大功率变流技术与应用_4_升_降压逆变器

1

2/2008收稿日期：2008-02-10

作者简介：丁荣军(1961-)，男， 高级工程师(教授级)，工学硕士，管理学硕士，株洲电力机车研究所副所长，主管科研开发工作；黄济荣（1938-），男，高级工程师(教授级)，长期从事交流传

动系统的研究与开发工作。

0引言

如所周知，不论是电机调速，还是分布式发电的调

节，迄今广泛使用的逆变器都受到一些限制。

通用的电机调速系统大都采用电压源交-直-交变流器，包括电网侧整流器、直流中间环节和逆变器。为了改善功率因数，往往加上交流电抗器或直流电抗器

构成的滤波器。这种系统的问题在于，可得到的输出电压小于输入电压，限制了输出功率；电压下陷可能严重影响调速系统工作，甚至必须切除某些关键的负载，中断生产过程。其次，若中间环节的储能电容器不够大，不足以保持直流电压值，也缺乏“安度难关(ride-through)”的能力。在三相或两相电压下陷的情况下，中间环节直流电压和这种调速系统都有其明显脆弱的一面。为防止或减少电压下陷的不利影响，不论是采用升压变流器、网侧四象限脉冲整流器，还是采用飞轮、超导储能器，都将增加质量、体积和成本。此外，由于电磁干扰会造成误触发，而为避免贯通触发所需要的延滞时间会使低速运行不稳定以及共模电压引起轴电流。所有这些现

大功率变流技术与应用（四）

——升-降压逆变器

丁荣军，黄济荣

（南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲

412001）

摘 要：采用一级电路结构的阻抗源逆变器(Z-源逆变器)，可以克服电机调速系统或分布式发电联网接口中的许多实际问题。阻抗源逆变器除了实现一级变换外，还能够做到：（1）不管输入电压多高，都能产生任一所希望的、甚至比网压高的输出交流电压，从而减少电机的额定电流；（2）在网压下陷期间无需任何附加电路，就能提供“安度难关”的能力；（3）改善功率因数，减少电流谐波和共模电压。阻抗源变流器将为太阳能发电和燃料电池提供简单、便宜、可靠的单级变换装置，也就是为传动系统提供了另一种选择。

关键词：大功率；变流技术； 逆变器中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1671-8410(2008)02-0001-10

High Power Converter Technology and Application(4)

——Buck -Boost Inverter

DING Rong-jun ， HUANG Ji-rong

(Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute, CSR, Zhuzhou, Hunan 412001, China)

Abstract:Impedance Source Inverter (Z-source Inverter) with primary circuit structure is applied to eliminate the defects of motor speed-modulation system and distributing power generation network interfaces. Moreover, Z-source Inverter has the advantages of (1) producing anticipative output AC voltage even higher than net voltage to reduce rated current for motors;(2) breaking through the difficulty without any circuit during net voltage drop;(3)improving power factor ,reducing current harmonics and common-mode voltage. Z-source Inverter will provide simple, cheap and reliable single-level commutation devices for solar power generation and fuel battery.

Key words: high power; converter technology; inverter

22/2008

大功率变流技术与应用（四）象，都不可避免地危及电压源逆变器调速系统的性能和可靠性。大、中型调速系统也有采用电流源逆变器供电的。这种系统包括前端的二极管或相控整流器、直流环节储能电抗器和逆变器。电流源逆变器是升压型的，可得到的最小输出电压限制了系统的低速特性。此外，电流谐波也是一个重要问题，它将污染电网。

所有分布式发电系统联网的接口装置，应满足功率传输和调节的功能要求。如太阳能发电和燃料电池的接口逆变器，一般必须具备3种特性：（1）把直流电压逆变为交流电压；（2）如果太阳能电池或燃料电池组的电压低于电网电压，把电压抬高；（3）使电流和/或电压具有正弦波形。迄今在这些场合最常用的联网逆变器系统有两类：（1）采用具有所接电网频率的升压变压器；（2）采用高频直-直变流器升压。这两种系统都包含逆变和升压两级。前者中的网频变压器体积大、有噪声，并增加了成本；而后者不仅增加成本，还会降低系统的总效率。

1升-降压逆变器

如所周知，电压型变流器或电流型变流器可能是降

压的，也可能是升压的。电压型和电流型变流器的主电路是不可交换的，而欲兼具降压和升压两种功能，电路和控制将倍加复杂。图1是太阳能发电系统的单相联网变流器，既可将直流电源（如光伏电池组或燃料电池）变换为交流电源，又可与公共电网兼容。这种变流器应当既能跟踪电源电池的最大功率点（MPP ），又能保证带给电网的谐波干扰（THD ）是可接受的。一般情况下，可再生能源接口变流器包括升压变流器和电流控制的电压源逆变器两个部分。因为燃料电池一类的供电电压变化范围很大，随输出电流的不同，这个范围可能达到2:1之巨。所以燃料电池汽车或分布式发电系统的接口变流器都需要一个升压的直-直变流器，因为传统的电压源逆变器无法产生比输入直流电压大的交流电压。也就是说，传统的电压源逆变器是一种降压逆变器，它的特点之一就是瞬时输出电压总是小于输入直流电压。

图2是一种具有升压能力的单级逆变器，其每相由2个开关装置、1个电抗器和1个电容器组成。3个相的电容器的公共点与电源负端相接，负载接到逆变器输出端并构成另一个公共点(中性点)。直流电压通过脉宽调制后加到3个相电路上去。

新的阻抗源逆变器(Z-源逆变器)可以解决上述电机调速系统或分布式发电联网接口中的各种问题。对于电机调速系统，阻抗源逆变器除了实现一级变换外，还能够做到：（1）不管输入电压多高，均能产生任何所希望的、甚至比网压高的输出交流电压，从而减少了电机的额定电流；（2）在网压下陷期间无需附加任何电路就

能提供“安度难关”的能力；（3）改善功率因数，减少电流谐波和共模电压。由于燃料电池的非线性伏-安特性

、

(a)双级升-降压电路

(a)Double stage buck-boost circuit

(b)阻抗源变流器电路

(b)Z-source converter circuit

图1

可再生能源的接口与功率调节变流器

Fig.1

Interfaces of renewable energy and power

condition converter

图2

单级三相升压逆变器

Fig.2

Single- stage three-phase boost inverter

3 2/2008大功率变流技术与应用（四）

有限的电压值及其宽广的变化范围，电动汽车和燃料

电池车用的传统三相PWM逆变器的尺寸过大，电力电

子器件和电机承受较高的应力，而且恒定的功率速度

比限制在较小值。阻抗源变流器将为太阳能发电和燃

料电池提供简单、便宜、可靠的单级变换装置。

2阻抗源逆变器的电路拓扑与工作原理

图3阻抗源逆变器的一般电路拓扑，使用一个唯一

的阻抗网络把变流器主电路与供电电源联接起来。这

使得逆变器看起来好像是由这个阻抗网络供电似的，

所以称之为阻抗源逆变器。这种概念可用于直-交、交-

直、交-交和直-直功率变换过程。由于阻抗网络的作用，

一个简单的全桥变流器就能实现升压变流器和降压逆

变器两者的功能。

在图3中，阻抗源逆变器的阻抗网络由联接成X-型

的电抗器L

1、L

2

和电容器C

1

、C

2

组成，各开关装置可能是

电力电子开关器件与二极管并联的组合装置(类似于电压源逆变器)，也可能是两者串联的组合装置(类似于电流源逆变器)。供电电源包括蓄电池、整流器、太阳能电池或燃料电池。

基于三相阻抗源逆变器(图3中n=3)的电路拓扑特点，与仅有8个开关状态或电压空间的传统电压源逆变器矢量不同，这里有9个允许的开关状态或电压空间矢量。前者包括6个有效电压矢量(在负载上施加直流电压)和2个零电压矢量(通过上组或下组的3个器件将负载短路)，而三相阻抗源逆变器还有另外一个零开关状态或电压矢量。在三相桥中任何一相、任何两相或三相的上、下组同时开通而使负载短路时，出现第三种零电压矢量——“贯通零电压矢量”。对传统的电压源逆变器来说，这种所谓“贯通短路”的状态是一种严重的故障，必须加以阻止。最通常的做法是，在每相半桥支路的上、下组开关装置中插入“死区(dead-time)”延滞来防止相支路短路。但在阻抗源逆变器中，这种贯通零电压状态提供了唯一的升-降压特性。

图4 (a)表明，逆变器处于贯通开关状态时，阻抗源逆变器等效于短路。图4 (b)表明，逆变器处于6个有效开关状态时，阻抗源逆变器变成为等效电流源；而当阻抗源逆变器处于两个传统的零开关状态时，也可以用零值的电流源表示。

3阻抗源逆变器的控制

3.1输出电压与升-降压控制

假设L

1

=L

2

=L，C

1

=C

2

=C，则阻抗源网络变成为对称的。从等值电路得：

U

C1

=U

C2

=U

C

，u

L1

=u

L2

=u

L

（1）

如果在一个开关周期T

s

内，贯通零状态持续的时

间为T

，那么从图4(a)得：

(a)一般结构

(a)General structure

(b)n相结构

(b)n-phase structure

图3阻抗源变流器结构Fig.3

Z-source converter structure

(a)贯通零开关状态

(a)Shoot-through zero-switch

(b) 8个非贯通开关状态之一

(b) One of the eight nonshoot-through switching state

图4阻抗源逆变器的等值电路Fig.4Equivalence circuits of Z-source inverter

42/2008

大功率变流技术与应用（四

） （2

）现在考虑逆变器在一个开关周期T s 内处于8个非贯通开关状态之一的持续时间为T 1，从图2(b)得

：

（3

）

其中U 0为直流电源电压；T s =T 0+T 1

因为一个开关周期内电抗器的平均电压应当为零，则从式（2）和式（3）得

：

（4）

或

（5）也可类似地得出输入逆变器的直流环节电压的平均值为

：

（6）式（3）中所示的输入逆变器的直流环节电压峰值为

：

（7）其中

（8）是得益于贯通零开关状态的升压系数。贯通短路状态使阻抗网络的电容得以借助电抗器储能充电，补充并增加逆变器的输入直流环节电压，而逆变器的输出电压保持为零伏；另一方面，阻抗网络的存在及其结构形式，又防止了传统电压源逆变器在贯通状态下出现的短路故障。

逆变器输出的最大相电压可写为：

（9）式中：m ——调制指数。

由式（7）和式（9）则得：

（10）显然，上

式中的

是传统电压源逆变器的输

出电压。式(10)表明，通过选择合适的升-降压系数或电压增益k mB ，输出电压是可以增大或减少的

：

（11）由式（1）、式（5）和式（8），电容器上的电压可表示为

：

（12）升-降压系数k mB 取决于调制指数m 和升压系数k B ，后者可以通过贯通状态的占空度D 0=T 0/T S 加以控制。因为它也是在负载端产生零电压，所以不会影响逆变器的脉宽调制过程。可用的贯穿周期的长短，受由调制系数决定的零状态周期长短的限制。3.2最大增益控制

图5(a)是一种简单的升压控制方法，用以控制贯通零状态占空度。在此利用幅值等于或大于三相参考电压峰值的直线，控制传统PWM 逆变器中的贯通状态占空度。简单升压控制可得到的贯通占空度随调制指数增大而减少，最大占空度取决于(1- m )，当m =1时为零。

从式(8)和式(12)得

：

（13）对于任何希望的电压增益k B ，可用的最大调制指数为

：

（14）分析可知，在简单升压调制的情况下，施加在器件上的电压为：

(15)

不难明白，这种控制方法使器件承受更高的电压应力，器件的允许电压制约了可达到的电压增益。所以，在所希望的电压增益下减小电压强度成为阻抗源逆变器控制的重要问题。根据式（11），应当在减少k B 的同时使m 最大化。另一方面，对于任何给定的调制指数应当有最大的k B ，保证得到最大的电压增益。从式（8）可知，为了达到这个目的，占空度D 0=T 0/T S 应当尽可能大一些。

(a) 简单的升压控制

(a) Simple boost control

5 2/2008大功率变流技术与应用（四）

图5(b)表示最大升压系数的控制策略，非常类似于

基于载波的传统PWM方法。它保持6个有效状态不变，

并把所有的零状态都变成贯通状态。这样，给定的调制

系数m，在输出波形畸变保持相同的情况下可得到最大

的T

0和k

B

。

从图5(b)可以看出，当三角载波大于参考波的最大

值或小于参考波的最小值时，逆变器处于贯通状态。每个开关周期的贯通状态占空度是变化着的。为了计算电压增益，有意义的是贯通状态平均占空度。贯通状态每π/3重复一次。假设开关频率远大于调制频率，在(π/6，π/2)间一个开关周期的贯通状态占空度可表示为：

（16）

贯通状态平均占空度可以按下式计算：

＝

（17）

则得升压系数为：

（18）

用这种控制方法，电压增益取决于调制指数m

：

（19）

从式（19）和定义电压增益的式（11）、（13），可以求

出给定电压增益下的最大调制指数为：

（20）

相应的电压强度为：

(21)

与简单控制方法相比，电压强度明显下降。这意味

着，采用相同的器件，逆变器可能达到更大的电压增益。

3.3注入第三次谐波的控制

三相电压源逆变器常常通过注入三次谐波（图6）

来增大调制指数范围。这里也可能用以增大m、并从而

提高电压增益。工作原理与前面说的一样，唯一不同之

处是调制波形变了。在这种控制方法中，若注入1/6的

第三次谐波，可能得到最大调制指

数。

与上述情况相类似，也可通过(π/6，π/2)之间特征

来求得注入第三次谐波时的电压增益。贯通状态占空

度可表达为

：

(b)最大升压控制

(b)Maximum boost control

图5阻抗源变流器输出电压的最大升压控制

Fig.5Maximum boost control of output voltage for

Z-source inverter

图6注入三次谐波的控制方法

Fig.6Control method of injecting three harmonics

62/2008

大功率变流技术与应用（四）

所以，

（24）

（25）

从式(19)与式(25)相比较来看，在相同调制指数的

情况下电压增益是一样的。但在注入第三次谐波的控

制方法中，电压增益随着调制指数增加而变化的范围

拓大了。也就是说，逆变器的可工作区拓大了。

4阻抗源逆变器的脉宽调制

前面指出，电压型阻抗源逆变器的唯一特点在于

允许相半桥支路贯通短路，并通过对贯通占空度T

o /T

S

的调节来提高输出电压增益。现在的问题是，在阻抗源变流器中应当如何合理地使用相半桥的贯通短路概念。

4.1连续调制

表1列出三相阻抗源逆变器的15种开关状态,或者说这种变流器有15个电压空间矢量。除了传统电压源逆变器的6个有效电压空间矢量和2个零电压空间矢量外，阻抗源逆变器还有7个贯通状态零电压空间矢量(1个相半桥短路的E1、E2、E3，2个相半桥短路的E4、E5、E6和3个相半桥短路的E7)。这些贯通零电压空间矢量将再次提升直流环节中的电容器电压。在一个固定的开关周期内，加上有效电压空间矢量的持续时间保持不变，而在加上零电压空间矢量的持续时间内插入零开关状态，不会改变平均的伏-秒平均值。这是因为两者有相同的效果，都是逆变器三相输出端短路，在负载上产生零电压。这样的话，就可在传统电压源逆变器的PWM模式中插入贯通状态零电压，以获得阻抗源逆变器的调制策略。

类似于三相电压源逆变器，阻抗源逆变器也可能有连续PWM和间断PWM两种形式。连续PWM可以通过三角载波-调制波的方式实现，但与传统的电压源逆变器相比，调制波必须进行修正。

图7上部表示传统三相逆变器的连续空间矢量调制的状态序列。这里有3次状态转移，即零开关状态(0 0 0)→有效开关状态(1 0 0)→有效开关状态(1 1 0)→零开关状态(1 1 1)，而且为获得最佳的谐波性能，在开关周期T

s

的始点或终点的零开关状态的持续时间是相同的。对于阻抗源逆变器的调制，把贯通状态插到零状态区间，并使有效开关状态时间保持恒定。为了减少直流环节电抗器的尺寸，贯通状态的持续时间最好是相同的。而且应当直接与传统电压源逆变器的状态转换相衔接，以保证每次状态转换时只有单个器件换流。对阻抗源逆变器的三次状态转换，可直接在紧邻有效开关状态

的地方加上3个相同持续时间T

o

/3的贯通零开关状态。在插入贯通零开关状态时使开关周期始、末处的零开

（23）

（22）

表1三相阻抗源逆变器的开关状态

Tab.1Switch state of 3-phase Z-source inverter

开关状态

有效电压(100)

有效电压(110)

有效电压(010)

有效电压(011)

有效电压(001)

有效电压(101)

零电压(000)

零电压(111)

贯通零电压(E1)

贯通零电压(E2)

贯通零电压(E3)

贯通零电压(E4)

贯通零电压(E5)

贯通零电压(E6)

贯通零电压(E7)

S1

1

1

1

1

1

S1

S1

1

1

S1

1

S4

1

1

1

1

1

!S1

!S1

1

1

!S1

1

S3

1

1

1

1

S3

1

S3

1

S3

1

1

S6

1

1

1

1

!S3

1

!S3

1

!S3

1

1

S5

1

1

1

1

S5

S5

1

S5

1

1

1

S2

1

1

1

1

!S5

!S5

1

!S5

1

1

1

!Sx表示Sx的互补值(x=1、3或

5)

7

2/2008大功率变流技术与应用（四）关状态的持续时间也保持相等 (图7下部)，使谐波频谱得以优化。

如图所示，更为可取的开关状态序列是把开关周期的中间贯通状态对称地安置在原来的开关点附近，也就是把有效开关状态(100)和(110)分别往左、右各移开T o /6，

并保持各自的持续时间不变。其余两个贯通状态插在原来的零状态内紧邻第一个状态转换的左边以及第二状态转移的右边。这同样保证所有状态转换都只需要一个开关装置换流，而且仅使用贯通开关状态E1、E2和E3就够了。别的贯通状态因每次转移时至少需要两相换流而不使用。

图7所示的状态序列和位置，

同样可以通过基于载波和一套三相正弦信号（u a 、u b 、u c ）的调制方法实现。由载波的下降边和u max =max(u a 、u b 、u c )(图中=u a )的交点X(t Ec l )，插入第一个贯通零状态，所用的修正参考信号按式(26)计算

。

其中{X ，Y }={1，4}，{3，6}，{5，2}

式中u off 表示实施连续的空间矢量调制所需的三倍补偿。

在式(26)中，u max(SX )是为了在

(T o /2)把相应相半

桥的上部开关接通以插入贯通状态E1的；u max(SY )则是

为

了在T o /2把相半桥的下部开关断开以终止贯通

状态的。相对于a 相来说，即：u max(SX )=u a(S1)，u max(SY )=u a(S 4)

（图7）。

如同上述，由式(27)和式(28)的u mid =mid(u a ,u b ,u c )(=u b )和u mid =mid(u a ,u b ,u c )(=u c )引起的第二和第三次状态转换，也可以推导出用以插入另外两个贯通状态E2和E3的。

所推导出的这些公式同样适用于载波的上升边。4.2

不连续PWM

不连续的电压源PWM 逆变器，消除了开关周期起始处和终止处的零状态(图8)。这也意味着把一个相半

桥支路箝位到中间直流环节的正端或负端，而其余两个相半桥支路仍然进行脉宽调制。现在只有两次状态转换，所以只能插入两个持续时间为T o /2的贯通零状态。作为例子，考虑载波下降边的情况(图8a)。其中，有效开关状态[100]的右边插入第一个贯通零状态，并保持该有效开关状态持续时间恒定。这个在开关周期的起始处的贯通零状态，在整个开关周期中都把a 相锁定在中间直流环节的正端；第二个有效开关状态[110]相应右移T o /2，

它的持续时间也保持不变。随后在这个有效状态的右边插入第二个贯通零状态

。

图7

三相阻抗源逆变器的连续调制

Fig.7

Continuous modulation of 3-phase

Z-source inverter

（26）

（27）

（28）

(a)箝位到+u d /2

(a) Clamping to+u d /2

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fxfl.html