Z源三电平逆变器及空调系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及逆变器领域，特别地涉及Z源三电平逆变器及含有该Z源三电平逆 变器的空调系统。
【背景技术】
[0002] 能源供应紧张和环境保护的压力使清洁可再生能源发电技术在世界范围内受到 高度重视。其中，光伏发电具有无地域限制、无燃料消耗、无污染物和噪声排放等特点，在提 供清洁、可靠的电力方面具有明显的优势。目前光伏产业正在由"补充能源"走向"替代能 源"。并网变换器是光伏并网发电系统的核心装置，其拓扑结构对转换效率及成本控制起着 至关重要的作用。传统变换器上下桥臂直通时会造成变换器短路，为避免这一情况通常需 要在变换器控制信号中引入死区，进而造成变换器安全性下降输出谐波含量增加;为提高 转换效率，如果采用无隔离变压器结构，但势必会造成电压变换率高、输出共模电压高及谐 波含量高等缺陷。当前光伏空调并网环节如果采用隔离变压器实现光伏电池向电网的电能 传递，使系统存在成本高、重量重、体积大，转换效率低等缺点。当前三相光伏空调及系统拓 扑结构如图1所示。电网输入端为380V三相交流电源，采用三相不可控整流+PFC拓扑或双向 全桥HVM变换，为三相交流负载(压缩机)供电，其中不可整流+PFC变换，给电网带来大量的 无功功率及谐波污染，而双向全桥PWM变换，采用了隔离变压器进行电网与光伏逆变环节进 行隔离，从而增加系统体积、重量和成本，同时降低了变换效率。
【发明内容】
[0003] 为解决上述现有技术中存在的采用无隔离变压器结构则电压变换率高、输出共模 电压高及谐波含量高等缺陷或者采用隔离变压器则使系统存在成本高、重量重、体积大，转 换效率低等技术问题，本实用新型提供一种Z源三电平逆变器。
[0004] 本实用新型提供了一种Z源三电平逆变器，其与智能功率模块相连接，智能功率模 块与永磁同步电机相连接，Z源三电平逆变器包括分压电容器、第一二极管D1、第二二极管 D2、X形阻抗网络以及双向变流器，其中，双向变流器采用半桥两桥臂二极管箝位三电平拓 扑结构。
[0005] 作为优选，分压电容器包括串联连接的CdcdPCdc2，太阳能电池板输出的直流电压 Upv经分压电容器CdcdPCdc2分压后，通过第一二极管Dl和第二二极管D2输入至X形阻抗网 络。
[0006] 作为优选，X形阻抗网络包括第一电感器Ll、第二电感器L2以及第一电容器Cl、第 二电容器C2。
[0007] 作为优选，双向变流器包括第一至第八功率开关晶体管Sal、Sa2、Sa3、Sa4、Sbl、 5匕2、5匕3、5匕4以及第三至第六二极管0&5、0&6、0匕5、0匕6，
[0008] 作为优选，其中，第一二极管Dl的阳极与分压电容器Cdci的正极连接，并且第一二 极管Dl的阴极与X形阻抗网络中的第一电感器Ll的一端以及第一电容器Cl的一端连接;第 二二极管D2的阴极与第二分压电容器Cdc2的负极和接地电压连接，并且第二二极管D2的阳 极与X形阻抗网络中的第二电感器L2的一端和第二电容器C2的一端连接;第一电感器Ll的 另一端与第二电容器C2的另一端以及双向变流器中的第一功率开关晶体管Sal的漏极和第 五功率开关晶体管Sbl的漏极连接，并且与智能功率模块的输入端连接;第二电感器L2的另 一端与第二电容器Cl的另一端以及双向变流器中的第四功率开关晶体管Sa4的源极和第八 功率开关晶体管Sb4的源极连接。
[0009] 作为优选，第一功率开关晶体管Sal的源极连接第二功率开关晶体管Sa2的漏极以 及第三二极管Da5的阴极，第二功率开关晶体管Sa2的源极与第三功率开关晶体管Sa3的漏 极连接并且经由电感器Lb成为三相电网的B相电压Ub，第三功率开关晶体管Sa3的源极连接 第四功率开关晶体管Sa4的漏极以及第四二极管Da6的阳极，其中，第四二极管Da6的阴极和 第三二极管Da5的阳极与参考电压0连接，第五功率开关晶体管Sbl的源极连接第六功率开 关晶体管Sb2的漏极以及第五二极管Db5的阴极，第六功率开关晶体管Sb2的源极与第七功 率开关晶体管Sb3的漏极连接并且经由电感器La成为三相电网的A相电压Ua，第七功率开关 晶体管Sb3的源极连接第八功率开关晶体管Sb4的漏极以及第六二极管Db6的阳极，第八功 率开关晶体管Sb4的源极与X形阻抗网络中的电感器L2的另一端以及第四功率开关晶体管 Sa4的源极连接，第六二极管Db6的阴极和第五二极管Db5的阳极与参考电压0连接，并且经 由电感器Lc成为三相电网的C相电压Uc。
[0010] 本实用新型还提供一种空调系统，其包括根据上述任一技术方案中的Z源三电平 逆变器。
[0011] 作为优选，空调系统还包括锁相环、与Z源三电平逆变器连接的空间矢量脉宽调制 模块和最大功率跟踪模块，空间矢量脉宽调制模块与比例积分模块和比例谐振模块相连 接。
[0012] 作为优选，Z源三电平逆变器通过锁相环与第二坐标变换器连接，Z源三电平逆变 器通过第一坐标变换器、比较器和比例谐振模块相连接。
[0013] 作为优选，比例谐振模块包括比例调节器和谐振调节器，其传递函数为：
[0014] 本实用新型提出的一种三相非隔离并网逆变器一改以往采用的全桥IPM来实现双 向AC/DC，提出半桥二极管箝位三电平双向AC/DC拓扑结构，取代原先的BOOST型DC/DC升电 路，采用新型Z源单级逆变拓扑结构，为更好实现正弦参考电流跟踪控制，本系统中采用比 例谐振控制。本实用新型的优点在于:采用新型双向AC/DC变换器，逆变可以实现低漏电流， 高进网电流质量，整流可以实现提高耐压等级，降低交流谐波电压、电流，提高功率因数;Z 源逆变器是单级系统，具有单级逆变器结构简单的特点，效率比两级的高，而且克服了常规 多电平逆变器只能降压不能升压的不足，同时，控制信号无需设置死区，继而避免了死区效 应引起的波形畸变;比例谐振控制可以有效跟踪正弦参考值，且有较好的扰动抑制能力，可 以消除输出电流中的稳态误差。
[0015] 更为突出的是，通过精简隔离变压器实现非隔离，这种非隔离型并网逆变器结构 不含变压器，具有效率高、体积小、重量轻和成本低等优势，同时，非隔离型逆变器结构导致 电池板和电网之间存在电气连接，由于电池板对地寄生电容的存在，并网逆变器功率器件 的开关动作可能产生高频时变电压作用在寄生电容之上，而在由电池板寄生电容、直/交流 滤波器和电网阻抗等组成的谐振回路中，出于变换器效率优化的考虑其阻抗非常低，从而 在该回路中产生的共模电流，即漏电流。基于二极管箝位三电平变换器拓扑结构具有弥补 由无隔离变压器带来的漏电流和进网直流分量问题的结构优势，同时可以实现如单极性 SPffM全桥逆变器一样的差模输出电压和开关器件电压应力低等优点。
【附图说明】
[0016] 图1是传统三相光伏空调系统示意图；
[0017] 图2是本实用新型涉及的Z源三电平逆变器的电路图；
[0018] 图3是本实用新型涉及的基于PR控制的Z源三电平逆变器的控制电路图；
[0019] 图4是本实用新型涉及的Z源三电平逆变器的非直通工作模式的示意图，其中（a)_ (i)依次代表工作模式1-9;
[0020] 图5是本实用新型涉及的Z源三电平逆变器的各状态等效电路图，其中a-d依次代 表非直通状态、上直通状态、下直通状态和全直通状态。
【具体实施方式】
[0021] 为了更好地说明本实用新型的意图，下面结合附图对本【实用新型内容】做进一步说 明。
[0022] 参照图2,图2示出了一个实施例中的Z源三电平逆变器的电路结构图，该Z源三电 平逆变器主要用于空调系统中，图中的Upv代表太阳能电池板输出的直流电压，该Z源三电 平逆变器与智能功率模块（IPM)相连接，该智能功率模块（IPM)与永磁同步电机(PMSM)相连 接，这样能够通过Z源三电平逆变器控制永磁同步电机(PMSM)运行。具体地，该Z源三电平逆 变器包括分压电容器、第一二极管D1、第二二极管D2、X形阻抗网络以及双向变流器，其中， 该双向变流器采用半桥两桥臂二极管箝位三电平拓扑结构。
[0023] 其中，分压电容器包括串联连接的Cdcl和Cdc2,第一分压电容器Cdcl的负极与第二分 压电容器Cdc2的正极连接，太阳能电池板输出的直流电压Upv经分压电容器Cdcl和Cdc2分压 后，通过第一二极管Dl和第二二极管D2输入至X形阻抗网络。
[0024] X形阻抗网络包括第一电感器Ll、第二电感器L2以及第一电容器Cl、第二电容器 C2，双向变流器包括第一至第八功率开关晶体管Sa I、Sa2、Sa3、Sa4、Sb I、Sb2、Sb3、Sb4以及 第三至第六二极管0&5、0&6、0匕5、0匕6，其中，第一二极管01的阳极与分压电容器0 (1。1的正极 连接，并且第一二极管Dl的阴极与X形阻抗网络中的第一电感器LI的一端以及第一电容器 Cl的一端连接;第二二极管D2的阴极与第二分压电容器Cdc2的负极和接地电压连接，并且第 二二极管D2的阳极与X形阻抗网络中的第二电感器L2的一端和第二电容器C2的一端连接； 第一电感器Ll的另一端与第二电容器C2的另一端以及双向变流器中的第一功率开关晶体 管Sal的漏极和第五功率开关晶体管Sbl的漏极连接，并且与智能功率模块（IPM)的输入端 连接;第二电感器L2的另一端与第二电容器Cl的另一端以及双向变流器中的第四功率开关 晶体管Sa4的源极和第八功率开关晶体管Sb4的源极连接。每个功率开关晶体管分别与一个 二极管并联连接。
[0025] 第一功率开关晶体管Sal的源极连接第二功率开关晶体管Sa2的漏极以及第三二 极管Da5的阴极，第二功率开关晶体管Sa2的源极与第三功率开关晶体管Sa3的漏极连接并 且经由电感器Lb成为三相电网的B相电压Ub，第三功率开关晶体管Sa3的源极连接第四功率 开关晶体管Sa4的漏极以及第四二极管Da6的阳极，其中，第四二极管Da6的阴极和第三二极 管Da5的阳极与参考电压O连接，第五功率开关晶体管Sbl的源极连接第六功率开关晶体管 Sb2的漏极以及第五二极管Db5的阴极，第六功率开关晶体管Sb2的源极与第七功率开关晶 体管Sb3的漏极连接并且经由电感器La成为三相电网的A相电压Ua，第七功率开关晶体管 Sb3的源极连接第八功率开关晶体管Sb4的漏极以及第六二极管Db6的阳极，第八功率开关 晶体管Sb4的源极与X形阻抗网络中的电感器L2的另一端以及第四功率开关晶体管Sa4的源 极连接，第六二极管Db6的阴极和第五二极管Db5的阳极与参考电压O连接，并且经