三电平Z源逆变器SPWM调制策略的研究

传统逆变器上下桥臂直通时会造成逆变器短路,为避免这一情况通常需要在逆变器控制信号中引入死区,进而造成逆变系统安全性下降输出谐波含量增加。Z源逆变器成功地克服了传统逆变器的缺陷和不足。Z源三电平逆变器有效地结合了Z源网络特性与传统三电平逆变器的优点。文章通过分析Z源三电平逆变器的工作原理,结合传统三电平逆变器的PWM控制策略,分别研究了适于Z源三电平逆变器控制的改进载波同相层叠调制、改进载波反相层叠调制和三次谐波注入载波同相层叠载波调制。仿真结果验证了三种调制策略的可行性。     

三电平Z源逆变器SPWM调制策略的研究

Z源逆变器因能够实现上下桥臂直通,避免死区引入,能有效提高逆变系统安全性,减小输出的谐波含量而成为逆变器研究的热点。在传统三电平逆变器的前端引入Z源网络,构成Z源三电平逆变器。以单Z源三电平逆变器的工作原理为基础,参考传统三电平的SPWM调制策略,应用Z源逆变器简单升压控制原理,分别研究了改进载波同相层叠和改进载波反相层叠两种正弦调制方法,并通过相应的仿真实验验证了两种调制策略的有效性。     

空间矢量调制的五相Z源逆变器

为了提高传统五相电压源逆变器的直流电压利用率,在两电平逆变器拓扑结构的基础上提出了五相Z源逆变器的电路拓扑结构。逆变器利用Z源网络的升压特性,在开关切换时刻插入直通状态,使直流母线电压升高,从而提高了五相电压源逆变器的直流电压利用率和电压传输比。为减小逆变器输出电压谐波,采用优化的空间矢量调制算法对五相Z源逆变器进行调制,其中通过最小化三次谐波子空间的合成矢量来使输出电压的谐波减小。利用SIMULINK对五相Z源逆变器进行仿真,并采用基于数字信号处理器(digital signal processor,DSP)控制的实验平台对其进行实验验证。仿真和实验结果验证了该逆变器的可行性和调制算法的有效性。五相Z源逆变器能提高逆变器直流电压的利用率,可以用于直流电压受限的场合。     

APOD载波调制三电平Z源逆变器

根据中点钳位三电平单Z源逆变器的拓扑结构,详细分析了其3种工作状态。与传统逆变器不同,直通状态的插入不仅省去死区的设置以及死区时间的补偿,同时实现了逆变器升压输出的效果。根据直通矢量插入特点,提出一种基于交替反相层叠载波调制(APOD)的三电平Z源逆变器脉宽调制方法。该方法将直通状态插入于零矢量中,实现直流链的全直通,获得升压能力的同时又不增加开关损耗。仿真和实验结果表明该调制策略能够实现逆变器升压输出,验证了所提出的APOD载波调制三电平Z源逆变器控制策略的有效性。     

Z源逆变器空间矢量调制的新策略

与传统逆变器相比,Z源逆变器允许逆变桥臂直通,通过控制一个周期内直通状态的时间便可实现输入直流电压的升降变换。首先,分析两种Z源逆变器的改进型拓扑并详细说明其工作原理;接着,阐述了Z源逆变器的空间矢量调制方法,进而提出一种新的基于直通零矢量作用时间分配的调制策略,以充分利用传统零矢量,并对开关表进行优化,减小损耗,实现最大升压,充分提高逆变器工作性能;再基于Matlab/Simulink仿真平台搭建了主电路模型,采用基于C语言编程的S函数建模法实现Z源逆变器的新型调制策略进行仿真实验。最后,设计了1台基于DSP TMS320F28335控制的小功率样机,并进行了实验验证。实验波形很好地验证了改进型拓扑的优势,充分说明了新策略的可行性、有效升压性。     

H桥多电平逆变器的混合载波交叠式PWM控制

为了增大逆变器的功率等级,改善输出电压的波形质量,提出了一种级联H桥多电平逆变器拓扑和与其相对应的PWM载波调制控制策略。该方法是根据传统混合频率载波调制策略,采用了同相的交叠式三角载波调制,结合了同相层叠式载波调制较好的消谐特点以及使高低压单元功率自然平衡的特点,使级联H桥多电平逆变器拓扑结构不仅可以输出多电平,还能解决混合调制下的功率环流现象,而且逆变器模块化比较简单,可以使逆变器在输出周期内功率达到自然平衡。以2个高低压单元为例,进行了仿真实验。实验结果验证了该逆变器结构和控制策略的可行性。     

开关电感Z源三电平中点钳位逆变器的研究

Z源三电平中点钳位逆变器有效地结合了Z源网络的开关电感特性和三电平逆变器的特点,但升压能力有限。针对这一问题,文章提出了开关电感Z源三电平中点钳位逆变器。新逆变器通过改进电路拓扑获得了更强的升压能力,能显著提高系统的输出电压。文章采用改进载波同相层叠调制法控制开关管的工作,该方法简单、可靠、易于实现。仿真结果验证了新拓扑的可行性及有效性。     

一种倍压开关电容型Quasi-Z源逆变器

为弥补传统准Z源逆变器升压能力弱,电容和开关管电压应力较高,直流源输出电流断续,纹波较大,强升压能力与输出优质波形冲突等缺点,提出了一种倍压开关电容型Quasi-Z源逆变器拓扑。该拓扑是在传统准Z源逆变器的基础上通过增加一个开关电容网络、一个升压电感和一个续流二极管并经优化设计而成。通过采用简单升压调制策略控制开关管通断,实现三相桥臂直通使阻抗源进行储能,进而完成单级升压逆变的过程。该结构较传统Z源逆变器拥有成倍的升压能力,且在直通占空比较低的情况下升压能力依然具有较明显的优势,同时具有电容电压应力低,直流源输出电流连续等优点。通过仿真和实验验证了其准确性与优越性。     

增强型Z源逆变器

Z源逆变器利用特殊的X型LC网络实现升降压功能,同桥臂允许直通,提高了逆变器的可靠性.但传统Z源逆变器的升压能力有限,不适用于需要高升压增益的场合.提出一种增强型Z源逆变器拓扑,其具有以下优点:显著增强了逆变器的升压能力,扩大了Z源逆变器的应用场合;实现高调制因子,提高整个逆变器输出的电能质量;有效地降低Z源网络电容的电压应力,有助于减小系统的体积和成本.对增强型拓扑进行了稳态分析,仿真和实验结果验证了该逆变器拓扑的特点.     

一种单相五电平逆变器及其控制策略

针对中点钳位型多电平逆变器直流电压源利用率低、中点电位不平衡等问题,提出了一种两级式单相五电平逆变器。该五电平逆变器的前级可等效为三电平DC/DC变换器,后级通过连接H桥电路实现逆变。该五电平逆变器与中点钳位型三电平逆变器相比,直流电压利用率提高了4倍,同时利用单滞环比较器实现了中点电位平衡,应用载波层叠调制技术、单闭环完成了逆变器的调制与控制。最后搭建模型进行仿真,验证了该五电平逆变器的可行性和正确性。     

单相Z源三电平中点钳位逆变器空间矢量调制方法

研究了一种单相Z源三电平中点钳位（NPC）逆变器。提出了一种适用于该单相Z源三电平NPC逆变器的空间矢量脉宽调制（SVPWM）方法,实现了逆变器的升压输出。根据负载电流方向和直流侧分压电容电压偏差的大小,通过调整正负小矢量的作用时间,实现了直流侧分压电容中点电位的平衡控制。仿真结果验证了该单相Z源三电平逆变器及其空间矢量调制方法的有效性。     

基于滑模控制的新型双准Z源NPC型五电平逆变器并网控制策略

针对传统双Z源二极管箝位(NPC)型五电平逆变器的Z源网络电感启动电流过大、升压能力有限等问题,提出一种新型的双准Z源NPC型五电平逆变器拓扑结构。用一种新型的双准Z源结构代替传统的双Z源结构,能够降低近2/3的Z源网络电感启动电流,提升逆变器直流侧电压接近2倍。将滑模控制应用到准Z源五电平逆变器系统的控制中,该方法无需线性化处理,只需通过系统数学模型就可推导出适当的控制规律。分析新型双准Z源五电平逆变器拓扑的工作原理;应用状态空间法和小信号模型对准Z源五电平并网系统进行数学模型推导和分析,并进行滑模控制器的设计;仿真和硬件实验结果表明,与传统比例-积分(PI)控制相比,滑模控制能够显著提高系统稳定性,降低电流谐波。     

新型Z源不对称三电平逆变器及中点电位控制方法研究

为克服单Z源中点箝位型NPC(neutral point clamped)三电平逆变器主电路所需器件多、硬件成本高的缺点,提出了一种新型Z源不对称三电平逆变器拓扑结构,该拓扑不需要箝位二极管,同时保持了Z源三电平逆变器的固有优势。根据其特有的上、下直通状态插入规律以及对中点电位的影响,提出一种最优空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse width modulation)控制策略,通过调节上、下直通时间,在实现直流升压的同时有效抑制了中点电位的偏移,且最大程度减小了直通动作产生的开关损耗。通过MATLAB/Simulink仿真,验证了该方法的可行性和有效性。     

Z源级联三电平中点钳位逆变器

将Z源网络级联,并采用交替反相电压偏移(alternativephase opposition disposition,APOD)的方法对逆变器进行控制。在matlab/sinmulink下,建立Z源级联三电平逆变器的APOD调制模型,仿真结果显示新型拓扑升压因子有明显提高。为进一步验证新拓扑的有效性,进行了Z源级联逆变器的试验研究,试验结果证实新拓扑能够提高升压因子,扩大Z源逆变器的电压调节范围。     

抑制Z-源逆变器母线电压跌落的空间矢量脉宽调制方法

在深入分析Z-源三相逆变电路工作过程中存在的二极管断流以及由此导致的直流母线电压跌落问题的基础上,导出了直流母线电压跌落的表达式,并提出一种新的空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法。该方法根据Z-源网络中所独有的直通工作状态,在不改变硬件电路的前提下,通过合理地插入直通零矢量来避免电路的非正常工作状态,保持直流母线电压的稳定,提高逆变器的输出电压质量。在满载和轻载两种工况下,对比分析了本文SVPWM方法和传统SVPMW方法对Z-源网络的直流母线电压的影响。最后,通过仿真和实验验证了本文SVPWM方法的正确性和有效性。     

Novel Pulse-width Modulation Strategy to Minimize the Switching Losses of Z-Source Inverters

This article proposes a novel pulse-width modulation strategy to minimize switching losses of the Z-source inverter. The Z-source inverter has different pulse-width modulation patterns unlike the conventional voltage source inverter. Shoot-through states have been inserted within the zero states of the traditional pulse-width modulation patterns of a voltage source inverter to boost DC input voltage. Thus, the Z-source inverter has six active states, two zero states, and additional shoot-through states differentiating the Z-source and conventional voltage source inverters. The currents flowing through the switches of the Z-source inverter are larger than those of the conventional voltage source inverter, because Z-network currents must flow through the switches during the shoot-through states. Therefore, shoot-through currents increase the total switching losses of the Z-source inverter. In this article, switching losses of the Z-source inverter with the existing pulse-width modulation strategy are analyzed in detail. Then, new modulation signals of the Z-source inverter are introduced to produce unique pulse-width modulation patterns that minimize the switching losses of the Z-source inverter. The switching losses of the Z-source inverter with both pulse-width modulation strategies are simulated and compared. In addition, an experimental system has been built and tested to verify the effectiveness of the proposed strategy.     

简化型Z源并网逆变器

针对传统Z源逆变器电路体积庞大、启动冲击大、输入电流断续造成直流电压利用率低,提出了一种简化型Z源逆变器拓扑.该拓扑在基本保持传统Z源逆变器升压能力的前提下,减少阻抗网络中高压电容的数量,用二极管为直通状态下的阻抗网络电感电流提供续流电路,减小了电路的体积及设计成本,同时该拓扑不存在启动冲击问题,保证了输入电流的连续.将该拓扑应用于三相并网系统,基于dq坐标系电流解耦及阻抗网络电容电压恒定的原则设计了控制系统.对其稳态输出、并网功率突变、输入电压扰动等情况进行了仿真分析,验证了拓扑的可行性及性能.     

Pulsewidth-Modulated Z-Source Neutral-Point-Clamped Inverter

This paper presents the careful integration of a newly proposed Z-source topological concept to the basic neutral-point-clamped (NPC) inverter topology for designing a three-level inverter with both voltage-buck and voltage-boost capabilities. The designed Z-source NPC inverter uses two unique X-shaped inductance-capacitance (LC) impedance networks that are connected between two isolated dc input power sources and its inverter circuitry for boosting its AC output voltage. Through the design of an appropriate pulsewidth-modulation (PWM) algorithm, the two impedance networks can be short-circuited sequentially (without shooting through the inverter full DC link) for implementing the ldquonearest-three-vectorrdquo modulation principle with minimized harmonic distortion and device commutations per half carrier cycle while performing voltage boosting. With only a slight modification to the inverter PWM algorithm and by short-circuiting the two impedance networks simultaneously, the designed NPC inverter, with no requirement for deadtime delay, can also be operated with a completely eliminated common-mode voltage. Implementation wise, a detailed vectorial analysis interestingly shows that the same generic set of carrier-based modulation expressions can be used for controlling the -source two-level inverter and NPC inverter with and without reduced common-mode switching. All findings presented in this paper have been confirmed in simulation and experimentally using an implemented laboratory prototype.     

三相负载不对称的Z源逆变器控制方法研究

在电源逆变器中,往往存在着负载不平衡的问题。为了解决这个问题,将采用一种新的解决方法,即引入一种新结构的Z源逆变器。在Simulink环境下建立系统仿真模型,采用空间电压脉冲矢量控制策略,构建Z源逆变器直通状态来解决三相不平衡负载的电压不对称导致的各种电器损坏问题。理论结合仿真实验,论证了其正确性。     

双向Z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法

双向串联型Z源三电平逆变器直流输入电压通过分压电容分压,存在中点电位平衡问题。但是,现有针对于Z源三电平逆变器的中点电位平衡算法具有以下缺点：1)不适用于双向变流器;2)由于中点电位平衡与Z源升压相互制约,且传统SVPWM策略整体升压能力小,中点电位平衡控制困难。针对以上问题,通过扩展直通状态的作用时间,提高SVPWM策略的整体升压能力;进而将动态平衡因子与Z源升压耦合,提出双向Z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法。仿真结果表明：1)相比于传统SVPWM算法,基于改进SVPWM算法,改进拓扑的整体升压能力提高;2)在逆变、整流和低功率因数3种工况下,能够维持中点电位平衡。