CN105450075B - 一种基于空间矢量脉宽调制的z源逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于空间矢量脉宽调制的Z源逆变器控制方法，所述Z源逆变器包括直流电源、Z网络及逆变网络，逆变网络由三对并联的桥臂所组成，每个桥臂均由两个功率开关管串联而成，在对逆变网络中的功率开关管进行调制时，采用空间矢量脉宽调制，即调制信号采用固定频率的正弦波和奇数次谐波叠加而成的调制波形；载波信号由三角波组成，并将逆变网络的直通矢量分段注入三对并联的桥臂的空间矢量中，再混合控制Z源逆变器，得到正弦波完成对输出电压的控制。本发明提高了驱动性能和系统稳定性，适于电动汽车等领域的广泛应用。

Description

一种基于空间矢量脉宽调制的Z源逆变器控制方法

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域，具体涉及到一种基于空间矢量脉宽调制的Z源逆变器控制方法

背景技术

随着节能环保概念的普及，电动车的研发进入了高速发展的阶段。我国新能源政策的出台，对于我国电动汽车的发展提供了政策支持。目前电动汽车驱动系统普遍采用直接供电逆变的驱动方案,这种方案已经不能满足电动汽车动力性能的需要。当电动汽车在启动、加速等工况下,蓄电池的电压会由于瞬间大电流放电而急剧下降,逆变器的供电电压随之下降,电动汽车的驱动转矩下降,导致加速缓慢,使得动力性能变差。传统的逆变器有电压源、电流源逆变器，但是传统的逆变器存在很多不足的地方，电压源逆变器存在的主要缺陷如下:1)同一桥臂上下两个开关管加入的死区时间导致了输出电压的畸变；2)同一桥臂上下两个开关管不能直通，否则会造成输入侧的短路，烧毁线路：3)输出电压始终低于输入电压，这实际就是一个BUCK电路，为了达到驱动电机的驱动电压往往需要在输出侧加入一个升压变压器，这就增大了工程的复杂度。电流源逆变器存在如下缺陷：1)开关管换流的重叠时间导致了输出电流的畸变；2)任何时刻电路的开关模式导致了电路很容易被损坏；3)输出交流电压高于直流侧的母线电压，因此这就相当于一个BOOST电路，这导致不能灵和的调节输出电压。为了解决以上矛盾文献(F.Z.Peng,“Z-source inverter”IEEE Trans.onindustry Applications,vol.39,no.2,pp.504-510,March/April,2003.)提出了Z源逆变器的概念，通过引入一个Z源网络，将逆变器主电路与电源耦合起来。传统Z源逆变器主电路。其与电压源、电流源型逆变器相比，具有以下如下优点：1)同一桥臂上下两个开关管之间不需加入死区电压，因此不会带来输出波形的畸变；2)同一桥臂上下两个开关管可以直通，因此由电池干扰造成的勿导通不会损坏电路；3)能够提供升降压的功能。但传统的Z源逆变器由于自身结果的原因也存在如下 缺点:1)Z源网络中的电容电压大于或者等于输入电压，这导致其电压应力大，需选用高压电容，变压器体积偏大和成本偏高；2)变换器启动的时候网络中的冲击电流很大，同时电感与电容之间发生谐振，这些都可能随时损坏逆变器。为了克服上述缺点，中国专利《Z源逆变器及其软启动方法》，专利号为ZL200810019291.3，申请日为008-01-18，提出了一种对Z源逆变器拓扑结构进行改进，虽然改进后的逆变器Z源逆变器性能有所提升，但没有从根本上更好的解决Z源电容和电感电压应力过大，输出波形纹波严重的问题。

发明内容

针对以下现有的不足，提出了一种驱动性能更好，整个系统更稳定的基于空间矢量脉宽调制的Z源逆变器控制方法。。本发明的技术方案如下：一种基于空间矢量脉宽调制的Z源逆变器控制方法，所述Z源逆变器包括直流电源、Z网络及逆变网络，逆变网络由三对并联的桥臂所组成，每个桥臂均由两个功率开关管串联而成，在对逆变网络中的功率开关管进行调制时，采用空间矢量脉宽调制，即调制信号采用固定频率的正弦波和奇数次谐波叠加而成的调制波形；载波信号由三角波组成，并将逆变网络的直通矢量分段注入三对并联的桥臂的空间矢量中，再采用直通矢量六等份注入脉冲的六个矢量空间法以混合控制Z源逆变器，得到正弦波完成对输出电压的控制。

进一步的，所述调制波形被分成六段，且均注入直通状态，并在波形分段时刻分别控制逆变网络六个功率开关管的通段。

进一步的，所述奇数次谐波是3次或者5次谐波。

进一步的，所述逆变网络的直通矢量分段注入三对并联的桥臂的空间矢量中具体为：Z源逆变器的逆变网络有七种有效的开关状态(即直通状态和三对并联的桥臂，将直通状态在相同的时间段均分成六份添加在桥臂的六个扇区里面。

进一步的，所述六个扇区组成360度的圆形。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明采用主要包含电压谐波应力消去和直通矢量的SVPWM的合理分段注 入。其中为消去谐波应力设计的方法是在生成PWM控制信号的时候，对生成PWM波的正弦调制限号加入特定频率的奇数次谐波，并经过反复理论设计验证得到本发明涉及到的是三次或者五次谐波，这样可得直流电经过逆变器逆变后输出更接近与正弦波的交流电，使其驱动性能更好。

本发明涉及到的Z源逆变器混合控制方法设计，主要包含电压谐波应力消去和直通矢量的SVPWM的合理分段注入。其中根据逆变器其拓扑结构和负载的特征，IGBT开关管的通段采用的是SVPWM波控制，其中由于Z源逆变器相对于传统逆变器拓扑结构的特殊性，即逆变器的八种开关状态，有七种为有效的开关状态(传统逆变器有6个有效状态)。本发明是将直通状态平均加在六个扇区里面，本发明涉及到的Z源逆变器混合控制方法设计，主要包含电压谐波应力消去和直通矢量的SVPWM的合理分段注入。其主要特点是加入奇数次谐波的调制信号和分段式的SVPWM混合控制Z源逆变器，得到理想的输出正弦波形，然后对负载进行驱动。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例Z源逆变器拓扑结构；

图2、SVPWM控制波形；

图3、空间矢量扇区图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1所示，为Z源逆变器硬件电路拓扑结构，其特点在于其由Z源网络和三相逆变桥组成。Z源逆变器和传统逆变器一样，三相逆变桥有八种开关组合状态，但是传统逆变器只有六种有效状态，零状态和直通状态是无效状态，Z源逆变器由于其自身优于传统逆变器的拓扑结构，其有七种有效的状态，直通状态(111)也是有效状态。传统逆变器和Z源逆变器空间矢量状态图如附图3所示。传统逆变器对六个开关管的通段采用的是空间矢量控制策略，本发明Z源逆变器采用特殊的空间矢量控制，即在六个扇区里面加入相同时间段的直通状态。 加入相同时间段的直通状态可使每个扇区对应脉冲占空比恒定且相等，这使得控制脉冲更稳定，整个逆变器性能更稳定。

附图2是SVPWM控制波波形图，与传统的SPWM波不同，本发明涉及到的SVPWM波在生成阶段的时候，调制信号即正弦信号波里面叠加了特点的谐波成分，谐波注入实际上是拓宽了调制比。

本发明涉及到的谐波为奇数次三或者五次谐波，其效果更佳。Z源逆变器其拓扑结构优于传统的逆变器，但是也有其缺点，即电压应力变大，造成性能的不稳定，本发明涉及到的两个创新点正好解决了上述问题，使逆变器性能更好，整个系统更稳定，其应用会更广。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种基于空间矢量脉宽调制的Z源逆变器控制方法，所述Z源逆变器包括直流电源、Z网络及逆变网络，逆变网络由三对并联的桥臂所组成，每个桥臂均由两个功率开关管串联而成，其特征在于，在对逆变网络中的功率开关管进行调制时，采用空间矢量脉宽调制，即调制信号采用固定频率的正弦波和奇数次谐波叠加而成的调制波形；所述奇数次谐波是3次或者5次谐波；

载波信号由三角波组成，并将逆变网络的直通矢量分段注入三对并联的桥臂的空间矢量中，再采用直通矢量六等份注入脉冲的六个矢量空间以混合控制Z源逆变器，得到正弦波完成对输出电压的控制；所述调制波形被分成六段，且均注入直通状态，并在波形分段时刻分别控制逆变网络六个功率开关管的通段；

所述逆变网络的直通矢量分段注入三对并联的桥臂的空间矢量中具体为：Z源逆变器的逆变网络有七种有效的开关状态，即直通状态和三对并联的桥臂，将直通状态在相同的时间段均分成六份添加在桥臂的六个扇区里面，所述六个扇区组成360度的圆形。