Z源逆變器最大升壓和最小開(kāi)關(guān)頻率脈寬調(diào)制方法
【專利說(shuō)明】Z源逆變器最大升壓和最小開(kāi)關(guān)頻率脈寬調(diào)制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新能源光伏、燃料電池等分布式發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種Z源逆變器 最大升壓和最小開(kāi)關(guān)頻率脈寬調(diào)制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 新能源光伏發(fā)電、燃料電池供電的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。然而， 它們明顯的特點(diǎn)是直流電源供電電壓低，電壓寬范圍變化，跌落明顯。因此，必須采用電力 電子變流器調(diào)節(jié)電壓幅值和頻率以獲取相對(duì)較高的電網(wǎng)或用電設(shè)備所需交流電。傳統(tǒng)的 三相電壓源逆變器輸出交流電壓峰值小于輸入直流電源電壓的一半，因此，只能實(shí)現(xiàn)降壓 DC-AC功率變換。當(dāng)采用正弦脈寬調(diào)制（SPffM)加入三次諧波注入或空間矢量調(diào)制（SVM)提 高電壓傳輸比時(shí)，獲得的最大交流相電壓約為〇. 57倍直流電源電壓。上述電源特性對(duì)電力 電子變流器提出了迫切嚴(yán)格的要求：寬范圍升降壓調(diào)節(jié)能力、低成本、高增益、高效率等。因 此，高效率、高增益的DC-AC逆變器拓?fù)浼捌淇刂品椒ǔ蔀閲?guó)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
[0003] Z源逆變器（如圖1所示），在直流電源和逆變橋之間引入電感和電容Z型連接的 阻抗網(wǎng)絡(luò)，利用橋臂中上、下開(kāi)關(guān)器件的直通實(shí)現(xiàn)升壓調(diào)節(jié)功能。相比于傳統(tǒng)電壓源逆變 器，Z源逆變器具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)升降壓調(diào)節(jié)功能；作為單級(jí)功率變換器，減小開(kāi) 關(guān)器件數(shù)量，提高電能轉(zhuǎn)換效率；允許橋臂上、下開(kāi)關(guān)器件直通，提高系統(tǒng)可靠性；消除逆 變器的死區(qū)，減小輸出電壓諧波，提高電能質(zhì)量。因此，在寬輸入DC-AC功率變換場(chǎng)合Z源 逆變器具有明顯的效率、成本和可靠性優(yōu)勢(shì)。
[0004] 由于Z源逆變器獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[1] "Peng Fangzheng〃Z_source inverter"，IEEE Transactions on Industry Applications，vol. 39, no. 2, pp. 504-510， Mar 2003在提出電路拓?fù)涞耐瑫r(shí)給出了一種典型脈寬調(diào)制方法。典型脈寬調(diào)制方法 存在直流電壓利用率低的缺點(diǎn)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)[2] "Miaosen Shen，Jin Wang，F(xiàn)ang Zheng Peng^Constant boost control of the Z-source inverter to minimize current ripple and voltage stress"，IEEE Transactions on Industry Applications，vol.42，no. 3， pp. 770-778, May 2006提出Z源逆變器最大恒定升壓控制的寬調(diào)制方法，提高了直流電壓 利用率，同時(shí)減小了開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力。Z源逆變器中間直流側(cè)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期（T s)內(nèi)電壓平 均值恒定且為輸出相電壓的最大值?，F(xiàn)有文獻(xiàn)[3] "Zheng Peng，Miaosen Shen，Zhaoming Qian， ''Maximum boost control of the Z-source inverter"， IEEE Transactions on Power Electronics，vol. 20, no. 4, pp. 833-838，July2005 提出最大升壓脈寬調(diào)制方法，Z 源逆變器所有的零狀態(tài)均用于直通時(shí)間，中間直流側(cè)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期（Ts)內(nèi)電壓平均值等效 為三相輸出相電壓的包絡(luò)線。此外，Z源逆變器直通方式有單相橋臂直通和三相橋臂同時(shí)直 通兩種方法[4] "Poh Chiang Loh，D. Mahinda Vilathgamuwa，Yue Sen Lai，"Pulse-Width Modulation of Z-Source Inverters"， IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 20，no. 6，pp. 1346-1355，November 2005。上述脈寬調(diào)制方法均可米用文獻(xiàn)[4]兩種 不同橋臂直通方式。當(dāng)Z源逆變器采用最大恒定升壓控制，單相橋臂直通時(shí)，逆變橋中功率 器件的最小開(kāi)關(guān)頻率Sfs(fs= 1/TS)，前端二極管D1的開(kāi)關(guān)頻率為6fs。當(dāng)Z源逆變器采 用最大升壓控制，單相橋臂直通時(shí)，逆變橋中功率器件等效開(kāi)關(guān)頻率為2/3fs，二極管 開(kāi)關(guān)頻率4f s。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)Z源逆變器現(xiàn)有控制方法存在進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)頻率以提 高電能轉(zhuǎn)換效率的空間，提出了一種理論上獲得最大電壓增益和最小開(kāi)關(guān)頻率的Z源逆變 器最大升壓和最小開(kāi)關(guān)頻率脈寬調(diào)制方法，通過(guò)調(diào)節(jié)一相橋臂的直通時(shí)間使一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 Ts內(nèi)逆變橋直流側(cè)電壓為三相交流輸出線電壓的瞬時(shí)最大值，從而可以將逆變橋中電力半 導(dǎo)體器件的等效開(kāi)關(guān)頻率減小為l/3f s(fs= 1/T s)。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種Z源逆變器最大升壓和最小開(kāi)關(guān)頻率脈寬調(diào)制方法，調(diào)節(jié)一相橋臂的直通時(shí) 間使一個(gè)開(kāi)關(guān)周期1內(nèi)逆變橋直流側(cè)電壓為三相交流輸出線電壓的瞬時(shí)最大值，具體調(diào)制 方法包括以下步驟：
[0008] 1)在給定交流輸出電壓幅值下，根據(jù)式（1)計(jì)算電壓增益：
[0010] 其中，&表示交流輸出相電壓峰值，Vd。直流電源電壓，G表示電壓增益，其定義為 交流輸出相電壓峰值與1/2倍直流電源電壓的比值；
[0011] 2)根據(jù)空間電壓矢量定義，將交流輸出電壓分為六個(gè)扇區(qū)，根據(jù)式（2)計(jì)算每一 個(gè)扇區(qū)中，任一周期內(nèi)，單相橋臂的直通占空比d ST:
[0013] 其中：Θ = cot% ( π /3)，ω = 2 π fline，fline為輸出三相電壓基波頻率；
[0014] 3)根據(jù)下表設(shè)計(jì)逆變橋中六個(gè)功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)：
[0017] 4)根據(jù)式（3)計(jì)算工作于PffM調(diào)制一相橋臂上、下開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空比dSip(〇n) 和 dSin (ω t):
[0019] 其中：任一扇區(qū)內(nèi)，Vmin(Ot)是輸出相電壓最小值；Vmax(Ot)是相電壓最大值， vmid (ω?)是相電壓中間值；i表不輸出電壓中間值的一相a，b或c ;
[0020] 5)確定Z源逆變器各功率器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)和占空比后，由數(shù)字控制器生成PffM驅(qū)動(dòng) 信號(hào)，控制主電路。
[0021] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
[0022] 所述步驟4)中，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Tsft，逆變橋中兩個(gè)橋臂的電力半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)狀 態(tài)固定不動(dòng)作，另一橋臂的電力半導(dǎo)體器件采用脈寬調(diào)制PWM兼顧逆變橋直流側(cè)電壓和輸 出相電壓的調(diào)節(jié)；逆變橋中電力半導(dǎo)體器件的等效開(kāi)關(guān)頻率減小為l/3f s，其中，fs= 1/T s;
[0023] 第一扇區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為：Vnax= v a，Vnid= v b，v_= v。，Sap和S⑶始終開(kāi)通，S an和 Stip始終關(guān)斷，B相橋臂上、下開(kāi)關(guān)管S bp和S bn米用PffM調(diào)制，其導(dǎo)通占空比d sbp、dsbn代入（3) 式計(jì)算獲得：
[0025]第二扇區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為：Vnax= V b，Vnid= V a，v_= V。，Sbp和S⑶始終開(kāi)通，S bn和 Stip始終關(guān)斷，A相橋臂上、下開(kāi)關(guān)管S ap和S an米用PffM調(diào)制，其導(dǎo)通占空比d Sap、dSan代入（3) 式計(jì)算獲得：
[0027] 第三扇區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為：輸出三相電壓Vmax= V b，Vmid= VVmin= V a，Sbp和S an始 終開(kāi)通，Sbn和S ap始終關(guān)斷，C相橋臂上、下開(kāi)關(guān)管S @和S m采用PffM調(diào)制且開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)， 其導(dǎo)通占空比d&p、dSm代入（3)式計(jì)算獲得：
[0029] 第四扇區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為：輸出三相電壓Vmax= V。，Vmid= V b，Vmin= V a，SjP S 311始 終開(kāi)通，SeJP S ap始終關(guān)斷，B相橋臂上、下開(kāi)關(guān)管S bp和S bn采用PffM調(diào)制且開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)， 其導(dǎo)通占空比dsbp、dsbn代入（3)式計(jì)算獲得：
[0031] 第五扇區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為：輸出三相電壓Vmax= V。，Vmid= V a，Vmin= V b，S ^始 終開(kāi)通，SeJP S bp始終關(guān)斷，A相橋臂上、下開(kāi)關(guān)管S ap和S an采用PffM調(diào)制且開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)， 其導(dǎo)通占空比dSap、dSan代入（3)式計(jì)算獲得：
[0033] 第六扇區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為：輸出三相電壓Vmax= V a，Vmid= V。，Vmin= V b，Sap和S bn始 終開(kāi)通，Sa