一種準z源三電平t型逆變器及其svpwm調製方法
2023-10-06 23:17:54 1
一種準z源三電平t型逆變器及其svpwm調製方法
【專利摘要】本發明涉及一種準Z源三電平T型逆變器及其SVPWM調製方法，該拓撲具有準Z源網絡三電平中點鉗位(NPC)逆變器相同的升壓特性，但是所用開關器件數目較少，效率較高。與三電平T型逆變器相比，本發明的拓撲不僅能夠實現升/降壓功能，而且允許上、下橋臂直通，可靠性明顯增加，消除死區時間，防止波形畸變；與Z源三電平二極體鉗位逆變器相比，輸入端電流連續且紋波較小，輸入端不必並聯大電容排組；與準Z源兩電平逆變器相比，輸出電壓有中點電位，因此和高頻諧波小，所需的濾波器較小，開關頻率可以降低，開關損耗較小；它採用SVPWM的方法對逆變器進行控制，採用同該方法可以減少開關次數，降低開關損耗，減少輸出電壓諧波含量。
【專利說明】-種準Z源三電平T型逆變器及其SVPWM調製方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種準Z源三電平T型逆變器及其SVPWM調製方法。
【背景技術】
[0002] 隨著分布式電源的迅速發展及其對效率要求的不斷提升，提高電能質量、減少 諧波汙染、提高發電系統的效率是分布式電源發展的關鍵問題。三電平逆變器相比於 傳統的兩電平逆變器具有諧波少、耐壓高、開關應力小、電磁幹擾（Electro Magnetic Interference, EMI)少等優點已經在分布式電源及微電網領域得到廣泛應用。然而對於燃 料電池、光伏電池等分布式電源的輸出電壓並不是恆定的，無法實現較寬直流電壓範圍的 變流功能和得到較高的交流輸出電壓。為了滿足直流母線較寬的電壓範圍，研究人員加入 了 DC/DC變換器，即採用兩級結構。然而此變換器不僅需要較多的功率器件，在工作過程中 還產生大量的開關損耗，降低系統效率。為了減少因 DC/DC變換器引起的開關損耗對系統 效率的影響，採用Z源網絡的兩電平逆變器是一種理想的選擇。
[0003] Z源兩電平逆變器在光伏逆變器、儲能、電動汽車、燃料電池等新能源領域應用廣 泛。但是隨著分布式電源的迅速發展，提高電能質量和功率等級等要求備受關注。Z源多 電平逆變器可以解決上述問題。而Z源三電平中點鉗位（neutral point clamped,NPC)逆 變器在光伏逆變器、風力發電機、燃料電池等可再生能源得到廣泛的應用，它由一個獨立的 直流電源、兩個直流側分壓電容、一個Z源網絡和一個三電平NPC逆變電路組成。Z源網絡 的引入使直通成為一種正常的工作狀態，通過控制直通佔空比，Z源三電平NPC逆變器可以 實現升壓功能，而且不用控制死區時間，防止逆變波形畸變。橋臂直通不會引起功率器件的 損壞，可靠性明顯增加。因此，Z源三電平NPC逆變器相對於傳統三電平NPC逆變器優勢明 顯，前景十分廣闊。
[0004] Z源三電平二極體鉗位逆變器雖然具有升/降壓功能，但是存在以下不足：
[0005] Z源網絡輸入端電流斷續，輸入端需並聯大電容進行濾波；電容電壓應力較大。雖 然所有的升壓電路中電容電壓應力都較大，但是兩個高電壓等級的電容成本較高，電容之 間的串聯繫統成本和故障率增加。因此，具有連續輸入電流準Z源三電平二極體鉗位逆變 器提了出來，由於阻抗源網絡輸入端電感L1的平波作用，輸入端電流連續且紋波較小，因 此輸入端不必並聯大電容排組。
[0006] 但是，準Z源三電平NPC逆變器需要無源器件太多，會產生大量的功率損耗，這樣 會造成系統的效率低。效率和電能質量是保證可再生能源和微電網可靠、穩定、經濟運行的 保障。
[0007] 因此，研究一種效率和電能質量最優的拓撲結構至關重要。而對於三電平T型逆 變器，效率和電能質量相對於Z源三電平NPC和Z源兩電平逆變器都較好，但是對於燃料電 池、光伏電池等分布式電源的輸出電壓輸出不恆定，無法實現寬輸出電壓，而且由於死區的 原因導致諧波很大。
【發明內容】
[0008] 為了解決上述問題，本發明提出了一種準Z源三電平T型逆變器及其SVPWM調製 方法，準Z源三電平T型逆變器的直流儲能電容C1和C4的電壓應力下降非常明顯，減少了 電容的串聯個數，從而大大地減少硬體成本和故障率，採用SVPWM調製方法，該方法不但可 以靈活的實現開關狀態的組合，還具有降低開關損耗和諧波畸變小、直流電壓利用率高等 優點。
[0009] 為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
[0010] 一種準Z源三電平T型逆變器，包括並聯的三相橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的 IGBT管，各相橋臂的中點一側串聯兩個方向不同的IGBT管，另一側經濾波器與電阻連接； 在並聯的各橋臂輸入端連接準Z源網絡後接入輸入電壓源；準Z源中兩個電容連接處連接 各相橋臂的兩個方向不同IGBT管的一端，各個IGBT管均由控制電路驅動。
[0011] 所述準z源網絡包括四個電感和電容，電壓源正極連接一個電感後串聯二極體和 電感後連接一相橋臂，所述橋臂與二極體的輸入端之間連接有一個電容；電壓源負極連接 電感後反接一個二極體和電感後連接另一相橋臂，所述橋臂與二極體的輸入端之間連接有 一個電容；兩個二極體的輸出端之間串聯有兩個電容，兩個電容的連接中點連接第三相橋 臂。
[0012] 所述濾波器為LC濾波電路，且其中的電容公共端接地。
[0013] 所述控制電路包括保護電路、驅動電路、採樣調理電路，採樣調理電路連接DSP模 塊，DSP模塊與保護電路雙向通信，DSP模塊連接驅動電路，驅動電路輸出PWM信號驅動橋臂 中IGBT管的開通與關斷。
[0014] 所述採樣調理電路採集輸入電壓源的直流電壓、直流電流、Z源網絡電容電壓以及 濾波器輸出的三相電壓值大小。
[0015] 一種基於上述準Z源三電平T型逆變器的SVPWM調製方法，具體包括以下步驟：
[0016] (1)將三電平轉化成兩電平的SVPWM，在SVPWM的基礎上計算出每相橋臂的狀態轉 換時間；
[0017] (2)對每相橋臂的狀態轉換時間進行調整，得到最終PWM信號。
[0018] 所述步驟（1)的具體方法為：首先按照表1的修正關係將三電平參考矢量轉化成 兩電平的參考矢量；其中
【權利要求】
1. 一種準Z源三電平T型逆變器，其特徵是：包括並聯的三相橋臂，每相橋臂包括兩個 串聯的IGBT管，各相橋臂的中點一側串聯兩個方向不同的IGBT管，另一側經濾波器與電阻 連接；在並聯的各橋臂輸入端連接準Ζ源網絡後接入輸入電壓源；準Ζ源中兩個電容連接 處連接各相橋臂的兩個方向不同IGBT管的一端，各個IGBT管均由控制電路驅動。
2. 如權利要求1所述的一種準Z源三電平T型逆變器，其特徵是：所述準Z源網絡包 括四個電感和電容，電壓源正極連接一個電感後串聯二極體和電感後連接一相橋臂，所述 橋臂與二極體的輸入端之間連接有一個電容；電壓源負極連接電感後反接一個二極體和電 感後連接另一相橋臂，所述橋臂與二極體的輸入端之間連接有一個電容；兩個二極體的輸 出端之間串聯有兩個電容，兩個電容的連接中點連接第三相橋臂。
3. 如權利要求1所述的一種準Z源三電平T型逆變器，其特徵是：所述濾波器為LC濾 波電路，且其中的電容公共端接地。
4. 如權利要求1所述的一種準Z源三電平T型逆變器，其特徵是：所述控制電路包括 保護電路、驅動電路、採樣調理電路，採樣調理電路連接DSP模塊，DSP模塊與保護電路雙向 通信，DSP模塊連接驅動電路，驅動電路輸出PWM信號驅動橋臂中IGBT管的開通與關斷。
5. 如權利要求4所述的一種準Z源三電平T型逆變器，其特徵是：所述採樣調理電路 採集輸入電壓源的直流電壓、直流電流、Z源網絡電容電壓以及濾波器輸出的三相電壓值大 小。
6. -種基於權利要求1-5中任一項所述的準Z源三電平T型逆變器的SVPWM調製方 法，其特徵是：具體包括以下步驟： (1) 將三電平轉化成兩電平的SVPWM，在SVPWM的基礎上計算出每相橋臂的狀態轉換時 間； (2) 對每相橋臂的狀態轉換時間進行調整，得到最終PWM信號。
7. 如權利要求6所述的SVPWM調製方法，其特徵是：所述步驟⑴的具體方法為：首先 按照表1的修正關係將三電平參考矢量轉化成兩電平的參考矢量；其彳
為轉 化成兩電平的電壓參考矢量
為三電平的電壓參考矢量：
%為輸入電壓， 表1參考電壓的修正關係
然後在兩電平SVPWM算法的基礎上計算出每相橋臂的狀態轉換時間為Tu，Tv，Tw : 其中
一個 開關周期時間。
8. 如權利要求6所述的SVPWM調製方法，其特徵是：所述步驟（2)的具體方法為：選擇 開關狀態轉換最少的橋臂產生直通，在任意時刻，對狀態轉換時間的Tmax，即1，T v，Tw中的 最大值，增加 ?；的上直通時間，同時對狀態轉換時間的Tmin，即Tu，Tv，Tw中的最小值，減少 TQ的下直通時間，?；為設定時間，保持狀態轉換時間的Tmid，即1，Tv，Tw中的中間值不變， 得到Z源三電平T型逆變器所需要的直通佔空比，最後將得到的PWM信號送到驅動電路。
9. 如權利要求8所述的SVPWM調製方法，其特徵是：所述步驟⑵中調整後三相開通 時間 Tmax'、Tmid'、Tmin' 分別為：
【文檔編號】H02M7/5395GK104092399SQ201410345757
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】張承慧, 邢相洋, 陳阿蓮 申請人:山東大學