风力发电中z源逆变器的分析与作用

毕业设计（论文）题目风力发电中Z源逆变器的分析与作用所属院（系）电子信息工程2012年06月06目录摘要IIIABSTRACTIV绪论111引言112主要研究内容113研究的意义2第一章风力发电简介311风力发电简介313风力发电原理414中国的风能资源5141概况5142中国风电总体市场615风力发电的优缺点6第二章Z源逆变器的提出821传统逆变器的电路拓扑的理论局限822电压型和电流型逆变器拓扑简介823电压型和电流型逆变器拓扑的理论局限924新型的Z源逆变器11241Z源逆变器的提出11242Z源逆变器的优点11第三章Z源逆变器主电路及原理1331Z源逆变器的工作原理1332Z源逆变器的升降压原理1733Z源逆变器的仿真及结果分析2234本系统实现的设计方案23第四章Z源逆变器的控制2541基于Z源并网逆变器系统控制2542Z源逆变器的各种控制方法26421按实现短路零矢量的方法不同分类26422按注入短路零矢量的方法不同分类2743空间矢量实现流程图及仿真结果分析29第五章控制系统软件设计3451软件设计原则3452程序的总体设计3453程序的编制3454程序的检查和修改3455程序的调试35总结36参考文献37致谢38摘要随着常规能源过度消耗和环境污染问题日益突出，能源消耗与环境保护的压力使得各国政府加大了对清洁的新能源和可再生能源的投入。风能作为一种可再生能源受到了越来越多国家的重视，尤其是在欧美国家。我国风能利用还处在起步阶段，如何开发和管理风力发电，将关系到我国能源结构供应和调整以及控制污染和经济可持续发展的问题。风力并网发电是发电应用发展的趋势，逆变器是风力并网发电系统核心部件之一，由于传统的电压型和电流型逆变器存在着原理上的障碍和局限，因此本论文主要分析一种新型Z源逆变器，它能够克服传统电压型和电流型逆变器的理论局限。在电压型逆变器中引入Z网络后，使逆变器主电路的直通成为可能，并且可以利用逆变器的直通使Z源逆变器成为一个升压降压型的逆变器。本论文对Z源逆变器的电路拓扑结构、升降压原理以及等效电路进行了详细的分析、通过分析根据不同的研究角度得出了Z源逆变器的优点，然后讨论了阻抗源变换器的各种控制方法，最后通过分析计算设计出Z网络，电压电流采样调理电路等。关键词Z源变流器；电压型；电流型；并网逆变器ABSTRACTWITHTHEEXCESSIVECONSUMPTIONOFTHEROUTINEENERGY,THEPROBLEMSOFENERGYCRISISANDPOLLUTIONBECOMEMOREANDMOREPROMINENT，THEPRESSUREFROMTHEENERGYSAVINGANDENVIRONMENTPROTECTIONMAKESTHEGOVERNMENTSINPUTMOREINTOTHERENEWABLEENERGIESASAKINDOFCLEANANDRENEWABLEENERGY,WINDPOWERHASGAINEDMOREANDMOREATTENTIONSFROMTHEGOVERNMENTSOFTHECOUNTRIESALLOVERTHEWORLD，ESPECIALLYFROMCOUNTDESINEUROPEANDAMERICA。WINDPOWERISJUSTATITSBEGINNINGSTAGEINCHINASOHOWTODEVELOPANDADMINISTRATEWINDPOWERINCHINAWILLHAVEEFFECTONTHEENERGYSUPPLYANDITSSTRUCTURALADJUSTMENT，ONTHEPOLLUTIONCONTROLANDTHESUSTAINABLEDEVELOPMENTOFCHINESEECONOMYTHEGRIDCONNECTEDPHOTOVOLTAICSYSTEMISATYPEOFPHOTOVOLTAICSYSTEMDEVELOPMENTTHETRADITIONALINVERTERISWIDELYUSEDINALLKINDSOFCONVERSIONS,HOWEVER，ITHASCONCEPTUALANDTHEORETICALBARRIERSANDLIMITATIONSINORDERTOOVERCOMETHEPROBLEMSOFTHETRADITIONALINVERTER,ANEWTYPEINVERTERNAMEDZSOURCEINVERTERISPRESENTEDITMAKESTHESHOOTTHROUGHSTATEPOSSIBLEBYEMPLOYINGAUNIQUEIMPEDANCEZNETWORKTHISUNIQUEIMPEDANCENETWORKALLOWSTHEZSOURCEINVERTERTOBUCKANDBOOSTITSOUTPUTVOLTAGEINTHISPAPER,THEOPERATINGPRINCIPLEINTRODUCESTHEBUCKBOOSTMECHANISMOFTHEZSOURCEINVERTERFIRSTTHEADVANTAGESOFTHEMECHANISMCANBECLEARLYSEENFROMMANYPERSPECTIVESBASEDONTHEDUALITYPRINCIPLEITGIVESMANYSIMULATIONANDEXPERIMENTALRESULTSTOVERIFYTHEPERFORMANCEANDCHARACTERISTICSOFTHECIRCUITACCORDINGTOTHEMODEL,THISPAPERDISCUSSESTHEDESIGNMETHODOFTHEVOLTAGEFEDZSOURCEINVERTER,INCLUDINGTHEDESIGNMETHODOFMAINCIRCUITANDSAMPLINGCIRCUITKEYWORDSZSOURCECONVERTERVOLTAGEFEDCURRENTFEDGRIDCONNECTEDINVERTER绪论11引言风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为274109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。随着世界性能源紧张和环境污染加剧，已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。我国正处在经济转轨和蓬勃发展期，能源问题将更加突出，主要体现在能源短缺、环境污染、温室效应，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源，而风能能具有储量大、普遍存在、经济、清洁环保等优点，因此风能的利用越来越受到人们的广泛重视，如发电过程无污染、无需生产原料、不占据空间，风力发电作为常规能源的补充，无论在解决特殊应用领域，如通信、信号电源和偏远无电地区民用生活用电需求方面，还是从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。12主要研究内容（1）本论文阐述了传统电压型和电流型逆变器的缺点，并在彭方正教授提出的Z源变换器电路拓扑结构的基础上，详细分析了电压型Z逆变器电路的拓扑结构，等效电路，升降压原理，控制方法等。（2）给出了并网逆变器控制方案，并分析了每个环节具体控制思路和控制方法，并对整个系统进行了设计，包括主电路、控制电路、驱动保护电路等的设计。（3）在介绍矢量等效原理基础之上，通过建立矢量调制各部分电路模型，最终建立了空间矢量调制SVPWM的整体模型，并给出了空间矢量调制计算流程（4）根据并网的控制目标，确定了逆变器的并网控制方式，并进行了并网控制方案的选取，并给出了相应的软件控制流程图，最后对本论文进行了总结和展望。13研究的意义风能并网发电系统是通过把风能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。风能并网发电技术是风能利用技术的一个重要方面，其理论指导意义在于利用该系统采集的风能系统运行数据，可进行更为深入的风能研究开发，推动风能利用和研究事业的发展，进而使得风能并网逆变技术越来越趋于成熟。现实意义在于，风能发电作为常规能源的补充，越来越受到人们的重视；并网系统省掉容易产生的蓄电池，减少投资成本，直接通过并网逆变器把电能送入电网。从环境保护以及能源战略上都具有重大意义。并网发电系统具有以下优（1）利用清洁干净、可再生的自然能源风能发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。（2）所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。（3）分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。（4）可起调峰作用。联网风能系统是世界各发达国家在风力发电应用领域竞相发展的热点和重点，是世界风能发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。第一章风力发电简介11风力发电简介风是一种潜力很大的新能源十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力即750万千瓦；一马力等于075千瓦的功率有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。利用风力发电的尝试，早在二十世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下。目前，据了解，国外已生产出15，40，45，100，225千瓦的风力发电机了。1978年1月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机，其叶片直径为38米，发电量足够60户居民用电。而1978年初夏，在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置，其发电量则达2000千瓦，风车高57米，所发电量的75送入电网，其余供给附近的一所学校用。1979年上半年，美国在北卡罗来纳到的蓝岭山，又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径60米；叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在38公里以上时，发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里，因此风车不能全部运动。据估计，即使全年只有一半时间运转，它就能够满足北卡罗来纳州七个县1到2的用电需要。12风力发电历史风很早就被人们利用,主要是通过风车来抽水、磨面。现在，人们感兴趣的，首先是如何利用风来发电。风是一种潜力很大的新能源，人们也许还记得，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力即750万千瓦；一马力等于075千瓦的功率有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。利用风力发电的尝试，早在本世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下。目前，据了解，国外已生产出15，40，45，100，225千瓦的风力发电机了。1978年1月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机，其叶片直径为38米，发电量足够60户居民用电。而1978年初夏，在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置，其发电量则达2000千瓦，风车高57米，所发电量的75送入电网，其余供给附近的一所学校用。1979年上半年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山，又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径60米；叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在38公里以上时，发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里，因此风车不能全部运动。据估计，即使全年只有一半时间运转，它就能够满足北卡罗来纳州七个县1到2的用电需要。13风力发电原理把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮包括尾舵、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只或更多只螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料如碳纤维来制造。（现在还有一些垂直风轮，S型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在620米范围内。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统风力发电机充电器数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。14中国的风能资源141概况我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿KW，其中，陆地上风能储量约253亿KW（陆地上离地10M高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约75亿KW，共计10亿KW。而2003年底全国电力装机约567亿KW。风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。142中国风电总体市场“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。2006年，中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2007年我国风电产业规模延续暴发式增长态势，截至2007年底全国累计装机约600万千瓦。2008年8月，中国风电装机总量已经达到700万千瓦，占中国发电总装机容量的1，位居世界第五，这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。2008年以来，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。2009年，中国（不含台湾地区）新增风电机组10129台，容量138032MW，同比增长124；累计安装风电机组21581台，容量258053MW。2009年，台湾地区新增风电机组37台，容量779MW；累计安装风电机组227台，容量43605MW。15风力发电的优缺点优点1、清洁，环境效益好；2、可再生，永不枯竭；3、基建周期短；4、装机规模灵活。缺点1、噪声，视觉污染；2、占用大片土地；3、不稳定，不可控；4、目前成本仍然很高。5、影响鸟类。16风力发电的前景中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点。按照国家规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7000元计算，根据风能世界杂志发布，未来风电设备市场将高达1400亿元至2100亿元。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。2009年该行业的利润总额将保持高速增长，经过2009年的高速增长，预计2010、2011年增速会稍有回落，但增长速度也将达到60以上。风电发展到目前阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于能力每增加一倍，成本就下降15，近几年世界风电增长一直保持在30以上。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之路。第二章Z源逆变器的提出21传统逆变器的电路拓扑的理论局限近年来，传统电压源型逆变器和电流源型逆变器拓扑在各种场合都得到了广泛的应用，且控制技术也己经非常成熟，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，甚至无法满足一些特殊情况下的要求。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，需要提出了一种新型的逆变器。自美国密西根州立大学的彭方正教授于2002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。无论是在常规的无源逆变场合，还是在新兴的回馈式有源逆变场合，都可以看到Z源逆变器的应用。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。本论文所应用的就是这种新型Z源逆变器系统，可以较好地解决传统电压源型逆变逆变器和电流源型器和电流源型逆变器拓扑所存在的缺点，利用直通零矢量获得一些传统电压源型逆变器电路所无法实现的功能。因此，采用这种新型的Z源逆变器来取代传统的传统电压源型逆变器和电流源型逆变器会产生很大经济和社会效应。22电压型和电流型逆变器拓扑简介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也可以变化。电压源型逆变器拓扑可以看做是由BUCK变换电路拓展而来的，电压源逆变器也可以称为电压源变流器，而且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用来储能的电容器。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，它的输入侧需要一个恒定的电流，即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。如果电源电流不够恒定，可以在输入侧接入一个大的用来储能的电感器。可以看出，电流源逆变器其实是电压源逆变器的对偶电路。23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着一些概念上和理论上的局限性和障碍，在许多应用场合会造成电力电子装置造价高，效率比较低。直流电压源三相桥逆变器图21传统的电压型逆变器电路结构图21示出了传统的三相电压型逆变器原理的电路结构。对于DC/AC逆变器，一个直流电压源向逆变器主电路三相逆变桥供电，将直流电能变换为交流电能，供给交流负载。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）电压源逆变器交流负载只能是电感性或串联电抗器，以保证电压源逆变器能够正常工作。（2）电压源逆变器是一种降压式逆变器，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，因此对于直流电压较低，同时又需要较高的交流输出电压的DC/AC功率变换应用场合，则必须加一个额外的DC/DC变换器，如升压电路或者升压变压器等，这就增加了系统的成本、体积和控制复杂性，降低了变换效率。（3）每个桥臂上、下器件不允许直通，否则会损坏器件，引起系统崩溃。因此它的抗电磁干扰能力较差，容易由于干扰而产生开关管误开通误关断而影响系统可靠性。直流电流源三相逆变器图22传统的电流型逆变器电路结构图22示出了传统的三相电流源变流器原理的电路结构。对于DC/AC逆变器，一个直流电流源为逆变器主电路三相逆变桥供电，通过其将直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量相对较大的电抗器，由电池、燃料电池堆、二极管整流器或晶闸管整流器等电压源供电。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）传统的电流型逆变器电路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，因此，电流源逆变器是一个升压型逆变器。因此对于需要宽电压范围的应用场合，需要一个额外的DC/DC降压式变换器。如降压电路或者降压变压器，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。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（1）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，使得它们的应用场合受到限制。（2）它们的抗电磁干扰能力较差，影响了它们的可靠性。24新型的Z源逆变器241Z源逆变器的提出新型Z源逆变器5的提出为功率变换提供了一种新的逆变器拓扑和理论，可以克服前述的传统电压源和电流源逆变器的不足。图23给出了Z源功率变流器的一般拓扑结构，它是一个包含电感L1、L2和电容器C1、C2的二端口网络接成X形，以提供一个Z源，这个Z源网络，将逆变器主电路与电源或负载耦合。阻抗源电路是阻抗逆变器的能量存储和滤波元件，它有第二级滤波器，比传统的逆变器中单独使用的电感器和电容器能有效的抑制电压电流脉动。Z源逆变器与传统的电压源或电流源最大的不同和独特之处是它允许逆变桥臂瞬时开路和短路，这为逆变器主电路根据需要升压或降压提供了一种机制。在Z网络中，当两个电感器都很小时，接近于零时，Z网络相当于两个电容器并联，成为传统的电压源逆变器，因此，对于传统的电压源逆变器电容器的要求和物理尺寸相当于阻抗源电路最坏的情况时的要求，考虑到电感器提供附加滤波和能量存储，相比传统电压源逆变器，阻抗源电路要求电容小，其尺寸也小。同理如果这两个电容器很小接近于零，Z网络中相当于两个电感串联，构成传统电流源逆变器，因此阻抗源电路要求电感和尺寸都不大。242Z源逆变器的优点与传统的电压源逆变器或电流源逆变器不同的是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，它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，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，Z源网路输入阻抗较小，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，输入阻抗较小。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L1L2C2C1Z源网络逆变器图23Z源逆变器的一般拓扑源逆变器结构，Z源网络输入阻抗较大，所采用的开关器件和二极管串联的组合，负载为容性，输出阻抗较小。（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瞬时短路，并通过特殊的控制方式引入短路零矢量而为逆变器的升压提供可能。以电流型逆变器模式工作时，Z源逆变器主电路可以承受瞬时开路，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。Z源逆变器可以应用于许多工业应用的场合从家用电器如微波炉、感应炊具到航空航天工业，从个人电脑电源到工业自动化如燃料电池和混合电动汽车等。第三章Z源逆变器主电路及原理31Z源逆变器的工作原理前面提到，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，相应的逆变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。为了分析的简便，本文重点研究了电压型Z源逆变器，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。三相Z源逆变器如图24所示，具有9个允许的开关状态，而不像传统的三相电压源逆变器那样只有8个。见表21Z源逆变器的各种开关状态。L1C1C2L2V0图24电压型Z源逆变器的主电路拓扑结构当直流电压加到负载上时，传统的三相电压源逆变器具有6个非零电压矢量；当负载端分别被下面的或上面的三个器件短路时，三相电压源逆变器还有2个零电压矢量。然而，三相Z源逆变器还有一个额外的零电压状态（或零电压矢量），当通过任何一相桥臂（即上下器件门控开通），任何两相桥臂或者三相桥臂上器件使负载端短路时，三相阻抗源逆变器桥有一个额外的零状态或矢量，这种贯通零矢量或者直通零矢量在传统的电压源逆变器中是禁止的，因为它将导致直通。Z源网络使直通零电压状态（或矢量）成为可能，恰恰是这个直通零电压状态为逆变器提供了独特的升/降压特性。直通零矢量产生直通零矢量的控制时序图表21Z源逆变器开关状态开关状态S1S3S5S4S6S2有效矢量100100011有效矢量010010101有效矢量001001110有效矢量110110001有效矢量101101010有效矢量011011100传统零矢量111111000传统零矢量000000111直通零矢量1XX1XX直通零矢量X1XX1X直通零矢量XX1XX1直通零矢量11X11X直通零矢量1X11X1直通零矢量X11X11直通零矢量111111Z源逆变器与一般的DC/DC电路不同的是其Z网络可以等效为一个两级升压电路，先由电源先升压至Z网络中的电容电压，再由Z网络电容电压升至Z网络输出电压。引进Z网络后，当逆变桥处于直通零电压状态，可等效为负载短路，如图26所示。而当处于6种非零电压状态时，逆变桥则变成一个等效电流源，如图27所示。注意到当处于两种传统的零电压状态时，逆变桥也可以用一个零值电流源（或开路）来代替。具体分析如下。若电感2,21CL,Z网络成为一个对称网络，由电路对称性则有VC21和LLLV21。21假设在一个开关周期T中，直通状态的时间为T0，从等效电路图26，有0ICVL，。22假设在一个开关周期T中，逆变桥工作于非直通零电压状态的时间为T1，从等效电路图27，有002VCVVCVLLI，23其中，VO是直流电源电压，10T由Z源电感两端的平均电压在一个开关周期T内应满足伏秒特性，即一个开关周期的平均储能为0，从公式22，23，有0010CLVTVV24由Z源电感两端的平均电压在一个开关周期T内应满足伏秒特性，即一个开关周期的平均储能为0，从公式22，23，有0010CLVTVV即Z源上的电容电压01C25在一个开关周期的有效矢量作用时间中加在逆变桥的直流电压为00102VBTVCVI（26）VOVL1VL2图26当逆变桥处于直通状态时VOVL1VL2ILVLIL1IL2图27当逆变桥处于8种传统状态时其中，12001TB，它是由直通零电压状态得到的升压因子，或者TB0是直通占空比。另一方面，逆变器输出相电压的峰值可以表示为2IPMVM（27）其中M为逆变器的调制因数。对于正弦脉宽调制（SPWM）,M1；对于空间矢量PWM控制，32M。应用公式（26），公式（27）可进一步表示为0021VBVPM（28）公式28表明通过调节直通状态的时间T，即选择合适的升/降压因子B，输出电压就可以升高和降低。BM（29）可见，升/降压因子BB是由调制因数M和升压因子决定，而升压因子B受逆变器PWM控制非直通状态上的直通状态占空比控制，即在逆变器的PWM控制中，控制直通零电压状态的时间相对于零电压矢量的比。从上述理论分析可以看出阻抗源逆变器的独特的特性是输出交流电压，不管输入电池电压如何，它可以是零和无穷大之间的任何值。即阻抗源变换器是电压范围很宽的降压升压的变流器。它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，并使三相逆变器可以承受瞬时短路。而传统的电压源或电流源逆变器不能得到这样的特性。另外，Z源逆变器允许瞬时开路和短路。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。32Z源逆变器的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DC/DC电路作比较。Z源逆变器的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VC，再由Z网络中的电容电压升压至Z网络输出IV。图28为传统的DC/DCINVERSEOFWATKINSJOHNSON电路，它具有两个工作等效电路，如图29所示。在一个开关周期T中，开关1导通时，假设开通时间为TD1，由图29A所示的等效电路，可得，0LGVV可得VO1212IL2VO12IL2VG12图28DC/DCINVERSEOFWATKINSJOHNSON电路0VVGL（210）当开关2导通时，有如图29B所示的等效电路，假设开通时间为0T可得L0（211）在一个开关周期内电感元件平均储能为零，则有01VTVGOL从而在DC/DCINVERSEOFWATKINSJOHNSON电路中有DG210102121DVLVGVOAVOVLDVTB图29DC/DCINVERSEOFWATKINSJOHNSON等效电路对于Z源逆变器，正常工作时也具有直通和非直通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211A所示的等效电路，这时有，LVVC；当逆变桥工作于非直通状态时，有如图211B所示的等效电路，这时有，VC0LV，从而Z源逆变器也有DTVC21010213在前一级升压中Z源逆变器中的CV和DC/DCINVERSEOFWATKINSJOHNSON电路中的输出电压0对应，0和输入电压G对应。VLVDA开关导通时VLVDVOB开关断开时对于传统的DC/DCBOOST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210A所示的等效电路，这时有，DLVV，电感被电源充电储能；当开关关断时，有如图210（B）所示的等效电路，这时有，0V，电感向负载放电释放能量。同理010TVD214从而在DC/DCBOOST电路中有DTDO101（215）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211A所示的等效电路，这时有，LVCV，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211B所示的等效电路，这时有，02VCVLCI，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DVCVI1,（216）在后一级升压中Z源逆变器中的和DC/DCBOOST电路中的输入电压DV对应，IV和DC/DCBOOST电路中的输出电压0对应。最后将两级升压联系起来，最后可以得到DVVI210（217）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DC/DCINVERSEOFWATKINSJOHNSON和DC/DCBOOST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。VL1TOVC2VC1A直通状态VL1VL2T1VTVOVC2VC1B非直通状态图211Z源逆变器等效电路33Z源逆变器的仿真及结果分析前面几小节内容主要通过等效电路分析的方法给出了Z源逆变器理的升降压原理，下面这一节主要通过仿真来分析Z源逆变器的升压特性。仿真电路结构图如图212所示。图212仿真电路结构图变换电路采用的是单相全控桥式逆变电路，4个开关管采用的是绝缘栅双极性晶体管IGBT，它们的S极和D两端都集成一个反并联的快速恢复二极管，仿真参数取值为直流电压源为20V，0L为10MH，电阻为10，开关周期为01MS在一个周期内维持非直通状态时间为60的周期时间，直通状态维持40的周期时间，即MSTS6,041，当Z网络电感为400H，电容取160F时，逆变器电压和电容电压波形如图213所示。逆变器电感电流和逆变器电流如图214所示。根据前面理论分析有逆变器在一个开关周期的有效矢VBVVOOCI10201量作用时间中加在逆变桥的直流电压峰值为VBTVVOOCI10201，而仿真结果大约是110左右，计算结果与仿真结果存在10误差，电容电压值约为65V左右，而直流电压源仅有20V，可见Z源逆变器的具有升压功能。图213电容电压和逆变器电压图214电感电流和逆变器电流34本系统实现的设计方案在本系统中将风轮部分输出的直流电，通过Z源变换器转换为交流电，再经过滤波后得到220V，50HZ正弦交流电。其中Z源变换器是变压部分，逆变器采用全桥逆变器，控制电路的核心芯片采用TMS320LF2407，用于产生驱动IGBT模块的脉冲信号，完成锁相功能，控制逆变器输出的交流电流为稳定的高品质的正弦波，保证并网逆变器输出的电流与电网相电压同频同相，滤波电感作用分离电网电压和并网系统输出的电压，同时电感对电流有一定的阻尼作用，从而有利于控制系统的稳定运行，滤出并网系统交流侧PWM信号的谐波的谐波电流，保证输出良好的交流正弦波，通过对电感电流的跟踪控制，输出与市电电压同频同相的并网电流，以高功率因数回馈电网，如图215所示。图215系统整体框第四章Z源逆变器的控制41基于Z源并网逆变器系统控制基于并网发电的三相Z源逆变器系统整体控制包括三个组成部分交流电流内环即并网电流内环，Z源电容电压外环和输入电压环或直通零矢量环。见图216基于Z源并网逆变器系统控制示意图。考虑到Z源电容电压CU为整个并网逆变系统的重要电气参量，其电压如果过低，将无法提供系统逆变的必要条件，而电压值过高，又会使功率管过压损坏，因此需要对Z源电容电压采用闭环控制，稳定Z源电容电压，从而保证整个Z源逆变器的可靠运行，使其电压值稳定在合理的指令给定值，其控制输出为交流电流环的幅值指令。为了减小并网电流谐波，实现并网电流的正弦化，也采用交流电流闭环跟踪控制，其正弦指令幅值为Z源电容电压闭环的输出量，其正弦量为电网锁相的单位正弦信号。直通零矢量调制信号用STU表示，电流内环计算出的正弦波调制信号和直通零矢量调制信号的合成信号，通过三角载波的比较生成最终形成6路PWM信号。STU图216基于Z源并网逆变器系统控制示意图42Z源逆变器的各种控制方法421按实现短路零矢量的方法不同分类（1）单相短路控制图41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。如下图42所示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。由于该控制方法简单，容易实现，所以本系统Z源逆变器的短路零矢量采用该控制方法来实现。（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43为实现两相短路的一种控制时序图。同单相短路一样，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。短路零矢量图42实现两相短路的一种控制时序图（3）三相短路控制短路零矢量图43实现三相短路的一种控制时序图422按注入短路零矢量的方法不同分类（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44为实现简单控制的时序图。它是在传统的正弦PWM调制中，采用一个等于或者大于三相参考电压峰值的直流电压来控制直通占空比。和传统的正弦PWM调制一样，Z源逆变器保持六个有效状态不变。对于这种简单控制方法来说，当调制因数M增大时，可以得到的直通占空比减小。短路零矢量图44简单控制的时序图（2）PWM改造方法在这种控制方法下，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45为实现PWM改造的控制时序图。3最大升压控制方法由前面的分析我们知道，通过调节直通状态的时间TO，即选择合适的升压因子，输出电压就可以升高。在这种控制方法下，为了增大短路零矢量占空比可以将所有的传统零矢量都变成了直通零矢量来实现。图46为实现最大升压控制的时序图。这种控制方式和传统的载波PWM控制方式非常类似，基本思想还是保持六个有效状态不变而使所有的零状态变成直通状态。因而对于任意给定的调制因数M我们可以得到最大的直通状态的时间图45PWM改造方法的时序图TO和升压因子B，输出的波形也不会发生畸变。由图46可以看出当三角载波大于参考正弦波的最大值或小于参考正弦波的最小值时，电路处于直通状态。图46最大升压控制的时序43空间矢量实现流程图及仿真结果分析空间矢量合成计算步骤大致为，根据参考矢量的所属扇区选择，参与合成的基本空间矢量，为避免传统算法中的反正切计算，也可以采用了一种电压空间矢量的简化算法，可直接采用参考电压来判断扇区和作用时间；计算每个空间矢量的作用时间（即占空比），或者计算出相应时间间隔，最后通过计时器计算出数据转化称为时间间隔，见流程图47基于DSP的空间矢量实现流程图。图47基于DSP的空间矢量实现流程图在分析了电压空间矢量控制原理的基础上，采用输入电压空间矢量定向，通过对算法的分析，建立了算法的各个环节的仿真模型，通过直接计算空间电压矢量的位置和作用时间，从而大大简化了计算，得出了最终实验波形，见图48到图413仿真波形。图48扇区波形仿真图49三个特定矢量仿真图410调制波与三角波合成图411T1作用时间图412调制波图413输出驱动六路开关的脉冲信号因为给定的REFU以一定的角速度匀速旋转，则扇区周期性的从1跳变为6，见图48给出扇区号N在仿真过程中的变化曲线，由图410给出的调制波与三角波合成图形以及图412给出的马鞍形调制波，分析表明该曲线是正弦波与三倍频三角波的叠加，最后输出用于驱动的六路开关脉冲信号，见图413输出驱动六路开关的脉冲信号。第五章控制系统软件设计51软件设计原则目前单片机控制系统的软件设计，可以使用汇编语言或高级语言，虽然汇编语言比高级语言繁琐，但它能最充分地发挥指令系统的功能与效率，可获得最简练的目标程序。该软件设计就是采用PLC汇编语言。软件设计包括拟定程