本發(fā)明涉及一種抽頭電感型Z源逆變器，屬于逆變電路
技術(shù)領域：
。
背景技術(shù)：
：傳統(tǒng)的逆變電路分為電壓源和電流源這兩類，然而這兩類逆變器存在下述共同缺點，它們或是升壓型，或是降壓型變換器，而不可能是升/降壓型變換器；而且它們抗電磁干擾的能力較差，當由于電磁干擾導致橋臂短路或是開路時，容易造成變流器損壞。由此，于2002年美國密西根州立大學的彭方正教授提出了一種新型逆變器，該逆變器則為Z源逆變器。Z源逆變器提供了一種新的思路和理論，可以克服傳統(tǒng)電壓源和電流源逆變器的不足之處。Z源逆變器自提出以來，以其獨特的優(yōu)點在新能源發(fā)電系統(tǒng)等具有輸入電壓大范圍變化特點的場合得到了廣泛的應用。但現(xiàn)有的Z源拓撲仍存在諸多缺陷：1、升壓能力有限，若要提高升壓能力，需增大直通占空比，勢必減小調(diào)制比，會導致功率器件的應力增大；2、輸入電流斷續(xù)，直流電壓利用率低；3、存在啟動沖擊回路，影響逆變器性能。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明為了克服以上技術(shù)的不足，提供了一種抽頭電感型Z源逆變器，該逆變器具有升壓比高、電容電壓應力小、直流電壓利用率高以及啟動沖擊小等優(yōu)點，可用于新能源發(fā)電與并網(wǎng)及電機拖動等場合。發(fā)明概述：本發(fā)明通過將Z源逆變器的一個電感用包括抽頭電感的無源網(wǎng)絡代替，利用模態(tài)變化時，抽頭電感Lt繞組電勢的變化及二極管D1、D2通斷的改變，將在直通期間存儲在抽頭電感中的能量輸送出去，提升母線電壓。本發(fā)明克服其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種抽頭電感型Z源逆變器，包括直流電源Udc和三相逆變器，還包括電感抽頭Z源網(wǎng)絡，直流電源Udc的輸出端與電感抽頭Z源網(wǎng)絡的輸入端連接，電感抽頭Z源網(wǎng)絡的輸出端與三相逆變器的輸入端連接，三相逆變器的輸出端連接至電網(wǎng)或負載；所述電感抽頭Z源網(wǎng)絡包括抽頭電感Lt、二極管Din、二極管D1、二極管D2、電容C1、電容C2和電感L3，抽頭電感Lt包括繞組N1和繞組N2；直流電源Udc的正極輸出端與二極管Din的陽極連接，二極管Din的陰極分別與繞組N1的一端、電容C1的一端連接，繞組N1的另一端分別與繞組N2的一端、二極管D2的陽極連接，繞組N2的另一端與二極管D1的陽極連接，二極管D1的陰極與二極管D2的陰極、電容C2的一端共同連接至三相逆變器的正極端，電感L3的一端分別與直流電源Udc的負極輸出端、電容C2的另一端連接，電感L3的另一端與電容C1的另一端共同連接至三相逆變器的負極端。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述三相逆變器為三相逆變橋，三相逆變橋包括6個絕緣柵雙極型晶體管，分別為晶體管S1、晶體管S2、晶體管S3、晶體管S4、晶體管S5和晶體管S6，晶體管S1的發(fā)射極與晶體管S4的集電極連接后輸出至電網(wǎng)或負載，晶體管S2的發(fā)射極與晶體管S5的集電極連接后輸出至電網(wǎng)或負載，晶體管S3的發(fā)射極與晶體管S6的集電極連接后輸出至電網(wǎng)或負載，晶體管S1的集電極、晶體管S2的集電極與晶體管S3的集電極共同連接至三相逆變器的正極端，晶體管S4的發(fā)射極、晶體管S5的發(fā)射極與晶體管S6的發(fā)射極連接共同連接至三相逆變器的負極端。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，設電容C1、電容C2的容值大于1000微法時，則在一個開關周期T內(nèi)，電容電壓視為恒定，抽頭電感型Z源逆變器在一個開關周期內(nèi)包括3種開關狀態(tài)：直通零矢量狀態(tài)、傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)和有效零矢量狀態(tài)；由于耦合系數(shù)不等于1，引入漏感Lk，勵磁電感Lm和漏感Lk的表達式分別為Lm＝k2L1(1)Lk＝(1-k2)L1(2)式中：k為耦合系數(shù)，L1為繞組N1的感值，設匝比N＝N2/N1，則抽頭電感兩個繞組的電感值可以表達為L2/L1=N2k2L1+L2=Lt---(3)]]>即，L1=11+N2k2LtL2=N2k21+N2k2Lt---(4)]]>式中：L2為繞組N2的感值；(1)狀態(tài)一、直通零矢量狀態(tài)(t0～t1)：直通零矢量狀態(tài)下，母線電壓UPN經(jīng)由三相逆變橋短路，在此期間，電容C1電壓加在繞組N1上，繞組N1電流從最小值iL1(0)開始線性增加，當t＝t1時刻iL1達到最大值，為iL1(max)=uC1L1T0+IL1(0)=uC1L1D0T+IL1(0)---(5)]]>式中，T0為直通時間，D0為直通占空比，繞組N2的感應電勢為左“+”右“-”，且uL2＝Num＝Nk2uC1(6)式中，um為勵磁電感的端電壓，其中N>1，因此二極管D1截止；同時，電容C2的電壓加在電感L3上，電感L3的電壓也從最小值開始線性增加，當t＝t1時刻iL3達到最大值，為iL3(max)=uC2L3T0+IL3(0)=uC2L3D0T+IL3(0)---(7)]]>由于uC1+uL3＞Udc，二極管Din截止；(2)狀態(tài)二、傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)(t1～t2)：傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)下，三相逆變橋開路，t1時刻，繞組N1和N2電勢迅速下降，并到達反向最大值，在此期間，由于漏感能量的存在，繞組N1電流通過電容C2繼續(xù)流通；定義一個開關周期T中，漏感能量全部釋放給電容C2的時間為T1＝D1T，其中D1為電容C2的充電時間與開關周期的比，此時加在繞組N1上的電壓為uC2-Udc，iL1迅速線性下降，iL1的減小量為ΔiL1(-)=uC2-UdcL1T1=uC2-UdcL1D1T---(8)]]>之后由于uL2>uL1(N>1)，二極管D2電流過零截止，二極管D1導通，輸入電壓Udc與繞組N1、N2串聯(lián)給電容C2充電，uC2＝Udc+uL1+uL2，抽頭電感Lt電流線性下降，且iL1＝iL2，此時，加在繞組N1上的電壓為uL1＝uC2-uL2-Udc＝uC2-Udc-Nk2uL1(9)根據(jù)上式可得uL1=uC2-Udc1+Nk2---(10)]]>(3)狀態(tài)三：有效零矢量狀態(tài)(t2～t3)：有效矢量狀態(tài)下，三相逆變橋等效為一個電流源，輸入電壓Udc與繞組N2、N1串聯(lián)給負載供電，同時繼續(xù)維持電容C2電壓，此時加在繞組L1上的電壓仍滿足式(10)，iL1繼續(xù)線性下降，iL1的減小量為ΔiL1=uC2-Udc1+Nk2L1(1-D0-D1)T---(11)]]>在t1～t3時間內(nèi)，電感L3與輸入電壓Udc串聯(lián)給電容C1充電，加在電感L3上的電壓為uL3＝uC1-Udc(12)電感L3的電流iL3線性減小，當t＝t3時刻時，iL3達到最小值，iL3的減小量為ΔiL3=uC1-UdcL3(1-D0)T---(13).]]>根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，根據(jù)伏秒平衡原理，一個開關周期內(nèi)抽頭電感的繞組N1和電感L3兩端的平均電壓表達式為uC1D0-(uC2-Udc)D1-uC2-Udc1+Nk2(1-D0-D1)=0---(14)]]>uC2D0-(uC1-Udc)(1-D0)＝0(15)有效矢量狀態(tài)時三相逆變橋臂兩端的電壓為U^PN=uC1+uC2-Udc---(16)]]>計算整理后得uC1=1-D0+Nk2D11-2D0+Nk2(D1-D0D1-D02)Udc---(17)]]>uC2=1-D0+Nk2(D0+D1-D0D1-D02)1-2D0+Nk2(D1-D0D1-D02)Udc---(18)]]>U^PN=1+Nk2(D0+D1)1-2D0+Nk2(D1-D0D1-D02)Udc---(19)]]>若當D1＝0，k＝1時則有uC1=1-D01-2D0-ND02Udc---(20)]]>uC2=1-(1-N)D0-ND021-2D0-ND02Udc---(21)]]>U^PN=1+ND01-2D0-ND02Udc---(22).]]>本發(fā)明的有益效果是：與傳統(tǒng)Z源逆變器類似，本發(fā)明的抽頭電感型Z源逆變器也采用直通零矢量作為控制變量，當電路參數(shù)確定時，通過調(diào)整直通占空比提升母線電壓幅值；本發(fā)明具有升壓比高、電容電壓應力小、直流電壓利用率高以及啟動沖擊小等優(yōu)點，可用于新能源發(fā)電與并網(wǎng)及電機拖動等場合。附圖說明圖1為本發(fā)明的抽頭電感型Z源逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明在一個開關周期內(nèi)為直通零矢量狀態(tài)時的等效電路圖。圖3為本發(fā)明在一個開關周期內(nèi)為傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)時的等效電路圖Ⅰ。圖4為本發(fā)明在一個開關周期內(nèi)為傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)時的等效電路圖Ⅱ。圖5為本發(fā)明在一個開關周期內(nèi)為有效零矢量狀態(tài)時的等效電路圖。具體實施方式為了便于本領域人員更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，下述僅是示例性的不限定本發(fā)明的保護范圍。如圖1所示，本發(fā)明的抽頭電感型Z源逆變器，包括直流電源Udc和三相逆變器，還包括電感抽頭Z源網(wǎng)絡，直流電源Udc的輸出端與電感抽頭Z源網(wǎng)絡的輸入端連接，電感抽頭Z源網(wǎng)絡的輸出端與三相逆變器的輸入端連接，三相逆變器的輸出端連接至電網(wǎng)或負載。所述電感抽頭Z源網(wǎng)絡包括抽頭電感Lt、二極管Din、二極管D1、二極管D2、電容C1、電容C2和電感L3，抽頭電感Lt包括繞組N1和繞組N2；直流電源Udc的正極輸出端與二極管Din的陽極連接，二極管Din的陰極分別與繞組N1的一端、電容C1的一端連接，繞組N1的另一端分別與繞組N2的一端、二極管D2的陽極連接，繞組N2的另一端與二極管D1的陽極連接，二極管D1的陰極與二極管D2的陰極、電容C2的一端共同連接至三相逆變器的正極端，電感L3的一端分別與直流電源Udc的負極輸出端、電容C2的另一端連接，電感L3的另一端與電容C1的另一端共同連接至三相逆變器的負極端。所述三相逆變器為三相逆變橋，三相逆變橋包括6個絕緣柵雙極型晶體管，分別為晶體管S1、晶體管S2、晶體管S3、晶體管S4、晶體管S5和晶體管S6，晶體管S1的發(fā)射極與晶體管S4的集電極連接后輸出至電網(wǎng)或負載，晶體管S2的發(fā)射極與晶體管S5的集電極連接后輸出至電網(wǎng)或負載，晶體管S3的發(fā)射極與晶體管S6的集電極連接后輸出至電網(wǎng)或負載，晶體管S1的集電極、晶體管S2的集電極與晶體管S3的集電極共同連接至三相逆變器的正極端，晶體管S4的發(fā)射極、晶體管S5的發(fā)射極與晶體管S6的發(fā)射極連接共同連接至三相逆變器的負極端。本發(fā)明的抽頭電感型Z源逆變器的工作原理：假設電容C1、電容C2的容值為大于1000微法時，則在一個開關周期T內(nèi)，電容電壓視為恒定，抽頭電感型Z源逆變器在一個開關周期內(nèi)包括3種開關狀態(tài)：直通零矢量狀態(tài)、傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)和有效零矢量狀態(tài)，其中，傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)又可以范圍2種子狀態(tài)，如圖3和4所示。在直通和非直通狀態(tài)下，分別由繞組N1和繞組N1+N2起作用；由于耦合系數(shù)不等于1，引入漏感Lk，勵磁電感Lm和漏感Lk的表達式分別為Lm＝k2L1(1)Lk＝(1-k2)L1(2)式中：k為耦合系數(shù)，L1為繞組N1的感值，設匝比N＝N2/N1，則抽頭電感兩個繞組的電感值可以表達為{L2/L1=N2k2L1+L2=Lt---(3)]]>即，L1=11+N2k2LtL2=N2k21+N2k2Lt---(4)]]>式中：L2為繞組N2的感值；(1)狀態(tài)一、直通零矢量狀態(tài)(t0～t1)：如圖2所示，直通零矢量狀態(tài)下，母線電壓UPN經(jīng)由三相逆變橋短路，在此期間，電容C1電壓加在繞組N1上，繞組N1電流從最小值iL1(0)開始線性增加，當t＝t1時刻iL1達到最大值，為iL1(max)=uC1L1T0+IL1(0)=uC1L1D0T+IL1(0)---(5)]]>式中，T0為直通時間，D0為直通占空比，繞組N2的感應電勢為左“+”右“-”，且uL2＝Num＝Nk2uC1(6)式中，um為勵磁電感的端電壓，其中N>1，因此二極管D1截止；同時，電容C2的電壓加在電感L3上，電感L3的電壓也從最小值開始線性增加，當t＝t1時刻iL3達到最大值，為iL3(max)=uC2L3T0+IL3(0)=uC2L3D0T+IL3(0)---(7)]]>由于uC1+uL3＞Udc，二極管Din截止。(2)狀態(tài)二、傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)(t1～t2)：如圖3、4所示，傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)下，三相逆變橋開路，t1時刻，繞組N1和N2電勢迅速下降，并到達反向最大值，在此期間，由于漏感能量的存在，繞組N1電流通過電容C2繼續(xù)流通；定義一個開關周期T中，漏感能量全部釋放給電容C2的時間為T1＝D1T，其中D1為電容C2的充電時間與開關周期的比，此時加在繞組N1上的電壓為uC2-Udc，iL1迅速線性下降，iL1的減小量為ΔiL1(-)=uC2-UdcL1T1=uC2-UdcL1D1T---(8)]]>之后由于uL2>uL1(N>1)，二極管D2電流過零截止，二極管D1導通，如圖4所示；輸入電壓Udc與繞組N1、N2串聯(lián)給電容C2充電，uC2＝Udc+uL1+uL2，抽頭電感Lt電流線性下降，且iL1＝iL2，此時，加在繞組N1上的電壓為uL1＝uC2-uL2-Udc＝uC2-Udc-Nk2uL1(9)根據(jù)上式可得uL1=uC2-Udc1+Nk2---(10).]]>(3)狀態(tài)三：有效零矢量狀態(tài)(t2～t3)：如圖5所示，有效矢量狀態(tài)下，三相逆變橋等效為一個電流源，輸入電壓Udc與繞組N2、N1串聯(lián)給負載供電，同時繼續(xù)維持電容C2電壓，此時加在繞組L1上的電壓仍滿足式(10)，iL1繼續(xù)線性下降，iL1的減小量為ΔiL1=uC2-Udc1+Nk2L1(1-D0-D1)T---(11)]]>在t1～t3時間內(nèi)，電感L3與輸入電壓Udc串聯(lián)給電容C1充電，加在電感L3上的電壓為uL3＝uC1-Udc(12)電感L3的電流iL3線性減小，當t＝t3時刻時，iL3達到最小值，iL3的減小量為ΔiL3=uC1-UdcL3(1-D0)T---(13).]]>本發(fā)明的抽頭電感型Z源逆變器升壓特性如下：根據(jù)伏秒平衡原理，一個開關周期內(nèi)抽頭電感的繞組N1和電感L3兩端的平均電壓表達式為uC1D0-(uC2-Udc)D1-uC2-Udc1+Nk2(1-D0-D1)=0---(14)]]>uC2D0-(uC1-Udc)(1-D0)＝0(15)有效矢量狀態(tài)時三相逆變橋臂兩端的電壓為U^PN=uC1+uC2-Udc---(16)]]>計算整理后得uC1=1-D0+Nk2D11-2D0+Nk2(D1-D0D1-D02)Udc---(17)]]>uC2=1-D0+Nk2(D0+D1-D0D1-D02)1-2D0+Nk2(D1-D0D1-D02)Udc---(18)]]>U^pN=1+Nk2(D0+D1)1-2D0+Nk2(D1-D0D1-D02)Udc---(19)]]>若當D1＝0，k＝1時則有uC1=1-D01-2D0-ND02Udc---(20)]]>uC2=1-(1-N)D0-ND021-2D0-ND02Udc---(21)]]>U^PN=1+ND01-2D0-ND02Udc---(22).]]>與傳統(tǒng)Z源逆變器類似，本發(fā)明的抽頭電感型Z源逆變器也采用直通零矢量作為控制變量，當電路參數(shù)確定時，通過調(diào)整直通占空比提升母線電壓幅值。需要注意的是，直通零矢量是在傳統(tǒng)零矢量中注入的，直通零矢量與傳統(tǒng)零矢量對負載的作用效果等效，都是使負載短路、自然續(xù)流，所以注入的直通零矢量對逆變器交流輸出電壓沒有影響。本發(fā)明具有升壓比高、電容電壓應力小、直流電壓利用率高以及啟動沖擊小等優(yōu)點，可用于新能源發(fā)電與并網(wǎng)及電機拖動等場合。以上僅描述了本發(fā)明的基本原理和優(yōu)選實施方式，本領域人員可以根據(jù)上述描述做出許多變化和改進，這些變化和改進應該屬于本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3