[发明专利]一种开关电感Z源中点嵌位型三电平逆变器的控制方法

说明书

本发明公开了一种开关电感Z源中点嵌位型三电平逆变器的控制方法，开关电感Z源中点嵌位型三电平逆变器包括级联的Z源网络电路和NPC三电平逆变器；Z源网络电路和NPC三电平逆变器分别为前级电路和后级电路；NPC三电平逆变器具有3条并联的桥臂，每条桥臂具有4个串联的功率开关；Z源逆变器与传统直流逆变器不同之处在于增加了2个电感L1，L2和若干个二极管；通增加直通改善逆变器的性能；该开关电感Z源中点嵌位型三电平逆变器的控制方法能显著减小逆变器输出电压波形畸变，而且能提升输出电压。

技术领域

本发明一种开关电感Z源中点嵌位型三电平逆变器的控制方法。

背景技术

三电平逆变器是近年来发展起来的一种可实现高压、大功率电能转换的逆变器拓扑。较两电平逆变器而言，具有在相同频率条件下其输出谐波含量较低、功率开关损耗减少、开关应力小等优点。在多种不同的多电平逆变器拓扑中，如级联逆变器，中点嵌位逆变器，电容嵌位逆变器等，中点嵌位型逆变器使用较为广泛。然而此逆变器由于本身拓扑的制约，无法输出比自身直流源高的电压，因此在燃料电池以及光伏系统等应用中需增加前级逆变电路使输出电压升高。为弥补传统NPC三电平逆变器这一局限性，有文献在逆变器前级增加具有升压功能的双Z源电路拓扑，该拓扑由两个分立的Z源网络组成，同时Z源逆变器与中点嵌位型逆变器三电平结合无需考虑上下桥臂直通造成短路而加入死区时间引起的波形畸变问题，它利用同一桥臂上下功率开关的直通状态来实现对电压的高低变换。实验结果证明该方法达到了升压的效果，但由于其拓扑采用两个分立Z源网络，增加了系统成本和复杂性。若应用在某些只能提供单电源的场合中，则需两等值电容串联分压将输入电源电压均分，分压电容连接处的电位作为中点电位的方法，以减少双Z源网络储能元件，降低硬件成本。有提出了单Z源逆变器拓扑，并且详细介绍了交替反相电压偏移(alternativephase opposition disposition，APOD)调制方法，在一定程度上减少了系统成本。文献文献“Loh PC，GaoF，BlaabjergF，et al.Operational analysis and modulation controlof three-level Z-source inverters with enhanced output waveform quality[J]IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(7)：1767-1775.”阐述了单Z源NPC逆变器的载波调制方法，对无零序矢量注入的载波调制与空间矢量调制(space vectorpulse width modulation，SVPWM)方法进行对比分析，得出空间矢量调制方法输出电压含有更小的谐波分量，并且能方便应用到数字信号处理器(digital signal processing，DSP)中。文献“Loh P C，Gao F，BlaabjergF，et a1.Operational analysis andmodulation control of three-level Z-source inverters with enhanced outputwaveform quality[J]IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(7)：1767-1775.”提出了一种单Z源的逆变拓扑结构，详细阐述了单Z源网络工作原理，由公式推导出其拓扑结构与双Z源网络三电平NPC逆变器具有相同的升压特性，提高了系统的经济性和实用性，所提出的SVPWM算法实现了直通状态的正确注入，极大程度地减小了直通产生的开关损耗。以上单Z源逆变器在一定程度上提高了升压因子，降低了系统成本，但其升压能力不能满足大功率应用系统。在理想情况下单z源NPC逆变器与DC/DC升压变换器同样可得无限大的电压增益，但因逆变器开关耐压能力有限，且直通占空比D和调制度M相互关联，若增加调制度，此时开关应力得到降低，同时降低了电压利用率，使系统稳定性降低，因此在实际应用中其输出电压增益不可能为无限大。尽管在燃料电池以及光伏发电应用中现有的单Z源NPC逆变器已能满足升压需求，但为了能够在更大功率应用系统中运行效果更优，使得逆变器需具有更高的升压能力。有文献提出Z源级联三电平NPC逆变器，并采用APOD的调制策略，不增加开关次数，降低功率开关管损耗，将电路的升压因子提高到1/(1-4D)，为相同电压电流波动条件下减小无源器件提供了可行性。