基于开关电感的增强型Z源三电平逆变器

第43卷第16期 2015年8月16日 电力系统保护与控制 0O16 6，2015 基于开关电感的增强型晓刚，张杰 (广州大学机械与电气东广州51 摘要：分析了基于空间矢量脉宽N(常规单变器的升压能力，指出若直 通矢量作用时间不超过某一有效矢量的作用时间，则逆变器的电压增益最大值仅为115，不具备升压能力。对 电压增益与了进一步提高升压能力，提出一种增强型络，直流母线的正端和负端各引入1个开关电感(元，不仅提高电压增益，而且在相同电压增益的条件下降 低了在能实现中点电位平衡。在此基础上又提出了升压能力更强的多单元开关电感 增强型真结果表明，改进关键词：电平；开关电感；空问矢量脉宽调制 on 1 0006，he of PC)on is f of a is er 15no n is in is to of a n to an is wo L)to to it it to nd L is L PC 图分类号：献标识码：A 文章编号： 16743415(2015)16006508 O 引言 三电平逆变器因具有开关器件电压应力低、可 以工作在较低的开关频率、输出电压电流波形畸变 小等优点而在高压、大功率场合有着广阔的应用前 景【l。在各种三电平逆变器拓扑中，中点钳位式 (变器的研究和应用 最为广泛。但是，三电平金项目：广州市科技计划项目(201 30017)；广州市属 高校科研计划项目(2012广东省高等学校高层次人才 项目(2050205扑，为了保证正常工作，必须保证直流侧电压大于 交流电压的幅值，从而限制了它在并网发电等场合 的应用。 发了人们的极大兴 趣，并在传统出了很多新 型的培。 献【9提出一种双直流侧包含 两个相同的者的中点与直流侧电容的 中点连接，虽然实现了升压但使用较多的无源器件； 文献1012研究单源网络少 用了一半的无源器件且升压能力与双66 电力系统保护与控制 同，因此应用前景较好。但是，单的电压增益不高，三电平逆变器开关器件电压应 力为直流侧电压一半的优点没有得到充分利用，有 进一步改进的余地。目前，对的研究较多，如文献13】介绍的准文献【14提出的开关电感准献【15 提出的增强型几种拓扑的共同特 点是全部件均位于直流母线的正端，若将它们引入到三电 平逆变器，将无法实现直流侧电容的中点电位平衡。 本文首先分析了基于空间矢量脉宽调制(常规单Z 源三电平逆变器的升压能力，指出若直通矢量作用 时间不超过某一有效矢量的作用时间，则逆变器的 电压增益最大值仅为115，不具备升压能力。对 电压增益与变器的相同。为了进一步提高升压能力，提出一 种增强型流母线的正端和负端各引入 1个开关电感(L)单元，不仅提 高了电压增益，而且在相同电压增益的条件下降低 了能实现中点电位平 衡。在此基础上又提出了升压能力更强的多单元开 关电感增强型真结果表明，改进 变器的升压能力十分有效。 1 1所示为常规 了实现升压，采用半直通的工作方式，半直通包括 上直通和下直通两种状态，两者的作用时间相等。 以直通时，二极管，关管容充电； 下直通时，二极管关管通，电容以推导出直流链 电压d。之比，即升压因子为 ：一 一 (1) 中， 是上直通和下直通的占空比。 常规三电平调(略，空问矢量图如图2所示。整 个矢量空间被分成6个大扇区每个大扇区 又被分为2、B、2、如图3所示。作了介绍，其基本步骤是：在每个控制周期内判 断参考矢量定作用矢 量，再计算每个矢量的作用时间。 图1常规 PC (1 1 1) (0 1 1) 1 1) s 、(010)(110) s 一l 1) l 1) (1一l 1) 图2三电平逆变器空间矢量图 3扇区 of 1 三电平量得到的。以参考矢量蜥位于扇区 内为例说明直通矢量的插入原理。常规三电平 量 作用顺序为 一 一 。变器的调制波形如图4下半部分所示，根据直通 矢量的插入原则，在常规三电平基础上，在通矢量。具体方法是：在原矢量(1作用时问 王晓刚，等 基于开关电感的增强型67 内划出 分配给下直通矢量，且左右对称，各作 用f。2；在原矢量(0 01)的作用时间 配给上直通矢量，且左右对称，各作用 。在其 他小三角形内直通矢量插入原理与此相似。 十f 开 胃 舟通 ：直通 上直通 下直通 图4传统三电平 PC 1PC 述法只在某个有效矢量的作用时间内插入直通矢 量，直通矢量的作用时间不能超过该有效矢量的作 用时间，因此升压能力有限， 的范围是B 2x3M，其中 是采用空间矢量脉宽调制控制时 的调制因子。逆变器的电压增益G= 其最大值 为23 115。可见，仔细观察图4，可以发现紧随矢量 (0 01)的 是矢量 (011)，即在这2个矢量作用时间内， 果直通时间较长，超过 矢量(0 01)的最大作用时间，可以考虑将上直通的 作用时间延长至矢量(01一1)的作用时间内，因为 无论状态还是上直通状态，电压都为0，即对输出电压没有影响。另外，矢 量 也不一定平均分成4段插入，即为了获得更长 的下直通时间，可以令两端矢量(1 0 0)的作用时间 长于中间矢量(0 01)的作用时间。 仍以扇区例。令 (1 0 0)的 作用时间和 (0 0一1)与 (011)作用时间之和 相等，均为(ta+2(半个开关周期内为( )4)，如 图5的上半部分所示。上直通在 0(0 11)作用时间内插入，下直通在00)作用 时问内插入，上直通和下直通的时间相等，即 s= s=见与原方法相比，在其他条件相同的 情况下，上直通和下直通时间的范围得到了扩展， 开 开 开 开 关 ! ，； ! 下直通(上直通( 上直通(F 通(图5传统三电平电平 of PC 1PC 面分析采用改进变器的升压能力。因为-(ta+2，有 一 + (2) 憎伽 佃 1三： - _ V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V 一68 电力系统保护与控嘲 式中，0_85_n6。结合蜥位于三角形，最终得 (4) 代入升压因子公式，得 = 5) 3压增益为 G： (6) 3 一1 可见，采用这种改进的电平逆变器的升压因子和电压增益与变器采用最大恒定升压调制方法时相同。如 M=07时，G=330。 2 基于1电路拓扑 基于开关电感的增强型如图6所示，由于此能够 实现中点电位平衡控制。 图6基于 on ：为直流侧电容，在控制中点电位平衡 的情况下，有。电感 1、三2以及二 极管D 、3构成第一组开关电感，电感 。、 4以及二极管5、两组开关电感、电容成增强型作用是实现升压，且升压 因子高于传统于增强型称，因此4个电感电压和两个电容电压在任何时 刻均相等，即 直通状态和直 通状态。具体原理如下： (1)非直通状态 非直通时的等效电路如图7所示。 图7增强型 of 时二极管个开关电感单 元中5导通，3、6截止，电感 1 和三2串联， 3和 4串联。三电平可等效为两个电流源，由 z L+ c d i 2)半直通状态 所谓半直通指得是在一个开关周期内插入等时 间的上直通矢量和下直通矢量。以直 通时的等效电路如图8(a)所示，此时逆变器中开关 管中二极管3、2、容 1和 2中。下直通时的等效电路如图8(b)所示。 此时逆变器中开关管源网络中二极管的3、6导通，5截止，电容 2 中的能量转移到电感三3和 4中。 无论上直通还是下直通，根据有 j L dc 根据电感电压的伏秒平衡，由式(8)和式(9)可得 电容电压 ： 10) = _ 12式(9)和式(10)，得直流链电压为 7 L L 甜 L = L C = = 2 2 L C 甜 = = 理 原 作 工 2 2 、， 3 L 王晓刚，等 基于开关电感的增强型69 t=2 c一 a。= 1+2ds a = 11) 再由电压增益G= ，得 增益为 M(343M) 直通状态等效电路 图8增强型 of 3 了对比增强型能力，由式(1)和式(11)作出两种和直通占空比的关系曲线，如图9所示。可见基 于压能力。例如 为04时，常规子为5，而增强型图9基于 of L 4采用改进通占空比 被限制在卜3 M2，代入式(11)， (12) 电平逆变器工作在或3M23。 由式(6)和式(12)作出常规子的关系曲线，如图见在整个 取 值范围内，基于电压增益G，整体升压能力更强。 M 图10两种逆变器在 0 of of 基于多单元1多单元了进一步提高1个 电感和3个二极管构成如图ll(a)所示的开关电感单 元，单元之间可按图11(b)所示的方式连接，构成多 单元增强型(a)开关电感单元 11多单元开关电感 1 非直通时有 j(胛+ )甜L+uC=b13) 【c一(n+1)直通和下直通时有 (14) I i 力系统保护与控制 根据电感电压的伏秒平衡原则，有 直流链电压为 1+2 a。 33电容电压应力分析 (15) 常规器的电容电压为 (18) 对于基于多单元由式(15)式(17)，得 模块数n=l3时，基于因子和直通占空比的关系曲线如图12所示，可 见，增加进一步提高升压因子。 以 图12基于多单元n=l3时)升压能力 2 on L(n=l3) n 2卜 ( 一2 一1)。+4 G+2，z+1 J (19) 作出两种逆变器电压增益图的情况下，基于多单元器的电容电压应力小于常规的电容电压应力，且 越大，电容电压应力越小。 32逆变器的整体升压能力 采用改进变器的整体升压能力即 电压增益为 G=M1 +n (2M)1 (17)4 3 单元数n=l3时，基于电平逆变器电压增益和调制因子的关系曲线如图 13所示，可见增加单元数可大大提高器的整体升压能力。如n=2、M=时，G=849， 高于常规7时的330和 基于l、M=07时的589。 图13基于多单元n= 3 of on L( =13) G 图14两种拓扑电容电压应力的对比 4 of 真分析 为了验证改进强型 真中使 用的参数为：直流侧电压00 V，单增强型00 规Z 源网络中电感 2=3 增强型元数n=2，电感 】 2 3 4=12 关频率 均为户10首先分析常规M=07，由式(5) 算得B=471，由式(61算得G=330。图15为仿真结 果，其中图15(a)为脉动的直流链电压，最大值约为 920 142 小值约为460 v(理论值471 V)；图l5(b)为逆变器输出的线电压， 包含5个电平；图15(c)为滤波后负载得到的相电压， 其幅值约为320 )。实际值比理论值 偏低的原因是由于未采用直流链电压闭环控制，为 避免入的阻尼电阻产生了压降。 72 电力系统保护与控制 014，42(11)：7985 3 龚博，程善美，秦忆基于载波的三电平中点电压平 衡控制策略J电工技术学报，2013，28(6)：172oiA on 013，28(6)：172177 4 E JV 2011，27(4)：17991808 5 ， H，et ow- 06(12)： 35143523 6 Z，J013，22(2)： 70677 周玉斐，黄文新，赵健伍，等一种高升压比的器J电工技术学报，2013，28(9)：239246 et 013，28(9)：239246 8 R， R， et of 012，5(3)：385392 9 C， et 6，2006，10张瑾，齐铂金，张少如间矢量调制方法J电工技术学报，2010，25(9)： 10844 I WM PC 010，25(9)：108114，144 n张伦健，谭国俊，陈利萍基于双调制波技术的三电 平电力系统保护与 控制，2013，41(7)：9196 on 01 3， 4l(71：911 2