（电气工程专业论文）基于z源逆变器的感应电机驱动系统.pdf

中文摘要 中文摘要 传统感应电机驱动系统采用电压源逆变器或电流源逆变器作为功率变换单 元，这两种逆变器由于自身拓扑的特点而存在理论上的局限性，在实际应用中造 成系统造价高、效率低、抗干扰能力差。z 源逆变器克服了常规电压源和电流源逆 变器的不足，为功率变换提供了一种新的拓扑和理论。 本文基于z 源逆变器的独特优点，将其应用于感应电机驱动系统，就相关内 容展开了研究。介绍了z 源逆变器的基本原理和控制方法，分析了z 源逆变器的 非正常工作状态，给出了避免其进入非正常工作状态的方法。根据z 源逆变器的 工作特点，将系统划分为直流侧和交流侧两部分，分别进行分析和控制。建立了 系统直流侧数学模型，根据数学模型和频域分析结果，采用电流内环和p w m 逆变 桥直流输入峰值电压外环对其控制。 通过对感应电机调速系统的分析和比较，构建了基于z 源逆变器的v f 控制 和转差频率型矢量控制系统。仿真结果表明，本文所提出的基于z 源逆变器的感 应电机驱动系统，实现了感应电机的平滑调速，避免了电网电压跌落和负载转矩 突变对系统的影响，系统具有良好的动态性能和抗扰动能力。 关键词：z 源逆变器；感应电机；双闭环控制；v 佰控制；矢量控制。 分类号：t m 3 4 3 a b s t r a c t t r a d i t i o n a li n d u c t i o nm o t o rd r i v es y s t e mu s i n gv o l t a g es o u r c ei n v e r t e r sa n dc u r r e n t s o u r c ei n v e r t e r sa sap o w e rc o n v e r s i o nu n i t t h et w oi n v e r t e rt o p o l o g y sb o t l lh a st h o r c o n c e p t u a la n dt h e o r e t i c a ll i m i t a t i o n s ，r e s u l t i n gi nh i g h - c o s t , l o we f f i c i e n c ya n d a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yi ns o m ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h ez - s o u r c ei n v e r t e ro v e r c o m e s t h el i m i t a t i o n so ft h ec o n v e n t i o n a lv o l t a g es o u r c ei n v e r t e ra n dc u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r , i t a l s op r o v i d e san e w o p t i o nf o rp o w e rc o n v e r s i o n i nt h i st h e s i s ，t h ez s o u r c ei n v e r t e ri su s e di ni n d u c t i o nm o t o rd r i v es y s t e mb a s e do n i t su n i q u es t r e n g t h s t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dc o n t r o lm e t h o d sa l ei n t r o d u c e d t h e n o n - n o r m a lw o r k i n gs t a t eo fz - s o u r c ei n v e r t e ra n dt h em e t h o d so fr e s t r a i na r ea l s o d i s c u s s e d t h ep r o p o s e di n d u c t i o nm o t o rd r i v es y s t e mi sd i v i d e di i l t 0d ca n da ct w o p a r t sw h i c hc a nb ea n a l y s i s e da n dc o n t r o l l e ds e p a r a t e l y t h ed cp a r ti sc o n t r o l l e db y t h eo u t e rp e a kd ci n p u tv o l t a g el o o po fp w mi n v e r t e ra n dt h ei n n e ri n d u c t o rc u r r e n t l o o p t h e p r o p o s e di n d u c t i o nm o t o rd r i v es y s t e mb a s e d0 1 1z - s o u r c ei n v e r t e rc o n t r o l l e db y t h ev fc o n t r o lo rs l i pf r e q u e n c yv e c t o rc o n t r o ls y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ez - s o u r c ei n v e r t e r - b a s e di n d u c t i o nm o t o rd r i v es y s t e m 豇i s u l e si n d u c t i o nm o t o r w o r k i n go nl i g h t - l o a dc o n d i t i o na n dc o n t r o lt h es p e e dc h a n g es m o o t h l y t h ei m p a c to f v o l t a g es a ga n dl o a dt o r q u ec h a n g ec a nb er e s t r a i n e d t h es y s t e mp r e s e n t sg r e a t d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n da n t i d i s t u r b a n c ec a p a c i t y k e y w o r d s ：z - s o u r c ei n v e r t e r ；i n d u c t i o nm o t o r ；d o u b l ec l o s e dl o o p sc o n t r o l ；v f c o n t r o l ；v e c t o rc o n t r 0 1 c l a s s n o ：t m 3 4 3 v n 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：夕7 年月髫日 6 7 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) 学位做作者签名：唧主役 签字日期矽年加柏 导师签名 签字吼叫年6 月“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，葛教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来葛老 师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，李杰、秦春江、李倬、王云等同学对我的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 生芝。 引言 1引言 1 1传统电压型逆变器和电流型逆变器的局限性 逆变器是感应电机驱动系统中功率变换的主要单元，传统逆变器主要分为电 压型逆变器( v s i ) 和电流型逆变器( c s i ) 两种，它们各有各自的特点，应用广泛【1 1 。 其主电路结构如图1 1 所示 ( a ) 电压源逆变器( b ) 电流源逆变器 ( a ) v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ( b ) c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r 图1 - 1 传统逆变器主电路结构 f i g u r e1 - 1s t r u c t u r eo f t r a d i t i o n a li n v e r t e r 由于自身的拓扑结构，它们但均存在理论上的局限性【2 l ： ( 1 ) v s i 交流负载必须为感性或者串联电感才能正常工作；c s i 交流负载必须为 容性或者并联电容才能工作。因此它们的主电路不能互换，没有一个电压源逆变 器主电路可用于电流源逆变器，反之同样。 ( 2 ) 它们或是降压型( v s i ) ，或是升压型变换器( c s i ) ，可得到的输出电压范围 有限，或低于或高于输入电压。在某些实际应用中，需要额外增加一个d c d c 变 换器，增加了系统成本、体积和重量，降低了效率，且增加了控制的复杂程度。 ( 3 ) v s i 由于直流侧的电容低阻特性限制，逆变器每相桥臂的上、下开关管不 可同时导通。否则，电容短路，开关管因过流而损坏。为避免直通状态的发生， 对v s i 控制必须加入死区时间，使开关管先关断、后导通；而c s i 由于直流侧的 电感高阻特性限制，逆变器上桥臂或下桥臂开关管不可同时全部关断。否则，电 感开路，开关管因过压而损坏。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。在实际应用中，电磁干扰可能会造成逆变桥开关管的误导通或误关断， 桥臂进入直通或者断路状态，造成开关管的损坏。因此，它们的可靠性和抗电磁 北京交通大学硕士论文 干扰能力较差。 1 2z 源逆变器的研究现状 1 2 1z 源逆变器 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 3 】提出了 一种新型的逆变器_ z 源逆变器，其拓扑结构如图1 3 所示 z 源网络 电流源 e 竞电压源厶 三相逆! 一，、o v 、 i l 戋 ll 厶 = 开关器件或开关与二极管混合器件 负载 图1 - 3 z 源逆变器一般拓扑 f i g u r el - 3t o p o l o g yo f z - s o u r c ei n v e r t e r z 源逆变器通过引进一个x 型交叉阻抗源网络( z 源网络) ，将逆变桥与电源 耦合。这个z 源网络为电源、主电路和负载提供了下列很大的灵活性： ( 1 ) z 源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。因此，与传统的电压源 或电流源变换器不同，z 源变换器的直流电源可以为任意的，如电池、二极管整流 器、晶闸管变流器、燃料电池堆、电感、电容器或它们的组合。 ( 2 ) z 源逆变器的主电路既可为传统的电压源结构，也可为传统的电流源结构。 另外，z 源逆变器所采用的开关管可以是开关器件和二极管的反并联组合，或串 联两种组合形式。 ( 3 ) z 源逆变器的负载可为电感性或电容性。 ( 4 ) z 源逆变器输出电压可以高于或低于输入电压。 ( 5 ) 开关管的控制无需加入死区时问，提高了系统可靠性和电磁兼容性。 1 2 2z 源逆变器在电力传动领域中的应用 2 引言 自2 0 0 2 年美国密西根州立大学的彭方正教授首次提出z 源逆变器以来，z 源 逆变器的相关理论研究与实践应用已发展得非常迅速，并取得了突破性的进展和 成果。z 源逆变器以其优秀的性能，在光伏发电【4 1 、风力发电领域、电力传动领域 i s 】、燃料电池【6 j 等领域得到了较为广泛的应用，并且表现出优越的性能。 传统交流调速一般选取电压源逆变器( v s i ) 或者电流源逆变器( c s i ) 作为功率 变换单元，所以传统交流传动系统就具有1 1 节中所提到的电压源逆变器( v s i ) 或 电流源逆变器( c s i ) 的诸多缺点。以基于电压源逆变器的传统交流调速系统为例， 若系统出现实际应用中最常遇到的电网电压降落故障时，传统交流调速系统将不 能正常运行。若要解决这个问题，只有借助辅助电路来提升电压源逆变器的输入 电压，此时传统交流调速系统就变成图1 _ 4 所示的两级结构。 d c d c 变换器 相 交 流 电 源 瓦蚧币 = 槲谫 扫丰 d c d c t 掣 升压 图i 4 传统两级交流调速系统 f i g u r e1 - 4t r a d i t i o n a lt w o s t a g ea d j u s t a b l e - s p e e dd r i v e ss y s t e m 可以看出，这个额外增加的d c d c 电路增加了传统交流调速系统的复杂度， 增加了控制难度，系统的体积和成本也会增加。 基于z 源逆变器的交流调速系统如图1 5 所示 环节 一，、尸v 一、一 = 相谫i l 中 l 1 叫 r j 图1 5 基于z 源逆变器的交流调速系统 f i g u r e1 - 5a d j u s t a b l e - s p e e dd r i v e ss y s t e mb a s e do nz - s o u r c ei n v e r t e r 与传统调速系统相比，它具有如下优点： ( 1 ) z 源逆变器理论上可以输出任何所需的电压。以电压源逆变器为例，当输 入交流电网电压为三相2 2 0 v ，那么通过整流桥输出电压约为3 1 0 v ，逆变器采用 s p w m 控制时最大输出交流线电压约为1 9 0 v ，即使采用s v p w m 控制最大输出交 北京交通大学硕士论文 流线电压峰值也仅为2 1 9 v ，对于额定电压为2 3 0 v 的感应电机而言，影响了电机 额定电压的充分利用。 ( 2 ) z 源逆变器交流输出可以进行灵活的控制：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；若电网电压发生 跌落，无需增加辅助电路，仅改变z 源逆变器的直通占空比或调制比，依然可以 保证输出电压恒定，有效降低其对调速系统的影响。 ( 3 ) 与传统调速系统不同，z 源逆变器允许逆变桥处于桥臂短路( 或开路) 状态， 降低了调速系统的冲击电流和谐波电流，增大了系统的功率因数和效率，提高了 系统的抗电磁干扰能力。 1 3感应电动机控制方法简介 感应电动机的驱动系统有变极调速、变频调速、改变转差率调速等几种控制 方式。随着高速全控电力电子器件的出现和p w m 技术的成熟，感应电机变频调速 能够实现较好的动态性能，在某些应用中可与直流调速系统相媲美。因此感应电 机变频调速应用很广，研究较为深入和成熟。 感应电动机变频调速最早采用的控制方法是变压变频( v v v f ) 调速控制，也称 为控制。由于w v f 系统只是维持电动机内的磁链恒定，并没有解决磁链和 电流强耦合的问题，其调速范围窄，调速性能较差，系统动态性能一般。但实现 原理和控制设计较为简单，对稳态运行的负载能良好的适应。 为获得较好的动态性能，就应基于电动机的动态数学模型进行控制设计。因 此，上世纪7 0 年代出现了矢量控制( v c ) 理论。它是以转子磁场定向，采用矢量变 换的方法，通过坐标变换，实现感应电动机的转速和磁链控制的完全解耦，达到 与直流电动机相似的良好控制。其调速范围较宽，调速精度较高，低速特性连续， 响应速度较快，但转子磁链很难准确观测，系统特性受电动机参数影响较大，计 算和控制较为复杂。 上世纪8 0 年代中期出现的直接转矩控f l 列( d t c ) ，是在定子坐标系下，避开旋 转坐标变换，直接控制转子磁链，采用转矩和磁链的砰一砰( b a n g - b a n g ) 控制，不 受转子参数随转速变化而变化的影响，简化了控制结构，动态响应快，对参数鲁 棒性好。 这三种感应电动机变频调速控制方法各具特色，各具优势，在实际应用中都 有广阔的应用前景。 1 4 本文的主要内容 4 引言 本文对z 源逆变器的基本原理和控制方法进行了研究，基于其独特的升压功 能构建了基于z 源逆变器的新型感应电动机驱动系统。 本文的主要内容如下： ( 1 ) 对z 源型逆变器的工作原理进行研究和分析，对z 源逆变器几种控制方法 进行介绍和对比，针对感应电动机驱动系统的特点选取简单s p w m 控制对z 源逆 变器进行控制。 ( 2 ) 对z 源逆变器的非正常工作状态及其解决方法进行研究和探讨。 ( 3 ) 将系统划分为直流侧和交流侧两个部分。建立系统直流侧数学模型，并对 其进行频域分析，选取合理的主电路参数。 ( 4 ) 基于系统直流侧的数学模型，对直流侧进行控制设计，选用p w m 逆变桥直 流输入峰值电压和电感电流双闭环对z 源逆变器直流侧进行控制。 ( 5 ) 构建了基于z 源逆变器的感应电动机控制系统。 ( 6 ) 构建了基于z 源逆变器的感应电动机转差频率矢量控制系统。 ( 7 ) 对构建的基于z 源逆变器的感应电动机驱动系统进行仿真验证。 5 z 源逆变器 2 z 源逆变器 前面提到，z 源逆变器的电源可以是电压源形式，也可以是电流源形式，相应 的逆变器主电路既可以和传统电压源型逆变器相同，也可以和传统电流源型逆变 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， 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。本文所设计的感应电机调速系统是建立 在电压型z 源逆变器的基础之上，为表述方便，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。 本章深入地研究了电压型z 源逆变器的拓扑结构，详细阐述了其工作原理及 其控制方法。并针对实际应用中可能会出现的z 源逆变器非正常工作状态进行了 分析和研究，给出了避免其出现非正常工作状态的解决方法。 2 1z 源逆变器的工作原理 z 源逆变器主电路结构如图2 1 所示。 图2 - 1z 源逆变器主电路结构 f i g u r e2 - 1s t r u c t u r eo f t h ez s o u r c ei n v e r t e r 可以看出z 源逆变器应用独特z 源网络使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，z 源型逆变器具有二阶特性，克服了传统逆变器的 缺陷和不足。 传统的三相电压源逆变器具有8 个允许的开关状态：当直流电压加到负载上 时，逆变器具有6 个非零矢量；当负载端分别被下面的或上面的三个器件短路时， 逆变器有2 个零电压矢量。然而，当负载端被上面的和下面的器件短路时( 所有 的器件均被触发) 时，三相z 源逆变桥就具有了另外一个零电压状态( 或零电压 7 北京交通大学硕士论文 矢量) 。在传统的电压源逆变器中这个零电压状态( 或矢量) 是不允许出现的，因 为它将导致直通，因此称第三种零电压状态( 或矢量) 为直通零电压状态( 或矢 量) 。z 源网络使直通零电压状态( 或矢量) 成为可能，并且利用这个直通零电压 状态为逆变器提供了独特的升降压特性。 图2 2 为z 源逆变器从直流侧看过去的等效电路。 图2 - 2z 源逆变器从直流侧看过去的等效电路 f i g u r e2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to f t h ez - s o u r c ei n v e r t e rv i e w e df r o mt h ed cl i n k 当逆变桥处于直通零电压状态时，逆变桥和负载短路；而当处于6 种非零电 压状态的一种时，对于直流侧而言，逆变桥和负载可视为一个等效电流源；当逆 变桥处于2 种传统的零电压状态时，逆变桥和负载也可以用一个零值电流源( 或 开路) 来代替。 假设图2 1 电路中器件均为理想元件，且开关频率足够高。z 源逆变器的工 作状态如图2 3 所示 ( a ) 非直通工作状态( b ) 直通t 作状态 ( a ) t h en o n s h o o t - t h r o u g hs w i t c h i n gs t a t e ( b ) t h es h o o t - t h r o u g hz e r os t a t e 图2 - 3z 源逆变器的工作状态 f i g u r e2 - 3t h ew o r k i n gs t a t e s o ft h ez s o u r c ei n v e r t e r z 源逆变器在一个开关周期内具有下面两种工作状态【3 】： ( 1 ) 当电压型z 源逆变器工作在非直通工作状态时，其等效电路图为图2 3 ( a ) 。 此时其输入侧二极管导通，负载在一个开关周期相当于一个恒定电流源。为简化 分析，可取电感厶和厶，电容c l 和c 分别具有相同的电感量和电容量，即 厶= 厶= l ，g = g = c ，z 源网络变成对称网络。根据对称与等效原理，有： 8 z 源逆变器 圪。= 圪：= 圪。= ：= 圪 ( 2 - 1 ) 则有 吃= v o 一屹= v ov f = - - v = 2 一v o ( 2 - 2 ) ( 2 ) 当电压型z 源逆变器工作在直通工作状态时，其等效电路图为图2 3 ( b ) 。 此时其输入侧二极管截止，逆变桥短路。有 1 吃= 屹= 2 m=0(2-3) 若在一个开关周期丁内，电感两端的平均电压在稳态时必然为0 ，z 源逆变器 处于直通状态的时间为t o ，非直通状态时间为t 一瓦，有 圪= 吃= t o + t o ( v o 一) - 0 ( 2 - 4 ) 由式( 2 4 ) 可得 v o = 互( 巧- t o ) = ( 1 - d ) ( 1 2 d ) ( 2 5 ) 其中，d = t o t 为z 源逆变器直通状态占空比。 同理可得一个开关周期丁内，逆变桥直流输入电压平均值为 巧= u = t o o + 互( 2 一7 0 ) 1 ? = 互7 0 ( 互一r o ) = ( 1 一d ) v o ( 1 - 2 d ) = 砭( 2 - 6 ) 逆变桥直流输入峰值电压为z 源逆变器处于非直通状态时的逆变桥输入电压 值，即 t = 一屹= 2 一v o = t 7 0 ( 互一r o ) = v o ( 1 2 d ) = b v o ( 2 7 ) 其中，b = 1 ( 1 2 d ) 1 为由直通状态获得的z 源逆变器升压因子。 因此z 源逆变器输出交流相电压峰值为 吃。= m 移 s 2 - - m b v o 2 = g v o 2 ( 2 8 ) 其中，肘为逆变桥的调制因数，g = m b 为z 源逆变器输入电压增益。 由式( 2 8 ) 可以看出通过设置合理的b 和膨，理论上就可以在交流侧获得任何 所需的交流电压。 2 2z 源逆变器的控制方法 脉宽调制( p u l e sw i d t hm d o u l a t i o n ) 控制技术，通常简称为p w m 控制技术，是 利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲序列，控制电压脉 冲的宽度和周期以达到变压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以 达到变压变频的一种控制技术。 p w m 控制的目的是减少低次谐波，将谐波推向高次t 以实现功率调节。优点 是：减小输出滤波器的体积和重量；可以有效地抑制电流谐波幅度，减少电机的 谐波损耗。因此p w m 控制技术被广泛的应用于开关稳压电源、不间断电源( u p s ) 以及直流电动机传动、交流电动机传动等领域。 9 北京交通大学硕士论文 2 2 1z 源逆变器的p w m 调制原理 在前一节已经提到，z 源逆变器与传统电压源逆变器不同，具有9 个允许的开 关状态，则三相逆变桥的六个开关共有1 5 种开关状态。其中包括6 个有效状态， 2 个零状态，3 个单桥臂直通状态，3 个双桥臂直通状态，1 个三桥臂直通状态。 这个直通状态使得z 源逆变器的控制将会和传统的逆变器有很大的不同，所以需 要对传统电压源逆变器p w m 调制方法进行改进n l ，才能对z 源逆变器很好地进行 控制。 图2 - 4 中的上半部分为传统电压源逆变器在一个开关周期内的p w m 调制波 形，下半部分为修改后插入直通状态的z 源逆变器p w m 调制波形。 、一。 l l1 i 叫 i r 聋：；：6 = 崎卜 r o 7 p , l、直通 一、，一一( s 1 ) i 7 “。( 】 1 w ( s 4 ) l - 等 ( 2 _ 2 6 ) 直通状态厂 i 非直通状态 l几 图2 - 1 0 简单s p w m 控制f 电感电流高次谐波脉动 f i g u r e2 - 1 0h i g hf r e q u e n c yp u l s a t i o no fl n d u c t o rc u r r e n tu n d e rs i m p l es p w mc o n t r o l 假设z 网络中的电容为理想和无损的，则流过电容的电流应该都是谐波成份， 因而z 网络的输入电流的平均值与z 网络直流电感电流的平均值相等。若整个z 源逆变器为无损系统，且三相输出平衡，输出相电压峰值为，输出的线电流峰 值分别为乙。负载为感性，功率因数为c o s t , 中，则有 么= 鼍产，虬= 警 其中， 屯椭：电感电流最小值么：电感电流的直流分量 虬：电感电流高频分量波动值嘣：逆变器直流链电流最大值 ，：逆变器开关频率 而此时逆变桥输入电流的峰值有 当0 。 矿 6 0 。时，一= 乙 当6 0 。 d p 9 0 。时，嗍= i o ws i n ( q ，+ 3 0 。) 仅考虑0 0 0 ) ( 2 - 2 9 ) f = m ( ：m b e o s ( o 一1 ) 其中，1 z i = i o 为负载的等效值。 当式( 2 - 2 9 ) 9 条件满足时，二极管d 中的电流在非直通工作期间不会断续，逆 变桥的有效输入电压也不会产生跌落的现象，从而可以保证输出交流电压的质量。 应注意式( 2 2 9 ) 0 ，若括号中的式子不满足，则不论电感值多大，二极管d 中的电 流在非直通工作期问都会出现断续，从而影响z 源逆变器的正常工作。 23 2非正常工作模式 由式( 2 2 9 ) 可知，若要使系统工作在c c m 模式下，z 源逆变器的电感值必须 足够大，同时负载的变化范围不能太大，功率因数不能太小。否则，z 源逆变器正 常工作的边界条件将被破坏，电路出现非正常工作状卷”q ，直流链电压最大值发 生畸变( 非直通工作状态) ，如图2 - 1 1 所示，继而影响到逆变器输出的交流电压。 8 。 ；4 0 0 8 倒2 - 1 i 直流链屯压堆大值畸变 f i g u r e2 - 1 1t h e d i s t o r t i o n o f t h e n 龃kd e - l i n k v o l t a g ea e a o $ $ t h e i n v e r t e r m a g u z 源逆变器之所以出现这种非j 下常工作状态，是由于当电感值较小、负载较轻 或者功率因数较低时，随着电感电流的下降，二极管电流断续，二极管反向关断， z 源网络电容给电感充电，相当于直通状态时的储能状卷。此时电路除了2l 节所 提的两种工作状态外还会进入图2 - 1 2 所示的非正常工作状态 ( a ) 模式 ( 幻m o d e ( b ) 模式一 m o d e2 z 源逆变器 ( c ) 模式三 ( c ) m o d e3 图2 1 2z 源逆变器非正常工作模式 f i g u r e2 1 2n o n - n o r m a lm o d eo f z - s o u r c ei n v e r t e r z 源逆变器非正常工作模式有以下三种： 【模式一】：如图2 1 2 ( a ) ，在传统的6 个有效状态时，电感电流下降到等于逆变 器直流链电流的一半时，流过二极管的电流下降到零，二极管反向关断。假设负 载是感性负载，且其值远远大于z 源网络的电感值厶和厶，此时，z 源网络电感 电压可以忽略不计，电感电流和逆变器直流链电压最大值可以表示为： t = 4 2 ，吃= 圪 ( 2 3 0 ) 此时，直流链电压最大值吃被钳位在z 源网络电容电压圪。 【模式二】：如图2 1 2 ( b ) ，逆变器工作在零状态下，= 0 。输入二极管反偏关 断，电感电流下降到零，z 源网络与电源和负载都被隔离开来，负载端被上桥臂 有源器件或者下桥臂有源器件短路。 【模式三】：如图2 1 2 ( c ) ，传统零状态过后，逆变器又进入了有效状态，此时， 电感电流下降n 4 , 于逆变器直流链电流的一半，逆变器同一桥臂有源器件的反并 联二极管导通续流，直流链电压最大值被嵌到零。 上述三种额外的工作状态的出现，相当于在本应是非直通工作状态的时段却出 现了不可控状态，造成了图2 1 1 所示的直流链电压最大值畸变。这种直流链电压 最大值畸变现象严重影响了系统的正常运行，增加了z 逆变器输出交流电压谐波， 恶化了电机的工作环境，铁耗和温升增加。 2 3 3解决方法 为避免z 源逆变器进入非正常工作状态，在不改动主电路结构的基础上，z 源网络电感值应越大越好，为负载提供较宽的变化范围。在实际应用中，z 源网 络电感值较大必然会导致系统的体积、成本和重量和增加。同时，逆变器负载的 1 9 北京交通大学硕士论文 变化对非正常工作状态的影响很大，很难满足式边界条件对负载的要求。轻载运 行时不可避免地将出现非正常工作状态，此时，直流链电压最大值发生畸变，造 成逆变器输出交流电压畸变、谐波增大，性能变差。 因此，为了完全消除非正常工作状态带来的影响，应从主电路结构的改进出 发。文献 1 5 1 提出了双向流动z 源逆变器，如图2 1 3 所示。采用有源器件s 职代 替了二极管，考虑到直流电源( 光伏模块、燃料电池) 的电流不能倒流，增加了电源 侧的二极管口，同时增加了输入侧电容c ，提供反向电流的回路。由于反向电流 出现在负载较轻的情况下，电流值很小，所以输入侧电容可以选用较小值。 图2 1 3 双向流动z 源逆变器的主电路结构 f i g u r e2 - 1 3s t r u c t u r eo f h i g h - p e r f o r m a n c ez - s o u r c ei n v e r t e r 文献对这种双向流动z 源逆变器进行了十分详细的介绍，可知由于主电路有 源和无源器件的增加，电路的工作状态较多，较为复杂。对于本设计来说，z 源逆 变器输入为电网电压经整流后获得的直流电源，可以承受反向电流的回流。所以， 可以简单地将原z 源逆变器的输入侧二极管用有源器件s 职代替，即可完全消除z 源逆变器的非正常工作状态，如图2 1 4 所示。 图2 1 4 改进后的z 源逆变器主电路结构 f i g u r e2 - 1 4s t r u c t u r eo ft h ei m p r o v e dz s o u r c ei n v e r t e r 对于这种改进后的z 源逆变器，三相逆变桥的六个有源器件的控制方法与2 2 z 源逆变器 节中所提出的简单s p w i v l 控制方法相同，而用于替代输入侧二极管的有源器件 s 形的控制策略如图2 - 1 5 所示 & ：hhhhh： 习厂 厂 厂 厂 厂 图2 1 5 有源器件s 职的控制方法 f i g u r e2 - 1 5c o n t r o lm e t h o do fa c t i v ed e v i c e s 职 由此可知，有源器件s 职的驱动信号和逆变器的直通信号为互补关系。当电路 工作在直通状态时，有源器件s 暇处于关断状态；在逆变器处于非直通状态时，有 源器件s 暇工作在导通状态。从而，使得有源器件s 形中始终有输入电流( 正电流 或负电流) 存在，保证z 源网络输出电流( 厶+ 厶) 不小于负载电流的一半 ( l + 七= 2 ) ，避免电路进入非正常工作状态。 2 i 系统直流侧建模与控制 3系统直流侧建模与控制 整个电机调速系统是一个多输入、多输出的复杂系统，随着系统输入和工作 状态的变化，为保持理想的输出，系统控制量也应实时改变，保持良好的动态性 能。对于系统的交流侧而言，需要逆变器能够输出稳定的三相交流电压，因此需 要对z 源逆变器进行闭环控制，提高系统的稳定性，抗干扰能力和动态特性。z 源逆变器的闭环控制就需要对其建模来进行研究和设计。 与传统电压源( 电流源) 逆变器不同，z 源逆变器有着两个控制量：直通占空 比d 和调制比m 。为简化控制，z 源逆变器可以分解为z 源网络和p w m 逆变器 两部分。两个部分可看做相对独立，互不影响，可以分别进行建模和控制：1 ) 通 过对直通占空比d 的控制调节p w m 逆变器输入直流电压；2 ) 通过对调制比膨的 控制调节逆变器的输出交流电压。 本章主要针对z 源阻抗网络进行数学建模，采用基于状态空间平均法以及等 效电路的方法，获得其稳态和小信号模型，通过对其数学模型的简化获得系统的 传递函数。通过对系统传递函数的频域分析，选取合理的系统参数。最终对系统 直流侧进行控制设计，采用逆变桥输入峰值电压和电感电流双闭环对z 源逆变器 进行控制。 3 1z 源网络的数学建模 文献 1 6 - 1 7 研究了几种z 源逆变器的数学模型，这些文献考虑到无论z 源逆 变器运行在传统非零状态还是传统零状态时，对于系统直流侧而言，交流侧都相 当于一个电流源( 传统零状态时，电流源电流为零) 。从而将系统分为直通和非直通 两种工作状态，使用状态空间平均法得出系统的状态空间模型，然后进行小信号 扰动推导，通过简化运算获得所需的传递函数。若z 源逆变器负载为感性，在传 统零状