CN103997244A - 串联式z源三电平逆变器及方法 - Google Patents

Abstract

一种串联式Z源三电平逆变器，包括第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源的正极同第一串联式Z源网络相电连接，所述的第二直流电源的负极同第二串联式Z源网络相电连接，第一串联式Z源网络和第二串联式Z源网络均同三电平NPC逆变电路相电连接，三电平NPC逆变电路同A相负载、B相负载和C相负载相电连接。这样的结构结合其方法避免了现有技术中实际应用中电容体积大、成本高而导致启动过程存在冲击电压易造成电容击穿的缺陷。

Description

串联式Z源三电平逆变器及方法

技术领域

本发明属于逆变器技术领域，具体涉及一种串联式Z源三电平逆变器及方法。

背景技术

Z源三电平逆变器不但能提升直流链电压还能直通工作，相对于多级逆变器而言既简化了逆变控制系统又提升了输出波形的质量。但传统Z源三电平逆变器中Z源网络电容电压应力过大，造成实际应用中电容体积大、成本高。启动过程存在冲击电压易造成电容击穿。

发明内容

本发明的目的提供一种串联式Z源三电平逆变器及其控制方法，包括第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源的正极同第一串联式Z源网络相电连接，所述的第二直流电源的负极同第二串联式Z源网络相电连接，第一串联式Z源网络和第二串联式Z源网络均同三电平NPC逆变电路相电连接，三电平NPC逆变电路同A相负载、B相负载和C相负载相电连接。这样的结构结合其方法避免了现有技术中实际应用中电容体积大、成本高而导致启动过程存在冲击电压易造成电容击穿的缺陷。

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种串联式Z源三电平逆变器及方法的解决方案，具体如下：

一种串联式Z源三电平逆变器，包括第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2，第一直流电源Udc1的正极同第一串联式Z源网络相电连接，所述的第二直流电源Udc2的负极同第二串联式Z源网络相电连接，第一串联式Z源网络和第二串联式Z源网络均同三电平NPC逆变电路相电连接，三电平NPC逆变电路同A相负载、B相负载和C相负载相电连接。

所述的第一串联式Z源网络包括第一电容C1和第二电容C2，所述的第一电容C1的一极同第一电感L1的一极和第一直流电源Udc1的正极相电连接，第一电感L1的另一极同第一二极管D1的正极和第二电容C2的一极相电连接，第一电容C1的另一极同第二电感L2的一极和第一二极管D1的负极相电连接，第二电容C2的另一极同第二电感L2的另一极相电连接。

所述的第二串联式Z源网络包括第三电容C3和第四电容C4，所述的第三电容C3的一极同第三电感L3的一极和第二直流电源Udc2的负极相电连接，第三电感L3的另一极同第二二极管D2的负极和第四电容C4的一极相电连接，第三电容C3的另一极同第四电感L4的一极和第二二极管D2的正极相电连接，第四电容C4的另一极同第四电感L4的另一极相电连接。

所述的三电平NPC逆变电路包括相互并联的第一三电平NPC逆变分电路、第二三电平NPC逆变分电路以及第三三电平NPC逆变分电路，其中第一三电平NPC逆变分电路包括第一开关管TA1，第一开关管TA1的集电极同第五二极管5的负极相电连接，第一开关管TA1的发射极同第三二极管DA1的负极、第六二极管6的负极、第二开关管TA2的集电极以及第五二极管5的正极相电连接，第二开关管TA2的发射极同第六二极管6的正极、第三开关管TA3的集电极、第七二极管7的负极以及A相负载相电连接，第三开关管TA3的发射极同第七二极管7的正极、第四开关管TA4的集电极、第八二极管8的负极以及第四二极管DA2的正极相电连接，第四开关管TA4的发射极同第八二极管8的正极相电连接；第二三电平NPC逆变分电路包括第五开关管TB1，第五开关管TB1的集电极同第十一二极管11的负极相电连接，第五开关管TB1的发射极同第九二极管DB1的负极、第十二二极管12的负极、第六开关管TB2的集电极以及第十一二极管11的正极相电连接，第六开关管TB2的发射极同第十二二极管12的正极、第七开关管TB3的集电极、第十三二极管13的负极以及B相负载相电连接，第七开关管TB3的发射极同第十三二极管13的正极、第八开关管TB4的集电极、第十四二极管14的负极以及第十二极管DB2的正极相电连接，第八开关管TB4的发射极同第十四二极管14的正极相电连接；第三三电平NPC逆变分电路包括第九开关管TC1，第九开关管TC1的集电极同第十七二极管17的负极相电连接，第九开关管TC1的发射极同第十五二极管DC1的负极、第十八二极管18的负极、第十开关管TC2的集电极以及第十七二极管17的正极相电连接，第十开关管TC2的发射极同第十八二极管18的正极、第十一开关管TC3的集电极、第十九二极管19的负极以及C相负载相电连接，第十一开关管TC3的发射极同第十九二极管19的正极、第十二开关管TC4的集电极、第二十二极管20的负极以及第十六二极管DC2的正极相电连接，第十二开关管TC4的发射极同第二十二极管20的正极相电连接；所述的第一开关管TA1的集电极、第五开关管TB1的集电极以及第九开关管TC1的集电极同所述的第二电容C2的一极相电连接；所述的第四开关管TA4的发射极、第八开关管TB4的发射极以及第十二开关管TC4的发射极同所述的第四电感L4的另一极相电连接；所述的第一直流电源Udc1的负极、第二直流电源Udc2的正极、第三二极管DA1的正极、第四二极管DA2的负极、第九二极管DB1的正极、第十二极管DB2的负极、第十五二极管的正极和第十六二极管的负极相电连接。

所述的第一电感L1的电感值、第二电感L2的电感值、第三电感L3的电感值和第四电感L4的电感值均为L，L为大于零的实数，所述的第一电容C1的电容值、第二电容C2的电容值、第三电容C3的电容值和第四电容C4的电容值均为C，C为大于零的实数，所述的第一直流电源Udc1的电压值和第二直流电源Udc2的电压值均为Udc，Udc为实数，这样就能满足如下的公式组(1)的条件：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{L1}=U_{L2}=U_{L3}=U_{L4}=U_L\\ U_{C1}=U_{C2}=U_{C3}=U_{C4}=U_C\end{array}---\left(1\right)\right.$

其中U_L1为第一电感L1的电感电压值，U_L2为第二电感L2的电感电压值，U_L3为第三电感L3的电感电压值，U_L4为第四电感L4的电感电压值，U_C1为第一电容C1的电容电压值，U_Ｃ2为第二电容C2的电容电压值，U_C3为第三电容C3的电容电压值，U_C4为第四电容C4的电容电压值，U_L1、U_L2、U_L3以及U_L4相等且均为U_L，U_C1、U_Ｃ2、U_C3以及U_C4相等且均为U_Ｃ，U_L以及U_Ｃ均为实数值。

所述的串联式Z源三电平逆变器的电容电压防冲击的方法，如下所示：

当第一开关管TA1、第二开关管TA2、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的A相负载的输出电压为U_i/2；当第二开关管TA2、第三开关管TA3、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态，并且第三二极管DA1或者第四二极管DA2也处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通0状态，并且针对处于非直通0状态下的A相负载的输出电压为0；当第三开关管TA3、第四开关管TA4、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的A相负载的输出电压为-U_i/2；当第一开关管TA1、第二开关管TA2、第三开关管TA3和第四二极管DA2处于导通状态时，这样A相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的A相负载的输出电压为0；当第二开关管TA2、第三开关管TA3、第四开关管TA4和第三二极管DA1处于导通状态时，这样A相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的A相负载的输出电压为0；而处于非直通+1状态的A相负载、处于非直通0状态的A相负载以及处于非直通-1状态的A相负载就组成了处于非直通状态的A相负载；

当第五开关管TB1、第六开关管TB2、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的B相负载的输出电压为U_i/2；当第六开关管TB2、第七开关管TB3、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态，并且第九二极管DB1或者第十二极管DB2也处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通0状态，并且针对处于非直通0状态下的B相负载的输出电压为0；当第七开关管TB3、第八开关管TB4、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的B相负载的输出电压为-U_i/2；当第五开关管TB1、第六开关管TB2、第七开关管TB3和第十二极管DB2处于导通状态时，这样B相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的B相负载的输出电压为0；当第六开关管TB2、第七开关管TB3、第八开关管TB4和第九二极管DB1处于导通状态时，这样B相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的B相负载的输出电压为0；而处于非直通+1状态的B相负载、处于非直通0状态的B相负载以及处于非直通-1状态的B相负载就组成了处于非直通状态的B相负载；

当第九开关管TC1、第十开关管TC2、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的C相负载的输出电压为U_i/2；当第十开关管TC2、第十一开关管TC3、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态，并且第十五二极管DC1或者第十六二极管DC2也处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通0状态，并且针对处于非直通0状态下的C相负载的输出电压为0；当第十一开关管TC3、第十二开关管TC4、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的C相负载的输出电压为-U_i/2；当第九开关管TC1、第十开关管TC2、第十一开关管TC3和第十六二极管DC2处于导通状态时，这样C相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的C相负载的输出电压为0；当第十开关管TC2、第十一开关管TC3、第十二开关管TC4和第十五二极管DC1处于导通状态时，这样C相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的C相负载的输出电压为0；而处于非直通+1状态的C相负载、处于非直通0状态的C相负载以及处于非直通-1状态的C相负载就组成了处于非直通状态的C相负载；

所述的U_i为所述的串联式Z源三电平逆变器的直流链峰值电压值；

这样A相负载处于非直通状态时、B相负载处于非直通状态时或者C相负载处于非直通状态时，所述的串联式Z源三电平逆变器就完成正常的逆变过程，该正常的逆变过程中所述的三电平NPC逆变电路以同第一直流电源Udc1的负极和第二直流电源Udc2的正极相电连接的结构为中心，以此分离等效为两个电流源，由此第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2向A相负载、B相负载和C相负载输出电压来产生输出功率，第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2向A相负载、B相负载或C相负载输出的电压有三种，该三种电压分别为第一输出电压U_+N、第二输出电压U_N以及第三输出电压U_-N，满足公式组(2)的条件:

$\left\{\begin{array}{c}{U}_L=-U_c\\ U_i/2=2U_C+U_{\mathrm{dc}}\\ U_{+N}=U_i/2,U_N=0,U_{-N}=-U_i/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

通过在改进的载波反向层叠调制方法下，并保持上直通占空比和下直通占空比相同，当A相负载、B相负载和C相负载中的一相负载处于上直通状态时，另外两相负载中至少有一相工作在下直通状态，这样所述的串联式Z源三电平逆变器处于直通状态，并保持第一二极管D1和第二二极管D2处于关断状态，

由此第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2向A相负载、B相负载和C相负载输出电压来产生输出功率，第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2向A相负载、B相负载或C相负载输出的电压有三种，该三种电压分别为第一输出电压U_+N、第二输出电压U_N以及第三输出电压U_-N，

满足公式组(3)的条件: $\left\{\begin{array}{c}{U}_L=U_{\mathrm{dC}}+U_C\\ U_i=0\\ U_{(-N)}=U_N=U_{(+N)}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

所述的串联式Z源三电平逆变器在正常的逆变过程和直通状态下，电容电压U_Ｃ满足公式(4)和公式(5)的条件:

-U_C(1-D)+(U_dc+U_C)D＝0      (4)

$U_C=\frac{D}{1-2D}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(5\right)$

其中D为上直通占空比和下直通占空比之和，也即总的直通占空比，由此降低了电容电压U_Ｃ。

所述的改进的载波反向层叠调制方法包括通过正弦波与双列反向载波比较，产生正常逆变过程所需的PWM，随正弦过零点变化的阶梯波分别与双列反向载波比较产生直通控制信号。

应用本发明上述方案，优点如下：

(1)稳态时所述的串联式Z源三电平逆变器的电容电压防冲击的方法电容电压应力低。

(2)所述的串联式Z源三电平逆变器的电容电压防冲击的方法具备软启动能力，软启动控制策略下能有效的降低电容启动冲击电压。

(3)改进的载波反向层叠调制方法能实现Z源三电平中点钳位逆变器的有效控制。

附图说明

图l为本发明的串联式Z源三电平逆变器的结构示意图。

图2为本发明的处于非直通状态的等效电路图。

图3为本发明的处于直通状态的等效电路图。

图4为本发明的电容电压U_Ｃ同传统Z源三电平逆变器中的电容电压U_Ｃ的坐标对比图，其中横坐标表示总的直通占空比，纵坐标表示电容电压U_Ｃ，位于上方的坐标曲线为传统Z源三电平逆变器中的电容电压U_Ｃ的电容电压U_Ｃ的曲线图，位于下方的为本发明的电容电压U_Ｃ的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对发明内容作进一步说明：

参照图1所示，一种串联式Z源三电平逆变器，包括第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2，第一直流电源Udc1的正极同第一串联式Z源网络相电连接，所述的第二直流电源Udc2的负极同第二串联式Z源网络相电连接，第一串联式Z源网络和第二串联式Z源网络均同三电平NPC逆变电路相电连接，三电平NPC逆变电路同A相负载、B相负载和C相负载相电连接。

所述的第一串联式Z源网络包括第一电容C1和第二电容C2，所述的第一电容C1的一极同第一电感L1的一极和第一直流电源Udc1的正极相电连接，第一电感L1的另一极同第一二极管D1的正极和第二电容C2的一极相电连接，第一电容C1的另一极同第二电感L2的一极和第一二极管D1的负极相电连接，第二电容C2的另一极同第二电感L2的另一极相电连接。

所述的第二串联式Z源网络包括第三电容C3和第四电容C4，所述的第三电容C3的一极同第三电感L3的一极和第二直流电源Udc2的负极相电连接，第三电感L3的另一极同第二二极管D2的负极和第四电容C4的一极相电连接，第三电容C3的另一极同第四电感L4的一极和第二二极管D2的正极相电连接，第四电容C4的另一极同第四电感L4的另一极相电连接。

所述的三电平NPC逆变电路包括相互并联的第一三电平NPC逆变分电路、第二三电平NPC逆变分电路以及第三三电平NPC逆变分电路，其中第一三电平NPC逆变分电路包括第一开关管TA1，第一开关管TA1的集电极同第五二极管5的负极相电连接，第一开关管TA1的发射极同第三二极管DA1的负极、第六二极管6的负极、第二开关管TA2的集电极以及第五二极管5的正极相电连接，第二开关管TA2的发射极同第六二极管6的正极、第三开关管TA3的集电极、第七二极管7的负极以及A相负载相电连接，第三开关管TA3的发射极同第七二极管7的正极、第四开关管TA4的集电极、第八二极管8的负极以及第四二极管DA2的正极相电连接，第四开关管TA4的发射极同第八二极管8的正极相电连接；第二三电平NPC逆变分电路包括第五开关管TB1，第五开关管TB1的集电极同第十一二极管11的负极相电连接，第五开关管TB1的发射极同第九二极管DB1的负极、第十二二极管12的负极、第六开关管TB2的集电极以及第十一二极管11的正极相电连接，第六开关管TB2的发射极同第十二二极管12的正极、第七开关管TB3的集电极、第十三二极管13的负极以及B相负载相电连接，第七开关管TB3的发射极同第十三二极管13的正极、第八开关管TB4的集电极、第十四二极管14的负极以及第十二极管DB2的正极相电连接，第八开关管TB4的发射极同第十四二极管14的正极相电连接；第三三电平NPC逆变分电路包括第九开关管TC1，第九开关管TC1的集电极同第十七二极管17的负极相电连接，第九开关管TC1的发射极同第十五二极管DC1的负极、第十八二极管18的负极、第十开关管TC2的集电极以及第十七二极管17的正极相电连接，第十开关管TC2的发射极同第十八二极管18的正极、第十一开关管TC3的集电极、第十九二极管19的负极以及C相负载相电连接，第十一开关管TC3的发射极同第十九二极管19的正极、第十二开关管TC4的集电极、第二十二极管20的负极以及第十六二极管DC2的正极相电连接，第十二开关管TC4的发射极同第二十二极管20的正极相电连接；所述的第一开关管TA1的集电极、第五开关管TB1的集电极以及第九开关管TC1的集电极同所述的第二电容C2的一极相电连接；所述的第四开关管TA4的发射极、第八开关管TB4的发射极以及第十二开关管TC4的发射极同所述的第四电感L4的另一极相电连接；所述的第一直流电源Udc1的负极、第二直流电源Udc2的正极、第三二极管DA1的正极、第四二极管DA2的负极、第九二极管DB1的正极、第十二极管DB2的负极、第十五二极管的正极和第十六二极管的负极相电连接。

所述的第一电感L1的电感值、第二电感L2的电感值、第三电感L3的电感值和第四电感L4的电感值均为L，L为大于零的实数，所述的第一电容C1的电容值、第二电容C2的电容值、第三电容C3的电容值和第四电容C4的电容值均为C，C为大于零的实数，所述的第一直流电源Udc1的电压值和第二直流电源Udc2的电压值均为Udc，Udc为实数，这样就能满足如下的公式组(1)的条件：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{L1}=U_{L2}=U_{L3}=U_{L4}=U_L\\ U_{C1}=U_{C2}=U_{C3}=U_{C4}=U_C\end{array}---\left(1\right)\right.$

其中U_L1为第一电感L1的电感电压值，U_L2为第二电感L2的电感电压值，U_L3为第三电感L3的电感电压值，U_L4为第四电感L4的电感电压值，U_C1为第一电容C1的电容电压值，U_Ｃ2为第二电容C2的电容电压值，U_C3为第三电容C3的电容电压值，U_C4为第四电容C4的电容电压值，U_L1、U_L2、U_L3以及U_L4相等且均为U_L，U_C1、U_Ｃ2、U_C3以及U_C4相等且均为U_Ｃ，U_L以及U_Ｃ均为实数值。

所述的串联式Z源三电平逆变器的电容电压防冲击的方法，如下所示：

当第一开关管TA1、第二开关管TA2、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的A相负载的输出电压为U_i/2；当第二开关管TA2、第三开关管TA3、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态，并且第三二极管DA1或者第四二极管DA2也处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通0状态，并且针对处于非直通0状态下的A相负载的输出电压为0；当第三开关管TA3、第四开关管TA4、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的A相负载的输出电压为-U_i/2；当第一开关管TA1、第二开关管TA2、第三开关管TA3和第四二极管DA2处于导通状态时，这样A相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的A相负载的输出电压为0；当第二开关管TA2、第三开关管TA3、第四开关管TA4和第三二极管DA1处于导通状态时，这样A相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的A相负载的输出电压为0；而处于非直通+1状态的A相负载、处于非直通0状态的A相负载以及处于非直通-1状态的A相负载就组成了处于非直通状态的A相负载；

当第五开关管TB1、第六开关管TB2、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的B相负载的输出电压为U_i/2；当第六开关管TB2、第七开关管TB3、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态，并且第九二极管DB1或者第十二极管DB2也处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通0状态，并且针对处于非直通0状态下的B相负载的输出电压为0；当第七开关管TB3、第八开关管TB4、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的B相负载的输出电压为-U_i/2；当第五开关管TB1、第六开关管TB2、第七开关管TB3和第十二极管DB2处于导通状态时，这样B相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的B相负载的输出电压为0；当第六开关管TB2、第七开关管TB3、第八开关管TB4和第九二极管DB1处于导通状态时，这样B相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的B相负载的输出电压为0；而处于非直通+1状态的B相负载、处于非直通0状态的B相负载以及处于非直通-1状态的B相负载就组成了处于非直通状态的B相负载；

当第九开关管TC1、第十开关管TC2、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的C相负载的输出电压为U_i/2；当第十开关管TC2、第十一开关管TC3、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态，并且第十五二极管DC1或者第十六二极管DC2也处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通0状态，并且针对处于非直通0状态下的C相负载的输出电压为0；当第十一开关管TC3、第十二开关管TC4、第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的C相负载的输出电压为-U_i/2；当第九开关管TC1、第十开关管TC2、第十一开关管TC3和第十六二极管DC2处于导通状态时，这样C相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的C相负载的输出电压为0；当第十开关管TC2、第十一开关管TC3、第十二开关管TC4和第十五二极管DC1处于导通状态时，这样C相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的C相负载的输出电压为0；而处于非直通+1状态的C相负载、处于非直通0状态的C相负载以及处于非直通-1状态的C相负载就组成了处于非直通状态的C相负载；

所述的U_i为所述的串联式Z源三电平逆变器的直流链峰值电压值；

这样A相负载处于非直通状态时、B相负载处于非直通状态时或者C相负载处于非直通状态时，所述的串联式Z源三电平逆变器就完成正常的逆变过程，该正常的逆变过程中所述的三电平NPC逆变电路以同第一直流电源Udc1的负极和第二直流电源Udc2的正极相电连接的结构为中心，以此分离等效为两个电流源，则该状态等效电路如图2所示，

由此第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2向A相负载、B相负载和C相负载输出电压来产生输出功率，第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2向A相负载、B相负载或C相负载输出的电压有三种，该三种电压分别为第一输出电压U_+N、第二输出电压U_N以及第三输出电压U_-N，由回路电压原理KVL能够推导出满足公式组(2)的条件:

$\left\{\begin{array}{c}{U}_L=-U_c\\ U_i/2=2U_C+U_{\mathrm{dc}}\\ U_{+N}=U_i/2,U_N=0,U_{-N}=-U_i/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

通过在改进的载波反向层叠调制方法下，并保持上直通占空比和下直通占空比相同，当A相负载、B相负载和C相负载中的一相负载处于上直通状态时，另外两相负载中至少有一相工作在下直通状态，这样所述的串联式Z源三电平逆变器处于直通状态，并保持第一二极管D1和第二二极管D2处于关断状态，这样等效电路如图3所示，由此第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2向A相负载、B相负载和C相负载输出电压来产生输出功率，第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2向A相负载、B相负载或C相负载输出的电压有三种，该三种电压分别为第一输出电压U_+N、第二输出电压U_N以及第三输出电压U_-N，

由回路电压原理KVL能够推导出满足公式组(3)的条件:

$\left\{\begin{array}{c}{U}_L=U_{\mathrm{dC}}+U_C\\ U_i=0\\ U_{(-N)}=U_N=U_{(+N)}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

为保证系统的对称性，所以保持上直通占空比和下直通占空比相同，结合公式(2)和公式(3)，由稳态时电感电流的伏秒平衡原理，所述的串联式Z源三电平逆变器在正常的逆变过程和直通状态下，电容电压U_Ｃ满足公式(4)和公式(5)的条件:

-U_C(1-D)+(U_dc+U_C)D＝0     (4)

$U_C=\frac{D}{1-2D}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(5\right)$

其中D为上直通占空比和下直通占空比之和，也即总的直通占空比，由此降低了电容电压U_Ｃ。

所述的改进的载波反向层叠调制方法包括通过正弦波与双列反向载波比较，产生正常逆变过程所需的PWM，随正弦过零点变化的阶梯波分别与双列反向载波比较产生直通控制信号，该方法简单可靠，易于实现。

而传统Z源三电平逆变器中的电容电压从图4中可以看出，相同的总的直通占空比条件下，所述的串联式Z源三电平逆变器的电容电压明显小于传统Z源三电平逆变器的电容电压。另外控制直通占空比D从0逐渐增大，就能够实现Z源三电平逆变器中的电容电压软启动控制，减小启动过程的冲击电压，实验中稳态时所述的串联式Z源三电平逆变器的电容电压应力约为16.5V～17.1V，传统Z源三电平逆变器中的电容电压应力约为66V～67.3V，对比可得相同输出情况下，所述的串联式Z源三电平逆变器的能有效的降低Z源网络电容电压应力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种串联式Z源三电平逆变器，其特征在于包括第一直流电源(Udc1)和第二直流电源(Udc2)，第一直流电源(Udc1)的正极同第一串联式Z源网络相电连接，所述的第二直流电源(Udc2)的负极同第二串联式Z源网络相电连接，第一串联式Z源网络和第二串联式Z源网络均同三电平NPC逆变电路相电连接，三电平NPC逆变电路同A相负载、B相负载和C相负载相电连接。

2.根据权利要求1所述的串联式Z源三电平逆变器，其特征在于所述的第一串联式Z源网络包括第一电容(C1)和第二电容(C2)，所述的第一电容(C1)的一极同第一电感(L1)的一极和第一直流电源(Udc1)的正极相电连接，第一电感(L1)的另一极同第一二极管(D1)的正极和第二电容(C2)的一极相电连接，第一电容(C1)的另一极同第二电感(L2)的一极和第一二极管(D1)的负极相电连接，第二电容(C2)的另一极同第二电感(L2)的另一极相电连接。

3.根据权利要求2所述的串联式Z源三电平逆变器，其特征在于所述的第二串联式Z源网络包括第三电容(C3)和第四电容(C4)，所述的第三电容(C3)的一极同第三电感(L3)的一极和第二直流电源(Udc2)的负极相电连接，第三电感(L3)的另一极同第二二极管(D2)的负极和第四电容(C4)的一极相电连接，第三电容(C3)的另一极同第四电感(L4)的一极和第二二极管(D2)的正极相电连接，第四电容(C4)的另一极同第四电感(L4)的另一极相电连接。

4.根据权利要求3所述的串联式Z源三电平逆变器，其特征在于三电平NPC逆变电路包括相互并联的第一三电平NPC逆变分电路、第二三电平NPC逆变分电路以及第三三电平NPC逆变分电路，其中第一三电平NPC逆变分电路包括第一开关管(TA1)，第一开关管(TA1)的集电极同第五二极管(5)的负极相电连接，第一开关管(TA1)的发射极同第三二极管(DA1)的负极、第六二极管(6)的负极、第二开关管(TA2)的集电极以及第五二极管(5)的正极相电连接，第二开关管(TA2)的发射极同第六二极管(6)的正极、第三开关管(TA3)的集电极、第七二极管(7)的负极以及A相负载相电连接，第三开关管(TA3)的发射极同第七二极管(7)的正极、第四开关管(TA4)的集电极、第八二极管(8)的负极以及第四二极管(DA2)的正极相电连接，第四开关管(TA4)的发射极同第八二极管(8)的正极相电连接；第二三电平NPC逆变分电路包括第五开关管(TB1)，第五开关管(TB1)的集电极同第十一二极管(11)的负极相电连接，第五开关管(TB1)的发射极同第九二极管(DB1)的负极、第十二二极管(12)的负极、第六开关管(TB2)的集电极以及第十一二极管(11)的正极相电连接，第六开关管(TB2)的发射极同第十二二极管(12)的正极、第七开关管(TB3)的集电极、第十三二极管(13)的负极以及B相负载相电连接，第七开关管(TB3)的发射极同第十三二极管(13)的正极、第八开关管(TB4)的集电极、第十四二极管(14)的负极以及第十二极管(DB2)的正极相电连接，第八开关管(TB4)的发射极同第十四二极管(14)的正极相电连接；第三三电平NPC逆变分电路包括第九开关管(TC1)，第九开关管(TC1)的集电极同第十七二极管(17)的负极相电连接，第九开关管(TC1)的发射极同第十五二极管(DC1)的负极、第十八二极管(18)的负极、第十开关管(TC2)的集电极以及第十七二极管(17)的正极相电连接，第十开关管(TC2)的发射极同第十八二极管(18)的正极、第十一开关管(TC3)的集电极、第十九二极管(19)的负极以及C相负载相电连接，第十一开关管(TC3)的发射极同第十九二极管(19)的正极、第十二开关管(TC4)的集电极、第二十二极管(20)的负极以及第十六二极管(DC2)的正极相电连接，第十二开关管(TC4)的发射极同第二十二极管(20)的正极相电连接；所述的第一开关管(TA1)的集电极、第五开关管(TB1)的集电极以及第九开关管(TC1)的集电极同所述的第二电容(C2)的一极相电连接；所述的第四开关管(TA4)的发射极、第八开关管(TB4)的发射极以及第十二开关管(TC4)的发射极同所述的第四电感(L4)的另一极相电连接；所述的第一直流电源(Udc1)的负极、第二直流电源(Udc2)的正极、第三二极管(DA1)的正极、第四二极管(DA2)的负极、第九二极管(DB1)的正极、第十二极管(DB2)的负极、第十五二极管的正极和第十六二极管的负极相电连接。

5.根据权利要求4所述的串联式Z源三电平逆变器，其特征在于所述的第一电感(L1)的电感值、第二电感(L2)的电感值、第三电感(L3)的电感值和第四电感(L4)的电感值均为L，L为大于零的实数，所述的第一电容(C1)的电容值、第二电容(C2)的电容值、第三电容(C3)的电容值和第四电容(C4)的电容值均为C，C为大于零的实数，所述的第一直流电源(Udc1)的电压值和第二直流电源(Udc2)的电压值均为Udc，Udc为实数，这样就能满足如下的公式组(1)的条件：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{L1}=U_{L2}=U_{L3}=U_{L4}=U_L\\ U_{C1}=U_{C2}=U_{C3}=U_{C4}=U_C\end{array}---\left(1\right)\right.$

其中U_L1为第一电感(L1)的电感电压值，U_L2为第二电感(L2)的电感电压值，U_L3为第三电感(L3)的电感电压值，U_L4为第四电感(L4)的电感电压值，U_C1为第一电容(C1)的电容电压值，U_Ｃ2为第二电容(C2)的电容电压值，U_C3为第三电容(C3)的电容电压值，U_C4为第四电容(C4)的电容电压值，U_L1、U_L2、U_L3以及U_L4相等且均为U_L，U_C1、U_Ｃ2、U_C3以及U_C4相等且均为U_Ｃ，U_L以及U_Ｃ均为实数值。

6.根据权利要求3所述的串联式Z源三电平逆变器的电容电压防冲击的方法，其特征在于，如下所示：

当第一开关管(TA1)、第二开关管(TA2)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的A相负载的输出电压为U_i/2；当第二开关管(TA2)、第三开关管(TA3)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)处于导通状态，并且第三二极管(DA1)或者第四二极管(DA2)也处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通0状态，并且针对处于非直通0状态下的A相负载的输出电压为0；当第三开关管(TA3)、第四开关管(TA4)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样A相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的A相负载的输出电压为-U_i/2；当第一开关管(TA1)、第二开关管(TA2)、第三开关管(TA3)和第四二极管(DA2)处于导通状态时，这样A相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的A相负载的输出电压为0；当第二开关管(TA2)、第三开关管(TA3)、第四开关管(TA4)和第三二极管(DA1)处于导通状态时，这样A相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的A相负载的输出电压为0；而处于非直通+1状态的A相负载、处于非直通0状态的A相负载以及处于非直通-1状态的A相负载就组成了处于非直通状态的A相负载；

当第五开关管(TB1)、第六开关管(TB2)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的B相负载的输出电压为U_i/2；当第六开关管(TB2)、第七开关管(TB3)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)处于导通状态，并且第九二极管(DB1)或者第十二极管(DB2)也处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通0状态，并且针对处于非直通0状态下的B相负载的输出电压为0；当第七开关管(TB3)、第八开关管(TB4)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样B相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的B相负载的输出电压为-U_i/2；当第五开关管(TB1)、第六开关管(TB2)、第七开关管(TB3)和第十二极管(DB2)处于导通状态时，这样B相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的B相负载的输出电压为0；当第六开关管(TB2)、第七开关管(TB3)、第八开关管(TB4)和第九二极管(DB1)处于导通状态时，这样B相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的B相负载的输出电压为0；而处于非直通+1状态的B相负载、处于非直通0状态的B相负载以及处于非直通-1状态的B相负载就组成了处于非直通状态的B相负载；

当第九开关管(TC1)、第十开关管(TC2)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通+1状态，并且针对处于非直通+1状态下的C相负载的输出电压为U_i/2；当第十开关管(TC2)、第十一开关管(TC3)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)处于导通状态，并且第十五二极管(DC1)或者第十六二极管(DC2)也处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通0状态，并且针对处于非直通0状态下的C相负载的输出电压为0；当第十一开关管(TC3)、第十二开关管(TC4)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)处于导通状态时，这样C相负载就处于非直通-1状态，并且针对处于非直通-1状态下的C相负载的输出电压为-U_i/2；当第九开关管(TC1)、第十开关管(TC2)、第十一开关管(TC3)和第十六二极管(DC2)处于导通状态时，这样C相负载就处于上直通状态，并且针对处于上直通状态下的C相负载的输出电压为0；当第十开关管(TC2)、第十一开关管(TC3)、第十二开关管(TC4)和第十五二极管(DC1)处于导通状态时，这样C相负载就处于下直通状态，并且针对处于下直通状态下的C相负载的输出电压为0；而处于非直通+1状态的C相负载、处于非直通0状态的C相负载以及处于非直通-1状态的C相负载就组成了处于非直通状态的C相负载；

所述的U_i为所述的串联式Z源三电平逆变器的直流链峰值电压值；

这样A相负载处于非直通状态时、B相负载处于非直通状态时或者C相负载处于非直通状态时，所述的串联式Z源三电平逆变器就完成正常的逆变过程，该正常的逆变过程中所述的三电平NPC逆变电路以同第一直流电源(Udc1)的负极和第二直流电源(Udc2)的正极相电连接的结构为中心，以此分离等效为两个电流源，由此第一直流电源(Udc1)和第二直流电源(Udc2)向A相负载、B相负载和C相负载输出电压来产生输出功率，第一直流电源(Udc1)和第二直流电源(Udc2)向A相负载、B相负载或C相负载输出的电压有三种，该三种电压分别为第一输出电压U_+N、第二输出电压U_N以及第三输出电压U_-N，满足公式组(2)的条件:

$\left\{\begin{array}{c}{U}_L=-U_c\\ U_i/2=2U_C+U_{\mathrm{dc}}\\ U_{+N}=U_i/2,U_N=0,U_{-N}=-U_i/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

通过在改进的载波反向层叠调制方法下，并保持上直通占空比和下直通占空比相同，当A相负载、B相负载和C相负载中的一相负载处于上直通状态时，另外两相负载中至少有一相工作在下直通状态，这样所述的串联式Z源三电平逆变器处于直通状态，并保持第一二极管(D1)和第二二极管(D2)处于关断状态，

由此第一直流电源(Udc1)和第二直流电源(Udc2)向A相负载、B相负载和C相负载输出电压来产生输出功率，第一直流电源Udc1和第二直流电源Udc2向A相负载、B相负载或C相负载输出的电压有三种，该三种电压分别为第一输出电压U_+N、第二输出电压U_N以及第三输出电压U_-N，

满足公式组(3)的条件: $\left\{\begin{array}{c}{U}_L=U_{\mathrm{dC}}+U_C\\ U_i=0\\ U_{(-N)}=U_N=U_{(+N)}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

所述的串联式Z源三电平逆变器在正常的逆变过程和直通状态下，电容电压U_Ｃ满足公式(4)和公式(5)的条件:

-U_C(1-D)+(U_dc+U_C)D＝0       (4)

$U_C=\frac{D}{1-2D}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(5\right)$

其中D为上直通占空比和下直通占空比之和，也即总的直通占空比，由此降低了电容电压U_Ｃ。

所述的改进的载波反向层叠调制方法包括通过正弦波与双列反向载波比较，产生正常逆变过程所需的PWM，随正弦过零点变化的阶梯波分别与双列反向载波比较产生直通控制信号。