（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的z源逆变器控制与设计.pdf

c o n t r o la n dd e s i g nf o rz - s o u r c ei n v e r t e rb a s e do nd s p a b s t r a c t i n v e r t e r , 鹊a l li m p o r t a n tp a r to fn e we n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e ms u c ha sw i n d e n e r g y , s o l a re n e r g y ， f u e lc e l l e r e ，p l a y s ak e yr o l e i nt h ec 9 3 u i - s eo fe n e r g y c o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o n t h et r a d i t i o n a li n v e r t e ri n e l u d e sv o l t a g es o u r c e i n v e r t e r ( v s oa n dc u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ( c s o h o w e v e r , b o t ho f t h ei n v c r t e r sh a v e b a r r i e r sa n dl i m i t a t i o n s t h e ya r ee i t h e rab u c k ( v s l ) o rab o o s t ( c s oi n v e r t e r , i no r d e rt or e q u i r ea h i g h e rv o l t a g eo rl o w e rv o l t a g er e l a t i v et oi n p u tv o l t a g e ，a na d d i t i o n a ld c - d c c o n v e r t e rt ob o o s tt h eo u t p u tv o l t a g e ( v s oo rt ob u c kt h eo u t p u tv o l t a g e ( c s i ) i s n e e d e d ，w h i c hl o w e r st h ee f f i c i e n c yo fs y s t e m w h a ti 8m o r e ，i nat r a d i t i o n a l i n v e r t e r , t h eu p p e ra n dl o w e rd e v i c e so fe a c hp h a s el e gc o u l db eg a t e do n ( o ro f f ) s i m u l t a n e o u s l yb ve m in o i s e w h i c hw o u l dd e c r e a s et h ec i r c u i tr e l i a b i l i t y t oa v o i d t h es t a t e 。d e a dt i m eh a st ob ep r o v i d e di nt h ec o n t r o ls t r a t e g y n e v e r t h e l e s s ，a d i s a d v a n t a g eo ft h ed e a dt i m ei st h a ti tc a nb r i n gt h eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n t w a v e f o r md i s t o r t i o n i no r d e l t os o l v et h ea b o v el i m i t a t i o n so f t r a d i t i o n a li n v e r t e r , an e w t y p ei n v e r t e r n a m e d 乙s o u r c ei n v e r t e rw a sp r e s e n t e d w h i c hc a no v e r c o m et h ed r a w b a c k so ft h e t r a d i t i o n a li n v e r t e r ；i te m p l o y sau n i q u ei m p e d a n c en e t w o r k ( z - n e t w o r k ) , w h i c h e l l l o w st h ez s o u r c ei n v e r t e rt oh a v es o m en e wf e a t u r e sw h i c ha r ed i s a b l e do n t r a d i t i o n a li n v e r t e r i nt h i sp a p e r , t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n ds u p e r i o r i t yo ft h ez - s o u r c ei n v e r t e ra r e d e s c r i b e df i r s t l y , a n di t sm a t h e m a t i c a lm o d e ia n dp w mc o n t r o ls t r a t e g ya r e a n a l y z e di nd e t a i l t h e nt h ed e v i c e sv o l t a g ea n dc u r r e n ts t r e s si sa n a l y z e d ，w h i e h o f f e r sat h c o r e t i c a la u t h o r i t yt ot h ec o n t r o lo f 二s o u r c ei n v e r t e rb a s e do f fd sp a tt h e s a m et i m e , t h ed e s i g nm e t h o do f 乙s o u r c ei n v e r t e ri sg i v e no u t f i n a l l yt w os e t so f 7 - s o u r c ei n v e r t e rs y s t e m sa r eb u i l tu n d e rg r i d - c o n n e c t e da c t i v ep o w e ri n v e r s i o na n d u p sp a s s i v ep o w e ri n v e r s i o n t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e n p e r f o r m e dt oc o n f i r mt h ea n a l y s i s t h e ya r eq u i t ec o n s i s t e n tw i mt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s k e y w o r d s ： i n v e r t e r sz - s o u r c en e t w o r k g t i d c o n n e c t e d 前言 近年来，世界各国在节能降耗的同时，都在寻求新的绿色替代能源，如风 能、太阳能、燃料电池等，并力求能源利用过程中的高效化和安全化。逆变器， 作为可再生能源发电系统中的一个重要组成部分，在能量转换以及能源传递过 程中起着举足轻重的作用。在这些能量传递过程中，以传统的电压源型逆变器 和电流源型逆变器使用较为普遍，但是这两种类型的逆变器都存在自身原理上 的缺陷：输出电压总是低于或高于输入电压，无法正常工作在受风能或太阳能 影响导致输入电压大范围波动的情况下；其次逆变器加入了死区，造成系统输 出电压电流的谐波畸变率大。在这些应用场合，传统的逆变器受到了严峻的挑 战。本课题研究的这种新型z 源逆变器，能够克服传统逆变器的不足，并使得 系统具有一些传统逆变器所没有的特性，如输入电压范围宽、无死区，系统输 出电能质量高等，非常适合在风能、太阳能、燃料电池等发电系统中使用，因 此用新型的z 源逆变器来取代传统的逆变器将会产生很大的经济和社会效益。 近几年z 源逆变器一直是国内外电力电子领域研究的热点，而对z 源逆变 器的相关研究已从最初的原理分析逐步深入到系统建模控制中去，相应的z 源 逆变器电路拓扑也已延伸到a c a c 、a c d c 、d c d c 等各个领域，并相继出 现z 源三电平、z 源四桥臂等新型拓扑电路。在诸如电机驱动、燃料电池牵引 系统、可再生能源发电系统等应用领域，z 源逆变器的广泛使用已带来了显著 的成效。 插图清单 图1 1 传统电压源型逆变电路。l 图1 2 传统电流源型逆变电路2 图1 - 3z 源逆变器的一般拓扑3 图1 4z 源光伏逆变系统结构示意图4 图1 5z 源电力传动系统结构示意图4 图1 - 6 z 源燃料电池牵引系统结构示意图5 图1 75 0 k w 燃料电池放电v - i 曲线示意图5 图2 1 电压型z 源逆变器拓扑结构图8 图2 2 三相z 源逆变器等效电路l o 图2 3z 源逆变器系统等效电路1 1 图2 4 非直通状态下z 源逆变器断续电流模式1 3 图2 5 非直通状态电流断续模式下的逆变器输入电压和二极管电流波形1 3 图3 1 三相z 源逆变器拓扑结构1 5 图3 2 三相逆变器数学模型1 6 图3 3 静止坐标系( a 、b 、c ) 中三相逆变器开关函数模型结构1 8 图3 - 4 两相同步旋转坐标系( d 、q ) 中三相逆变器开关函数模型结构一1 8 图3 5 三相逆变器输入输出传递函数结构框图2 0 图3 - 6 考虑寄生参数时z 源网络等效电路2 l 图3 7z 源电容变化时其电压负调波形2 4 图3 8z 源电感变化时电容电压负调波形2 4 图3 - 9 稳态时“。“。比值2 5 图3 1 0z 源网络输入输出传递函数结构框图2 5 图3 1 l 三相z 源逆变器系统传递关系结构简图2 6 图4 _ 1 恒定直通零矢量控制时序图2 8 图4 _ 2 恒定直通零矢量控制下g m 关系曲线2 9 图4 _ 3 恒定直通零矢量控制下占。一g 蛳关系曲线3 0 图4 _ 4 最大化直通零矢量控制时序图3 0 图4 _ 5 最大化直通零矢量控制下g m 关系曲线3 2 图4 6 最大化直通零矢量控制曰g 关系曲线3 2 图4 7 恒开关频率直通零矢量控制时序图3 3 图4 - 8 恒开关频率直通零矢量控制下g 朋关系曲线3 4 图4 9 恒开关频率直通零矢量控制下占一一g o 的关系曲线3 5 图4 - 1 0 单相直通开关状态3 7 图4 - l l 两相直通开关状态4 0 图4 1 2 三相直通开关状态4 l 图5 1 恒开关频率直通零矢量控制下电容电压高次谐波4 4 图5 2 主电路改进后z 源主电路4 7 图5 3 逆变器交流侧稳态矢量关系4 8 图5 _ 4z 源并网逆变器系统控制示意图5 2 图5 5a 相控制结构图5 3 图5 6 简化后的a 相电流内环框图5 4 图5 - 7 足；：0 1 2 时根轨迹和阶跃响应5 5 图5 - 8 墨= o 0 8 2 时的根轨迹，阶跃响应和伯特图，5 7 图5 - 9z 源电感电流、z 源电容电流与a 相交流电流结构关系示意图5 8 图5 1 0 电压外环控制结构。5 9 图5 - l l 输入电压闭环控制简化结构图。6 l 图5 1 2z 源u p s 系统控制结构图。6 2 图5 一1 3 直流电压采样一6 4 图5 1 4 电网电压幅值与过零点采样原理图。6 5 图5 1 5 交流电流采样电路原理图。6 5 图5 1 6 三相z 源逆变器主电路p c b 6 6 图5 1 7d s p 控制板p c b 。6 6 图5 1 8 三相z 源并网逆变器系统硬件实物图6 7 图5 1 9 单相z 源u _ p s 系统硬件实物图6 7 图5 - 2 0z 源并网系统软件流程图6 9 图5 2 l 三相z 源并网电流波形一7 0 图5 2 2 稳态时a 相电网电压和并网电流波形7 0 图5 2 3 并网电流突增波形。7 1 图5 2 4 并网电流突减波形7 1 图5 2 5z 源电容电压与并网电流稳态波形7 2 图5 2 6z 源电容电压突增波形7 2 图5 2 7z 源电容电压突减波形7 3 图5 2 8z 源电容电压抗扰动波形7 3 图5 2 9 输入电压为1 8 0 v 时z 源电容电压7 4 图5 3 0 一个开关周期内逆变桥输入电压和二极管两端电压7 4 图5 3 lz 源电感电流和逆变器母线电压7 5 图5 - 3 2 突加阻性负载时输出电压和电流波形7 5 图5 - 3 3 突加非线性负载时输出电压和电流波形7 6 图5 3 4 蓄电池电压跌落2 0 时z 源电容电压和输出电压波形。7 6 图6 1z 源变流器拓扑结构7 9 图6 2z 源网络与其他拓扑结构结合8 0 表格清单 表2 1 三相z 源逆变器开关状态。9 表3 1z 源系统稳态工作点参数。2 3 表4 - lz 源逆变器各种p w m 调制策略特性对比分析。3 6 表4 _ 2 单相直通时开关管最大电流应力3 8 表4 _ 3 两相直通下的开关电流应力4 1 表5 1z 源并网逆变器系统仿真参数5 5 表5 2 电流内环校正特性参数表5 5 表5 3 三相z 源并网逆变器系统实验平台电气参数6 3 表5 4 单相z 源u p s 逆变系统实验平台电气参数。6 3 表5 。5z 源逆变器和传统逆变器的t h d 值对比7 7 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒壁兰些盘堂 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：同萄也字日期：砷年岁月9 h 学位论文舨权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借 阅。本人授权金胆王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 问去蕾昆 签字日期：二一7 年，月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：矿7 年，月尹日 电话 邮编 致谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的导师张兴教授。在攻读硕士学位近三 年的时间里，张老师无论是在学习上，还是在生活上都给予了我悉心的指导和 亲切的关怀。张老师渊博的知识、深厚的学术造诣、严谨求实的治学态度和勇 于开拓的科学精神，都给我留下了深刻的印象，令我受益匪浅，敬佩不己。 在硕士学习阶段，我有幸在合肥阳光电源有限公司得到了一次宝贵的实践 机会，并自始自终得到了曹仁贤老师和赵为博士的热心帮助和鼓励。在此，谨 向他们致以诚挚的谢意。 另外，还要感谢我的师兄和同窗好友：许颇、杨淑英、谢震、倪华、张显 立、吴玉杨、周小义、陈威、程显忠、童克文、伍瑶、张昱、戴莹、黄伟等。 在日常生活学习中，他们同样也给予了我热情的帮助，令我终身难忘。在此， 祝愿他们在今后的学习、工作和生活中一帆风顺，万事如意。 最后，谨以此文向对我学业倾力支持的父母以及所有关心、帮助和支持过 我的人们表示最诚挚和深切的谢意。 作者：周志健 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 本章概括性地介绍了传统电压源型逆变器和电流源型逆变器的拓扑结构， 分析了这两种逆变电路所存在的不是，进而对z 源逆变器展开了新的研究。 1 1 传统电压源型逆变器和电流源型逆变器的局限性【1 】【2 】【3 】【4 】 传统的逆变器主要分为电压源型逆变器和电流源型逆变器，二者各有其自 身的电路拓扑和工作特点。 1 1 1 传统电压源型逆变器 图i - i 传统电压源型逆变电路 电压源型逆变器( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r - - v s i ) 拓扑的一个显著特征是 直流侧采用了大电容进行储能，从而使直流侧呈现出低阻的电压源特性，其拓 扑结构如图卜1 所示。 到目前为止，电压源型逆变器的应用已十分广泛，典型应用场合有： 电气传动( e d ) 不间断电源供给( u p s ) 静止无功补偿器( s v c ) 有源电力滤波( a p f ) 太阳能、风能等可再生能源的并网发电 但是由于其自身的拓扑结构，电压源型逆变器存在着下列概念上和理论上 的一些不足和局限： 夺v s i 拓扑可看作是由b u c k 变换电路拓展而来，这将使得逆变器输出电压 总是低于直流输入电压。因此，在一些需要高电压输出的场合，通常要 在逆变器输入前端增加升压电路或在逆变器输出级加入升压变压器。前 者由于多了d c d c 变换器，使得系统存在两级变换，从而降低了效率， 且增加了控制的复杂程度；后者因变压器的引入，导致系统的成本、体 积增加，且变压器低压侧的电流相对较大，在设计时将不得不考虑开关 电流应力等问题。 v s i 直流侧的电容低阻特性将禁止逆变器工作在一相桥臂的上下开关管 直通状态，否则，电容短路，开关管因过流而损坏。考虑到开关管的开 通、关断及驱动电路的延迟时间，为避免直通状态的发生，v s i 必须加 入死区时间，使桥臂开关管先关断、后导通，丽死区则会带来输出电压 波形的畸变。 1 1 2 传统电流源型逆变器 h 图1 - 2 传统电流源型逆变电路 电流源型逆变器( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r - - c s i ) 拓扑的一个显著特征是 直流侧采用了大电感进行储能，从而使c s i 直流侧呈现出高阻的电流源特性， 其拓扑结构如图1 - 2 所示。 电流源型逆变器由于需较大的直流储能电感，以及交流侧l c 滤波环节所导 致的电流畸变、振荡等问题，使其结构和控制相对复杂化，从而制约了电流源 型逆变器的应用与发展，但是随着超导技术的研究与应用，电流源型逆变器在 超导储能中取得了成功应用。此外，电流源型逆变器主要的应用场合有： 大功率感应电机和同步电机的速度控制 高频感应加热 直流电机传动 同v s i 一样，c s i 由于其自身的拓扑结构，也存在着概念上和理论上的一些 不足和局限： c s i 拓扑可看作是由b o o s t 变换电路拓展而来，这将使得逆变器输出电压 总是高于直流输入电压。因此，在一些需要低电压输出的场合，往往要 在逆变器输入前级加入降压电路或在逆交器输出级加入降压变压器，这 两种解决方案也会带来系统效率下降，控制复杂化以及成本增加等同样 的问题。 c s i 直流侧的电感高阻特性将禁止逆变器工作在上桥臂开关管全部关断 或下桥臂开关管全部关断的开关状态，否则，电感开路，开关管因过压 2 而损坏。考虑到开关管的开通、关断及驱动电路的延迟时间，为避免被 禁止的开关状态发生，c s i 也必须加入死区时间使得桥臂开关管先导通， 后关断。 综上所述，传统电压源型逆变器和电流源型逆变器存在以下共同的缺陷： 夺这两种逆变器或是降压型，或是升压型，仅靠单级功率变换不可能同时 满足升降压的要求，即逆变系统的输出电压范围总是有限的，或低于、 或高于直流输入电压，这使它们的应用场合受到了限制。 夺它们的抗电磁干扰能力( e m i ) 较差，由电磁干扰而产生的开关管误开通、 误关断将会严重影响系统工作的可靠性。 1 2z 源逆变器的提出 为了克服传统电压源型逆变器和电流源型逆变器的理论缺陷，文献【5 】【6 】 提出了一种新型的逆变器z 源逆变器。z 源逆变器为功率变换提供了一种新的 思路和理论，通过引进一个x 型交叉阻抗源网络，将逆交桥与电源耦合，其拓 扑结构如图卜3 所示。 kd c k z - s o u r e 小h b r i d g e i s o u r c e l n e t w o r k i i n v e r t e r i 图1 - 3z 源逆变器的一般拓扑 需要注意的是，z 源逆交器凭借其自身拓扑的独特性可自由地工作在开关 管断路或直通状态下，这为逆变电路根据需要来选择升降压提供了一种机制。 这种机制的灵活性表现在： z 源网络输入电源可以是电压源形式，也可以是电流源形式。因此，与 传统的v s i 和c s i 不同，z 源逆变器的直流电源可以为任意的形式，如蓄 电池组、超级电容、二极管整流桥、晶闸管变流器、燃料电池堆、光伏 阵列输入、电感、电容器或它们的组合等等。 z 源逆变器所采用的开关可以是开关器件和二极管的组合，即反并联或 串联两种组合形式。 夺z 源逆变器的输出负载可为感性，也可以为容性。 3 1 3z 源逆变器的研究现状与应用领域 自美国密西根州立大学的彭方正教授于2 0 0 2 年首次提出z 源逆变器【5 】以来， 至今，z 源逆变器盼相关理论研究与实践应用已发展的非常迅速，并取得了突 破性的进展和成果，正朝着传统电压源型逆变器和电流源型逆变器的现有应用 领域进军，无论是在常规的无源逆变场合( u p s 、e d ) ，还是在新兴的回馈式有 源逆变场合( v vg r i d 、d f i g ) ，都可以看到z 源逆变器的身影。相比于传统的电 压源型逆变器和电流源型逆变器，z 源逆变器在这些应用领域有着更为优秀的 性能表现1 7 j 。 1 3 1 在光伏发电系统中的应用【s 】 9 】 图1 - 4z 源光伏逆变系统结构示意图 太阳能并网发电技术的大规模应用是2 1 世纪人类社会发展的一个重要标 志，该技术核心问题之一就是如何更好的采用最大功率点寻优控制( m p p t ) 将太阳能电池的电能并入电网【l 们，在这个问题上，利用z 源逆变器来取代传统 的电压源型逆变器，将使得光伏发电系统具有一些独特的好处： 夺z 源逆变器独特的升降压功能，可以放宽太阳能阵列电池的电压输入范 围，非常适合因光照强度的大小而导致光伏阵列电压大范围波动的情 况。 夺z 源逆变器无需死区时间，并网电流的谐波畸变率( t h d ) 相比传统电 压源型光伏系统的并网电流t h d 要小，从而提高了回馈电能的质量。 1 3 2 在电力传动系统中的应用【1 1 】 1 2 】【1 3 】【1 4 】 图1 - 5z 源电力传动系统结构示意图 4 在四象限运行的传动系统中，z 源逆变器同样也有着广阕的应用前景。z 源 逆变器所具有的b u c k b o o s t 功能，可较大程度地改善电动机的驱动性能，同时 相比传统电力传动系统中所使用的直流侧电容，z 源电容值也大大减小 ”】，图 卜5 给出了基于z 源逆变器的电力传动系统结构图。 采用这种基于z 源逆交器的电力传动系统的好处在于： 在交流电机起动阶段，可先以较小的调制度来提供较低的输出电压以保 证电动机的顺利启动：在电机正常运行阶段，可通过z 源网络的升压特性， 在电网输入电压有限的情况下保证电机在线性调制范围内逆变器输出恒 定的交流电压。 利用z 源网络独特的升压特性，即使在电网电压跌落时，也可以保证逆变 器正常工作，不会对电机的运行产生影响。 夺相比较传统电压源型电力传动系统，z 源电力传动系统在保证系统抗e m i 干扰能力更强的同时，功率因数和电流谐波较前者也得到了明显改善。 1 3 3 在燃料电池系统中的应用 1 6 】【1 7 】【8 】 f u e l c e 图1 - 6z 源燃科电池牵引系统结构示意图 图l - 75 0 k w 燃料电池放电v - i 曲线示意图 5 a c l o a o 燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机 的动力装置。由于燃料电池将燃料的化学能直接转化成电能，避免了中间转换 过程的能量损失，可以达到较高的发电效率，因此燃料电池牵引系统具有很广 阔的前景。 通常燃料电池堆都是由多个单体电池元串并联在一起，达到一个足够高的 电压供负载使用。然而，燃料电池的输出特性和负荷有很大的关系。图卜7 为一 个5 0 k w 燃料电池系统实际的放电曲线( v - i ) 示意图 1 “。由图可见，当负荷电 流较大时，燃料电池端电压会产生较大的跌落，在无须增加额外一级d c d c 升 压电路的情况下，通过z 源网络本身的升压功能，就可以使逆变器母线电压得 到很好的控制。 1 4 本文的选题意义和工作内容 1 4 1 本文的选题意义 近年来，传统电压源型逆交器和电流源型逆变器拓扑在各种场合都得到了 广泛的应用，且控制技术也已经非常成熟，但是却摆脱不了其自身所固有的缺 点，从而使得在一些复杂的应用场合，传统的电压源型或电流源型逆变器受到 了挑战，甚至无法满足一些特殊情况下的要求。本文所研究的这种新型z 源逆 变器系统，可以较好地解决传统v s i 和c s i 电路拓扑所存在的缺点，利用直通零 矢量获得一些传统v s i 和c s i 电路所无法实现的功能。目前针对z 源逆变器的理 论研究己取得了重大突破，其应用前景也引起了国内外学者的广泛关注。因此， 采用这种新型的z 源逆变器来取代传统的v s i 和c s i 会产生很大经济和社会效 应。 1 4 2 本文所做的工作 本文对电压型z 源逆变器进行了深入的分析和研究，工作的重点可以总结 如下： 夺对电压型z 源逆变器的拓扑及工作原理给予了细致的分析，并就已知的z 源逆变器可能存在的电流断续模式【”】问题进行了说明。 针对电压型z 源逆变电路的两部分组成一z 源网络和逆变器主电路分别 进行了建模。首先建立了三相逆变电路基于开关函数描述的状态方程， 对状态方程在稳态工作点附近引入小信号扰动得到了逆变器输入输出 变量的暂态关系；其次针对z 源网络列出直通与非直通两个状态下的连 续状态方程，对这两个状态方程进行开关状态平均化得出z 源网络的状 态空间平均方程，同样也在稳态工作点附近引入小信号扰动得出z 源输 入输出暂态方程，由此验证了z 源网络的非最小相位特性【2 0 】；最终将z 源网络和逆交器两部分的输入输出关系联立在一起得到了整个z 源逆变 器的输入输出函数关系。 夺对z 源逆变器的各种p w m 调制策略进行了文献综述，详细分析了三种常 6 用的z 源逆变器调制策略，给出了各种调制策略下的z 源逆变器的工作范 围、开关电压应力和开关电流应力，为后面的逆变器主电路设计以及 d s p 控制实现提供了依据。 夺给出了z 源逆变器主电路参数的设计公式；根据前面章节建立的系统数 学模型，对z 源逆变器的控制系统给出了详细的设计过程，以满足工程 设计的需要。最后，为了验证上述建模、控制策略的正确性，搭建了容 量为3 k w 的单相z 源u p s 和2 k w 的三相z 源并网实验平台，实验结果和仿 真结果基本吻合，从而验证了上述理论分析的正确性；同时在同等条件 下将z 源样机平台的实验数据结果和传统的电压源型逆变器实验结果进 行了比对，也展示出z 源逆变器较之传统的电压源型逆变器有着更加优 异的特性。 7 第二章z 源逆变器的工作原理与断续电流模式 前面提到，z 源逆变器的输入源可以是电压源形式，也可以是电流源形式， 相应的逆变主电路既可以和传统电压源型逆变电器相同，也可以和传统电流源 型逆交器相同。因电压源型逆变电路和电流源型逆变电路本身就具有对偶的拓 扑结构1 2 “，所以电压型z 源逆变器工作原理分析以及p w m 调制策略等相关的 方法都可以应用对偶原理延伸到电流型z 源逆变器中。为了分析的简便，本文 研究的重点放在了电压型z 源逆变器上。后文中出现的z 源逆变器除特别说明 外均指电压型z 源逆变器。 本章详细地研究了电压型z 源逆变器的拓扑结构，在阐述其升压工作原理 的基础上，分析z 源逆变器工作时可能出现的一种电流断续模式及其对主电路 的影响。 2 1z 源逆变器的拓扑及工作原理 图2 - 1 电压型z 源逆变器拓扑结构图 如前所述，z 源逆变电路是一种基于z 源储能网络的拓扑变换电路。图2 1 是一个三褶电压型z 源逆变电路的一般拓扑，由输入源( “。、d ) ，z 源对称网 络( l l = l 2 ，c l = c 2 ) ，三相h 桥逆变器( s l - s 6 ) 以及输出滤波环节( l s 、c s ) 四部分组成。若令开关函数，为 归 1s 。x 嚣( x _ 1 调120 s 1 ) j = ：x = 6 ) 1 ) i。关断 、7 那么三相z 源逆变器一共有1 5 种允许的开关状态( 见表2 1 ) a 当逆变桥 母线电压施加在输出负载上时，三相z 源逆变器拥有和传统电压源型逆变器 一样的6 种非零矢量，即有效矢量；当负载分别被上桥臂或下桥臂的三个开关 管( s 1 、s 3 、s 5 或s 4 、s 6 、s 2 ) 短路时，这时三相z 源逆变器有2 个零电压 矢量，即传统零矢量。然而，三相z 源逆变器还有另外7 种零电压矢量【5 1 ：即 在传统零矢量中插入同一桥臂上下开关管同时导通的直通零矢量。在传统的电 8 压源型逆变器中，这个直通零矢量是被禁止的，因为在这种情况下，输入端直 流电容( 图i - 1 中的电容c 1 ) 会因瞬间的直通而导致电流突增从而损坏开关器 件。但z 源网络的引入使直通零矢量在逆变器中成为可能，整个z 源逆变器也 正是通过这个直通零矢量为三裙逆变器提供了独特的升压特性。 开关状态 s i s d s 3 s 6 s 5 s 2 有效矢量 100 lo0lol 有效矢量 0 lo o11oo1 有效矢量 001 ) 0loll0 有效矢量 110 10lool 有效矢量 l0l looll0 有效矢量 0 1l 0ll0lo 传统零矢量 lll l 0 101o 传统零矢量 000 o1 0 lo l 隧醪 綮綮鬻雾纂麓 i 蛩。i蠡j ；，“!m 缀；嚣逵虢凌爱照：参蒸鬻 一， ：”； i 攥巍 鼍l ；： 警。 ：魏黔瓢；“i ：黪： ，o ”；：i 肇? ：蹇凝攀嚣鏊一：? 曩甏篝 弧； 鬻 ，；乞+ ；蘧 笈i ! 磐 ：j ：j 磁 蘸雾囊鬻簿攀：。：髻 ；：“ 鬻鬻繁 ；羹 ! 麓 骥 。j 量 孽擎糕囊毒荔鬈鬓鬓鬻 ：j 蠹灞 鬻 j ，7 黔簿瓣纂鬻 誉 繁鬻篆瀚 觏 = j o “” + ： i ：，。，5 篷 ， 懑懿囊蕊麓瓣蕊矧磊舞纛翳i 蕊；鑫 ：l 餮 ” 藏妊 状态l ：开关管导通，瞄0 ：开关管关断 状态x ：0 或1 ，x 与x 互补 表2 - l 三相z 源逆变器开关状态 z 源逆变器之所以能升压，这和它自身电路的拓扑是分不开的。图2 2 给 出了z 源逆变器从直流侧看过去的等效电路拓扑，其中三相逆变桥可等效为一 受控电流源0 2 2 1 。 9 + “d c 一卜一+ j l 2 图2 - 2 三相z 源逆变器等效电路 由于z 源逆交器具有直通零矢量的开关状态，因此就一个开关周期正中z 源逆变器是否工作在直通开关状态可将图2 - 2 所示的电路分两种情况来讨论， 同时为了分析的简便，假设z 源网络为对称网络，即； c l 。1 c 2 2 l 2 ( 2 2 ) 稳态时，由电路的对称性，有： “h = “l l = “l( 2 3 ) 【“c l2 2 2 1 当系统工作在非直通状态，开关状态为有效矢量或传统零矢量8 种状态 之一时，输入二极管d 正向导通。若一个开关周期z 中非直通状态运行时间为 五，此时z 源逆变器等效电路如图2 - 3 ( a ) 所示，由图可得： “d c = 2 h = u c t + u l l = u l t + 2 = u l + u c 2 。一2 “c ，一2 一 联立式( 2 4 ) 式( 2 5 ) = 2 u c u , z 乇“ 一乞+ ( 8 ) 非直通状态系统等效电路 1 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 一气+ ( b ) 直通状态系统等效电路 图2 3z 源逆变器系统等效电路 + 2 当系统工作在直通状态，开关状态为表2 - 1 中七种直通零矢量状态之一 时，二极管d 承受反压截止。若一个开关周期正中直通状态运行时间为瓦，且 乃= 互一五，此时z 源逆变器等效电路如图2 - 3 ( b ) 所示，由图有 = = i ( 2 = = 蚝，= 吃 ( 2 7 ) 稳态时，z 源电感l l ( l 2 ) 在开关周期互内应满足伏秒特性( 一个开关周期的 平均储能为零) ，即： ( 曲- u o r , + 写= 0 ( 2 8 ) 化简式( 2 8 ) ，得z 源电容电压 u c = i ( 2 9 ) l i 一0 相应地，可求得逆变器母线电压平均值为 = 石= 逝半= 鑫u d c 砘 ( 2 1 0 ) 比较式( 2 1 0 ) 和式( 2 9 ) 可以发现，虽然z 源逆变器的母线电压u h 在一个 开关周期i 内不是定值( 2 u 。一“d c 或者0 ) ，但其电压平均值u m 和z 源电容电压 甜，相等，这为后面的z 源逆变器建模分析以及控制系统的设计提供了理论依 据。 在非直通状态下，逆变桥母线电压。可写成 = 2 u c 一= ；乞= _ “由= b ( 2 1 1 ) 其中b 为升压因子【5 】，且 曰= 二l 一l( 2 1 2 ) z i r o 另外，三相逆变器输出相电压基波峰值。与母线电压的关系为 嘶。= 研警 ( 2 1 3 ) 式中r a 为逆变器的调制度，当采用s p w m 调制策略时，珊1 ；采用s v p w m 调制策略时，历。联立式( 2 1 1 ) 、式( 2 1 3 ) 得 q 。= m b 警 ( 2 1 4 ) 若进一步忽略输出滤波电感l s 上的压降，则z 源逆变器输出电容c 。上的相电压 蜂值为 u o m = u t 。f f i m b 警 ( 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 即为稳态时z 源逆变器输出电压与输入电压的关系式。可以看出，对 确定的z 源逆变器系统，只要选择合适的调制度m 和升压因子b ，就可以使 或u o m 功率开关器件看成是理想开关，不考虑其损耗。 单位开关周期内非直通状态下的逆变器母线电压保持恒定a 其等效拓扑结构如图3 2 所示。 ! _ n 图3 - 2 三相逆变器数学模型 定义单极性二值逻辑开关函数气为 & = 毙堞凳：焉嚣圳、。 z ， i o 上桥臂关断，下桥臂导通。 7 由图3 2 ，采用基尔霍夫电压定律可建立三相逆变器的a 相回路方程为 厶导+ r 屯。= 一“如一 ( 3 3 ) 当s l 导通而s 4 关断时，3 1 = 1 ，且= u m ；当s l 关断而s 4 导通时，开关函数毛。0 ， 且虬n = o 。故有 1 6 = 墨 ( 3 4 ) 因此式( 3 3 ) 可改写成 厶等+ 疋t ：毛。一毪i 一 ( 3 5 ) 厶言+ 疋t 5 毛+ 一毪i 一 ( 3 5 ) 同理可得b 相、c 相的电压回路方程 厶等+ 风k = u b i 一“。 ( 3 6 ) 上b 詈+ 风k 2 。 i 一“ ( 3 - 6 ) 厶粤+ r t ：$ 。 u i a - - u 。一甜。 ( 3 7 ) 厶吾+ r t 2 。一甜o n ( 3 7 ) 考虑逆变电路三相对称，则 麓嚣盂。 s ， 联立式( 3 5 ) 式( 3 8 ) ，得 “d = 筝( 矗+ + 凡) ( 3 9 ) 又在图3 - 2 所示的逆变器拓扑结构中，任何非直通时刻都有三个开关管导 通，其开关状态共有8 种模式，因此，直流侧电流可描述为 = i ls 。& + k _ s o + k 。s s b s 。+ 吼+ k 地& + 纯。+ t 域矗& + ( k + 屯。) & + ( f l 。+ k + t ) & ( 3 1 0 ) = 乏f 幺如+ t 将式( 3 1 0 ) 代入式( 3 5 ) 式( 3 9 ) ，则三相逆变器的开关函数模型由下式给 出： 卜等+ 眠= ( 气一j 1 名碧飞 缸= 屯，岛 ( 七= 4 、b 、力 ( 3 i i ) i= 乏t = o 其开关函数模型如图3 - 3 所示。 1 7 图3 - 3 静止坐标系( a 、b 、c ) 中三相逆变器开关函数模型结构 根据等量坐标变换3 4 1 ，将上述三相静止坐标系( a 、b 、c ) 中的开关模型转换 到同步旋转坐标系( d 、q ) q l ，则有 其对应的模型结构如图3 4 所示。 图3 4 两相同步旋转坐标系( d 、q ) 中三相逆变器开关函数模型结构 若对式( 3 1 1 ) 引入状态变量鼻，且z = 【t 。k 屯】t ，则采用单极性二值逻 辑开关函数描述的三相逆变器一般数学模型的状态变量表达式为 z x = 似4 - b u( 3 1 3 ) 式中 1 8 幻 3 一 一 屯 缸 m 甜 = = 也 ：k 足 r + + h h 以 础 一 + 生出吒百 工 a = 一疋0 0 0 一风0 00 一是 s ls bs e 墨一；马 o j - a b 一昙x s j j - , i ，“c l 一；殛， j j - a ，kc 0 习 肚- ；1 00 00 0 0 。卜1 占： iu ：艮。粕。 。乇】1 jl 口1 l j i l 。= t + i l - k = t + k 屯。= 五一+ t = + = + ”f o u b , o = + 越 “2 u 咖+ “ 缸= 毛+ s l = s 4 + s - s b 2 s + s b s e = s ；七s e ( 3 ，1 4 ) 式中的t ，、t 、魄、毛、s 、瓯、瓯为逆变器在工作点的稳 态值，f 、f 、遗、以、民、皖、j 乏、最、为稳态值附近的扰动量。代入式 态值，l 、t 、t 、毛、丘、& 为稳态值附近的扰动萤。代入式 ( 3 1 3