CN112511033B - 一种改善准z源逆变器开关器件电流应力的调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法，该调制方法的调制波有3个，分别为相位互差120°的传统电压空间矢量调制SVPWM的马鞍波减去自身的最大值，三相马鞍波按此变换后波形的最大值为一条直线，将此直线再向上平移M/2，M为将调制波和三角载波在0到1之间标幺化后调制波最大值与最小值之间的距离。该调制方法门级信号的生成过程较简单，开关损耗低，在输入直流侧没有低频的交流成分，且大大减小了开关器件的电流应力，延长了开关器件寿命。

Description

一种改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法

技术领域

本发明属于逆变器控制领域，更具体地，涉及一种改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法。

背景技术

随着环境问题的日益突出，各国大力发展新能源产业。新能源领域主流的逆变器拓扑为电压源型逆变器(Voltage source inverter,VSI)，它由降压(Buck)变换器演变而来，只能工作在降压模态。为了满足后级逆变器宽范围的电压输入，新能源发电系统通常采用直流-直流(DC-DC)变换电路+逆变器的结构。这种多级变换器能量损耗较大，存在转换效率、可靠性和成本等方面存在局限性。另一方面，VSI同一桥臂的上下两个开关管不能同时导通，否则会发生直通短路损坏逆变器，若插入死区时间则会使得输出电压畸变，谐波含量增大，恶化了输出电能质量。

准Z源逆变器(Quasi-Z-Source inverter,qZSI)作为单级拓扑具备电压升降调节和逆变输出能力，并且允许桥臂直通，不需要死区时间、可靠性和电磁兼容性高，突破了现有逆变方案在电压调节范围、转换效率及体积和成本等方面的局限性，成为新能源领域逆变器的一种有力竞争方案。

准Z源逆变器可采用正弦脉宽调制(SPWM调制)和空间电压矢量调制(SVPWM调制)，与SPWM相比，SVPWM调制下的阻抗源逆变器具有功率器件损耗更低、直流电压利用率更高、调制范围更广的优点。在传统SVPWM调制的8个矢量(6和有效矢量和2个零矢量)中加入直通零矢量一起参与调制，则可以实现调节输出电压的能力。直通零矢量和传统零矢量作用效果一致，均对负载呈现出短路状态。

三相准Z源逆变器可采用任意一种适用于三相阻抗源逆变器的调制策略，这些调制策略可分为以下几种：(1)三相桥臂直通的连续调制策略(2)单相桥臂直通的连续调制策略(3)不连续调制策略。

(1)三相桥臂直通的连续调制策略：根据调制波的不同又可细分为简单升压调制(SBS)、最大升压调制(MBS)、恒定升压调制(CBS)、单升压矢量调制(SBSV)。这些调制策略除了使用三个标准的调制信号v_a ^*,v_b ^*,v_c ^*以外，还需要两个额外的信号e₁ ^*,e₂ ^*来产生插入传统零矢量中的直通零矢量，增加了门级开关信号生成的复杂性。

(2)单相桥臂直通的连续调制策略：通过将传统SVPWM调制的三相马鞍波上下平移直通零矢量作用时间T_ST的一部分，例如：T_ST/6(直通时间的1/6)或T_ST/4(直通时间的1/4)，然后与三角载波比较来产生开关信号。此策略将直通零矢量作用时间T_ST几等分，例如：六等分(或四等分)，并将其插入到有效矢量和传统零矢量的转换时刻，使同一桥臂上下管开关时间提前或延后T_ST/6(或T_ST/4)，在开关信号重叠时刻产生直通状态。此策略下的准Z源逆变器的开关器件在整个基波周期都以较高的电流应力换流。

(3)不连续调制策略：将传统SVPWM调制的三相马鞍波的最大值(上包络线)用一条直线代替，是这条直线所在的位置与三角载波的正峰值重合，剩下的三相马鞍波上下平移T_ST/6(直通时间的1/6)或T_ST/4(直通时间的1/4)并与三角载波比较来产生开关信号，在开关信号重叠时刻产生直通状态。此策略与上述的单相桥臂直通的连续调制策略相似，均在一相桥臂的开关信号中插入直通零矢量而非三相桥臂，因此开关器件有着较高的电流应力。

目前存在的一种调制策略，改进型简单升压SVPWM(SBMSV)，其开关器件门级开关信号生成图见图2，准Z源逆变器电路如图1所示。该策略下，开关信号的产生原理为：当v_a ^*为v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*中的最大值或者v_a ^*大于等于三角载波时，a相桥臂上管持续导通，当v_a ^*小于等于三角载波时，a相桥臂下管导通；当v_b ^*为v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*中的最大值或者v_b ^*大于等于三角载波时，b相桥臂上管持续导通，当v_b ^*小于等于三角载波时，b相桥臂下管导通；当v_c ^*为v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*中的最大值或者v_c ^*大于等于三角载波时，c相桥臂上管持续导通，当v_c ^*小于等于三角载波时，c相桥臂下管导通。从图2看到，任意一个直通的时刻为单相桥臂直通，虚线框为a相桥臂直通的任意一个时刻。然而，该SBMSV策略会因连续换流导致开关器件的电流应力较大，从而影响开关器件的寿命。

综上所示，可知目前应用于准Z源逆变器的调制策略存在的缺陷有：

(1)开关器件换流次数多，导致器件的开关损耗增加；

(2)传统的SVPWM调制策略需要使用5个参考信号，使得控制器件开通或关断的门级信号的生成过程较复杂；

(3)开关器件在基频周期内的连续换流会导致一些应用传统调制策略的准Z源逆变器的开关器件的电流应力较大。

因此，急需设计一种准Z源逆变器调制方法来解决上述问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，本发明提供了一种改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法，该方法门级信号的生成过程较简单，开关损耗低，在输入直流侧没有低频的交流成分，且大大减小了开关器件的电流应力，延长了开关器件寿命。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法，所述调制方法具体包括：

获取参考矢量V_ref，根据参考矢量V_ref的相位角θ确定参考矢量所在的扇区的基本矢量V_j和V_j+1，以及基本矢量作用的时间T_j和T_j+1，进而确定矢量的切换时间T_a，T_b和T_c，在传统的SVPWM调制中，有以下表达式：

式中，i∈{1,2,...,6}代表第i个扇区，T₁，T₂为基本矢量作用时间，T_s为PWM开关周期，T₀为传统零矢量作用时间，

为调制比，V_dc为直流侧电压。

传统SVPWM调制的a，b，c三相的相邻电压矢量和传统零矢量切换时间如下：

改善后的调制波是传统SVPWM调制的马鞍波经过变化后得出的，即传统的SVPWM调制的马鞍波减去上包络线后再向上平移M/2，变化后的矢量切换时间如下：

准Z源逆变器使用三相全桥进行控制，3个三相调制波分别为相位互差120°的传统电压空间矢量调制SVPWM的马鞍波减去自身的最大值，三相马鞍波按此变换后波形的最大值为一条直线，将此直线再向上平移M/2，M为将调制波和三角载波在0到1之间标幺化后调制波最大值与最小值之间的距离。

进一步的，所述准Z源逆变器的三相全桥的开关管都为IGBT。

进一步的，当3个三相调制波的上包络线小于三角载波时，三相桥臂的开关器件都同时开通，实现三相桥臂直通。

进一步的，在一个周期内，三相桥臂的开关器件都同时开通的次数在6次以上。

此外，本发明还公开了一种改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制系统，包括：

至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项的改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法。

此外，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法。

(三)有益效果

本发明改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法，具有下述优点：

(1)调制策略仅需要3个调制波作为给定信号，故开关器件门级信号的生成过程较简单。

(2)有效地减少了器件的换流次数，减小了开关损耗，提高了系统的整体效率。

(3)所提调制策略有着固定的直通占空比，故在输入直流侧没有低频的交流成分。

(4)所提调制策略通过改变矢量切换时间和平移调制波，从而实现三相桥臂的直通，大大减小了开关器件的电流应力，延长了开关期间的寿命。

附图说明

图1为本发明中三相准Z源逆变器的电路结构图。

图2为现有技术中SBMSV策略的开关器件的开通与关断波形图。

图3为本发明的所提改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法的开关器件的开通与关断波形图。

图4为现有技术中SBMSV策略的开关器件的电流波形图。

图5为本发明的所提改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法的开关器件的开关器件的电流图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明的改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法在改进型简单升压空间矢量调制(SBMSV)调制策略的基础上，将单相桥臂直通变为三相桥臂直通，从而实现减小开关器件电流应力的功能。该方法的具体调制方法如下：

本发明调制方法的调制波有3个，即v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*，分别为相位互差120°的传统电压空间矢量调制(SVPWM)的马鞍波减去自身的最大值，三相马鞍波按此变换后波形的最大值(即上包络线)为一条直线，将此直线再向上平移M/2，M为将调制波和三角载波在0到1之间标幺化后调制波最大值与最小值之间的距离。

在该改进策略下，开关信号的产生原理为：当v_a ^*为v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*中的最大值或者v_a ^*大于等于三角载波时，a相桥臂上管持续导通，当v_a ^*小于等于三角载波时，a相桥臂下管导通；当v_b ^*为v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*中的最大值或者v_b ^*大于等于三角载波时，b相桥臂上管持续导通，当v_b ^*小于等于三角载波时，b相桥臂下管导通；当v_c ^*为v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*中的最大值或者v_c ^*大于等于三角载波时，c相桥臂上管持续导通，当v_c ^*小于等于三角载波时，c相桥臂下管导通。同时，当三相调制波的上包络线小于三角载波时，三相桥臂的开关器件同时开通，实现三相桥臂直通。

开关器件门级开关信号生成图见图3，虚线框中为任意一个三相桥臂直通的时刻，其中S_ap、S_bp、S_cp波形为三相桥臂的三个上桥臂开关管信号波形，其中S_an、S_bn、S_cn波形为三相桥臂的三个下桥臂开关管信号波形，由于图2-3是无法显示色差的黑白图，为了保证v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*三个连续调制波的直观性和可理解性，本发明对图3中对显示不完整的波形v_a ^*标注了三次(v_a ^*左右两端各少了半个马鞍波)，对显示完整的波形v_b ^*，v_c ^*标注了两次，当然，图2中的调制波形亦是如此。

所提的调制方法具体包括：获取参考矢量V_ref，根据参考矢量V_ref的相位角θ确定参考矢量所在的扇区的基本矢量V_j和V_j+1，以及基本矢量作用的时间T_j和T_j+1，进而确定矢量的切换时间T_a，T_b和T_c，在传统的SVPWM调制中，有以下表达式：

式中，i∈{1,2,...,6}代表第i个扇区，T₁，T₂为基本矢量作用时间，T_s为PWM开关周期，T₀为传统零矢量作用时间，

为调制比，V_dc为直流侧电压。

传统SVPWM调制的a，b，c三相的相邻电压矢量和传统零矢量切换时间如下：

所提的调制策略的调制波是传统SVPWM调制的马鞍波经过变化后得出的，即传统的SVPWM调制的马鞍波减去上包络线后再向上平移M/2，变化后的矢量切换时间如下：

下面结合所提出的调制策略分析开关器件的电流应力。只直通一个桥臂开关管的策略(SBMSV)的电流应力如下，以a相桥臂为例，a相桥臂上开关管的电流应力为

a相桥臂下开关管的电流应力为

为功率因数角，

和

分别为准Z源电感的峰值电流以及输出相电流的峰值。本策略中当三相调制波的上包络线小于三角载波时，三个桥臂的开关管均导通，开关管中流过的电流为

由单相桥臂直通变为三相桥臂直通，可以有效的分散开关器件上流过的电流，从而减小电流应力。

值得一提的是，该改进方法的调制方式简单，无需增加多余硬件，特别适合相位互差120°的传统电压空间矢量调制(SVPWM)的三相马鞍波的控制，通过统一调整三个调制波即可在一个周期的多次短时间实现如图3所示的三相桥臂直通，从而大大减小电流应力。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，仿真实例如下：

搭建三相准Z源逆变器的Matlab/Simulink仿真模型，输入侧直流电压为220V，调制比M为0.88，Z源网络中的电感电容为L1＝L2＝4mH，C1＝C2＝200μF，每相负载为30Ω。采用SBMSV策略的准Z源逆变器的开关器件的流过的电流波形如图4，待逆变器工作稳定后，A相桥臂上方开关器件流过的电流最大值稳定在10A左右，下方开关器件流过的电流最大值稳定在7.5A左右。采用所提出的调制策略的准Z源逆变器的开关器件的流过的电流波形如图5，待逆变器工作稳定后，A相桥臂上方开关器件流过的电流最大值稳定在5.5A左右，下方开关器件流过的电流最大值稳定在5.8A左右。可明显看出，所提出的改进的SBMSV策略使开关器件的电流应力大大降低。

需要说明的是，本发明技术问题“该SBMSV策略会因连续换流导致开关器件的电流应力较大，从而影响开关器件的寿命”的发现是具有难度的，其不具备被发现的普遍性的，因为其电流应力较大只在SBMSV的控制策略中出现的额外明显；另外，发明人认为专门解决该技术问题的手段也不属于本领域的常规手段。

上述本发明的调制方法可以作为软件程序或者计算机指令在非暂态计算机可读存储介质中执行或者在带有存储器和处理器的控制系统中执行，且其计算程序简单快速。在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法，其特征在于，所述调制方法具体包括：

获取参考矢量V_ref，根据参考矢量V_ref的相位角θ确定参考矢量所在的扇区的基本矢量V_j和V_j+1，以及基本矢量作用的时间T_j和T_j+1，进而确定矢量的切换时间T_a，T_b和T_c，在传统的SVPWM调制中，有以下表达式：

式中，i∈{1,2,...,6}代表第i个扇区，T₁，T₂为基本矢量作用时间，T_s为PWM开关周期，T₀为传统零矢量作用时间，

为调制比，V_dc为直流侧电压；

传统SVPWM调制的a，b，c三相的相邻电压矢量和传统零矢量切换时间如下：

改善后的调制波是传统SVPWM调制的马鞍波经过变化后得出的，即传统的SVPWM调制的马鞍波减去上包络线后再向上平移M/2，变化后的矢量切换时间如下：

准Z源逆变器使用三相全桥进行控制，3个三相调制波分别为相位互差120°的传统电压空间矢量调制SVPWM的马鞍波减去传统Ta、Tb、Tc三个调制波中的最大值，三相马鞍波按此变换后波形的最大值为一条直线，将此直线再向上平移M/2，M为将调制波和三角载波在0到1之间标幺化后调制波最大值与最小值之间的距离；当3个三相调制波的上包络线小于三角载波时，三相桥臂的开关器件都同时开通，实现三相桥臂直通。

2.一种改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1所述的改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法。

3.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1所述的改善准Z源逆变器开关器件电流应力的调制方法。

Images