（电力电子与电力传动专业论文）z源逆变器的主电路研究.pdf

浙扛大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n v e r t e ri sw i d e l yu s e di na l lk i n d so f c o o v e r s i o n s h o w e v e lt h et r a d i t i o n a li n v e r t e r ( v s j o rc s l ) h a st h ec o n c e p t u a la n dt h e o r e t i c a lb a r r i e r sa n d l i m i t a t i o n s t h e y a r ce i t h e rab u c k ( v s i ) o f ab o o s t ( c s i ) i n v e r t e r , w h i c hl i m i t st h eo u t p u tv o l t a g eo rc u r r e o t i tr e q u i r e sa na d d i t i o n a ld c d c c 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 do rt h eo u t p u te u h e n t ( c s l ) i nav 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 et h er e l i a b i l i t y t o a 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 ls t r a t e g y n e v e r t h e l e s s ，a d i s a d v a n t a g eo ft h ed e a db a n di st h a ti t c a nb r i n gt h ew a v e f o r md i s t o r t i o n ，c s ia l s oh a v es o m e s i m i l a r1 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 l i n v e r t e lab e wt y p ei n v e r t e rn a m e d z - s o u r c ei n v e r t e rw a s p 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 eb ye m p l o y i n gau 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 ) a n dt h i su n i q u ei m p e d a n c en e t w o r ka l l o w st h ez s o u r c ei n v e r t e r t 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 sp a p e r , 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 ez s o u r c ei n v e r t e ra r ed e s c r i b e d f i r s t l y a n di t sm a i nc i r c u i td e s i g ni sa n a l y z e di n d e t a i l b a s e do ut h ea n a l y s i so ft h ea b n o r m a l o p e r a t i o n a ls t a t eo f t h ez - s o u r c ei n v e r t e r , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p e r a t i n gs t a t u sa n dd e v i c e s p a r a m e t e r si sp r o p o s e dd i s t i n c t l y t h em e t h o d so fr e d u c i n gt h es t r e s sa r ed i s c u s s e dt h r o u g ht h e a n a l y s i so f t h ed e v i c e sv o l t a g ea n dc u r r e n ts t r e s s e s a tl a s tt h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s h a v e b e e np e r f o r m e dt oc o n f i r mt h ea n a l y s i s t h e ya r e q u i t ec o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s k e y w o r d s ：z - s u u r c ei n v e r t e r , z - n e t w o r k s h o o tt h r o u g hz e r os t a t e _ | 折江太学硕士学位 宅文 第1 章绪论 本章主要简要介绍了传统的逆变电路拓扑一一电压型逆变电路和电流型逆变电路的原 理及其应用井提出了它们电路本身固有的理论缺陷。从现代对逆变器的新要求阐明了开展新 型逆变器研究的冒的和意义 1 1 逆变电路概述 i ：) c a c 变流电路，即逆变电路，它能够实现直流电能到交流电能的转换。凰1 - i 为逆 变嚣的功能框图。在已有的电能生产方式中，化学能电池和太阳能电池都属于直流电源，当 需要由这些电源向交流负载供电时就必须要经过d c a c 变换：此外还有公共电网和各种 独立电源( 其中心频率为5 0 h z ) ，由这些电源向交流负载供电是最普遍的方式。但醣着生产 的发展，有相当一部分的用电负载对供电质量有特殊要求，上述电源难于直接向这些负载供 电。为满足这些要求。也需要d c a c 变换。直接将太阳电池或化学电池等直流电能转换为 负载所需要的交流电能称为直接变换。而采用a c d c - a c 结构的多级转换系统中的逆变转 换称为间接变换。 电压源逆变器按照输出电压相数可以分为单相逆变器和三相逆变器。单相逆变器有半桥 式、中心抽头式；采用方波输出控制模式。全桥或h 桥式逆变器，采用方波输出或相移电 压控制方式。 三相桥逆变嚣有方波输出型、六阶梯波输出型、多阶梯逆变嚣( 包括1 2 阶梯和1 8 阶梯 逆变器) 、多电平逆变器等。三相逆变器的控制方式伟“6 l 有p w m 方式s p w m 方式矢量 控制方式t 相移电压控制方式等。开关的工作模式有硬开关和戟开关模式。 直流输 圈1 - i 逆变器功能框圈 交流输出 两相三相 浙江大学硕士学也论文 1 2 1 感应加热电源 1 2 逆变器的主要应用m 1 根据加热工艺方式和工件尺寸的不同，感应加热电源的频率范围从几百赫兹到几百千赫 兹。这类电源的典型结构是通过a c d c 变换，将公共电网的交流电能先变换成直流，再经 过d c a c 变换成负载所需频率的交流电能。 1 2 2 交流调速电源( 变频变压电源v w f 电源) 变频谓速是交流调速的典型方式，为保持电机气隙磁通恒定以防止铁心饱和，必须使定 子电压与频率同步变化。因此r 交流谓速电源是一种变频变压电源，如图1 2 所示。 交流 上 懑滋蒸- - j j 输入 a c d c t 譬滋燹嚣= 1 整流嚣 电源 图i - 2d c a c 逆变器在变频调速系统应用 1 2 3 恒频恒压电源 c v c f 电源) 这类电源的典型代表是不间断电源系统( 简称u p s ) ，如图1 - 3 所示。对于诸如计算机 一类的负载，电源电压波动、频率漂移、瞬时干扰和突然中断等现象都会造成损失，因此要 求由优质不问断电源供电。这类电源的电压稳定度、频率稳定度、波形失真度和不间断性都 优于公共电网，尤其是电源的可靠性( 含不间断供电) 。 f = 二二= 二= ：正丑= = = = = = 二二= = = = ；? 旧 ； 直流母缱 点： a c d c 罐誊 负蛙 簋滠t 2 薯电槛 浙江大学硕士学位论文 圈1 3d c a c 逆变器在交流不停电电源系统( 在线式) 应用 1 2 4 有源逆变电源 这类电源的典型代表是直流输电系统，同交流输电方式相比t 直流方式具有更多的优点， 在工业发达国家得到广泛应用。直流输电系统也采用间接变频方式在送电端先将交流电能 转换为直流；在受电端再将直流电能转换为交流。 1 3 传统逆变电路拓扑的理论局限 1 3 1 电压型和电流型逆变器拓扑简介 现今的d c a c 的功率变换技术基于两种传统的逆变器拓扑：电压源逆变器和电流源逆 变器。 电压源逆变器输入直流电压而输出交流电压，根据应用场合的不同，输出电压的幅值和 频率可以恒定或变化。实际上，电压源逆变器也可以称为电压源交流器，因为同一个电路也 可以作为整流器工作。就像我们比较熟知的相控式变流器一样。电压源逆变器必须具有恒定 的输入电压源。也就是说它的戴维南等效阻抗应当是理想的为0 。如果电源电压不够恒定， 可以在输入侧接入一个大的电容器。直流电压可以恒定或可变，可以由电网或旋转交流电机 经过整流器和滤波器而得到，也可以由蓄电池燃料电池或光伏电池组得到。逆变器的输出 电压可以是三相或多相，可i 三i 是方波，正弦波，p w m 波，阶梯波，或者准方波。 电压源逆变器应用广泛，它们的部分应用如下： 交流电动机驱动； 交流不停电电源( u p s ) 感应加热； 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 ) 或补偿器( s v c ) ： 有源滤波( a p f ) 在电压源逆变器中。由于输入直流电压的缘故，功率半导体器件总是保持正向偏置，因 此应用自控型正向导通或非对称阻断器件，如g t o ，b r r i g b t p o w e rm o s f e t 和i g c t 是合适的。过去强制切换晶闸管变流器曾经得到应用，现在它们已经基本被淘汰。为了使逆 浙江大学硕士学位论文 变器开关具有自由的反向电流，往往在自关断器件上反并联一个续流二极管。 对于电流源逆变器来说，同一个电路既可工作在逆变状态，也可以工作在整流状态。电 流馈电或电流j 耀逆变器( c f i 或者c s i ) ，如它的名称所表述t 输入侧需要一个恒定的电流( 理 想的情况是具有无穷大的戴维南阻抗) ，这与电压源的情况正好相反，后者的输入侧是恒定 的电压，其理想的情况是戴维南阻抗为0 。 在电流源逆变器中，功率半导体器件必须承受反岛电压，因此标准的非对称电压阻断器 件，如p o w e r m o s f e t ，b j t ，i g b t ，m c t ，和i g c t 是不能使用的。应当采用对称的电 压阻断g t o 和晶闸管器件。当然，也可以采用正向阻断器件串联二极管。可i 三i 看出电流 源逆变器其实是电压源逆变器的对偶电路。 电流源逆变器通常应用在以下的领域： 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； 超导磁能存储( s m e s ) ： 直流电动帆传动； 静态无功补偿器； 有源电力滤波； 1 3 2 电压型和电流型逆变器拓扑的理论局限 电压源逆变器和电流源逆变器存在者些概念上和理论上的局限性和障碍在许多应用 场舍会造成电力电子装置造价高，效率低。 l 直流电压源! 三相逆变器 负载 !变换器 l p_ 辟蚌、= ，* - j 卜、： vv 一 到交流负毒 图l - 5 传统的电压型逆变器电路结构 浙江大学硕士学位论文 图1 5 示出了传统的三相电压型逆变器原理的电路结构。对于d c a c 逆变器，一个直 流电压源向逆变器主电路一一三相逆变桥供电，将直流电能变换为交流电能，供给交流负载。 这里直流电压源通常是e h 直流电能供电的直流电容器、燃料电池堆、或二极管整流器。电压 源逆变器应用十分广泛，但是存在下列概念上和理论上的不足和局限性： 1 其交流负载只能是电感性或不得不串联电抗器，以保证电压源逆变器能够正常工 作。 2 其交流输出电压被限制只能低于而不能超过直流母线电压，因此，对于d c a c 功率 变换，电压源逆变器是一种降压式逆变器。这样对于直流电压较低，同时又需要较 高的交流输出电压的i ) c a c 功率变换应用场合，则不得不加一个额外的d c d c 升 压式变流器。这些额外的功率变流器级不但增加了系统的成本，而且降低了变换效 率。 3 电压型逆变器的每个桥臂的上、下器件不能直通短路，否则会损坏器件引起系统 崩溃。因此它的抗电磁干扰的能力较差影响了它们的可靠性。 直 圈i 石传统的电流型逆变器电路结构 图卜6 示出了传统的三相电流源变流器原理的电路结构。对于d c a c 逆变器，一个直 流电流源为逆变器主电路三相逆变桥供电，通过其将赢流电能转换为交流电能向交流负 载供电。这里的直流电流源通常是一个电感蠡相对较大的电抗器，由电池、燃料电池堆、二 极管整流嚣或晶闸管整流器婷电压源供电。同电压源逆变器一样。电流源逆变器存在下列概 念上和理论上的局限性和不足： 1 其交流负载不得不为电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 其交流输出电压只能高于为直流电感供电的直流电压。或者说所产生的直流电压 总是低于交流输入电压。因此，对于d c a c 功率变换来说，电流源逆变器是一个 浙江大学硕士学位论文 升压型逆变器。因此对于需要宽电压范围的应用场台需要个额外的d c d c 降 压式变流器。这个额外的功率变换级增加了系统成本，降低了变换效率。 3 电流型逆变器的逆变桥不能开路，否则会损坏器件引起系统崩溃。由此它的抗电 磁干扰的能力较差，影响了它们的可靠性。 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，如绝缘摊双极型晶体管( i g b t ) 配台使用。这阻碍了低成本、离性能的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缺陷： i 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 它们抗电磁干扰的能力较差。影响了它们的可靠性。 1 4 现代对逆变器的新要求和研究意义 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蔫矛盾日益突出。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 能源技术有微型涡轮、光伏电池和燃料电池 删等。风力和光伏电池发电是大家非常熟悉并 且成熟的技术但是两者均有明显豹缺点：只有在有风或有阳光照射的情况下，才能发电。 因而，这些能源技术不能作为基本能源用于电网。而燃料电池之所以受世人瞩目，是因为它 具有其他能量发生装置不可比拟的优越性，主要表现在效率、安全性、可靠性、清洁性、良 好的操作性能、灵括性及未来发展潜力等方面。图1 - 7 是一种燃料电池发电系统的方框示意 图。 图卜7 燃料电池发电系统 6 浙江大学硕士学位论文 在向它提供燃料的条件下，燃料电池可以发出电能。在某些技术条件下燃料电池可以 具有双向功率流。在这种情况下，燃料电池起到了电源的作用。一个燃料电池系统可以作为 不问断电源向一个家庭一个工厂或一个村镇供电；也可以应用于空间技术领域、工作电 站、机动车电源、便携式电源、轻便电源等。 众所周知，燃料电池的输出电压是直流电压，且随者负载的变化，输出电压一般较低且 波动较大动态响应时间长( 例如质子交换膜型燃料电池的一般正常输出为4 8 v ，但输出电 压波动范围为4 2 v 到6 0 v 。开路电压约7 2 v 动态相应近似为一阶系统响应时间约为4 0 s ) 。 由于燃料电池的输出较低，必须先经过一个升压阶段将电压升高，再经过逆变阶段将直流电 压转换为要求的交流电压输出。为此解决该问题的方法【2 9 - 3 2 主要有： l 先将直流转换为高频交流( 通过推挽电路或h 桥电路) 。由高频变压器升压后再整 流，再通过逆变为低频交流输出； 2 先将直流转换为高频交流由高频变压嚣升压后直接由周渡变流器转换为低频交流 输出； 3 先经过b o o s t 电路升压后由逆变器输出低频交流电压。 衙要注意的是这种需要两级变换的电路中，其额外的升压的这一级占据了该变流器的大 部分成本和大量的损耗，这是由于燃料电池的输出特性和稳定的交流能源的需要之间的固有 矛盾。这种情况在其他可再生能源如太阳能电池中也存在。最近研究的b u c k - b o o s t ( 或b o o s t ) 直流交流电压变流器”3 4 堤一个四象限开关模式的逆变器，它将b u c k - b o o s t ( 或b o o s t ) 直 流变流器运用在逆变器上。通过一级变换直接获得比直流输入电压或离或低的电压。其中 b o o s t 型逆变器的实质就是电流型三相逆变器原理在两相逆变中的应用。但它们的局限性是 只能应用于单相上，这就限制了它的输出功率。 研究一种拓扑简单、效率高、可靠性高的变流器，作为燃料电池与传统电网的接1 ：3 ，构 成不问断供电系统，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逆变器有其固有的缺陷萋于传统的电压源和 电流源逆变器的电力传动系统又应用非常普遍。因此采用新型的逆变器取代传统的逆变器将 会产生很大经济和社会效益。 7 浙江太学硕士学位论文 第2 章一种新型逆变器一一z 源逆交器 本章主要介绍一种新型的逆变器拓扑一一z 源逆变器i ”j ，在详细说明了它的电路工作 原理的基础上，深入的分折了其升压的原理，并且提出了它的一种非正常工作状态及其产生 的原因。 直流 2 1z 源逆变器的提出 负载 ft = 由开关器件和二极管的反并联或串联组台2 图2 1z 源逆变器的一般拓扑 为了克服前述的传统电压源和电流源逆变器的不足。文献f 1j 提出的z 源逆变器为功率 变换提供了一种新的变流器拓扑和理论。图2 - 1 示出了z 源逆变器的一个般拓扑结构。z 源逆变器引进了一个z 源网络：由一个包含电感l l 、l 2 和电容器c 1 、c 2 的二端n 网络接成 x 形，将逆变器和直流电源耦合在一起。与传统的电压源逆变器或电流源逆变器不同，z 源 逆变器既可以以电压型逆变器模式工作。也可以以电流型逆变器模式工作，其具有以下的独 特优点： 1 从电路结构上 以电压型逆变器模式工作时z 源逆变器的输入电源为电压源，主电路为传统的电压源 逆变器结构，所采用的开关是开关器件和二极管反并联的组合，负载为感性。 以电流型逆变器模式工作时，z 源逆变器的输入电源为电流源。主电路为传统的电流源 逆变器结构，所采用的开关是开关器件和二极管串蹉的组台。负载为容性。 2从控制方法上 以电压型逆变器模式工作时z 源逆变器主电路可以承受短路，并通过特殊的控制方式 浙江大学硕士学位论文 引入短路零矢量而为逆变器的升压提供可能，从而使该电路成为b u c k b o o s t 型电路。 以电流型逆变器模式工作时z 源逆变器主电路可以承受开路- 并通过特殊的控制方式 引入开路零矢量而为逆变器的降压提供了可能性从而使该电路也成为b u c k - b o o s t 型电路。 目前输入为电压源的应用更为广泛，所以本文的研究重点放在对z 源电压型逆变器( 以 下简称为z 源逆变器) 的研究，分析其工作原理和等效电路研究熟主电路的设计原则和 方法，比较其电路的优点缺点和适用场合，最后对其系统进行计算机仿真和实验验证。 2 2z 源电压型逆变器的正常工作原理和等效电路 上。、 、 蓉、 【 r 、 到苎： ，y - ，、 直流电压源z 网络三相逆变桥 圈2 2 三相阻抗源电压型逆变主电路 - i t , -_ 主_ _ 流负载 短路零矢量 图2 - 3 产生短路零矢量的控制时序图 图2 - 2 是一个典型的三相阻抗源电压型逆变器，它具有9 个允许的开关状态或矢量，而 不像传统的三相电压源逆变器那样只有8 个。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 当负载端分别被下面的或上碡的三个器件 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。然而，三相阻抗源电压型逆 变桥还有一个另外的零电压矢量：即在原来的零电压矢量中若插入同臂的上下的器件同时导 通的短路零矢量。在传统的电压源逆变器中这个短路零电压矢量是禁止的，因为输入端为容 9 浙江大学硕士学位论文 性它会导致瞬间直通短路时的过电流而损坏开关器件。而z 源网络的引入使短路零电压 矢量在三相电压型逆变器中成为可能。就是这个短路零电压矢量的应用为三相电压型逆变器 提供了独特的升，降压特性。图2 3 为产生短路零矢量的一种控制时序图。 图2 - 4 示出了图2 - 2 所示的z 源逆变器从直流侧看过去的等效电路。引入z 源网络后， 当逆变桥处于短路零电压矢量时可等效为负载侧短路，如图2 - 5 所示。而当处于传统的8 种非零电压矢量和零电压矢量的一种时。在一个开关周期中逆变桥很4 可以等效为一个电流 源如图2 _ 6 所示。注意到当处于传统的两个零电压矢量状态时逆变桥也可以用一个零值 的电流源( 或开路) 来代替。 一 ，n 图2 - 6 当逆变桥处于八种传统的非短路零矢量的其中种状态时，从直流侧看进去的z 源 逆变器的等效电路 若电感l 1 、l 2 和电容器c 1 、c 2 分别具有相同的电感量0 ) 和电容量( c ) ，z 源网络则变 为一个对称网络。假设电路已经工作在稳态，从电路对称和等效电路，有 1 0 撕江大学硕士学位论文 圪1 = 2 ：屹a n dv l l = 叱2 = v l ( 2 - 】) 假设在一个开关周期t 中，逆变桥工作于直遥状态中的一种工作状态的时间为t 。= d t 从等效电路图2 - 5 ，有 v l = ，屹= 2 ，a n d 叶= 0( 2 2 ) 逆变桥工作于非直通零电压状态的时闻为t 产( i - d ) t , 从等效电路图2 - 6 ，有 v l = k 一，v d = k ，a n dv f = 砭一v l = 2 一k( 2 3 ) 其中，v o 是直流电源电压。t = t o + t 1 。 在一个开关周期t 中，电感两端的平均电压在稳态下必然为0 ，从公式( 2 2 ) ，( 2 3 ) ，有 屹= i = 瓴+ 正( 一) ) r ：0 ，( 2 - 4 ) 或争：占：旦 (2_5)1 五一兀 一2 d 一。 在一个开关周期的有效矢量时间中加在逆变桥的直流电压 t = 屹- v l = 2 v c 蜘志k 柏k ( 2 - 6 ) 鼽b = 焘= 南 口， 是由直通零电压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； 蜘m专(2-8) 其中m 为逆交器的调制因子。对于正弦脉宽调制( p 、h d ，m li 对于空间矢量调制 ，s ( 2 订) 。应用公式( 2 - 6 ) ，公式( 2 - 8 ) 可进一步表示为； 口。= m b 堡2 ( 2 - 9 ) 公式( 2 - 9 ) 表明：通过选择一个合适的于卜，降压因子b b ，输出电压可以升高和降低( 相对于输入 电压1 。 南2 风2 m 馏= ( ) ( 2 l o ) 升，降压因子b b 是由调制因子m 升压因子b 决定的。当输入电压较低时，升压作用 浙江大学硕士学位论文 是必需的。 上述分析得到一个重要的结论：z 源电压型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槌逆变桥可以承受短路。 因此z 源电压型逆变器可以实现输出电压的升高和降低，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。 2 3z 源电压型逆变器升降压原理 为了更清晰的理解z 源电压型逆变器的升降压原理以下将z 源电压型逆变器和传统 的d c d c 电路作比较。 z 源逆变器与一般的d c d c 电路不同的是其z 网络可以等效为一个两级升压的电路： 由电源先升压至z 网络中的电容电压v c ，再由z 网络中的电容电压升压至z 网络输出v ，。 p i n v e r s eo fw a t k i n s j o h n s o n 图2 7d c d ci n v e r s eo f w a t k i n s j o h n s o n 电路 图2 - 7 为传统的d c d c i n v e r s e o f w a t l g n s j o h n s o n 电路【删，它具有两个工作等效电路： 在一个开关周期t 中开关i 导通时有如图2 8 ( a ) 所示的等效电路，这时有圪= 一v l ； 当开关2 导通时有如图2 - 8 所示的等效电路，这时有v l = 圪从而在d c d ci n v e r s eo f w a t l d n s j o h n s o n 电路中有： 一1 一d 1 2 d ( 2 - 1 1 ) 对于z 源逆变嚣，正常工作时也具有两个工作等效电路：在一个开关周期t 中逆变 桥工作于直通状态时，有如图2 - 1 0 ( a ) 所示的等效电路这时有。v l = 圪；当逆变桥工作于 非直通状态时，有如图2 - 1 0 所示的等效电路，这时有= v o 一叱，从而z 源逆变器 也有： 1 2 新江大学硕士学位论文 以l d 圪 1 2 d l d d ( 2 - 1 2 ) 圈三卜团三 ( a ) 开关导通时( b ) 开关关断时 图2 - 9d c d cb o o s t 电路等效电路 对于传统的d c d cb o o s t 电路，具有两个工作等效电路：在一个开关周期t 中，开关 导通时，有如图2 - 9 ( a ) 所示的等效电路，这时有，屹= v l ，电感被电源充电储能i 当开关 关断时，有如图2 - 9 ( b ) 所示的等效电路，这时有，k = 一v l ，电感向负载放电释放能量。 从而在d c d c b o o s t 电路中有： 堡：l 屹 1 一d ( 2 l3 1 对于z 源逆变器：在一个开关周期t 中，逆变桥工作于直通状态时。有如图2 - 1 0 ( a ) 所 示的等效电路这时有，v l = ，电容器放电释放能量，而电感由电容充电储能；当逆变 桥工作于非直通状态时有如图2 l o 所示的等效电路，这时有，v 。= 吃v l ，电容器由 电源充电电感向负载放电释放能量。从而z 源逆变器也有： y 1 儿l d ( 2 1 4 ) 在后一级升压中z 源逆变器中的v c 和d c d cb o o s t 电路中的输入电压v d 对应v 和 浙江大学硕士学位论文 d c d cb e o s t 电路中的输出电压v o 对应。最后将两级升压联系起来，最后可以得到： 旦： ! ( 2 一1 5 ) 匕l 一2 d 所以z 源逆变器是通过提高在有效矢量中的逆变桥前的输入电压，来使最后输出的交 流电压得到提高。z 源网络是一种电路结构发生变化的升压电路，它综合了传统的d c d c l n v e r s co f w a t k m s j o h n s o n 和d c d cb o o s t 两级升压电路而z 源网络不需额外的开关只 需要利用逆变桥的开关，通过特殊的控制方式，就可以实现升压的功能。 ( a ) 直通状态 亡乇芒 圯 。 u 、乙二： 一 士 ( b ) 非直通状态 图2 1 0z 源逆变器等效电路 2 4z 源逆变器的一种非正常工作状态 研究发现z 源逆变嚣还具有一种非正常的工作状态，它只出现在z 源逆变器的非直通 状态中它将极大的影响z 源逆变器的工作性能。 z 源电压型逆变器主电路的电感器l l 、l 2 和电容器c 1 、c 2 分别其有相同的电感量和电 容量，z 网络为对称网络从对称和等效电路，有式( 2 1 ) 和： i l = z l 2 = k ( 2 一1 6 ) 图2 - 6 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 v 。= 2 k v o f d = 2 i l 一， ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 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 7 ) q ，v ，它保证着交流输出电压 的质量，z 源逆变器也正是通过提高v i 而获得更高的输出交流电压的。但是如果电路在图 2 - 6 工作状态中，当二极管d 的电流下降到零时，即式( 2 1 8 ) 中的i d 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 - 1 1 所示为二极管d 电流断续后阻抗型逆变 嚣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； 1 4 浙大学硕士学位论文 v ，= 一v l ，= 2 i l ( 2 l9 ) ( 2 - 2 0 ) 图2 1 l ( a ) 所示为逆变桥在有教矢量时二极管d 电流断续时的等效电路，此时逆变桥输 入的直流电压v 发生变化，因为v l 由原来的v o - v c 变为一个不确定的数值，其大小由式( 2 - 2 0 ) 中的i l 的变化决定。由于在有效矢量时逆变桥输入电流i i 是一个缓慢渐增的电流，所以”l 实际是一个略大于零的数值。 图2 1 1 ( 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 所以i l = 0 。即电感电流断续。而v l 也为零， v i = v 。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响输出的交流电压。 图2 1 2 为一个开关周期内二极管d 电流未断续和断续时阻抗网络的输出及电感上电压 和二极管电流的波形。可以看到图2 - 1 2 ( b ) 中由于二极管d 的电流断续，而使逆变桥在有效 矢量时的输入直流电压有跌落的现象，这会极太的影响着逆变器输出交流电压的质量。 j l 27 l 2 ( a )( b ) 图2 - 1 1 二极管d 断续时的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 ( a ) 逆变桥处在有效矢量时，彻逆变桥处在传统零矢量时 屹1 二二=f l 屹凡一二一一n f 1 ， 厂_ _ 厂 厂_ y 厂 划如 ，霉霉羊 量 ( a ) 图2 1 2 开关周期内z 网络的输出 ( a ) - - 极管d 未断续 # 零霉 矢先托矢 量t量 ( b ) 电感上电压和二极管电流波形 二极管断续 浙江大学硕士学位论文 由上述分析可知如图2 - 1l ( a ) 所示的非正常工作的电路状态必须避免发生。 2 5z 源逆变器在电力传动中的应用 如前所述，z 源逆变器可以应用到许多场合它在电力传动方面的应用1 4 1 - a 3 填有非常广 阔的前景。我们知道，传统中、小功率的电力传动系统都是基于电压源逆变器的，包含二极 管整流器前端，直流环节电容器和逆变桥，如图2 - 1 3 所示。由于采用电压源逆变器，这种 电力传动系统有以下的局限性和问题 3 5 - 3 6 】： 可以得到的输出电压低于输入电压。因为电压源逆变器是降压式逆变器，例如。图 2 - 1 3 中，输入交流电压是三相线电压3 8 0 v ，直流环节电压大约为5 1 0 v 直流，在 线性调制范围内逆变器只能输出最大为3 1 5 v 左右的交流电压。对于额定电压 3 8 0 v 的电机，这种低电压明显的限制了输出功率，因为它与电压的平方成正比， 这在许多场合是非常不希望的情况，为此电机和传动系统不得不提高定额。 电压跌落可以使电力传动系统中断工作因而使重要的负载和生产过程关断。而超 过9 0 的与电能质量有关的赦障是源于瞬间的( 特别是0l 一2 s ) 低于正常值 1 0 一5 的电压跌落。电容器是一个相对小的储能元件，它不足以使直流电压在这 样的电压跌落情况下保持正常值。对于敏感负载来说，缺少电压渡越能力是一个严 重的问题睁1 0 l 。 来自于二极管整流器的浪涌和谐波电流对电网造成污染。 i 一 ， ， i l m a x ， ， 3 1 5 v a c lj 5 1 0 v d c 图2 1 3 传统交流调速系统结构 应用z 源逆变器可以克服上述问题。z 源电压型逆变器供电的电力传动系统可以 产生任意期望的输出交流电压，甚至是比输入电压高的电压： 提供电压跌落时的渡越能力，不需另外的电路； 减少浪涌和谐波电流。 6 浙江大学硕士学位论文 图2 - 1 4 给出z 源电压型逆变器供电的电力传动系统f 】的主电路结构图，和传统的电力 传动系统类似，它也由三部分组成：二极管整流器、直流环节电路- z 源网络、三相逆变桥， 唯一的不同是直漉环节电路一z 源网络和整流器前的输入电容器。基于前述，乙源逆变器的 输出交流线电压峰值可以升高到大于整流后的平均直流电压的任意值，不管输入电压大小， 总能得到期望的输出电压。当输入电压跌落或负载需要较高的电压时，通过应用前述的短路 零矢量，可以实现使输出电压升高的目的。当然，实际应用中电容器电压的最大值受到器 件额定电压的限制。 在这种新型的电力传动系统中二极管整流桥和输入电容器作为直流电源向阻抗源网络 供电。除了在短路零矢量的时间内，所有的整流二极管都是关断的，其余时间二极管的导通 顺序和传统的二极管不可控按流电路相同：在任何瞬间，三相二极管整流桥中只有厩大线电 压所对应的两相的两个二极管才能导通，承载输入交流电流流向直流环节。整流器前的输入 电容器用来与线路电感组合，其作用有： 可以对输入电流滤波，减少输入电流谐波，尤其是商次谐波： 可以减小二极管导通时的z 网络前的输入电压低次谐波幔值。可以达到提高最后 输出交流电压质量的目的： 在短路零矢量时间内，整流器中的所有二极管关断，输入电容器起到输入电流的环 流作用，减小由于输入电缚引起的浪涌电压。 在分析z 网络工作原理时。从z 源网络看进去，二极管整流桥可以用个直流电源( 如 一个输入电容器) 和两个二极管的串联来代表，如图2 - 1 5 所示。在工作中，两个串联的二 极管其实相当于一个二极管这样这种新型的电力传动系统就可以简化为前面分析的电压源 逆变器了。 5 l o - 6 2 0 v d c 图2 - 1 4z 源电压型逆变器供电的电力传动系统结构图 浙江大学硕士学位论文 d p a ， a b ， d p b 二极管整流器 、 、 c a ，b 夕、 、 、0 - 3 8 0 、 l ，、，、r n 5 1 0 6 2 0 v d c 图2 ，1 5 从z 源网络看进去的二极管接流桥等效电路 浙江大学硬士学位诧文 第3 章z 源逆变器的控制方法简述 本誊简要介绍了应用在z 源逆变器的各种控制方法。 3 1 短路零矢量的不同实现方法 由于在三相逆变器中短路零矢量的实现有以下不同的方法，并且短路零矢量在传统零矢 量中的注入方法也很多，所以z 源逆变器的控制方法是很多的。图3 1 是十三种短路零矢量 时的逆变桥电路状态，其中有单相短路，两相短路和三相短路。而逆变基于的s p w m 和 s v p w m ( 电压空间矢量) ，在注入短路零矢量后都可以适用于z 源逆变器。 s 1s 3s 5 ， ， ， n t v c ， ， ， s 4s 6s 2 逆变桥简化拓扑 p ， 碡 单相短路 两相短路三相短路 图3 - 1 十三种短路零矢量时的逆变桥电路状态 1 9 砟 砟卫b 辟辟硅 新江大学硕士学位论文 3 2z 源逆变器的各种控制方法 3 2 1 按实现短路零矢量的方法不同分类 3 2 l 1 单相短路控制 s l s 3 s 5 s 4 s 6 s 2 k 。k l ok 。，l ok * 短路零矢量 图3 - 2 实现单相短路的一种控制时序图 在这种控制方法下，短路零矢量每次由一个桥臂直通实现。图3 2 为实现单相短路的一 种控制时序图。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，这样可以使逆变器的开关的电流和损耗平均，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都可以选择参数相同的同一种 开关器件。 3 2 1 2 两相短路控制 在这种控制方法下，短路零矢量每次由两个桥臂同时直通实现。图3 - 3 为实现两相短路 的一种控制时序图。同单相短路样，它也需要将短路零矢量平均分配到逆变器的三相中， 来保持三相的电流均衡和损耗相同。 s 1 s 3 s 5 s 4 s 6 s 2 。k i 口 “l 】 u 。 k 。 短路零矢量 图3 3 实现两相短路的一种控制时序图 浙江大学硕士学位论文 3 2 1 3 三相短路控镧 在这种控制方法下，短路零矢量每次由所有三个桥臂同时直通实现。图3 - 4 为实现三相 短路的一种控制时序图。 s 1 s 3 s 5 s 4 s 6 5 2 k 。q ok i jk i ok 。 - l 超龉萼天重 图3 4 实现三相短路的一种控制时序图 3 2 2 按注入短路零矢量的方法不同分类 3 2 2 1 简单控制方法 在这种控制方法下，短路零矢量被平均的分在所有传统零矢量中，并且它们的位置都是 固定的在传统零矢量的正中间。图3 - 5 为实现简单控制的时序圈。 3 2 2 2 刚e 造方法 八 1 一 。一 一 卜 。f 短路零矢量 图3 5 简单控制的时序图 在这种控制方法下，一个开关周期内的短路零矢量平均分为六份安排在传统零矢量的 两边和两个有效矢量之间，它们的位置在每个开关周期内都是变化的，但可以不增加开关次 数。图3 - 6 为实现p w m 改造【l - 2 1 的控制时序圈。 2 矿矿旷n 黔 鼬肺；： 浙江大学硕士学位论文 么 -一 譬： 一 3 2 2 3 最大升压控制方法 短路零矢量 图3 _ 6p w m 改造方法的控制时序图 在这种控制方法下，所有的传统零矢量都变成了短路零矢量。图3 7 为实现最大升压控 制【。7 】的时序图。 短路零矢量 图3 7 晟大升压控制的时序图 乳& 鼬 “靳肚 浙江大学硕士学位论文 第4 章z 源逆变器的设计 作为一种薪型的逆变器，尤其是加入了独特的z 网络，乙渡逆交器钓设计也是研究的重 点，本章主要对z 源逆变器的电路器件的各种参数进行了系统的分析和提出正确的设计方 法。 按照图2 - 2 z 源逆变器的设计主要包括：z 网络中的电容和电感设计。逆变器的设计 一开关的电压和电流应力分析，z 网络前端输入功率二极管的设计一电压和电流应力分析。 对于图2 1 4 所示的实际z 源逆变器的设计还应包括有：整流器前的输入电容器的设计。 4 1 1z 网络中的电容设计 4 1 z 网络设计 如图2 - 2 ，z 网络中的电容为直流电容。由于z 源逆变器升压时，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的逆变桥前的输入电压，所 以z 网络中的电容电压质量直接关联到z 源逆变器输出交流电压的质量，即也关联至q 逆变 桥的开关电压应力。所以在稳态时的z 网络中的电容上的直流电压质量要求很高。 z 网络中的电容上的直流电压值是由输出交流电压要求的，如果输出交流电压需要高 则该电容上的直流电压也高； 1 枷- dk 。= b + 志h h 占p ， 由上式也可以看出z 网络中的电容电压和升压园子成正比。 如图2 - 5 和圈2 - 6 所示，z 源逆变器在一个开关周期内具有两个状态：在图2 - 5z 网络 中的电容放电，在图2 - 6 z 网络中的电容充电。所以可以通过式( 4 2 ) 对z 网络中的电容进行 设计。 c ：娑 脚 从图2 - 5 可以看到在短路零矢量的时间中。若假设该时间很短，z 网络中的电感上的电 流近似不变，则有 f c = f l( 4 - 3 ) 浙江大学硕士学位论文 如果假设z 网络中的电感较大，其电感电流的纹波较小，则这里的电容电流i c 可以取z 网 络中的电感电流的平均值i 。出，否则需要用电感电流峰值f l 。 如果采用简单控