（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的z源逆变器的研究.pdf

， i ， 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：煞丝煎日期：少f f 年f 月，日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：毯丝煎 指导教师签名：_ 薹套边 日期：凹f 1 年月卜日 日期：钞9 年f 月，p 日 严 ， 摘要 近年来，传统化石能源紧缺问题日益突出，因此在做好节能降耗的同时，开发诸如 风能、太阳能、燃料电池等绿色能源显得尤为重要。逆变器在新能源发电系统中占据着 举足轻重的地位，到目前为止，使用较为普遍的是传统的电压源型逆变器，但是这种类 型的逆变器由于存在诸如输出电压低于输入电压、同一桥臂器件不允许直通等一些缺 陷，在这些场合的应用存在着一定的局限性。本课题所研究的这种新型的z 源逆变器系 统，不仅可以弥补传统逆变器的缺陷，而且还具有一些传统逆变器不具备的诸如电路结 构灵活、易于实现升压功能、可靠性高等新特性。 z 源逆变器具有多种拓扑结构及控制策略，本文以两电平电压型z 源逆变器为研究 对象，对采用直通状态分段的空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 算法进行了理论分析 及仿真，搭建实物模型进行实验研究。 首先，本文分析了两电平电压型z 源逆变器的基本拓扑及工作原理、非正常工作状 态、各种s v p w m 控制策略的原理、电路参数设计。 然后基于上述理论分析，本文采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对采用不同 s v p w m 控制算法的两电平电压型z 源逆变器进行了仿真，通过仿真验证了不同算法的 正确性及z 源逆变器的升压功能。 最后，在实验室条件下，搭建两电平电压型z 源逆变器硬件实验平台，包括z 源网 络、主电路、隔离驱动电路、缓冲电路，编程采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 控制芯片，控制策略采用直通状态分段的s v p w m 算法。实验波形验证了此控制策略的 正确性及z 源逆变器的升压功能。 关键词：z 源逆变器，空间矢量脉宽调制，升压，d s p 一 ， r e s e a r c ho nz s o u r c ei n v e r t e rb a s e do nd s p z z h a n gh o n g m e i ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f m aw e n z h o n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep r o b l e mo ft r a d i t i o n a lf o s s i le n e r g ys h o r t a g ei sd a yb yd a yp r o m i n e n t , s ow h i l es a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o n , i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pg r e e ne n e r g y s u c ha sw i i l de n e r g y ，s o l a re n e r g ya n df u e lc e l l ，e t c i n v e r t e rp l a y sai m p o r t a n tr o l ei nn e w e n e r g yg e n e r a t i n gs y s t e m s of a r , w i d e l yu s e di sat r a d i t i o n a lv o l t a g e - s o u r c ei n v e r t e r ，b u t a p p l i c a t i o no ft h i st y p eo fi n v e r t e ri nt h e s eo c c a s i o n se x i s t ss o m el i m i t a t i o n s ，d u et o i th a s s u c ha st h eo u t p u tv o l t a g ei sl o w e rt h a nt h ei n p u tv o l t a g e ，t h es a m eb r i d g ea r md e v i c e sd on o t a l l o wb es h o o t t h r o u g ha n ds o m eo t h e rd e f e c t s t h i sp a p e rs t u d i e dan e wt y p eo fz s o u r c e i n v e r t e rs y s t e m ，i tn o to n l yc a nm a k eu pt h ed e f i c i e n c i e so ft r a d i t i o n a li n v e r t e r , b u ta l s oh a s s o m en e wf e a t u r e sw h i c ht r a d i t i o n a li n v e r t e rd on o tp o s s e s ss u c ha ss i m p l ec i r c u i t s ，e a s yt o r e a l i z es t e p u pf u n c t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ya n ds oo n t h e r ea r es e v e r a lk i n d so ft o p o l o g i e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e so fz - s o u r c ei n v e r t e r t h i s p a p e rc h o s et w o - l e v e lv o l t a g et y p ez - s o u r c ei n v e r t e ra st h es t u d yo b j e c t ，m a d e t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n f o rs h o o t - t h r o u g hv e c t o r ss e g m e n t e ds p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) a l g o r i t h m ，b u i l d e dp h y s i c a lm o d e la n dd i de x p e r i m e n t a tt h eb e g i n n i n g ，t h i sp a p e ra n a l y s e sb a s i ct o p o l o g ya n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft w o 。l e v e l v o l t a g et y p ez s o u r c ei n v e r t e r , a b n o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h ep r i n c i p l e so fa l lk i n d so f s v p w mc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dc i r c u i tp a r a m e t e r sd e s i g n t h e nb a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i sa b o v e - m e n t i o n e d ，t h i sp a p e ru s e ss i m u l a t i o ns o f t w a r e m a t l a b s i m u l i n kt os i m u l a t et h et w o l e v e lv o l t a g et y p ez - s o u r c ei n v e r t e rw i t hd i f f e r e n t s v p w mc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h ee m u l a t i o n a lw a v e f o r m sv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so fd i f f e r e n t s t r a t e g i e sa n dt h eb o o s tf u n c t i o no fz s o u r c ei n v e r t e r a tl a s t ，u n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，w ec o n s t r u c th a r d w a r ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo f t w o - l e v e lv o l t a g et y p ez - s o u r c ei n v e r t e r , i tc o n t a i n sz - s o u r c en e t w o r k ，m a i nc i r c u i t ，i s o l a t i n g a n dd r i v i n gc i r c u i ta n ds n u b b e rc i r c u i t t h ep r o g r a m m i n ga d o p t sd s po ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a n a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi s s h o o t t h r o u g hv e c t o r ss e g m e n t e ds v p w m t h ew a v e f o r m so f e x p e r i m e n t sv a l i d a t et h ev a l i d i t yo ft h i sc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h eb o o s tf u n c t i o no fz s o u r c e i n v e r t e r d s p k e yw o r d s ：z s o u r c ei n v e r t e r ；s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) ；b o o s t ； 1 1 1 目录 第1 章绪论1 1 1 传统电压型逆变器的局限性l 1 2z 源逆变器的提出2 1 3 z 源逆变器的研究现状及应用领域3 1 4 本课题的选题意义及主要研究内容5 1 4 1 本课题的选题意义。5 1 4 2 本课题的主要研究内容。6 1 5 本章小结7 第2 章- , f lz 源逆变器拓扑结构及工作原理8 2 1 三相z 源逆变器的基本结构及工作原理8 2 1 1 三相z 源逆变器的基本结构8 2 1 2 三相z 源逆变器的工作原理8 2 2 三相z 源逆变器的非正常工作状态1 2 2 3 克服非正常工作的主电路优化设计。1 4 2 4 本章小结。1 4 第3 章三相z 源逆变器的s v p w m 控制方法1 5 3 1 直通零矢量的不同实现方法1 5 3 2 三相z 源逆变器s v p w m 控制基本原理1 5 3 3 三相z 源逆变器的各种s v p w m 控制方法1 9 3 3 1 按实现直通零矢量的方法不同分类1 9 3 3 2 按注入直通零矢量的方法不同分类2 0 3 4 各种s v p w m 控制方法的算法实现2 4 3 4 1简单s v p w m 控制算法实现2 4 3 4 2 直通矢量分段s v p w m 控制算法实现2 7 3 4 3最大化s v p w m 控制算法实现2 9 3 5 本章小结3 0 第4 章- , f lz 源逆变器参数设计31 4 1z 源网络参数设计3 l 4 1 1 电容参数设计31 4 1 2 电感参数设计3 2 4 2 三相z 源逆变器功率开关器件电压应力分析3 4 4 3 输入功率二极管的耐压设计。3 5 4 4 本章小结3 5 第5 章三相z 源逆变器m a t l a b 仿真3 6 5 1 采用简单s v p w m 控制的仿真模型的搭建及波形分析3 6 5 1 1 仿真模型的搭建3 6 5 1 2 仿真波形分析4 0 5 2 采用直通矢量分段s v p w m 控制的仿真模型的搭建及波形分析4 2 5 2 1 仿真模型的搭建。4 2 5 2 2 仿真波形分析4 4 5 3 采用最大化s v p w m 控制的仿真模型的搭建及波形分析4 6 5 3 1 仿真模型的搭建4 6 5 3 2 仿真波形分析。4 7 5 4 z 源网络参数不同时的仿真分析4 8 5 4 1 z 源网络电容不同时的仿真分析4 8 5 4 2z 源网络电感不同时的仿真分析4 9 5 5 三相z 源逆变器非正常工作状态仿真分析5 0 5 6 本章小结5 2 第6 章三相z 源逆变器的硬件电路设计及软件实现5 3 6 1 硬件电路设计5 3 6 1 1三相z 源逆变器主电路器件选择5 3 6 1 2 驱动电路5 4 6 1 3 缓冲电路5 5 6 2 控制系统软件实现5 6 6 2 1 软件实现总体结构。5 6 6 2 2 直通矢量分段s v p w m 控制策略的设计5 6 6 3 本章小结6 3 第7 章实验装置和实验波形6 5 v 7 1 实验装置。6 5 7 2 实验波形6 5 7 2 1m o s 管的控制脉冲波形6 5 7 2 2正常工作状态下的电压波形6 6 7 2 3 不同阻抗参数下的电压波形6 8 7 3 本章小结7 l 总结与展望7 2 参考文献7 4 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 9 致 射8 0 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 传统电压型逆变器的局限性 根据输入直流电源的性质，可以把逆变器分成电压型逆变器和电流型逆变器。相比 较而言，电压型逆变器应用更为广泛，因此本文主要讨论电压型逆变器。 电压型逆变器具有以下特点【1 】： 1 采用电压源，或并联较大的直流滤波电容作为其直流侧的电源。直流侧电压基本 无脉动，直流回路呈现低阻抗。 2 交流输出电压的波形与负载无关，不会随着负载功率因数的变化而变化，通过逆 变桥开关器件动作被直流电源钳位为方波。 3 在逆变器中，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通路，各逆变开关均并 联有反馈二极管。 4 输出电流的波形和相位随着负载的不同而不同，换流是在同一桥臂的上、下开关 器件之间进行的。 5 控制输出电压的幅值和波形，就可以控制逆变器的输出电压。 图1 1 所示为传统电压型逆变器的基本结构。逆变器主电路采用三相逆变桥，采用 诸如直流电容器、电网经不可控整流及滤波后的输出电压、光伏阵列、化学电池等直流 电压源向主电路供电，将直流电转换成交流电，供给交流负载使用。功率开关器件主要 采用门极可关断晶闸管( g t o ) 、绝缘栅极晶体管( i g b t ) 、电力场效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 、集成门极换流晶闸管( i g c t ) 。当逆变器交流侧为阻感性负载时，需要向电 源反馈无功能量。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变器各桥臂的功 率开关器件都需反并联反馈二极管。 直流电压洹；三相逆蛮矫 图1 - 1 传统电压型逆变器 f i g l 一1 t r a d i t i o n a lv o l t a g e - s o u r c ei n v e r t e r 第1 章绪论 虽然电压型逆变器应用广泛，但其自身也存在着一些局限性和不足【2 】，使得电力电 子装置在一些应用场合不仅造价高昂，而且效率低下。 1 电压型逆变器输出的交流电压的范围是有限的，只能低于其直流母线电压，因此， 它属于降压式逆变器。在一些直交功率变换的应用场合，输入的直流电压较低，可又 希望输出较高的交流电压以满足负载的需求，这样就不得不在输入直流电压源的后面额 外地增加一个d c d c 升压式斩波器，以提高输入直流电压。这个额外的升压式斩波器不 但增加了系统的复杂性，而且提高了系统的成本，降低了系统的变换效率。 2 若电压型逆变器的同一相上下两桥臂的开关器件同时导通，不仅会使直流侧电源 短路，而且会使其自身因过流而损坏，引起整个系统的崩溃。因此要采取“先断后通” 的方法，即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导 通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间，但这又会使得输出电压 波形产生畸变。由此可见，它的可靠性不高。 1 2z 源逆变器的提出 为了克服上述传统电压型逆变器的不足，国内外许多学者都在做不断的探索。美国 密西根州立大学的彭方正教授于2 0 0 2 年提出了新型的逆变器结构z 源逆变器，为 功率变换提供了新的思路和理论。z 源逆变器一般拓扑结构如图1 2 所示，它引入了一 个改进型的直流侧拓扑结构，在直流电源与逆变桥之间增加了一个由两个电容和两个电 感x 型交叉而成的对称阻抗网络，将直流电源与逆变器主电路相耦合【3 】。z 源逆变器既 可以作为电压型逆变器使用，也可以作为电流型逆变器使用，具有以下一些特点： 图1 - 2z 源逆变器一般拓扑结构 f i g l - 2 g e n e r a lt o p o l o g yc o n f i g u r a t i o no fz - s o u r c ei n v e r t e r 1 在电路结构方面 当z 源变换器作为电压型逆变器使用时，直流电源采用电压源，逆变器主电路和传 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 统的电压型逆变器相同，都是采用功率开关器件反并联二极管。 当z 源变换器作为电流型逆变器使用时，直流电源采用电流源，逆变器主电路和传 统的电流型逆变器相同，都是采用功率开关器件串联二极管。 2 在控制方法方面 由于电感上的电流不能发生突变，因此当z 源逆变器同一相上下两桥臂直通时，功 率开关器件不会像传统电压型逆变器那样因过流而烧毁。同理，由于电容上的电压不能 突变，因此当z 源逆变器同一相上下两桥臂开路时，功率开关器件不会像传统电流型逆 变器那样因过压而击穿。凭借其自身独特的拓扑结构，它可以工作在功率开关器件直通 或者开路的状态下，使得系统的可靠性得到了提高，并且依靠这个直通或者开路状态， 使得输出电压可以高于或者低于输入直流电压，实现升降压功能。功率开关器件的控制 信号不再需要插入死区时间或换流重叠时间，优化了输出电压电流的波形。 到目前为止，直流电源采用电压源的应用更为广泛，国内外也主要针对这种类型的 z 源逆变器进行研究，因此本文主要对z 源电压型逆变器进行讨论。在以下分析中，如 无特别说明，z 源逆变器均指z 源电压型逆变器。 1 3 z 源逆变器的研究现状及应用领域 自z 源逆变器2 0 0 2 年首次被提出以来，得到了广泛的重视和研究，大量的z 源逆变器 相关论文发表于国际权威期刊及会议上，并且安排了相关的专题讨论会。目前，国外对 z 源逆变器进行研究的主要机构有：密西根州立大学、南洋理工学院、釜山大学、俄亥 俄州立大学、新南威尔士大学、团纳西技术大学等。国内首先是由浙江大学开展这方面 的研究，随后合肥工大、西安交大、哈工大，南航等高校也相继加入到这个行列。迄今 为止，z 源逆变器相关的理论研究与实践应用得到了迅猛的发展，并取得了突破性的进 展和丰盛的成果，正朝着传统的无源逆变及新兴的回馈式有源逆变等传统电压型逆变器 的应用领域进军，并不断发展壮大。在这些应用领域，z 源逆变器和传统的电压型逆变 器相比，有着更加出众的性能表现。 1 在光伏发电系统中的应用1 4 随着人类社会的不断发展，太阳能并网发电技术得到了大规模的应用。但由于不同 地方不同时间光照强度的大小不同，因此太阳能电池板的电压大范围波动。z 源逆变器 具有独特的升降压功能，因此用它来代替传统的电压型逆变器，可以拓宽太阳能电池板 的电压输入范围，更好的实现最大功率点寻优控制( m p p t ) ，将太阳能电池板的电能并 3 第1 章绪论 入电网，并且功率开关器件无需死区时间，和传统的电压型光伏发电系统相比，并网电 流的波形好，谐波畸变率( t h d ) 小且可靠性高，电路结构也相对简单，如图1 3 p f i 示。 厂y 一、丫、 爹= ! l l - 图1 _ 3z 源逆变器光伏发电系统 f i g l - 3 z - s o u r c ei n v e r t e rp h o t o v o l t a i ep o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m 2 在电力传动系统中的应用【5 】 z 源逆变器供电的电力传动系统的结构如图1 - 4 所示，它主要包括以下三个部分：二 极管不可控整流、z 源网络、三相桥式逆变电路。 x 么j 厂1 j 一上 图1 - 4z 源电力传动系统 f i 9 1 - 4z - s o u r c ep o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m z 源逆变器电力传动系统和传统的电力传动系统相比，具有以下几方面的优越性： ( 1 ) 传统的电力传动系统采用的是传统的电压型逆变器，由于传统的电压型逆变 器是一种降压型逆变器，因此其输出电压低于输入的直流电压。假设输入三相交流3 8 0 v 线电压，经二极管不可控整流后的直流输出电压大约为5 1 0 v ，在线性调制范围内采用 s v p w m 算法逆变器输出的交流电压最大值大约为3 6 0 v 。用它为额定电压为3 8 0 v 的电动 机供电，电动机输出的功率就会降低，使其得不到充分的利用。 z 源逆变器电力传动系统中，不管输入的交流电压的大小，z 源逆变器输出的交流电 压均可以大于或者小于二极管不可控整流后的直流电压，得到期望的输出电压满足不同 负载的需求。 ( 2 ) 当输入电网电压产生跌落时，传统电力传动系统中直流环节电容器是一个相 对较小的储能元件，不能维持直流电压为一正常值，缺少电压渡越能力，使电力传动系 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 统工作中断。 z 源逆变器电力传动系统中，即使输入的电网电压产生跌落，z 源逆变器所具有的独 特的升压特性也可以维持逆变器的正常工作，不会影响电机的正常运行。 ( 3 ) z 源逆变器电力传动系统中，二极管不可控整流器前面的输入电容器和线路上 的电感配合，对输入的电流进行滤波，改善了电流谐波。当三相逆变桥工作于传统的工 作状态时，整流二极管的工作原理和传统的不可控整流相同；当三相逆变桥工作于直通 状态时，整流二极管都是关断的，输入电容器为输入电流提供了一个流通的环路，减小 了输入电感引起的浪涌电压。 3 在燃料电池系统中的应用【6 】 在继水力、火力和核能发电装置之后，燃料电池成为新兴的第四代发电装置。由于 燃料电池是将燃料的化学能直接转换为电能，没有复杂的中间过程，因此能量损失小、 发电效率高、清洁性好，在牵引系统拥有广阔的应用前景。z 源燃料电池牵引系统结构 如图1 5 所示。 f u e i g e l i 图1 - 5z 源燃料电池牵引系统 f i 9 1 5 z - s o u r c ef u e lc e l lt r a c t i o ns y s t e m 为了给负载提供一个足够高的电压，燃料电池通常都采用多个单体电池串并联的组 合形式。然而，燃料电池的输出电压受负载的影响很大。可z 源逆变器凭借其自身独特 的升压功能，即使负载电流较大引起燃料电池端电压产生较大跌落，输入逆变桥的直流 母线电压依然可以得到很好的控制。 1 4 本课题的选题意义及主要研究内容 1 4 1 本课题的选题意义 近年来，世界范围内由工业发展和人口激增引起的能源紧缺问题日益突出，环境污 染问题也日益严重，因此在做好节能降耗的同时，大力发展各种新能源发电系统，如风 5 第1 章绪论 力发电、光伏发电、燃料电池发电等显得尤为重要。但这类新能源发电系统的输出电压 随着环境和负载的变化呈现很大的波动。风力发电系统大部分采用永磁式风力发电机， 电压变化范围宽，这样就需要后级逆变器能够适应较大的电压波动。光伏发电系统中的 光伏电池在不同的光照条件和环境温度下会有不同的输出电压，也存在一个较大的波动 范围，为了通过逆变器得到一个稳定的交流电压，就需要逆变器具有升降压功能。燃 料电池的输出电压受负载的影响很大，也是存在波动的，同样需要后级逆变器能够适应 较大的电压波动。 新能源发电系统中广泛采用的是传统的电压型逆变器，但其自身存在着一些缺陷， 不具备升降压功能，不能适应输入电压的大范围波动，在这些应用场合存在着一定的 局限性。若要实现升降压功能，不得不额外地增加一级b u c k b o o s t 电路，构成两级式 的功率变换电路，结构复杂可靠性低。而将z 源逆变器应用于新能源发电系统中，能够 克服传统逆变器的不足，其自身独特的升降压功能使得在不增加一级功率变换电路的 基础上，就能够适应输入电压的大范围波动，且电路结构简洁可靠性高。 1 4 2 本课题的主要研究内容 z 源逆变器结构多样，有单相阻抗源逆变器、两电平三相阻抗源逆变器，三电平阻 抗源逆变器等。目前两电平三相阻抗源逆变器( 以下简称三相z 源逆变器) 应用更为广 泛，且其控制方法是其他多电平阻抗源逆变器的基础，因此本课题重点对其进行研究， 控制算法采用电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 法。主要研究内容如下： 1 研究三相z 源逆变器的基本电路拓扑及其工作原理、控制策略。 2 研究三相z 源逆变器的z 源网络的电感、电容参数设计。 3 研究三相z 源逆变器采用s v p w m 控制的空间矢量构成，确定参考矢量的位置， 进而确定合成它的矢量及其作用时间和作用顺序。 4 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，搭建采用s v p w m 控制的三相z 源逆变器系统，进 行相关的仿真研究。 5 设计硬件电路，选取合适的器件在实验室条件下搭建一套三相z 源逆变器系统， 利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片，设计软件控制算法对其进行控制。 6 实现系统软硬件联调，并对调试结果进行分析。 6 1 5 本章小结 本章首先介绍了传统电压型逆变器的基本结构及其局限性，由此提出了z 源逆变 器，分析了其相对于传统电压型逆变器的优越性，然后介绍了z 源逆变器的研究现状及 其应用领域，最后介绍了本课题的研究意义及主要研究内容。 7 第2 章三相z 源逆变器拓扑结构及工作原理 第2 章三相z 源逆变器拓扑结构及工作原理 2 1 三相z 源逆变器的基本结构及工作原理 2 1 1 三相z 源逆变器的基本结构 三相z 源逆变器的基本结构如图2 1 所示【7 1 ，它引入了一个改进型的直流侧拓扑结构， 在直流电源与逆变桥之间增加了一个由两个电容和两个电感x 型交叉而成的对称阻抗源 网络即z 源网络，将直流电源与逆变器主电路相耦合，这使得逆变桥臂可以瞬时短路即 直通，而三相z 源逆变器就是利用这种直通状态来实现升压的。 图2 - 1 三相z 源逆变器拓扑结构 f i 9 2 1 t o p o l o g yo ft h r e e - p h a s ez - s o u r c ei n v e r t e r 2 1 2 三相z 源逆变器的工作原理 定义功率开关器件的开关函数为： = l 瓯导通x = l 一6 & = o 关断x = l , - 6 这样三相z 源逆变器除了具有传统电压型逆变器的8 种开关状态外，还有7 种特殊 的开关状态，如表2 1 所示，一共有1 5 种允许的开关状态。 表2 - 1 三相z 源逆变器开关状态 t a b l e 2 - 1s w i t c hs t a t e so ft h r e e - p h a s ez - s o u r c ei n v e r t e r 开关状态s墨 岛瓯s最 有效矢量 l00 l o 0l0l 有效矢量蚝 010 ) 0l1ool 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 1 三相z 源逆变器开关状态( 续) 开关状态 s 墨墨瓯墨 是 有效矢量“5 0 0l o1o1lo 有效矢量“2 110 10l0ol 有效矢量 101 1o01lo 有效矢u 4 011 ) 01 lo1 o 传统零矢- 量- 1 1 7 111 ) 10l01o 传统零矢量“8 ooo ol 0l01 直通零矢量l 11x x x x 直通零矢量u 口2 x x 1l x x 直通零矢量甜跖3 x x x x 1l 直通零矢量扰盯4 l1ll xx 直通零矢量5 ll x x 11 直通零矢量“跖6 x x ll1l 直通零矢量7 lll1ll 附注1 ：表中“1 ”代表开关管导通，“0 ”代表开关管关断。 附注2 ：表中状态x 为“0 ”或“1 ”，x 与x 互补。 当输入直流电压加到交流负载上时，三相z 源逆变器具有6 个有效矢量；当交流负 载被上桥臂或下桥臂的三个功率开关器件短路时，三相z 源逆变器具有两个零矢量，这 两种情况和传统的电压型逆变器相同。然而，三相z 源逆变器还具有一个特殊的矢量， 即当逆变桥同一桥臂上下两个功率开关器件同时导通将负载短路时所具有的直通零矢 量，这在传统的电压型逆变器中因会损坏功率开关器件而被禁止。正是这一直通零矢量， 使得三相z 源逆变器具有独特的升压功能。 当三相z 源逆变器工作于6 个有效矢量时，逆变桥可以等效为一个电流源；当其工 9 第2 章三相z 源逆变器拓扑结构及工作原理 作于2 个传统零矢量时，逆变桥开路，可以等效为一个零值的电流源。因此，当三相z 源逆变器工作于8 种非直通零矢量时，逆变桥等效为一电流源，如图2 2 ( a ) 所示。当 逆变器工作于直通零矢量时，逆变桥直通，交流负载被短路，输入功率二极管截止，如 图2 2 ( b ) 所示【刀。 屯：屯： ( a ) 8 个非直通开关状态( b ) 直通开关状态 e i g h tn o ns h o o t - t h r o u g hs w i t c hs t a t e ss h o o t - t h r o u g hs w i t c hs t a t e s 图2 - 2 三相z 源逆变器等效电路 f i 9 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to ft h r e e - p h a s ez - s o u r c ei n v e r t e r 若电感厶和厶、电容c l 和c 2 分别具有相同的电感量和电容量，则z 源网络成为一 对称网络。由电路对称及等效电路，可以推导出稳态时有： - 2 z2 l ( 2 1 ) 铣i 2 u l 22 叱j 假设在一个开关周期e 内，三相z 源逆变器处于8 个非直通开关状态的时间为五，由 图2 2 ( a ) 可得： u 吮d 善lp 2 ，= ( 2 - 2 ) = 一吮= 2 一j 其中为输入直流电压。 三相z 源逆变器处于直通开关状态的时间为t o ，则由图2 - 2 ( b ) 可得： 蚝2 d = 吒+ = 2 。 ( 2 - 3 ) u i n = o j 正、瓦、五三者的关系为：正2 瓦+ 五 ( 2 - 4 ) 由电感的伏秒平衡原理可知，施加在电抗器上的电压在一个开关周期i 内的平均值 1 0 为0 。则由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可得： 将式( 2 5 ) 化简后得： 矾每丝半= 。 ( 2 - 5 ) 堡：土：立 互一t o 1 - 2 墨 乃 ( 2 6 ) 由此司见，电容电压是高于输入直流电压的。 将z 网络输出的电压在一个开关周期内求平均就可以得到输入逆变器的直流环节电 压的平均值： = 瓦= 互尘竖掣：乓：( 2 - 7 ) j i 一1 0 输入逆变器的直流环节电压峰值为： 砜一= 一乏乜一2 云葛= 红( 2 - 8 ) 舯： 2 志2 彘 p 9 ， l ： 由式( 2 9 ) 可以看出，是一个大于等于1 的数，我们称其为升压系数。 逆变器输出的相电压的峰值为： 一嘶竿( 2 - 1 0 ) 其中：m 为调制比。 联合式( 2 8 ) 和式( 2 1 0 ) 可得： 一哳 聊爿 传统电压型逆变器的输出相电压峰值就是式( 2 - 中的 聊争卜 由式( 2 1 1 ) 可得： 第2 章三相z 源逆变器拓扑结构及工作原理 ! 跨2 嗍= ( 2 - 1 2 ) 2 由式( 2 1 2 ) 可以看出，改变升一降压系数或电压增益，就可以增大或者减小逆 变器的输出电压，是由调制比m 和升压系数k 共同决定的。由式( 2 9 ) 可知，升压 系数可以通过改变直通状态的占空比d o = 瓦i 来调节。当输入直流电压小而同时需 要较大的交流输出电压时，就可以使 1 ，实现升压功能；当不需要升压功能时，使 = 1 ，这时就和传统的电压型逆变器输出电压一样。 通过上述公式推导及分析，我们可以看出：三相z 源逆变器独特的z 源网络使得逆变 桥臂可以瞬时短路，在不增加额外一级升压电路的基础上提高逆变器的输出电压，简化 了电路结构提高了电路效率，同时也避免了因加入死区而使得输出电压波形产生畸变， 克服了传统电压型逆变器的缺陷。 2 2 三相z 源逆变器的非正常工作状态 若电感厶和厶、电容c l 和c 2 分别具有相同的电感量和电容量，则z 源网络成为一对 誊釜1 1 3 一)甜l l2 蚝22 “ 【z 。 屯l2 屯22 屯 j 中的，通过提高，就可以提高逆变器输出的交流电压。但是，当三相z 源逆变器仍 t 作于传统8 种非直通开关状态，而式( 2 - 1 5 ) 中流过输入功率二极管的电流屯下降到零 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 于此种非正常工作状态的等效电路如图2 3 所示，由图可得： = 虬一吒( 2 - 1 6 ) 乙= 2 屯( 2 - 1 7 ) 三相z 源逆变器工作在有效矢量时的非正常工作状态的等效电路如图2 3 ( a ) 所示， 输入逆变器的直流环节电压由原来的2 虬一变为虬一蚝，由于蚝的大小是由式( 2 - 1 7 ) 中的t 的变化决定的，它是一个变值，所以虬一蚝也是一个变值，即输入逆变器的直流 环节电压是一个变值。又由于输入逆变器的电流乙在逆变器工作于有效矢量时是缓慢渐 增的，所以叱= 鲁是一个略大于零的数值，而正常工作状态时= 一，是一个 小于零的数值。 三相z 源逆变器工作在传统零矢量时的非正常工作状态的等效电路如图2 3 ( b ) 所 示，此时屯= o ，由式( 2 - 1 7 ) 可得屯= o ，电感电流断续，叱= 导= o ，由式( 2 1 6 ) 可 “ 知输入逆变器的直流环节电压也产生了变化，变为玑。但此时是传统零矢量状态，逆 变器输出的交流电压不会受输入逆变器的直流环节电压变化的影响。 通过上述分析，我们可以看到，当三相z 源逆变器工作在有效矢量的非正常工作状 态时，输入功率二极管的电流断续，使得输入逆变器的直流环节电压产生跌落，而影响 了逆变器输出的交流电压的质量，只有避免这种非正常工作状态，才能保证逆变器输出 高质量的交流电压。 ff一f一 屯2 l l 2 ( a ) 有效矢量( e f f e c t i v ev e c t o r s ) ( b ) 传统零矢量( t r a n d i t i o n a lz e r ov e c t o r s ) 图2 - 3 三相z 源逆变器工作在非正常状态时的等效电路 f i 9 2 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i to ft h r e e - p h a s ez - s o u r c ei n v e r t e rw o r k i n g a ta b n o m a lc o n d i t i o n 1 3 第2 章三相z 源逆变器拓扑结构及工作原理 2 3 克服非正常工作的主电路优化设计 从上述分析可以看出，要避免这种非正常工作状态，就必须使功率二极管在非直通 状态时不断流。如图2 4 所示，我们给功率二极管并联一个可控器件，对其施加控制信 号，使其在逆变器工作于直通零矢量时关断，工作在8 种非直通零矢量时导通。运用这 种方法，三相z 源逆变器就可以彻底避免非正常工作状态的产生。但其不足之处就是需 要额外增加一个可控器件及其控制信号。 2 4 本章小结 图2 4 三相z 源逆变器优化设计 f i 9 2 - 4o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h r e e - p h a s ez - s o u r c ei n v e r t e r 本章首先介绍了三相z 源逆变器的基本结构，其次分析了它的升压原理，然后分析 了它的一种非正常工作状态及其对逆变器输出交流电压的影响，最后介绍了一种主电路 的优化设计，避免非正常工作状态