（电力电子与电力传动专业论文）z源逆变器的信号流图建模与控制分析.pdf

s i g n a lf l o wg r a p hm o d e l i n ga n dc o n t r o ld e s i g no f zs o u r c ei n v e r t e r a b s t r a c t t h en e w l yp r o p o s e dzs o u r c ei n v e r t e re n j o y si t su n i q u ea d v a n t a g eo v e rt h e t r a d i t i o n a lv o l t a g e c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e ra n dh a sb e c o m et h ep o p u l a rr e s e a r c h f i l e di np o w e re l e c t r o n i c s a na c c u r a t ea n ds i m p l em o d e li sq u i t en e c e s s a r yt ot h er e s e a r c ho nt h ez s o u r c es t e a d ys t a t eo rt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c s 1 1 1 ec o m m o n l yu s e ds t a t e s p a c e a v e r a g i n gm o d e l i n gm e t h o dc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n ta n dh a r dt ou n d e r s t a n d t i l ed cs i d ec o n t r o lo fzs o u r c ec o n v e r t e ri sh a r dt o d e s i g nd u et o i t s n o n - m i n i m u mp h a s ef e a t u r e ，f o rt h ea cs i d ec o n t r o lo ft h r e ei n v e r t e r , as t a t i o n a r y f r a m et or o t a r yd qf r a m ec o o r d i n a t i o nt r a n s f o r m a t i o ni sp e r f o r m e dt ot h et h r e e p h a s es i g n a lt oa c h i e v ez e r os t e a d ys t a t ee r r o rc o n t r 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h em o d e l i n ga n dc o n t r o ld e s i g no ft h r e ep h a s e z o s o u r c ei n v e r t e r ，b yi n t r o d u c i n gt h es i g n a lf l o wg r a p hm o d e l i n gm e t h o d ，t h el a r g e s i g n a l ，s t e a d ys t a t ea n ds m a l ls i g n a lm o d e l sa r ed e r i v e d c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a ls t a t e s p a c ea v e r a g i n gm e t h o d ，t h i sm e t h o dg r e a t l y r e d u c e st h e c o m p u t a t i o nn e e da n da l g e b r a i cr e d u c t i o na n di sm o r ev i s u a l ar e s o n a n ta d j u s t o ri s i n t r o d u c e dt ot h ea cs i d ec o n t r o l l e r , w h i c hc a na c h i e v ez e r oe r r o rt r a c ka n df a s t d y n a m i c si nt h es t a t i o n a r yf r a m et h u sa v o i dt h ec o o r d i n a t i o nt r a n s f o r m a t i o na n d c o n v e n i e n tf o rd i g i t a li m p l e m e n t a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t et h em e r i t so f t h ep r o p o s e dm o d e l i n ga n dc o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s ：zs o u r c e ；s i g n a lf l o wg r a p h ；s m a l ls i g n a l ；r e s o n a n ta d j u s t o r ； d o u b l el o o pc o n t r o l 图i 1z 源变换器拓扑 插图清单 图1 2z 源逆变器的等效电路 图2 1 电压源型逆变器拓扑 图2 - 2 电流源型逆变器拓扑 图2 - 3 屯压型z 源逆变器的电路拓扑 图2 - 4 电压模式z 源等效电路图 图2 - 5 击穿占空比和升压复制的关系 图3 1 小信号等效电路图 图3 - 2 小信号化简流图 图3 - 3 控制框图的流图表示 9 1 0 图3 4 开关分支的流图表示 图3 - 5z 源电路状态 图3 6 非直通状态时信号流图 1 7 图3 - 7 直通状态时信号流图 图3 - 8 包含开关支路的统一流图表达 1 9 1 9 图3 - 9 开关分支的大信号信号流图表示。2 0 图3 1 0z 源电路的大信号信号流图表示 图3 - 1l 开关分支的稳态信号流图表示 图3 1 2z 源电路的稳态信号流图表示 图3 - 1 3 开关分支的小信号信号流图表示。 图3 1 4 小信号信号流图 图3 1 5 化简后的信号流图 图3 1 6 推导优诬所需的信号流图 图3 1 7 推导记诎所需的化简后的信号流图 2 i 2 l 2 1 图3 - 1 8 推导觅孟所需的信号流图2 4 图3 - 1 9 推导讧五所需的初步化简后的信号流图。 图3 - 2 0 推导蟊磊所需的最终化简后的信号流图。2 4 图3 - 2 1 推导磊蠢所需的初步化简后的信号流图 图3 - 2 2 推导缸，蟊k 所需的初步化简后的信号流图。 图3 - 2 3 推导磊珏所需的最终化简后的信号流图 图3 - 2 4m a t l a b 电路仿真模型。 图3 - 2 5 系统启动和稳态的电容电压仿真波彤 图3 2 6 系统启动和稳态的电感电流仿真波形 图3 - 2 7 输入电压突降后的仿真波形 圈3 - 2 8z 网络电感取值变化时的g v d 伯德图 图3 - 2 9z 网络电感取值变化时的g v d 的零极点图 2 8 图3 - 3 0 z 网络电容取值变化时的g v d 伯德图 图3 - 3 1z 网络电容取值变化时的g v d 的零极点图 图3 3 2z 网络击穿占空比d 取值变化时的g v d 伯德图 图3 - 3 3z 网络击穿占空比d 取值变化时的g v d 零极点图 图3 3 4 三相全桥逆变器 图4 1 完整小信号框图模型 图4 2 第二种小信号框图模型 3 3 3 8 3 8 图4 3 简化后的小信号框图模型 图4 - 4 右半平面零点的影响 图4 5 控制信号的传递路径。 图4 缶峰值电压双环控制框图。 图4 - 7 电容电压双环控制框图 图4 - 8 离散双环控制框图 图4 - 9 加入饱和环节的控制图 图4 - 1 0 饱和环节详细设计步骤 图4 - 1 1 三相逆变器静止坐标系线性控制图 4 0 4 2 4 2 4 4 4 4 4 5 4 6 4 6 。4 8 图4 1 2 三相逆变器旋转坐标系线性控制图。 图4 - 1 3 三相逆变器。 图4 - 1 4 等效并联谐振电路图。 图4 - 1 5 单相内环闭环结构图 图4 - 1 6 带前馈电流内环结构图 图4 - 1 7 使用谐振调节器外环的整体控制图 图4 - 1 8 理想谐振调节器伯德图 图4 - 1 9 实际谐振调节器伯德图。 图4 - 2 0 谐振调节器参数变化后的频率响应 圈牝l 谐振调节器的频率特性 图4 2 2 静止坐标系下采用谐振控制器框图 4 8 5 0 5 l 5 2 5 3 图4 2 3 单相闭环控制框图5 3 图4 2 4 闭环谐波阻抗伯德图 5 5 图4 2 5 三相逆变器的传统p w m 调制和z 源修改p 州调制5 7 图4 - 2 6 整体控制框图5 8 图4 2 7 整体仿真模型 图4 2 8z 源网络和逆变器桥路模型 图4 2 9 三相l c 滤波模块 图4 3 0 三相感性负载模块。 图4 - 3 1 直流侧控制器模型 5 9 5 9 图4 - 3 2 交流侧a 相控制器模型。 图4 3 3 谐振调节器模型 图4 3 4 调制信号合成发生模块 图4 - 3 5 稳态时不同调节器输出电压比较 图4 - 3 6 输入电压图突降时的系统波形 图4 - 3 7 负载电阻突降时的系统波形 6 0 6 0 6 l 6 1 6 l 6 3 ，6 4 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志和致谢的地方外，论文中不包吉其他人已 经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得 盒胆王些太堂 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。 学位论文作者酶隔窳签字吼2 哪年彳叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金照工些太堂 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，允许论文被查阅或借 阅。本人授权 金胆王业盔堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 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) 学位论文者魏阵哦 签字日期：2 ( 田年亨月7 1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址： 导师签名： 签字日期：妒7 年，月尹日 电话 邮编： 致谢 值此论文完成之际，首先我要衷心感谢我的指导老师张兴教授，张老师知 识渊博，要求严格，不仅给我提供了许多相关资料，而且对于我所提出的问题 给予耐心的讲解。他是我在研究建模领域中的一盏明灯，引导着我，在我遇到 困难时，为我指点迷津。 其次，我要深深感谢阳光电源的曹仁贤老师和赵为老师，为我的论文研究 提供了环境和热心时指导。感谢师兄许颇，在发表论文期间，他不停而又耐心 的给我指导论文。对于我做论文期间的疑惑，他都一给我讲解，并对原因加 以分析，这种认真负责的学习态度，让我自叹不如。 同时，我也深深地感谢电气与自动化学院的张崇巍老师，谢震老师和杨淑 英老师，他们也给了我大量的指导、关怀和帮助 同样要特剐感谢我的好朋友周小义、吴玉杨、童克文、伍姚、周志健、张 昱、程显中、张显立、戴莹以及其他实验室的同学，大家在一起集思广益、共 同研讨，这对我顺利完成论文有很大帮助l 在这里，我还要特别感谢我的家人l 是他们一直鼓励着我，支持着我念完 硕士，父母以自己的辛劳换取我学习的机会，是他们教会我做人的道理，并激 励着我要积极向上、勇往直前l 他们的勤劳、善良、不怕吃苦、顽强奋斗的精 神永远值得我学习i 最后，我还要真心感谢我的女友史君华对我的诸多帮助l 感谢她在我读研 期间提出的学术上的宝贵意见，并给我无微不至的关怀与支持! 作者：陈威 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 本章介绍z 源变换器的工作原理，阐述了电力电子建模对于设计的重要性， 总结了当今电力电子变换器的建模方法和针对z 源电路的建模概况，分析了逆 变器的常用控制方法，最后阐述了本文所做的工作。 1 1 z 源逆变器 近年来出现了一种新型z 源功率变换器【i _ 3 1 。z 源功率变换器为功率变换提 供了一种新的变换器拓扑和理论。其主要特色为引进一个阻抗网络，将主变换 器电路与电源或负载耦合。 图l ，1 就是z 源逆变器的拓扑结构。较之常规逆变器，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l 1 、l 2 和电容器c i 、c 2 的阻抗网络， 将变换器和负载藕合在一起。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。 卜卜直流侧叶一z 诨网络叫+ 亏筝叫 图l - iz 源变换器拓扑 + k 一i +一气+ a 【b 图l _ 2 z 源逆变器的等效电路 4 - v o 图1 - 2 是图1 1 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，当处于非直通状态时，在一个开关周期中逆交桥侧可以等效为一个电 流源。如图1 - 2 ( a ) 所示当逆变桥处于直通状态时，可等效为负载侧短路，如 图l - 2 ( b ) 所示 z 源逆变器的特点为： ( 1 ) z 源变换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 源变换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 源变换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，提高了系统可靠性和电磁兼容性。 ( 6 ) z 源型逆变器的应用前景广泛，比如在燃料电池、电机驱动等系统，光 伏、风力并网发电系统和其他分布式发电。 1 2 变换器建模概述 时至今日，电力电子系统已经越来越广泛的应用于从计算机到通讯，医疗 电子，家电控制，交通和大功率电力传输之中，所涉及的功率范围从毫瓦级到 兆瓦级，这些典型的电力系统均包括基本的半导体开关器件，诸如晶闸管， m o s f e t ，和二极管，i g b t ，包括无源器件电感，电容，电阻，集成控制电 路，日益增长的需求和应用对系统的分析与设计提出了更高的挑战。 建模与仿真是电力电子分析与设计环节中必不可少的环节，它能帮助我们 更好地理解电路的操作过程，了解了这些，对于给定的参数要求，设计人员就 可以选择合适的电路拓扑结构，挑选合适的电路元器件和参数，评估电路的性 能，并且通过使用诸如，蒙特卡洛法，最劣分析等可靠性和生产分析方法，使 得设计出的电路性能符合特定要求。 学术研究和工业应用对于电力电子变换器提出越来越高的可靠性和精确性 要求。这就必然要求对于变换器内部的过程了解的更精确，建模的目标是对于 变换器得出更为精确的数学表达式，这种模型的有两个优点；第一，可以对一 个变换器进行系统级的精确控制从而提高系统的响应速度，第二，在此模型之 上可以对变换器系统的静态和动态特性进行预估，从面减少了制造一台原型机 来进行性能验证的成本。 当前电力电子建模分析的任务主要有以下四点； 1 模型可以提供用电路和控制参数表示的输入与输出电压，电流的关系的 函数，从模型中得出的系统工作点信息中可以求出尖峰电压，电流应力，从而 计算主电路元件的耗散功率，这些可以使用从电路结构中得出的线性模型进行 分析求解得出 2 可以从模型中得出开关波形以选择元件，这就必须知道流过器件的电压 和电流的详细波形，简化平均的电路模型通常得出的是理想波形。而实际的电 路则有寄生参数和非线性特性，所以模型必须要考虑如何求出元件的应力等级 2 还必须考虑电路元件间的复杂的相互影响。 3 。模型可以提供电路的动态特性，满足对系统进行鲁棒性控制设计的要求， 还有确保系统有良好的暂态特性，使得输出电压和输入电流在当输入电压和输 出电流变化时保持在限定的范围之内。 4 选择完参数进行仿真时，模型可以验证电路在各种故障环境下的性能， 比如过电压，过电流，过热检测以及电磁兼容设计 交换器的建模方法可分为两大类一类称为数字仿真法，一类称为解析建模 法。数字仿真法是指利用各种各样的算法以求得变换器某些特性数字解的方法 执行这类方法常常要利用数字计算机辅助来完成，利用现有的通用的电路分析 程序，对变换器进行计算机仿真分析的方法 2 2 2 4 】。解析建模法是指利用解析 理论的方法以求得变换器运行特性的解析表达式，使之能对变换器进行定性和 定量分析的建模方法。 从时间的角度划分，建模方法又可以划分为连续建模法、离散建模法和离 散连续综合建模法。最常用的连续建模分析方法就是小信号分析方法，其主要 代表就是电路平均法，状态空间平均法和p w m 开关法。 m i d d l e b r o o k 和w e s t e r 开发出了表述b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 电路的近似 连续模型，即为电路平均法1 4 - 5 ，它根据波形直接平均交换器基本元件的特性， 得出了电路元件形式的解析表达式以获得系统的低频特性。因为是对电路元件 而非状态方程进行操作，使得这种方法具有更多的物理意义，因其通用性和易 用性，在标准电路仿真软件中如s a b e l 、s p i c e 中应用广泛。 m i d d l e b r o o k 和c u k 在1 9 7 7 年使用状态空间的概念总结了上文的所采用的 技术，使用统一的状态空间描述替代了开关网络的状态空间描述6 - 8 1 ，从而消除 了开关过程的影响，并且代表了开关网络在一个开关周期内的平均特性。使用 状态空阅平均技术，初始的非线性离散系统被简化成了一个连续的系统，在对 平均化后的系统在稳态工作点附近进行扰动后，系统得到了迸一步的简化，经 过复杂的矩阵运算，就可以得到诸如输入，输出阻抗和控制一输出传递函数等 系统特性。状态空间平均法忽略了高频动态特性，主要是寄生元件和缓冲电路的 变化过程，因为其变化时间一般小于开关周期，但更关注于影响工作变换和控 制函数相关的主要元件特性，抓住了分析基本变换过程的主要部分。 v o r p c r i a n 中介绍了一种面向电路的方法 9 - 1 1 】一其主要思想是将开关网络简 化为一个三端开关，称之为p w m 开关，而对于包含此开关网络的变换器，其 p w m 开关的端口特性是不变的，将p w m 开关用其等效电路所替换，即可获 得整个电路的平均等效电路，进行稳态和小信号分析。当前主要应用于理想开 关期问的建模分析。p w m 开关法还受开关和二极管组成的开关网络的存在限 制并不能对所有的开关变换器进行建模。 连续建模法为了可以使用有许多标准化的分析与设计方法的线性理论来指 导分析和设计而均有不同程度的限制条件与简化假设，而且因为忽略了开关变 换器的实际开关行为面难以预测系统的高频特性。这些模型的精确性，随着调 制频率越来越接近1 2 开关频率变差，而且精确离散模型并没有使用平均模型 中所使用的假设，连续的开关系统由频率为开关频率的离散系统所替代，因而 此模型可用来预测系统的高频特性 离散法从本质上就是适合于开关变换器建模，首先因为开关变换器就是一 个周期受控的系统，二是因为此类模型可以直接用于数字控制器的设计，它把 开关细节限制在开关周期内，关注周期间的变换器行为，在研究和控制变换器 的子谐波不稳定现象时十分有效。离散模型中比较常用的是精确离散模型，它 并没有使用连续模型中所使用的假设，连续开关的连续系统由描述在开关频率 工作的系统的离散系统所替代，因而此模型可用来预测系统的高频特性。 1 2 】 中使用此精确离散模型对工作在连续模式下的b o o s t 电路进行了建模。【1 3 对多 环控制的b u c k 和b o o s t 变换器使用此方法建立了模型。 因为变换器工作过程的复杂性，更多的结合连续与离散的建模方法被开发 出来，b r o w n 和m i d d l e b r o o k 提出了一种结合连续与离散模型的新型模型l l ， 这个模型不把占空比视为平滑缓慢变化的连续量而是离散的脉冲波。s h o r t t 和 l e e 的离散平均模型【”】从另一个角度结合了离散与平均的技术，此模型使用电 路的状态空间表达式后再使用离散的采样以得到离散化的输出，此方法在连续 与离散模型中达成了比较好的折中，方法简单，易于应用r i d l e y 则提出了一 种新型小信号p w m 交换器电流控制模型【i ”，对电流控制单元应用采样数据法， 适用于所有变换器，这些混合的方法考虑了采样动作的影响，可以预测平均模 型无法预测的高频不稳定现象。 为了克服状态空间平均法和p w m 开关法的缺点，又避免离散建模方法的 大量运算与复杂，近年来出现了一种信号流图( s f g ) 建模法【l 。”】。这种方法是 线性电路流图理论的拓展。是一种图形化的建模方式，它可以清楚地演示信号 变量之间的因果关系，可以推导出开关变换器的大信号，小信号和稳态模型， 从而为电路设计中的参数调整提供了依据和方向。 1 3 z 源逆变器建模研究概况 z 源变换器的研究成为近年来的一个热点，而要对z 源系统进行准确的设 计和分析，必须基于合适而准确的模型，模型的准确与否与适用程度对于系统 的整体设计具有重大的影响。因此对于z 源电路的建模提出了更高的要求，找 到一种合适而又简便的建模方法对于z 源系统的研究就显得十分重要。 早期的文献【卜3 】中并没有给出z 源变换器的动态模型，仅仅给出简单的稳 态模型，只适用于研究系统而稳态工作点，无法得出系统的大信号模型和小信 号模型，没有大信号模型就无法对系统进行大信号动态分析，没有小信号模型 就无法得出系统主要变量之间的传递函数，进而无法使用经典控制理论及其工 4 具对系统进行频域分析，难以进行控制器设计。 因为稳态模型过于简单，2 0 0 5 年先后出现了更为完善的z 源建模方法和模 型，虽然来自不同的学校和作者，但其基本思路均基于状态空间平均法，文献 2 4 通过使用状态空间平均法引入z 网络中电容和电感的动态特性拓展了稳态 模型，进行小信号扰动后再拉氏变换得出了负载电流连续时的小信号等效电路 模型及其相关传递函数，为控制器的设计和系统参数选择提供了指导。文献 【2 5 - 2 7 】同样也是使用状态空间平均发得出系统的小信号方程，作为状态空间平 均法的补充，【2 7 1 仅引入信号流图进行化简步骤，得出系统状态变量之间的传 递函数，可以进行暂态分析但是依然需要进行状态方程运算和求解，即需要 进行大量的矩阵和代数运算，复杂不直观，容易出错，传递函数也受状态变量 数目的限制，同样作为系统的低频模型，无法对系统进行大信号分析。 如果把z 源变换器看作一个直流源而简化考虑，对于后级三相逆变器的建 模方法已经非常成熟，大多采用状态空间平均法，而为了得到更准确的模型有 的文献【2 2 9 j 采用开关函数法进行建模。 1 4 z 源逆变器控制研究概况 z 源变换器的控制设计一直是z 源逆变器研究的热点，出于简化分析控制 的考虑，一般将直流z 源侧和传统桥式逆变器分别进行控制器设计，对于直流 侧z 源网络的控制有多篇文献【3 肌3 3 1 具体阐述。 【3 0 】中提出的控制策略以输出电已容电压为反馈量进行单环p i 调节器控 制t 进行了线性化处理，改善了系统的动态特性。缺点在于是针对电容电压而 非输出电压进行调节，未必使得直流输出电压满足理想的动态特性。 文献【3 1 】同样是针对电容电压提出了单环控制策略，与3 0 l 不同的是使用 p i d 控制器而非p i 控制器来进行调节，通过增加了微分调节，改善了系统的抗 扰动性能，提高了系统的动态特性。但微分控制仅在系统具有较大时延的效果 比较明显，实际控制中的优点并不非常明显。 文献 3 2 】提出了一种直流峰值p i d 控制策略，直接对输出峰值电压而非电 容电压进行控制，从而提高了控制的准确性，但是因为直流输出峰值电压是一 脉动量而非连续量，需要增加额外的峰值检测电路，增加了成本，而且控制器 参数设计复杂，给整体设计增加了难度，抵消了直接控制所带来的优点。 以上三种控制策略均为单环控制，具有稳定性弱和无法调节输出电流的缺 点，文献 3 3 1 以z 源电路的小信号模型为基础，在电容电压外环之内加入了电 感电流内环，提高了系统的瞬态响应，以电容电压和稳态击穿占空比得出输出 峰值电压进行反馈调节，虽然并非直接检测峰值电压，但较之【3 2 】无需额外的 峰值检测电路，相比于 3 0 3 1 】又是控制的输出峰值电压，理论上是直接控制， 实际上是更进一步间接控制，依然具有其优越性。 对于交流侧逆变器的控制已有很多具有良好特性的控制策略，除了传统的 5 p i d 控制之外还有比如无差拍控制【3 5 4 1 1 ，滑模变结构控制4 2 。4 7 1 ，重复控制4 8 4 9 1 ， 但是目前应用最为广泛的还是双环( 或多环) 控制策略1 5 1 4 9 1 需要指出的是对于三相逆变器因为传统的p i d 控制器无法在静止坐标系下 对交流信号达到无稳态误差调节，一般的解决办法是将三相信号进行坐标变换 到旋转坐标系下变成直流量来进行调节，但是需要大量的坐标变换计算和准确 的同步信号，变换后的变量之间还存在耦合项，从而给控制带来了困难。 那么能否不对信号而是对旋转坐标系下的调节器进行频域变换，从而在静 止坐标系下得到与旋转坐标系下控制效果等效的调节器呢? 从这个观点出发， 近年来提出了一种谐振调节器 6 0 - 6 4 】，省去了对参考信号的调制和解调制。转换 后的调节器直接作用于交流误差信号同步旋转坐标系下的p i 调节器的控制效 果在静止坐标系下同样可以完成。 1 5 本文所做的工作 本文对三相z 源逆变器的基本原理和模型进行了介绍，并以z 源逆变器的 数学模型为基础对控制器的设计进行了理论分析和研究。在理论分析的基础上 进行了三相z 源逆变器系统的控制器设计，建立了三相z 源逆变器仿真平台， 本文的创新点和工作重点可以总结如下： 1 对z 源型逆变器的拓扑及工作原理进行分析，并对z 源逆变器的优、缺 点进行总结。 2 把z 源逆变器分为z 源网络和三相逆变桥分别进行建模。对z 源网络 给出完整的信号流图法建模步骤，不经状态方程，直接得出了系统的大信号， 稳态和小信号模型，大信号模型可以直接用于仿真，稳态模型可以直接得出各 个变量的稳态值，小信号模型可以得出图中任意两个节点之间的传递函数，物 理意义更为明显，直观简便。而且可以使用流图所特有的过程进行化简，大大 降低了计算需求，提高了精确度。对于交流侧桥式逆变电路使用状态空间平均 法得出平均模型和小信号模型。 3 重点分析了z 源型逆变器应用于三相感性负载的控制策略。通过电路结 构和控制目标将整个控制系统分为两个闭环控制结构：交流侧双闭环( 电流内 环和电压外环) ，直流侧z 源双闭环( 电流内环和电压外环) 。特别对于交流侧 双环中的外环，通过在静止坐标系下对电压外环引入谐振调节器，使得所需的 输出频率分量稳态误差为零。避免了坐标变换，从而大大降低了计算需求。 4 为了验证分析地正确性，建立了三相电压型z 源逆变系统的仿真平台， 使用文中所介绍的控制器的仿真模块，进行仿真实验，仿真结果表明了所提出 信号流图模型的正确性和有效性，系统具有很好的动态性能，从而验证了控制 系统的优良性能。 6 第二章z 源逆变器 本章首先介绍了传统逆变器的优缺点和局限性，然后详细介绍了电压型z 源逆变器的电路拓扑，分析了其基本工作原理和输入输出关系，有其独特优点 6 5 - 6 7 o 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电压型 z 源逆变器的研究， 2 1 传统逆变器的优缺点 逆变器是一种电力转换电路，它的功能是将直流电转换成交流龟。直流电 源可以是燃料电池，铅锌电池组或太阳能电池板，因为直流电源不能直接向交 流负载或者电网供电，所以要经过直流交流变换，也就是逆变。但因为物理条 件的限制，直流侧电压往往较低，无法满足部分负载对供电电压的要求，所以 这些直流电源不能直接通过逆变器向负载或电网供电。因此多采用直流升压或 降压后再逆变的多级转换系统向负载供电。 传统的逆变器按照拓扑形式主要分为两类：电压源型逆变器和电流源型逆 变器，下面将分别详细介绍。 图2 - ! 电压源型逆变器拓扑 电压源型逆变器的结构如图2 - l ，主要特征就是直流侧采用电容进行储能。 从而使v s i 直流侧呈现低阻的电压源特性，具有恒定的输入电压源，直流电压 源通常是由蓄电池，燃料电池组、太阳能电池组或者是二极管整流器组成。为 了保证输入直流电压的相对稳定，通常在输入侧接入个大的电容器。逆变器 的输出电压可以是三相或多相，可以是方波，正弦波。阶梯波等。 通过功率管桥路六个开关管的开通或者关断( 通常由正弦脉宽调制或者空 间矢量调制产生控制信号) ，在交流输出侧得到p w m 电压，通过后级滤波电 路将高频分量滤除获得正弦基波电压，完成了整个电压的逆交过程。 电压源逆变器的特点为： ( 1 ) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 ( 2 ) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 ( 3 ) 阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提 7 供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 ( 4 ) 输出电压低于输入电压 ( 5 ) 开关管的控制必须加入死区时间。 圈2 - 2 电流源型逆变器拓扑 电流源型逆变器的特征就是直流侧采用大电感进行储能，从而使直流侧呈 现高阻的电流源特性。结构如图2 2 。直流电压源通常是由蓄电池，燃料电池 组、太阳能电池组或者是二极管整流器组成。为了保证输入直流电流的相对稳 定，通常在输入侧接入一个大的电感。 系统通过功率管桥路在电流源逆变器的交流输出侧得到p w m 斩波电流， 再经过后级滤波电路将高频分量滤除获得正弦基波电流，这就完成了整个电流 的逆变过程。 电流源逆变器的特点为： ( 1 ) 逆变电路中的开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，、故交流 侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形及相位因负载阻抗角不 同而异，电感负载时其波形接近正弦波； 2 ) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故开关器件不必 反并联二极管； ( 3 ) 逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电流无脉动， 输出直流电压的脉动引起功率的脉动。 ( 4 ) 输出电压高于输入电压。 ( 5 ) 开关管的控制必须加入死区时间。 电压源和电流源逆变器具有的共同的特点为：直流储能电路为单级电路， 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交器。也就是说， 可得到的输出电压范围是单方向变化的；功率管桥路开关状态受限，都要加入 死区控制等。 传统的电压源和电流源逆变器均存在固有缺陷，那么有没有一种逆变器可 以结合常规电压源型和电流源型逆变器的优点而避开它们的缺点昵? 既能让开 8 关桥路上下桥臂同时导通或关断而对电路没有损害，无需死区时间从而提高了 电磁兼容的性能，同时满足输出电压可根据需要或升或降呢? 彭方正博士根据 以上考量，对常规型逆变器直流侧储能电路加以改进，将电感，电容同时引入 直流侧组成对称的交叉型网络，得到了z 源型逆交器。 2 2 电压源z 源型逆变器的工作原理 卜戡学斗- z p 斗嚣十兹叫 图2 - 3 电压型z 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，如图2 3 。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z 源型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。根据z 源型逆变器的逆 变单元母线侧的输出特性为电压特性或电流特性将其分为电压源型z 源逆变器 和电流源z 源型逆变器。本文主要考虑电压源型z 源逆交器分析。 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；当负载端分别被下桥臂的或上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。而在电压型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z 源逆交器具有独 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的 应用为三相电压型逆变器提供了独特的升降压特性。 为了分析方便，使z 源储能网络满足对称网络条件，取电感厶、岛和电 容c i 、c 2 满足： 佯c - - 芝c 三： ， 112 = c u 根据对称与等效原理，有： jv l j = v 厶= v l。 1 v c l = = v c 。 在这里考虑电路中器件为理想元件，且开关频率足够高。 9 根据电压型z 源逆变器是否为直通开关状态将电路工作分两种情况 1 ) 当电压型z 源逆变器工作在非直通矢量状态时，其等效电路图为图 2 - 4 ( 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。 此时 v o = 羹麓：弛一 【v c 一= 2 v c v 出 其中，v d 。、k 分别为z 源网络直流输入电压、功率管桥路母线电压 2 ) 当电压型z 源逆变器工作在直通零矢量状态时，有： lv l = v c 屹= 2 v c ( 2 4 ) l v o = 0 此时输入二极管是不导通的，其等效电路图为图2 - 4 ( b ) 五 ，l 1 厶 一+ 石+ 【a 【 + k 一+ 乏+ 【b 【 图2 4 电压模式z 源等效电路图 + i o 稳态条件下，根据电感伏一秒平衡原则，z 源储能网络的电感在一个开 关周期中平均电压为零，由式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 得 二_ k ) i 一 ( 2 3 ) ( 瓦+ t l = t ) 、7 其中：巧为一个开关周期中直通零状态时间；五为一个开关周期中非直通 状态时间；r 为开关周期时间。 由式( 2 5 ) 得z 源储能电容电压为： v c = 卉 ( 2 6 ) l o 击穿占空比d 图2 - 5 击穿占空比和升压复制的关系 在非直通矢量状态下功率管桥路直流输出电压峰值对输入电压的增益关系 如图2 5 ，升压系数b 为： 胙瓦v o = 矗乱 v m t l t 0 、7 对于逆变单元，交流输出正弦斩波电压峰值与直流母线电压的增益m 为： 掰= g l ( 2 8 ) v o 。 w 交流输出绿波电容电压即交流输出电压 因此，对整个电压型z 源逆变器，可输出调制正弦波电压 v 矿= v o m = i 二i k m = b 肘v 血 ( 2 9 ) 1 1 1 0 由式( 2 9 ) 知，控制功率管桥路的直通零矢量占空比和正弦调制因子就可 调制出任意大小的交流电压。这同常规电压源型逆变器交流输出只能降压的特 性相比，扩大了整个系统的交换范围，适用于更多的应用场合。需要指出的是。 z 源逆变器的调制策略因为允许后级桥臂上下直通，需要在传统的调制策略上 做出改动，已有多篇文献详细阐述此点【6 8 7 0 】，非本文研究重点，故未作讨论。 如果要在更多的应用场合使用z 源变换器，就必须全面了解z 源系统的特 性，而要对z 源系统进行准确的分析和设计，必须基于合适而准确的z 源逆变 器模型，模型的准确与否与适用程度对于系统的整体设计具有重大的影响，因 此对于z 源电路的建模提出了更高的要求，找到一种合适而又简便的建模方法 对于z 源系统的研究就显得十分重要。 出于以上考虑，本文将在下节分别使用目前广泛应用的信号流图法和本 文重点阐述的信号流图法对z 源逆变器进行深入建模对比分析，出于分析完整 性的考虑，亦将给出一般逆变器的开关函数法建模步骤。 第三章z 源逆变器建模 z 源逆变器研究的拓展就是其闭环控制的研究与分析，主要关注点为稳定 性，抗干扰能力和动态特性等等。这些问题均可以通过对z 源逆变器进行建模 来进行理论研究。前文所述，z 源逆变器可以被分为直流z 源网络和交流逆变 器两个部分来进行分别建模，逆变器电路的模型已有深入研究【2 2 7 1 ，因此并非 本文重点，将在下一节简要介绍。本节主要针对z 阻抗网络进行数学建模，首 先介绍目前已有的基于状态空间平均法以及等效电路的方法，和基于状态空同 平均法和信号流图化简的方法，分析其优缺点，最后重点介绍不依赖于状态空 间平均法的完整信号流图建模方法，具有其独特优点。 在使用信号流图法分别得出系统的大信号，小信号和稳态模型后，分别将 其应用于对系统的分析之中。特别是得出对于控制设计最为重要的控制输出传 递函数，发现其存在右半平面零点，从而给控制系统的设计带来了困难。其在 s 平面的位置随着z 网络原件参数的取值而变化，将使用所得出的传递函数进 行详细分析以给控制器设计提供参考。 【z 6 所提出的方法与【2 4 】部分类似，首先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，区别在于在得出小信号方程以后，并 未使用 2 4 所使用的等效电路表达，而是转化为信号流图表达，优点在于直观 易懂，而且可以使用流图规则对方程进行化简，最后得出所需的传递函数。这 种方法的缺点与【2 4 】相同，因为均基于状态空间平均法，所以仅能得到系统的 低频模型，无法得出系统的大信号模型，而且基础步骤需要大量的矩阵运算， 方程繁杂而且极易出错。【2 7 部分使用了信号流图的方法进行化简，相比较于 2 4 节省了部分运算，但是依然无法脱离状态空间平均法，而且从小信号方程 推导至信号流图模型并不简单，容易出错。 本文直接使用信号流图法对z 源网络迸行建模和化简，最终得出系统的大 信号小信号和稳态模型，降低了矩阵运算的需要，只需要使用流圈所特有的化 简法则进行推导，直观易懂而且具有物理意义，可以用来更深入地对z 源电路 进行分析。 本章介绍了状态空间平均法和信号流图法的基本原理和步骤并将信号流图 法用于对直流侧z 源变换器进行建模分析，并使用开关函数法得出交流侧逆变 器整体模型和单相小信号模型并应用于分析。 3 1 z 源网络的状态空间平均模型 为了方便对比，本节给出z 源电路的状态空间平均模型建模步骤并得出系 统的稳态和小信号模型因为感性负载，所以负载电流认为连续。定义状态变 量为一向量： 1 2 j ( f ) = i t , q ) i t 2 ( t ) v o ( t ) v c 2 ( t ) i o ( t ) ( 3 1 ) 输入电压为独立电压源，负载阻抗为z 妇= 见+ 出，假定z 阻抗网络是 对称的，厶= l 2 = 厶c j = c 2 = c 。 在直通模式下的电路方程用状态空问表示为殿= a t x + b ，”： 其中： d 一 出 i u ( t ) l i 厶0000i10 0 10 豇2 ( f ) m ( f ) w 2 ( f ) 厶( f ) f = ol 2000 0oc l00 o0oc 20 oooo 厶 l i0000 ol 200 0 ooc l00 oooc 20 oooo 厶 a 1 = o o 一1o o l oo 0l o o o o o o o o o 0 一r 。 i l l ( t ) i l 2 ( 0 r e ( t ) 抛2 ( f ) i o ( t ) 0 0 0 010 001 0-10000 1 b ，： 0ol ii = 。0 - 。1 0 0 00 1 r t j oo f 同理，在非击穿状态下的状态方程为： d 出 其中： a 2 2 oo o0 0l lo o o o o - 1 1 一亿 b 2 2 豇l 豇2 ( f ) v c l ( t ) 佑2 ( ，) i o ( t ) 1 1 o 0 - 1 o o o o o + 匡 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 瞰f ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 定义击穿占空比为d ，则非击穿占空比为1 一d 。 小信号之间的关系，通过