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基于新型SVPWM的Z源逆变器研究
作 者:中国矿业大学信息与电气工程学院 张伦健 刘建坤 陈利萍

1 引言
风能、燃料电池及光伏发电这些新能源发电输出的直流电压不稳定,实际应用时需要对直流电压进行稳压。传统的电压源逆变器和电流源逆变器或为升压型逆变器,或为降压型逆变器,不能同时实现升/降压,且抗电磁干扰的能力较差。z源逆变器的提出有效的克服了上述不足,其具体优势表现为:升压功能,通过控制直通占空比易于实现升压功能,在电源电压波动及电网电压跌落较大的场合中具有较强的优势;逆变器安全性高,z源阻抗网络使得直通工作状态在升压的同时也抑制了上下管直通带来的威胁,提高了逆变器的安全性;消除开关死区,减小交流输出电压的波形畸变;与传统的两级电路相比较,zsi减少了中间dc/dc变换的1个控制管,同时也减少了控制电路和保护电路[1]。
zsi由于其独特优势引起了国内外学者的广泛关注和研究。文献[2]具体阐述了zsi通过在不改变有效空间矢量作用时间的条件下,在零矢量中插入直通零矢量来实现升压功能。文献[3]介绍了一种将直通时间分为4段的svpwm控制,零矢量最大利用率有限。文献[4]介绍了一种将直通时间分为6段的svpwm控制,其零矢量最大利用率为75%。本文分析了电压模式z源逆变器工作原理,详细阐述直通状态分段svpwm,并提出一种在直流电压跌落时可以提高度越系统故障能力的新型6段式svpwm直通时间分配方法,并进行了仿真分析。

2 z源逆变器及其工作原理
zsi的拓扑结构如图1所示。与传统vsi相比,zsi在中间直流侧引入了一个z源网络。z源阻抗网络由大小相等的两个电感l1、l2和两个电容c1、c2组成,连接成x形,将变换器和直流电源耦合在一起。由于阻抗网络的存在,使得z源逆变器允许出现上下桥臂直通状态,也正是利用这种直通状态,zsi得以实现直流升压功能[2]。


图1 z源逆变器拓扑结构


zsi可工作于非直通与直通两种状态,从直流侧看,在一个开关周期内,非直通状态时zsi输出可等效为电流源,其中零矢量状态时对应零值电流源,而直通状态时zsi输出相当于被短接。两种工作状态时zsi等效电路如图2、3所示。
由于z源阻抗网络中电感l1、l2和电容c1、c2大小相等,z网络为对称网络。由等效电路的对称性,可得:
vc1= vc2= vc,vl1= vl2= vl          (1)


图2 直通状态时z源逆变器等效电路


图3 非直通状态时z源逆变器等效电路


在一个开关周期ts中,zsi工作于直通状态的时间为tsh,由图2:
vc = vl ,vd =2 vc ,vi =0           (2)
在一个开关周期ts中,zsi工作于非直通状态的时间为ts-tsh,由图3:
d = v0 ,vl = v0 - vc ,vi = vc – vl =2 vc – v0    (3)
根据伏秒平衡原理,在一个开关周期ts中,电感两端的平均电压稳态时为0,直通占空比d0=tsh/ts,由式(2)(3)可得:



式中,m为逆变器的调制因子,正弦脉宽调制(spwm)时m≤1,空间矢量脉宽调制(svpwm)时。
定义增益因子g=mb,式(9)说明,选择合适的增益因子g可以得到升高或降低的输出电压。
        (10)
通过上述理论分析可知,zsi可使三相逆变桥承受瞬时短路,从而输出电压可以根据需要升高和降低,故不需要加入死区时间,从而避免了输出波形畸变和调制度的下降。

3 zsi传统svpwm和新型svpwm
3.1zsi传统svpwm调制
由于传统vsi为降压型逆变器,其输出交流电压受限于输入直流电压的幅值。当所需要的交流电压幅值超出传统vsi的输出极限时,传统vsi便无能为力。基于zsi的svpwm与传统vsi的svpwm调制存在极大的相似性,通过对传统vsi的svpwm进行适当的直通控制即可实现zsi获得超出传统vsi输出极限的交流电压。zsi电压空间矢量图如图4所示。


图4 zsi电压空间矢量图

由于zsi的直通时间tsh是加在零矢量作用时间t0中而不改变有效矢量的作用时间,对输出没有影响。以第一扇区为例,在一个开关周期ts中,直通时间为tsh,普通零矢量作用时间为t’0=t0-tsh,图4中的有效矢量u1、u2的作用时间分别为t1、t2,即t0=tsh+t’0+t1+t2,由矢量合成原理及正弦定理:



由式(13)可知,电压空间矢量uref在线性区域内调制的约束条件为:
,即

        (14)
基于上述计算,zsi传统直通分段svpwm的脉冲波形如文献[3][4]所述,其直通时间分配是将直通时间tsh平均分为4段或者6段并平均插入一个开关周期内,零矢量的最大利用率为75%,即tsh≤0.75t0min,具体svpwm开关时序见文献[4]。
3.2 z源逆变器新型svpwm调制
为了提高svpwm调制的零矢量最大利用率及提升系统度越障碍的能力,本文提出一种新型svpwm调制法,该方法使处于中间开通状态相上分配的直通时间是其他两相分配的直通时间的两倍,使得在产生直通svpwm波形时的时间计算更加简洁,在直通时间分配及计算时只需要相应的加减一个或两个单位的3t0/4,其中t0为直通总时间的1/6,即t0=tsh/6。以第一扇区为例,在半个开关周期内,a相和c相直通时间设置为3t0/4,b相直通时间为3t0/2,由3t0/2≤t0/4得,tsh≤t0min,故新型svpwm调制算法的零矢量最大利用率提高到100%,在输入直流电压跌落时,最大升压倍数提高,即系统度越故障的能力提高。第一扇区具体脉冲波形如图5所示。


图5 三相开关的pwm脉冲波形


4 仿真结果
为了验证zsi新型svpwm直通时间分配方法的正确性,通过matlab/simulink仿真环境搭建zsi的模型,并对其进行了仿真,系统采用电容电压闭环控制策略。仿真参数为:直流输入电压v0=150v,阻抗网络电感l=2mh,电容c=330µf,交流负载电阻r=1ω,电感l=1mh,载波频率fpwm=5khz,升压因子b=5/3,即直通占空比d0=0.2,逆变桥直流母线电压峰值b∙v0=250v,电容电压vc=200v,给定输出交流线电压幅值150v。zsi采用新型svpwm调制时的仿真波形如图6所示。


a)交流输出三相电流


b)逆变桥直流母线电压


c)阻抗网络电容电压


d)交流输出线电压
图6 z源逆变器新型svpwm调制仿真波形

图6所示为zsi采用新型svpwm调制时的仿真波形。图6a)为交流侧输出三相正弦电流波形iabc。图6b)为逆变桥直流母线电压波形。由于直通状态的存在,在直通时逆变器直流侧母线电压为0v,非直通状态时,母线电压为升压后的250v,而是为一系列幅值约为250v的脉冲波,因此整体波形与传统逆变器的直流侧电压不同,是实时不断调节的一片波形。图6c)为阻抗网络电容电压vc,稳态值为200v。图6d)为系统空间矢量pwm控制在未出现过调制情况下经过滤波作用的交流侧输出线电压,幅值为150v。图6说明通过加入直通时间,zsi可输出的交流电压幅值大于普通vsi,在输入直流电压不稳定场合具有较好的应用前景,输入直流电压跌落时具有度越系统故障的能力。

5 结束语
本文介绍了zsi的拓扑结构,详细分析了其基本工作原理及其传统直通分段svpwm脉宽调制的实现方法,提出了一种新型的svpwm调制的直通时间分配方法,该方法可以使系统在直流输入电压跌落严重时仍可以正常工作,度越系统故障的能力提高。通过matlab仿真平台搭建zsi仿真模型,仿真结果表明,该新型svpwm调制方法能够实现zsi的升压控制,零矢量的最大利用率提高到100%,证明了新型svpwm的正确性与可行性,且输入直流电压跌落时系统度越故障能力较普通6段式和4段式svpwm增强。

作者简介
张伦健(1988-) 男 硕士,研究方向为电力电子与电力传动。

参考文献
[1] 丁新平,钱照明,崔彬等.基于模糊pid的z源逆变器直流链升压电路控制[j].中国电机工程学报,2008,24(28): 31-38.
[2] 彭方正,房绪鹏,顾斌等.z源变换器[j].电工技术学报,2002,2(19): 47-50.
[3] u.shajith ali, v.kamaraj. a modified space vector pwm for bi-directional z-source inverter[c]//proc. icetect, 2011:342-345.
[4] 顾斌,钱照明,房绪鹏等.z源变频调速系统及其空间矢量pwm控制方法[j].电气传动,2005,35(35):13-16.
[5] jingbo liu, jiangang hu,longya xu. a modified space vector pwm for z-source inverter-modeling and design[c]//conf. ieee icems, 2005:1242-1247.
[6] 张崇巍,张兴.pwm整流器及其控制[m].北京:机械工业出版社,2003.

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