z源逆变器的直通零矢量控制策略的研究

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1、第46卷第4期南开大学学报(自然科学版)VO1．46No_42013年8月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisNankaiensisAug．2013文章编号：0465—7942(2013)04—0107-05Z源逆变器的直通零矢量控制策略的研究程如岐，赵庚申，赵耀，郭天勇，赵二刚(南开大学天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室，天津300071)摘要：针对离网型的z源逆变器提出了一种利用直通零矢量对z源电容电压进行闭环控制方案．介绍了Z源逆变器的概念，并在此基础上介绍了利用直通零矢量对z源电容电压进

2、行闭环控制的原理，同时给出了完整的控制框图与PI参数的整定方法．仿真结果表明了控制方法的正确性与有效性．关键词：z源逆变器；直通零矢量；PI中图分类号：TMgl0．1文献标识码：A0引言在当今大力开发和利用新能源和可再生能源的进程中，太阳能光伏发电是最有发展前途的方式，而逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键设备．传统的逆变器主要分为电压源型(VSI)和电流源型(CSI)两类拓扑结构，但传统逆变器自身都没有升降压能力，需要外加DC／DC模块而且其抗EMI噪声的能力也较低．z源逆变器n采用独特的LC交叉Z网络，有效地克服了传统逆变器的不足．z

3、源逆变器由于z网络存在直通零矢量状态，具有升压作用．基于经典控制理论的PI控制原理，针对离网型的Z源逆变器的直通零矢量提出了一种控制方案，通过对直通零矢量因子的控制，达到稳定母线电压，从而使整个逆变器系统稳定的目的．仿真与实验结果都证明了控制方法的正确性与有效性．Z源逆变器系统简介图1所示为电压型z源逆变器(VMZSI)拓扑．为了方便分析VMZSI的工作原理，假设z源网络完全对称，即：fL1一2一LRL一RL一RL(1)lC1一C2一C由对称原理可知：彳<【VcL，1一~VLc。2一：VLcfy)设开关管的开关周期即载波周期为，直通时间

4、为丁。，非直通时间为丁，图1Z源逆变器拓扑一T。+T；根据开关管直通与否将Fig．1ThetopologyofZsourceinverterVMZSI的一个载波周期分直通和非直通收稿日期：2012—05—09基金项目：南开大学青年教师及海外留学归国人员研究资助项目(65012191)作者简介：程如岐(1979～)，男，河北沧州人，讲师，主要从事电力电子与光电子技术研究．email：crqlm4728@163．COm·1O8·南开大学学报(自然科学版)第46卷两种工作状态．在非直通状态下，二级管D正向偏置，母线PⅣ两点间相当于一个恒流源，

5、其等效电路如图2(a)所示．此时：1fVLPⅣ=====Uc一—VcL一2c—Us(3在直通状态下，二级管D反向偏置，母线尸Ⅳ两点间短路，其等效电路如图2(b)所示．此时：VL===Vc，VPⅣ一0(4)在电路达到稳态状态下，流过电感电流的净变化量为零，即：Ts1~J。Vd===j．。Tl(s—Vc)d+j．。出一。(5)由式(5)可以推出Z源电容电压的平均值：V一丁1—71o(6)设在非直通矢量状态下，直流母线PN间电压对输入电压的增益为B，则联立式(3)和(6)可得(设d为直通零矢量的占空比)：B===一一≥㈣设逆变桥输出交流正弦电

6、压基波峰值与直流母线电压的增益为M，M===≤1(8)联立式(7)和(8)可以得到：V6=MVPⅣ一MBUs(9)逆变桥输出的交流电压要经过LC低通滤波，因而逆变器最终得到的交流电压就是上面推导出的基波分量出由式(9)知，控制功率管桥路的直通零矢量占空比和正弦调制因子就可调制出任意的交流电压．这同常规电压源型逆变器交流输出只能降压的特性相比，扩大了整个系统的变换范围．P2控制系统设计虽然Z源逆变器的母线电压在一个开关周期内不是定值，但其电压平均值和Z源电容电压c相等，因此Z源电容电压为整个系统的重(a)(b)要参量，其电压过低，不满足功

7、率管桥路固有的交、直流变比关系；其电图2VMZSI直通、非直通等效电路示意图压过高，会使功率管过压损坏．因此Fig．2Equivalentcircuitofshoot—throughzerostate必须采用z源电容电压闭环控制，andnonshoot—throughzerostate使其电压值稳定在合理的指令给定值，从而达到稳定母线电压的目的．采用控制Z源逆变器直通零矢量的方式来使得电容电压稳定在合理的指令给定值．由图2的Z源逆变器的等效电路可以看出，当系统在直通状态下：V—c，在一个开关周期内此种状态的占空比为直通零矢量占空比．当系

8、统在非直通状态下：V一一，在一个开关周期内此种状态的占空比1一．那么就可以得到在一个开关周期内平均的电感电压为：VL—dVc+(1一)(—Vc)一(2c—s)+(5一Vc)(10)进一步，可以得到在一个开关