新型三相Semi-Z源逆变器及其控制方法

本发明属于电力电子，涉及新型三相semi-z源逆变器。本发明还涉及新型三相semi-z源逆变器的控制方法。

背景技术：

1、三相逆变器是一种将直流电转换为交流电的电源设备。三相逆变器具有高效率、小体积和灵活的控制方式等优点，使得其在电力电子领域中具有广泛的应用。在硬件电路设计方面，三相逆变器的硬件电路设计主要包括电力电子开关器件的选择和电路拓扑结构的确定。常见的三相逆变电源电路拓扑结构包括三相半桥逆变器和三相全桥逆变器等。在软件算法实现方面，三相逆变电源的软件算法实现主要包括对电力电子开关器件的开关控制以及对输出电压和电流的实时监测与调整。其中，开关控制可以采用pwm(脉宽调制)或spwm(正弦脉宽调制)等方式；实时监测与调整可以采用电压和电流双闭环控制方式，以保证输出电压和电流的稳定性和精度。

2、但是由于其较多的功率开关器件，传统的三相逆变器具备了灵活的控制能力，特别是三相全桥逆变器。但是使用大量开关管进行控制，造成系统复杂度较高。在高功率应用场景下，需要使用大型开关管和散热器，增加了成本和体积。不仅如此，它也降低了可靠性，增加了后期的维护和更换成本，为用户和运营商增加了大量的成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供新型三相semi-z源逆变器，解决了现有传统三相逆变器中控制器件多带来的成本高、可靠性差的问题。

2、本发明的另一个目的是提供新型三相semi-z源逆变器的控制方法。

3、本发明所采用的第一个技术方案是，新型三相semi-z源逆变器，包括两个单相semi-z电路，两个所述单相semi-z电路共用一个直流电压源，两个所述单相semi-z电路的输出端口作为三相交流电的其中两相分别接两个负载，剩余一相的输出电压根据基尔霍夫定律由其他两相的输出电压构成。

4、本发明的特点还在于：

5、其中两个单相semi-z电路将直流电源vin作为共同输入端，以直流电源vin为中心呈对称结构；

6、其中位于直流电源vin右侧的单相semi-z电路包括储能电容c1、储能电感l1和功率开关管s1、功率开关管s2，滤波电容c3、滤波电感l3；所述直流电源vin、储能电感l1和功率开关管s1相互串联；功率开关管s2和储能电容c1负极一端相连，功率开关管s2另一端连接于直流电源vin和储能电感l1之间，储能电容c1另一端连接于功率开关管s1和储能电感l1之间；储能电容c1和功率开关管s1两侧电压经过串联的滤波电感l3和滤波电容c3构成的滤波器，输出交流波形形成一相交流电连接负载；

7、其中位于直流电源vin左侧的单相semi-z电路包括储能电容c2、储能电感l2和功率开关管s3、功率开关管s4，滤波电容c4、滤波电感l4；所述直流电源vin、储能电感l2和功率开关管s3相互串联；功率开关管s4和储能电容c2负极一端相连，功率开关管s4另一端连接于直流电源vin和储能电感l2之间，储能电容c2另一端连接于功率开关管s3和储能电感l2之间；储能电容c2和功率开关管s3两侧电压经过串联的滤波电感l4和滤波电容c4构成的滤波器，输出交流波形形成另一相交流电连接负载；

8、基于基尔霍夫定律两个单相semi-z电路的输出电压构成最后最后一相交流电连接负载。

9、本发明所采用的第二个技术方案是，新型三相semi-z源逆变器的控制方法，具体为采用比例谐振pr控制器控制新型三相semi-z源逆变器；

10、其中新型三相semi-z源逆变器的控制方法，具体按以下步骤实施：

11、步骤1，建立新型三相semi-z源逆变器拓扑；

12、步骤2，三相semi-z源逆变器闭环控制系统的设计；

13、其中步骤1具体为建立新型三相semi-z源逆变器拓扑；根据新型三相semi-z源逆变器的控制时序图将模态划分为四个模态，四个模态分别如下：

14、模态一：功率开关管s1和功率开关管s4闭合，功率开关管s2和功率开关管s3断开，储能电感l2向储能电容c2充电，直流电源vin向储能电感l1充电；

15、模态二：功率开关管s1和功率开关管s3闭合，功率开关管s2和功率开关管s4断开，右侧单相semi-z电路工作方式不变，左侧单相semi-z电路的直流电源vin向储能电感l1充电；

16、模态三：功率开关管s2和功率开关管s3闭合，功率开关管s1和功率开关管s4断开，左侧semi-z电路工作方式不变，右侧单相semi-z电路的储能电感l1向储能电c1充电；

17、模态四：功率开关管s2和功率开关管s4闭合，功率开关管s1和功率开关管s3断开，右侧单相semi-z电路工作方式不变，左侧单相semi-z电路的储能电感l2向储能电容c2充电；

18、其中步骤2具体按以下步骤实施：

19、步骤2.1，根据semi-z源逆变器工作原理，基于基尔霍夫定律，四个模态对应的函数关系如下：

20、模态一：

21、

22、模态二：

23、

24、模态三：

25、

26、模态四：

27、

28、式中，vl1为电感l1两段的电压，vc1为储能电容c1两端的电压，il3为流过滤波电感l3的电流，ic3为流过滤波电容c3的电流，vin为输入电压，即从储能电容c1的负极到功率开关管s1集电极之间的电压；vl2为储能电感l2两端的电压，vc2为储能电容c1两端的电压，il4为流过滤波电感l4的电流，ic4为流过滤波电容c4的电流；

29、步骤2.1，滤除逆变器各变量中的高频纹波，对公式(1)～(4)进行平均开关模型的建立可，如下式：

30、

31、

32、

33、

34、

35、

36、

37、

38、式中，<ic1(t)><ic2(t)><ic3(t)><ic4(t)>为储能电容c1、储能电容c2、滤波电容c3和滤波电容c4的电流平均变量，<vl1(t)><vl2(t)><vl3(t)><vl4(t)>为储能电感l1、储能电感l2、滤波电感l3和滤波电感l4的电压平均变量；ts为一个开关周期；

39、步骤2.3，确定变换器的静态工作点，并分析交流小信号在静态工作点处的工作状况，对经步骤2.2得出的平均变量进行分解，分解为直流分量与交流小信号分量之和，即对公式(5)～(12)的平均向量作如下分解，如公式(13)所示：

40、

41、式中，为储能电容c1、储能电容c2、滤波电容c3和滤波电容c4的电流小扰动量，为储能电感l1、储能电感l2、滤波电感l3和滤波电感l4的电压小扰动量；为占空比小扰动量；d为占空比；d(t)为叠加扰动量的占空比；

42、将式(13)代回至式(5)～(12)，可得：

43、

44、步骤2.4，将含有直流分量的式(14)进行交直流分离，得到直流分量和交流小信号分量分别为：

45、

46、

47、步骤2.5，将式(16)进行拉普拉斯变换：

48、

49、步骤2.6，经步骤2.1～2.5处理后得到三相semi-z源逆变器的传递函数，由于三相semi-z源逆变器是由单相semi-z逆变器组成，对其中单相交流电建立闭环控制器，得到的单相传递函数如下：

50、

51、

52、步骤2.7，建立pr控制器模型，对三相semi-z源逆变器进行控制静止坐标系下pr控制器的传递函数为：

53、

54、式中，ω0为额定角频率，kp为pr控制器比例增益，kr为pr控制器谐振增益，s为laplace算子。

55、本发明的有益效果是：

56、本发明的新型三相semi-z源逆变器能够通过两个单相semi-z电路共用一个直流电压源，使得本发明相对于传统三相全桥逆变器使用的总器件数不变，将两个功率开关管替换成无源元件，降低了使用功率开关器件带来的较高成本，并且有效降低了电路复杂度和提高变换器的可靠性；同时，由于三相semi-z源逆变器是由两个单相semi-z源逆变器组成，可以直接利用单电压闭环进行控制，所以较易于设计闭环控制系统，可以很好的提高系统动态性能。