張煒爍，房緒鵬，林 強(qiáng)，王 松

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 青島 266590)

在Z源逆變器的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[3]提出了一種新型的逆變器——Y源逆變器.Y源逆變器不僅繼承了Z源逆變器的優(yōu)點(diǎn)，且提升了逆變器的升壓能力.在Y源逆變器的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[4]提出了準(zhǔn)Y源逆變器，準(zhǔn)Y源逆變器具有輸入電流連續(xù)、元件額定值低等優(yōu)點(diǎn).在準(zhǔn)Y源逆變器的基礎(chǔ)上，研究人員又提出了多種改進(jìn)的逆變器.

簡(jiǎn)單升壓控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但其升壓能力有限，且功率器件的電壓大、損耗高.文獻(xiàn)[8-9]分別提出了最大升壓、最大恒定升壓控制策略，但直通時(shí)間均受調(diào)制波幅限制.文獻(xiàn)[10]比較了簡(jiǎn)單升壓、最大升壓、最大恒定升壓控制策略在Z源逆變器和Y源逆變器上的應(yīng)用，但沒有對(duì)電容電壓和電感電流紋波進(jìn)行具體分析.文獻(xiàn)[11]將3次諧波注入調(diào)制波，提高了升壓能力，減小了電容電壓.文獻(xiàn)[12]雖然能預(yù)測(cè)和優(yōu)化直通時(shí)間，但是控制方式復(fù)雜.文獻(xiàn)[13]實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流的預(yù)測(cè)控制，但沒有優(yōu)化電壓及開關(guān)頻率.筆者提出基于最大化3次諧波的準(zhǔn)Y源逆變器控制策略，對(duì)3種控制(簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制)策略的性能參數(shù)進(jìn)行比較，通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最大化3次諧波控制策略的可行性.

1 準(zhǔn)Y源逆變器

如圖1所示，準(zhǔn)Y源逆變器由直流輸入電路、準(zhǔn)Y源阻抗網(wǎng)絡(luò)、三相逆變橋和交流輸出電路構(gòu)成.

圖1 準(zhǔn)Y源逆變器

準(zhǔn)Y源逆變器有兩種工作狀態(tài)：直通和非直通.圖2為準(zhǔn)Y源逆變器直通及非直通狀態(tài)下的等效電路圖.

圖2 準(zhǔn)Y源逆變器兩種狀態(tài)下的等效電路

在直通狀態(tài)下，三相逆變橋視為短路，二極管工作在截止區(qū)，視為開路，此時(shí)有如下電壓關(guān)系

(1)

其中：

N

，

N

，

N

為耦合電感的繞組匝數(shù)；

V

為直流輸入電壓；

V

為電感兩端電壓；

V

和

V

分別為電容

C

和

C

的電壓；

V

為匝數(shù)為

N

的耦合電感電壓.

在非直通狀態(tài)下，二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)有如下電壓關(guān)系

(2)

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)， 有如下電壓關(guān)系

(3)

V

=

V

-

V

，

(4)

其中:

d

=

T

/

T

，

T

為直通時(shí)間，

T

為一個(gè)開關(guān)周期.將式(2)～(4)聯(lián)立，得到非直通狀態(tài)下

V

′′的表達(dá)式為

(5)

輸出相電壓的幅值為

(6)

其中：

M

為調(diào)制度.

將式(3)～(4)聯(lián)立，得到

(7)

(8)

將式(1)，(7)～(8)聯(lián)立，得到電感

L

的電流紋波表達(dá)式為

(9)

2 基于最大化3次諧波的準(zhǔn)Y源逆變器控制策略

在3次諧波控制的基礎(chǔ)上，筆者提出基于最大化3次諧波的準(zhǔn)Y源逆變器控制策略.該策略末引入輔助信號(hào)，只將傳統(tǒng)正弦脈沖寬度調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation, 簡(jiǎn)稱SPWM)控制中的零矢量由直通零矢量代替.在正半周期的三角載波大于調(diào)制波的時(shí)間，以及在負(fù)半周期的三角載波小于調(diào)制波的時(shí)間，逆變器均為直通狀態(tài)，其余時(shí)間為逆變狀態(tài).

直通占空比的表達(dá)式為

(10)

一個(gè)周期內(nèi)的直通占空比為

(11)

電壓增益的表達(dá)式為

(12)

3 3種控制策略的性能參數(shù)比較

下面對(duì)3種控制(簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制)策略的幾種性能參數(shù)進(jìn)行比較.設(shè)變壓器增益比

δ

=4.

3.1 調(diào)制度

根據(jù)式(6)的實(shí)際意義，其分母應(yīng)大于0，則有0≤

d

≤1/

δ

.根據(jù)3種控制的

d

范圍，可得到準(zhǔn)Y源逆變器的調(diào)制度

M

的范圍.簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制的調(diào)制度取值范圍分別為

(13)

由式(13)可知，最大化3次諧波控制的調(diào)制度活動(dòng)范圍最大，故該控制更有利于系統(tǒng)調(diào)節(jié).

3.2 直通占空比

圖3為簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制的直通占空比與調(diào)制度的關(guān)系.由圖3可知，在相同調(diào)制度下，最大化3次諧波控制有最大的直通占空比，故其升壓倍數(shù)更高、直流側(cè)電壓的利用率更高.

圖3 3種控制的直通占空比與調(diào)制度的關(guān)系

3.3 電壓增益

圖4為簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制的電壓增益與調(diào)制度的關(guān)系.由圖4可知：調(diào)制度相同時(shí)，最大化3次諧波控制有最大的電壓增益；電壓增益相同時(shí)，最大化3次諧波控制的調(diào)制度最大、能最有效優(yōu)化輸出波形.

圖4 3種控制的電壓增益與調(diào)制度的關(guān)系

3.4 電容C1的電壓

在給定電壓增益

G

的情況下，簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制的電容

C

的電壓與輸入電壓

V

的關(guān)系分別為

V

′=

GV

=

a

V

，

(14)

(15)

(16)

其中：

a

，

a

，

a

分別為簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制的電容

C

的電壓系數(shù)，其表達(dá)式為

(17)

圖5為3種控制的電容

C

的電壓系數(shù)與電壓增益的關(guān)系.從圖5可知，電壓增益相同時(shí)，最大化3次諧波控制的電容

C

的電壓系數(shù)最小，故其電壓最低.

圖5 3種控制的電容C1的電壓系數(shù)與電壓增益的關(guān)系

3.5 電容C2的電壓

在給定電壓增益

G

的情況下，簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制的電容

C

的電壓與輸入電壓

V

的關(guān)系分別為

V

′=(

G

-1)

V

=

b

V

，

(18)

(19)

(20)

其中：

b

，

b

，

b

分別為簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制的電容

C

的電壓系數(shù)，其表達(dá)式為

(21)

圖6為3種控制的電容

C

的電壓系數(shù)與電壓增益的關(guān)系.從圖6可知，電壓增益相同時(shí)，最大化3次諧波控制的電容

C

的電壓系數(shù)最小，故其電壓最低.

圖6 3種控制的電容C2的電壓系數(shù)與電壓增益的關(guān)系

3.6 電感電流紋波

在給定電壓增益

G

的情況下，簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制的電感電流紋波與輸入電壓

V

的關(guān)系分別為

(22)

(23)

(24)

其中：

α

，

α

，

α

分別為簡(jiǎn)單升壓、3次諧波、最大化3次諧波控制的電感電流紋波系數(shù)，其表達(dá)式為

(25)

圖7為3種控制的電感電流紋波系數(shù)與電壓增益間的關(guān)系.從圖7可知，電壓增益相同時(shí)，最大化3次諧波控制的電感電流紋波系數(shù)最小，故其對(duì)應(yīng)的電感電流紋波最小.

圖7 3種控制的電感電流紋波系數(shù)與電壓增益的關(guān)系

由上述分析可知：相對(duì)于其他2種控制，最大化3次諧波控制的調(diào)制度活動(dòng)范圍最大、直通占空比大，有利于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)；最大化3次諧波控制能有效減小輸入側(cè)電容電壓和電流紋波，這樣可延長(zhǎng)電容的使用壽命、減小電感體積.可見，最大化3次諧波控制的性能更優(yōu).

4 仿真驗(yàn)證

在Simulink中搭建的最大化3次諧波控制的仿真模型如圖8所示.

圖8 最大化3諧波控制的仿真模型

仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示.

表1 仿真參數(shù)的設(shè)置

調(diào)制度為0.95時(shí)3種控制的仿真波形如圖9所示.由圖9可知：簡(jiǎn)單升壓控制時(shí)，直流母線電壓峰值為65 V，據(jù)此可計(jì)算得升壓因子為1.3； 3次諧波控制時(shí)，直流母線電壓峰值為178 V，據(jù)此可計(jì)算得升壓因子為3.56；最大化3次諧波控制時(shí)，直流母線電壓峰值為355 V，據(jù)此可計(jì)算得升壓因子為7.1.可見，最大化3次諧波控制的系統(tǒng)升壓能力最強(qiáng).

圖9 調(diào)制度為0.95時(shí)3種控制的仿真波形

圖10為電壓增益為1.5時(shí)3種控制的仿真波形.由圖10可知：簡(jiǎn)單升壓控制的電容

C

電壓為75 V，電容

C

電壓為25 V，電感電流紋波為0.035 A.3次諧波控制的電容

C

電壓為65.3 V，電容

C

電壓為13.8 V，電感電流紋波為0.028 A；最大化3次諧波控制的電容

C

電壓為61.2 V，電容

C

電壓為11.6V，電感電流紋波為0.018 A.可見，最大化3次諧波控制的輸入側(cè)兩電容電壓和電感紋波均最小.

圖10 電壓增益為1.5時(shí)3種控制的仿真波形

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)相同.圖11～12分別為調(diào)制度、增益相同時(shí)3種控制的實(shí)驗(yàn)波形，其中：

V

為

A

相電壓、

I

為電感電流、

V

′′為直流母線電壓、

V

為電容

C

電壓、

V

為電容

C

電壓，

V

為驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓.由圖11可知，相同調(diào)制度下，最大化3次諧波控制的升壓能力明顯優(yōu)于其他兩種控制.由圖12可知，相同增益下，最大化3次諧波控制的電容電壓和電感電流紋波明顯小于其他兩種控制.

圖11 調(diào)制度為0.95時(shí)3種控制策略的實(shí)驗(yàn)波形

圖12 電壓增益為1.5時(shí)3種控制策略的實(shí)驗(yàn)波形

6 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的Y源逆變器相比，準(zhǔn)Y源逆變器具有輸入電流連續(xù)、元件額定值低等優(yōu)點(diǎn).筆者提出了基于最大化3次諧波的準(zhǔn)Y源逆變器控制策略，該控制策略能提高直通占空比、增強(qiáng)系統(tǒng)升壓能力、提升直流母線電壓的利用率，同時(shí)能減小電容電壓和電感電流紋波.