CN107681908A - 基于倍压电容的耦合电感准z源逆变器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器及其调制方法，涉及逆变器技术领域。本发明是为了解决传统Z源逆变器存在升压能力受到直通时间的限制，直通时间过大会导致输出电压谐波含量增大、直流电源输入电流断续、在启动时，会产生较大的谐振电流，导致器件损坏的问题。当三相逆变器上、下桥臂处于直通状态时，准Z源网络与三相逆变器断开连接，电解电容C₃和直流电源给电感L₁充电，电解电容C₂给耦合电感初级绕组充电，耦合电感L次级绕组L₁₂通过二极管D₂给电解电容C₁充电，实现倍压。它提升了电路升压能力。

Description

基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器及其调制方法

技术领域

本发明涉及基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器及其调制方法，属于逆变器技术领域。

背景技术

在新能源发电的能量转换与传递过程中,逆变器显得至关重要。但传统的电压源和电流源型逆变器无法同时实现升-降压控制,所以导致应用场合大大受到限制，如果在直流侧附加DC-DC变换器将会增加损耗和成本，同时为避免同一桥臂直通现象的发生，需加入死区时间，这将导致输出波形的畸变。

传统VSI中同一桥臂的上、下开关管绝不允许同时导通，因为任何一个桥臂直通都将造成电压源短路和开关设备损坏。而Z源逆变器拓扑在直流电压/电流源与逆变桥间加入独特的阻抗源网络改变了电路的运行，从而允许直通状态。并且通过在逆变桥臂中合理地插入直通状态，Z源网络可提升直流母线电压。这些特点不仅有效地保护了电路，提高了开关器件的可靠性，而且以单级功率变换同时实现升降压及直流-交流转换，很大程度上节省了成本。与基于DC-DC变换器的传统两电平逆变器相比，系统效率提高，且成本降低。

然而，Z源逆变器在理论上仍存在一定的局限性和不足：(1)升压能力受到直通时间的限制，直通时间过大会导致输出电压谐波含量增大。(2)无法实现共地。(3)直流电源输入电流断续。(4)对器件产生较大电压应力。(5)在启动时，直流电源会与Z源电容和反并联二极管构成通路，产生较大的谐振电流，导致器件损坏，因此应用范围受到限制。

发明内容

本发明是为了解决传统Z源逆变器存在升压能力受到直通时间的限制，直通时间过大会导致输出电压谐波含量增大、直流电源输入电流断续、在启动时，会产生较大的谐振电流，导致器件损坏的问题。现提供基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器及其调制方法。

基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器，它包括三相逆变器1和输出滤波器2，

三相逆变器1的交流信号输出端连接输出滤波器2的交流信号输入端，输出滤波器2的滤波信号输出端输出的电压为负载供电；

它还包括准Z源网络3，

准Z源网络3包括电解电容C₁-C₃、耦合电感L、电感L₁和二极管D₁-D₂，

直流电源的正极连接电感L₁的一端，电感L₁的另一端同时连接二极管D₁的正极和电解电容C₃的负极，二极管D₁的负极同时连接耦合电感L初级绕组L₁₁的同名端和电解电容C₂的正极，

耦合电感L初级绕组L₁₁的异名端同时连接二极管D₂的正极和电解电容C₁的负极，电解电容C₁的正极连接耦合电感L次级绕组L₁₂的同名端，耦合电感L次级绕组L₁₂的异名端同时连接二极管D₂的负极、电解电容C₃的正极和三相逆变器1的正极输入端，

直流电源的负极同时连接电解电容C₂的负极和三相逆变器1的负极输入端。

根据基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器，三相逆变器1有两种工作状态，分别为直通状态和正常状态；

当三相逆变器1上、下桥臂处于直通状态时，准Z源网络3与三相逆变器1断开连接，电解电容C₃和直流电源给电感L₁充电，电解电容C₂给耦合电感初级绕组充电，耦合电感L次级绕组L₁₂通过二极管D₂给电解电容C₁充电，实现倍压；

当三相逆变器1处于正常工作状态时，准Z源网络3通过三相逆变器1和输出滤波器2为负载提供能量。

根据基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器实现的调制方法，该调制方法为：

步骤一、三相逆变器的上、下桥臂开关状态共产生6个有效电压矢量、2个零电压矢量和3个直通矢量，6个有效电压矢量将空间划分为六个扇区，2个零电压矢量和3个直通矢量均为零，且位于所述扇区的原点；

步骤二、通过相邻的两个有效电压矢量、零电压矢量和直通矢量合成输出参考矢量U_out；

步骤三、根据三相逆变器输出的输出参考矢量U_out通过输出滤波器2滤波后为负载供电。

本发明的有益效果为：

本发明将电容C₁串联在耦合电感L的初、次级绕组之间，在直通状态时，耦合电感L的次级绕组通过二极管D₂形成给电容充电，实现了倍压功能，大大提高了升压能力，并将该起倍压作用的准Z源网络与三相逆变器相结合，实现了输入电流连续，减小了电容电压应力，抑制了启动时产生的谐振电流，这些优点使基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器更适合应用在新能源供电系统。

本申请剔除的调制策略，将起倍压单元的准Z源网络和三相逆变器相结合，进一步提升了升压能力，抑制了起动电流，增加了电路的可靠性。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器的原理示意图；

图2为直通状态下，准Z源网络的等效电路图；

图3为正常状态下，准Z源网络的等效电路图；

图4为三相逆变器的空间矢量分布图；

图5为三相逆变器的空间矢量合成图；

图6为SVPWM控制开关状态示意图；

图7为三相逆变器输入电压V_i随时间的变化图；

图8为电解电容C₁电压图；

图9为电解电容C₂电压图；

图10为电解电容C₃电压图；

图11为输出电压U_out图；

图12为基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器输出的相电流图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器，它包括三相逆变器1和输出滤波器2，

三相逆变器1的交流信号输出端连接输出滤波器2的交流信号输入端，输出滤波器2的滤波信号输出端输出的电压为负载供电；

其特征在于，它还包括准Z源网络3，

准Z源网络3包括电解电容C₁-C₃、耦合电感L、电感L₁和二极管D₁-D₂，

直流电源的正极连接电感L₁的一端，电感L₁的另一端同时连接二极管D₁的正极和电解电容C₃的负极，二极管D₁的负极同时连接耦合电感L初级绕组L₁₁的同名端和电解电容C₂的正极，

耦合电感L初级绕组L₁₁的异名端同时连接二极管D₂的正极和电解电容C₁的负极，电解电容C₁的正极连接耦合电感L次级绕组L₁₂的同名端，耦合电感L次级绕组L₁₂的异名端同时连接二极管D₂的负极、电解电容C₃的正极和三相逆变器1的正极输入端，

直流电源的负极同时连接电解电容C₂的负极和三相逆变器1的负极输入端。

本实施方式中，将电解电容C₁串联在耦合电感L的初、次级绕组之间，在直通状态时，耦合电感L的次级绕组通过二极管D₂形成给电容充电，实现了倍压功能，大大提高了升压能力，并将此倍压单元与准Z源逆变器相结合，实现了输入电流连续，减小了电容电压应力，抑制了启动时产生的谐振电流，其工作原理为：将三相逆变器1上、下桥臂直通，此时准Z源网络3与三相逆变器1断开连接，称为直通状态，此时等效电路图如图2所示。当三相逆变器1处于正常工作状态，称为非直通状态；在非直通状态下，准Z源网络3和直流电源同时为负载提供能量等效电路图如图3。

具体实施方式二：参照图2至图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器作进一步说明，本实施方式中，三相逆变器1有两种工作状态，分别为直通状态和正常状态；

当三相逆变器1上、下桥臂处于直通状态时，准Z源网络3与三相逆变器1断开连接，电解电容C₃和直流电源给电感L₁充电，电解电容C₂给耦合电感初级绕组充电，耦合电感L次级绕组L₁₂通过二极管D₂给电解电容C₁充电，实现倍压；

当三相逆变器1处于正常工作状态时，准Z源网络3通过三相逆变器1和输出滤波器2为负载提供能量。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器作进一步说明，本实施方式中，实现倍压，具体为：

设定在一个开关周期T中，直通状态持续时间为T₀，则直通状态时，准Z源网络3内的电压为：

式中，V_L1ON为直通状态下电感L₁两端电压，V_L11ON为直通状态下耦合电感初级绕组两端电压，V_L12ON为直通状态下耦合电感次级绕组两端电压，V_dc为准Z源网络输入的直流电压，V_i为三相逆变器的输入端电压，V_C1为直通状态下电解电容C₁电压，V_C2为直通状态下电解电容C₂电压，V_C3为直通状态下电解电容C₃电压；

设定在一个开关周期T中，正常工作状态持续时间为T₁，则正常工作状态下，准Z源网络3内的电压为：

式中，V_L1NO为正常工作状下电感L₁两端电压，V_L11NO为正常工作状下耦合电感初级绕组两端电压，V_L12NO为正常工作状下耦合电感次级绕组两端电压，n为耦合电感初级与次级绕组的匝比；

在一个开关周期T中，稳态下耦合电感初级绕组两端平均电压为0，由公式1和公式2获得：

从而三相逆变器输入电压V_i和准Z源网络输入的直流电压V_dc的关系为：

式中，D为直通占空比，D＝T₀/T，正常状态下的占空比D₁＝1-D＝T₁/T，

获得升压因子B为：

进而得到电压增益为G：

具体实施方式四：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是根据具体实施方式一所述的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器实现的调制方法，该调制方法为：

步骤一、三相逆变器的上、下桥臂开关状态共产生6个有效电压矢量、2个零电压矢量和3个直通矢量，6个有效电压矢量将空间划分为六个扇区，2个零电压矢量和3个直通矢量均为零，且位于所述扇区的原点；

步骤二、通过相邻的两个有效电压矢量、零电压矢量和直通矢量合成输出参考矢量U_out；

步骤三、根据三相逆变器输出的输出参考矢量U_out通过输出滤波器2滤波后为负载供电。

本实施方式中，基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器的调制策略中共有6个有效电压矢量U0,U60,U120,U180,U240,U300、2个零电压矢量U₀₀和U₁₁和3个直通矢量U₀、U₁和U₂，其中，6个有效电压矢量依次相差60°，方向固定，将空间划分为六个扇区如图4所示，3个直通矢量为三相逆变器1三对桥臂分别直通产生，参考矢量通过相邻两个有效电压矢量U_u、U_v、零电压矢量U₀₀合成以及直通矢量U₀合成，由于直通矢量U₀和零矢量U₀₀电压均为零，所以在合成矢量的原点，其中两个有效电压矢量的占空比分别是d_u和d_v，零矢量的占空比是d₀₀，直通矢量占空比为D矢量合成图如图5所示。

本申请基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器的调制策略根据图6叙述其工作原理如下：t₁时刻，电压矢量进入零矢量U₀₀状态，此时VT1、VT2、VT3开通，VT4、VT5、VT6关断，电容C₂、C₃为电感L₁和耦合电感L提供续流回路。t₂时刻进入直通状态，电容C₃和直流电源给电感L₁充电，电容C₂给耦合电感初级绕组充电，耦合电感次级绕组通过二极管D₂给电容C₁充电实现倍压功能。在t₃时刻电路再次回到零电压矢量状态，t₄时刻开始输出有效电压矢量，t₅时刻输出输出参考矢量，直流电源和耦合电感共同为负载供电，之后逆变器进入循环状态。

根据三相逆变器1输出的电压频率与载波频率来确定每一次输出矢量的间隔角度，通过对输出角度进行记忆，通过该记忆角度进行扇区判断和初始角计算，根据得到的直通时间、调制度和初始角来计算得出相应扇区下合成参考电压矢量的各个矢量的输出时间，再通过软硬件结合将执行逻辑引入控制系统中，实现该矢量调制策略。

为了验证本发明所提出的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器的正确性和可行性，对该发明进行仿真验证。仿真中主电路中直流电源参数设置为60V；输出滤波参数设置为：L＝1.5mH，C＝4.7uF；开关频率10kHz；调制因子M＝0.9，直通占空比D＝0.1；对于基于倍压电容的耦合电感准Z源网络中的电容C₁、C₃为470uf，C₂为1000uf；耦合电感匝比n＝2时，耦合电感选择为L₁₁＝1mH，L₁₂＝4mH；电感选择为L₁＝1mH，负载每相30Ω。仿真波形如图7至图12所示。

由仿真可知，采用空间矢量调制策略，引入基于倍压电容的耦合电感准Z源网络大大地提高了升压能力，通过仿真验证了新拓扑存在的优势，达到了设计的目的。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器作进一步说明，本实施方式中，输出参考矢量U_out、相邻的两个有效电压矢量Uu、Uv、零电压矢量U₀₀和直通矢量U₀的关系表示为：

式中，T_u为所在扇区的起始矢量输出时间，T_v为所在扇区的终止矢量输出时间，T₀为直通矢量输出时间；T₀₀为零电压矢量输出时间，

由于零电压矢量U₀₀和直通矢量U₀输出电压均为零，所以输出参考矢量U_out表示为：

U_out＝d_uU_u+d_vU_v 公式8，

式中，d_u和d_v表示相邻的两个有效电压矢量占空比，d_u和d_v表示为：

式中，θ_i为在相应扇区的初始角，i＝1、2、3、4、5和6，i表示相应扇区，M表示调制因子。

Claims (5)

1.基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器，它包括三相逆变器(1)和输出滤波器(2)，

三相逆变器(1)的交流信号输出端连接输出滤波器(2)的交流信号输入端，输出滤波器(2)的滤波信号输出端输出的电压为负载供电；

其特征在于，它还包括准Z源网络(3)，

准Z源网络(3)包括电解电容C₁-C₃、耦合电感L、电感L₁和二极管D₁-D₂，

直流电源的正极连接电感L₁的一端，电感L₁的另一端同时连接二极管D₁的正极和电解电容C₃的负极，二极管D₁的负极同时连接耦合电感L初级绕组L₁₁的同名端和电解电容C₂的正极，

耦合电感L初级绕组L₁₁的异名端同时连接二极管D₂的正极和电解电容C₁的负极，电解电容C₁的正极连接耦合电感L次级绕组L₁₂的同名端，耦合电感L次级绕组L₁₂的异名端同时连接二极管D₂的负极、电解电容C₃的正极和三相逆变器(1)的正极输入端，

直流电源的负极同时连接电解电容C₂的负极和三相逆变器(1)的负极输入端。

2.根据权利要求1所述的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器，其特征在于，三相逆变器(1)有两种工作状态，分别为直通状态和正常状态；

当三相逆变器(1)上、下桥臂处于直通状态时，准Z源网络(3)与三相逆变器(1)断开连接，电解电容C₃和直流电源给电感L₁充电，电解电容C₂给耦合电感初级绕组充电，耦合电感L次级绕组L₁₂通过二极管D₂给电解电容C₁充电，实现倍压；

当三相逆变器(1)处于正常工作状态时，准Z源网络(3)通过三相逆变器(1)和输出滤波器(2)为负载提供能量。

3.根据权利要求2所述的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器，其特征在于，实现倍压，具体为：

设定在一个开关周期T中，直通状态持续时间为T₀，则直通状态时，准Z源网络(3)内的电压为：

式中，V_L1ON为直通状态下电感L₁两端电压，V_L11ON为直通状态下耦合电感初级绕组两端电压，V_L12ON为直通状态下耦合电感次级绕组两端电压，V_dc为准Z源网络输入的直流电压，V_i为三相逆变器的输入端电压，V_C1为直通状态下电解电容C₁电压，V_C2为直通状态下电解电容C₂电压，V_C3为直通状态下电解电容C₃电压；

设定在一个开关周期T中，正常工作状态持续时间为T₁，则正常工作状态下，准Z源网络(3)内的电压为：

式中，V_L1NO为正常工作状下电感L₁两端电压，V_L11NO为正常工作状下耦合电感初级绕组两端电压，V_L12NO为正常工作状下耦合电感次级绕组两端电压，n为耦合电感初级与次级绕组的匝比；

在一个开关周期T中，稳态下耦合电感初级绕组两端平均电压为0，由公式1和公式2获得：

从而三相逆变器输入电压V_i和准Z源网络输入的直流电压V_dc的关系为：

式中，D为直通占空比，D＝T₀/T，正常状态下的占空比D₁＝1-D＝T₁/T，

获得升压因子B为：

进而得到电压增益为G：

4.根据权利要求1所述的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器实现的调制方法，其特征在于，该调制方法为：

步骤一、三相逆变器的上、下桥臂开关状态共产生6个有效电压矢量、2个零电压矢量和3个直通矢量，6个有效电压矢量将空间划分为六个扇区，2个零电压矢量和3个直通矢量均为零，且位于所述扇区的原点；

步骤二、通过相邻的两个有效电压矢量、零电压矢量和直通矢量合成输出参考矢量U_out；

步骤三、根据三相逆变器输出的输出参考矢量U_out通过输出滤波器(2)滤波后为负载供电。

5.根据权利要求4所述的基于倍压电容的耦合电感准Z源逆变器实现的调制方法，其特征在于，输出参考矢量U_out、相邻的两个有效电压矢量U_u、U_v、零电压矢量U₀₀和直通矢量U₀的关系表示为：

式中，T_u为所在扇区的起始矢量输出时间，T_v为所在扇区的终止矢量输出时间，T₀为直通矢量输出时间；T₀₀为零电压矢量输出时间，

由于零电压矢量U₀₀和直通矢量U₀输出电压均为零，所以输出参考矢量U_out表示为：

U_out＝d_uU_u+d_vU_v 公式8，

式中，d_u和d_v表示相邻的两个有效电压矢量占空比，d_u和d_v表示为：

式中，θ_i为在相应扇区的初始角，i＝1、2、3、4、5和6，i表示相应扇区，M表示调制因子。