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Z源级联三电平中点钳位逆变器的控制策略与性能提升
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更新于2024-08-22
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本文主要探讨了Z源级联三电平中点钳位逆变器(ACascaded Z-Source Three-Level Neutral Point Clamped Inverter)的设计与控制策略。Z源逆变器因其特有的 buck-boost 功能以及允许短路状态(shoot-through states)而备受关注。作者贺昱曜、冯伟和宋石磊针对这一特性,提出了一个新颖的控制方法,通过级联Z源网络并采用交替相位反对置(Alternative Phase Opposition Disposition,APOD)技术,旨在提升逆变器的Boost转换效率,特别是在较低的 duty ratio 下。 在论文中,他们利用Matlab/Simulink平台建立了一个APOD调制模型,通过仿真结果验证了该控制策略的有效性。结果显示,通过级联Z源结构,可以显著提高逆变器的Boost因子,这对于需要高效能量转换的许多应用,如电力电子设备、电机驱动系统等,具有实际意义。 为了进一步验证所提拓扑结构在提高Boost因子方面的实用效果,作者还进行了实验研究。实验结果证实了该新型Z源级联三电平中点钳位逆变器在实际运行中的优越性能,包括更高的功率密度、更宽的电压输入范围以及良好的电能质量和热管理特性。 这篇论文对Z源级联逆变器的设计与优化提供了新的思路,不仅提升了逆变器的性能指标,也为电力系统中的能量转换和控制技术带来了创新性的贡献,对于从事电力电子和能源转换领域的研究人员和技术工程师具有很高的参考价值。
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第 36 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol. 36 No. 4
2012 年 4 月 Power System Technology Apr. 2012
文章编号:1000-3673(2012)04-0219-06 中图分类号:TM 464 文献标志码:A 学科代码:470·4031
Z 源级联三电平中点钳位逆变器
贺昱曜,冯伟,宋石磊
(西北工业大学 航海学院,陕西省 西安市 710072)
A Cascaded Z-Source Three-Level Neutral Point Clamped Inverter
HE Yuyao, FENG Wei, SONG Shilei
(School of Marine, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi Province, China)
ABSTRACT: Z-source three-level neutral point clamped (NPC)
inverter inherits the advantages of Z-Source which can
buck-boost energy and allow the shoot-through states. In this
paper an inverter control strategy by cascading Z-source
network and using alternative phase opposition disposition
(APOD) is proposed. On matlab/sinmulink platform an APOD
modulation model for cascaded Z-source three-level inverter is
built, and simulation results show that using the proposed
topology the boost factor can be upgraded obviously, here D is
the duty ratio. To further verify the effectiveness of the
proposed topology in upgrading boost factor, experimental
investigation on cascaded Z-source inverter is performed, and
investigation results prove that the proposed topology can
upgrade boost factor and expand the voltage regulation range
of Z-source inverter.
KEY WORDS: Z-source inverter; neutral-point-clamped;
three-level; boost factor; alternative phase opposition
disposition (APOD)
摘要:将 Z 源网络级联,并采用交替反相电压偏移(alternative
phase 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。
关键词:Z 源逆变器;中点钳位;三电平;升压因子;交替
反相电压偏移
0 引言
Z 源中点钳位(neutral point clamped,NPC)逆
变器
[1-4]
通过控制直通占空比可以实现升压输出。理
论上,Z 源 NPC 逆变器与其它 dc-dc 升压拓扑一样
能得到无限大的电压增益,但由于逆变器开关的耐
压限制、Z 源逆变器的直通占空比 D 和调制因数 M
相互关联,这些因素都限制了输出电压增益。为了
产生高电压增益的输出电压,需要采用小的调制因
数。然而,小的调制因数导致器件的电压应力更大。
同时小的调制因数也降低了电压利用率,增加系统
了的不稳定性。因而提高 Z 源网络的升压因子 B 使
得 Z 源 NPC 逆变器能够在更大的调制因数下得到
相同的电压增益,同时减少开关器件的电压应力是
Z 源网络的重要研究方向
[5-7]
。
近年来,出现了一些较好的可以提高 Z 源升压
比的电路拓扑。文献[5]提出了一种在逆变器的一侧
增加无源器件来提高升压因子的方法,但这种方法
应用于三电平 NPC 逆变器时,会使得中线电压并
不是输出电压的中点,因此这种拓扑不适合于三电
平逆变器;文献[6]提出 Trans-Z- source 逆变器,采
用变压器提高升压因子,但变压器的引入,Trans-Z-
source 同样不适用于三电平逆变器;文献[7]利用二
极管实现电感串联与并联的不断转换将升压因子
提高到(1+D)/(1−3D)。本文针对 Z 源三电平 NPC 逆
变器,提出一种 Z 源级联三电平 NPC 逆变器,新
型的拓扑结构能将升压因子提高到 1/(1−4D)。
1 Z 源 NPC 逆变器
Z 源三电平中点钳位逆变器如图 1 所示,图 1
(a)所示的是由 2 个独立的直流电源、双 Z 源网络和
传统的三电平 NPC 逆变桥组成。这种双 Z 源三电
平 NPC 逆变器与传统的电压源 NPC 逆变器相比,
需要增加上直通(某一桥臂上面的 3 只开关如 S
A1
、
S
A2
、S
A3
同时导通)和下直通(某一桥臂下面的 3 只
开关如 S
A2
、S
A3
、S
A4
同时导通)2 个状态。为使 Z
基金项目:国家自然科学基金项目(60871080)。
Project Supported
b
y National Natural Science Foundation of Chin
a
(NSFC) (60871080)。
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