CN109995260A

CN109995260A - 一种基于准z源三电平逆变器的电网控制方法

Info

Publication number: CN109995260A
Application number: CN201910163940.5A
Authority: CN
Inventors: 程启明; 沈磊; 魏霖; 王玉娇; 程尹曼
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2019-07-09
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: CN109995260B

Abstract

本发明涉及一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法，包括以下步骤：步骤1：依据准Z源三电平逆变器拓扑结构建立静态工作点时系统的直流状态方程；步骤2：针对直流状态方程添加包含扰动量的状态变量以获取拉氏变换下的准Z源三电平逆变器拓扑结构的小信号动态方程模型；步骤3：通过调整准Z源三电平逆变器拓扑结构相关参数以进行电网相关电压动态控制。与现有技术相比，本发明具有升压能力强、电容电压应力明显降低、控制系统简单明了、实现容易等特点。

Description

一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法

技术领域

本发明涉及准Z源技术领域，尤其是涉及一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法。

背景技术

近年来，随着微电网技术的快速发展以及新能源的广泛应用，新型逆变器拓扑及其建模分析成为了研究的热点。Z源逆变器(Z-Source Inverter,ZSI)的提出使得上下桥臂直通成为正常状态，形成独特的升降压机制，增加了系统安全性和抗电磁干扰性。但是现存Z源逆变器拓扑存在局限性：直流升压因子较小，在输出电压较高时，必须增加直通时间，使得逆变器长时间处于恶劣工作环境，从而也加大了电容电压应力；起动冲击电流过大，容易损坏逆变器。因而对ZSI拓扑的进行改进研究，对于微电网更高质量发展具有重要意义。

现有文献提出一种降低Z源网络电容电压应力的拓扑，并抑制起动冲击，但升压效果没有得到提高。也有提出了一种降低系统成本，抑制了冲击电流，但升压能力却依旧没有得到提高。也有专门提出增加升压能力的改进型Z源逆变器，但升压效果不明显。还有将开关电感技术应用到Z源拓扑中，采用的对称两电平结构，其电容电压应力依旧很高，开关器件承受的电压强度依旧很大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法，包括以下步骤：

步骤1：依据准Z源三电平逆变器拓扑结构建立静态工作点时系统的直流状态方程；

步骤2：针对直流状态方程添加包含扰动量的状态变量以获取拉氏变换下的准 Z源三电平逆变器拓扑结构的小信号动态方程模型；

步骤3：通过调整准Z源三电平逆变器拓扑结构相关参数以进行电网相关电压动态控制。

进一步地，所述步骤1中的直流状态方程为：

式中，D₀为静态占空比，I_L,U_in,I_load,U_C,L,C分别为准Z源网络电感电流、输入电压、中性线负载电流、电容电压、电感和电容。

进一步地，所述静态占空比D₀的取值范围为0～1-M，其中M为调制比。

进一步地，所述步骤2中的包含扰动量的状态变量为：

式中，x、u、d分别为状态变量，分别为各自对应原变量的扰动量。

进一步地，所述步骤2中的小信号动态方程模型为：

式中，分别为拉氏变换下的对应原变量的扰动量。

进一步地，所述步骤2中的小信号动态方程模型中准Z源网络电容电压对直通占空比的传递函数为：

式中，G_ud(s)为准Z源网络电容电压对直通占空比的传递函数。

进一步地，所述准Z源三电平逆变器拓扑结构中设置有彼此对称的开关电感单元，每个所述开关电感单元均由三个二极管和两个电感组成，与传统Z源拓扑相比，大大提高了升压能力，由于所述准Z源三电平逆变器拓扑结构采用对称结构，电容极性与电源极性相同，有利于保持分压电容电压中性点平衡和降低电容电压应力，将两电平思想扩展到三电平中，降低了电力电子开关器件电压应力，输出的波形正弦度更高。

进一步地，所述电压动态控制包括简单升压控制，所述简单升压控制具体包括在保留传统载波同相层叠的整体结构的基础上，同时引入一个周期变化的直通脉动量以控制直通占空比，随着调制波过零点的变化发生脉动。在每个载波的顶点或者底点插入上下直通时间，来控制直通占空比，功率器件实际开关频率为2倍载波频率。

整个完整的准Z源三电平逆变器包括依次连接的直流电源、准Z源网络、三电平逆变器、逆变器出口连接着LC型滤波器和负载，三电平逆变器中的每相4个开关管，总共12个开关管，通过用两层幅值、频率和相位均相同的三角波作为载波，并与同一调制波比较产生出PWM控制信号，利用插入上下直通零矢量，进而使得Z源网络起到简单升压控制(Simple Boost Control,SBC)的作用。

准Z源网络由只有一个电压为u_in的直流输入电源，C_s1和C_s2为分压电容，且 C_s1＝C_s2，在分压电容与传统三电平逆变器中间接入了准Z源网络，u_pn为Z源网络输出直流链峰值电压。准Z源网络部分由4个电感(L₁～L₄)、2个电容(C₁～C₂) 和8个二极管(D₁～D₆、VD₁和VD₂)组成。L₁～L₂、D₁～D₃所组成的第1路开关电感单位，L₃～L₄、D₄～D₆所组成的第2路开关电感单位。

简单升压系统，具体包括以下具体工作步骤：

1.以A相为例，比较上层载波V_α与调制波V_m的大小来控制VT_A1与VT_A3的开关状态。当V_α>V_m时，开关部件VT_A1关断，VT_A3导通；当V_α<V_m时，开关部件 VT_A1导通，VT_A3关断。

2.比较下层载波V_β与调制波V_m的大小来控制VT_A2与VT_A4的开关状态。当 V_β<V_m时，开关部件VT_A2导通，VT_A4关断；当V_β>V_m之时，开关部件VT_A2关断， VT_A4导通。

3.在此基础上，调制波正半波时，当V_α>脉动直流分量V_p时，VT_A1、VT_A2和 VT_A3导通，实现了上直通状态的插入。调制波负半波时，当V_β<V_p时，开关部件 VT_A2、VT_A3和VT_A4导通，从而实现了下直通状态的插入。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)准Z源结构在相同的直通占空比和直流输入电压的情况下，可以获得更高的电压输出，适用于高电压、大功率的场合。

2)与传统Z源逆变器相比，加入的开关电感单元中由于采用对称结构，有利于保持中性点电压平衡。电容极性与电源极性相同。在获得高电压输出的同时，降低Z源电容电压应力，保护了Z源网络拓扑，缩小了电容体积，节约了成本。

3)将两电平思想扩展到三电平中，降低了开关器件电压应力，输出的波形正弦度更高，节约了滤波器成本。

4)采用简单升压控制，使得逆变器输出电压可以调节可控，提高逆变器整体升压能力，实现简单。

附图说明

图1为本发明中准Z源三电平逆变器的拓扑结构示意图；

图2为准Z源三电平逆变器的直通运行方式示意图，其中图2(a)为上直通运行方式示意图，图2(b)为下直通运行方式示意图；

图3为准Z源三电平逆变器的非直通运行方式示意图；

图4为两种Z源逆变器的升压效果比较示意图；

图5为两种Z源逆变器下电容电压应力对比图；

图6为Z源电容C变化时G_ud零极点轨迹图；

图7为Z源电感L变化时G_ud零极点轨迹图；

图8为Z源D₀变化时G_ud零极点轨迹图；

图9为基于改进载波同相层叠法的简单升压控制原理图；

图10为ZSI与QZSI在SBC下的电压增益对比图；

图11为U_in＝200V和D₀＝0.2时，准Z源逆变器的相关电压波形图，其中图11 (a)为直流链输出电压仿真波形图，图11(b)为输出线电压波形图；

图12为U_in＝256V和D₀＝0.23时，准Z源逆变器的相关电压波形图，其中图 12(a)为直流链输出电压仿真波形图，图12(b)为输出线电压波形图；

图13为U_in＝200V，D₀＝0.1时，ZSI与QZSI的电容电压波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明在分析传统Z源三电平逆变器的结构与工作原理上，将开关电感技术应用到Z源网络拓扑，并且采用对称结构，将简单升压控制引入准Z源三电平逆变器中。

图1为本发明所述的准Z源三电平逆变器的拓扑结构。这种逆变器拓扑结构采用了只有一个电压为u_in的直流输入电源，C_s1和C_s2为分压电容，且C_s1＝C_s2，在分压电容与传统三电平逆变器中间接入了准Z源网络，u_pn为Z源网络输出直流链峰值电压。准Z源网络部分由4个电感(L₁～L₄)、2个电容(C₁～C₂)和8个二极管(D₁～D₆、VD₁和VD₂)组成。L₁～L₂、D₁～D₃所组成的第1路开关电感单位，L₃～L₄、 D₄～D₆所组成的第2路开关电感单位。

在此运行方式下，逆变桥被短接，对应于直通零矢量。本实施例在基于载波同相层叠法的简单升压控制基础上插入上下直通达到升压效果，QZSI三电平逆变器上、下直通状态和非直通状态时等效电路如图2(a)、图2(b)和图3所示。为了保证两种直通状态下输出电压平衡，两者作用时间都等于T₀。上下直通时，若不计开关管的电压损失，根据基尔霍夫定理，可得：

非直通状态时，若不计开关管的电压损失，根据基尔霍夫定理，可得：

设开关周期为T_s。依据伏秒平衡原理，在单位T_s内L两端电压积分值等于零，可得：

式中：D为直通占空比，D＝T₀/T_s。

将式(3)分别带入式(1)和式(2)，可得非直通和上、下直通状态下直流母线的峰值电压可以表示为：

ZSI直流链的峰值电压为：

比较式(4)与(5)能够看出，相对于传统的ZSI，本实施例提出的QZSI升压效果更好。图4是两种Z源逆变器的升压效果比较。由图4可见，在D＝0.4时，传统 ZSI的升压比B仅为5，而新型的QZSI的升压比可达9。另外，D不宜过大，否则Z源逆变器会因直通时间太大而工作在比较恶劣的作业状况。在D较低时，QZSI 可以获得较高的电压。

传统的Z源的电容电压可以表示为：

比较式(3)和(6)能够看出，D较低的情况下，传统ZSI的u_c大于u_in，电容承受电压高；而对于新型QZSI，u_c小于u_in，电容承受电压低。图5为两种Z源逆变器下电容电压应力与D之间的关系曲线图。由图可见，在D＜0.25情况下，新型准Z 源三电平逆变器的电容电压低于输入电压。在相同的直通占空比和输入电压下，新型QZSI电容电压远小于ZSI电容电压，从而减小电容体积，节约成本。

非直通状态时，直流电压源和Z源电感同时给Z源电容和交流侧负载提供能量，实现直流侧升压功能。

由基尔霍夫定律，可得：

对式(10)整理，采用矩阵形式表达为：x＝[i_L1 i_L2 u_C1 u_C2]^T、u＝[u_in i_load1 i_load2]^T。由此得到非直通时的状态方程为：

其中，

上直通状态时，Z源电容放电，电压下降，Z源电感充电，电流上升，Z源网络中电容储存的电能转化为电感中的电磁能。上直通时状态方程为：

由基尔霍夫定律，可得：

由此得到上直通时状态方程为：

其中，

下直通状态时，Z源网络中能量的流动方向与上直通状态时相同，Z源电容放电，Z源电感充电。

由基尔霍夫定律，可得：

对式(14)进行整理，采用矩阵形式表达，得到下直通时状态方程为：

其中，

上面得到的非直通、上直通和下直通时的状态方程是时变方程，若要得到准Z 源三电平NPC逆变器系统在整个开关周期内的状态方程，则需要进行分段平均化处理。由于在非直通状态和上、下直通状态时，系统的状态变量和输入、输出变量都是相同的，因此，可以对这3个状态方程的系数矩阵进行加权平均，从而得到一个开关周期T_s内准Z源网络的状态平均方程为：

其中，

式中：d₀为上、下直通的动态占空比。

由于Z源网络的完全对称性，因此原4阶方程可简化为2阶。

根据稳态时电容安秒平衡原理和电感伏秒平衡原理，列写静态工作点时系统的直流状态方程为：

式中：I_L、U_C、U_in、I_load分别为准Z源网络电感电流、电容电压、输入电压、中性线负载电流，逆变侧电流的静态工作点的取值。D₀为上、下直通状态的静态占空比。

解方程可得到U_C为：

式(16)与前面推得的稳态方程(3)式相同，证明了状态空间平均模型的准确性及对其简化的正确性。

为了得到小信号模型，在直流状态方程引入扰动量。假设X＝[I_L U_C]^T、U＝[U_inI_load]^T将包含扰动量的状态变量，即为：

再令：

A＝(1-2D₀)A₁+D₀A₂+D₀A₃ B＝(1-2D₀)B₁+D₀B₂+D₀B₃

将它们代入式(14)，可以得到小信号动态方程为：

忽略2次项扰动项，可得：

对式(18)进行拉氏变换，可得：

式中：I为2阶单位矩阵。

通过计算可得：

式中：

将上述计算各式代入式(19)，得到：

根据式(20)推导出准Z源网络小信号电容电压表达式为：

令式(21)中和可得到Z源网络电容电压对直通占空比的传递函数为：

传递函数的零极点全部位于左半平面或者虚轴上，具有最小相位特性，这一特点与常规Z源网络不同。设定表1所示的参数为额定条件下的参数，分析额定条件下的零极点分布情况。

表1额定条件参数

按照表1中的额定参数，根据式(4)、(5)可得到I_L＝45A，U_C＝200V，将额定条件参数代入式(25)，得到额定参数下Z源网络电容电压对直通占空比的传递函数为：

分别改变Z源网络电容值、Z源网络电感值和直通占空比，通过观察参数变化时直通占空比d₀(s)至Z源网络电容电压u_C(s)的传递函数的零极点分布情况，分析不同参数对系统动态性能的影响。

图6为Z源网络电容值变化情况下传递函数G_ud(s)的零极点轨迹，Z源网络电容值C分别为1000μF，2000μF、3000μF和4000μF。

图7为Z源网络电感值变化情况下传递函数G_ud(s)的零极点轨迹，Z源网络电感值L分别为1mH、5mH、10mH和15mH。

图8为Z源网络直通占空比变化情况下传递函数G_ud(s)的零极点轨迹，Z源网络直通占空比D₀分别为0.1、0.15、0.2和0.25。

无论Z源网络电容值、电感值和直通占空比如何变化，直通占空比d₀(s)至Z 源网络电容电压u_C(s)的传递函数G_ud(s)的零极点都位于左半平面，本系统为一个最小相位系统。由图5可见，随着Z源网络电容值C的增大，传递函数G_ud(s)的极点逐渐靠近实轴，系统阻尼增大，增加了上升时间，零点位置不变。由图6可见，随着Z源网络电感值L的增大，传递函数G_ud(s)的极点逐渐靠近实轴，延长了系统的系统稳定时间，动态特性变差，容易发生震荡。同时零点沿着实轴逐渐靠近原点，造成超调量的增大。由图7可见，直通占空比D₀增大时，传递函数G_ud(s)的极点逐渐靠近实轴，减小系统的震荡频率，同时零点远离虚轴，影响系统的稳定性和相应速度。

与两电平逆变器不同的是，准Z源三电平逆变器的简单升压控制(Simple BoostControl,SBC)用两层幅值、频率和相位均相同的三角波作为载波，并与同一调制波比较产生出PWM控制信号。准Z源三电平逆变器，在保证非直通状态不变的前提下，利用插入上下直通零矢量，进而使得Z源网络起到SBC的作用，因而需要对传统三角载波层叠方法进行改进。

在保留传统载波同相层叠的整体结构，同时引入一个周期变化的直通脉动量 V_p来控制直通占空比，V_p随着调制波过零点的变化发生脉动。以A相为例，图9 为基于改进载波同相层叠法的简单升压控制原理示意图。

以A相为例，比较上层载波V_α与调制波V_m的大小来控制VT_A1与VT_A3的开关状态。当V_α>V_m时，开关部件VT_A1关断，VT_A3导通；当V_α<V_m时，开关部件 VT_A1导通，VT_A3关断。比较下层载波V_β与调制波V_m的大小来控制VT_A2与VT_A4的开关状态。当V_β<V_m时，开关部件VT_A2导通，VT_A4关断；当V_β>V_m之时，开关部件VT_A2关断，VT_A4导通。

在此基础上，调制波正半波时，当V_α>脉动直流分量V_p时，VT_A1、VT_A2和VT_A3导通，实现了上直通状态的插入。调制波负半波时，当V_β<V_p时，开关部件VT_A2、 VT_A3和VT_A4导通，从而实现了下直通状态的插入。这种基于改进载波同相层叠法的简单升压控制，在每个载波的顶点或者底点插入上下直通时间，来控制直通占空比D₀，功率器件实际开关频率为2倍载波频率。

在SBC下，给定调制比M，D₀被限制在0～1-M之间取值，定义电压增益G 为：

式中：U₀为输出相电压的峰值。在SBC下，采用最大的调制比M＝1-D， QZSI能够获得的电压增益G为：

传统ZSI的电压增益G为：

比较式(25)和式(26)，可得到两种Z源拓扑结构下在SBC下的电压增益曲线对比如图10所示。

为了验证本实施例上文中的理论分析，对准Z源逆变器在简单升压控制下的工作状态进行了仿真研究。仿真参数取值为：Z源网络为L₁＝L₂＝L₃＝L₄＝10mH， C₁＝C₂＝400μF；载波的频率为5kHz；输出滤波器为L_f＝30mH，C_f＝50μF；每相阻性负载为10Ω；采用基于同相载波层叠法的简单升压控制。

当输入电压200V，直通占空比D₀＝0.2，调制比M＝0.8，QZSI直流链输出电压仿真波形如图11(a)所示，准Z源逆变器输出线电压波形如图11(b)所示。当输入电压256V，直通占空比D₀＝0.23，调制比M＝0.77，QZSI直流链输出电压仿真波形如图12(a)所示，准Z源逆变器输出线电压波形如图12(b)所示。当输入电压为200V，直通占空比D₀＝0.1，传统ZSI与QZSI的电容电压仿真波形如图13所示。

针对传统Z源两电平逆变器存在升压能力有限且电容电压应力大，本实施例提出了一种新型的准Z源三电平逆变器。文中对新型逆变器的稳态时工作原理进行了深入分析，建立了状态空间模型，并对其进行了小信号分析，分析了电感、电容、直通占空比的变化对系统动态特性的影响。并对其进行简单升压控制。通过软件仿真和硬件实验，并与传统Z源网络相比，可得出如下结论：

1)在相同直通占空比情况下，新型准Z源三电平逆变器的升压效果更好，可用于需要高输出电压场合；

2)新型准Z源拓扑可以有效降低电容电压应力，从而缩小电容体积，节约成本；

3)利用状态空间模型和小信号分析，较大的电感电容值虽然有利于稳态性能的提高，但零极点更靠近原点，从而破坏其动态特性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2：针对直流状态方程添加包含扰动量的状态变量以获取拉氏变换下的准Z源三电平逆变器拓扑结构的小信号动态方程模型；

2.根据权利要求1所述的一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法，其特征在于，所述步骤1中的直流状态方程为：

式中，D₀为上下直通状态的静态占空比，I_L,U_in,I_load,U_C,L,C分别为准Z源网络电感电流、输入电压、中性线负载电流、电容电压、电感和电容。

3.根据权利要求2所述的一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法，其特征在于，所述静态占空比D₀的取值范围为0～1-M，其中M为调制比。

4.根据权利要求1所述的一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法，其特征在于，所述步骤2中的包含扰动量的状态变量为：

5.根据权利要求1所述的一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法，其特征在于，所述步骤2中的小信号动态方程模型为：

式中，分别为拉氏变换下的对应原变量的扰动量。

6.根据权利要求1所述的一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法，其特征在于，所述步骤2中的小信号动态方程模型中准Z源网络电容电压对直通占空比的传递函数为：

7.根据权利要求1所述的一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法，其特征在于，所述准Z源三电平逆变器拓扑结构中设置有彼此对称的开关电感单元，每个所述开关电感单元均由三个二极管和两个电感组成。

8.根据权利要求1所述的一种基于准Z源三电平逆变器的电网控制方法，其特征在于，所述电压动态控制包括简单升压控制，所述简单升压控制具体包括在保留传统载波同相层叠的整体结构的基础上，同时引入一个周期变化的直通脉动量以控制直通占空比，随着调制波过零点的变化发生脉动。