（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的z源变流器的控制与设计.pdf

c o n t r o la n dd e s i g nf o rz s o u r c ec o n v e r t e rb a s e do nd s p a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lc o n v e r t e ri n c l u d e sv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e ra n dc u r r e n ts o u r c e c o n v e r t e r , i ti sw i d e l yu s e di na l lk i n d so fc o n v e r s i o nb yw a yo fm a k i n gt h ep o w e r t r a n s f o r mb e t w e e nd clk ca n da c d c h o w e v e r ，b o t ho ft h ec o n v e r t e r sh a v eb a r r i e r s a n dl i m i t a t i o n s ：t h e ya r ee i t h e rab o o s to rab u c kc o n v e r t e r ，c a l ln o ts a t i s f yb o o s t b u c kt h e v o l t a g ea tt h es a m et i m ej u s td e p e n do ns i n g l es t a g ep o w e rc o n v e r s i o n ，s ot h eo u t p u t v o l t a g er a n g eo ft h ec o n v e r t e rs y s t e mi sa l w a y sl i m i t e d ，e i t h e rh i g h e ro rl o w e rt h ei n p u t v o l t a g e ，t h a tm a k e st h ea p p l i c a t i o nc o m eu n d e r1 i m i t e d i no r d e rt og e tal o w e rv o l t a g eo r h i g h 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 l la d d i t i o n a ld c d cc o n v e r t e rt ob u c kt h eo u t p u t v o l t a g eo rt ob o o s tt h eo u t p u tv o l t a g ei sn e e d e d 。w h i c hr e d u c e st h ee f f i c i e n c yo ft h e s y s t e m ，a n di nat r a d i t i o n a lc o n v e r t e r ，t h eu p p e ra n d l o w e rd e v i c e so fe a c hp h a s el e gc o u l d b eg a t e do n ( o ro f f ) 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 ed e v i c eb y o v e r r u nc u r r e n to rv o l t a g ed i r e c t l y , a n dd e c r e a s er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t oa v o i dt h e s t a t e t h em e t h o do fi n c r e a s ed e a dt i m eh a sb e e na p p l i e d i tw o u l dr e s u l ti nt h ed i s t o r t i o n o ft h ev o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m 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 lc o n v e r t e r , an o v e lc o n v e r t e r n a m e da sz s o u r c ec o n v e r t e ri sp r e s e n t e d w h i c hg e t ss o m eu n i q u ea n dp r e d o m i n a n t c a p a b i l i t yb ye m p l o y i n gazt y p ei m p e d a n c en e t w o r k ( z n e t w o r k ) t ot h et r a d i t i o n a l c o n v e r t e r , 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 ，w h i c ha v o i d st h ep o s s i b i l i t yo f r u i n i n gb ve m in o i s e s a n dt h es h o o t t h r o u g hs t a t ea l l o w st h ez s o u r c ec o n v e r t e rt ob u c k a n db o o s ti t so u t p u tv o l t a g e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts t r u c t u r eo ft o p o l o g ya n d d i f f e r e n td e m a n do fa p p l i c a t i o n ， t h ez s o u r c ec o n v e r t e ri sc o n s i s to fz 。s o u r c ei n v e r t e ra n dz s o u r c er e c t i f i e r b a s e do nt h e a n a l y s i s o ft h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e a b o u th o wt ob u c k b o o s tv o l t a g e ，t h e s t a t e s p a c e a v e r a g em a t h sm o d e la n ds m a l l s i g n a l d i s t u r b a n c em a t h sm o d e la r ep r e s e n t e d i nt h i st h e s i s s e v e r a lc o m m o n l yu s e dp w mm o d u l a t i o ns t r a t e g yo ft h en o v e lz s o u r c e c o n v e r t e ra r ec o m p a r e da n da n a l y z e di nd e t a i l b a s e do nt h ea b o v e dt h e o r ya n a l y s i s ，a p r o t o t y p ep l a t f o r i l lo ft h e2 k wt h r e e p h a s ez s o u r c ei n v e r t e ri sb u i l tf o rg r i d - c o n n e c t e dp v s y s t e m b u tb e c a u s eo f 也er e v e r s eb l o c k i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ed i o d e ，t h ez - s o u r c e i n v e r t e rc a nn o tr e a l i z ed u a le n e r g yf l o w b a s e do nt h i s ，a n o t h e rp r o t o t y p ep l a t f o r mo ft h e 2 k wt h r e e p h a s ez s o u r c er e c t i f i e ri sb u i l tf o rb a t t e r yc h a r g e d i s c h a r g es y s t e m t h e s 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 so ft h et w ot y p i c a la p p l i c a t i o n sh a v eb e e np e r f o r m e d t 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 t l lt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s v 甜i d a t e d n e wc h a r a c t e r i s t i e so ft h ez s o u r c ec o n v e r t e r k e y w o r d s ： z s o u r c ec o n v e r t e rz t y p ei m p e d a n c en e t w o r ks h o o t t h r o u g h p vg r i d - c o n n e c t e d d u a le n e r g yf l o w b a t t e r yc h a r g e d i s c h a r g e 插图清单 图1 1传统逆变器拓扑结构图l 图1 2z 源逆变器的一般拓扑l 图1 3电压型z 源逆变器拓扑结构图2 图1 4z 源光伏逆变系统结构示意图3 图1 5传统p w m 整流器拓扑结构图“3 图1 - 6电压型z 源整流器拓扑结构图”4 图1 7 传统电压型整流器用于四象限电动机控制系统”5 图1 8z 源整流器用于四象限电动机控制系统“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 0 图2 4 非直通状态下z 源逆变器断续电流模式1 l 图2 5电流断续模式下的逆变器输入电压和二极管电流波形1 2 图2 - 6电压型z 源整流器拓扑结构图1 3 图2 7 三相z 源整流器等效电路13 图2 8z 源整流器整流工作状态系统等效电路1 4 图2 - 9z 源整流器逆变工作状态系统等效电路1 4 图3 1 三相z 源逆变器拓扑结构1 6 图3 2z 源网络等效电路1 7 图3 3 三相变流器数学模型18 图3 4 静止坐标系( a ，b ，c ) 中三相v s c 开关函数模型结构2 0 图3 5 三相静止坐标系中三相z 源变流器的模型结构2 1 图3 - 6 两相同步旋转坐标系中三相z 源变流器的模型结构2 2 图3 7z 源网络输入输出传递函数结构框图2 4 图3 8 三相变流桥输入输出传递函数结构框图2 6 图3 - 9 三相z 源变流器系统传递关系结构框图2 6 图3 1 0 恒定直通零矢量控制时序图”2 8 图3 1 1恒定直通零矢量控制下磊与m 的关系求图一2 8 图3 1 2 恒定直通零矢量控制下g m 关系曲线2 9 图3 - 1 3 恒定直通零矢量控制下k - 吒关系曲线3 0 图3 1 4 最大化直通零矢量控制时序图”3 0 图3 15最大化直通零矢量控制下玩与m 的关系求图31 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 最大化直通零矢量控制下g m 关系曲线3 2 最大化直通零矢量控制b g 关系曲线3 3 恒开关频率直通零矢量控制时序图3 3 恒开关频率直通零矢量控制下调制信号表达式求图3 4 恒开关频率直通零矢量控制下g m 关系曲线j 3 5 图3 2 1 恒开关频率直通零矢量控制下一g 衄的关系曲线3 6 图4 1 基于传统电压型逆变器的光伏并网系统3 8 图4 2 基于电压型z 源逆变器的光伏并网系统3 8 图4 3 光伏阵列输出滤波等效电路3 9 图4 4 光伏阵列输出电容c ，的电流波形3 9 图4 5 恒开关频率直通零矢量控制下电容电压高次谐波4 1 图4 6 直通开关状态及电流回路”4 6 图4 7逆变器交流侧稳态矢量关系4 8 图4 8 直流电压采样通道”5 0 图4 - 9电网电压幅值与过零点采样原理图5 0 图4 1 0 交流及直流电流采样电路原理图”5 1 图4 1 1z 源光伏并网逆变器系统控制示意图5 2 图4 1 2a 相控制结构图5 2 图4 1 3 简化后的a 相电流内环框图一5 3 图4 1 4k = 0 0 8 2 时的根轨迹，阶跃响应和伯特图5 4 图4 1 5f ，、丘与f ，结构关系示意图一5 5 图4 1 6 电容电压外环控制结构图5 5 图4 1 7 直通零矢量环控制结构图”5 7 图4 1 8 光伏电池阵列的i - v & p v 特性曲线5 7 图4 1 9 光伏电池不同温度、不同日照下的p v 曲线”5 8 图4 2 0 扰动观测法m p p t 工作原理图”5 9 图4 2 1 扰动观测法m p p t 流程图“5 9 图4 2 2z 源光伏并网发电系统软件流程图”6 1 图4 2 3系统程序启动示意图“6 1 图4 2 4 光伏阵列输出电压8 0 v 时的相关系统稳态波形6 2 图4 2 5 光伏阵列输出电压1 2 0 v 时的相关系统稳态波形6 2 图4 2 6 三相z 源并网电流稳态波形6 3 图4 2 7a 相电网电压和并网电流稳态波形6 3 图4 2 8 光伏并网电流动态阶跃波形”6 4 图4 2 9z 源电容电压与并网电流稳态波形“6 4 图4 3 0z 源电容电压动态阶跃突增及其对应的并网电流波形6 5 图4 31z 源电容电压动态阶跃突减及其对应的并网电流波形6 6 图4 3 2 光伏阵列输出电压动态阶跃及其对应的z 源电容电压波形”6 6 图4 3 3z 源光伏并网逆变器的p n 母线电压和阻断二极管压降稳态波形6 7 图4 3 4z 源电感电流与p n 母线电压稳态波形6 8 图4 3 5z 源电感电流与阻断二极管电压稳态波形“6 8 图5 1基于可逆z 源整流器的蓄电池充放电系统6 9 图5 2s 7 单管控制电路示意图7 0 图5 3 基于可逆z 源整流器的蓄电池充放电系统控制示意图7 1 图5 4 恒压限流充电过程示意图7 1 图5 5a 相双环控制结构图7 2 图5 - 6 蓄电池电流外环控制结构图7 2 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图6 1 图6 2 蓄电池电流外环的根轨迹，阶跃响应和伯特图7 4 直通零矢量环控制结构图7 4 基于可逆z 源整流器的蓄电池充放电系统软件流程图7 5 p w m 波形发生仿真模块7 6 直通状态判断模块7 7 z 源网络模型一7 7 交流侧并网模型7 8 系统控制模型7 8 z 源并网变流器的系统仿真模型7 9 1 1 0 v 蓄电池组单位功率因数放电波形7 9 2 2 0 v 蓄电池组单位功率因数充电波形8 0 蓄电池电流指令突增减下的网侧电流波形8 0 1 1 0 v 蓄电池组放电接近阀值电压时网侧电流波形8 1 2 2 0 v 蓄电池组充电接近阀值电压时网侧电流波形8 1 i g b t 管s 7 电压与p n 母线电压稳态波形8 2 整流状态时z 源电感电流与i g b t 管s 7 电压稳态波形8 2 z 源电感电流与网侧电流稳态波形一8 3 z 源直直、交交变换器拓扑结构图8 5 z 源逆变器衍生拓扑结构图8 6 表格清单 表2 1 三相z 源逆变器开关状态9 表3 一lz 源变流器各种p w m 调制策略特性对比分析3 6 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及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金g 曼王些盔堂一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。 学位论文作者签名：印知玺签字日期：刀年相，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目曼 王些太堂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，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) 学位论文作者签名： 印知分 签字日期： d 7 年4 月f 口日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名。 亏 签字日期：一7 年午月7 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。在三年的硕士研究生学习和 课题研究过程中，自始至终得到了张老师无微不至的关怀和悉心指导，我才得以顺利 完成硕士研究生阶段的课题任务并最终完成学位论文。导师严谨的科研态度，广博的 理论知识，丰富的实践经验，务实的工作作风使我受益匪浅。他的精心指导，不但使 学生的知识水平和科研能力有了很大的提高，更重要的是让学生的思维方式和科研方 法得到了很好的培养。是张兴导师将我引进电力电子这一充满机遇和挑战的新兴领 域，并且一直在学业、生活、思想等方面深深地影响了我，使我终身受益。在此，谨 向张老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 感谢杨淑英、汪令祥、刘淳、谢震博士，在课题研究过程中给予了热情的帮助和 大力的支持；特别感谢周志健师兄和刘芳师姐，他们是带我进入课题研究的引路人， 在课题研究的细节问题上给予耐心的指导；感谢一起学习进步的同届实验室好友：张 龙云、王鸿山、纪明伟、汪永智、邵文昌、孙龙林、陈玲、曹伟、王成悦、孙荣炳、 王江，我们在一起共同讨论互相帮助，度过了三年难忘的研究生活：感谢师弟戚振彪， 在课题的交接与传承中，我们一起走过了课题实验的部分阶段，给我提供了很多有益 的帮助。祝愿他们在今后的学习、工作和生活中一帆风顺、万事如意。 感谢我的女朋友于香明，作为同一届的硕士研究生，虽专业不同，但是在我课题 遇阻、思路受堵的时候，给予我及时的鞭策和鼓励，在生活上给予我无微不致的关心 和照顾，使我能够全心全意投入课题研究，顺利完成学业。感谢我的家人，为我倾注 了大量的心血，默默无私的给我提供一切所需，他们的期望是我奋斗的动力，谨以此 文献给他们。感谢在成长道路上关心、支持、帮助过我的每一个人。 作者：田新全 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 z 源变流器依据其自身拓扑结构的不同以及应用场合的不同需求，分为z 源逆变 器【1 心和z 源整流器【3 】【4 】【5 1 。本章分别对z 源逆变器与传统逆变器、z 源整流器与传统 整流器做了对比分析，从而对z 源变流器展开全面的研究。 1 1z 源逆变器 1 1 1 传统逆变器 l 1 ( a ) 传统电压源型逆变器( b ) 传统电流源型逆变器 图1 1 传统逆变器拓扑结构图 逆变器，作为风能、太阳能、燃料电池等新能源发电系统中一个重要的组成部分， 在能源转换与能量传递过程中起着举足轻重的作用，传统的逆变器主要有电压源型逆 变器和电流源型逆变器，如图1 1 ( a ) 及1 1 ( b ) 。但是这两种类型的逆变器都存在自身 的缺陷【6 】【7 】【8 1 【9 1 ：电压源型逆变器是降压型逆变器，电流源型逆变器是升压型逆变器， 为了得到相对于逆变器输入侧更高的电压( 或更低的电压) ，须增加额外的变换电路， 从而降低了系统的运行效率。此外，在传统的逆变器中，可能会出现因e m i 噪声干扰 而导致的桥臂直通( 或开路) 现象，这会直接导致开关管因过流( 或过压) 而损坏，因 此系统的可靠性降低，为避免这一现象，要加入死区时间，但这又会引起输出电压 电流波形的畸变。 1 1 2 z 源逆变器的提出 卜直流源_ - 十卜一z 源网络_ 斗- - 桥路逆变叫 图1 2z 源逆变器的一般拓扑 交流负载 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，2 0 0 2 年，美国密西 根州立大学的彭方正教授首次提出一种新的逆变器拓扑- 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，将逆变桥 与电源耦合，其拓扑结构如图1 2 所示。 z 源逆变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， 从而在根本上杜绝了e m i 引起的毁坏电路故障情况，p w m 调制信号无需插入死区， 提高了输出电压电流的波形品质，更重要的是这为逆变电路根据需要来选择升降压 提供了一种机制。以上这些表现出了很大的灵活性：z 源逆变器的直流源可以为任意 形式( 电压源形式和电流源形式) ，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。 1 1 3 z 源逆变器的研究现状 自2 0 0 2 年首次提出z 源逆变器以来，至今，z 源逆变器的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t o 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n 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【l 。 图1 3 电压型z 源逆变器拓扑结构图 前面己提n 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，所以z 源逆变器也分为电压型z 源逆变器和电流型z 源逆变器两种，目前国内外的研究主要集 中在电压型z 源逆变器上，电流型z 源逆变器研究的很少。本文在z 源逆变器这一块的 研究重点放在了电压型z 源逆变器上，其拓扑结构如图1 3 。 1 1 4z 源逆变器的应用领域 从图1 3 可见，由于二极管d 的反向阻断特性，电压型z 源逆变器只能实现能量从 直流侧向交流侧传递，其优异特性在光伏发电、燃料电池发电、交流电机传动系统得 到充分体现，下面以其在光伏系统【1 1 】【1 2 1 中的应用为例说明其优异特性。图1 - 4 为z 源光 伏逆变系统结构示意图。 2 f广l一 轴 劳圆t in hl 一“商 i 曩国 ：g ：；l t ”l w t 图l 一4z 源光伏逆变系统结构示意圈 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，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 使得光债发电系统具有一些独特的好处： 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， 无需在逆变器前端增加升压电路或在逆变器输出级加入升压变压器，非常适 合因光照强度的太小而导致光伏阵列电压大范围波动的情况。 z 源逆变器p w m 调制信号无需插入死区时u j ，并网电流的谐渡畸变率( 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。 z 源逆变器在电力传动系统以及燃料电池系统1 1 8 m 9 1 1 2 q 中的应用，都是 上述特性的体现，在本文中不一一详细列举。 12 z 源整流器 12 1 传统整流器 随着绿色能源技术的发展，p w m 整流技术成为电力电子技术研究的热点和亮点， p w m 整流器可以成为理想的用电设备或电网与其他用电设备的接口，因为它能够实 现电网污染治理和可调节功率因数。由于电能的双向流动p w q v i 整流器可在整流和 有源逆变状态工作，实际上成为一个交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。 a ) 传统电压型p w m 整流器( b ) 传统电流型p w m 整流器 国1 - 5 传统p w m 整流器拓扑结构幽 p w m 整流器拓扑结构分为电压型和电流型【2 1 儿2 2 【驯，如图1 - 5 ( a ) 及1 5 ( b ) 。两者直 流储能形式不同，电压型p w m 整流器( v s r ) 直流侧采用电容进行储能，从而使v s r 直 流侧呈低阻抗的电压源特性；电流型p w m 整流器( c s r ) 直流侧采用电感进行直流储 能，在直流侧获得高阻抗的电流源特性。传统的电压型和电流型p w m 整流器存在以 下共同的缺陷：这两种整流器或是升压型，或是降压型，仅靠单级功率变换不可能 同时满足升降压的要求，即整流系统的输出电压范围总是有限的，或高于、或低于交 流侧输入电压，这使它们的应用场合受到了限制。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 2 2z 源整流器的提出 图1 - 6电压型z 源整流器拓扑结构图 为了克服传统整流器的理论缺陷，提出了z 源整流器 3 4 1 1 5 这一新型拓扑结构，因 电压型整流电路和电流型整流电路拓扑结构对偶，为了分析的简便，这里重点对电压 型z 源整流器与传统电压型整流器做了对比分析，图1 6 表示了z 源整流器的一个电压 型拓扑结构。它在传统电压型整流器的基础上引入z 型阻抗网络形成新的拓扑，获得 一些独特的、优越的性能。图中二极管d 和i g b t 管s 7 用于实现能量的双向流动。在新 的电压型z 源整流器中，传统电压型整流器故障状态直通成为其一个正常工作状 态，从而在根本上杜绝了e m i 引起的桥臂共通毁坏电路故障情况，同时，它利用直通 状态使得z 源整流器获得可升可降的直流电压，成为一个b u c k b o o s t 整流器p j 。 1 2 3z 源整流器的研究现状 由于p w m 整流器实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数，甚至能量可以 双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。p w m 整流器网侧呈现出受控电流源特性， 这一特性使p w m 整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽。 目前在中小功率应用场合，p w m 整流器主要应用在高精度、动态响应较高的直 流电源上，如充电电源、磁电源等；中大功率p w m 整流器主要应用于交流传动领域【驯； 大功率应用主要体现在高压直流输电【2 5 k k ( h v d c ) ，如有源电力滤波器1 2 叫( a p f ) 、无功 补偿旧( s v g ) 、统一潮流控n t 2 s ( u p f o 等。 近年来，传统整流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固有的缺点( 如上所述) ，从而使得在一些复杂的应 用场合，传统p w m 整流器受到了挑战，甚至无法满足一些特殊情况下的要求( 接下 4 来有介绍) ，本文研究的z 源p w m 整流器，可以较好地解决传统v s r 和c s r 电路所无法 实现的功能。 到目前为止，国内外研究z 源以z 源逆变器居多，但z 源逆变器无法实现能量的职 向流动限制了其应用领域。本文正是基于这点出发，对z 源整流器展开研究，以 拓展z 源变流器的应用领域，在z 源整流器口l 【| 】【i 这一块，目前国内外研究不多，处于 起步阶段。 l24z 源整流器的应用领域 图1 - 7 传统电压型整流器用于四象限电动机控制系统 近年来，异步电动机变频调速装置的广泛应用给电网带来大量“谐波污染”。用 p w m 整流器取代传统二极管整流构成四象限交流电动机驱动系统，可以实现灵活控 制网侧功率因数及电流正弦化，实现异步电动机的四象限运行和能量的双向流动，起 到了防治电网污染的作用，如图1 7 所示。 但是由于电压型p w m 整流器只能获得较交流电压高的直流电压，这在电动机 f 常运行时是有好处的，可以改善电动机的驱动性能但在电动机起动时，要求输出的 交流电压很低，而此时整流嚣输出直流电压很高，所以逆变器的调制园子m 必须设定 为报低的数值，导致电路直流电压利用率很低，t h d 增大，输出电压波形畸变率增大 使异步电动机的起动特性变坏。 l 1o 图l 8z 源整流器用于四象限电动机控制系统 z 源整流器在四象限运行传动系统中的应用有广阔的前景，电路如图l 所示。z 源整流器可以象传统电压型整流器一样，在电动机正常运行时输出较高的直流电压， 改善了电动机的驱动性能。 同时z 源整流器凭借自身结构上的优势，获得一些独特的特性： z 源整流器独特的降压特性，可以使得在电动机启动时逆变桥直流母线电压降 到额定值的1 0 ，保证逆变器的调制因子在0 8 5 左右，改善了电动机的软启动 特性。 z 源整流器的升压特性，在交流电动机正常运行时，提供一个高于9 0 0 v 的直 流电压，保证在线性调制范围内整个系统输出3 8 0 v 的交流电压。 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。 另外，z 源整流器的输出电压可调的特性也可以应用于直流电机传动系统中，从 而充分利用了直流电机良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速的特点。 1 3 本文的选题意义和主要研究内容 1 3 1 本文的选题意义 近年来，随着工业的发展和人口的激增，世界范围内的能源供需矛盾日益突出。 世界各国都在一方面节能降耗，一方面寻求新的替代能源。同时，传统能源的利用还 有一个明显的不足：污染环境。因此，各种绿色能源的开发应用变得越来越重要。现 在，人们熟知的绿色能源技术有风力发电、光伏发电和燃料电池发电等。但光伏发电 和燃料电池发电存在着输入电压波动范围大、特性软的问题， 现有的解决方案大都采用两级变换电路，其额外的升压这一级占据了该变流器的大部 分成本和大量的损耗。 研究一种拓扑简单、效率高、可靠性高的变流籼源变流器，作为新能源与传 统电网的接口，构成不间断供电系统，向家庭或工厂供电，或用于向机动车等供电， 意义重大。另外，前已述及，传统的电压源和电流源变流器有其固有的缺陷，基于传 统的电压源和电流源变流器的电力传动系统又应用非常普遍。因此采用新型的z 源变 流器取代传统的变流器将会产生很大经济和社会效益。 1 3 2 本文的主要研究内容 本文分别对电压型z 源逆变器和z 源整流器进行了分析和研究，工作的重点可以总 结如下： 对电压型z 源变流器的拓扑及升降压工作原理给予了细致的分析，通过与常规 变流器的比较，得出它们之间的联系与区别，并通过z 源电感的伏秒平衡原则 给出了z 源变流器输入输出电压间的传递关系表达式。 对z 源变流器进行了三相静止坐标系与旋转坐标系下的系统数学建模，给出了 z 源变流器的状态空间平均数学模型和小信号扰动模型，为后续系统m a t l a b 仿真建模及控制器设计打下了理论基础：详细分析了三种常用的z 源变流器调 制策略，通过比较在这三种调制策略下系统的最大零矢量占空比、开关频率 以及承受的最大开关应力，选择了恒开关频率直通零矢量控制作为本文的调 制策略。 6 对基于电压型z 源逆变器的光伏并网发电系统的主电路参数进行设计；在此基 础上，根据前面章节建立的系统数学模型，给出了其控制系统的详细设计过 程，以满足工程设计的需要；之后给出了基于d s p 的系统软件设计。最后， 为了验证上述建模、控制策略的正确性，搭建了容量为2 k w 的光伏并网发电 系统实验平台，实验结果和仿真结果吻合，从而验证了上述理论分析的正确 性。 对基于可逆电压型z 源整流器的蓄电池充放电系统依次给出了其系统硬件设 计、控制系统设计、系统软件设计。最后，搭建了容量为2 k w 的蓄电池充放 电系统实验平台，仿真和实验结果验证了方案的正确性。 7 第二章z 源变流器拓扑及工作原理 绪论中提到，z 源变流器分为电压型和电流型，相应的主电路既可以和传统电压 型变流器相同，也可以和传统电流型变流器相同。因电压型变流电路和电流型变流电 路本身就具有对偶的拓扑结构【2 9 】，所以电压型z 源变流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 源变流器中。为了分析的简 便和研究的需要，本文研究的重点放在了电压型z 源变流器上。后文中出现的z 源变 流器除特别说明外均指电压型z 源变流器。 本章详细地研究了电压型z 源变流器的拓扑结构，在阐述其升降压工作原理的基 础上，得出z 源交流器输入输出电压之间的传递关系，相比于传统变流器具有巨大的 优势。 2 1z 源逆变器拓扑及工作原理 2 1 1z 源逆变器拓扑 图2 - i电压型z 源逆变器拓扑结构图 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 是一个三相电压 型z 源逆变电路的一般拓扑，由输入源( u d e ) 、二极管d 、z 源对称网络 ( l l = l 2 , c 1 = 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s 为： s = 器蕞翥( n - - - 1 6 ) ( 2 1 ) 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 ) 。当逆变桥母线电 压u 面施加在输出负载上时，三相z 源逆变器拥有和传统电压型逆变器一样的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 ，、s ；、s s 或 s 。、s 。、s ：) 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【i j ：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。在传统的电压型逆变器中，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1 1 a 中的电容c 1 ) 会因瞬间的直通而导致电流 8 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相逆变器提供了独特的升压特性。 表2 - 1 三相z 源逆变器开关状态 开关状态s l s 4 s 3s 6s 5 s 2 有效矢量 l0 0 ) 1oo1 0 1 有效矢量 o10 ) 0110 o l 有效矢量 0 01 01ol1o 有效矢量 110 101001 有效矢量 101 ) 1o0110 有效矢量 011 o11o10 传统零矢量 111 l010lo 传统零矢量 o0 0 )0 1 o 1o1 笏7 秽7 砷”8 ”学7 产“嘭蜊，? j # 一“7日7 。 。甏 一j z 直通零矢量 l1x x xx ： 镕 ： j - 一 叉罐；直通零矢量x x1 1x 2 7 17 直通零矢量x 一一 xx x1 1嘎 孥， 麓 i 直通零矢量 l1l1xx i 直通零矢量 11x - 一 谣 x1 1 自 孽 l 直通零矢量 x j 1i xl ll ： i 。耋 乏直通零欠量 l1lll ；l# bk ，7 。* “础j ，# 锄，：强*f # ，女“；。# ，i t ，毫m 口 状态l ：开关管导通，状态0 ：开关管关断 状态x ：0 或1 ，x 与x 互补 2 1 2z 源逆变器的工作原理和等效电路 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，其中三相逆变桥及后续输出电路可近似等 效为一受控电流源缸3 0 1 。 9 + “d c 一卜一十 l l 2 图2 - 2 三相z 源逆变器等效电路 由于z 源逆变器具有直通零矢量的开关状态，因此就一个开关周期疋中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，如图2 3 所示。 同时为了分析的简便，假设z 源网络为对称网络，即： l 1 = l 2 ，c l = c 2 ( 2 2 ) lzi 、 稳态时，由电路的对称性，有： u l l = 甜l 2 = 蚝，“c 。= u c 2 = u c ( 2 3 ) 一石+一百+ + ( a ) 非直通状态系统等效电路 ( b ) 直通状态系统等效电路 图2 - 3z 源逆变器系统等效电路 1 当系统工作在非直通状态，即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。若一个开关周期正中非直通状态运行时间为互，此时 z 源逆变器等效电路如图2 - 3 ( a ) 所示，由图可得： u d e = 蚝= u c + “l ：= 蚝+ 甜c 2 = 吮4 u c ( 2 4 ) u i n = u c l 一材l 1 = 甜c 2 一u l 2 = u c 一吮 ( 2 5 ) 联立式( 2 4 ) 式( 2 5 ) 得： u i n = 2 u c u d c ( 2 6 ) 2 当系统工作在直通状态，即开关状态为表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