Z源逆变器最大升压和最小开关频率脉宽调制方法
【专利说明】Z源逆变器最大升压和最小开关频率脉宽调制方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于新能源光伏、燃料电池等分布式发电领域，具体涉及一种Z源逆变器 最大升压和最小开关频率脉宽调制方法。 【【背景技术】】
[0002] 新能源光伏发电、燃料电池供电的电动汽车驱动系统具有广阔的应用前景。然而， 它们明显的特点是直流电源供电电压低，电压宽范围变化，跌落明显。因此，必须采用电力 电子变流器调节电压幅值和频率以获取相对较高的电网或用电设备所需交流电。传统的 三相电压源逆变器输出交流电压峰值小于输入直流电源电压的一半，因此，只能实现降压 DC-AC功率变换。当采用正弦脉宽调制（SPffM)加入三次谐波注入或空间矢量调制（SVM)提 高电压传输比时，获得的最大交流相电压约为〇. 57倍直流电源电压。上述电源特性对电力 电子变流器提出了迫切严格的要求：宽范围升降压调节能力、低成本、高增益、高效率等。因 此，高效率、高增益的DC-AC逆变器拓扑及其控制方法成为国内学者研究的热点。
[0003] Z源逆变器（如图1所示），在直流电源和逆变桥之间引入电感和电容Z型连接的 阻抗网络，利用桥臂中上、下开关器件的直通实现升压调节功能。相比于传统电压源逆变 器，Z源逆变器具有以下明显的优点，实现升降压调节功能；作为单级功率变换器，减小开 关器件数量，提高电能转换效率；允许桥臂上、下开关器件直通，提高系统可靠性；消除逆 变器的死区，减小输出电压谐波，提高电能质量。因此，在宽输入DC-AC功率变换场合Z源 逆变器具有明显的效率、成本和可靠性优势。
[0004] 由于Z源逆变器独特的电路结构，文献[1] "Peng Fangzheng〃Z_source inverter"，IEEE Transactions on Industry Applications，vol. 39, no. 2, pp. 504-510， Mar 2003在提出电路拓扑的同时给出了一种典型脉宽调制方法。典型脉宽调制方法 存在直流电压利用率低的缺点。现有文献[2] "Miaosen Shen，Jin Wang，Fang 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源逆变器最大恒定升压控制的宽调制方法，提高了直流电压 利用率，同时减小了开关器件电压应力。Z源逆变器中间直流侧一个开关周期（T s)内电压平 均值恒定且为输出相电压的最大值。现有文献[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 提出最大升压脉宽调制方法，Z 源逆变器所有的零状态均用于直通时间，中间直流侧一个开关周期（Ts)内电压平均值等效 为三相输出相电压的包络线。此外，Z源逆变器直通方式有单相桥臂直通和三相桥臂同时直 通两种方法[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。上述脉宽调制方法均可米用文献[4]两种 不同桥臂直通方式。当Z源逆变器采用最大恒定升压控制，单相桥臂直通时，逆变桥中功率 器件的最小开关频率Sfs(fs= 1/TS)，前端二极管D1的开关频率为6fs。当Z源逆变器采 用最大升压控制，单相桥臂直通时，逆变桥中功率器件等效开关频率为2/3fs，二极管 开关频率4f s。 【
【发明内容】
】
[0005] 本发明的目的在于针对Z源逆变器现有控制方法存在进一步降低开关频率以提 高电能转换效率的空间，提出了一种理论上获得最大电压增益和最小开关频率的Z源逆变 器最大升压和最小开关频率脉宽调制方法，通过调节一相桥臂的直通时间使一个开关周期 Ts内逆变桥直流侧电压为三相交流输出线电压的瞬时最大值，从而可以将逆变桥中电力半 导体器件的等效开关频率减小为l/3f s(fs= 1/T s)。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0007] -种Z源逆变器最大升压和最小开关频率脉宽调制方法，调节一相桥臂的直通时 间使一个开关周期1内逆变桥直流侧电压为三相交流输出线电压的瞬时最大值，具体调制 方法包括以下步骤：
[0008] 1)在给定交流输出电压幅值下，根据式（1)计算电压增益：
[0010] 其中，&表示交流输出相电压峰值，Vd。直流电源电压，G表示电压增益，其定义为 交流输出相电压峰值与1/2倍直流电源电压的比值；
[0011] 2)根据空间电压矢量定义，将交流输出电压分为六个扇区，根据式（2)计算每一 个扇区中，任一周期内，单相桥臂的直通占空比d ST:
[0013] 其中：Θ = cot% ( π /3)，ω = 2 π fline，fline为输出三相电压基波频率；
[0014] 3)根据下表设计逆变桥中六个功率器件的开关状态：
[0017] 4)根据式（3)计算工作于PffM调制一相桥臂上、下开关管的导通占空比dSip(〇n) 和 dSin (ω t):
[0019] 其中：任一扇区内，Vmin(Ot)是输出相电压最小值；Vmax(Ot)是相电压最大值， vmid (ω?)是相电压中间值；i表不输出电压中间值的一相a，b或c ;
[0020] 5)确定Z源逆变器各功率器件开关状态和占空比后，由数字控制器生成PffM驱动 信号，控制主电路。
[0021] 本发明进一步的改进在于：
[0022] 所述步骤4)中，一个开关周期Tsft，逆变桥中两个桥臂的电力半导体器件开关状 态固定不动作，另一桥臂的电力半导体器件采用脉宽调制PWM兼顾逆变桥直流侧电压和输 出相电压的调节；逆变桥中电力半导体器件的等效开关频率减小为l/3f s，其中，fs= 1/T s;
[0023] 第一扇区的开关状态为：Vnax= v a，Vnid= v b，v_= v。，Sap和S⑶始终开通，S an和 Stip始终关断，B相桥臂上、下开关管S bp和S bn米用PffM调制，其导通占空比d sbp、dsbn代入（3) 式计算获得：
[0025]第二扇区的开关状态为：Vnax= V b，Vnid= V a，v_= V。，Sbp和S⑶始终开通，S bn和 Stip始终关断，A相桥臂上、下开关管S ap和S an米用PffM调制，其导通占空比d Sap、dSan代入（3) 式计算获得：
[0027] 第三扇区的开关状态为：输出三相电压Vmax= V b，Vmid= VVmin= V a，Sbp和S an始 终开通，Sbn和S ap始终关断，C相桥臂上、下开关管S @和S m采用PffM调制且开关状态互补， 其导通占空比d&p、dSm代入（3)式计算获得：
[0029] 第四扇区的开关状态为：输出三相电压Vmax= V。，Vmid= V b，Vmin= V a，SjP S 311始 终开通，SeJP S ap始终关断，B相桥臂上、下开关管S bp和S bn采用PffM调制且开关状态互补， 其导通占空比dsbp、dsbn代入（3)式计算获得：
[0031] 第五扇区的开关状态为：输出三相电压Vmax= V。，Vmid= V a，Vmin= V b，S ^始 终开通，SeJP S bp始终关断，A相桥臂上、下开关管S ap和S an采用PffM调制且开关状态互补， 其导通占空比dSap、dSan代入（3)式计算获得：
[0033] 第六扇区的开关状态为：输出三相电压Vmax= V a，Vmid= V。，Vmin= V b，Sap和S bn始 终开通，Sa