储，使直流输入端呈现高阻抗电流源性质。其应用场合相对较少，制约其应用的主要原因是直流侧储能电感将引起波形畸变以及振荡等问题，导致电流源逆变器结构复杂。电流源型逆变器自身也存在不足：(1)电流源型逆变器的电路拓扑是一个升压电路，在需要低电压输出时必须加装降压装置，导致系统的逆变效率降低，控制复杂程度加大，成本提高。(2)电流源型逆变器的直流侧电感不允许开路，即逆变桥不允许上下桥臂开关管同时关断的情况出现，否则开关管将承受高压而损坏，如果加入死区时间，也会导致波形畸变的产生。

1.3 Z源逆变器

综上所述，传统逆变器存在各种各样的缺陷，为了克服这些缺陷，美国Michigan State University彭方正教授提出一种新型的主电路拓扑结构的逆变器——Z源逆变器[1]。其电路拓扑如图1，文献[1-2]对Z源逆变器的工作原理进行了介绍，在直流输入端与逆变桥之间加入由电感与电容组成的电路，此电路耦合了逆变器与直流侧电源。

图1 Z源逆变器电路Fig.1 Z-source inverter circuit

Z源逆变器自身优点：(1)Z源逆变器的直流侧输入形式范围广，可以是电压源也可以是电流源。(2)由于电路拓扑结构的特殊性，对Z源逆变器进行控制时，不需要加入死区时间，避免波形畸变，利用同一桥臂直通来实现升降压功能。(3)它的负载形式可以是容性也可以是感性，在无源、有源逆变场合都有Z源逆变器的身影。所以，Z源逆变器正在逐步延伸到传统逆变器的各个领域，它的突出表现也必将受到科研与市场的高度重视[3]。

2 Z源逆变器的工作原理

以电压源型Z源逆变器为研究对象进行说明，其结构拓扑如图2(a)，前级是直流源模块，中间为Z源部分，之后是逆变桥跟滤波部分。6个开关管的开关状态决定了逆变波形的好坏，三相Z源逆变器将会产生15种不同的开关状态，而传统逆变器只有其中的前8种状态。其余7种零电压矢量是Z源逆变器所特有的直通零矢量，需要注意的是这个直通零矢量是插入到传统零矢量当中的[4]。

Z源逆变器分为非直通和直通两种工作状态。逆变桥部分可以等效为受控电流源，所以将三相Z源逆变器简化为图2(b)等效电路。规定Z源逆变器的一个工作周期是TS，T0为直通时间，T1为直通通时间，为了简化研究，使Z源逆变器的Z源交叉网络为对称网络。

2.1 非直通状态

当逆变器工作在非直通状态时，二极管D处于导通状态，等效电路图如图2(c)所示。

udc=ud=uC1+uL2=uL1+uC2=uL+uC

(1)

uin=uC1-uL1=uC2-uL2=uC-uL

(2)

联立得逆变器的瞬态输入电压为：

uin=2uC-udc

(3)

2.2 直通状态

逆变器工作在直通状态时，逆变桥部分相当于被短路，二极管D由于承受反相压降而关断，从而保证了对直流电源udc的保护，等效电路图如图2(d)所示。电路在稳态时，储能电感一个周期的平均储能应该为零，得:

(4)

所以在一个周期T中，逆变器的输入侧母线电压为(B是升压因子)：

(5)

(6)

三相逆变器的输出电压ux与其输入侧电压uin的关系为：

(7)

(8)

所以根据式(8)可以证明，只要选取合适的调制因子m和升压因子B就可实现Z源逆变器的升压/降压功能。

3 Z源逆变器不同控制策略以及各控制策略下开关电压应力

3.1 恒定直通零矢量控制

在采用SPWM控制时，分为对称规则采样和不对称采样两种。以对称规则采样为例，开关管一个完整开关周期是由两个传统零矢量和两个有效矢量组成。不论Z源逆变器工作在传统零矢量状态还是直通状态，对三相负载而言均可视为负载被短接。因此，就可以将直通零矢量固定的插入到传统零矢量的作用时间内，这就保证了整个逆变过程中在有效矢量不发生改变的同时实现开关管上下桥臂的直通，简化了控制。其控制思路是在三相电压幅值以外再加入一个比较值与三角波进行比较来控制管子的导通关断。恒定直通零矢量控制如图3.

通过控制时序图可知，直通零矢量被均匀的固定的插入到传统零矢量中，在此条件下，直通占空比最大值d0max为(正弦波调制度为m)：

d0max=1-m

(9)

为了更好地对比几种控制策略的优劣，定义一个新的变量输入-输出电压增益G，令:

G=mB

(10)

图3 恒定直通零矢量控制时序图Fig.3 The diagram of constant through-zero vector control timing

联立式(6)、式(10)，并将式(6)中的d0取其最大值d0max可得：

(11)

由式(11)可以得到在恒定直通零矢量控制策略下输入-输出电压增益G与正弦波调制度m的数量关系，可以得到图4中曲线1，Z源逆变器的工作范围为曲线下方。要想使逆变器正常工作即Gmax>0，则m>0.5，也就是直通占空比d0<0.5.

Z源逆变器的开关管在逆变过程中起着极为重要的作用。对开关管而言最重要的参数就是它的耐压值，也就是其电压应力。在此控制策略下，开关管的电压应力us即为逆变桥前端输入电压uin，所以有:

us=uin=Budc

(12)

在考虑管子耐压值时应以最大值进行计算，也就是要将占空比d0取到其最大值d0max，此时的升压因子为：

(13)

式(12)、式(13)联立可得开关管的最大电压应力为：

usmax=(2Gmax-1)udc

(14)

从而可得直流链到逆变侧最大升压因子Bmax与输入输出最大升压因子Gmax的曲线关系如图5曲线1.

通过以上研究并结合如图5曲线1可以表明，在恒定直通零矢量控制策略下，输入输出最大电压增益Gmax与最大升压因子Bmax呈线性关系。取输入输出电压增益Gmax=1.5，此时最大升压因子Bmax=2，即开关管要承受逆变输入端双倍的电压值，在一些高电压等级的直流输入工程当中给开关管带来很大的压力，所以提出了另一种控制方法——最大化直通零矢量控制。

图4 两种PWM控制策略G-m关系对比图Fig.4 Two kinds of PWM control strategies G-m relativities

图5 两种PWM控制策略B-G关系对比图Fig.5 Two kinds of PWM control strategies B-G relativities

3.2 最大化直通零矢量控制

最大化直通零矢量控制，顾名思义就是将直通时间最大化，从而可以有效提高逆变电压。此控制策略的基本思想就用直通零矢量把传统零矢量的时间全部替换掉，也就是在时序上完全覆盖了传统零矢量的时间。其控制时序图如图6.

图6 最大化直通零矢量控制时序图Fig.6 The diagram of maximum straight zerovector control timing

(15)

(16)

(17)

联立式(6)、式(10)、式(17)可得到在最大直通零矢量时的升压因子B以及输入-输出电压增益G分别为：

(18)

(19)

从而可以得到输入-输出电压增益G与调制度m的关系曲线如图4中曲线2，通过图4中曲线1和曲线2对比可以发现，由于其工作区域在曲线下方，所以在最大化直通零矢量控制下的工作区间要比恒定直通零矢量控制下的大，也就是如果要是相同的升压效果的话，前者需要更大的调制度m.

联立式(12)、式(18)、式(19)可以得到在此控制策略开关管的电压应力公式：

(20)

由上式可以得到B-G关系曲线图如图5中曲线2.通过对比图5中曲线1与曲线2可以看出，如果取相同的G值，在最大化直通零矢量下的开关管电压应力要比在恒定直通零矢量控制下的小。

通过以上研究，可以得到在恒定直通零矢量和最大化直通零矢量两种PWM控制策略下的最大直通占空比、开关频率以及最大开关电压应力的大小，如表1所示。通过对比可知最大化直通零矢量控制下的电压开关应力要比恒定直通零矢量控制下小，并且最大化直通零矢量控制下的最大占空比要比恒定直通控制下大。但是两者的共同缺陷就是都增加了开关管的开关频率，这对电力电子器件的寿命是极其不利的。

表1 两种PWM控制策略特性对比Tab.1 The comparison of characteristics of two PWMcontrol strategies

4 结语

通过以上研究分析，验证了Z源逆变器比传统逆变器的优越性，兼具升压降压特性，避免了在传统逆变器当中存在的由于电磁干扰导致同一桥臂直通引起的开关管过流损坏，同时提升了逆变器的逆变效率。对比了恒定直通零矢量控制策略以及最大化直通零矢量控制策略的不同升压能力，以及在两种不同控制策略下开关管所承受电压的大小，从而为不同场合的控制提供参考。

参考文献：

[1]PENG FANG-ZHENG，ALAN JOSEPH，WANG JING，et al.Z-Source Inverter for Motor Drives[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2005，20(4)：857-863.

[2]PENG FANG-ZHENG.Z-Source Inverter[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(2)：504-510.

[3]MIAOSEN SHEN，ALAN JOSEPH，JIN WANG，et al.Comparison of Traditional Inverters and Z-Source Inverter[C]∥Power Electronics Specialists Conference，PESC′05.IEEE 36th， 2005，1692-1698.

[4]周志健.基于 DSP 的Z源逆变器控制与设计[D].合肥：合肥工业大学，2007.

[5]PENG FANG-ZHENG，SHEN MIAOSEN，QIAN ZHAO-MING.Maximum boost control of the Z-source inverter[J].IEEE Transactions on power electronics，2005，20(4)：833-838.

[6]赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2003.

[7]董密.太阳能光伏并网发电系统的优化设计与控制策略研究[D].长沙：中南大学，2007.

[8]HUANG YI，SHEN MIAOSEN，PENG FANG-ZHENG，et al.Z-source inverter for residential photovoltaic systems[J].IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS，2006，21(6)：1776-1782.

[9]房绪鹏.Z 源逆变器研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[10]许颇.基于 Z 源型逆变器的光伏并网发电系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2006.

[11]张先飞，郑建勇，胡敏强.Z 源逆变器光伏并网控制策略研究[J].电气传动，2009，39(10)：8-13.

[12]黄慧，姚永康.阻抗源逆变器[J].变流技术与电力牵引，2004(1)：31-36.

[13]侯世英，肖旭，张闯，等.改进型Z源逆变器[J].电力自动化设备，2011，31(8)：24-28.