Z源逆變器的提出
美國(guó)密歇根州立大學(xué)彭方正博士1提出的Z源逆變器,有效地克服了上述傳統(tǒng)電壓源和電流源逆變器的不足,為功率變換提供了一種新的思路和理論,通過(guò)引進(jìn)一個(gè)X型交叉阻抗源網(wǎng)絡(luò),將逆變橋與電源藕合,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。
Z源逆變器憑借其自身拓?fù)涞莫?dú)特性可自由地工作在開關(guān)管斷路或直通狀態(tài)下,這為逆變電路根據(jù)需要來(lái)選擇升/降壓提供了一種新的機(jī)制。這種機(jī)制具有極大的靈活性1:
(1)Z源逆變器的電源既可為電壓源,也可為電流源。因此,與傳統(tǒng)的電壓源和電流源逆變器不同,Z源逆變器的直流電源可以為任意的,如電池、二極管整流器、晶閘管變流器、燃料電池堆、光伏陣列輸入、電感、電容器或它們的組合。
(2)Z源逆變器的主電路既可為傳統(tǒng)的電壓源的形式,也可為傳統(tǒng)的電流源的形式。Z源逆變器所采用的開關(guān)可以是開關(guān)器件和二極管的組合。既可以是傳統(tǒng)電壓源逆變器的反并聯(lián)組合,也可以是傳統(tǒng)電流源逆變器的串聯(lián)組合。
(3)Z源逆變器的輸出負(fù)載可為感性,也可以為容性。
Z源逆變器國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀如今,對(duì)Z源逆變器的理論研究己取得了重大突破,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在AC/AC,AC/DC,DC/DC,DC/AC功率變換的應(yīng)用前景也引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。因此,研究Z源逆變器就具有了很強(qiáng)的理論與實(shí)際意義。近年來(lái),在Z源逆變器的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),PWM脈沖寬度調(diào)制方法、建模控制及工作模式分析、應(yīng)用領(lǐng)域源AC-AC變換器等方面展開了大量的研究。
對(duì)Z源逆變器的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究,己有許多成果。準(zhǔn)Z源逆變器的提出改善了Z源逆變器,在不增加元件的基礎(chǔ)上,提高輸入性能,降低電容耐壓值,從而減小電容體積。最近,關(guān)于提高Z源逆變器升壓因子的研究很多。開關(guān)電感型Z源/準(zhǔn)Z源逆變器利用開關(guān)電感結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升壓因子的提高;T型逆變器變壓器型Z源/準(zhǔn)Z源逆變器利用融合電感或變壓器結(jié)構(gòu)提高電路的升壓能力。這些新型拓?fù)湓谔岣呱龎阂蜃拥耐瑫r(shí),朝著減少元件個(gè)數(shù)、降低元器件電壓/電流應(yīng)力、減小輸入電流紋波、改善輸出波形質(zhì)量等方向邁進(jìn)。
關(guān)于脈寬調(diào)制方法的研究也有很多,有研究通過(guò)對(duì)直通零矢量時(shí)間的合理分配來(lái)減小電感電流紋波,從而減小電感值。在控制方法上,有文獻(xiàn)分析比較4種SVPWM調(diào)制策略,將直通零矢量平均分為6段、4段、2段或1段插入到傳統(tǒng)零矢量的開關(guān)切換時(shí)刻,不同的分段插入方法使得最大直通占空比不同。與三角載波相比,采用正弦載波,可以獲得更大的直通占空比。總的來(lái)說(shuō),有簡(jiǎn)單升壓調(diào)制、最大升壓調(diào)制、最大恒定升壓調(diào)制、3次諧波注入升壓調(diào)制、正弦載波PWM調(diào)制、簡(jiǎn)單SVPWM調(diào)制、直通分段SVPWM調(diào)制等,每種調(diào)制方法對(duì)應(yīng)的最大增益因子、輸出電壓的諧波性能、功率器件的電壓應(yīng)力都有所不同。
建模控制方面,有文獻(xiàn)深入研究了Z源變換器的交流小信號(hào)模型,并推導(dǎo)和驗(yàn)證了其建模方法。也有研究提出了電壓源型Z源逆變器的瞬態(tài)建模方法,進(jìn)行推導(dǎo)分析,并采用開關(guān)函數(shù)法建立了三相Z源逆變器的數(shù)學(xué)模型2。
將Z源逆變器可以應(yīng)用到燃料電池領(lǐng)域,具有單級(jí)式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輸出電壓范圍寬、效率高等優(yōu)點(diǎn),如圖所示。
Z源逆變器應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,該系統(tǒng)為可實(shí)現(xiàn)升/降壓功能的單級(jí)系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),如圖所示。
三相Z源逆變器還可以應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在較寬范圍內(nèi)的變速運(yùn)行,同時(shí)具有高效率特點(diǎn)。
Z源逆變器在燃料電池、太陽(yáng)能、風(fēng)能等分布式能源的應(yīng)用中具有廣闊的前景。
Z源逆變器的基本工作原理Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已給出,在Z源逆變器里,電感 ,
與電容
,
構(gòu)成一個(gè)兩端口X型網(wǎng)絡(luò),其阻抗網(wǎng)絡(luò)將電源與逆變器主電路藕合在一起。與傳統(tǒng)逆變器相比,Z源逆變器最大的特點(diǎn)是逆變橋的功率開關(guān)管可以同一橋臂上下同時(shí)導(dǎo)通或上、下橋臂同時(shí)斷開。傳統(tǒng)電壓源型逆變器的PWM調(diào)制包括6種有效矢量狀態(tài)與2種零矢量狀態(tài),共8種狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,Z源逆變器增加了一種傳統(tǒng)逆變器所禁止的狀態(tài)一直通零矢量狀態(tài)(即任一橋臂的上、下開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通),共9種狀態(tài)。Z源逆變器正是應(yīng)用直通零矢量狀態(tài)來(lái)達(dá)到輸出電壓的升/降壓。因此,可避免由電磁干擾引起開關(guān)誤動(dòng)作而損壞變壓器的情況,提高整機(jī)的可靠性。Z源逆變器的PWM調(diào)制無(wú)需考慮死區(qū)時(shí)間,控制顯得相對(duì)簡(jiǎn)單,輸出波形亦得到改善。
電路工作在直通狀態(tài)下, 關(guān)斷,
與
并聯(lián),
經(jīng)
續(xù)流;
與
并聯(lián),
經(jīng)
續(xù)流。另一方面,電路工作在非直通狀態(tài)(對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)逆變器的6種有效矢量和2種零矢量狀態(tài))下,
導(dǎo)通,
與
分別通過(guò)兩回路(電源-
-
,電源-
-
)進(jìn)行充電,
與
向主電路傳輸能量3。
Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)準(zhǔn)Z源逆變器準(zhǔn)Z源逆變器有2種類型,即輸入電流連續(xù)型與輸入電流斷續(xù)型。其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如右圖所示。在不增加元件個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)傳統(tǒng)Z源逆變器阻抗網(wǎng)絡(luò)的電感、電容的位置稍作調(diào)整,形成一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即準(zhǔn)Z源逆變器。與傳統(tǒng)Z源逆變器相比,準(zhǔn)Z源逆變器整個(gè)電路拓?fù)鋼碛幸粋€(gè)公共的直流源接地點(diǎn),且不存在啟動(dòng)沖擊電流回路。同時(shí),準(zhǔn)Z源逆變器具有相同的升壓因子,也是利用直通零矢量狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的升/降壓。
開關(guān)電感型Z源逆變器
在DC-DC變換器里,常利用開關(guān)電感或開關(guān)電容結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)變換器的升/降壓。開關(guān)電感型Z源逆變器將開關(guān)電感結(jié)構(gòu)與Z源逆變器里結(jié)合在一起,形成開關(guān)電感型Z源逆變器,其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如右圖所示。
開關(guān)電感型Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器一樣,亦是利用直通現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的升/降壓。該拓?fù)淅?,設(shè)電感L1, L2, L3, L4的電感量相等,電容C1,C2的電容量相等。因此,電路具有對(duì)稱結(jié)構(gòu),其工作狀態(tài)亦可分為直通狀態(tài)與非直通狀態(tài)。
T型Z源逆變器電感融合可以通過(guò)融合作用,進(jìn)行能量的傳輸。將融合電感結(jié)構(gòu)應(yīng)用到準(zhǔn)Z源逆變器中,使其替代準(zhǔn)Z源逆變器阻抗網(wǎng)絡(luò)的電感結(jié)構(gòu),從而形成變壓器型Z源逆變器,其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如右圖(a)所示。直流電壓源與變壓器原邊繞組串聯(lián),因此輸入電流連續(xù)。移除一個(gè)電容,重新配置電路,得到另一種形式的變壓器型逆變器,即T型Z源逆變器,其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如右圖(b)所示。相比開關(guān)電感型,T型Z源逆變器元件個(gè)數(shù)減少,電路的升壓能力除直通零矢量時(shí)間外,還與變壓器匝比有關(guān)。
T型Z源逆變器里,變壓器可等效為理想變壓器并聯(lián)勵(lì)磁電感。T型Z源逆變器的工作狀態(tài)亦可分為直通狀態(tài)與非直通狀態(tài)。
三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較準(zhǔn)Z源逆變器、開關(guān)電感型Z源逆變器、T型Z源逆變器都是基于改進(jìn)傳統(tǒng)Z源逆變器的一些不足而提出的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分別對(duì)準(zhǔn)Z源逆變器、開關(guān)電感型Z源逆變器、T型Z源逆變器簡(jiǎn)要分析可知,這3種Z源逆變器的工作狀態(tài)與傳統(tǒng)Z源逆變器一樣,均可分為直通狀態(tài)與非直通狀態(tài),都利用直通零矢量狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的升/降壓。
準(zhǔn)Z源逆變器在元件個(gè)數(shù)不變的基礎(chǔ)上,改善輸入電流紋波、減小電容電壓應(yīng)力;開關(guān)電感型Z源逆變器通過(guò)添加開關(guān)電感結(jié)構(gòu)來(lái)提高電路的升壓能力。T型Z源逆變器引入融合電感結(jié)構(gòu)提高,但由于其輸入電流斷續(xù),利用變壓器原副邊繞組匝數(shù)比實(shí)現(xiàn)升壓能力的往往需在電路前級(jí)加入LC濾波結(jié)構(gòu)。
Z源逆變器控制方法與傳統(tǒng)逆變器相比,Z源逆變器最大的不同之處在于直通狀態(tài)的存在,可對(duì)其加以利用實(shí)現(xiàn)升壓輸出。因此,可通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)逆變器PWM調(diào)制策略的分析,加以改進(jìn),以實(shí)現(xiàn)Z源逆變器的PWM調(diào)制。從直流側(cè)看,傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)與直通零矢量狀態(tài)對(duì)負(fù)載而言,均起到短路的作用效果。因此,在升壓場(chǎng)合下,可根據(jù)需要將直通零矢量時(shí)間替代部分或全部的傳統(tǒng)零矢量時(shí)間,而不改變有效矢量的作用時(shí)間,不會(huì)影響輸出波形。Z源逆變器及其新拓?fù)涠际抢弥蓖顟B(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓輸出的45。
簡(jiǎn)單升壓調(diào)制在傳統(tǒng)PWM調(diào)制的基礎(chǔ)上,簡(jiǎn)單升壓調(diào)制只是單純地用直通零矢量替代部分的傳統(tǒng)零矢量,而不做其他改變,如右圖所示。
該調(diào)制方法中,采用三相正弦調(diào)制波與三角載波。當(dāng)三角載波的值大于VP或小于VN時(shí),逆變器工作于直通狀態(tài);當(dāng)三角載波的值處于VP與VN兩者之間時(shí),逆變器工作于傳統(tǒng)PWM調(diào)制狀態(tài)。該調(diào)制方法中,直通零矢量的位置固定,且均勻分布在傳統(tǒng)零矢量里。同時(shí),直通占空比D的取值受到限制,須小于或等于(1-M),當(dāng)調(diào)制系數(shù)M=1時(shí),D=0,電路無(wú)升壓能力。逆變器的最大增益為:
開關(guān)管的電壓應(yīng)力Vs,即直流側(cè)母線電壓,表達(dá)式為:
由上兩式可知,簡(jiǎn)單升壓調(diào)制下,減小調(diào)制系數(shù)M,逆變器的增益能力提高,但同時(shí)亦會(huì)增大開關(guān)管的電壓應(yīng)力。
簡(jiǎn)單升壓調(diào)制的控制簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)容易。該調(diào)制方法下,逆變橋?yàn)槿嘀蓖?,可有效降低流過(guò)開關(guān)管的電流。但是,隨著逆變器增益能力的提高,開關(guān)管的電壓應(yīng)力也會(huì)變大。在某些場(chǎng)合下,將受限于開關(guān)器件的電壓應(yīng)力等級(jí),不能滿足輸出電壓大小的要求。同時(shí),直通零矢量的插入,使得開關(guān)頻率倍增,從而增大開關(guān)損耗。
最大升壓調(diào)制在傳統(tǒng)PWM調(diào)制的基礎(chǔ)上,最大升壓調(diào)制只是單純地將直通零矢量替代全部的傳統(tǒng)零矢量,而不做其他改變,如右圖所示。
當(dāng)載波大于最大的正弦調(diào)制波或小于最小的正弦調(diào)制波時(shí),逆變器進(jìn)入直通狀態(tài);當(dāng)載波處于最大與最小的正弦調(diào)制波之間時(shí),逆變器進(jìn)入傳統(tǒng)PWM調(diào)制狀態(tài)。該調(diào)制方法中,直通占空比D在每個(gè)開關(guān)周期T中都在變化。由于三相正弦波具有對(duì)稱性,直通狀態(tài)以PI/3作周期性變化。平均直通占空比為:
逆變器的增益因子為:
開關(guān)管的電壓應(yīng)力為
與簡(jiǎn)單升壓調(diào)制相比,在相同調(diào)制系數(shù)M下,最大升壓調(diào)制的增益能力更強(qiáng);在給定增益因子G下,最大升壓調(diào)制的開關(guān)電壓應(yīng)力得到降低。然而,最大升壓調(diào)制里,直通占空比D在每個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)是變化的,存在6倍基波頻率。這將為逆變器引入相同頻率的低頻脈動(dòng)。
最大恒定升壓調(diào)制最大升壓調(diào)制在給定調(diào)制系數(shù)M下,增益能力變強(qiáng),開關(guān)電壓應(yīng)力減小。但變化的直通占空比D會(huì)為逆變器引入6倍基波頻率。為減小開關(guān)器件的電壓應(yīng)力,同時(shí)使直通占空比D固定不變,提出了一種最大恒定升壓調(diào)制策略,如圖所示。
與簡(jiǎn)單升壓調(diào)制不同的是,作為直通狀態(tài)調(diào)制信號(hào)的VP,VN不再是固定的,而是變化的。
可知,在任意時(shí)刻VP與VN之間的距離始終保持M不變,因此直通占空比D在每個(gè)開關(guān)周期里是恒定不變的。
可知,最大恒定升壓調(diào)制綜合了前兩種調(diào)制方法的優(yōu)點(diǎn)。與簡(jiǎn)單升壓調(diào)制相比,相同調(diào)制系數(shù)M下,該調(diào)制方法的增益能力更強(qiáng),有利于降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力;與最大升壓調(diào)制相比,該調(diào)制方法具有恒定不變的直通占空比D,避免了6倍基波頻率的引入。
三次諧波注入升壓調(diào)制右圖為三次諧波注入升壓調(diào)制的示意圖,在簡(jiǎn)單升壓調(diào)制的三相正弦調(diào)制波中,注入三次諧波成分,其幅值為1/6基波幅值大小。
與簡(jiǎn)單升壓調(diào)制相似,利用恒定的VP與VN控制直通占空比D,實(shí)現(xiàn)升壓輸出。然而,在三次諧波注入升壓調(diào)制中,調(diào)制系數(shù)M的工作范圍得到了拓寬,M小于等于。直通占空比D同樣受到限制,須小于或等于(1-M/2),當(dāng)調(diào)制系數(shù)M =時(shí),D=0,電路無(wú)升壓能力。
該調(diào)制方法與最大恒定升壓調(diào)制相比,具有相同的最大直通占空比、升壓因子、增益因子、開關(guān)電壓應(yīng)力。唯一的不同是,該調(diào)制方法拓寬了調(diào)制系數(shù)的工作范圍,M可達(dá)到2/婦,使得系統(tǒng)的工作區(qū)域范圍增大。
直通分段SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM與正弦脈寬調(diào)制SPWM出發(fā)點(diǎn)不同,但兩者之間仍存在相似之處。與SPWM調(diào)制一樣,SVPWM也是使直通零矢量時(shí)間作用在傳統(tǒng)零矢量時(shí)間里,不改變有效矢量的作用時(shí)間。
傳統(tǒng)電壓源型三相逆變器里,共8種開關(guān)狀態(tài),包括6種有效矢量狀態(tài)與2種傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)。其中,6種有效矢量的模長(zhǎng)均為2Vdc/3。如右圖所示,6個(gè)有效電壓矢量將空間等分為6個(gè)扇區(qū)。
利用Sa,Sb,Sc表示8種開關(guān)狀態(tài)。Sk為1時(shí),表示k相開關(guān)管上通下斷;Sk為0時(shí),表示k相開關(guān)管上斷下通,其中,k=a, b或c。
傳統(tǒng)SVPWM里,三相正弦調(diào)制信號(hào)合成以同頻率旋轉(zhuǎn)的參考電壓矢量Vref,在每個(gè)開關(guān)周期T里,先確定參考電壓矢量Vref所處的扇區(qū)位置,再由該扇區(qū)兩相鄰的有效矢量及兩零矢量合成。當(dāng)參考電壓矢量Vref位于扇區(qū)I時(shí),Vref由兩相鄰的有效矢量V1,V2與零矢量合成。
在Z源逆變器的SVPWM里,需考慮的是如何把直通零矢量時(shí)間插入到傳統(tǒng)零矢量時(shí)間里。若將直通零矢量直接替代傳統(tǒng)零矢量,同時(shí)為保持PWM波形的對(duì)稱性,勢(shì)必會(huì)使開關(guān)頻率加倍,從而增加開關(guān)損耗。為了使開關(guān)頻率保持不變,可在每相上、下橋臂開關(guān)管的換流時(shí)刻插入直通零矢量。同時(shí),為了最大化利用傳統(tǒng)零矢量的作用時(shí)間,將其由傳統(tǒng)的平均分配(各占0.25倍T0)改為如圖所示的分配形式。
這時(shí),圖中黑色部分為插入的直通狀態(tài),灰色部分是保證有效矢量作用時(shí)間不變而做出的平移。該調(diào)制方法下,可最大化利用傳統(tǒng)零矢量時(shí)間,若全部由直通零矢量時(shí)間代替,可實(shí)現(xiàn)最大化的SVPWM。這時(shí),Z源逆變器具有最強(qiáng)的增益能力,亦可降低開關(guān)電壓應(yīng)力。但與最大化升壓調(diào)制一樣,直通占空比的變化會(huì)為逆變器引入6倍基波頻率脈動(dòng),對(duì)阻抗網(wǎng)絡(luò)的電感、電容設(shè)計(jì)不利。
五種調(diào)制策略比較所述5種Z源逆變器的PWM調(diào)制策略,它們的改進(jìn)均是基于傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)與直通零矢量狀態(tài)對(duì)負(fù)載具有相同的作用效果。在傳統(tǒng)脈寬調(diào)制PWM基礎(chǔ)上,利用直通零矢量狀態(tài)替代部分或全部的傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)。簡(jiǎn)單升壓調(diào)制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但開關(guān)電壓應(yīng)力大,使得在某些場(chǎng)合受限于開關(guān)器件的電壓應(yīng)力等級(jí),不能滿足輸出電壓大小的要求。最大升壓調(diào)制克服了簡(jiǎn)單升壓調(diào)制里開關(guān)應(yīng)力大的難題,但直通占空比的變化為逆變器引入了6倍基波頻率的脈動(dòng),加大了Z源網(wǎng)絡(luò)電感、電容的設(shè)計(jì)難度。最大恒定升壓調(diào)制綜合了這兩種調(diào)制策略的優(yōu)點(diǎn),在保持直通占空比恒定不變的同時(shí),減小開關(guān)電壓應(yīng)力。三次諧波注入升壓調(diào)制更是擴(kuò)大了調(diào)制系數(shù)M的工作范圍,從而增大系統(tǒng)的工作區(qū)域范圍。從空間矢量脈寬調(diào)制角度出發(fā),直通分段SVPWM具有寬范圍的調(diào)制系數(shù)M、高升壓能力、低開關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)「34]中,Z源逆變器的簡(jiǎn)單升壓調(diào)制策略使用的是正弦載波,可獲得更高的輸出電壓。這為Z源逆變器的調(diào)制方法開拓了一種新的思考方向。
三次諧波注入升壓與直通分段SVPWM均擴(kuò)大了調(diào)制系數(shù)M的工作范圍,增大了Z源逆變器的工作區(qū)域。當(dāng)調(diào)制系數(shù)M一定時(shí),最大升壓與直通分段SVPWM的升壓因子B、增益因子G最大,最大恒定升壓與三次諧波注入次之,簡(jiǎn)單升壓的最小。當(dāng)Z源逆變器的增益因子G一定時(shí),簡(jiǎn)單升壓的開關(guān)電壓應(yīng)力Vs最大,最大恒定升壓與三次諧波注入次之,最大升壓與直通分段SVPWM的最小。4種SPWM調(diào)制策略均為三相直通方式,開關(guān)電流應(yīng)力(直通狀態(tài)下,流過(guò)逆變橋開關(guān)管的電流)小,但開關(guān)頻率加倍,損耗增加。但是,一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)只實(shí)現(xiàn)2次直通,Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的電感電流與電容電壓脈動(dòng)次數(shù)較少。而直通分段SVPWM為單相直通方式,是在開關(guān)管換流時(shí)刻插入直通零矢量,故開關(guān)頻率保持不變。且一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)6次直通,Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的電感電流與電容電壓脈動(dòng)6次,有利于減小電容電壓紋波、電感電流紋波,從而減小電容值與電感值。但是,單相直通會(huì)導(dǎo)致開關(guān)電流應(yīng)力較大。綜上所述,直通分段SVPWM具有更為優(yōu)良的綜合性能。