开关型电感准Z源逆变器

01 2 2 2 电气传动 2012年 第42卷 第12期 开关型电感准季英 ，王莎 ，左志鹏。 (1天津大学电气与自动化工程学院，天津300072； 2海洋石油工程股份有限公司，天津300451) 摘要：提出了一种用开关型电感阻抗网络来连接电源和逆变桥主电路的新型准为开 关型电感准传统准关型电感准有明显 的升压优势，而且对于给定的电压增益，也可以采用更大的调制度，从而保证良好的输出电能质量。并将简单 升压控制策略和3次谐波注入调制策略分别应用于开关型电感准真结果验证了新型 逆变器的优越性和合理性，而且验证了3次谐波注入调制策略的优点。 关键词：准关型电感；升压因子；电压增益；3次谐波注入调制策略 中图分类号：献标识码：A HI jihi100072，2of o，0045 ， a to an a a be tO a on of Z of c on 统电压源逆变器和电流源逆变器虽然在电力 电子技术中应用十分广泛，控制技术也非常成熟，但 仍存在着一些概念上和理论上的不足和局限。另 外，它们的抗电磁干扰能力较差，可靠性较差口。为 了克服这些不足和局限，提出了(准) 统准出电压的 总谐波失真变大，影响输出电能质量。本文在传统 准出了开关型电 感准以提高直流升压因子，且只需要 较小的直通零状态就可以获得比较大的电压增益， 并用简单升压控制策略和3次谐波注入调制策略进 行仿真，验证了开关型电感准性与优越性，并说明了3次谐波注入调制策略较 简单升压控制策略的优势。 1 传统准统准阻抗网 络由2个电感(L ，L )和2个电容(C ，C )组成。 作者简介：石季英(1959一)，男，博士，副教授，631传统准 of 1 电气传动 2012年 第42卷 第12期 石季英，等：开关型电感准据文献2可知，逆变桥的直流链峰值电压 U 与输入电压U。 的关系为 1 1 F ) 式中：D。为直通占空比；因子。 2 开关型电感准关型电感准，其阻抗网络由4个电感(L L 和2 个电容(C ，6个二极管(D ，D ，D。，D ，D )组成，其中L L D ，D ，D。组成一个开关 型电感，相当于传统拓扑的L ；L ，D ， D 组成一个开关型电感，相当于传统拓扑的L 。 其工作原理分析如下。 C 图2开关型电感准 of Z-设1一电感和 电容分别具有相同的电感量 “通状态时，等效电路如图3时逆变 桥短路，二极管3，I)6截止，2，5导 通，电感联，电感 和 并联。有 i +“直通状态时，等效电路如图3时 逆变桥相当于一个电流源，其电压降为【， 称为 直流链峰值电压。二极管D。，D。，D 导通，D ， D。，D ，D 截止，电感L 和L 串联，电感L 和 L： 串联。有 (U。 一 一一 。 于在一个开关周期中，电感两端的电压在 32 稳态下必然为0，有 f。c 一。 丢c 一。 1。c 一。 一。 C (a)直通状态 豢 砜 (3) 其中 4) 1 M 一 (5) 图4 2种拓扑B BD o of 季英，等：开关型电感准气传动 2012年 第42卷 第12期 22电压增益 逆变器的电压增益与主电路所采用的控制策 略有关。定义电压增益为 M 图5为简单升压控制示意图，由文献 知，在这种控制中，直通占空比D。被限制于(1一 M)，则开关型电感准压增益为 6) 其中，电压增益，且 7) I ：M 盏 1 ： _ _ 丁I： 图5简单升压控制不意图 of 6为注入16倍的3次谐波控制示意图， 由文献知，该控制方式是在三相正弦调制波 中注入16倍的3次谐波，使调制范围变大，最大 可以达到23，此时直通占空比D。被限制于 (12)，因此开关型电感准达到的最大电压增益为 G_Gnh(8) 其中，G。 表示传统准电压增益，且 G。hM(3(9) 图7大电压增益与调 制度间的关系曲线。从中可以看出，当种拓扑均没有升压能力；当M1时，随 着传统拓扑相比较，开关型电感 准开关型 电感准外也 可以看出，对于给定的电压增益G，开关型电感准 从而保证良好的输出电能质量。 图6注入16倍的3次谐波控制示意图 of 6 制度 (a)简单升压控制下，线 调制度 (b】注的3次谐波控制下，G7 2种控制策略下G GM of 7倍的3次谐波控制下，最大 电压增益与调制度间的关系曲线。对比图7a、图 7者有相似的G是相 比简单升压控制策略，采用注入16倍的3次谐 波调制策略有更大的升压范围，当给定电压增益 时，采用注人16倍的3次谐波调制策略可以采 用更大的调制度，由G=较小，使功率器件的电压应力和电容电压应力 较小；并且在同样的调制度下，能达到更大的电压 增益。 3仿真分析验证 为验证前面的分析，在相同参数的基础上对准 求输出相电压峰值为 一311 V，即有效值为 一 220 V。仿真参数设置为：直流输人电压 =68 V，准=：L 一=40 H，准Z 源电容C 一00 F，输出滤波电感输出滤波电容，准，载波频率为 =10 33 电气传动 2012年 第42卷 第12期 石季英，等：开关型电感准1简单升压控制下的仿真分析 对于开关型电感准了满足输出 相电压要求，由式(6)可得M=0699 8，取M= 07，则。根据式(2)式(6)可得，884 V， ，一476 V， 一408 V， 一 3094 V。图8为当调制度时，开关 型电感准中的输出相电压。可以看出，当各个波形达到稳定 时，稳态值与理论分析值基本相符。 图8 ，时简单升压控制仿真波形 =07，3 于传统准取M=07，3 时，根据式(1)和式(7)可得B=25，G175，与开关 型电感准压能力明显降低，且 =595 相差甚远，不能满足升压 要求。说明开关型电感准压范围，以便满足更多的应用场合。 32注入16倍的3次谐波控制下的仿真分析 对于开关型电感准了满足输 出相电压要求，由式(8)可得M=0814 2，D。一 0294 9。根据式(2)式(5)和式(8)可得123，4，7636 V，4158 V， 3478 V， 。一3108 V。图9为当调制度 14 2时，开关型电感准仿真波形图。可以看出，当各个波形达到稳定 时，稳态值与理论分析值基本相符。将两种控制 策略下的逆变桥电压和电容电压相比，即图8和 图9相比，可以看出，在同一电压增益下，输入电 压相同时，与简单升压控制相比，3次谐波注入控 制策略应用于开关型电感准有 效减小功率器件的电压应力和电容电压应力。 对于传统准取M=0814 2， D。一0294 9时，根据式(1)和式(9)可得44，G=198，与开关型电感准4 比，升压能力还是很弱，且 。：673 高但仍不能满足要求。 图9 14 2，294 9时注入16 3次谐波控制仿真波形 =0814 2，294 9 6 结论 与传统准关型电感准z 源逆变器能够提高升压因子，扩大电压输出范围， 且所需的调制度较大，保证电能质量。用简单升 压控制策略和3次谐波注入调制策略进行仿真， 仿真结果验证了上述结论，并说明了3次谐波注 入调制策略较简单升压控制策略可以减小功率器 件的电压应力和参考文献 13彭方正，钱照明，蔡磊杭州： 浙江大学，2008 2胡志勇，曼苏乐，张秀彬基于设计J通信电源技术，2011，28(1)：8一3侯世英，肖旭，张闯，等改进型电力自动化 设备，2011，31(8)：2427 超华，汤雨，谢少军改进策略工技术学报，2009，24(11)：11