一種Z源三電平T型逆變器及其中點平衡控制方法技術

本發明專利技術涉及一種Z源三電平T型逆變器及其中點平衡控制方法，該拓撲具有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，本發明專利技術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，由于三電平比兩電平更接近正弦波，因此開關頻率可以降低，開關損耗較小；采用SVPWM控制策略，將三電平SVPWM轉化成兩電平SVPWM，然后在兩電平SVPWM的基礎上實現中點平衡和升壓，該方法能夠簡單的消除中點平衡與直通的耦合。

【技術實現步驟摘要】
一種Z源三電平T型逆變器及其中點平衡控制方法
本專利技術涉及一種Z源三電平T型逆變器及其中點平衡控制方法。
技術介紹
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、減少諧波污染、提高發電系統的效率是分布式電源發展的關鍵問題。三電平逆變器相比于傳統的兩電平逆變器具有諧波少、耐壓高、開關應力小、電磁干擾(ElectroMagneticInterference,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。然而對于燃料電池、光伏電池等分布式電源的輸出電壓并不是恒定的，無法實現較寬直流電壓范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范圍，研究人員加入了DC/DC變換器，即采用兩級結構。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，采用Z源網絡的兩電平逆變器是一種理想的選擇。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(neutralpointclamped，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，通過控制直通占空比，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逆變器相對于傳統三電平NPC逆變器優勢明顯，前景十分廣闊。但是，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。因此，研究一種效率和電能質量最優的拓撲結構至關重要。而對于三電平T型逆變器，效率和電能質量相對于Z源三電平NPC和Z源兩電平逆變器都較好，但是對于燃料電池、光伏電池等分布式電源的輸出電壓輸出不恒定，無法實現寬輸出電壓，而且由于死區的原因導致諧波很大。而且Z源三電平逆變器存在著中點電位不平衡的固有問題。傳統方法很難實現升壓和中點平衡的問題。
技術實現思路
為了解決上述問題，本專利技術提出了一種Z源三電平T型逆變器及其中點平衡控制方法，本專利技術首先將三電平SVPWM轉化成兩電平SVPWM，然后在兩電平SVPWM的基礎上實現中點平衡和升壓，該方法能夠簡單的消除中點平衡與直通的耦合；采用SVPWM調制方法，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。為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種Z源三電平T型逆變器，包括并聯的三相橋臂，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；在并聯的各橋臂輸入端連接Z源網絡后接入輸入電壓源；輸入電壓源兩端并聯有兩個串聯的電容，兩個電容連接處連接各項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。所述Z源網絡包括兩個電感和電容，兩個電感分別串聯在輸入電壓源兩端與三相橋臂的連接處，電感與輸入電壓源的連接側串聯有二極管，且兩個二極管反向，兩個電容的一端分別連接二極管和電感的連接處，另一端連接在另一路電感和三相橋臂的連接處。所述濾波器為LC濾波電路，且其中的電容公共端接地。所述控制電路包括保護電路、驅動電路、采樣調理電路，采樣調理電路連接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。所述采樣調理電路采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。中點不平衡的原因是由中、小矢量引起的，如果改變中矢量消除中點平衡，會引起輸出電流發生畸變；然而可以通過改變P類型小矢量和N類型小矢量的值消除中點平衡，減小P類型的小矢量作用時間可以減少直流側下電容Vdc2的值，減小N類型的小矢量作用時間可以減少直流側上電容Vdc1的值；該方法對輸出電流沒有影響，P類型和N類型小矢量的值如表1所示，其中，O為每相橋臂的四個IGBT管的開通信號依次為{0,1,1,0}，P為每相橋臂的四個IGBT管的開通信號依次為{1,1,0,0}、N為每相橋臂的四個IGBT管的開通信號依次為{0,0,1,1}。表1P類型和N類型的小矢量P-typeN-typePOOONNPPOOONOPONONOPPNOOOOPNNOPOPONO一種基于上述Z源三電平T型逆變器的中點平衡控制方法，具體包括以下步驟：(1)根據直流側上電容Vdc1和下電容電壓Vdc2的大小，分別調整每相橋臂的狀態轉換時間，使中點點位趨于平衡；(2)考慮直通的加入，選擇開關狀態轉換最少的橋臂產生直通，調節開通時間，得到Z源三電平T型逆變器所需要的直通占空比，將得到的PWM信號送到驅動電路。所述步驟(1)中，當直流側上電容Vdc1大于直流下電容電壓Vdc2時，減小N類型的小矢量作用時間來控制中點平衡，調整開通時間為：式中，每相橋臂的狀態轉換時間為TU，TV，TW，TU，TV，TW中的最小值為Tmin，TU’，TV’，TW’分別為調整后的開通時間，α為小于1的比例系數；Vdc1減小，Vdc2增加，中點電位趨于平衡。所述步驟(1)中，當直流側上電容Vdc1小于直流下電容電壓Vdc2時，減小P類型的小矢量作用時間來控制中點平衡，調整開通時間為：式中，每相橋臂的狀態轉換時間為TU，TV，TW，TU，TV，TW中的最小值為Tmin，α為小于1的比例系數；Vdc1增加，Vdc2減小，中點電位趨于平衡。所述步驟(2)中，在控制中點平衡以后，要考慮直通的加入，選擇開關狀態轉換最少的橋臂產生直通，在任意時刻，對開通時間的Tmax，即TU’，TV’，TW’中的最大值，增加T0的上直通，同時對開通時間的Tmax，即TU’，TV’，TW’中的最小值，減少T0的下直通，保持調制信號的Tmid，即TU’，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占空比，最后將得到的PWM信號送到驅動電路，T0為設定時間；調整后三相開通時間的最大值和最小值為：本專利技術的有益效果是：1、相對于三電平T型逆變器，Z源三電平T型逆變器不僅可以實現升壓，而且由于直通不會引起功率器件的損壞，可靠性明顯增加，消除死區時間，防止波形畸變；2、和Z源兩電平逆變器相比，Z源三電平T型逆變器輸出電壓有中點電位，因此高頻諧波小，所需的濾波器較小，由于三電平比兩電平更接近正弦波，因此開關頻率可以降低，開關損耗較小；3、和Z源三電平NPC逆變器相比，Z源三電平T型逆變器減少了元器件數量，導通損耗更低，效率更高；4、能夠解決Z源T型逆變器的中點平衡問題，維持系統的穩定；5、具有高功率、波形質量好等優點，在光伏發電系統、風力發電系統、燃料電池等可再生能源領域前景廣泛。附圖說明圖1為本專利技術系統結構圖；圖2為非直通狀態下Z源三電平T型逆變器的工作模式；圖3本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種Z源三電平T型逆變器，其特征是：包括并聯的三相橋臂，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；在并聯的各橋臂輸入端連接Z源網絡后接入輸入電壓源；輸入電壓源兩端并聯有兩個串聯的電容，兩個電容連接處連接各項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。

【技術特征摘要】
1.一種Z源三電平T型逆變器，其特征是：包括并聯的三相橋臂，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，濾波器為LC濾波電路，且其中的電容公共端接地；在并聯的各橋臂輸入端連接Z源網絡后接入輸入電壓源；輸入電壓源兩端并聯有兩個串聯的電容，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；采用SVPWM調制方法，將三電平SVPWM轉化成兩電平SVPWM，然后在兩電平SVPWM的基礎上實現中點平衡和升壓，既可以靈活的實現開關狀態的組合，也能夠簡單的消除中點平衡與直通的耦合，采用SVPWM調制的Z源三電平T型逆變器只有上直通和下直通，當升壓因子為1時，Z源三電平T型逆變器工作在降壓模式，當升壓因子大于1時，工作在升壓模式；所述控制電路包括保護電路、驅動電路、采樣調理電路，采樣調理電路連接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，采樣調理電路和保護電路具有過/欠壓保護和過流保護。2.如權利要求1所述的一種Z源三電平T型逆變器，其特征是：所述Z源網絡包括兩個電感和電容，兩個電感分別串聯在輸入電壓源兩端與三相橋臂的連接處，電感與輸入電壓源的連接側串聯有二極管，且兩個二極管反向，兩個電容的一端分別連接二極管和電感的連接處，另一端連接在另一路電感和三相橋臂的連接處。3.如權利要求1所述的一種Z源三電平T型逆變器，其特征是：所述采樣調理電路采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。4.一種如權利要求1-3中任一項所述的基于上述Z源三電平T型逆變器的中點平衡控制方法，其特征是：具體包括以下步驟：(1)根據直流側上電容電壓Vdc1和下電容電壓Vdc2的大小，分別調整每相橋臂的狀態轉換時間，使中點電位趨于平衡；(2)考慮直通的加入，選擇開關狀態轉換最少的橋臂產生直通，采用SVPWM調制的Z源三電平T型逆變器只有上直通和下...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張承慧，邢相洋，陳阿蓮，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：山東;37