郑州轻工业大学科研团队提出基于二维空间矢量脉宽调制的准Z源逆变器电感电流纹波抑制策略

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准Z源逆变器通过在直流电源与逆变桥之间插入一组由两个电感和两个电容组成的阻抗网络构成，与传统单级逆变形式相比，具有更宽的电压调节范围。与基于“直流斩波+逆变（Boost+DC-AC）”的两级式结构相比，准Z源逆变器减少了有源器件的数量，结构简单、集成度高、且允许同一桥臂的上下两个开关管同时导通而不损坏器件，可靠性高。

郑州轻工业大学电气信息工程学院的梁伟华、穆向上、申永鹏和李海林在2025年第2期《电工技术学报》上撰文，将准Z逆变器的输出电压映射在二维坐标系的坐标轴上，依据三相电压的大小关系划分控制域，根据参考电压所在的控制域选择电压矢量和开关状态；并将一个开关周期中的直通时间分成六小段，插入在零矢量首尾位置和两个非零矢量之间；以电感电流在直通状态与相邻的非直通状态间的净变化量等于零为目标，提出了适用于三相准Z源逆变器的二维空间矢量调制策略，实现了一个开关周期内电感电流脉动量最小。

研究背景

准Z源逆变器在新能源发电、电机驱动领域受到了广泛关注，为了限制准Z源逆变器中电感电流脉动量，准Z源网络需要使用两个大电感，增加了系统的体积和质量，导致系统成本高、功率密度低。

为了解决这一问题，目前，常见的方法可分为两类，一类是通过提高开关频率来减小准Z源电感电流纹波，例如采用开关频率更高的碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）器件等，但是这种方法要考虑电感电流纹波的减小与开关频率损耗增加之间的平衡，其效果也受器件性能及电路布局的影响。

另一类是通过改进调制策略及开关序列达到减小准Z源电感电流纹波的目的，然而，基于SPWM将一个开关周期中的直通时间看作是一个整体，插入到开关序列中，电感电流纹波较大；基于SVM进行的，需要确定参看电压的位置和扇区，计算每个扇区内有效矢量、零矢量和直通矢量的作用时间，运算较复杂。

论文所解决的问题及意义

该文提出了一种适用于三相准Z源逆变器的二维空间矢量调制策略，其计算简单且能够有效减小准Z源网络电感电流纹波（脉动量）。

该方法将准Z源逆变器的输出电压映射在二维坐标系的坐标轴上，依据三相电压的大小关系划分控制域，根据参考电压所在的控制域选择电压矢量和开关状态；并根据电感电流脉动量，将一个开关周期中的直通时间分成六小段，插入在零矢量首尾位置和两个非零矢量之间；以电感电流在直通状态与相邻的非直通状态间的净变化量等于零为目标，计算每段直通作用时间，实现了一个开关周期内电感电流纹波最小。

该方法计算简单，且能够有效减小电感电流的脉动量。仿真和实验验证了该方法的有效性。

论文方法及创新点

研究人员首先将准Z逆变器的三相输出电压映射在二维坐标系的坐标轴上，构造了准Z源逆变器的二维控制域，如图1（a）和图1（b）所示。

图1 准Z源逆变器二维控制域

图2 开关序列排列方式

然后通过分析电感电流纹波与直通占空比之间的关系，将一个开关周期内直通时间分成6小段，以电感电流在直通状态与其相邻的非直通状态间的净变化量等于零为目标，计算每小段直通的作用时间；在零矢量首尾位置和两个非零矢量的切换位置插入直通，实现升压功能的同时以最少的开关动作实现不同的状态切换，如图2和表1所示。

研究人员在实验室搭建了基于Matlab/Simulink环境的三相准Z逆变器仿真模型和基于dSPACE- MicrolabBox的三相准Z源逆变器实验平台，通过与传统SVM-6方法对比分析，验证了所提方法的效果，如图3、图4所示。

（a）采用所提方法时的电感电流

（b）采用传统SVM-6时的电感电流

图3 仿真结果

图4 实验结果

结论

基于实验结果，研究人员得出如下结论：

1、本文提出的二维空间矢量调制策略通过将三相电压映射在二维坐标系的坐标轴上，以此来构建控制域，并通过相电压的大小关系划分子控制域，避免了坐标变换和三角函数等复杂的运算，计算简单；

2、将一个开关周期中的直通时间分成六小段，以电感电流在直通状态与相邻的非直通状态间的净变化量等于零为目标，设计每段直通作用时间，减小了电感电流纹波，仿真和实验电流纹波分别降低了37.9%和54.2%。

团队介绍

研究人员隶属于郑州轻工业大学电气工程学科。该学科是河南省第八、第九批重点学科，是“电气装备智能制造”河南省特色骨干学科群骨干学科。

该工作发表论文的第一作者为郑州轻工业大学梁伟华博士、硕士生导师，研究方向为电力电子与电力传动技术、新能源发电技术。

该工作发表论文的通讯作者为郑州轻工业大学申永鹏副教授、硕士生导师，河南省电工技术学会理事，河南省青年骨干教师，河南省电力科学青年人才，机器人视觉感知与控制技术国家工程研究中心副研究员。目前担任电气工程学科负责人、河南省智能微电网国际联合实验室办公室主任。主持国家自然科学基金项目2项，参与国家863计划项目等国家级项目5项，获河南省科技进步二等奖2项、教育部科技进步二等奖1项、中国发明协会发明创业奖2项。第一/通信作者发表学术论文40余篇，授权发明专利20余件。研究方向为电力电子与电力传动、电动汽车储能与驱动控制。

本工作成果发表在2025年第2期《电工技术学报》，论文标题为“基于二维空间矢量脉宽调制的准Z源逆变器电感电流纹波抑制策略“。本课题得到河南省自然科学基金项目、郑州轻工业大学博士基金项目、国家自然科学基金面上项目、河南省高校科技创新人才支持计划项目和河南省重点研发专项的资助。

引用本文

梁伟华, 穆向上, 申永鹏, 李海林. 基于二维空间矢量脉宽调制的准Z源逆变器电感电流纹波抑制策略[J]. 电工技术学报, 2025, 40(2): 488-503. Liang Weihua, Mu Xiangshang, Shen Yongpeng, Li Hailin. Inductor Current Ripple Reduction Strategy Based on Two-Domain Space Vector PWM for Qusai-Z Source Inverter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(2): 488-503.

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