基于dmwpwm的三電平z源逆變器中點電位平衡控制

0新型z源變壓器拓撲中點三平壓逆差的特點比兩平壓結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點。例如，功率管的電壓強度低，開關(guān)損失低，波形波形含量低。因此，它是中壓之間的交流、fabc和并網(wǎng)的首選。盡管中點箝位三電平逆變器具有較好的輸出性能,但其仍屬降壓型逆變器。為了輸出幅值較高的交流電壓,傳統(tǒng)解決辦法是在直流側(cè)增加一級升壓電路,這在增加系統(tǒng)硬件成本的同時也增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性,而Z源逆變器只需在中間直流環(huán)節(jié)增加一個X形阻抗網(wǎng)絡(luò),通過合理的直通控制即可實現(xiàn)直流升壓作用。新加坡學者LohP.C.在文獻中最先提出三電平Z源逆變器拓撲,但均采用雙直流電源結(jié)構(gòu)。文獻提出一種單直流電源電容分壓結(jié)構(gòu)的NPC三電平Z源逆變器拓撲,并采用直通占空比前饋補償法抑制中點電位低頻波動及直流偏移,該方法只需檢測上下電容電壓,較易實現(xiàn),但需人為設(shè)置一個比例系數(shù),且在實時改變直通占空比控制中點電位的同時,會在直通占空比中引入高頻分量,增加輸出電壓的諧波含量。因此,維持恒定直通占空比條件下的消除中點電位低頻振蕩及抑制直流偏移成為電容分壓NPC三電平Z源逆變器的研究重點。本文針對單電源電容分壓式NPC三電平Z源逆變器拓撲,介紹上下直通狀態(tài)與中點電位的關(guān)系,分析DMWPWM原理,提出一種基于DMWPWM的三電平Z源逆變器中點電位平衡控制方法。該方法在不改變直通占空比的基礎(chǔ)上較好地抑制中點電位低頻波動及直流偏移。最后仿真驗證所提出控制方法的有效性。1系統(tǒng)工作原理圖1所示為單電源電容分壓式NPC三電平Z源逆變器拓撲,Vo為直流電源。與傳統(tǒng)NPC三電平逆變器相比,該拓撲在直流側(cè)增加一個Z源阻抗網(wǎng)絡(luò),其中LZ1=LZ2、CZ1=CZ2,直流電源經(jīng)電容C1、C2(C1=C2)分壓后形成中點o并連接至三相逆變橋的中點,系統(tǒng)可工作于傳統(tǒng)NPC三電平逆變狀態(tài)、上直通狀態(tài)及下直通狀態(tài)。其中,上直通對應(yīng)導(dǎo)通D1、SX1、SX2、SX3、DX2(X=A,B,C),下直通對應(yīng)導(dǎo)通D2、SX2、SX3、SX4、DX1。為了維持Z源網(wǎng)絡(luò)輸出電壓平衡,減小逆變器輸出電壓的諧波含量,上直通時間TU與下直通時間TG需保持相等。滿足TU=TG=T0條件下的Z網(wǎng)絡(luò)輸出電壓Vi為式中:直通占空比D=T0/T;升壓系數(shù)B=1/(1-2D)。輸出相電壓峰值為式中:M為調(diào)制系數(shù);X∈{A,B,C}。由式(1)、式(2)可知,系統(tǒng)降壓運行時可令T0=0、B=1;升壓運行時T0>0、B>1。2內(nèi)壓層內(nèi)中點電流的影響NPC三電平Z源逆變器每相有P、O、N三種狀態(tài),設(shè)一個開關(guān)周期內(nèi)X相箝位于O狀態(tài)的占空比為dX0,則一個開關(guān)周期內(nèi)流入中點o的電流為中點電位uo與平均中點電流io的關(guān)系為式中,C=C1=C2為分壓電容。由文獻,NPC三電平Z源逆變器在傳統(tǒng)PWM調(diào)制下,中點電位低頻波動無法消除的根本原因是中點電流io在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值不為零。因此,為了使分壓電容均壓,需維持單位開關(guān)周期內(nèi)io的平均值恒為零。NPC三電平Z源逆變器脈寬調(diào)制時直通狀態(tài)的插入需維持負載側(cè)伏秒平衡,文獻具體分析了參考矢量位于不同扇區(qū)時兩種直通狀態(tài)對平均中點電流的影響,得出一個重要結(jié)論:當上下直通時間相等時,平均中點電流與直通狀態(tài)無關(guān),即只需維持無直通狀態(tài)插入時的平均中點電流恒為零,即可保證直通狀態(tài)插入后的中點電位不出現(xiàn)低頻波動。根據(jù)前述平均中點電流數(shù)學模型,在任意開關(guān)周期內(nèi),三相負載對稱且維持dA0=dB0=dC0即可保證中點電流平均值恒為零。由PWM調(diào)制理論,線性調(diào)制區(qū)內(nèi)的dX0可表示為因此,為了使平均中點電流為零,三相零狀態(tài)占空比需相等,即三相調(diào)制波需滿足3中點電位平衡法的確定3.1調(diào)制波的分解傳統(tǒng)單調(diào)制波載波PWM不滿足式(6),因而不能消除中點電位低頻波動。而新穎的雙調(diào)制波技術(shù)可以在遵循電壓等效原則與中點平衡原則的基礎(chǔ)上,把每一相的單調(diào)制波分解為雙調(diào)制波,以增加零狀態(tài)占空比的分配自由度,從而使io=0恒成立。調(diào)制波分解步驟如下:(1)對三相參考電壓uA、uB、uC進行居中化處理。居中化后的三相調(diào)制波為式中,uoff=-(max(uA,uB,uC)+min(uA,uB,uC))/2。居中化的三相調(diào)制波在任意時刻可分為最大電壓umax、中間電壓umid、最小電壓umin。(2)分解每一相居中化的單調(diào)制波,即uctrX=uctrXp+uctrXn。其中上調(diào)制波uctrXp≥0,下調(diào)制波uctrXn≤0。令uXn-uXp=(min(uA,uB,uC)-max(uA,uB,uC))/2,則三相雙調(diào)制波信號分解后的A相雙調(diào)制波信號如圖2所示,三相零狀態(tài)占空比示意圖如圖3所示。可見,任意開關(guān)周期內(nèi)dmax0=dmido=dmin0,中點電位低頻波動得以消除。3.2中間電壓相對應(yīng)的狀態(tài)變化規(guī)律通過對umax、umid、umin分解的雙調(diào)制波與載波進行比較并分析,一個開關(guān)周期內(nèi)最大電壓相對應(yīng)的狀態(tài)變化規(guī)律為{1,0,0,1},中間電壓相對應(yīng)的狀態(tài)變化規(guī)律為{1,0,-1,-1,0,1},最小電壓相對應(yīng)的狀態(tài)變化規(guī)律為{0,-1,-1,0}。據(jù)此,本文設(shè)計一種新穎的上下直通狀態(tài)插入方法,即:上直通狀態(tài)插入于最大電壓相處于中間位置零狀態(tài)的外側(cè),下直通狀態(tài)插入于最小電壓相處于兩側(cè)位置零狀態(tài)的內(nèi)側(cè),具體原理圖如圖4所示。由圖4,前半個開關(guān)周期內(nèi),上直通狀態(tài)只是延遲關(guān)斷SX1,下直通狀態(tài)只是提前導(dǎo)通SX4,因此不會增加開關(guān)損耗。3.3中點電位控制原理NPC三電平Z源逆變器正常工作時,直通狀態(tài)的插入、中點電位初始不平衡、逆變器硬件參數(shù)不對稱或PWM不對稱等原因都有可能使中點電位產(chǎn)生直流偏移,因此在消除中點電位低頻波動的同時,需要對中點電位的直流偏移進行控制。根據(jù)上節(jié)提出的直通狀態(tài)插入方法,本文采用中點電位反饋控制,通過實時調(diào)節(jié)中間電壓雙調(diào)制波,靈活改變中間電壓零狀態(tài)占空比,消除上下直通等因素對中點電位的影響,具體控制原理圖如圖5所示。設(shè)中間電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)量為Δu,即經(jīng)過動態(tài)調(diào)節(jié),式(9)仍滿足電壓等效原則,但中間電壓零狀態(tài)占空比改變,變化量Δdmido=-2Δu,平均中點電流io=Δdmidoimid。由電荷守恒定律可得式中,uo=(VC2-VC1)/2;imid為中間電壓相的電流;T為開關(guān)周期。Δu的約束條件為4不同電壓下的仿真基于Matlab對所提出的中點電位控制方法進行仿真驗證。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。設(shè)0.2s前直通占空比D=0,系統(tǒng)工作于非升壓狀態(tài),0.2s后進行升壓,D=0.1。仿真結(jié)果如圖6~圖9所示。圖6所示為分壓電容無初始電壓的傳統(tǒng)單調(diào)制波調(diào)制仿真結(jié)果。由于直通狀態(tài)的插入不影響中點電位,VC1、VC2維持200V左右,但由于三相零狀態(tài)占空比不等,VC1、VC2及VZC1、VZC2存在幅值較大低頻波動。圖7所示為分壓電容無初始電壓且施加中點電位振蕩控制的仿真結(jié)果。0.2s前Z源網(wǎng)絡(luò)輸出電壓Vi等于直流輸入電壓400V,0.2s后升壓運行,Vi峰值上升至500V。由于未加中點電位直流偏移控制,不對稱因素使得VC1、VC2出現(xiàn)圖7(c)所示的嚴重偏差,導(dǎo)致上下直通狀態(tài)下的Z源網(wǎng)絡(luò)輸出電壓不相等。但此時三相零狀態(tài)占空比相等,平均中線電流為零,VZC1、VZC2的低頻振蕩較傳統(tǒng)單調(diào)制波調(diào)制時有較大的改善。圖8所示為分壓電容無初始電壓且施加中點電位平衡控制的仿真結(jié)果。由于施加中點電位直流偏移控制,直流側(cè)分壓電容均壓,較好地抑制了中點電位的低頻振蕩及直流偏移,升壓運行時上下直通狀態(tài)下的Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓相等。圖9所示為施加中間電位平衡控制且分壓電容初始電壓不等條件下的VC1、VC2波形。設(shè)C1初始電壓300V,C2初始電壓100V,經(jīng)過0.015s中點電位達到平衡,有效驗證了本文中點電位直流偏移控制方法的有效性。5采用雙調(diào)制波振幅控制本文研究了單直流電源電容分壓結(jié)構(gòu)的NPC三電平Z源逆變器,介紹了系統(tǒng)直通原理及上下直通時間與