一种新型双准Z源五电平逆变器的制作方法

本发明涉及一种五电平逆变器，尤其是涉及一种新型双准z源五电平逆变器。

背景技术：

近年来，随着风电、光伏等可再生能源的快速发展，对并网逆变器的稳定性、转换效率以及功率和电压等级的要求也越来越高。传统的两电平逆变器已满足不了现代工业对电压、电流谐波以及电力电子器件所承受的压力的需求。五电平逆变器的提出，解决了两电平逆变器存在的问题。相比于三电平逆变器，五电平逆变器输出电流、电压谐波更低，电磁干扰小，被广泛应用于高压、大功率场合。与其他多电平逆变器相比，五电平逆变器所需要的开关器件少，易于控制。

随着经典控制理论与现代控制的发展，pi控制，准pr控制以及滑模变控制被应用到逆变器的控制之中，这些控制方法在一定程度上能够解决一些问题，但随着并网系统复杂性与耦合性的增加，这些方法已经满足不了需求。为了实现电力电子器件的非线性控制，无源性控制(passivitybasedcontrol,pbc)理论已被应用于到逆变器的控制中，并取得了较好的控制效果。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新型双准z源五电平逆变器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种新型双准z源五电平逆变器，包括二极管钳位式五电平逆变器，所述的二极管钳位式五电平逆变器包括三相，每相桥臂由上到下依次设有8个开关管，分别为第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，第一开关管源极和第五开关管源极之间连接有第一钳位支路，第二开关管源极和第六开关管源极之间连接有第二钳位支路，第三开关管源极和第器开关管源极之间连接有第三钳位支路，所述的第一钳位支路和第二钳位支路和第三钳位支路均包括2个钳位二极管，该逆变器直流侧连接一个双准z源网络，所述的双准z源网络为对称结构，其中心点o分别连接至二极管钳位式五电平逆变器三相对应的第二钳位支路的2个钳位二极管的连接点。

所述的双准z源网络包括对称第一z源网络和第二z源网络，所述的第一z源网络均包括2个额定电压相同的直流电源，所述的直流电源串联连接，第一z源网络的2个直流电源串联中心点分别连接至二极管钳位式五电平逆变器三相对应的第一钳位支路的2个钳位二极管的连接点，第二z源网络的2个直流电源串联中心点分别连接至二极管钳位式五电平逆变器三相对应的第三钳位支路的2个钳位二极管的连接点，第一z源网络输出正极为二极管钳位式五电平逆变器的直流输入端正极，第一z源网络输出负极与第二z源网络输出正极连接形成所述的中心点o，第二z源网络输出负极为二极管钳位式五电平逆变器的直流输入端负极。

所述的第一z源网络包括第一直流电源、第二直流电源、二级管vd1、二级管vd5，第一ld网络、第二ld单元、电容c1和电容c2，第一直流电源正极连接二级管vd1阳极，二级管vd1阴极连接第一ld网络第一端，第一ld网络第二端为第一z源网络输出正极，第一直流电源负极连接第二直流电源正极，第二直流电源负极连接二级管vd5阴极，二级管vd5阳极连接第二ld网络第一端，第二ld网络第二端为第一z源网络输出负极，二级管vd1阴极和第一z源网络输出负极连接电容c1，第一z源网络输出正极和二级管vd5阳极连接电容c2。

所述的第二z源网络包括第三直流电源、第四直流电源、二级管vd9、二级管vd13，第三ld网络、第四ld单元、电容c3和电容c4，第三直流电源正极连接二级管vd9阳极，二级管vd9阴极连接第三ld网络第一端，第三ld网络第二端为第二z源网络输出正极，第三直流电源负极连接第四直流电源正极，第四直流电源负极连接二级管vd13阴极，二级管vd13阳极连接第四ld网络第一端，第四ld网络第二端为第二z源网络输出负极，二级管vd9阴极和第二z源网络输出负极连接电容c3，第二z源网络输出正极和二级管vd13阳极连接电容c4。

第一ld网络包括二极管vd2、二极管vd3、二极管vd4、电感l1和电感l2，二极管vd2阴极连接电感l1一端，电感l1另一端连接二极管vd3阴极，二极管vd3阳极连接电感l2一端，电感l2另一端连接二极管vd2阳极，二极管vd2阳极与电感l2的连接点为第一ld网络第一端，二极管vd3阴极和电感l1的连接点为第一ld网络第二端，二极管vd4阳极连接二极管vd3阳极，二极管vd4阴极连接二极管vd2阴极；

第二ld网络包括二极管vd6、二极管vd7、二极管vd8、电感l3和电感l4，二极管vd6阴极连接电感l3一端，电感l3另一端连接二极管vd7阴极，二极管vd7阳极连接电感l4一端，电感l4另一端连接二极管vd6阳极，二极管vd6阴极与电感l3的连接点为第二ld网络第一端，二极管vd7阳极和电感l4的连接点为第二ld网络第二端，二极管vd8阳极连接二极管vd6阳极，二极管vd8阴极连接二极管vd7阴极。

第三ld网络包括二极管vd10、二极管vd11、二极管vd12、电感l5和电感l6，二极管vd10阴极连接电感l6一端，电感l6另一端连接二极管vd11阴极，二极管vd11阳极连接电感l5一端，电感l5另一端连接二极管vd10阳极，二极管vd10阳极与电感l5的连接点为第三ld网络第一端，二极管vd11阴极和电感l6的连接点为第三ld网络第二端，二极管vd12阳极连接二极管vd11阳极，二极管vd12阴极连接二极管vd10阴极；

第四ld网络包括二极管vd14、二极管vd15、二极管vd16、电感l7和电感l8，二极管vd14阴极连接电感l7一端，电感l7另一端连接二极管vd15阴极，二极管vd15阳极连接电感l8一端，电感l8另一端连接二极管vd14阳极，二极管vd14阴极与电感l7的连接点为第四ld网络第一端，二极管vd15阳极和电感l8的连接点为第四ld网络第二端，二极管vd16阳极连接二极管vd14阳极，二极管vd16阴极连接二极管vd15阴极。

所述的双准z源网络包括三种工作状态，分别为非直通状态、上直通状态和下直通状态。

双准z源网络工作于非直通状态时：

第一z源网络中二级管vd1、二级管vd4、二级管vd5和二级管vd8均导通，二级管vd2、二级管vd3、二级管vd6和二级管vd7均截止；

第二z源网络中二级管vd9、二级管vd12、二级管vd13和二级管vd16均导通，二级管vd10、二级管vd11、二级管vd14和二级管vd15均截止。

双准z源网络工作于上直通状态时：

第一z源网络中二级管vd1、二级管vd2、二级管vd3、二级管vd6和二级管vd7均导通，二级管vd4、二级管vd5和二级管vd8均截止；

第二z源网络中二级管vd9、二级管vd12、二级管vd13和二级管vd16均导通，二级管vd10、二级管vd11、二级管vd14和二级管vd15均截止。

双准z源网络工作于下直通状态时：

第一z源网络中二级管vd1、二级管vd4、二级管vd5和二级管vd8均导通，二级管vd2、二级管vd3、二级管vd6和二级管vd7均截止；

第二z源网络中二级管vd10、二级管vd11、二级管vd13、二级管vd14和二级管vd15均导通，二级管vd9、二级管vd12和二级管vd16均截止。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明在二极管钳位式五电平逆变器直流侧设置双准z源网络，双准z源网络拓扑结构新颖，能够明显降低电感启动电流，提升z源网络升压能力。

附图说明

图1为本发明新型双准z源五电平逆变器的拓扑结构；

图2为本发明新型双准z源网络工作于非直通状态；

图3为本发明新型双准z源网络工作于上直通状态；

图4为本发明新型双准z源网络工作于下直通状态；

图5为传统双z源与新型双准z源升压比比较；

图6为本发明新型双准z源拓扑升压侧电压；

图7为传统双z源拓扑升压侧电压；

图8为本发明新型双准z源拓扑和传统双z源拓扑电感启动电流比较；

图9为逆变器输出a相相电压；

图10为a相并网电压与电流；

图11为a相电流谐波；

图12为逆变器a相桥臂开关波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种新型双准z源五电平逆变器，包括二极管钳位式五电平逆变器，所述的二极管钳位式五电平逆变器包括三相，每相桥臂由上到下依次设有8个开关管，分别为第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，第一开关管源极和第五开关管源极之间连接有第一钳位支路，第二开关管源极和第六开关管源极之间连接有第二钳位支路，第三开关管源极和第器开关管源极之间连接有第三钳位支路，所述的第一钳位支路和第二钳位支路和第三钳位支路均包括2个钳位二极管。具体地，二极管钳位式五电平逆变器中ta1-ta8、tb1-tb8、tc1-tc8分别为a相、b相、c相的桥臂上8个开关管；va1-va6、vb1-vb6、vc1-vc6分别为a相、b相、c相桥臂上6个钳位二极管；sa、sb、sc分别为a相、b相、c相的每个桥臂上开关驱动信号，其中：a相桥臂的8个开关管驱动信号分别为sa1、sa2、sa3、sa4、sa5、sa6、sa7、sa8，b、c相以此类推；uea、ueb、uec为电网侧a、b、c三相的交流相电压。该逆变器直流侧连接一个双准z源网络，所述的双准z源网络为对称结构，其中心点o分别连接至二极管钳位式五电平逆变器三相对应的第二钳位支路的2个钳位二极管的连接点。

所述的双准z源网络包括对称第一z源网络和第二z源网络，所述的第一z源网络均包括2个额定电压相同的直流电源，所述的直流电源串联连接，第一z源网络的2个直流电源串联中心点分别连接至二极管钳位式五电平逆变器三相对应的第一钳位支路的2个钳位二极管的连接点，第二z源网络的2个直流电源串联中心点分别连接至二极管钳位式五电平逆变器三相对应的第三钳位支路的2个钳位二极管的连接点，第一z源网络输出正极为二极管钳位式五电平逆变器的直流输入端正极，第一z源网络输出负极与第二z源网络输出正极连接形成所述的中心点o，第二z源网络输出负极为二极管钳位式五电平逆变器的直流输入端负极。

所述的第一z源网络包括第一直流电源、第二直流电源、二级管vd1、二级管vd5，第一ld网络、第二ld单元、电容c1和电容c2，第一直流电源正极连接二级管vd1阳极，二级管vd1阴极连接第一ld网络第一端，第一ld网络第二端为第一z源网络输出正极，第一直流电源负极连接第二直流电源正极，第二直流电源负极连接二级管vd5阴极，二级管vd5阳极连接第二ld网络第一端，第二ld网络第二端为第一z源网络输出负极，二级管vd1阴极和第一z源网络输出负极连接电容c1，第一z源网络输出正极和二级管vd5阳极连接电容c2。

所述的第二z源网络包括第三直流电源、第四直流电源、二级管vd9、二级管vd13，第三ld网络、第四ld单元、电容c3和电容c4，第三直流电源正极连接二级管vd9阳极，二级管vd9阴极连接第三ld网络第一端，第三ld网络第二端为第二z源网络输出正极，第三直流电源负极连接第四直流电源正极，第四直流电源负极连接二级管vd13阴极，二级管vd13阳极连接第四ld网络第一端，第四ld网络第二端为第二z源网络输出负极，二级管vd9阴极和第二z源网络输出负极连接电容c3，第二z源网络输出正极和二级管vd13阳极连接电容c4。

第一ld网络包括二极管vd2、二极管vd3、二极管vd4、电感l1和电感l2，二极管vd2阴极连接电感l1一端，电感l1另一端连接二极管vd3阴极，二极管vd3阳极连接电感l2一端，电感l2另一端连接二极管vd2阳极，二极管vd2阳极与电感l2的连接点为第一ld网络第一端，二极管vd3阴极和电感l1的连接点为第一ld网络第二端，二极管vd4阳极连接二极管vd3阳极，二极管vd4阴极连接二极管vd2阴极；

第二ld网络包括二极管vd6、二极管vd7、二极管vd8、电感l3和电感l4，二极管vd6阴极连接电感l3一端，电感l3另一端连接二极管vd7阴极，二极管vd7阳极连接电感l4一端，电感l4另一端连接二极管vd6阳极，二极管vd6阴极与电感l3的连接点为第二ld网络第一端，二极管vd7阳极和电感l4的连接点为第二ld网络第二端，二极管vd8阳极连接二极管vd6阳极，二极管vd8阴极连接二极管vd7阴极。

第三ld网络包括二极管vd10、二极管vd11、二极管vd12、电感l5和电感l6，二极管vd10阴极连接电感l6一端，电感l6另一端连接二极管vd11阴极，二极管vd11阳极连接电感l5一端，电感l5另一端连接二极管vd10阳极，二极管vd10阳极与电感l5的连接点为第三ld网络第一端，二极管vd11阴极和电感l6的连接点为第三ld网络第二端，二极管vd12阳极连接二极管vd11阳极，二极管vd12阴极连接二极管vd10阴极；

第四ld网络包括二极管vd14、二极管vd15、二极管vd16、电感l7和电感l8，二极管vd14阴极连接电感l7一端，电感l7另一端连接二极管vd15阴极，二极管vd15阳极连接电感l8一端，电感l8另一端连接二极管vd14阳极，二极管vd14阴极与电感l7的连接点为第四ld网络第一端，二极管vd15阳极和电感l8的连接点为第四ld网络第二端，二极管vd16阳极连接二极管vd14阳极，二极管vd16阴极连接二极管vd15阴极。

双准z源网络的拓扑是在传统双z源拓扑的基础上建立起来的。其中，新拓扑保持电容的结构不变，电感部分多了3个导通二极管，从而实现升压能力的提高。

所述的双准z源网络包括三种工作状态，分别为非直通状态、上直通状态和下直通状态。

如图2所示，双准z源网络工作于非直通状态时：

第一z源网络中二级管vd1、二级管vd4、二级管vd5和二级管vd8均导通，二级管vd2、二级管vd3、二级管vd6和二级管vd7均截止；

第二z源网络中二级管vd9、二级管vd12、二级管vd13和二级管vd16均导通，二级管vd10、二级管vd11、二级管vd14和二级管vd15均截止。

此时，逆变桥和负载可用两个等效电流源代替。由网络的对称性，假设：

式中：ul、uc分别为双准z源网络中电感电压与电容电压。

根据kvl定律知：

如图3所示，双准z源网络工作于上直通状态时：

第一z源网络中二级管vd1、二级管vd2、二级管vd3、二级管vd6和二级管vd7均导通，二级管vd4、二级管vd5和二级管vd8均截止；

第二z源网络中二级管vd9、二级管vd12、二级管vd13和二级管vd16均导通，二级管vd10、二级管vd11、二级管vd14和二级管vd15均截止。

如图4所示，双准z源网络工作于下直通状态时：

第一z源网络中二级管vd1、二级管vd4、二级管vd5和二级管vd8均导通，二级管vd2、二级管vd3、二级管vd6和二级管vd7均截止；

第二z源网络中二级管vd10、二级管vd11、二级管vd13、二级管vd14和二级管vd15均导通，二级管vd9、二级管vd12和二级管vd16均截止。

根据网络的对称性与kvl定理可知，无论是上直通状态还是下直通状态都存在：

设上直通和下直通的时间分别为tu0和tl0，为了保证在两种直通状态下输出电压的平衡，应满足：

tu0＝tl0＝t0，(4)

式中：t0为直通时间。

设开关周期为ts，根据伏秒平衡原理，在一个开关周期内电感l两端电压平均值为零，可以得到：

结合公式(1)、(2)、(4)可以推出：

式中：d0为直通占空比，b为升压因子。

图5为新型双准z源与传统双z源升压因子比较。从图中可以看出，当直通占空比d0<0.25，两种拓扑结构的升压能力相差不大；但当d0>0.25，新拓扑的升压能力明显大于传统z源网络。

结合公式(2)、(3)、(6)，可得非直通和上下直通状态时z源网络升压侧电压ui与直流电源电压udc的关系为：

最终，新型双准z源npc型五电平逆变器输出相电压为4budc/2、4budc/4、0、-4budc/4、-4budc/2五种电平。

根据以上分析，在matlab/simulink仿真软件中搭建了新型双准z源npc型五电平逆变器的仿真模型，并与传统双z源npc型五电平逆变器进行比较分析。仿真参数设置如下：输入侧有4个相同的直流电源，其中，每个直流电源电压udc＝150v；z源网络电容c1＝c2＝c3＝c4＝2200μf，电感l1＝l2＝l3＝l4＝l5＝l6＝l7＝l8＝5mh；开关频率fs＝2.5khz，直通占空比d0＝0.25，通过公式(6)求得升压比b＝3；滤波电感lf＝30mh，滤波电容cf＝50μf，负载电阻50ω；并网相电压峰值为311v，电网频率为50hz。

图6、图7为本发明新型双准z源与传统双z源仿真比较实验。图6为新拓扑升压侧电压，图中电压最大值约为900v，最小值约为450v，这与公式(7)求得的直通状态与上、下直通状态时升压侧电压近似一致。图7为传统z源拓扑升压侧电压，图中电压最大值约为600v，明显小于图6中电压的最大值，由此验证了新拓扑具有很强的升压能力。

图8为两种拓扑中电感电流波形，从图中可以看出，传统z源网络电感启动电流近似为400a，而新拓扑电感启动电流约为150a，所以新拓扑结构能够有效抑制电流冲击。

图9为逆变器输出a相相电压波形。从图中可以看出逆变器输出的相电压有+900v、+450v、0v、-450v、-900v五种电平，这与逆变器理论输出的4budc/2、4budc/4、0、-4budc/4、-4budc/2五种电平近似一致。

图10、图11为逆变器并网实验波形。其中，图10为升压稳定之后a相并网电压与电流波形，图中，a相并网电压与电流基本同相位，即系统具有很高的功率因数。图11为逆变器输出a相电流谐波，其值仅为2.78％，满足逆变器并网谐波要求。

图12为逆变器a相桥臂8个开关信号。