程启明 沈磊 程尹曼 魏霖 王玉娇
摘 要：针对传统Z源逆变器（ZSI）电容电压应力大和升压能力不足等缺陷，提出一种新型准Z源逆变器 （QZSI） 拓扑结构。首先，对新型准Z源逆变器拓扑结构进行稳态分析，得到新型准Z源逆变器的直流链输出电压和电容电压;接着，建立新型准Z源逆变器的状态平均空间模型，引入小信号扰动，分析新型准Z源逆变器的直流侧动态特性，为新型准Z源逆变器网络的无源参数选取和闭环控制提供参考;然后，对新型准Z源逆变器进行简单升压控制（SBC），分析新型准Z源逆变器整体的升压能力;最后，经过计算机仿真和实验平台研究，验证了新型准Z源逆变器拓扑的优越性。新型准Z源逆变器具有更强的升压能力，可用于需要高输出电压场合;新型准Z源逆变器可以有效降低电容电压应力，一定程度上抑制起动冲击。
关键词：准Z源逆变器;三电平;直通占空比;简单升压控制;状态空间平均模型;小信号分析
DOI：10.15938/j.emc.2020.09.015
中图分类号：TM 464
文献标志碼：A
文章编号：1007-449X（2020）09-0134-11
Analysis and characteristics of new quasi-Z source three-level inverter
CHENG Qi-ming1， SHEN Lei1， CHENG Yin-man2， WEI Lin 1， WANG Yu-jiao1
（1.College of Automation Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China; 2.College of Electronics and Information Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China）
Abstract：
Aiming at the limitations of traditional Z-source Inverter （ZSI）， insufficient boosting capacity and large capacitance voltage stress， a new quasi Z-source inverter （QZSI） topology was proposed. First， the new QZSI topology structure is aligned with steady-state analysis. The DC link output voltage and capacitor voltage of new QZSI were got; Then， the state average space model of new QZSI was established， small signal disturbance was introduced， and the DC side dynamic characteristics were analyzed to provide reference for passive parameter selection and closed-loop control of the new QZSI network. Then， it is subjected to simple boost control （SBC） to analyze the overall boosting capability of the new QZSI inverter. Finally， through the computer simulation and experimental platform， the superiority of the new QZSI topology was verified. The new quasi-Z-source inverter has stronger boost capability， which is used in the situation where high output voltage is required; and the new quasi-Z-source inverter can effectively reduce the voltage stress of capacitor and restrain the starting impulse to a certain extent.
Keywords：quasi-Z source inverter; three-level; shoot-through duty ratio; simple boost control; state space average model; small signal analysis
0 引 言
Z源逆变器（Z-source inverter，ZSI）在2003年由彭方正[1]提出，结合对逆变器的直通控制，避免插入死区，实现电压灵活输出，增强逆变器系统可靠性和兼容性[2-3]。因为ZSI的上述优点，使其在光伏风力发电、燃料电池等输入电压宽范围的场合具有广阔的发展前途[4-5]。但是，现有Z源逆变器拓扑存在一些缺陷：直流升压因子较小，在要求输出电压较高时，必须增加直通时间，使得逆变器长时间处于恶劣工作环境，也加大了电容电压应力，容易损坏逆变器[6-8]。由于调制比的制约，传统ZSI的直通占空比无法取得较大值，这就限制了电压输出范围。
海内外专家在不同方向致力于ZSI研究。文献[9-15]对Z源网络的建模、无源参数的设计和调制器的设计进行了细致地研究;文献[16-18]針对传统ZSI的不足，在拓扑结构上进行了不同层次改进。
上述文献分析集中于两电平，与两电平逆变器对比，三电平中点箝位型（neutral-point-clamped，NPC）逆变器输出的电压电流谐波低。IGBT关断时承受的电压更低，可有效降低滤波器等无源器件的体积和重量。用NPC结构实现三电平ZSI，可以充分发挥两者各自优势。
文献[19]提出结构简单的NPC三电平ZSI，但会出现中点电位不是0的现象。文献[20]采用级联方式来扩大升压因子，这种级联式结构虽然理论上可行，但是硬件实现起来成本较高，降低了系统稳定性。文献[21]提出用电感耦合技术减小磁性元件的尺寸重量，减小输入电流纹波，但是电容承受电压依旧很大。
本文提出一种NPC准Z源三电平逆变器结构，与现有技术比较，明显提高升压能力，电容承受电压降低，IGBT承受电压强度减小，逆变器输出波形正弦度更高。
首先，在稳态时对准Z源工作原理进行深入分析。通过理论计算，得出直流链输出电压和电容电压;然后，建立其状态平均空间模型，引入小信号扰动，分析其动态特性;接着，研究基于改进载波同相层叠法的简单升压控制[22]，分析逆变器整体的升压能力;最后，软件和实验平台验证了新拓扑的优越性。
1 新型QZSI的结构和状态
1.1 QZSI逆变器的拓扑结构
为了解决传统ZSI电容电压应力大，升压效果有限等问题，提出了一种新型准Z源逆变器（quasi Z-source inverter，QZSI）三电平拓扑结构，如图1所示。这种逆变器拓扑结构采用了只有1个电压为uin的直流输入电源，Cs1和Cs2为分压电容，且Cs1=Cs2，upn为直流链输出电压。准Z源网络部分由4个电感（L1～L4）、2个电容（C1～C2）和8个二极管（D1～D6、VD1和VD2）组成。L1～L2、D1～D3组成第1路开关电感单位，L3～L4、D4～D6组成第2路开关电感单位。
1.2 QZSI的工作原理
QZSI通过切换半直通与非直通状态的2种工作方式来获得升压效果。为了便于分析，假设准Z源中电感L1=L2=L3=L4=L，电容值C1=C2=C。准Z源逆变器具有直通与非直通2种运行状况。
1）直通状态。
在此运行方式，直通零矢量作用，逆变桥臂被短接。在基于载波同相层叠法的简单升压控制基础上插入上下直通达到升压效果，具体调制策略下文有介绍。图2是上下直通等效电路。
上、下直通的工作原理相同，为了保证2种直通状态下输出电压平衡，两者作用时间都等于T0，能量都从电源和电容向电感和负载转移。
2）非直通状态。
在此运行方式，非直通零矢量作用。逆变桥臂和负载等效为2个电流源，此时VD1、VD2导通。此方式的运行状态如图3所示。
由图3可得：
设开关周期为Ts，依据电感伏秒平衡定理，可得
uC=2D1-2Duin。（4）
式中D为直通占空比，D=T0/Ts。
根据电容安秒平衡定理，可得
将式（4）分别带入式（2）和式（3），得到直流母线电压为：
upn=1+2D1-2Duin，非直通时;
1+2D2（1-2D）uin，上/下直通。（6）
整个逆变器系统输出的相电压基波为
ux=Mupn2=M（1+2D）2（1-2D）uin=MBuin2。（7）
式中：下标x=A、B、C三相中某一相;M为逆变器的调制比;B为升压比，B=1+2D1-2D。
1.3 QZSI升压效果与电容电压应力研究
ZSI直流链的峰值电压为
upn=11-2Duin。（8）
比较式（6）与式（8）能够看出，相对于传统的ZSI，本文提出的QZSI升压效果更好。图4为2种拓扑结构下B与D之间的曲线图。
由图4可见，在D=0.4时，传统ZSI的升压比B仅为5，而新型的QZSI的升压比可达9。新型拓扑具有更强的升压效果。
传统Z源的电容电压可以表示为
uC=1-D1-2Duin。（9）
文献[15]提出的开关电感型Z源逆变器电容电压为
uC=1-D1-3Duin。（10）
图5是不同拓扑下电容电压比较曲线。以uin=800 V、D=0.1为例，传统Z源逆变器的Z源电容电压为900 V，开关电感型的电容电压为1 028.6 V，本文所提新拓扑结构的电容电压仅为228.3 V。可以看出，新拓扑极大降低了电容电压。
2 新型QZSI的小信号稳定性分析
根据新拓扑结构特点，可分为准Z源直流升压侧和逆变侧两部分。直流侧控制逆变器D0实现输入电压的升高，最能体现新型QZSI特性。为此下面分析准Z源直流升压侧的动态性能。
设直流升压侧上部电感电流是iL1，电容电压是uC1;下部2个电感电流均为iL2，电容电压为uC2;中性线上方的负载电流为iload1，下方的负载电流为iload2。不考虑电感寄生电阻和电容串联电阻，定义状态变量x=[iL1 iL2 uC1 uC2]T、u=[uin iload1 iload2]T。
非直通状态时有：
设定表1所示的参数为额定条件下的参数，分析额定条件下的零极点分布情况。
按照表1中的额定参数，根据式（4）、式（5）可得到IL=45 A、UC=200 V，将额定条件参数代入式（26），得到传递函数为
Gud（s）=0.18s+2 4002×10-6s2+0.96。（27）
观察不同参数改变对系统零极点的分布影响。图6为不同电容值下，传递函数Gud（s）的零极点分布。电容值C分别为1 000、2 000、3 000和4 000 μF。
图7为不同电感值下，Gud（s）的零极点分布，电感值L分别为1、5、10和15 mH。
图8为不同直通占空比下，Gud（s）的零极点分布。D0分别为0.1、0.15、0.2和0.25。
无论电容值、电感值和直通占空比如何改变，Gud（s）的零极点都位于左半平面或者虚轴上，本系统为一个最小相位系统。由图6可见，当电容值C变大，Gud（s）极点越发靠近实轴，系统阻尼提高，上升时间延长。由图7可见，当电感值L增大，Gud（s）极点逐渐靠近实轴，延长稳定时间，损坏其动态特性，容易发生震荡。同时零点沿着实轴逐渐接近原点，超调量变大。由图8可见，D0变大时，Gud（s）的极点逐渐接近实轴，系统的震荡频率降低，零点远离虚轴，影响系统的鲁棒性。
分析不同参数改变对系统鲁棒性和动态特性的影响，对ZSI参数优化选择与控制系统设计有一定的参考意义。
3 新型QZSI的简单升压控制
准Z源三电平逆变器的简单升压控制（simple boost control，SBC）用两层幅值和相位均相同的三角波作为载波，并与同一调制波比较，产生脉冲信号。在保证非直通状态不变的前提下，插入上下直通零矢量，起到简单升压效果。因而需要对双层载波层叠法进行改进。
保留双层载波层叠法的整体结构，引入周期性的直通脉动量Vp。随着调制波過零点，Vp发生脉动。以A相为例，图9是基于改进双层载波层叠法的SBC原理示意图。
比较上层载波Vα与调制波Vm的大小来控制VTA1和VTA3的开关状态。当Vα>Vm时，开关部件VTA1关断、VTA3导通;当Vα
在此基础上，调制波正半波时，当Vα>脉动直流分量Vp时，VTA1、VTA2和VTA3导通，实现了上直通状态的插入。调制波负半周期时，当Vβ 定义电压增益为 G=MB=U0Uin/2。（28） 式中U0为输出相电压的峰值。在SBC下，采用最大的调制比M=1-D，QZSI能够获得的电压增益为 G=MB=M（3-2M）2M-1。（29） 传统ZSI的电压增益为 G=MB=M2M-1。（30） 比较式（29）和式（30），可得到2种拓扑结构在SBC下电压增益曲线，如图10所示。 由图10可见，在调制因子为1时，两者不实现升压。QZSI相比于ZSI，电压增益要大得多，这表明QZSI可以扩大电压输出范围。电压增益确定时，新拓扑能够采取更高的M，从而提高输出电压波形正弦度，提升经济性。 4 新型QZSI的软件仿真分析 为验证上文中的理论推导，对新型QZSI进行了计算机仿真研究。仿真参数取值为：Z源网络L1=L2=L3=L4=10 mH，C1=C2=400 μF;载波的频率为5 kHz;输出滤波器为Lf=30 mH，Cf=50 μF;每相阻性负载为10SymbolWA@。 当uin=200 V、D0=0.2且M=0.8时，QZSI仿真波形如图11所示。当uin=200 V且D0=0.1时，传统ZSI与QZSI的电容电压仿真波形如图12所示。 由图11可见，uin=200 V、D0= 0.2时，电容C1、C2的电压是133.3 V，直流母线电压是466 V，上下直通时电压约为233 V，与之前的理论计算相符合，此时B=2.34、G=1.87。电感一开始存在起动冲击电流，在0.02 s也就是一个周期之后进入稳态，稳态时的电感电流维持在数安左右，电感电流波动小。理论上逆变器输出的相电压为±BUdc、0共3种电平值，也就是±2333 V和0，基波幅值为MBuin/2，即186.4 V。理论上逆变器输出线电压为SymbolqB@ BUdc、SymbolqB@ BUdc/2、0共5种幅值，即为±466.6、±233.3、0 V，经过滤波后正弦度高。对于传统ZSI而言，直流链峰值输出电压仅为333.3 V，只有新拓扑结构的71%，相应的逆变器输出电压值以及滤波后输出的电压都会降低，此时ZSI的电容电压为26667 V。 由图12可见，uin=200 V、D0=0.1情况下，稳态时QZSI的电容电压仅为50 V左右，而传统ZSI电容电压为225 V，大于直流源输入电压，并且进入稳态前动态冲击大，容易破坏Z源网络。 图13为分压电容CS1、CS2电压，由图可见，经过控制策略调整，分压电容稳定在128 V左右，震荡幅度很小，系统具有较高稳定性。 5 新型QZSI的硬件实验分析 硬件实验平台如图14所示，图中，直流输入由一台直流稳压电源提供，载波同相层叠法的SBC调制信号由TMS320F28335型的DSP产生。参数取值均与软件仿真相同，逆变器输出经过滤波器接到电阻负载上。 图15为直流输入电压Uin=200 V且直通占空比D0=0时实验波形。由图可见，此时准Z源网络电容电压很低，直流链输出电压在100 V和200 V之间跳变，直流输出电压没有得到提升，逆变器输出线电压经过滤波后正弦度优良。 图16为Uin=200 V和D0=0.2时稳态实验波形，准Z源网络电容电压在130 V左右。直流母线电压在230 V与460 V之间跳变，与理论相一致。逆变器输出线电压有±460、±230、0 V共5个电平值。经过滤波，电压正弦度高，电能质量好。 图17为Uin=200 V时QZSI分压电容电压波形，由图可见，分压电容电压波动小，CS1和CS2均压效果优良，系统的稳定性较高。 图18为Uin=200 V和D0=0.1时，ZSI与QZSI的电容电压实验波形。由图可见，新拓扑的电容电压大大降低，并在一定程度上抑制了冲击。因此，硬件平台实验进一步验证了新拓扑结构具有很强的升压能力和降低电容电压的应力效果。 6 结 论 本文提出了一种新型的NPC型准Z源三电平逆变器，并对其进行简单升压控制。通过软件仿真和硬件实验，并与传统ZSI相比，可得出如下结论： 1）新拓扑具有更强的升压能力，可用于需要高输出的电压场合; 2）新拓扑结构可以有效降低电容电压应力，一定程度上抑制起动冲击; 3）利用状态空间模型和小信号分析，较大的电感电容值虽然有利于稳态性能的提高，但零极点更靠近原点，从而破坏其动态特性。 参 考 文 献： [1] PENG F Z. 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504.
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2019-04-21
