一種z源三電平t型逆變器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種Z源三電平T型逆變器，該拓撲具有Z源網(wǎng)絡三電平中點鉗位（NPC)逆變器相同的升壓特性，但是所用開關(guān)器件數(shù)目較少，效率較高。與三電平T型逆變器相比，本實用新型的拓撲不僅能夠?qū)崿F(xiàn)升/降壓功能，而且允許上、下橋臂直通，可靠性明顯增加，消除死區(qū)時間，防止波形畸變■’與1源兩電平逆變器相比，輸出電壓有中點電位，因此和高頻諧波小，所需的濾波器較小，由于三電平比兩電平更接近正弦波，因此開關(guān)頻率可以降低，開關(guān)損耗較??；它采用同相電壓偏移（phasedisposition,PD)的方法對逆變器進行控制，采用同該方法可以減少開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損耗，減少輸出電壓諧波含量。
【專利說明】
—種Z源三電平T型逆變器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種Z源三電平T型逆變器。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著分布式電源的迅速發(fā)展及其對效率要求的不斷提升，提高電能質(zhì)量、減少諧波污染、提高發(fā)電系統(tǒng)的效率是分布式電源發(fā)展的關(guān)鍵問題。三電平逆變器相比于傳統(tǒng)的兩電平逆變器具有諧波少、耐壓高、開關(guān)應力小、電磁干擾(Electro MagneticInterference, EMI)少等優(yōu)點已經(jīng)在分布式電源及微電網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應用。然而對于燃料電池、光伏電池等分布式電源的輸出電壓并不是恒定的，無法實現(xiàn)較寬直流電壓范圍的變流功能和得到較高的交流輸出電壓。為了滿足直流母線較寬的電壓范圍，研究人員加入了 DC/DC變換器，即采用兩級結(jié)構(gòu)。然而此變換器不僅需要較多的功率器件，在工作過程中還產(chǎn)生大量的開關(guān)損耗，降低系統(tǒng)效率。為了減少因DC/DC變換器引起的開關(guān)損耗對系統(tǒng)效率的影響，采用Z源網(wǎng)絡的兩電平逆變器是一種理想的選擇。
[0003]Z源兩電平逆變器在光伏逆變器、儲能、電動汽車、燃料電池等新能源領(lǐng)域應用廣泛。但是隨著分布式電源的迅速發(fā)展，提高電能質(zhì)量和功率等級等要求備受關(guān)注。Z源多電平逆變器可以解決上述問題。而Z源三電平中點鉗位(neutral point clamped,NPC)逆變器在光伏逆變器、風力發(fā)電機、燃料電池等可再生能源得到廣泛的應用，它由一個獨立的直流電源、兩個直流側(cè)分壓電容、一個Z源網(wǎng)絡和一個三電平NPC逆變電路組成。Z源網(wǎng)絡的引入使直通成為一種正常的工作狀態(tài)，通過控制直通占空比，Z源三電平NPC逆變器可以實現(xiàn)升壓功能，而且不用控制死區(qū)時間，防止逆變波形畸變。橋臂直通不會引起功率器件的損壞，可靠性明顯增加。因此，Z源三電平NPC逆變器相對于傳統(tǒng)三電平NPC逆變器優(yōu)勢明顯，前景十分廣闊。但是，Z源三電平NPC逆變器需要無源器件太多，會產(chǎn)生大量的功率損耗，這樣會造成系統(tǒng)的效率低。效率和電能質(zhì)量是保證可再生能源和微電網(wǎng)可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的保障。因此，研究一種效率和電能質(zhì)量最優(yōu)的拓撲結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。而對于三電平T型逆變器，效率和電能質(zhì)量相對于Z源三電平NPC和Z源兩電平逆變器都較好，但是對于燃料電池、光伏電池等分布式電源的輸出電壓輸出不恒定，無法實現(xiàn)寬輸出電壓，而且由于死區(qū)的原因?qū)е轮C波很大。
實用新型內(nèi)容
[0004]為了解決上述問題，本實用新型提出了一種Z源三電平T型逆變器，它采用同相電壓偏移(phase disposit1n,PD)的控制方式,相比反相電壓偏移調(diào)制(alternative phaseopposit1n disposit1n, APOD)的方法,可以減少開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損耗。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種Z源三電平T型逆變器，包括并聯(lián)的三相橋臂，每相橋臂包括兩個串聯(lián)的IGBT管，各相橋臂的中點一側(cè)串聯(lián)兩個方向不同的IGBT管，另一側(cè)經(jīng)濾波器與電阻連接；在并聯(lián)的各橋臂輸入端連接Z源網(wǎng)絡后接入輸入電壓源；輸入電壓源兩端并聯(lián)有兩個串聯(lián)的電容，兩個電容連接處連接各項橋臂的兩個方向不同IGBT管的一端，各個IGBT管均由控制電路驅(qū)動。
[0007]所述Z源網(wǎng)絡包括兩個電感和電容，兩個電感分別串聯(lián)在輸入電壓源兩端與三相橋臂的連接處，電感與輸入電壓源的連接側(cè)串聯(lián)有二極管，且兩個二極管反向，兩個電容的一端分別連接二極管和電感的連接處，另一端連接在另一路電感和三相橋臂的連接處。
[0008]所述濾波器為LC濾波電路，且其中的電容公共端接地。
[0009]所述控制電路包括保護電路、驅(qū)動電路、采樣調(diào)理電路，采樣調(diào)理電路連接DSP模塊，DSP模塊與保護電路雙向通信，DSP模塊連接驅(qū)動電路，驅(qū)動電路輸出PWM信號驅(qū)動橋臂中IGBT管的開通與關(guān)斷。
[0010]所述采樣調(diào)理電路采集輸入電壓源的直流電壓、直流電流、Z源網(wǎng)絡電容電壓以及濾波器輸出的三相電壓值大小。
[0011]本實用新型的有益效果是:
[0012]1、相對于三電平T型逆變器，Z源三電平T型逆變器不僅可以實現(xiàn)升壓，而且由于直通不會引起功率器件的損壞，可靠性明顯增加，消除死區(qū)時間，防止波形畸變；
[0013]2、和Z源兩電平逆變器相比，Z源三電平T型逆變器輸出電壓有中點電位，因此和高頻諧波小，所需的濾波器較小，由于三電平比兩電平更接近正弦波，因此開關(guān)頻率可以降低，開關(guān)損耗較?。?br> [0014]3、和Z源三電平NPC逆變器相比，Z源三電平T型逆變器減少了元器件數(shù)量，導通損耗更低，效率更高；
[0015]4、具有高功率、波形質(zhì)量好等優(yōu)點，在光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池等可再生能源領(lǐng)域前景廣泛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為三電平T型逆變器結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖2為三電平T型逆變器調(diào)制波、載波波形；
[0018]圖3a為三電平T型逆變器一種狀態(tài)工作原理圖；
[0019]圖3b為三電平T型逆變器一種狀態(tài)工作原理圖；
[0020]圖3c為三電平T型逆變器一種狀態(tài)工作原理圖；
[0021]圖4為本實用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖5a為Z源三電平T型逆變器處于非直通狀態(tài)下等效電路圖；
[0023]圖5b為Z源三電平T型逆變器處于上直通狀態(tài)下等效電路圖；
[0024]圖5c為Z源三電平T型逆變器處于下直通狀態(tài)下等效電路圖；
[0025]圖5d為Z源三電平T型逆變器處于全直通下狀態(tài)等效電路圖。
[0026]圖6a 為米用反相電壓偏移調(diào)制(alternative phase opposit1n disposit1n,AP0D-SPWM)的方法實現(xiàn)Z源三電平T型逆變器升壓和逆變控制；
[0027]圖6b為米用同相電壓偏移(phase disposit1n, PD-SPWM)的控制方法實現(xiàn)Z源三電平T型逆變器升壓和逆變控制；
[0028]圖7為Z源三電平T型逆變器在直通情況下和非直通情況下的運行波形；
[0029]圖8為Z源三電平T型逆變器在全直通和上、下直通情況下的運行波形；
[0030]圖9為Z源三電平T型逆變器和Z源三電平NPC逆變器在非直通和上、下直通情況下的運行波形；
[0031 ] 圖10為Z源三電平NPC逆變器結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖11為Z源T型逆變器的控制電路圖。

【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。
[0034]圖1為三電平T型逆變器結(jié)構(gòu)圖，主電路為三電平T型逆變器，輸入電壓與電容相連，直流側(cè)電容中點與IGBT管3相連，濾波器為LC濾波器。系統(tǒng)輸出端與負載相連。
[0035]對于三電平T型逆變器，采用AP0D-SPWM的方法，會使最終的輸出電壓包含大量的諧波，影響輸出電壓的波形質(zhì)量。而采用ro-spwM的方式控制P麗輸出可以改善電壓波形質(zhì)量。因此本實用新型采用ro-spwM的方法實現(xiàn)對三電平τ型逆變器的控制。
[0036]信號調(diào)理電路將霍爾傳感器測得的相關(guān)信號進行調(diào)理，得到采樣電路可以接收的模擬信號。AD轉(zhuǎn)換器的采樣與轉(zhuǎn)換由DSP進行控制，將調(diào)理好的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。數(shù)字信號的處理以及SPWM控制、PWM產(chǎn)生均由DSP實現(xiàn)，最終生成的PWM信號送給驅(qū)動電路去控制IGBT管的開通與關(guān)斷。
[0037]圖2為SPWM調(diào)制波、載波波形，圖3為三電平T型逆變器逆變部分結(jié)構(gòu)及電路原理圖。具體控制方式如下:
[0038]調(diào)制波為三相正弦波，SP
[0039]ua = sin ω t
[0040]ub = sin (cot-120。)
[0041]uc = sin (cot-240。)；
[0042]載波為在相位上相差180°的三角波。
[0043]以a相為例，假設(shè)電流向右側(cè)流為正，開關(guān)序列生成方式如下:
[0044]如果Ua>CAl 并且 Ua>CA2,則開關(guān)序列(Ual, Ua2, Ua3, Ua4) = (I, 1,0,0) = P。由圖3a可知，當i>0時，當Ual開通時，雖然Ua2開通，但是沒有電流流過Ua2，Ua3，Ua4關(guān)斷。當 i〈0 時，Ual, Ua2, Ua3, Ua4 關(guān)斷。此時 UaO = Vin/2.
[0045]如果Ua〈CAl 并且 Ua〈CA2，則開關(guān)序列(Ual, Ua2, Ua3, Ua4) = (0，0，I, I) = N。由圖3c可知，當i〈0時，Ua4開通時，雖然Ua3開通，但是沒有電流流過Ua3，Ua, I, Ua2關(guān)斷。當 i>0 時，Ual, Ua2, Ua3, Ua4 關(guān)斷。因此 UaO = -Vin/2.
[0046]如果Ua〈CAl 并且 Ua>CA2,則開關(guān)序列(Ual, Ua2, Ua3, Ua4) = (O, I, I, O) = O。由圖3b可知，當i>0時，Ua2開通，Ual, Ua3, Ua4關(guān)斷。因此UaO = O。
[0047]如果Ua〈CAl 并且 Ua>CA2,則開關(guān)序列(Ual, Ua2, Ua3, Ua4) = (O, I, I, O) = O。由圖3b可知，當i〈0時，Ua3開通，Ual, Ua2, Ua4關(guān)斷。因此UaO = O。
[0048]如圖4所示，每個橋臂包括兩個串聯(lián)的IGBT管，各相橋臂的中點左側(cè)接兩個方向相反的IGBT管，各相橋臂的中點右側(cè)經(jīng)濾波器與相應電阻連接；在并聯(lián)的各橋臂輸入端并聯(lián)有串聯(lián)的一對電容Cl、電容C2，電容Cl、電容C2的左側(cè)與輸入電壓連接；電容Cl、電容C2的右側(cè)與Z源網(wǎng)絡連接，各橋臂的兩個方向相反的IGBT管與電容Cl、C2的中點相連。圖5a為Z源三電平T型逆變器處于非直通狀態(tài)下等效電路圖；圖5b為Z源三電平T型逆變器處于上直通狀態(tài)下等效電路圖；圖5c為Z源三電平T型逆變器處于下直通狀態(tài)下等效電路圖；圖5d為Z源三電平T型逆變器處于全直通下狀態(tài)等效電路圖。通過公式推導可知，當升壓因子B = I時，Z源三電平T型逆變器工作在傳統(tǒng)降壓模式；當升壓因子B>1時，則工作在升壓模式。
[0049]圖6a為傳統(tǒng)逆變器和Z源級聯(lián)逆變器的AP0D-SPWM調(diào)制方法；Z源三電平T型逆變器的升壓控制需要增加額外的直通狀態(tài)，直通狀態(tài)的加入不能改變逆變器的正常逆變，因此需要加入到無效狀態(tài){0，0，0}上，這個狀態(tài)可以升高輸出電壓，但是對逆變器輸出負載沒有影響。為了得到T0’的直通狀態(tài)，需要在調(diào)制波的垂直方向平移TO’/T，在水平方向得到直通時間。在任意時刻，對調(diào)制信號的Umax(Ua，Ub，Uc中的最大值)增加TO’ /T的垂直偏移，同時對調(diào)制信號的Umin(Ua，Ub, Uc中的最小值)減少TO’ /T的垂直偏移，然而保持調(diào)制信號的Umid(Ua，Ub，Uc中的中間值)不改變。從而得到Z源三電平T型逆變器所需要的直通占空比。
[0050]圖6b為傳統(tǒng)逆變器和Z源級聯(lián)逆變器的ro-SPWM調(diào)制方法；相對于AP0D-SPWM調(diào)制方法，PD-SPWM調(diào)制方法可以獲得的輸出電壓。對于Z源三電平T型逆變器，直通狀態(tài)的注入不能對橋臂的輸出電壓產(chǎn)生影響，對于同相電壓偏移控制，{O, O, 0}狀態(tài)不能產(chǎn)生全直通，因此只有上直通和下直通，而且上、下直通只能產(chǎn)生在等效零矢量中。其中，{0，0，0}狀態(tài)指并聯(lián)的三相橋臂的IGBT管均處于{0}狀態(tài)。{0}狀態(tài)為本相橋臂的四只IGBT管的導通信號分別為(O, I, I, O) ； {N}狀態(tài)為本相橋臂的四只IGBT管的導通信號分別為(O, O, I, I)；{P}狀態(tài)為本相橋臂的四只IGBT管的導通信號分別為(1，1，O, O)。
[0051]上直通只能發(fā)生在{O}、{N}狀態(tài)的等效矢量的作用時間內(nèi)，下直通只能發(fā)生在{O}、{P}狀態(tài)等效矢量的作用時間內(nèi)，選擇開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換最少的橋臂產(chǎn)生直通，在任意時亥|J，對調(diào)制信號的Umax，即Ua，Ub，Uc中的最大值，增加0.5T0/T的垂直偏移產(chǎn)生上直通，同時對調(diào)制信號的Umin，Ua, Ub, Uc中的最小值，減少0.5T0/T的垂直偏移產(chǎn)生下直通，保持調(diào)制信號的Umid，Ua, Ub, Uc中的中間值不變，得到Z源三電平T型逆變器所需要的直通占空比，最后將得到的PWM信號送到驅(qū)動電路。
[0052]圖7為I3D-SPWM方法控制下直通時間TO = O和TO = 0.2的波形。直通時間TO=O時，設(shè)定調(diào)制度M為0.8。圖中依次輸出的是相電壓、相電流、線電壓、Z源網(wǎng)絡電容電壓、Vdc電壓。Z源三電平T型逆變器沒有升壓，因此線電壓的峰值等于200V。直通時間TO=0.2時，由公式可知升壓因子B = 1.66，因此理論相電壓值為159*1.66/1.732 = 151V,實際測量值為140V。由公式可得理論升壓值Vdc為332V，而實際測量值為324V。電流沒有受到直通信號的影響而發(fā)生畸變。Z源網(wǎng)絡的電容電壓由相關(guān)公式可得266V，實際測量值為265V。另外Vdc電壓在162V到324V變化實現(xiàn)升壓和逆變功能。仿真結(jié)果表明Z源三電平T型逆變器可以使線電壓升到設(shè)定的值而不影響輸出電流的波形質(zhì)量。
[0053]圖8為AP0D-SPWM方法和TO-SPWM方法控制下對輸出電壓波形質(zhì)量的影響。假定AP0D-SPWM方法采用和ro-SPWM方法一樣的參數(shù)。APOD-SPWM方法下，設(shè)定調(diào)制度M為0.8，直通占空比的時間T0’為0.2。ro-SPWM方法下，設(shè)定調(diào)制度M為0.8，直通占空比的時間TO為0.2。由仿真結(jié)果可以看出，采用ro-SPWM方法具有開關(guān)損耗和諧波畸變小等優(yōu)點。
[0054]圖9為Z源三電平NPC逆變器和Z源三電平T型逆變器采用I3D-SPWM方法進行仿真對比。從圖中、表I可以看出，Z源三電平T型逆變器與Z源三電平NPC逆變器在相同的調(diào)制策略下，諧波小，波形質(zhì)量相當。
[0055]表I ro調(diào)制策略下諧波比較
[0056]

|z源T型逆變器|z源NPC逆變器直通0.63%0.65%
非直通0.47%0.49%
[0057]圖10為Z源三電平NPC的結(jié)構(gòu)圖。
[0058]圖11為Z源T型逆變器的控制電路圖；控制電路包括保護電路、驅(qū)動電路和采樣調(diào)理電路，采樣調(diào)理電路包括直流電壓Vin、Z源電容電壓Vzc、直流電流Idc以及濾波器輸出的三相電壓Ua、Ub、Uc，信號調(diào)理電路和控制電壓具有過/欠壓保護和過流保護；驅(qū)動電路輸出PWM信號驅(qū)動橋臂中IGBT管的開通與關(guān)斷。
[0059]因此，采用PD調(diào)制策略可以實現(xiàn)Z源三電平T型逆變器的升壓和逆變功能，而且相對于Z源三電平NPC逆變器，導通損耗更低，效率高，波形質(zhì)量相當。該拓撲逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池等可再生能源領(lǐng)域前景廣闊。
[0060]上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種Z源三電平T型逆變器，其特征是:包括并聯(lián)的三相橋臂，每相橋臂包括兩個串聯(lián)的IGBT管，各相橋臂的中點一側(cè)串聯(lián)兩個方向不同的IGBT管，另一側(cè)經(jīng)濾波器與電阻連接；在并聯(lián)的各橋臂輸入端連接Z源網(wǎng)絡后接入輸入電壓源；輸入電壓源兩端并聯(lián)有兩個串聯(lián)的電容，兩個電容連接處連接各項橋臂的兩個方向不同IGBT管的一端，各個IGBT管均由控制電路驅(qū)動。
2.如權(quán)利要求1所述的一種Z源三電平T型逆變器，其特征是:所述Z源網(wǎng)絡包括兩個電感和電容，兩個電感分別串聯(lián)在輸入電壓源兩端與三相橋臂的連接處，電感與輸入電壓源的連接側(cè)串聯(lián)有二極管，且兩個二極管反向，兩個電容的一端分別連接二極管和電感的連接處，另一端連接在另一路電感和三相橋臂的連接處。
3.如權(quán)利要求1所述的一種Z源三電平T型逆變器，其特征是:所述濾波器為LC濾波電路，且其中的電容公共端接地。
4.如權(quán)利要求1所述的一種Z源三電平T型逆變器，其特征是:所述控制電路包括保護電路、驅(qū)動電路、采樣調(diào)理電路，采樣調(diào)理電路連接DSP模塊，DSP模塊與保護電路雙向通信，DSP模塊連接驅(qū)動電路，驅(qū)動電路輸出PWM信號驅(qū)動橋臂中IGBT管的開通與關(guān)斷。
5.如權(quán)利要求4所述的一種Z源三電平T型逆變器，其特征是:所述采樣調(diào)理電路采集輸入電壓源的直流電壓、直流電流、Z源網(wǎng)絡電容電壓以及濾波器輸出的三相電壓值大小。
【文檔編號】H02M7/5395GK204031005SQ201420401743
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】張承慧, 邢相洋, 陳阿蓮, 杜春水 申請人:山東大學