CN104092400A - 一种z源三电平t型逆变器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Z源三电平T型逆变器及其调制方法，该拓扑具有Z源网络三电平中点钳位(NPC)逆变器相同的升压特性，但是所用开关器件数目较少，效率较高。与三电平T型逆变器相比，本发明的拓扑不仅能够实现升/降压功能，而且允许上、下桥臂直通，可靠性明显增加，消除死区时间，防止波形畸变；与Z源两电平逆变器相比，输出电压有中点电位，因此和高频谐波小，所需的滤波器较小，由于三电平比两电平更接近正弦波，因此开关频率可以降低，开关损耗较小；它采用同相电压偏移(phase disposition，PD)的方法对逆变器进行控制，采用同该方法可以减少开关次数，降低开关损耗，减少输出电压谐波含量。

Description

一种Z源三电平T型逆变器及其调制方法

技术领域

本发明涉及一种Z源三电平T型逆变器及其调制方法。

背景技术

随着分布式电源的迅速发展及其对效率要求的不断提升，提高电能质量、减少谐波污染、提高发电系统的效率是分布式电源发展的关键问题。三电平逆变器相比于传统的两电平逆变器具有谐波少、耐压高、开关应力小、电磁干扰(Electro Magnetic Interference,EMI)少等优点已经在分布式电源及微电网领域得到广泛应用。然而对于燃料电池、光伏电池等分布式电源的输出电压并不是恒定的，无法实现较宽直流电压范围的变流功能和得到较高的交流输出电压。为了满足直流母线较宽的电压范围，研究人员加入了DC/DC变换器，即采用两级结构。然而此变换器不仅需要较多的功率器件，在工作过程中还产生大量的开关损耗，降低系统效率。为了减少因DC/DC变换器引起的开关损耗对系统效率的影响，采用Z源网络的两电平逆变器是一种理想的选择。

Z源两电平逆变器在光伏逆变器、储能、电动汽车、燃料电池等新能源领域应用广泛。但是随着分布式电源的迅速发展，提高电能质量和功率等级等要求备受关注。Z源多电平逆变器可以解决上述问题。而Z源三电平中点钳位(neutral point clamped，NPC)逆变器在光伏逆变器、风力发电机、燃料电池等可再生能源得到广泛的应用，它由一个独立的直流电源、两个直流侧分压电容、一个Z源网络和一个三电平NPC逆变电路组成。Z源网络的引入使直通成为一种正常的工作状态，通过控制直通占空比，Z源三电平NPC逆变器可以实现升压功能，而且不用控制死区时间，防止逆变波形畸变。桥臂直通不会引起功率器件的损坏，可靠性明显增加。因此，Z源三电平NPC逆变器相对于传统三电平NPC逆变器优势明显，前景十分广阔。但是，Z源三电平NPC逆变器需要无源器件太多，会产生大量的功率损耗，这样会造成系统的效率低。效率和电能质量是保证可再生能源和微电网可靠、稳定、经济运行的保障。因此，研究一种效率和电能质量最优的拓扑结构至关重要。而对于三电平T型逆变器，效率和电能质量相对于Z源三电平NPC和Z源两电平逆变器都较好，但是对于燃料电池、光伏电池等分布式电源的输出电压输出不恒定，无法实现宽输出电压，而且由于死区的原因导致谐波很大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种Z源三电平T型逆变器及其调制方法，它采用同相电压偏移(phase disposition，PD)的控制方式，相比反相电压偏移调制(alternative phaseopposition disposition，APOD)的方法，可以减少开关次数，降低开关损耗。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种Z源三电平T型逆变器，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT管，各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的IGBT管，另一侧经滤波器与电阻连接；在并联的各桥臂输入端连接Z源网络后接入输入电压源；输入电压源两端并联有两个串联的电容，两个电容连接处连接各项桥臂的两个方向不同IGBT管的一端，各个IGBT管均由控制电路驱动。

所述Z源网络包括两个电感和电容，两个电感分别串联在输入电压源两端与三相桥臂的连接处，电感与输入电压源的连接侧串联有二极管，且两个二极管反向，两个电容的一端分别连接二极管和电感的连接处，另一端连接在另一路电感和三相桥臂的连接处。

所述滤波器为LC滤波电路，且其中的电容公共端接地。

所述控制电路包括保护电路、驱动电路、采样调理电路，采样调理电路连接DSP模块，DSP模块与保护电路双向通信，DSP模块连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。

所述采样调理电路采集输入电压源的直流电压、直流电流、Z源网络电容电压以及滤波器输出的三相电压值大小。

基于上述Z源三电平T型逆变器的调制方法，具体为：

选择开关状态转换最少的桥臂产生直通，在任意时刻，对调制信号的Umax，即Ua，Ub，Uc中的最大值，增加0.5T0/T的垂直偏移产生上直通，同时对调制信号的Umin，即Ua，Ub，Uc中的最小值，减少0.5T0/T的垂直偏移产生下直通，保持调制信号的Umid，即Ua，Ub，Uc中的中间值不变，得到Z源三电平T型逆变器所需要的直通占空比，最后将得到的PWM信号送到驱动电路。

本发明的有益效果是：

1、相对于三电平T型逆变器，Z源三电平T型逆变器不仅可以实现升压，而且由于直通不会引起功率器件的损坏，可靠性明显增加，消除死区时间，防止波形畸变；

2、和Z源两电平逆变器相比，Z源三电平T型逆变器输出电压有中点电位，因此和高频谐波小，所需的滤波器较小，由于三电平比两电平更接近正弦波，因此开关频率可以降低，开关损耗较小；

3、和Z源三电平NPC逆变器相比，Z源三电平T型逆变器减少了元器件数量，导通损耗更低，效率更高；

4、具有高功率、波形质量好等优点，在光伏发电系统、风力发电系统、燃料电池等可再生能源领域前景广泛。

附图说明

图1为三电平T型逆变器结构图；

图2为三电平T型逆变器调制波、载波波形；

图3a为三电平T型逆变器一种状态工作原理图；

图3b为三电平T型逆变器一种状态工作原理图；

图3c为三电平T型逆变器一种状态工作原理图；

图4为本发明系统结构图；

图5a为Z源三电平T型逆变器处于非直通状态下等效电路图；

图5b为Z源三电平T型逆变器处于上直通状态下等效电路图；

图5c为Z源三电平T型逆变器处于下直通状态下等效电路图；

图5d为Z源三电平T型逆变器处于全直通下状态等效电路图。

图6a为采用反相电压偏移调制(alternative phase opposition disposition，APOD-SPWM)的方法实现Z源三电平T型逆变器升压和逆变控制；

图6b为采用同相电压偏移(phase disposition，PD-SPWM)的控制方法实现Z源三电平T型逆变器升压和逆变控制；

图7为Z源三电平T型逆变器在直通情况下和非直通情况下的运行波形；

图8为Z源三电平T型逆变器在全直通和上、下直通情况下的运行波形；

图9为Z源三电平T型逆变器和Z源三电平NPC逆变器在非直通和上、下直通情况下的运行波形；

图10为Z源三电平NPC逆变器结构图；

图11为Z源T型逆变器的控制电路图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1为三电平T型逆变器结构图，主电路为三电平T型逆变器，输入电压与电容相连，直流侧电容中点与IGBT管3相连，滤波器为LC滤波器。系统输出端与负载相连。

对于三电平T型逆变器，采用APOD-SPWM的方法，会使最终的输出电压包含大量的谐波，影响输出电压的波形质量。而采用PD-SPWM的方式控制PWM输出可以改善电压波形质量。因此本发明采用PD-SPWM的方法实现对三电平T型逆变器的控制。

信号调理电路将霍尔传感器测得的相关信号进行调理，得到采样电路可以接收的模拟信号。AD转换器的采样与转换由DSP进行控制，将调理好的模拟信号转换为数字量。数字信号的处理以及SPWM控制、PWM产生均由DSP实现，最终生成的PWM信号送给驱动电路去控制IGBT管的开通与关断。

图2为SPWM调制波、载波波形，图3为三电平T型逆变器逆变部分结构及电路原理图。具体控制方式如下：

调制波为三相正弦波，即

u_a＝sinωt

u_b＝sin(ωt-120°)

u_c＝sin(ωt-240°)；

载波为在相位上相差180°的三角波。

以a相为例，假设电流向右侧流为正，开关序列生成方式如下：

如果Ua>CA1并且Ua>CA2，则开关序列(Ua1,Ua2,Ua3,Ua4)＝(1,1,0,0)＝P。由图3a可知，当i>0时，当Ua1开通时，虽然Ua2开通，但是没有电流流过Ua2，Ua3,Ua4关断。当i<0时，Ua1，Ua2，Ua3，Ua4关断。此时Ua0＝Vin/2.

如果Ua<CA1并且Ua<CA2，则开关序列(Ua1,Ua2,Ua3,Ua4)＝(0,0,1,1)＝N。由图3c可知，当i<0时，Ua4开通时，虽然Ua3开通，但是没有电流流过Ua3，Ua,1,Ua2关断。当i>0时，Ua1，Ua2，Ua3，Ua4关断。因此Ua0＝-Vin/2.

如果Ua<CA1并且Ua>CA2，则开关序列(Ua1,Ua2,Ua3,Ua4)＝(0,1,1,0)＝O。由图3b可知，当i>0时，Ua2开通，Ua1,Ua3,Ua4关断。因此Ua0＝0。

如果Ua<CA1并且Ua>CA2，则开关序列(Ua1,Ua2,Ua3,Ua4)＝(0,1,1,0)＝O。由图3b可知，当i<0时，Ua3开通，Ua1,Ua2,Ua4关断。因此Ua0＝0。

如图4所示，每个桥臂包括两个串联的IGBT管，各相桥臂的中点左侧接两个方向相反的IGBT管，各相桥臂的中点右侧经滤波器与相应电阻连接；在并联的各桥臂输入端并联有串联的一对电容C1、电容C2，电容C1、电容C2的左侧与输入电压连接；电容C1、电容C2的右侧与Z源网络连接，各桥臂的两个方向相反的IGBT管与电容C1、C2的中点相连。图5a为Z源三电平T型逆变器处于非直通状态下等效电路图；图5b为Z源三电平T型逆变器处于上直通状态下等效电路图；图5c为Z源三电平T型逆变器处于下直通状态下等效电路图；图5d为Z源三电平T型逆变器处于全直通下状态等效电路图。通过公式推导可知，当升压因子B＝1时，Z源三电平T型逆变器工作在传统降压模式；当升压因子B>1时，则工作在升压模式。

图6a为传统逆变器和Z源级联逆变器的APOD-SPWM调制方法；Z源三电平T型逆变器的升压控制需要增加额外的直通状态，直通状态的加入不能改变逆变器的正常逆变，因此需要加入到无效状态{O,O,O}上，这个状态可以升高输出电压，但是对逆变器输出负载没有影响。为了得到T0’的直通状态，需要在调制波的垂直方向平移T0’/T，在水平方向得到直通时间。在任意时刻，对调制信号的Umax(Ua，Ub，Uc中的最大值)增加T0’/T的垂直偏移，同时对调制信号的Umin(Ua，Ub，Uc中的最小值)减少T0’/T的垂直偏移，然而保持调制信号的Umid(Ua，Ub，Uc中的中间值)不改变。从而得到Z源三电平T型逆变器所需要的直通占空比。

图6b为传统逆变器和Z源级联逆变器的PD-SPWM调制方法；相对于APOD-SPWM调制方法，PD-SPWM调制方法可以获得的输出电压。对于Z源三电平T型逆变器，直通状态的注入不能对桥臂的输出电压产生影响，对于同相电压偏移控制，{O,O,O}状态不能产生全直通，因此只有上直通和下直通，而且上、下直通只能产生在等效零矢量中。其中，{O,O,O}状态指并联的三相桥臂的IGBT管均处于{O}状态。{O}状态为本相桥臂的四只IGBT管的导通信号分别为(0,1,1,0)；{N}状态为本相桥臂的四只IGBT管的导通信号分别为(0,0,1,1)；{P}状态为本相桥臂的四只IGBT管的导通信号分别为(1,1,0,0)。

上直通只能发生在{O}、{N}状态的等效矢量的作用时间内，下直通只能发生在{O}、{P}状态等效矢量的作用时间内，选择开关状态转换最少的桥臂产生直通，在任意时刻，对调制信号的Umax，即Ua，Ub，Uc中的最大值，增加0.5T0/T的垂直偏移产生上直通，同时对调制信号的Umin，Ua，Ub，Uc中的最小值，减少0.5T0/T的垂直偏移产生下直通，保持调制信号的Umid，Ua，Ub，Uc中的中间值不变，得到Z源三电平T型逆变器所需要的直通占空比，最后将得到的PWM信号送到驱动电路。

图7为PD-SPWM方法控制下直通时间T0＝0和T0＝0.2的波形。直通时间T0＝0时，设定调制度M为0.8。图中依次输出的是相电压、相电流、线电压、Z源网络电容电压、Vdc电压。Z源三电平T型逆变器没有升压，因此线电压的峰值等于200V。直通时间T0＝0.2时，由公式可知升压因子B＝1.66，因此理论相电压值为159*1.66/1.732＝151V，实际测量值为140V。由公式可得理论升压值Vdc为332V，而实际测量值为324V。电流没有受到直通信号的影响而发生畸变。Z源网络的电容电压由相关公式可得266V，实际测量值为265V。另外Vdc电压在162V到324V变化实现升压和逆变功能。仿真结果表明Z源三电平T型逆变器可以使线电压升到设定的值而不影响输出电流的波形质量。

图8为APOD-SPWM方法和PD-SPWM方法控制下对输出电压波形质量的影响。假定APOD-SPWM方法采用和PD-SPWM方法一样的参数。APOD-SPWM方法下，设定调制度M为0.8，直通占空比的时间T0’为0.2。PD-SPWM方法下，设定调制度M为0.8，直通占空比的时间T0为0.2。由仿真结果可以看出，采用PD-SPWM方法具有开关损耗和谐波畸变小等优点。

图9为Z源三电平NPC逆变器和Z源三电平T型逆变器采用PD-SPWM方法进行仿真对比。从图中、表1可以看出，Z源三电平T型逆变器与Z源三电平NPC逆变器在相同的调制策略下，谐波小，波形质量相当。

表1 PD调制策略下谐波比较

	Z源T型逆变器	Z源NPC逆变器
			直通	0.63％	0.65％
非直通	0.47％	0.49％

图10为Z源三电平NPC的结构图。

图11为Z源T型逆变器的控制电路图；控制电路包括保护电路、驱动电路和采样调理电路，采样调理电路包括直流电压Vin、Z源电容电压Vzc、直流电流Idc以及滤波器输出的三相电压Ua、Ub、Uc，信号调理电路和控制电压具有过/欠压保护和过流保护；驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。

因此，采用PD调制策略可以实现Z源三电平T型逆变器的升压和逆变功能，而且相对于Z源三电平NPC逆变器，导通损耗更低，效率高，波形质量相当。该拓扑逆变器在光伏发电系统、风力发电系统、燃料电池等可再生能源领域前景广阔。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种Z源三电平T型逆变器，其特征是：包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT管，各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的IGBT管，另一侧经滤波器与电阻连接；在并联的各桥臂输入端连接Z源网络后接入输入电压源；输入电压源两端并联有两个串联的电容，两个电容连接处连接各项桥臂的两个方向不同IGBT管的一端，各个IGBT管均由控制电路驱动。

2.如权利要求1所述的一种Z源三电平T型逆变器，其特征是：所述Z源网络包括两个电感和电容，两个电感分别串联在输入电压源两端与三相桥臂的连接处，电感与输入电压源的连接侧串联有二极管，且两个二极管反向，两个电容的一端分别连接二极管和电感的连接处，另一端连接在另一路电感和三相桥臂的连接处。

3.如权利要求1所述的一种Z源三电平T型逆变器，其特征是：所述滤波器为LC滤波电路，且其中的电容公共端接地。

4.如权利要求1所述的一种Z源三电平T型逆变器，其特征是：所述控制电路包括保护电路、驱动电路、采样调理电路，采样调理电路连接DSP模块，DSP模块与保护电路双向通信，DSP模块连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。

5.如权利要求1所述的一种Z源三电平T型逆变器，其特征是：所述采样调理电路采集输入电压源的直流电压、直流电流、Z源网络电容电压以及滤波器输出的三相电压值大小。

6.应用如权利要求1-5中任一项所述的Z源三电平T型逆变器的调制方法，具体为：选择开关状态转换最少的桥臂产生直通，在任意时刻，对调制信号的Umax，即Ua，Ub，Uc中的最大值，增加直通占空比的二分之一的垂直偏移产生上直通，同时对调制信号的Umin，即Ua，Ub，Uc中的最小值，减少直通占空比的二分之一的垂直偏移产生下直通，保持调制信号的Umid，即Ua，Ub，Uc中的中间值不变，得到Z源三电平T型逆变器所需要的直通占空比，最后将得到的PWM信号送到驱动电路。