CN105450076A - Z源三电平逆变器及空调*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Z源三电平逆变器，其与智能功率模块相连接，智能功率模块与永磁同步电机相连接，Z源三电平逆变器包括分压电容器、第一二极管D1、第二二极管D2、X形阻抗网络以及双向变流器，其中，双向变流器采用半桥两桥臂二极管箝位三电平拓扑结构。本发明可以实现低漏电流，高进网电流质量，整流可以实现提高耐压等级，降低交流谐波电压、电流，提高功率因数，此外，本发明结构简单，效率较高，具有较好的扰动抑制能力，可以消除输出电流中的稳态误差。

Description

Z源三电平逆变器及空调***

技术领域

本发明涉及逆变器领域，特别地涉及Z源三电平逆变器及含有该Z源三电平逆变器的空调***。

背景技术

能源供应紧张和环境保护的压力使清洁可再生能源发电技术在世界范围内受到高度重视。其中，光伏发电具有无地域限制、无燃料消耗、无污染物和噪声排放等特点，在提供清洁、可靠的电力方面具有明显的优势。目前光伏产业正在由“补充能源”走向“替代能源”。并网变换器是光伏并网发电***的核心装置，其拓扑结构对转换效率及成本控制起着至关重要的作用。传统变换器上下桥臂直通时会造成变换器短路，为避免这一情况通常需要在变换器控制信号中引入死区，进而造成变换器安全性下降输出谐波含量增加；为提高转换效率，如果采用无隔离变压器结构，但势必会造成电压变换率高、输出共模电压高及谐波含量高等缺陷。当前光伏空调并网环节如果采用隔离变压器实现光伏电池向电网的电能传递，使***存在成本高、重量重、体积大，转换效率低等缺点。当前三相光伏空调及***拓扑结构如图1所示。电网输入端为380V三相交流电源，采用三相不可控整流+PFC拓扑或双向全桥PWM变换，为三相交流负载(压缩机)供电，其中不可整流+PFC变换，给电网带来大量的无功功率及谐波污染，而双向全桥PWM变换，采用了隔离变压器进行电网与光伏逆变环节进行隔离，从而增加***体积、重量和成本，同时降低了变换效率。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的采用无隔离变压器结构则电压变换率高、输出共模电压高及谐波含量高等缺陷或者采用隔离变压器则使***存在成本高、重量重、体积大，转换效率低等技术问题，本发明提供一种Z源三电平逆变器。

本发明提供了一种Z源三电平逆变器，其与智能功率模块相连接，智能功率模块与永磁同步电机相连接，Z源三电平逆变器包括分压电容器、第一二极管D1、第二二极管D2、X形阻抗网络以及双向变流器，其中，双向变流器采用半桥两桥臂二极管箝位三电平拓扑结构。

作为优选，分压电容器包括串联连接的C_dc1和C_dc2，太阳能电池板输出的直流电压Upv经分压电容器C_dc1和C_dc2分压后，通过第一二极管D1和第二二极管D2输入至X形阻抗网络。

作为优选，X形阻抗网络包括第一电感器L1、第二电感器L2以及第一电容器C1、第二电容器C2。

作为优选，双向变流器包括第一至第八功率开关晶体管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4以及第三至第六二极管Da5、Da6、Db5、Db6，

作为优选，其中，第一二极管D1的阳极与分压电容器C_dc1的正极连接，并且第一二极管D1的阴极与X形阻抗网络中的第一电感器L1的一端以及第一电容器C1的一端连接；第二二极管D2的阴极与第二分压电容器C_dc2的负极和接地电压连接，并且第二二极管D2的阳极与X形阻抗网络中的第二电感器L2的一端和第二电容器C2的一端连接；第一电感器L1的另一端与第二电容器C2的另一端以及双向变流器中的第一功率开关晶体管Sa1的漏极和第五功率开关晶体管Sb1的漏极连接，并且与智能功率模块的输入端连接；第二电感器L2的另一端与第二电容器C1的另一端以及双向变流器中的第四功率开关晶体管Sa4的源极和第八功率开关晶体管Sb4的源极连接。

作为优选，第一功率开关晶体管Sa1的源极连接第二功率开关晶体管Sa2的漏极以及第三二极管Da5的阴极，第二功率开关晶体管Sa2的源极与第三功率开关晶体管Sa3的漏极连接并且经由电感器Lb成为三相电网的B相电压Ub，第三功率开关晶体管Sa3的源极连接第四功率开关晶体管Sa4的漏极以及第四二极管Da6的阳极，其中，第四二极管Da6的阴极和第三二极管Da5的阳极与参考电压0连接，第五功率开关晶体管Sb1的源极连接第六功率开关晶体管Sb2的漏极以及第五二极管Db5的阴极，第六功率开关晶体管Sb2的源极与第七功率开关晶体管Sb3的漏极连接并且经由电感器La成为三相电网的A相电压Ua，第七功率开关晶体管Sb3的源极连接第八功率开关晶体管Sb4的漏极以及第六二极管Db6的阳极，第八功率开关晶体管Sb4的源极与X形阻抗网络中的电感器L2的另一端以及第四功率开关晶体管Sa4的源极连接，第六二极管Db6的阴极和第五二极管Db5的阳极与参考电压0连接，并且经由电感器Lc成为三相电网的C相电压Uc。

本发明还提供一种空调***，其包括根据上述任一技术方案中的Z源三电平逆变器。

作为优选，空调***还包括锁相环、与Z源三电平逆变器连接的空间矢量脉宽调制模块和最大功率跟踪模块，空间矢量脉宽调制模块与比例积分模块和比例谐振模块相连接。

作为优选，Z源三电平逆变器通过锁相环与第二坐标变换器连接，Z源三电平逆变器通过第一坐标变换器、比较器和比例谐振模块相连接。

作为优选，比例谐振模块包括比例调节器和谐振调节器，其传递函数为： $G\left(s\right)=K_p+K_{I}s/s^2+{\mathrm{\ω}}_o^2.$

本发明提出的一种三相非隔离并网逆变器一改以往采用的全桥IPM来实现双向AC/DC，提出半桥二极管箝位三电平双向AC/DC拓扑结构，取代原先的BOOST型DC/DC升电路，采用新型Z源单级逆变拓扑结构，为更好实现正弦参考电流跟踪控制，本***中采用比例谐振控制。本发明的优点在于：采用新型双向AC/DC变换器，逆变可以实现低漏电流，高进网电流质量，整流可以实现提高耐压等级，降低交流谐波电压、电流，提高功率因数；Z源逆变器是单级***，具有单级逆变器结构简单的特点，效率比两级的高，而且克服了常规多电平逆变器只能降压不能升压的不足，同时，控制信号无需设置死区，继而避免了死区效应引起的波形畸变；比例谐振控制可以有效跟踪正弦参考值，且有较好的扰动抑制能力，可以消除输出电流中的稳态误差。

更为突出的是，通过精简隔离变压器实现非隔离，这种非隔离型并网逆变器结构不含变压器，具有效率高、体积小、重量轻和成本低等优势，同时，非隔离型逆变器结构导致电池板和电网之间存在电气连接，由于电池板对地寄生电容的存在，并网逆变器功率器件的开关动作可能产生高频时变电压作用在寄生电容之上，而在由电池板寄生电容、直/交流滤波器和电网阻抗等组成的谐振回路中，出于变换器效率优化的考虑其阻抗非常低，从而在该回路中产生的共模电流，即漏电流。基于二极管箝位三电平变换器拓扑结构具有弥补由无隔离变压器带来的漏电流和进网直流分量问题的结构优势，同时可以实现如单极性SPWM全桥逆变器一样的差模输出电压和开关器件电压应力低等优点。

附图说明

图1是传统三相光伏空调***示意图；

图2是本发明涉及的Z源三电平逆变器的电路图；

图3是本发明涉及的基于PR控制的Z源三电平逆变器的控制电路图；

图4是本发明涉及的Z源三电平逆变器的非直通工作模式的示意图；

图5是本发明涉及的Z源三电平逆变器的各状态等效电路图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的意图，下面结合附图对本发明内容做进一步说明。

参照图2，图2示出了一个实施例中的Z源三电平逆变器的电路结构图，该Z源三电平逆变器主要用于空调***中，图中的Upv代表太阳能电池板输出的直流电压，该Z源三电平逆变器与智能功率模块(IPM)相连接，该智能功率模块(IPM)与永磁同步电机(PMSM)相连接，这样能够通过Z源三电平逆变器控制永磁同步电机(PMSM)运行。具体地，该Z源三电平逆变器包括分压电容器、第一二极管D1、第二二极管D2、X形阻抗网络以及双向变流器，其中，该双向变流器采用半桥两桥臂二极管箝位三电平拓扑结构。

其中，分压电容器包括串联连接的C_dc1和C_dc2，第一分压电容器C_dc1的负极与第二分压电容器C_dc2的正极连接，太阳能电池板输出的直流电压Upv经分压电容器C_dc1和C_dc2分压后，通过第一二极管D1和第二二极管D2输入至X形阻抗网络。

X形阻抗网络包括第一电感器L1、第二电感器L2以及第一电容器C1、第二电容器C2，双向变流器包括第一至第八功率开关晶体管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4以及第三至第六二极管Da5、Da6、Db5、Db6，其中，第一二极管D1的阳极与分压电容器C_dc1的正极连接，并且第一二极管D1的阴极与X形阻抗网络中的第一电感器L1的一端以及第一电容器C1的一端连接；第二二极管D2的阴极与第二分压电容器C_dc2的负极和接地电压连接，并且第二二极管D2的阳极与X形阻抗网络中的第二电感器L2的一端和第二电容器C2的一端连接；第一电感器L1的另一端与第二电容器C2的另一端以及双向变流器中的第一功率开关晶体管Sa1的漏极和第五功率开关晶体管Sb1的漏极连接，并且与智能功率模块(IPM)的输入端连接；第二电感器L2的另一端与第二电容器C1的另一端以及双向变流器中的第四功率开关晶体管Sa4的源极和第八功率开关晶体管Sb4的源极连接。每个功率开关晶体管分别与一个二极管并联连接。

第一功率开关晶体管Sa1的源极连接第二功率开关晶体管Sa2的漏极以及第三二极管Da5的阴极，第二功率开关晶体管Sa2的源极与第三功率开关晶体管Sa3的漏极连接并且经由电感器Lb成为三相电网的B相电压Ub，第三功率开关晶体管Sa3的源极连接第四功率开关晶体管Sa4的漏极以及第四二极管Da6的阳极，其中，第四二极管Da6的阴极和第三二极管Da5的阳极与参考电压0连接，第五功率开关晶体管Sb1的源极连接第六功率开关晶体管Sb2的漏极以及第五二极管Db5的阴极，第六功率开关晶体管Sb2的源极与第七功率开关晶体管Sb3的漏极连接并且经由电感器La成为三相电网的A相电压Ua，第七功率开关晶体管Sb3的源极连接第八功率开关晶体管Sb4的漏极以及第六二极管Db6的阳极，第八功率开关晶体管Sb4的源极与X形阻抗网络中的电感器L2的另一端以及第四功率开关晶体管Sa4的源极连接，第六二极管Db6的阴极和第五二极管Db5的阳极与参考电压0连接，并且经由电感器Lc成为三相电网的C相电压Uc。本发明中采用的Z源三电平逆变器可以克服以下不足：(1)传统电压源变换器和电流源变换器只能升压或降压，导致输出电压范围有限；(2)上下桥臂的短路或开路，从而使桥臂开关管被过流或过压击穿。Z源三电平逆变器及其拓扑结构使桥臂直通成为一种正常工作状态，通过控制直通占空比，Z源三电平逆变器不仅可以实现升压输出，而且由于直通不会引起功率器件的损坏，可以大大提高***的可靠性，另外，控制信号无需设置死区继而避免了死区效应。这种拓扑结构相比传统结构具有并网电流质量高、***效率高及成本低等优势。

图3示出了采用Z源三电平逆变器进行控制的具体方式，其中图3中u_s是指当最大功率跟踪模块(MPPT)监测最高电压和电流值时，输出最大功率点电压u*_pv，然后对将该最大功率点电压u*_pv与所监测的电压Upv作比较所得到的结果输入到比例积分(PI)模块进行比例积分控制，控制所得到的结果为u_s。图3中u_α和u_β的计算步骤如下：

(1)通过第一坐标变换器按abc坐标向α/β坐标变换的方式来对逆变器输出三相电流ia、ib、ic进行变换，以得到两相电流iα、iβ。

(2)锁相环PLL通过对电网电压进行监控和检测，并且得到相位角θ。(3)将跨第一电容器C1的电压u_dc与输入电压u*_dc作比较，将对该比较得到的结果输入到比例积分模块(PI)进行比例积分控制所得到电流i*_d和输入电流i*q与相位角θ结合，通过第二坐标变换器进行从abc坐标向α/β坐标的变换，并且得到电流i*_α和i*_β。

(4)对将电流i*_α和i*_β分别与i_α和i_β作比较得到的结果输入到比例谐振模块(PR)进行比例谐振控制，以得到结果u_α和u_β。这里需要说明的是，传统变换器电网电压定向的矢量控制***一般采用PI控制器控制的直流电压外环、电流内环的双闭环结构。其需要经过多次坐标变换，并且需要前馈解耦控制，因而***结构复杂，实现困难。造成控制结构复杂的主要原因在于静止坐标中电流内环的指令信号是以基波频率ω_o变化的正弦波信号，而在静止坐标中若采用PI调节器无法实现对和的无静差跟踪控制。这里采用PR比例谐振模块，其可以不经过复杂的交直流变换，而是直接控制交流量，来达到消除稳态误差的目的。比例谐振模块包括比例调节器和谐振调节器，其传递函数为：其在基波频率ω＝ω_o处增益无穷大，而在非基波频率处增益很小，因此，PR谐振控制器可对频率ω＝ω_o的正弦信号实现无静差跟踪控制。

在进行电压控制时，将us、uα和uβ输入到空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块，进行空间矢量脉宽调制，输出SVPWM脉冲。将所得到的SVPWM脉冲分别输入到Z源三电平逆变器的各个功率开关晶体管，从而使Z源三电平逆变器输出合适的三相电压。

传统三电平变换器，无论工作于整流还是逆变状态，每个桥臂均有三个有效开关状态(1,0,-1)，而Z源三电平双向变流器需要引入直通状态，因此变换器需分两种情况讨论：直通与非直通，其工作状态如下表1所示。

表1单相桥臂开关状态及输出端电压

(1)当工作于非直通状态时,其等效电路如图5a所示，此时二极管D1、D2导通，逆变桥和负载可以等效为两个电流源。其中K1＝{1,若Sb1＝Sb2＝1；0，若Sb2＝Sb3＝1；-1,若Sb3＝Sb4＝1}，K2＝{1,若Sa1＝Sa2＝1；0，若Sa2＝Sa3＝1；-1,若Sa3＝Sa4＝1},其中开关Sai和Sbi(i＝1,2,3,4),Sai和Sbi导通时为1，反之为0。中性点n保持动态电压平衡，Vcd1＝Vcd2＝Udc/2，Van、Vbn分别有3种电平Udc/2、0、-Udc/2，而Vab有5种电平-Udc/2、-Udc、0、Udc、Udc/2，如表2所示，可以看出各开关管的耐压值为Udc/2，从而有效减小了各开关管的电压应力。此时三电平双向AC/DC变换器的9种工作模式如图4所示；

表2Z源三电平逆变器非直通有效开关状态

(2)上直通状态。当变换器的某相桥臂的上面三相开关管同时导通时，变换器进入上直通状态,此时二极管D1因承受正向电压而导通，电容Cdc1中的能量转移到电感L1中；二极管D2承受反向电压而截止，等效电路如图5b所示；

(3)下直通状态。当变换器的某相桥臂的下面三相开关管同时导通时，变换器进入下直通状态,此时二极管D2因承受正向电压而导通，电容Cdc2中的能量转移到电感L2中；二极管D1承受反向电压而截止，等效电路如图5c所示；

(4)全直通状态。当变换器某相桥臂的4个开关管同时导通时，变换器进入全直通状态，此时二极管D1、D2都承受反向电压而截止，等效电路如图5d所示。

为使Z源变换器输出电压Uo在两种直通状态下保持平衡，上、下直通时间应该保持一致。

本发明的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种Z源三电平逆变器，其与智能功率模块相连接，所述智能功率模块与永磁同步电机相连接，所述Z源三电平逆变器包括分压电容器、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、X形阻抗网络以及双向变流器，其中，所述双向变流器采用半桥两桥臂二极管箝位三电平拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的Z源三电平逆变器，其特征在于：所述分压电容器包括串联连接的第一分压电容器(C_dc1)和第二分压电容器(C_dc2)，太阳能电池板输出的直流电压经所述分压电容器(C_dc1和C_dc2)分压后，通过所述第一二极管(D1)和所述第二二极管(D2)输入至所述X形阻抗网络。

3.根据权利要求2所述的Z源三电平逆变器，其特征在于：所述X形阻抗网络包括第一电感器(L1)、第二电感器(L2)以及第一电容器(C1)、第二电容器(C2)。

4.根据权利要求3所述的Z源三电平逆变器，其特征在于：所述双向变流器包括第一至第八功率开关晶体管(Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4)以及第三至第六二极管(Da5、Da6、Db5、Db6)。

5.根据权利要求4所述的Z源三电平逆变器，其特征在于：其中，所述第一二极管(D1)的阳极与所述分压电容器(C_dc1)的正极连接，并且所述第一二极管(D1)的阴极与所述X形阻抗网络中的所述第一电感器(L1)的一端以及所述第一电容器(C1)的一端连接；所述第二二极管(D2)的阴极与所述第二分压电容器(C_dc2)的负极和接地电压连接，并且所述第二二极管(D2)的阳极与所述X形阻抗网络中的所述第二电感器(L2)的一端和所述第二电容器(C2)的一端连接；所述第一电感器(L1)的另一端与所述第二电容器(C2)的另一端以及所述双向变流器中的所述第一功率开关晶体管(Sa1)的漏极和所述第五功率开关晶体管(Sb1)的漏极连接，并且与所述智能功率模块的输入端连接；所述第二电感器(L2)的另一端与所述第二电容器(C1)的另一端以及所述双向变流器中的所述第四功率开关晶体管(Sa4)的源极和所述第八功率开关晶体管(Sb4)的源极连接。

6.根据权利要求5所述的Z源三电平逆变器，其特征在于：所述第一功率开关晶体管(Sa1)的源极连接所述第二功率开关晶体管(Sa2)的漏极以及所述第三二极管(Da5)的阴极，所述第二功率开关晶体管(Sa2)的源极与所述第三功率开关晶体管(Sa3)的漏极连接并且经由电感器(Lb)成为三相电网的B相电压，所述第三功率开关晶体管(Sa3)的源极连接所述第四功率开关晶体管(Sa4)的漏极以及所述第四二极管(Da6)的阳极，其中，所述第四二极管(Da6)的阴极和所述第三二极管(Da5)的阳极与参考电压连接，所述第五功率开关晶体管(Sb1)的源极连接所述第六功率开关晶体管(Sb2)的漏极以及所述第五二极管(Db5)的阴极，所述第六功率开关晶体管(Sb2)的源极与所述第七功率开关晶体管(Sb3)的漏极连接并且经由电感器(La)成为三相电网的A相电压，所述第七功率开关晶体管(Sb3)的源极连接所述第八功率开关晶体管(Sb4)的漏极以及所述第六二极管(Db6)的阳极，所述第八功率开关晶体管(Sb4)的源极与所述X形阻抗网络中的所述电感器(L2)的另一端以及所述第四功率开关晶体管(Sa4)的源极连接，所述第六二极管(Db6)的阴极和所述第五二极管(Db5)的阳极与参考电压连接，并且经由电感器(Lc)成为三相电网的C相电压。

7.一种空调***，其包括根据权利要求1-6中任一项所述的Z源三电平逆变器。

8.根据权利要求7所述的空调***，其特征在于：所述空调***还包括锁相环、与Z源三电平逆变器连接的空间矢量脉宽调制模块和最大功率跟踪模块，所述空间矢量脉宽调制模块与比例积分模块和比例谐振模块相连接。

9.根据权利要求8所述的空调***，其特征在于：所述Z源三电平逆变器通过所述锁相环与第二坐标变换器连接，所述Z源三电平逆变器通过第一坐标变换器、比较器和所述比例谐振模块相连接。

10.根据权利要求8或9所述的空调***，其特征在于：所述比例谐振模块包括比例调节器和谐振调节器，其传递函数为： $G\left(s\right)=K_p+K_{I}s/s^2+{\mathrm{\ω}}_o^2.$