聶振宇

江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 江西 南昌 330000

1 引言

Z源變流器通過(guò)控制器件直通占空比來(lái)進(jìn)行直流電壓值的變換,不但簡(jiǎn)化了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高了效率而且適用于輸入電壓變化很大的場(chǎng)合,這樣使其適用于新能源發(fā)電尤其是光伏發(fā)電。Z源電壓型逆變器是Z源變流器的一種,傳統(tǒng)型Z源電壓型逆變器由Z源電壓變換電路和電壓型逆變器組成,輸入電源與逆變器位于Z源網(wǎng)絡(luò)的兩側(cè),其工作時(shí)逆變器直流鏈電壓應(yīng)力較高,器件耐壓必須要提高。為了實(shí)現(xiàn)升壓功能,Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓高于輸入電源電壓,必須選用高壓電容,這導(dǎo)致Z源逆變器體積重量增大,實(shí)現(xiàn)成本較高且裝置啟動(dòng)時(shí)存在著啟動(dòng)沖擊問(wèn)題,嚴(yán)重影響了其可靠性[1]。新型Z源電壓型逆變器能夠解決傳統(tǒng)Z源電壓逆變器這些問(wèn)題。

2 新型Z源逆變器工作原理分析

新型Z源電壓型逆變器的工作模式可以分為斷續(xù)和連續(xù)兩種。當(dāng)Z源電壓型逆變器處于斷續(xù)工作模式時(shí),逆變器直流鏈電壓會(huì)發(fā)生畸變,對(duì)于逆變器輸出交流電壓影響很大,因此通常希望其工作在連續(xù)工作模式狀態(tài)。此時(shí),Z源三相電壓型逆變器工作在以下兩種情況。(1)直通狀態(tài)；(2)非直通狀態(tài)。當(dāng)工作于直通狀態(tài)時(shí),其等效電路圖如圖1所示。

圖1 新型Z源電壓型逆變器工作模式1等效電路圖

由于Z源網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)的對(duì)稱性,有以下等式成立：

直通時(shí),逆變器直流鏈電壓V in＝0,二極管D1由于承受反壓而關(guān)斷。假設(shè)直通時(shí)間的占空比為D0,根據(jù)基爾霍夫電壓定律有下式成立：

非直通時(shí),二極管D1導(dǎo)通,其等效電路圖如圖2所示(如逆變器處于傳統(tǒng)零矢量時(shí),可認(rèn)為i in＝0)。

圖2 新型Z源電壓型逆變器工作模式2等效電路圖

此時(shí),有下式成立：

由于Z源逆變器中電容容值較大,可以認(rèn)為電容電壓基本不變,根據(jù)電感的伏秒平衡原理,有

實(shí)用中,一般直通占空比D0＜0.5,而傳統(tǒng)的Z源電壓型逆變器其電容電壓為。顯然新型Z源電壓型逆變器電容電壓要比傳統(tǒng)Z源電壓型逆變器的電容電壓要低,而兩者的直流鏈升壓系數(shù)是相同的,都為。

傳統(tǒng)Z源電壓型逆變器啟動(dòng)時(shí)由于電容電壓為零,沖擊電流很大,對(duì)開關(guān)管的安全工作造成重大影響,甚至損壞開關(guān)管。而新型Z源電壓型逆變器在啟動(dòng)時(shí),逆變器開關(guān)管一般處于截止?fàn)顟B(tài),這樣可以通過(guò)合適的軟啟動(dòng)策略來(lái)限制啟動(dòng)電流大小,防止開關(guān)管承受過(guò)大的電流應(yīng)力而損壞。

3 調(diào)制策略以及電壓前饋反饋控制

新型Z源電壓型逆變器的調(diào)制策略與傳統(tǒng)Z源電壓型逆變器的調(diào)制策略是一樣的,可以采用簡(jiǎn)單升壓調(diào)制方式、最大恒定升壓調(diào)制方式、最大升壓調(diào)制方式、三次諧波注入調(diào)制方式、空間電壓矢量調(diào)制方式等,為了提高直流電壓的利用率,光伏照明系統(tǒng)新型Z源逆變器采用了空間電壓矢量調(diào)制方式。為了減小開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù),直通零矢量安排在兩個(gè)有效矢量之間以及有效矢量和傳統(tǒng)零矢量之間。為了減小Z源網(wǎng)絡(luò)中的電感值,采用單相直通方式來(lái)增加電感電流的脈動(dòng)頻率。在三相半橋逆變器中,某相上臂導(dǎo)通下臂關(guān)斷用“1”表示；下臂導(dǎo)通上臂關(guān)斷用“0”表示,上下臂直通用“2”表示。某時(shí)刻,假設(shè)需要構(gòu)造的電壓參考矢量處于第Ⅰ扇區(qū),則需要矢量100以及矢量110和傳統(tǒng)零矢量000或111來(lái)合成?？紤]到減小諧波以及合理地安排直通零矢量減小開關(guān)損耗,此時(shí)作用脈沖序列要對(duì)稱分布,可安排為000→200→100→120→110→112→111→112→110→120→100→200→000。相鄰兩個(gè)矢量切換時(shí)只需一個(gè)開關(guān)改變狀態(tài),這樣降低了開關(guān)損耗。其中200,120,112為單相直通零矢量,每段作用時(shí)間為D0T/6。有效矢量100,110的作用時(shí)間可以按照矢量合成的方法計(jì)算出來(lái),傳統(tǒng)零矢量000,111的作用時(shí)間在去除了有效矢量時(shí)間以及單相直通零矢量時(shí)間后可以確定下來(lái)。其他扇區(qū)的參考電壓矢量的脈沖序列可按照類似的方法合成。

要保證Z源逆變器輸出基波交流電壓值保持不變,需要根據(jù)輸入電壓值以及負(fù)載情況調(diào)節(jié)直通占空比D0以及調(diào)制比M,此時(shí)需要調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)D0和M,這樣會(huì)給控制環(huán)的設(shè)計(jì)以及參數(shù)的整定帶來(lái)麻煩,一般都是先選擇合適的調(diào)制比M,然后固定不變,改變直通占空比D0調(diào)節(jié)逆變器直流鏈電壓。再者,如果設(shè)計(jì)兩個(gè)閉環(huán)來(lái)保持輸出基波交流電壓不變,由于兩個(gè)閉環(huán)存在著耦合關(guān)系,較難保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,引入了電壓前饋加反饋控制,把輸入電壓變化對(duì)輸出基波電壓的影響作為大擾動(dòng),而把負(fù)載變化對(duì)輸出基波電壓的影響作為小偏差。對(duì)于Z源逆變器輸入電壓的變化采用前饋補(bǔ)償控制策略,直接通過(guò)采樣輸入電壓控制直通占空比D0,使逆變器直流鏈峰值電壓維持恒定,實(shí)現(xiàn)直流鏈峰值電壓的粗調(diào),抑制輸入電壓擾動(dòng)的影響。對(duì)于逆變器負(fù)載變化采用輸出電壓基波峰值反饋控制方案,由于輸出電壓峰值為一直流量,當(dāng)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)不存在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)誤差,實(shí)現(xiàn)直流鏈電壓峰值的細(xì)調(diào)以及抑制負(fù)載擾動(dòng)的影響。新型Z源電壓型逆變器控制框圖如圖3所示。圖中V R為給定值,即希望加在負(fù)載上的基波峰值電壓,為反饋值。給定值與反饋值比較后,偏差值輸入帶限幅的PI調(diào)節(jié)器后得到參考電壓值,通過(guò)電壓空間矢量調(diào)節(jié)算法得到有效矢量的作用時(shí)間和傳統(tǒng)零矢量作用時(shí)間,然后在與前饋計(jì)算中得到直通占空比進(jìn)行信號(hào)合成,將傳統(tǒng)零矢量的一部分作用時(shí)間變成直通零矢量作用時(shí)間。根據(jù)計(jì)算出來(lái)的各個(gè)矢量作用時(shí)間合理排列好矢量作用脈沖序列,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)Z源電壓型逆變器的開關(guān)器件,產(chǎn)生所需的基波電壓值。

圖3 光伏照明系統(tǒng)新型Z源逆變器控制框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

光伏照明系統(tǒng)新型Z源電壓型逆變裝置研制出來(lái)后對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)以及啟動(dòng)實(shí)驗(yàn),裝置元件參數(shù)為：Z源逆變器輸入直流電壓Vdc為250V,光伏電板等效電阻1Ω,Z源電感L1、L2為0.6m H,Z源電容C1、C2為2200u F,輸出濾波電感L為1m H,輸出濾波電容C為15u F,燈負(fù)載單相等效電阻為15Ω,等效電感為0.1m H,輸出交流電頻率為50Hz,額定相電壓有效值為110V,采用SVPWM調(diào)制方式,直通占空比額定值為0.19,調(diào)制比額定值為0.778。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如圖4所示

圖4 光伏照明系統(tǒng)Z源逆變器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形圖

圖4為新型Z源逆變器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的相關(guān)電參量波形圖,圖4(a)為新型Z源電感電流波形,圖4(b)為新型Z源電容電壓波形,圖4(c)為新型Z源逆變器直流鏈電壓Ud波形,圖4(d)為新型Z源逆變器濾波后輸出A相相電壓UA波形圖。從圖中可以看出新型Z源逆變器電容電壓為74V,大大低于直流輸入電壓,Z源電感電流平均值約為10A,直流鏈電壓峰值為400V。