[發明專利]一種開關電感Z源中點嵌位型三電平逆變器的控制方法

有效

• 申請號: 202110374528.5
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113114058B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 朱俊杰;李勇;鄭志安;寧重陽
• 申請（專利權）人: 中南林業科技大學
• 主分類號: H02M7/487
• 分類號: H02M7/487
• 代理公司: 深圳市深軟翰琪知識產權代理有限公司 44380
• 代理人: 吳雅麗

本發明公開了一種開關電感Z源中點嵌位型三電平逆變器的控制方法，開關電感Z源中點嵌位型三電平逆變器包括級聯的Z源網絡電路和NPC三電平逆變器；Z源網絡電路和NPC三電平逆變器分別為前級電路和后級電路；NPC三電平逆變器具有3條并聯的橋臂，每條橋臂具有4個串聯的功率開關；Z源逆變器與傳統直流逆變器不同之處在于增加了2個電感L1，L2和若干個二極管；通增加直通改善逆變器的性能；該開關電感Z源中點嵌位型三電平逆變器的控制方法能顯著減小逆變器輸出電壓波形畸變，而且能提升輸出電壓。

技術領域

本發明一種開關電感Z源中點嵌位型三電平逆變器的控制方法。

背景技術

三電平逆變器是近年來發展起來的一種可實現高壓、大功率電能轉換的逆變器拓撲。較兩電平逆變器而言，具有在相同頻率條件下其輸出諧波含量較低、功率開關損耗減少、開關應力小等優點。在多種不同的多電平逆變器拓撲中，如級聯逆變器，中點嵌位逆變器，電容嵌位逆變器等，中點嵌位型逆變器使用較為廣泛。然而此逆變器由于本身拓撲的制約，無法輸出比自身直流源高的電壓，因此在燃料電池以及光伏系統等應用中需增加前級逆變電路使輸出電壓升高。為彌補傳統NPC三電平逆變器這一局限性，有文獻在逆變器前級增加具有升壓功能的雙Z源電路拓撲，該拓撲由兩個分立的Z源網絡組成，同時Z源逆變器與中點嵌位型逆變器三電平結合無需考慮上下橋臂直通造成短路而加入死區時間引起的波形畸變問題，它利用同一橋臂上下功率開關的直通狀態來實現對電壓的高低變換。實驗結果證明該方法達到了升壓的效果，但由于其拓撲采用兩個分立Z源網絡，增加了系統成本和復雜性。若應用在某些只能提供單電源的場合中，則需兩等值電容串聯分壓將輸入電源電壓均分，分壓電容連接處的電位作為中點電位的方法，以減少雙Z源網絡儲能元件，降低硬件成本。有提出了單Z源逆變器拓撲，并且詳細介紹了交替反相電壓偏移(alternativephase opposition disposition，APOD)調制方法，在一定程度上減少了系統成本。文獻文獻“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.”闡述了單Z源NPC逆變器的載波調制方法，對無零序矢量注入的載波調制與空間矢量調制(space vectorpulse width modulation，SVPWM)方法進行對比分析，得出空間矢量調制方法輸出電壓含有更小的諧波分量，并且能方便應用到數字信號處理器(digital signal processing，DSP)中。文獻“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.”提出了一種單Z源的逆變拓撲結構，詳細闡述了單Z源網絡工作原理，由公式推導出其拓撲結構與雙Z源網絡三電平NPC逆變器具有相同的升壓特性，提高了系統的經濟性和實用性，所提出的SVPWM算法實現了直通狀態的正確注入，極大程度地減小了直通產生的開關損耗。以上單Z源逆變器在一定程度上提高了升壓因子，降低了系統成本，但其升壓能力不能滿足大功率應用系統。在理想情況下單z源NPC逆變器與DC/DC升壓變換器同樣可得無限大的電壓增益，但因逆變器開關耐壓能力有限，且直通占空比D和調制度M相互關聯，若增加調制度，此時開關應力得到降低，同時降低了電壓利用率，使系統穩定性降低，因此在實際應用中其輸出電壓增益不可能為無限大。盡管在燃料電池以及光伏發電應用中現有的單Z源NPC逆變器已能滿足升壓需求，但為了能夠在更大功率應用系統中運行效果更優，使得逆變器需具有更高的升壓能力。有文獻提出Z源級聯三電平NPC逆變器，并采用APOD的調制策略，不增加開關次數，降低功率開關管損耗，將電路的升壓因子提高到1/(1-4D)，為相同電壓電流波動條件下減小無源器件提供了可行性。