CN107846154B - Z源t型三电平逆变器的无源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，根据T型逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，根据Z源网络的拓扑结构，推出Z源网络的数学模型，综合两种数学模型，将其写成无源控制的E‑L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到无源控制器开关函数的关系式，信号值代入开关函数产生的开关函数脉冲，将其施加在T型逆变器上驱动逆变器开关管导通。本发明方法相比于传统的双闭环控制，采用无源控制E‑L策略不但能够更好地控制Z源网络的电容电压，提高系统动态响应的稳定性，而且逆变器输出的电流谐波低。

Description

Z源T型三电平逆变器的无源控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器的控制技术，特别涉及一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法。

背景技术

近年来，随着风电、光伏等可再生能源的快速发展，对并网逆变器的稳定性、转换效率以及功率和电压等级的要求也越来越高。Z源T型逆变器(Z-Source T-type Inverter)改进了传统逆变器结构，提供了一种新的逆变器拓扑和理论。Z源网络拓扑最先应用在两电平逆变器上，使逆变器的桥臂直通成为一种工作状态，调制算法上无需再插入死区时间，提高了逆变效率，同时，Z源逆变器能够实现升降压变换，无需在逆变器前端加入升压环节。对于T型逆变器，相比于传统的两电平逆变器能显著提高逆变器的效率、减少谐波含量；与三电平逆变器相比，T型逆变器结构使用了较少的开关器件，降低了开关器件的损耗，节约了成本。

由于Z源并网逆变器的非线性特性，反馈线性化、滑模变结构控制和无差拍控制等多种非线性控制方法被用到了Z源逆变器的控制当中，这些控制方法都能够在不同程度上改进逆变器的性能，但它们自身也都有缺陷存在。为了实现电力电子变流器的非线性控制，无源性控制(Passivity Based Control,PBC)理论已被应用于电压型PWM整流器的控制中并取得了较好的控制效果。

发明内容

本发明是针对常用的非线性控制方法运用到Z源T型逆变器存在的问题，提出了一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法,有效降低Z源网络的电容压降，提高系统动态响应的稳定性，降低电流谐波。

本发明的技术方案为：一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，直流电源通过分压电容与Z源网络与三相T型三电平逆变器相连，逆变器后面接三相线路负载，负载线路出来的三相电流与电压经abc-dq坐标变换转为d、q轴分量的电流与电压作为无源控制器的输入；同时将Z源网络电容压降值与标准电容电压值的差值经PI调节获得直轴期望电流i_dref，并将其作为无源控制器的输入，交轴期望电流i_qref设为0，然后利用无源控制器得到开关函数脉冲，将其施加在T型三电平逆变器上驱动逆变器开关管导通；

无源控制器设计方法：根据T型三电平逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，根据Z源网络的拓扑结构，推出Z源网络的数学模型，综合两种数学模型，得到Z源T型三电平逆变器的数学模型，将其写成无源控制的E-L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到开关函数的关系式，信号值代入开关函数产生的开关函数脉冲。

所述T型三电平逆变器的拓扑结构为：T型三电平逆变器A相4个开关管为T_a1-T_a4，B相4个开关管为T_b1-T_b4，C相4个开关管为T_c1-T_c4，直流侧U_dc并联2个串联分压电容为C₃、C₄，且C₃＝C₄＝C，S_a、S_b、S_c为每个桥臂的开关驱动信号，其中A相桥臂的4个驱动信号为S_a1、S_a2、S_a3、S_a4，同理可得B、C相桥臂相应开关管的驱动信号；

根据T型三电平逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，经abc-dq坐标变换为旋转d、q坐标下的数学模型后简化后数学模型为:

式中：L_f为三相线路的等效电感，R为三相线路的等效电阻，i_a、i_b、i_c分别为逆变器输出的A、B、C三相电流；i_d、i_q为三相电流i_a、i_b、i_c在d、q轴上的分量；U_c3、U_c4分别为分压电容C₃、C₄的电压；U_ed、U_eq为三相电压U_ea、U_eb、U_ec在d、q轴上的分量；S_d1、S_q1为S_a1在d、q轴上的分量；S_d4、S_q4为S_a4在d、q轴上的分量；S_d1＝-S_d4，S_q1＝-S_q4；

Z源网络的电感为L₁、L₂，L₁＝L₂＝L，电容为C₁、C₂，C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C，

Z源网络电感与电容的数学模型为：

式中：D₀为逆变器的直通占空比，i_L为流过电感L1、L2的电流，U_C为Z源网络电容的电压，I_in1为逆变器流入电流；

逆变器流入电流I_in1的公式为：

Z源T型三电平逆变器的数学模型为：

所述将Z源T型三电平逆变器的数学模型写成无源控制的E-L模型，推出E-L模型中各矩阵变量：

式中：M为由储能元件构成的正定对角阵；J为反应系统内部互联结构的反对称矩阵，即J＝-J^T；Z为反应系统耗散特性的对称矩阵；U为控制输入。

所述无源控制的E-L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到开关函数的关系式为：

其中i_dref、i_qref、U_cref、i_Lref分别为i_d、i_q、U_c、i_L的期望值，Z_a1、Z_a2、Z_a3、Z_a4分别为注入阻尼；

化简式(19)可得到逆变器的开关函数为：

S_d1＝-S_d4，S_q1＝-S_q4，将开关函数S_d1、S_d4、S_q1、S_q4产生的脉冲施加于T型三电平逆变器上，使逆变器的桥臂导通工作。

本发明的有益效果在于：本发明Z源T型三电平逆变器的无源控制方法,与现有的双闭环控制策略相比较，能够有效地降低Z源网络电容的压降，提高系统的动态响应的稳定性；能够降低逆变器输出电流的谐波。

附图说明

图1为Z源T型三电平逆变器的拓扑结构；

图2为Z源网络的非直通状态；

图3为Z源网络的上直通状态；

图4为Z源网络的下直通状态；

图5为本发明Z源T型三电平逆变器的无源控制原理图；

图6为本发明Z源T型三电平逆变器输出的相电压波形；

图7为本发明Z源T型三电平逆变器输出的线电压波形；

图8为采用本发明无源控制策略时Z源网络的电容压降；

图9为采用传统双闭环控制策略时Z源网络的电容压降；

图10为采用本发明无源控制策略时逆变器输出A相电流谐波；

图11为采用传统双闭环控制策略时逆变器输出A相电流谐波。

具体实施方式

如图1所示Z源T型三电平逆变器的拓扑结构。其中，Z源网络的电感为L₁、L₂，电容为C₁、C₂；T型三电平逆变器A相4个开关管为T_a1-T_a4，B相4个开关管为T_b1-T_b4，C相4个开关管为T_c1-T_c4，直流侧U_dc并联2个串联分压电容为C₃、C₄，且C₃＝C₄＝C，S_a、S_b、S_c为每个桥臂的开关驱动信号，其中A相桥臂的4个驱动信号为S_a1、S_a2、S_a3、S_a4，同理可得B、C相桥臂相应开关管的驱动信号，根据T型三电平逆变器的工作原理，推出其在三相a、b、c坐标下的数学模型为：

式中：D₀为逆变器的直通占空比，I_dc为直流电源侧电流，L_f为三相线路的等效电感，R为三相线路的等效电阻，i_a、i_b、i_c分别为逆变器输出的A、B、C三相电流，U_ON为直流侧中性点电压与并网侧中点电压差值，U_ek为并网侧三相等效相电压，其中，k＝a、b、c。

经abc-dq坐标变换之后，T型三电平逆变器在旋转d、q坐标下的数学模型为：

式中：i_d、i_q为三相电流i_a、i_b、i_c在d、q轴上的分量；U_c3、U_c4分别为分压电容C₃、C₄的电压；U_ed、U_eq为三相电压U_ea、U_eb、U_ec在d、q轴上的分量；S_d1、S_q1为S_a1在d、q轴上的分量；S_d4、S_q4为S_a4在d、q轴上的分量；I_in1为逆变器的输入电流；ω为旋转角速度。令C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C，则Z源网络电容电压U_c为：

式中：U_dc为直流电源电压；D₀为直通占空比。

由式(2)可知，S_d1＝-S_d4，S_q1＝-S_q4，式(2)可以化简为：

式(4)即为所求得T型三电平逆变器在d、q旋转坐标系的数学模型。

图2为Z源网络的非直通状态。令L₁＝L₂＝L，C₁＝C₂＝C，可以推出：

U_dc＝U_L+U_C U_dc＝2U_L+2U_i (5)

式中：U_i为逆变器直通状态时等效的直流侧电压源；U_L、U_C分别为Z源网络电感与电容的电压。

图3、图4分别为Z源网络的上直通状态、下直通状态。令一个开关工作的周期为T，非直通时间为T₁，直通时间为T₀。根据电感的伏秒平衡原理，即一个周期内电感两端的平均稳定电压为0，结合直通与非直通状态时的工作公式可以推出关系式：

式中：D₀为逆变器的直通占空比；B为升压因子。

根据Z源网络的直通与非直通状态，得出一个开关周期T内Z源网络的状态方程为：

式中：D₀、D₁分别为直通占空比与非直通占空比，且D₁＝1-D₀。由此推出Z源网络电感与电容的数学模型为：

式中：i_L为流过电感L1、L2的电流。

逆变器流入电流I_in1的公式为：

综合式(4)、(9)、(10)可以推出Z源T型三电平逆变器的数学模型为：

将上述Z源T型三电平逆变器的数学模型写成无源控制的E-L模型，可以推出E-L模型中各矩阵变量，

其中，

式中：M为由储能元件构成的正定对角阵；J为反应系统内部互联结构的反对称矩阵，即J＝-J^T；Z为反应系统耗散特性的对称矩阵；U为控制输入。

令误差变量x_eg＝x-x*，由式(12)可知：

式中：x*为系统的期望平衡点。它可表示为：

取误差能量函数：

对于这种EL模型的无源控制器，为使x_eg快速变为零，可采用注入阻尼的方法来加快系统耗散，从而加速系统的收敛速度。注入阻尼耗散项为：

Z_dx_eg＝(Z+Z_a)x_eg (15)

式中：Z_a为对角线矩阵，Z_a＝λ[Z_a1 Z_a2 0 0]，Z_a3、Z_a4为零，Z_d为混合阻尼，λ为系数，取值范围为0～1。则式(13)可改写为：

选取控制规律：

可使

误差能量函数为：

结合式(11)、(12)求解式(17)得到：

化简式(19)可得到逆变器的开关函数为：

S_d1＝-S_d4，S_q1＝-S_q4，将开关函数S_d1、S_d4、S_q1、S_q4产生的脉冲施加于T型三电平逆变器上，使逆变器的桥臂导通工作。基于Matlab/Simlink模块仿真实验：在Matlab/Simlink环境中对系统进行仿真建模，仿真参数设定为：直流侧输出电压为U_dc＝400V，Z源网络的电容为C₁＝C₂＝220μF，电感为L₁＝L₂＝0.001H，分压电容为C₃＝C₄＝220μF，线路的感抗为1μH，线路的等效电阻为1Ω，逆变器的直通占空比D₀为0.25，注入阻尼为Z_a1＝Z_a2＝50Ω。

图5是Z源T型三电平逆变器无源控制原理图。图中，直流电源通过分压电容与Z源网络与三相T型三电平逆变器相连，逆变器后面接三相线路负载，负载线路出来的三相电流与电压经abc-dq坐标变换转为d、q轴分量的电流与电压作为无源控制器的输入；同时将Z源网络电容压降值与标准电容电压值的差值经PI调节获得直轴期望电流i_dref，并将其作为无源控制器的输入，交轴期望电流i_qref设为0。然后利用无源控制器得到开关函数脉冲，将其施加在T型三电平逆变器上驱动逆变器开关管导通。

图6、图7分别为逆变器输出的相电压、线电压波形。由图6可见，逆变器输出的相电压为三电平，其与上述分析的T型三电平逆变器工作于+U_dc/2、0、-U_dc/2三电平状态相一致；由图7可见，逆变器输出的线电压为五电平，满足三电平逆变器输出线电压的要求。

Z源T型三电平逆变器的E-L无源控制策略与双闭环控制策略比较，为了说明本发明专利的优势，将其与传统的双闭环控制策略进行了仿真比较。图8、图9分别为采用无源控制、双闭环控制策略时Z源网络电容的电压值。

比较两图可见，采用无源控制时可在很短的时间内将Z源网络电容的压降控制在600V，而采用传统的双闭环控制时Z源网络电容电压大于采用无源控制策略时电容的压降；此外，采用双闭环控制时Z源网络电容电压达到稳定值的时间远比无源控制时间长。由此验证了采用无源控制策略可以更好地控制Z源网络的电容压降，降低压降损耗，还可提高系统的动态响应速度。

图10、图11分别为采用无源控制、双闭环控制策略时输电线路A相电流谐波值。由图可见，无源控制的谐波率为0.93％，而双闭环控制的谐波率为2.36％。因此，采用无源控制策略能够有效地抑制电流谐波，降低线路的谐波损耗。

Claims (1)

1.一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，直流电源通过分压电容与Z源网络与三相T型三电平逆变器相连，逆变器后面接三相线路负载，负载线路出来的三相电流与电压经abc-dq坐标变换转为d、q轴分量的电流与电压作为无源控制器的输入；同时将Z源网络电容压降值与标准电容电压值的差值经PI调节获得直轴期望电流i_dref，并将其作为无源控制器的输入，交轴期望电流i_qref设为0，然后利用无源控制器得到开关函数脉冲，将其施加在T型三电平逆变器上驱动逆变器开关管导通；

无源控制器设计方法：根据T型三电平逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，根据Z源网络的拓扑结构，推出Z源网络的数学模型，综合两种数学模型，得到Z源T型三电平逆变器的数学模型，将其写成无源控制的E-L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到开关函数的关系式，信号值代入开关函数产生的开关函数脉冲；

其特征在于，所述T型三电平逆变器的拓扑结构为：T型三电平逆变器A相4个开关管为T_a1-T_a4，B相4个开关管为T_b1-T_b4，C相4个开关管为T_c1-T_c4，直流侧U_dc并联2个串联分压电容为C₃、C₄，且C₃＝C₄＝C，S_a、S_b、S_c为每个桥臂的开关驱动信号，其中A相桥臂的4个驱动信号为S_a1、S_a2、S_a3、S_a4，同理可得B、C相桥臂相应开关管的驱动信号；

根据T型三电平逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，经abc-dq坐标变换为旋转d、q坐标下的数学模型后简化后数学模型为:

式中：L_f为三相线路的等效电感，R为三相线路的等效电阻，i_a、i_b、i_c分别为逆变器输出的A、B、C三相电流；i_d、i_q为三相电流i_a、i_b、i_c在d、q轴上的分量；U_c3、U_c4分别为分压电容C₃、C₄的电压；U_ed、U_eq为三相电压U_ea、U_eb、U_ec在d、q轴上的分量；S_d1、S_q1为S_a1在d、q轴上的分量；S_d4、S_q4为S_a4在d、q轴上的分量；S_d1＝-S_d4，S_q1＝-S_q4；被动

Z源网络的电感为L₁、L₂，L₁＝L₂＝L，电容为C₁、C₂，C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C，Z源网络电感与电容的数学模型为：

式中：D₀为逆变器的直通占空比，i_L为流过电感L1、L2的电流，U_C为Z源网络电容的电压，I_in1为逆变器流入电流；

逆变器流入电流I_in1的公式为：

Z源T型三电平逆变器的数学模型为：

所述将Z源T型三电平逆变器的数学模型写成无源控制的E-L模型，推出E-L模型中各矩阵变量：

式中：M为由储能元件构成的正定对角阵；J为反应系统内部互联结构的反对称矩阵，即J＝-J^T；Z为反应系统耗散特性的对称矩阵；U为控制输入；

所述无源控制的E-L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到开关函数的关系式为：

其中i_dref、i_qref、U_cref、i_Lref分别为i_d、i_q、U_c、i_L的期望值，Z_a1、Z_a2、Z_a3、Z_a4分别为注入阻尼；

化简式(19)可得到逆变器的开关函数为：

S_d1＝-S_d4，S_q1＝-S_q4，将开关函数S_d1、S_d4、S_q1、S_q4产生的脉冲施加于T型三电平逆变器上，使逆变器的桥臂导通工作。

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