（电力电子与电力传动专业论文）z源逆变器控制及应用研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 数整日期：垫坐聋垒因堑废 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的e i 届u 件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 鉴簦导师签名：重羞盔日期：地垃釜垒屋占日 l i r a 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t i 矾c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 传统逆变器的局限性分析1 1 2 1 传统电压源型逆变器1 1 2 2 传统电流源型逆变器2 1 3z 源逆变器的提出3 1 4 本文的选题意义和工作内容4 1 4 1 选题意义4 1 4 2 论文的工作4 第二章z 源逆变器的基本原理6 2 1z 源逆变器的电路拓扑6 2 2z 源型逆变器的工作原理6 2 3 电压模式z 源型逆变器的工作特性分析1 0 2 3 1 开关模式1 0 2 3 2 换流过程1 l 2 3 3 波形分析1 2 2 4 v m z s i 与常规电压源型逆变器的比较1 6 第三章p 删调制方法1 8 3 1z 源逆变器的s p w m 调制技术1 8 3 1 1 简单升压s p w m 调制技术1 8 3 1 2 三次谐波注入下s p w m 调制技术2 1 3 2z 源逆变器的s v p w m 调制技术2 3 3 2 1z 源逆变器的s v p l i m 调制原理2 3 3 2 2z 源逆变器的简单s v p w m 调制技术2 6 3 2 3 直通状态分段s v p w m 调制技术2 7 第四章三相z 源并网逆变系统的建模与控制3 2 4 1z 源逆变器并网状态下系统的数学模型3 2 4 1 1 采用开关函数描述的z 源网络的数学模型3 2 4 1 2 采用开关函数描述的三相并网逆变器的数学模型3 4 4 1 3 采用占空比描述的三相并网逆变器的数学模型3 5 、 山东大学硕士学位论文 4 1 4 采用占空比描述的z 源网络的数学模型3 6 4 1 5 采用开关函数描述的三相z 源并网逆变器的数学模型3 7 4 1 i6 采用占空比描述的三相z 源并网逆变器的数学模型3 7 4 1 7 三相z 源并网逆变器d q 模型的建立3 8 4 2z 源并网逆变系统的控制策略4 2 4 2 1 电流闭环控制系统设计4 3 4 2 2z 源电容电压闭环控制策略5 3 4 3z 源逆变器主电路参数设计6 0 4 3 1v s i 交流侧并网电感的设计6 0 4 3 2z 源网络电容的设计6 3 4 3 3z 源网络电感的设计6 5 4 3 4 主电路器件参数选择6 7 4 4 三相z 源并网逆变器系统仿真及结果分析6 9 第五章总结和展望7 2 5 1 本文研究工作的总结7 2 5 2 今后工作的展望7 2 参考文献7 3 致谢7 6 山东大学硕士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t l l a c t i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d s 1 1 2t r a d i t i o n a li n v e r t e r sl i m i t e da n a l y s i s1 1 2 1t r a d i t i o n a lv o l t a g es o u r c ei n v e r t e r 1 1 2 2t r a d i t i o n a lc u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r 2 1 3zs o u r c ei n v e r t e r ss t a t e m e n t 3 1 4t o p i cs e l e c t e ds i g n i f i c a n c ea n dw o r kc o m e m 4 1 4 1t o p i cs e l e c t e ds i g n i f i c a n c e s 4 1 4 2w o r kf o rp a p e r 4 c h a p t e r 2zs o u r c ei n v e r t o r sb a s i cp r i n c i p l e 6 2 1zs o u r c ei n v e r t e r st o p o l o g y 6 2 2zs o u r c ei n v e r t e r sp r i n c i p l eo f w 6 r k 6 2 3v o l t a g em o d ez - s o u r c ei n v e r t e r sw o r kf e a t u r e sa n a l y s i s 1 0 2 3 1s w i t c hm o d e 1 0 2 3 2p r o c e s so f c o m m u t a t i o n 1 1 2 3 3w r a v e f o r ma n a l y s e s 1 2 2 4v m z s ia n dv s ic o m p a r i s o n 1 6 c h a p t e r 3p w mm o d u l a t o r a p p r o a c h 1 8 3 1zs o u r c ei n v e r t e r ss p w mm o d u l a t i o n 1 8 3 1 1s i m p l eb o o s to fs p w mm o d u l a t i o n 1 8 3 1 2w i t ht h i r d h a r m o n i ci n je c t i o nt h es p w mm o d u l a t i o n 2l 3 2zs o u r c ei n v e r t e r ss v p w mm o d u l a t i o n 2 3 3 2 1zs o u r c ei n v e r t e r ss v p w mm o d u l a t i o np r i n c i p l e 2 3 3 2 2zs o u r c ei n v e r t e r ss i m p l es v p w mm o d u l a t i o n 2 6 3 2 3s h o o t t h r o u g hz e r ov e c t o rp a r t i t i o ns v p w mm o d u l a t i o n2 7 c h a p t e r4 zs o u r c eg r i d c o n n e c t e ds y s t e m sm o d e l l i n ga n dc o n t r 0 1 3 2 4 1zs o u r c eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e rm a t h e m a t i c a lm o d e l 3 2 4 1 1zs o u r c en e t w o r ks w i t c h i n gf u n c t i o n sm o d e l 3 2 4 1 2g r i d c o n n e c t e di n v e r t e rs w i t c h i n gf u n c t i o n sm o d e l3 4 4 1 3g r i d c o n n e c t e di n v e r t o rd u t y f a c t o rm o d e l 3 5 4 1 4zs o u r c en e t w o r kd u t y f a c t o rm o d e l3 6 山东大学硕士学位论文 4 1 5zs o u r c eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e rs w i t c h i n gm o d e i 3 7 4 1 6zs o u r c eg r i d c o n n e c t e di n v e r t o rd u t y f a c t o rm o d e l3 7 4 1 7zs o u r c eg r i d c o n n e c t e di n v e r t o rd qm o d e l 3 8 4 2zs o u r c eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r sc o n t r o lp o l i c y 4 2 4 2 1c u r r e n tc l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e md e s i g n 4 3 4 2 2zs o u r c ec a p a c i t yv o l t a g ec l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g y 5 3 4 3zs o u r c ei n v e r t e rm a i nc i r c u i tp a r a m e t e rd e s i g n 6 0 4 3 1g r i d c o n n e c t e di n d u c t a n c ed e s i g n 6 0 4 3 2zs o u r c en e t w o r kc a p a c i t yd e s i g n 6 3 4 3 3zs o u r c en e t w o r ki n d u c t a n c ed e s i g n 6 5 4 3 4m a i nc i r c u i td e v i c ep a r a m e t e rc h o i c e 6 7 4 4zs o u r c eg r i d c o n n e c t e di n v e r t o rs i m u l a t i o na n dr e s u i ta n a l y s i s 6 9 c h a p t e r5s u m m a r ya n df o r e c a s t 7 2 5 1w 6 r k ss u m m a r y 7 2 5 2f o r e c a s t 7 2 r e f e r e n c e s 7 3 a c k n o w l e d g m e n t s 7 6 山东大学硕士学位论文 摘要 本文从分析传统逆变器的局限性入手，研究了一种新型的z 源逆变器，它在 传统电压源p w m 逆变器的基础上引入z 型阻抗网络形成新的拓扑，获得了一些 传统逆变器所没有的新特性。本文在对z 源逆变器深入分析的基础上，主要研究 了以下内容： 1 在z 源逆变器电路拓扑的基础上，详细分析了三相电压型z 源逆变器的工 作原理、换流过程及电路各单元的工作波形，通过与常规电压源型逆变 器的比较得出它们的联系与区别，并对z 源逆变器的优缺点进行总结，从 而对电压型z 源逆变器的特性有了更全面的了解。 2 详细分析了z 源逆变器s p w m 及s v p 帅i 调制方法的原理，并对各种调制方法 进行了详细的仿真实验，对仿真结果进行分析比较。 3 采用开关函数法和占空比法描述了三相z 源并网逆变器的数学模型，提出 了在并网条件下获得稳定z 源电容电压和解耦的d 、q 轴网侧电流分量的控 制策略，对z 源并网逆变系统的控制器进行了设计，最后用仿真验证了理 论分析的正确性和控制策略的有效性。 关键词：三相z 源逆变器、直通零状态、空间矢量p w m 、并网、d 、q 解耦 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t a r t i n gw i t ht h ea n a l y s i so ft h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a li n v e r t e lt h i sp a p e rh a s s t u d i e dan e wt y p ei n v e r t e rn a m e dz s o u r c ei n v e r t e r , w h i c hi n t r o d u c e sau n i q u e i m p e d a n c en e t w o r k ( z - n e t w o r k ) o nt h ef o u n d m i o no ft h et r a d i t i o n a lv o l t a g es o u r c e p w mi n v e a e rt of o r man e wt o p o l o g ya n dg e ts o m en e wf e a t u r e sl a c k i n gi nt h e t r a d i t i o n a li n v e r t e r t h em a i nc o n t e n t sa r es h o w na sf o l l o w i n g ： 1 o nt h eb a s i so ft h ez s o u r c ei n v e r t e rt o p o l o g y , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，c o m m u t a t i o np r o c e s s a n d o p e r a t i n gw a v e f o r mo fe a c hu n i t o ft h e t h r e e p h a s ev o l t a g em o d ez s o u r c ei n v e r t e ri nd e t a i l c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a l i n v e r t e r , t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fz s o u r c ei n v e r t e ra r es u m m a r i z e d f r o ma b o v ew o r k ，ac o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h ev o l t a g em o d ez s o u r c e i n v e r t e r sc h a r a c t e r i s t i c sc a nb eo b t a i n e d 2 m u l t i a n a l y s i szs o u r c ei n v e r t e rs p w m a n dt h es v p w mm o d u l a t i o np r i n c i p l e ，a n d c a r r i e do nt h es i m u l m i o ne x p e r i m e n tt oe a c hm o d u l a t o ra p p r o a c h ，t h es i m u l a t i o n r e s u l th a sc a r r i e do nt h ec o m p a r i s o n 3 s w i t c h i n gf u n c t i o na n dd u t yc y c l em e t h o dc a nb eu s e dt ob u i l tt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h r e e - - p h a s ez - - s o u r c ei n v e r t e r t h ea u t h o ru s e dt h em e t h o d sa n dp r o p o s e d t h ec o n t r o ls t r a t e g yw h i c hc a na c q u i r es t a b l ez n e t w o r kc a p a c i t o rv o l t a g ea n d d e c o u p l e dd - qa x i sc u r r e n t a n dt h ec o n t r o l l e ro fz s o u r c ei n v e r t e rs y s t e mf o r g r i d c o n n e c t e dw a sd e s i g n e d h n a l l y , t h ea c c u r a c yo ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h e v a l i d i t yo fc o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e e nv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：t h r e e p h a s ez s o u r c ei n v e r t e r ；s h o o t - t h r o u g hz e r os t a t e ；s p a c ev e c t o r p w m ；g r i d - c o n n e c t e d ；d - qd e c o u p l i n g i i 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为二十一世纪人类所 面临的重大基本问题，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关 注，风能、燃料电池及光伏发电在世界范围内得到了大力发展。一般情况下，这些新型 发电装置输出均为不稳定的直流电，不能直接提供给需要交流电的用户使用。为此，需 要将直流电变换成交流电，在需要时亦可将其并入市电电网，这种d c a c 变换技术的电 路核心都是逆变器。传统逆变器分为电压源逆变器和电流源逆变器，它们各有其特点， 近年来提出的z 源逆变器具有一些新的独特的特性，不少学者正致力于将其应用于并网 逆变。 1 2 传统逆变器的局限性分析m 伍儿3 1 嘲 1 2 1 传统电压源型逆变器 图1 1 传统的电压源逆变器拓扑 电压源逆变器( 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1 1 所示。 电压源逆变器的应用十分广泛，但由于其自身的拓扑结构，电压源型逆变器存在着 一些不足和局限： ( 1 ) 其交流负载只能是感性的或不得不串联电抗器，如图1 1 中所示，以保证电压源逆变 器能够正常工作。 ( 2 ) 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 1 山东大学硕士学位论文 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。 ( 3 ) 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的状 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，而死区则会带来输出电压波形的畸变。 1 2 - 2 传统电流源型逆变器 n 图1 2 传统的电流源型逆变器电路 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要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。 同v s i 一样，c s l 由于其自身的拓扑结构，也存在着一些不足和局限： ( 1 ) 其交流负载不得不为容性，或必需并联电容，以保证电流源逆变器能够正常工作。 ( 2 ) 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 降压电路或在逆变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。 ( 3 ) 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 2 - 、 山东大学硕士学位论文 关管全部关断的开关状态，否则，电感开路，开关管因过压而损坏。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。 ( 4 ) 电流源逆变器的主开关必须阻断反向电压，因此需要串联二极管和高速、高性能晶 体管，如和绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 配合使用。这阻碍了低成本、高性能的i g b t 模块和集成功率模块的直接应用。 综上所述，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，或是降压型变换器，而不可能是升降压型变换器。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，如果需要较宽的输 入电压范围，需要额外附加一级d c d c 变流器，影响效率的提高。 2 它们抗电磁干扰的能力较差，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 3z 源逆变器的提出嘲嘲m 美国密歇根州立大学彭方正博士提出的z 源逆变器，有效地克服了上述传统电压源 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 3 所示。 直流电压源( 电 z 网络 三相变： 窥源) 或负载 l 1 或逆变 j 、j 、j 、j 、 o 或 中 l 2 j = 开关器件或歼关和二极管 i 混合器件 直流或交流负载 直流或交流电源 ， 图1 3z 源逆变器的一般拓扑 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，这 为逆变电路根据需要来选择升降压提供了一种新的机制。这种机制具有极大的灵活性： ( 1 ) z 源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。因此，与传统的电压源和电流源逆 变器不同，z 源逆变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、光伏阵列输入、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的形式，也可为传统的电流源的形式。z 源 3 山东大学硕士学位论文 逆变器所采用的开关可以是开关器件和二极管的组合。既可以是如图1 1 中所示传统 电压源逆变器的反并联组合，也可以是图1 2 所示的传统电流源逆变器的串联组合。 ( 3 ) z 源逆变器的输出负载可为感性，也可以为容性。 1 4 本文的选题意义和工作内容 1 4 1 选题意义 如前所述，z 源逆变器是一种不同于传统电压源、电流源逆变器的新型逆变器，论 文研究z 源逆变器的自身特性及其控制方式具有重要的学术意义。另一方面，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。日益突出的环境问题，也使得各种绿色能源 的开发应用变得越来越重要。燃料电池发电、风力发电和光伏发电等绿色能源应运而生。 而光伏发电近年来倍受瞩目，它具有其他能源不可比拟的优越性，主要表现在效率、安 全性、可靠性、清洁性、良好的操作性能、灵活性及未来发展潜力等方面。 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。 本文所研究的这种新型的z 源逆变器系统，可以较好地解决传统逆变器电路拓扑所 存在的缺点，利用直通零矢量获得一些传统逆变器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，研究这种新型的z 源逆变器具有很强的理论和实际意义。 1 4 2 论文的工作 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： 1 对三相电压模式z 源逆变器的工作特性进行分析，通过与常规电压源型逆变器的比 较，得出它们之间的联系与区别，并对z 源型逆变器的优缺点进行总结。 2 分析z 源逆变器s p w m 及s v p l j l i 调制方法的原理。并用p s i m 软件对各种调制方法进行仿真 实验，对仿真结果作出分析比较。 3 采用开关函数法和占空比法描述三相z 源并网逆变系统的数学模型，提出在并网条件 下获取稳定的z 源网络电容电压和解耦的d 、q 轴网侧电流分量的控制策略，即电压 4 山东大学硕士学位论文 电流双闭环控制策略，并对z 源并网逆变系统的控制器进行设计仿真，对仿真结果进 行分析。 4 最后对本文的研究工作进行总结，并对将来的研究方向进行展望。 山东大学硕士学位论文 第二章z 源逆变器的基本原理 z 源逆变器目前是一种全新的电路拓扑，有着独特的功率变换特点。本章对电压模 式z 源型逆变器的工作原理进行了分析。通过对电压模式z 源型逆变器的换流过程及逆 变电路各单元波形的分析，来理解z 源逆变器的工作特性。最后与常规电压源型逆变器 进行比较，得出电压模式z 源型逆变器的优点和不足。 2 1z 源逆变器的电路拓扑 z 源型逆变器是一种基于z 源储能网络的变换拓扑，其电路拓扑如图1 3 。之所以 称之为z ( 阻抗) 源型逆变器，主要是其直流缓冲和储能电路结合了v s i 和c s i 的特点， 由独特的阻抗网络组成，这样使得z 源型逆变器在直流储能中具有二阶特性，满足了端 口可开路和短路的条件，具备了常规型逆变器所没有的独特性能，克服了常规逆变器的 不足。由于其灵活性极大，可以与任何形式的电源耦合得到任何形式的主变换电路，向 任何形式的负载供电，因此，z 源型变换器的思想和理论可以应用到电力电子变换电路 1 的整个范围。 2 2 z 源型逆变器的工作原理 根据z 源型逆变器的逆变单元对直流母线侧的输出特性为电压特性或电流特性可 将其分为电压模式z 源逆变器( v o l t a g em o d e z s o u r c ei n v e r t e r - - v m z s i ) 和电流模式z 源型逆变器( c u r r e n tm o d ez s o u r c ei n v e r t e r - - c m z s i ) 。本章着重对电压模式z 源逆变 器的工作原理进行分析。 1 电压模式z 源逆变器的工作原理 v m z s i 的逆变单元是对直流母线电压的斩波，因此其p w m 波形发生满足v s i 逆变p w m 发生的一些规则。在常规v s i 中，同一相的上下两个桥臂同时导通的直通开关模式会引 起直流侧电容短路，因此被禁止。在w l z s i 中，由于阻抗网络的存在，这种直通开关模 式是被允许的，正是这种直通状态的存在，使得v m z s i 具有一些独特的工作特性。v m z s i 的电路拓扑如图2 1 。 6 山东大学硕士学位论文 v o 图2 1v m z s i 的电路拓扑 为了分析方便，使z 源储能网络满足对称网络条件，取电感l 。、l ：和电容c 。、c ： 满足 l l 2l 22l (221)ccc 【1222 p v 根据对称与等效原理，有 v l i2 = v l 22v l t v c l = v c 2 = v c ( 2 2 2 ) 这里考虑电路中的器件为理想元件，且开关频率足够高。 根据v m z s i 是否为直通开关状态将电路工作分两种情况： ( 1 ) 当v m z s i 工作在非直通状态时，其等效电路图为2 2 ( e l , ) 。此时阻抗源输入n - - 极 管导通，输出在一个开关周期相当于一个恒定电流源。此时 iv d = v o = v l + v c h = v c v l = 2 v c v o ( 2 2 3 ) 其中，v 。、v o 、v ；分别为z 源网络二极管后电压、直流输入电压、逆变桥直流侧母线电 压。 ( 2 ) 当v m z s i 工作在直通状态时，有 + v l = 2 v c v o 此时阻抗源输入侧二极管不导通，其等效电路图为2 2 ( b ) 。 ( 2 2 4 ) k k 0礼州却 l d v v v ，z1【 山东大学硕士学位论文 ( a ) 非直通状态等效电路( b ) 直通状态等效电路 图2 2 电压模式z 源逆变器的等效电路图 稳态条件下，根据伏秒平衡原则，z 源储能网络的电感在一个开关周期中的平均电 压为零，由( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 式得 圪：吃：三堡垒二兰掣：0 ( t o + 石：力 ( 2 2 5 ) 其中：t o 一个开关周期中工作在直通状态的时间；t 一个开关周期中工作在非 直通状态的时间；t 开关周期。 由式( 2 2 5 ) 得z 源储能电容的电压 圪= 去k = 舄 ( 2 2 6 ) 式中：d 广直通矢量占空比。 对于阻抗网络单元，在非直通工作状态下逆变桥直流侧母线电压v 。对输入电压v 0 的增益b 为 b ：立：j 二：l ：l 1 v o 互一兀1 2 墨1 一弛( 2 2 7 ) 丁 对于电压逆变单元，交流输出相电压基波幅值v 。对直流侧母线电压v 。的增益m 为 肚商 因此，对整个v m z s i ，输出的交流相电压基波幅值为 k 一= 坳( 舟g ( 式中：b 升压因子；m - 调制因子；卜增益因子。 8 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 山东大学硕士学位论文 由式( 2 2 9 ) 知，通过控制直通零矢量占空比d 。和调制因子m 就可得到任意大小 的交流输出电压。这同常规电压源型逆变器只能降压的特性相比，扩大了整个系统的变 换范围，适用于更多的应用场合。 2 v m z s i 的s p l j l m 波形发生 v m z s i 的波形发生可以由常规电压源逆变器的双极性s p w m 调制扩展得到。电压源 型逆变器的载波与调制波的波形如图2 4 。在这种调制方式下，同一相上下两个臂的驱 动信号是互补的。 v s i 逆变器的三相正弦调制信号为 “。= m s i n ( o t ) “。= m s i n ( c o t + 了2 x ) ( 2 2 1 0 ， 铲m s ；n ( c o t + 了4 f f ) 在图2 4 中所示时刻，一个开关周期中，a 、b 、c 三相桥臂的开关状态依次为零状 态( 1i1 ) 一有效状态( 11o ) 一有效状态( 100 ) 一零状态( 000 ) 一有效状态 ( 1 00 ) 一有效状态( 1lo ) 一零状态( 111 ) ，即每一开关周期中，两种非直通的 零状态与邻近的两种有效状态一起作用合成所需要的电压。 塞u b 磊- 全聂篓 蒌茬竖赫 1 1 11 3 q 1 0 00 0 0 1 0 0 1 p 1 1 i ；! s a nl 广 i ii 广 i ： s b ni 厂 ：广 ； s c n 广 广 图2 3 三相v s i 的p w m 调制图2 4 三相v m z s i 的p i 矾v l 调制 常规v s i 逆变器有八个工作状态( 六个有效状态和两个零状态) ，而w i z s i 比常规 v s i 多了一个直通零状态，即其有九个工作状态( 六个有效状态、两个零状态和一个直 通零状态) 。对于z 源逆变器，直通状态与非直通状态中的零状态对交流输出特性来说 是一样的，输出的交流电压都为零。所以，将直通零状态插入到原本双极性调制的非直 通零状态中，可以保持原有的正弦电压调制因子不变。 z s i 的p w m 发生如图2 4 ，值得注意的是：在每个开关周期中，原来有效状态作用 o 山东大学硕士学位论文 的时间和总的零状态作用时间不改变，将直通零状态平均分配在每条桥臂上下开关器件 换流时刻。 取调制信号为u 。；= m a x ( u 。，u 。，u 。) ，为了在零矢量过程中加入直通状态，必须将u 。； 功率管上桥臂开关管的导通时间增大，而下桥臂开关管导通时间保持不变。即 卜屯+ 手仁2 ， 【k 。们= k 式中：x 上桥臂开关管，y 下桥臂开关管。 其余两相添加直通状态的原则恰好与u 。相反，即功率管上桥臂开关管的导通时间 保持不变，而下桥臂开关管导通时间增大。 ll ( 。) 2 毛 k = 瓦+ 孚 g 2 1 2 整个v m z s i 的p w m 发生如图2 4 。 2 - 3电压模式z 源型逆变器的工作特性分析 为了更好的理解v m z s i 的工作特性，以下从开关模式，换流过程，波形分析等几个 方面来了解v m z s i 的工作过程。 2 3 1 开关模式 v m z s i 的p w m 开关状态同电压源型逆变器相比，多了一组直通零矢量开关模式，它可 以通过以下七种方式来实现：任一相桥臂直通、任选三相桥臂中的二相桥臂直通或三相 桥臂同时直通。 图2 4 为实现单相短路控制时序图的一种，在这种控制方式下，短路零矢量每次由 一相桥臂直通实现，由于三相桥臂每一相直通都可以实现短路零矢量，所以在控制短路 零矢量注入时可以平均分配到三个相，这样可使逆变器的开关损耗平均，不至于出现某 一相的开关损耗很大而特别发热的现象，这时逆变器的三相开关可以选择参数相同的同 一种开关器件。 v m z s i 的开关控制因子有两个：控制z 源储能网络升压的直通零矢量占空比因子d 。 和控制交流电压输出的调制因子m 。下面用数学的模式来表示v m z s i 所处的两种工作状 1 0 山东大学硕士学位论文 态。 直通工作状态 岛= 1 0 裟裟态 亿3 m 一1v m z s i 处于非直通状态 毕j j 7 非直通工作状态 s = 1 0 一v m z s i - f _ 嚣2 嚣 仁3 固 i作于个零状态 、。7 如此，三相v m z s i f 约开关模式如表2 - 1 。 表2 1三相z 源型逆变器的开关模式 开关状杰s a ds b ds c os a ns b ns c n开关状杰s a ds b ds c os a ns b ns c n s = is n _ 0110 001s = 0s n _ 11ll00l s = 1s 。= 001010ls = 0s 产l1ll010 s = 1s 。= 001 1l00s = 0s n _ l1l1l0o s = 1s 。= o001110s = 0s 。= 1110lll s = ls 。= 0101010s = 0s 。= l 0l1111 s = 1s n - o 1oo0lls = 0s 。= 1101ll1 s = 0s 。= 0000111s = 0s 。= 11111l0 s = 0s 。= 0 111000s = 0s 。= 1l1l0l1 s = 0s 。= 1o01l11s = 0s 。= 111l101 s = 0s 。= 1o1o 1l1s = 0s 。= 111l11l s = 0s 。= 1 l0o111 2 3 2 换流过程 霞强一 v o il 2 a ) 模式1 一有效状态( 110 ) 白ik ! 甄 薹 山东大学硕士学位论文 b ) 模式2 一非直通零状态( 000 ) v o dh ! c ) 模式3 一一相桥臂直通状态 图2 5v m z s i 的3 种开关状态及电流回路 这3 个换流图中，模式1 和2 为非直通开关状态，输入电源v 。向z 源储能网络提 供电能，此时z 源储能电容吸收电能。模式3 为直通开关状态，输入二极管d 反向阻断， 输入电源v 。与z 源储能网络断开，即不输送电能。此时直流母线电流与交流侧电流无 关，由z 源储能网络决定，且交流侧输出电压为零，逆变模式为直通零矢量状态。 2 3 3 波形分析 为了充分理解v m z s i 的工作过程，以下对- - _ 卡f l 电压模式z 源型逆变器的各个电路单 元的波形进行分析。为了简化分析，。仅考虑进入稳态后的第k 个p w m 开关周期波形，且 所有元件均为理想元件。 ( 1 ) z 源储能网络中电感l 的电压和电流 当z 源电容c 。、c 。足够大，稳态时电容电压可近似为一定值v 。根据z 源型逆变器 直通状态开关函数的定义和图2 5 中的电流通路模型，当s 。= 1 时，z 源电感电压等于z 源电容电压v 。；当s 0 _ o 时，z 源储能电感电压等于输入电压v o 与z 源储能电容电压v 。 的差值，即 圪： ， 瓯一 ( 2 3 3 ) l 【y 0 _ s o = 0 、7 若忽略z 源电感中的电阻，则电感电流为 “归专v 以) a t ( 2 3 4 ) 稳态时，z 源储能电感电压为开关瞬变量，电流的瞬时值是波动的，且在一个开关 周期中，波动量平均为零。当开关频率足够高，电感值足够大且电路处于稳态时，电感 电流近似为一恒定值。第k 个周期中阻抗网络的电感电压v 。( t ) 、电流i 。( t ) 的波形如图 2 6 。 i 山东大学硕士学位论文 k n 下，r 、；r ；