（电气工程专业论文）quasiz源逆变器的分析与设计.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：i n v e r t e r ，a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ea d j u s t a b l es p e e dd r i v es y s t e m ，p l a y s ak e yr o l ei nt h ec o u r s eo fe n e r g yc o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o n h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a l i n v e r t e r s ( v s ia n dc s i ) h a v et h et h e o r e t i c a lb 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 ra b u c k ( v s i ) o rab o o s t ( c s i ) i n v e r t e r i no r d e rt or e q u i r eah i g h e ro rl o w e ro u t p u tv o l t a g e ， a na d d i t i o n a ld c d cc 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 i ) o rt ob u c kt h eo u t p u t v o l t a g e ( c s i ) i sn e e d e d ，w h i c hl o w e r s t h ee f f i c i e n c yo fs y s t e m w h a ti sm o r e ，i n v o l t a g e - s o u r c ei 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 d s i m u l t a n e o u s l yb ye m in o i s e ，w h i c hw o u l dd e s t r o yt h ec i r c u i ta n dd e c r e a s e t h e r e l i a b i l i t y t oa v o i dt h es h o o t - t h r o u g hs t a t e ，d e a db a n dh a st ob ep r o v i d e di nt h ec o n t r o l s t r a t e g y n e v e r t h e l e s s ，ad i s a d v a n t a g eo ft h ed e a db a n di st h a ti tc a r lb r i n gt h ew a v e f o r m d i s t o r t i o n c s ia l s oh a ss o m es i m i l a rl i m i t a t i o n s i no r d e rt oo v e r c o m et h ep r o b l e m so ft h et r a d i t i o n a li n v e r t e r , an e wt y p ei n v e r t e r n a m e dq u a s i z s o u r c ei n v e r t e rw a sp r e s e n t e d i tm a k e st h es h o o t - t h r o u g hs t a t ep o s s i b l e b ye m p l o y i n gau 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 ) a n dt h i su n i q u ei m p e d a n c e n e t w o r ka l l o w st h eq u a s i z s o u r c ei n v e r t e rt ob u c ka n db o o s ti t so u t p u tv o l t a g e i nt h i st h e s i s ，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 eq u a s i z - s o u r c ei n v e r t e r a r ed e s c r i b e df i r s t l y a n di t sz n e t w o r kp a r a m e t e rd e s i g ni sa n a l y z e di nd e t a i l an e w p w mc o n t r o l s t r a t e g y - - - - - - c o n s t a n ts h o o t - t h r o u g h v e c t o rc u r r e n tt r a i lc o n t r o li s m o d i f i e df o rq u a s i z s o u r c ei sp r e s e n t e di n t h i st h e s i s b a s e do nt h ea n a l y s i so fi t s m a t h e m a t i c a lm o d e l ，ad c l i n kv o l t a g ec o n t r o l l e rf o rq u a s i - z - s o u r c ei n v e r t e rh a sb e e n i n t r o d u c e d t h ea p p l i c a t i o no fq u a s i z s o u r c ei n v e r t e ri na d j u s t a b l es p e e dd r i v es y s t e m i sa n a l y z e d a tl a s t ，t h ev a l i d i t yo ft h e o r e t i c a la n a l y s i si sv e r i f i e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：q u a s i z s o u r c ei n v e r t e r ；z n e t w o r k ；s h o o t t h r o u g hv e c t o r ；s m a l ls i g n a l m o d e l ；a d j u s t a b l es p e e dd r i v es y s t e m c l a s s n o ：t m 4 6 4 v 1 1 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：加7 年月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：歹绝 群隅加胪移 导师签名 签字吼叫年月名日 致谢 本论文的工作是在我的导师葛宝明教授的悉心指导下完成的，葛老师无论是 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。葛老师渊博的知 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，给我留下了 深刻的印象，令我受益匪浅，敬佩不己。在此衷心感谢两年来葛老师对我的关心 和指导。 张奕黄老师、方进老师和施洪生老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作， 在学习和生活上给予了我很大的关心和帮助，并对我的科研工作和论文提出了许 多的宝贵意见，在此向三位老师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李倬、郑立纹、秦春江、王云等同学对我论 文中的问题以及我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也要感谢我的父母和姐姐，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 引言 1 引言 1 1 传统三相逆变器的局限性 三相逆变器作为交流供电电源的主体部分，在办公自动化、医药、通讯及国 防等各个方面发挥着极其重要的作用。目前，三相逆变器广泛应用于电机驱动、 交流不问断电源( u p s ) 、感应加热、交流电源、有源滤波器( a p f ) 、静止无功补 偿器和静止无功发生器等场合i l 】。 传统的三相逆变器有两种基本拓扑：电压源( v s i ) 币i 电流源型( c s i ) 。电压源逆 变器的典型应用场合有：交流电动机驱动、交流不问断电源( u p s ) 、电池、光伏电 池组或燃料电池构成的分布式交流电源、静态无功发生器( s v g ) 或静止无功补偿器 ( s v c ) 和有源滤波( a p f ) 等。电流源逆变器的典型应用场合有：大功率感应电机和 同步电机的速度控制、绕线磁极式同步电动机的变频启动、高频感应加热、工直流 电动机传动、s v c 和a p f 等。这两种类型的逆变器由于自身拓扑的特点都存在着 各自和共同的局限性，在许多实际应用场合造成装置造价高，效率低。 传统的电压源逆变器和电流源逆变器存在下述共同的不足： ( 1 ) 它们或是升压型，或是降压型逆变器，而不可能是升降压型逆变器。也 就是说，它们可得到的输出电压范围是有限的，或低于或高于输入电压。 ( 2 ) 它们的主电路不能互换，换句话说，没有一个电压源逆变器主电路可用 于电流源逆变器，反之依然。 ( 3 ) 它们的抗电磁干扰能力都不强，逆变器容易因为误触发而损坏。 1 2 z 源逆变器和q u a s i z 源逆变器的提出 1 2 1z 源逆变器 为了克服传统电压源逆变器和电流源逆变器的理论缺陷，2 0 0 2 年美国密西根 州立大学的彭方正教授提出了一种新型的逆变器z 源逆变器【2 1 。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 变桥与电源耦合，其拓扑结构如图1 1 所示。 北京交通人学硕士学位论文 接 a c 负载 图卜1z 源逆变器基本拓扑结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo fz s o u r c ei n v e r t e r 与常规的逆变器相比，z 源逆变器无需前级的b o o s t 或者b u c k 电路，增加了 一个包含电感三1 、2 和电容器c l 、c 2 的z 网络，将变换器和负载耦合在一起。 分析表明，z 源逆变器通过电感和电容的跨接可以允许后面桥路上下开关管的直 通，直通状态的插入与否和插入时间长短，加上调制比的组合，使得理论上z 源 逆变器的输出电压可以为任意值，而实际中由于电路器件非理想特性和控制方法 的限制使得输出电压并不能达到任意值。 z 源逆变器的特点为： ( 1 ) z 源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。直流电源可以为如电 池、二极管整流器、燃料电池堆、电感、电容或它们的组合。 ( 2 ) z 源逆变器的主电路既可为电压源结构，也可为电流源结构，开关可以 是开关器件和二极管反并联或串联组合。 ( 3 ) z 源逆变器的负载可为电感性或电容性。 ( 4 ) 输出电压可以高于或低于输入电压，非常灵活。 ( 5 ) 开关管的控制无需加入死区时间，而且由于允许上下开关管直通，提高 了系统的可靠性和电磁兼容性。 ( 6 ) z 源逆变器的应用前景广泛，它可用在燃料电池、电机驱动系统、光伏、 风力并网发电系统以及其他分布式发电系统。 1 2 2 q u a s i z 源逆变器 2 0 0 8 年6 月，彭方j 下教授和他的学生在常规z 源逆变器的基础上又提出了另 一种新型的逆变器q u 撕z 源逆变器【3 1 ，如图1 - 2 所示为彭方正教授提出的四 种q u a s i z 源逆变器中的一种，本文也主要是针对这种q u a s i - z 源逆变器进行分析 和设计，后文中出现的q u a s i z 源逆变器如无特别说明都是指的图1 2 中所示的这 种逆变器。 2 引言 z 网络 c 1i i l 1 i i 厂、y _ 、，_ 、厂y 、广y 、 、 = j b 一- l 2 i i l d$ 1s 3s 5 前 c 2 、 、 l f ，一y 、r 、一 、，一一 ，、，、，- 、1 i二 。v i n v d c ，y 、r 、 ii一。 、 、 儿上7 s 4 s 6 s 2 rt t t 接 a c 负载 c f 图1 2q u a s i z 源逆变器基本拓扑 f i g 1 2s t r u c t u r eo f q u a s i - z s o u r c ei n v e r t e r q u a s i z 源逆变器和z 源逆变器的基本原理大致相同，都是利用在传统的零矢 量中加入直通零矢量来实现升压的。理论上来说，对于z 源逆变器的各种控制方 法和应用，都可以用到q u a s i z 源逆变器上来。文献 3 对q u a s i - z 源逆变器和z 源 逆变器各方面的性能作了比较分析，总结出了q u a s i z 源逆变器的特点：q u a s i z 源逆变器不仅具有z 源逆变器的各种优点，而且与z 源逆变器相比逆变器中无源 器件的电压电流额定值更低，开关器件的电压应力更小。因此，q u a s i z 源逆变器 将具有更广阔的应用前景。 1 3 z 源逆变器和q u a s i z 源逆变器的研究现状 z 源逆变器拓扑和q u a s i z 源逆变器拓扑分别于2 0 0 2 年和2 0 0 8 年提出来后， 作为两种全新的拓扑得到了业界的广泛关注。由于q u a s i z 源逆变器提出的较晚， 目前只有少量的文献介绍了q u a s i z 源逆变器的结构原理【4 】以及其在光伏发电系统 中的应用【5 】【6 1 。大量的文献都集中在对z 源逆变器的研究上。 由于z 源逆变器的升降压是通过加在传统零矢量中的直通零矢量来实现的， 所以起初的研究主要集中在如何在相同的零电压状态( 调制因子相同) 下得到最 大的升压范围，从而降低逆变器的电压应力。文献 7 最先提出了z 源逆变器的一 种简单控制策略恒定直通零矢量控制，在控制中把恒定的直通零矢量直接加 在传统零矢量里面，由于逆变器输出结果只与有效矢量有关，所以，加入的直通 零矢量对逆变器输出没有影响。后来又陆续提出了很多相似的控制策略，如最大 化直通零矢量控制【8 】【9 1 、恒开关频率直通零矢量控制【l o 】、直通零矢量常占空比最大 化控制【1 1 】等，其中直通零矢量常占空比最大化控制又包含了直通调制信号改造法 和s p w m 谐波注入法。尽管控制方法有所不同，但它们都是在满足升压条件的基 础上得到尽可能大的逆变器调制因子，从而减小谐波含量。 北京交通人学硕七学位论文 为了研究系统的动态性能和直流链升压电路控制器的设计，文献【1 2 1 3 建立 了基于z 源逆变器的z 网络小信号模型，为z 源逆变器动态响应的研究和控制器 的设计提供了数学依据。此后，分别控制直流链升压电路和逆变器电路的多环控 制策略得到了重视【1 4 07 1 ，闭环系统有利于提高系统的动态响应和抗各种干扰的能 力。空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制能够提高逆变器的直流电压利用率，文献 1 8 1 9 研究了空间矢量p w m 在z 源逆变器控制系统的应用，该方法计算简单、直流电 压利用率比s p w m 高1 5 4 。 作为一种通用变流器拓扑，z 源逆变器的z 网络可以应用到各种变流器中， 从拓扑的角度文献 2 0 2 3 研究了包括a c a c ，d c d c ，a c d c 在内的各种z 源变 流器。在不同的拓扑中能够得到不同的特点：电流型z 源逆变器能够实现任意的 升降压，逆变桥可以开路，安全性得到提高；z 源整流器除了具有传统p w m 整 流器的网侧电流正弦化，单位功率因数运行，功率的双向流动等优点外，升降压 功能和系统安全性相应的得到了提高。文献 2 4 2 5 提出了基于p w m 的z 源交流 调压电路，并对其工作原理、工作状态和各部分升降压关系进行了定量的推导和 分析。考虑到有源器件的电压应力和改善输出电压的波形，文献【2 6 研究了z 源中 点嵌位三电平逆变器，并取得了预期的效果。 在z 源逆变器的具体应用方面，很多文献进行了研究：( 1 ) 文献 2 7 2 8 介绍了 z 源逆变器在燃料电池供电系统的混合动力方面的应用，取得很好的性能，能够克 服燃料电池输出直流电压大范围变化带来的影响，是单级电路，控制简单，效率 高，同时安全性能也得到了大幅度的提高；( 2 ) 交流调速系统( a s d ) 由于电网电压的 跌落而容易造成系统工作的中断和瘫痪，为了抑制电压跌落对系统造成的危害， 通常情况下增加一级电路来实现升压功能以承受电网电压跌落，此时，系统结构 复杂，增加了系统硬件。作为一级电路的z 源逆变器在交流调速系统中能够承受 电网电压跌落，同时具有改善网侧电流波形的能力f 2 9 】【3 0 1 。基于p w m 的z 源交流 调压电路在交流调速中也有一定的优势【3 1 1 ；( 3 ) z 源逆变器在分布式发电系统( d o ) 中作为功率调节环节( p c s ) 能够适应各种大范围变动的电源电压【3 2 0 5 1 ，同时，降低 了逆变器的功率等级和电源的电压等级。对系统的低成本、高安全性、控制方面 有很大的优势【3 6 - 3 8 】。 q u a s i z 源逆变器不仅具有z 源逆变器的各种优点，而且还有z 源逆变器所没 有的优秀性能，因此，q u a s i z 源逆变器比z 源逆变器具有更广阔的应用前景。目 前，由于时间的关系，报道q u a s i z 源逆变器的文献非常有限，急切需要对其进行 深入研究，以加速其应用进程。 1 4 本文的选题意义和工作内容 4 引言 1 4 1 本文的选题意义 近年来，传统电压源逆变器和电流源逆变器拓扑在各种场合都得到了广泛的 应用，且控制技术也己经非常成熟，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，传统的电压源和电流源逆变器受到了挑战，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q u a s i z 源逆变器拓扑，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已取得 了重大突破，而q u a s i z 源逆变器的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q u a s i 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 本文主要研究内容 本文对q u a s i z 源逆变器进行了深入的分析和研究，研究的内容主要包括以下 几点： ( 1 ) 详细分析了q u a s i z 源逆变器的工作原理，以及可能出现的一种非正常 工作状态，并给出了解决方法。 ( 2 ) 对q u a s i z 源逆变器z 网络的各种参数进行了系统分析，并提出了有效 的设计方法。 ( 3 ) 针对q u a s i z 源逆变器提出了一种新的p w m 调制策略一匾定直通电 流追踪型p w m 控制，并详细分析了这种控制方法的优缺点。 ( 4 ) 针对q u a s i z 源逆变器的z 网络提出了两种不同的模型，并对这两种模 型进行了仿真验证和比较分析。 ( 5 ) 根据q u a s i z 源逆变器的小信号模型，设计了q u a s i z 源逆变器的直流 母线电压控制系统，并通过仿真验证了该控制系统的有效性。 ( 6 ) 设计了两种基于q u a s i z 源逆变器的变频调速系统恒压频比控制系 统和矢量控制系统，并通过仿真验证了两种控制系统的有效性。 5 北京交通人学硕十学位论文 2 新型逆变器q u a s i z 源逆变器 本章介绍q u a s i z 源逆变器的工作原理，以及q u a s i z 源逆变器独特的升压功 能，接着分析了q u a s i - z 源逆变器在工作时可能出现的一种非正常工作状态，并给 出了解决方法。 2 1 q u a s i z 源逆变器的工作原理 q u a s i z 源逆变器是一种加入了独特的z 网络的变换拓扑，如图1 2 。其直流 缓冲和储能电路结合了电压源逆变器和电流源逆变器的特点，由独特的阻抗网络 组成，这样使得q u a s i z 源逆变器具有二阶特性，具有电压源逆变器和电流源逆变 器所没有的独特特性，克服了常规型逆变器的不足。 在常规电压源逆变器中，只有8 个有效的开关状态或矢量，当输入直流电压 加到负载上时，这时传统的三相电压源逆变器具有6 个非零矢量，即有效矢量； 当负载端分别被上桥臂或下桥臂的三个器件短路时，这时三相电压源逆变器有2 个零电压矢量，即零矢量。因为开关管桥臂上侧管与下侧管同时导通的直通开关 模式会引起直流侧电容短路，因此，此状态被禁止。而在q u a s i z 源逆变器中，独 特的阻抗源特性允许此直通短路状态发生并使得q u a s i z 源逆变器具有独特的工 作特性，它具有9 个允许的开关状态或矢量，增加的短路零电压矢量为三相逆变 器提供了独特的升降压特性【。7 1 。 为了分析的简便，假设q u a s i z 源逆变器的z 网络为对称网络，即： q z l - z 2 三 协， 同时，可将三相逆变器等效成一恒定的电流源儿a d 。图2 1 给出了q u a s i z 源 逆变器的等效电路图。稳态时，由电路的对称性，有 图2 - 1q u a s i z 源逆变器的等效电路 f i g 2 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i to fq u a s i z s o u r c ei n v e r t e r 6 卜 新犁逆变器q u a s i z 源逆变器 v l 。i ：= v l 2 ：- ：- v l ( 2 也) q u a s i z 源逆变器的运行模式分为两种情况： ( 1 ) 当q u a s i z 源逆变器工作在直通矢量状态时，电容放电，电源和电容同时 为电感充电，二极管d 承受反压截止，其等效电路如图2 2 ( a ) 所示。若一个开 关周期珏中直通状态运行时间为乃，期问有 圪= + v l ，c = 0 ( 2 3 ) 其中，k n ，v d c 分别为z 网络的直流输入电压和直流母线电压。 兰兰 ( a ) 直通状态( b ) 非直通状态 图2 - 2q u a s i - z 源逆变器的两种运行模式 f i g 2 2t w oo p e r a t i o nm o d eo fq u a s i z s o b i c ci n v e r t e r ( 2 ) 当q u a s i z 源逆变器工作在非直通矢量状态时，电感放电，电源和电感同 时为负载和电容供电，二极管d 正向导通，其等效电路如图2 - 2 ( b ) 所示。若一 个开关周期珏中非直通状态运行时间为乃，且t l = t s t o 。同理，由图可得 圪= 屹，k 。= 2 + c ( 2 4 ) 由于在一个开关周期中，电感两端的平均电压在稳态下必然为零，由式( 2 - 3 ) 、 ( 2 4 ) 可得 ：访：亟二型墨型：0 ( 2 5 ) 。 五 即 圪= 去+ 圪= 雨d o 吃 ( 2 1 6 ) 加在逆变桥的直流母线电压峰值为 v d c = 吃一2 2 击弘一v d o c2 面1 圪以吃 ( 2 _ 7 ) 其中曰：l 1 互一r o ( 2 8 ) b 是由直通零矢量状态得到的升压因子，另一方面，逆变器输出相电压的峰值可以 表示为 移：聊一v d c ( 2 9 ) 2 聊t 。z 。9 7 北京交通人学硕十学伉论文 其中m 为逆变器的调制因数。对于正弦脉宽调制( s p w m ) ，m l ，对于空间矢 量p w m 控制，m 2 3 。应用公式( 2 7 ) ，公式( 2 9 ) 可进一步表示为 驴枷每 像1 0 ) 公式( 2 1 0 ) 表明：通过调节直通零电压矢量的时间瓦，即选择合适的升降压因子g ， 输出电压就可以升高和降低。 未：g ：m b ：( o o o ) ( 2 1 1 )j ! l = = = ( o o o )( 2 1 1 ) ( 一2 ) 、 升降压因子g 是由调制因数m 和升压因子b 共同决定的。理论上，只要选择合 适的调制因数m 和升压因子b ，就可以得到任何想要的输出电压，与常规的逆变器 相比，扩大了整个系统的变换范围，适用于更多的应用场合。器件所需要的额定 电压主要由期望的输出电压来决定。另外，两个直流电感l 1 、l 2 可以通过铁心以 变压器的形式进行耦合。它们所需要的电感量由开关频率所决定，而不是由输出 交流电压频率所决定，通过提高开关频率可以使所需的电感量减小。 从上述理论分析可以看出：q u a s i z 源逆变器的输出电压可以根据需要升高和 降低，避免了因加入死区而引起的波形畸变和调制度的下降，并使三相逆变器可 以承受瞬时短路。而传统的电压源或电流源逆变器不能得到这样的特性。 另外，q u a s i z 源逆变器独特的z 网络为逆变器主电路根据需要升压或降压提 供了一种机制，它允许瞬时丌路和短路。不需要额外的中间升压级电路，有利于 节省成本和提高电路效率。 尽管q u a s i z 源逆变器与z 源逆变器有很多相似的地方，比如说他们的升降 压因子g 是相同的，他们的控制方法也是一样的，但从式( 2 6 ) 可以看出，q u a s i z 源逆变器与z 源逆变器相比z 网络中无源器件的电压电流等级更低，因而逆变桥 丌关器件的电压应力将更小【5 】。因此，在电源电压波动很大的场合( 燃料电池、光 伏电池) 以及电网电压跌落较大的环境( 交流调速系统) 中，q u a s i z 源逆变器都 可以代替z 源逆变器来使用。 正是由于q u a s i z 源逆变器不仅具有z 源逆变器的各种优点，而且还有z 源 逆变器所没有的优秀性能，需要对其进行更深入的研究。本文在接下来的章节中， 将全面分析o u a s i z 源逆变器各方面的性能，对它的控制方法，z 网络的设计，以 及它的应用都是本文的分析重点。 2 2 q u a s i z 源逆变器的一种非正常工作状态 当q u a s i z 源逆变器z 网络中的电感量较小、所带负载较轻或者功率因数较小 新型逆变器q l l a s i - z 源逆变器 时，q u a s i z 源逆变器也会出现一种和z 源逆变器相似的非j 下常工作状态【3 9 】，它只 出现在q u a s i z 源逆变器的非直通状态中，将极大地影响q u a s i z 源逆变器的工作 性能。 q u a s i z 源逆变器主电路的电容c l 、c 2 和电感1 、2 分别具有相同的电容量 和电感量，z 网络为对称网络，根据对称性和等效电路图2 1 ，有式( 2 4 ) 和下式 成立 t = l ：= t ( 2 1 2 ) 图2 2 ( b ) 中，即三相逆变桥处在有效矢量或传统零矢量时，电路中电压和 电流有以下关系 c = 圪一2 v c ，i o = 2 i l i o ( 2 1 3 ) 当逆变桥处在有效矢量时，逆变桥的直流输入电压为式( 2 1 3 ) 中的c ，它保证 着交流输出电压的质量，q u a s i - z 源逆变器也正是通过提高c 而获得更高的输出 交流电压的。但是，如果电路在图2 2 ( b ) 工作状态中，当二极管d 的电流下降 到零时，即式( 2 1 3 ) 中的小于等于零时，该状态将改变而极大的影响输出交流 电压的质量。图2 3 所示为二极管d 电流断续后q u a s i z 源逆变器处于有效矢量和 传统零矢量状态时的等效电路。此刻电路中电压和电流关系为 c = 吃一v c 一屹，i o = 2 i l ( 2 - 1 4 ) v r lv c l ( a ) 逆变桥处于有效矢量( b ) 逆变桥处于传统零矢量 图2 3q u a s i - z 源逆变器在非正常工作状态时的等效电路 f i g 2 3e q u i v a l e n tc i r c u i to f q u a s i - z s o u r c ei n v e r t e rw h e n i tw o r k sa b n o r m a l l y 图2 3 ( a ) 所示为逆变桥在有效矢量时二极管d 电流断续时的等效电路，此 时逆变桥直流母线电压f 发生变化，因为v l 由原来的1 ，：= v c 变为一个不确定的数 值，其大小由式( 2 1 4 ) 中的t 的变化决定。由于在有效矢量时逆变桥输入电流乇 是一个缓慢渐增的电流，所以，实际是一个略大于零的数值。 图2 3 ( b ) 所示为逆变桥在传统零矢量时二极管d 电流断续的等效电路，此 时逆变桥输入的直流电压同样要发生变化，且由于i o = 0 ，所以f ，= 0 ，即电感电流 断续。而v ，也为零，但是此时是零矢量状态，逆变桥输入直流电压的变化并不影 9 北京交通大学硕士学位论文 响输出的交流电压。 图2 4 为z 网络二极管d 电流断续时q u a s i - z 源逆变器的输出直流母线电压 c 及二极管电流厶的波形。可以看到图2 - 4 中由于二极管d 的电流断续，而致使 逆变桥在有效矢量时的输入直流电压有跌落的现象，这会极大地影响逆变器输出 交流电压的质量。 o 凸 _ z i - z_ z 。歹 _ zi 7 一 llzlzllzlll t ( s j 图2 - 4q u a s i - z 源逆变器非正常工作时逆变桥输入电压和二二极管电流波形 f i g 2 - 4t h ew a v e f o r m s o ft h ei n p u tv o l t a g eo ft h ei n v e r t e ra n dt h edc u r r e n t w h e nt h ez - s o u r c ei n v e r t e rw o r k sa b n o r m a l l y 由上述分析可知如图2 0 所示的非正常工作的电路状态必须要避免发生，才能 保证输出交流电压的高质量，为避免这种非正常工作状态的发生，有2 种解决方 法可供使用： 一种方法是尽可能的提高z 网络电感的值，让其满足 l 皇9 兰噔i ( 2 1 5 ) 2 f s l 0 ( 2 d o 一1 ) i2 4 3 u oc o s 0 4 2 v , ) 式( 2 1 5 ) 在下一章中会给出推导公式，但电感太大又会导致损耗、体积和重量的 增加，同时，电感值过大也使得z 网络暂态响应的负调现象更加明显。而且电感 值过大也不一定就能完全避免这种非正常工作状态的发生，与负载的轻重也有一 定的关系。 另一种解决方法是与二极管d 并一个可控器件，控制其在短路零矢量期间关 断，在非短路零矢量期间导通，如图2 5 所示。运用这种方法可以彻底解决可能存 在非正常工作状态的问题，即不必满足式( 2 1 5 ) ，q u a s i z 源逆变器也一定不会 出现非正常工作状态。但其缺点是需要增加一个可控器件，增加了系统的复杂度。 1 0 新型逆变器- q 1 1 a s i - z 源逆变器 c f 图2 5 二极管d 并联一个可控器中l ：后的q u a s i - z 源逆变器 f i g 2 - 5t h eq u a s i z s o u r c ei n v e r t e rw h e nd c o n n e c t sac o n t r o l l a b l es w i t c h 北京交通大学硕+ 学位论文 3 q u a s i z 源逆变器主电路的设计 作为一种新型拓扑的逆变器，尤其是加入了独特的z 网络，q u a s i z 源逆变器 的设计也是研究的重点，本章主要对q u a s i z 源逆变器的z 网络的各种参数进行了 系统的分析并提出了详细的设计方法。 3 1z 网络电容的设计 前面分析，正是由于z 网络的存在，才使得q u a s i z 源逆变器具有了一些传统 逆变器所没有的新特性，因此对整个z 网络的参数设计至关重要，它将直接影响 到逆变器工作时的性能。z 网络由两个等值电感和两个等值电容组成，当q u a s i z 源逆变器插入直通零矢量升压时，输入直流电压先升压至z 网络中的电容电压， 再由电容电压升压至有效矢量时间内逆变桥母线电压，所以z 网络的电容电压质 量直接关联到q u a s i z 源逆变器输出交流电压的质量。一方面，在q u a s i z 源逆变 系统当中，通常都要使z 网络电容电压具有良好的抗扰性，因此，电容的取值要 尽可能的大，同时为了尽可能地削弱z 网络控制输出的非最小相位特性所引起的 暂态响应负调现象，z 网络的电容也要取得大一些；而另一方面，考虑到实际工程 的安装、成本、损耗等条件的制约，设计电容在满足系统抗扰性的基础上，又要 尽量减小电容容量。 z 网络电容上的直流电压值是由输出交流电压要求的，如果输出交流电压要求 高，则该电容上的直流电压也高。由式( 2 6 ) 和式( 2 8 ) 可得稳态时z 网络的电 容电压诈为 圪= 2 d o d o i = ( 三一j 1b ( 3 1 ) 。 2 d n 一1 ”1 22 厂” 可见，其电容上的电压不仅和输入直流电压圪有关，还和升压因子b 成反比，而 升压因子b 的大小则是由实际系统工作时的状态来决定的。 如图2 2 ( a ) 和图2 2 ( b ) 所示，q u a s i z 源逆变器在一个开关周期内具有两 个状态：在图2 2 ( a ) 中z 网络的电容充电，在图2 2 ( b ) 中z 网络的电容放电， 所以可以通过式( 3 2 ) 来对z 网络的电容进行设计。 c ：i c d t( 3 2 ) d v c 而电容电流f c 在一个开关周期r s 内并不是恒定的，需分段讨论： 1 当q u a s i z 源逆变器工作在直通状态时，根据图2 2 ( a ) 有 i c = i l ( 3 3 ) 1 2 q u a s i z 源逆变器主电路的设计 兰 鳖汪乏二h 图3 - 1 恒定直通零欠量控制下的电容电压高次谐波 f i g 3 - 1t h eh i g h f r e q u e n c yh a r m o n i co fc a p a c i t a n c ev o l t a g ew h e nt h eq u a s i - z s o u r c e i n v e r t e ru s e sc o n s t a n ts h o o t - t h r o u g hc o n t r o l 可见，采用这种调制策略，z 网络上电容电压的脉动频率将是系统开关频率的 2 倍，同时为了分析的简便，只考虑z 网络电容电压在直通状态和非直通状态下的 高次电压纹波变化相等的情况。容易得到 d r = 0 0 5 五- = 鲁 ( 3 5 ) 若给定z 网络电容电压的平均纹波琢为 圪a ( 3 - 6 ) 式中a 为电容电压的纹波系数。结合式( 3 2 ) 、式( 3 5 ) 以及式( 3 6 ) ，可得电 容的设计公式如式( 3 7 ) 所示。 c 正：垒生( 3 7 ) 2 口石a ( 1 一b ) 石 3 2z 网络电感的设计 z 网络的电感在直通状态中储能，而在非直通状态中起到释放电能的作用。如 果z 网络电感的感量太小，储能不够，就会出现非直通状态下的断续电流模式， 使得q u a s i - z 源逆变器从原有的连续状态进入断续状态，增加了系统控制的复杂 度，而且这种断续电流模式也将使逆变桥母线电压产生畸变，从而影响到输出电 北京交通人学硕十学位论文 压的质量。考虑到z 网络的电感是直流电感，且电感电流的大小直接和直通状态 下开关管的电流应力有关，因此在设计时对直流电感上的电流纹波f ，加以控制也 是必要的。因此，从可靠、安全和抑制z 网络电感电流纹波等因素考虑，应选择 足够大的电感。但是，从工程设计的角度出发，电感的增大会导致损耗、体积和 重量的增加，同时，电感值过大也使得z 网络暂态响应的负调现象更加明显。因 此，设计z 网络电感的原则为在满足运行特性及稳定性的基础上尽量减小z 源电 感的取值。 3 2 1基于电流纹波的z 网络电感设计 l ：- 7 = x 3 u o 可l o c o s 0 ( 3 9 ) 兰逢高： 图3 - 2 恒定直通零矢量控制下的电感电流高次谐波 f i g 3 - 2t h e h i g h f r e q u e n c yh a r m o n i co fi n d u c t a n c ec u r r e n tw h e nt h eq u a s i - z - s o u r c e ” i n v e r t e ru s e sc o n s t a n ts h o o t - t h r o u g hc o n t r o l 当系统工作在直通状态时，z 网络电感充电，电感电流上升；在非直通状态时， z 网络电感放电，电感电流下降。故可以按照和设计z 网络电容一样的方法来给 定z 网络电感上允许的电流纹波越，的大小。如图3 2 所示，若给定 a l b i ， ( 3 1 0 ) 1 4 q u a s i z 源逆变器主电路的设计 式中的b 为电感电流的纹波系数。且电感可表示为 l ：v l d _ _ t t( 3 11 ) d i l 当系统的开关频率足够高时，在直通状态下电感上的压降为 v l = 一 ( 3 1 2 ) 当采用恒定直通零矢量调制策略时，综合式( 3 5 ) 、( 3 9 ) ( 3 1 2 ) 可得z 网络 电感量的选取应满足 三；垒! 垒二! 蛭( 3 - 1 3 ) 2 3 b u o 0c o so f s ( 2 d o 一1 ) 3 2 2 基于非谐振网络的z 网络电感设计 以上从电感电流纹波设计的角度分析了z 网络电感应满足的条件。其次，在 对z 网络进行分析时，电感电流、电容电压都是基于稳态的恒定直流量，即必须 是非谐振情况。因此，z 网络电感也要满足非谐振取值的条件，即有z 网络的谐 振频率厶要小于逆变器的开关频率五( 矗= 1 瓦) ，故有 六2 熹赢 百丽1 坤 4 兀2 代c 3 2 3 基于连续电流模式的z 网络电感设计 此外还需要注意的是，与z 网络电容设计的不同，z 网络电感的设计还要考 虑非直通状态下断续电流模式对整个逆变器的影响。要避免该断续电流模式发生 的条件，即系统在非直通状态下的二极管电流易不断续的条件为 ； f ， t o( 3 1 6 ) - 2 由上式可以知道，q u a s i z 源逆变器是不能工作在电感电流断续的条件下的，如果 电感电流f ，的波形如图3 2 为三角波，式( 3 1 6 ) 则可变为 t 。i n = 乏一等 导 ( 3 1 7 ) 二 二 当采用恒定直通零矢量调制策略时，由式( 3 5 ) 、式( 3 1 1 ) 及式( 3 1 2 ) 可得 f ，：d o ( d o - 1 ) z , n( 3 1 8 ) 2 ( 2 d o 一1 ) f s l 北京交通大学硕士学位论文 将式( 3 9 ) 、式( 3 1 8 ) 代入式( 3 1 7 ) ，可得 f x 3 u o i oc o s 0 一垫1 d o ( d o - 1 ) v i ( 3 - 1 9 ) i圪 2 j 4 ( 2 d o 一1 ) l 可见，在电路参数满足式( 3 1 9 ) 的条件下，在非直通状态期间不会出现断续电流 模式。需要注意的是，由式( 3 1 9 ) 计算出来的电感取值范围，必须也应满足 3 u o i oc o s 0 一亟 o ( 3 2 0 ) v i n 2 否则式( 3 1 9 ) 中的即使再大，也不能保证二极管电流不会发生断续的情况。 通过式( 3 1 9 ) 可以算得在连续电流模式下z 网络电感的选取应满足 掣生型2 1 ( 3 2 1 ) 2 f s l o ( 2 d o 一1 ) i2 4 3 u oc o s 0 4 2 v f i 综上所述，最终的z 网络电感取值