【摘要】准Z源逆变器由于采用独特的阻抗网络结构，允许直通，具有结构简单、可靠性高等优点，并能实现升/降压的功能。控制策略上，本文对比分析简单升压控制和三次谐波注入控制的原理，且在三次谐波注入控制下，开关器件的电压应力、阻抗网络中电容电压应力以及电感电流纹波较小。通过MATLAB/Simulink仿真对比分析两种控制策略下的工作波形，从而验证三次谐波注入控制在准Z源逆变器的应用中更具优势。
【关键词】准Z源逆变器；三次谐波注入；电压应力；电流纹波
准Z源逆变器[1]是近年提出的一种新型拓扑结构。由于在输入电源与逆变桥之间加入独特的阻抗网络结构，允许桥臂直通，不需要死区设置，可以提高系统的可靠性并减小输出波形失真。该拓扑结构简单，效率高，能够实现升/降压的功能，在燃料电池[2]、光伏电池[3，4]等新能源发电领域中有着更大的优势和更广阔的应用前景。控制上，为实现准Z源逆变器的升压功能，需在传统逆变器的调制策略中加入直通矢量。简单升压控制[5]实现简单，但由于不能将直通矢量充分的注入传统零矢量从而存在开关器件电压应力大等缺点；最大升压控制[6]虽然减小了开关器件的电压应力，电压增益最大，但存在着电感电流低频脉动的缺点；基于上述控制方法存在的缺陷，本文将三次谐波注入法[7，8]应用于准Z源逆变器，可扩展调制因数的范围，使开关器件上的电压应力和阻抗网络中的电容电压、电感电流的纹波减小，因此，与上述两种控制方法相比，具有更优良的综合性能。
1.准Z源逆变器
如图1所示为准Z源逆变器的拓扑结构，它分为直通与非直通两个工作状态。直通状态时，二极管承受反压呈现截止，输入电源和电容向阻抗网络中的电感充电，输出功率为0；非直通状态下，输入电源和电感共同向逆变器输出功率，维持阻抗网络中的电容、电压，并使直流链电压泵升，三相逆变器等效成一电流源，此时桥臂按传统SPWM调制进行DC-AC变换，从而可实现升压与逆变的功能。
假设一个开关周期为，为直通时间，为非直通时间，则，直通占空比。对图1所示结构在两种状态下列方程分析可得准Z源逆变器阻抗网络中电容、的电压为：
，，
（1）
逆变桥直流母线电压为：
（2）
定义B为升压因子，则，那么，对于整个系统，输出调制正弦波电压为：
（3）
其中，为电压增益。
2.简单升压控制
对于简单升压控制，为实现准Z源逆变器的直通控制，在传统逆变器的PWM调制中增加两条大于正弦调制波，小于三角载波幅值的正负恒值，从而控制准Z源逆变器的直通占空比。如图2为简单升压控制原理图，其中阴影部分为产生的直通。当三角载波值大于正恒值，小于负恒值时，准Z源逆变器进入直通工作状态；当三角载波值介于正负恒值和正弦调制波信号之间时，准Z源逆变器进入传统逆变器的调制状态。从而，满足了准Z源逆变器实现升压和逆变的功能。此时，直通占空比和调制因数之间的相互制约关系为：，其中。
其最大电压增益为：
（4）
3.三次谐波注入原理
当三相逆变器输出相电压的调制波为正弦波时，其表达式：
（5）
则两相间线电压为：
（6）
上式表明，当相电压为正弦调制波时，其线电压同为正弦波。
若注入一个倍的三次谐波后，输出相电压调制波表达式：
（7）
此时两相间线电压为：
（8）
上式表明，将一个三次谐波信号注入到相电压的正弦调制波中，线电压未发生变化，相电压成为马鞍形波。
如图3所示即为三次谐波注入控制的示意图，这种控制与传统的控制策略的主要区别在于其所用的调制波不同。
对式（7）进行两次求导，可得，即注入基波幅值的的三次谐波时，得到最大的调制因数。此时，直通占空比和调制因数之间的相互制约关系为：
最大电压增益为：
（9）
那么将等式（4）与等式（9）进行对比，即可知在两种控制策略下，当给定相同的电压增益时，三次谐波注入控制中的调制因数要大于简单升压控制下的调制因数，又由等式和可知，其相应的直通占空比减小。从而从等式（1）、（2）可以看出，基于三次谐波注入控制的准Z源逆变器中阻抗网络中的电容电压应力和逆变桥开关器件上的电压应力相应减小。
4.仿真分析
为了验证上述分析，对准Z源逆变器在简单升压控制和三次谐波注入控制的基础上进行仿真比较。仿真环境为MATLAB/Simulink，仿真参数为，，滤波电感，滤波电容值为，输入直流电压为250V，阻性负载为10Ω。输出为频率，相电压幅值为170V的正弦交流电压。系统的输出功率为，载波频率设为。
准Z源逆变器对于简单升压控制和三次谐波注入控制这两种控制策略，当给定相同的电压增益，且输入电压同为250V时，如图4和图5所示分别为准Z源逆变器在简单升压控制下，和三次谐波注入控制下，D=0.13时的阻抗网络电容、的电压，直流母线Vcd的电压，阻抗网络中电感电流输以及输出相电压的仿真波形，其中三次谐波注入控制法中调制因数增大。将二者进行比较，可以看出两种控制方法下阻抗网络中电感电流和输出相电压都基本相同；而三次谐波注入控制下阻抗网络中电容电压应力要小于简单升压控制下的电容电压应力，且开关器件上的电压应力也相应减小。如图6和图7所示分别为简单升压控制和三次谐波注入控制下电感电流纹波的局部放大波形图，从二图中可以明显看出三次谐波注入控制下的电感电流脉动较小。
5.总结
相对于传统逆变器，准Z源逆变器是一种新型逆变器拓扑结构，其允许桥臂直通，从而可提高系统的可靠性，且结构简单，效率高，具有升/降压的功能。控制策略上，本文对比分析了简单升压控制和三次谐波注入控制两种控制策略原理，且三次谐波注入控制策略较简单升压控制策略，其逆变桥上开关器件的电压应力较小，准Z源逆变器阻抗网络中电容电压应力降低，且电感电流纹波减小，其仿真波形验证了理论分析，表明三次谐波注入控制策略更适合于准Z源逆变器。 参考文献
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[8]谢峰，关振宏，吴桢生，等.基于三次谐波注入的级联多电平逆变器[J].电气开关，2009，4：43-45.
作者简介：
李斌（1964—），男，硕士，霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿采矿高级工程师，主要从事煤矿安全管理工作。
杨海柱（1975—），男，河南理工大学电气学院硕士生导师，研究方向：光伏并网发电技术。