CN111969881A - 一种基于有源准z源逆变器的直通svpwm调制控制方法 - Google Patents

一种基于有源准z源逆变器的直通svpwm调制控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，有源准Z源逆变器的单个调整周期内包括四个时长相等的直通矢量和关于调整周期的中部对称设置的“000”、“100”和“110”矢量，调整周期的中间段为“111”矢量，直通矢量位于零矢量与非零矢量交替的部位，有源准Z源逆变器所在阻抗网络内的开关器件的导通脉冲设于相邻的直通矢量之间，导通脉冲设有对应的导通系数，导通脉冲的宽度根据导通系数计算得到。与现有技术相比，本发明具有直通占空比小、电压增益高、减少阻抗网络的开关频率等优点。

Description

一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法
技术领域
本发明涉及于Z源逆变器的脉宽调制领域，尤其是涉及一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法。
背景技术
由于Z源网络的出现，使得Z源逆变器可以实现同一逆变桥上的两个开关器件同时导通，即直通状态。应用于Z源逆变器的脉宽调制技术是在传统脉冲宽度调制(PWM)调制中加入直通时间。其中，空间矢量脉宽调制(SVPWM)调制方法应用广泛，尤其以分段调制法最为常见，即在零矢量与非零矢量相互变化的瞬间插入直通矢量。分段调制法主要包括两段式、四段式和六段式插入法。综合开关损耗、电流纹波、谐波畸变率等方面，四段式直通插入法的性能最优。
SVPWM四段式调制法是将直通矢量时间平均分为4份，分别插入零矢量与非零矢量交替的瞬间。具体分布如下：在一个调制周期下，将第一段直通矢量时间插入“000”与“100”矢量之间，替换部分“000”矢量时间，与“100”矢量相邻；第二段直通矢量时间插入“110”与“111”矢量之间，替换部分“111”矢量时间，与“110”矢量相邻；剩余两段直通矢量时间关于调制周期的中部对称。其相邻扇区示意图如图1所示。
但是随着Z源拓扑结构的不断改进，涌现出了阻抗网络中带有有源开关器件的结构，针对该开关器件触发脉冲的控制，现有技术中公开了一种Z源逆变器中功率开关器件导通电流的获取方法及系统，脉冲控制与直通时间同步，其占空比等于直通占空比，即有源开关的控制信号与直通状态同步变化，但是这样只能通过改变直通占空比，来提高输出电压增益，导致调制范围受限，输出增益也有限。而且按SVPWM四段式方法调制，开关器件的每周期切换4次，开关频率较高，开关损耗较大。
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调制范围有限、开关损耗较大的缺陷而提供一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，所述有源准Z源逆变器的单个调整周期内包括四个时长相等的直通矢量和关于调整周期的中部对称设置的“000”、“100”和“110”矢量，所述调整周期的中间段为“111”矢量，所述直通矢量位于零矢量与非零矢量交替的部位，其中第一直通矢量位于“000”与“100”矢量之间，替换部分“000”矢量时间，与“100”矢量相邻，第二直通矢量位于“110”与“111”矢量之间，替换部分“111”矢量时间，与“110”矢量相邻，第三直通矢量与所述第二直通矢量关于调整周期的中部对称，第四直通矢量与所述第一直通矢量关于调整周期的中部，所述有源准Z源逆变器所在阻抗网络内的开关器件的导通脉冲设于相邻的直通矢量之间，所述导通脉冲设有对应的导通系数，所述导通脉冲的宽度根据导通系数计算得到。
所述导通系数为正整数。
进一步地，所述导通系数为1-6之间的正整数。
所述导通脉冲包括第一导通时间、第二导通时间和第三导通时间。
进一步地，所述第一导通时间设于第一直通矢量和第二直通矢量之间，所述第三导通时间与第一导通时间关于调整周期的中部对称。
进一步地，所述第一导通时间和第三导通时间的时长均小于“100”与“110”矢量的时长总和。
进一步地，所述第一导通时间和第三导通时间的时长均为“100”和“110”矢量的时长总和与0.1倍的导通系数相乘。
进一步地，所述第二导通时间设于第二直通矢量和第三直通矢量之间。
进一步地，所述第二导通时间的时长小于“111”矢量的时长，具体为“111”矢量的时长与0.1倍的导通系数相乘。
所述调整步骤中还包括开关器件的矢量时间切换点，其中上桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的计算公式如下：
Figure BDA0002558164840000031
其中，Tx1、Ty1和Tz1为上桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的坐标，Ts为调制周期的时长，Tsh为直通矢量的时长，T1为“100”矢量的总时长，T2为“110”矢量的总时长，t1和t2为开关器件关于导通系数的调节时间，具体为：
Figure BDA0002558164840000032
其中，n为导通系数；
下桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的计算公式如下：
Figure BDA0002558164840000033
其中，Tx2、Ty2和Tz2为下桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的坐标。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明操作简单方便，在相邻直通矢量之间插入导通脉冲，将开关器件的控制信号与直通矢量时间错开，通过调整导通系数的大小，改变控制阻抗网络中开关器件的脉冲大小，从而提高输出电压增益，实现以更小的直通占空比，获得更高的电压增益；同时减少了阻抗网络的开关频率，在保证输出电压增益一致的条件下，本发明拥有更小的电容电压应力和电感电流纹波。
附图说明
图1为四段式直通SVPWM调制法相邻扇区示意图；
图2为本发明阻抗网络有源开关器件的导通时序图；
图3为本发明基于Simulink的直通SVPWM调制仿真效果图；
图4为本发明有源Z源逆变器的拓扑结构的示意图；
图5为现有技术中“同步于直通时间”方法的输出线电压和直流链电压峰值与直通占空比的关系曲线；
图6为本发明多个导通系数下直通占空比的输出线电压峰值的变化曲线图；
图7(a)、(b)分别为本发明导通系数为1和2时输出线电压和直流链电压峰值随直通占空比递增的变化曲线图；
图8(a)、(b)分别为现有技术中“同步于直通时间”方法和本发明的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图2所示，一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，以更小的直通占空比，获得更高的电压增益，有源准Z源逆变器的单个调整周期内包括四个时长相等的直通矢量和关于调整周期的中部对称设置的“000”、“100”和“110”矢量，调整周期的中间段为“111”矢量，直通矢量位于零矢量与非零矢量交替的部位，其中第一直通矢量位于“000”与“100”矢量之间，替换部分“000”矢量时间，与“100”矢量相邻，第二直通矢量位于“110”与“111”矢量之间，替换部分“111”矢量时间，与“110”矢量相邻，第三直通矢量与第二直通矢量关于调整周期的中部对称，第四直通矢量与第一直通矢量关于调整周期的中部，有源准Z源逆变器所在阻抗网络内的开关器件的导通脉冲设于相邻的直通矢量之间，导通脉冲设有对应的导通系数，导通脉冲的宽度根据导通系数计算得到。
T0为零矢量的时长总和。
导通系数为正整数。
导通系数为1-6之间的正整数。
导通脉冲包括第一导通时间、第二导通时间和第三导通时间。
第一导通时间设于第一直通矢量和第二直通矢量之间，第三导通时间与第一导通时间关于调整周期的中部对称。
第一导通时间和第三导通时间的时长均小于“100”与“110”矢量的时长总和。
第一导通时间和第三导通时间的时长均为“100”和“110”矢量的时长总和与0.1倍的导通系数相乘。
第二导通时间设于第二直通矢量和第三直通矢量之间。
第二导通时间的时长小于“111”矢量的时长，具体为“111”矢量的时长与0.1倍的导通系数相乘。
分段式SVPWM调制包括三个步骤：给定电压矢量的扇区判断、计算时间T1和T2、矢量时间切换点的安排。对于阻抗网络开关器件的控制，前两个步骤与逆变桥开关器件控制一样，而矢量时间切换点的安排独立于逆变桥开关器件的控制，最终产生独立的一路触发脉冲，仿真效果图如图3所示。
上桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的计算公式如下：
Figure BDA0002558164840000051
其中，Tx1、Ty1和Tz1为上桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的坐标，Ts为调制周期的时长，Tsh为直通矢量的时长，T1为“100”矢量的总时长，T2为“110”矢量的总时长，t1和t2为开关器件关于导通系数的调节时间，具体为：
Figure BDA0002558164840000052
其中，n为导通系数；
下桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的计算公式如下：
Figure BDA0002558164840000053
其中，Tx2、Ty2和Tz2为下桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的坐标。
如图4所示，有源准Z源逆变器的阻抗网络包含一个有源开关器件，基于SVPWM四段式脉宽调制方法，对其逆变桥以及阻抗网络的开关器件进行调制，利用Simulink仿真软件，设定仿真参数如下：输入电压Uin＝150V，电感L1＝L2＝1.5mH，电容C1＝C2＝600μF，滤波电感Lf＝10mH，滤波电容Cf＝20μF，负载电阻为10Ω，开关频率为10kHz。
现有技术中“同步于直通时间”的方法，只能通过改变直通占空比，使输出电压增益变大，如图5所示，当直通占空比处于0.2至0.3之间时，输出电压增益基本维持不变，输出线电压的峰值在205V上下浮动，最大增益值为1.6。
如图6所述，通过改变导通系数n的取值而改变输出电压的增益，当直通占空比D＝0.1时，随着导通系数n取值的从1到6不断增大，输出线电压峰值也不断增大，且当n＝1时，输出电压增益为1.72，已高于现有技术中“同步于直通时间”的方法所得到的最大增益值。
如图7(a)和图7(b)所示，固定导通系数n的取值，当直通占空比D由0.1逐渐递增时，输出线电压峰值先增加后减小，直流链电压不断增加，并且D＝0.13时，输出电压增益最大，输入电压利用率最佳。
如图8(a)和图8(b)所示，本发明中当D＝0.18，n＝1时，输出线电压幅值为208V，现有技术中“同步于直通时间”的方法需要当D＝0.23时，输出线电压幅值才为208V。与“同步于直通时间”的方法相比，当输出电压增益相同时，本发明通过将导通时间设于直通矢量之间，使开关器件电压应力较低，而且电容的电压应力更小，电感的电流纹波也更小。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，所述有源准Z源逆变器的单个调整周期内包括四个时长相等的直通矢量和关于调整周期的中部对称设置的“000”、“100”和“110”矢量，所述调整周期的中间段为“111”矢量，所述直通矢量位于零矢量与非零矢量交替的部位，其中第一直通矢量位于“000”与“100”矢量之间，替换部分“000”矢量时间，与“100”矢量相邻，第二直通矢量位于“110”与“111”矢量之间，替换部分“111”矢量时间，与“110”矢量相邻，第三直通矢量与所述第二直通矢量关于调整周期的中部对称，第四直通矢量与所述第一直通矢量关于调整周期的中部，其特征在于，所述有源准Z源逆变器所在阻抗网络内的开关器件的导通脉冲设于相邻的直通矢量之间，所述导通脉冲设有对应的导通系数，所述导通脉冲的宽度根据导通系数计算得到。
2.根据权利要求1所述的一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，其特征在于，所述导通系数为正整数。
3.根据权利要求2所述的一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，其特征在于，所述导通系数为1-6之间的正整数。
4.根据权利要求1所述的一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，其特征在于，所述导通脉冲包括第一导通时间、第二导通时间和第三导通时间。
5.根据权利要求4所述的一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，其特征在于，所述第一导通时间设于第一直通矢量和第二直通矢量之间，所述第三导通时间与第一导通时间关于调整周期的中部对称。
6.根据权利要求5所述的一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，其特征在于，所述第一导通时间和第三导通时间的时长均小于“100”与“110”矢量的时长总和。
7.根据权利要求6所述的一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，其特征在于，所述第一导通时间和第三导通时间的时长均为“100”和“110”矢量的时长总和与0.1倍的导通系数相乘。
8.根据权利要求4所述的一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，其特征在于，所述第二导通时间设于第二直通矢量和第三直通矢量之间。
9.根据权利要求8所述的一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，其特征在于，所述第二导通时间的时长小于“111”矢量的时长，具体为“111”矢量的时长与0.1倍的导通系数相乘。
10.根据权利要求1所述的一种基于有源准Z源逆变器的直通SVPWM调制控制方法，其特征在于，所述调整步骤中还包括开关器件的矢量时间切换点，其中上桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的计算公式如下：
Figure FDA0002558164830000021
其中，Tx1、Ty1和Tz1为上桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的坐标，Ts为调制周期的时长，Tsh为直通矢量的时长，T1为“100”矢量的总时长，T2为“110”矢量的总时长，t1和t2为开关器件关于导通系数的调节时间，具体为：
Figure FDA0002558164830000022
其中，n为导通系数；
下桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的计算公式如下：
Figure FDA0002558164830000023
其中，Tx2、Ty2和Tz2为下桥臂开关管相对应的矢量时间切换点的坐标。
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