申请/专利权人：上海电力学院

申请日：2017-11-21

公开（公告）日：2020-03-20

公开（公告）号：CN107846154B

主分类号：H02M7/483(20070101)

分类号：H02M7/483(20070101);H02M1/12(20060101);H02M7/5395(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.03.20#授权;2018.04.20#实质审查的生效;2018.03.27#公开

摘要：本发明涉及一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，根据T型逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，根据Z源网络的拓扑结构，推出Z源网络的数学模型，综合两种数学模型，将其写成无源控制的E‑L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到无源控制器开关函数的关系式，信号值代入开关函数产生的开关函数脉冲，将其施加在T型逆变器上驱动逆变器开关管导通。本发明方法相比于传统的双闭环控制，采用无源控制E‑L策略不但能够更好地控制Z源网络的电容电压，提高系统动态响应的稳定性，而且逆变器输出的电流谐波低。

主权项：1.一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，直流电源通过分压电容与Z源网络与三相T型三电平逆变器相连，逆变器后面接三相线路负载，负载线路出来的三相电流与电压经abc-dq坐标变换转为d、q轴分量的电流与电压作为无源控制器的输入；同时将Z源网络电容压降值与标准电容电压值的差值经PI调节获得直轴期望电流idref，并将其作为无源控制器的输入，交轴期望电流iqref设为0，然后利用无源控制器得到开关函数脉冲，将其施加在T型三电平逆变器上驱动逆变器开关管导通；无源控制器设计方法：根据T型三电平逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，根据Z源网络的拓扑结构，推出Z源网络的数学模型，综合两种数学模型，得到Z源T型三电平逆变器的数学模型，将其写成无源控制的E-L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到开关函数的关系式，信号值代入开关函数产生的开关函数脉冲；其特征在于，所述T型三电平逆变器的拓扑结构为：T型三电平逆变器A相4个开关管为Ta1-Ta4，B相4个开关管为Tb1-Tb4，C相4个开关管为Tc1-Tc4，直流侧Udc并联2个串联分压电容为C3、C4，且C3＝C4＝C，Sa、Sb、Sc为每个桥臂的开关驱动信号，其中A相桥臂的4个驱动信号为Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，同理可得B、C相桥臂相应开关管的驱动信号；根据T型三电平逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，经abc-dq坐标变换为旋转d、q坐标下的数学模型后简化后数学模型为: 式中：Lf为三相线路的等效电感，R为三相线路的等效电阻，ia、ib、ic分别为逆变器输出的A、B、C三相电流；id、iq为三相电流ia、ib、ic在d、q轴上的分量；Uc3、Uc4分别为分压电容C3、C4的电压；Ued、Ueq为三相电压Uea、Ueb、Uec在d、q轴上的分量；Sd1、Sq1为Sa1在d、q轴上的分量；Sd4、Sq4为Sa4在d、q轴上的分量；Sd1＝-Sd4，Sq1＝-Sq4；被动Z源网络的电感为L1、L2，L1＝L2＝L，电容为C1、C2，C1＝C2＝C3＝C4＝C，Z源网络电感与电容的数学模型为： 式中：D0为逆变器的直通占空比，iL为流过电感L1、L2的电流，UC为Z源网络电容的电压，Iin1为逆变器流入电流；逆变器流入电流Iin1的公式为： Z源T型三电平逆变器的数学模型为： 所述将Z源T型三电平逆变器的数学模型写成无源控制的E-L模型，推出E-L模型中各矩阵变量： 式中：M为由储能元件构成的正定对角阵；J为反应系统内部互联结构的反对称矩阵，即J＝-JT；Z为反应系统耗散特性的对称矩阵；U为控制输入；所述无源控制的E-L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到开关函数的关系式为： 其中idref、iqref、Ucref、iLref分别为id、iq、Uc、iL的期望值，Za1、Za2、Za3、Za4分别为注入阻尼；化简式19可得到逆变器的开关函数为： Sd1＝-Sd4，Sq1＝-Sq4，将开关函数Sd1、Sd4、Sq1、Sq4产生的脉冲施加于T型三电平逆变器上，使逆变器的桥臂导通工作。

全文数据：Z源T型三电平逆变器的无源控制方法技术领域[0001]本发明涉及一种逆变器的控制技术，特别涉及一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法。背景技术[0002]近年来，随着风电、光伏等可再生能源的快速发展，对并网逆变器的稳定性、转换效率以及功率和电压等级的要求也越来越高。Z源T型逆变器Z-Sourceτ-typeInverter改进了传统逆变器结构，提供了一种新的逆变器拓扑和理论。Z源网络拓扑最先应用在两电平逆变器上，使逆变器的桥臂直通成为一种工作状态，调制算法上无需再插入死区时间，提高了逆变效率，同时，Z源逆变器能够实现升降压变换，无需在逆变器前端加入升压环节。对于T型逆变器，相比于传统的两电平逆变器能显著提高逆变器的效率、减少谐波含量;与三电平逆变器相比，T型逆变器结构使用了较少的开关器件，降低了开关器件的损耗，节约了成本。[0003]由于Z源并网逆变器的非线性特性，反馈线性化、滑模变结构控制和无差拍控制等多种非线性控制方法被用到了Z源逆变器的控制当中，这些控制方法都能够在不同程度上改进逆变器的性能，但它们自身也都有缺陷存在。为了实现电力电子变流器的非线性控制，无源性控制PassivityBasedControl，PBC理论已被应用于电压型PWM整流器的控制中并取得了较好的控制效果。发明内容[0004]本发明是针对常用的非线性控制方法运用到Z源T型逆变器存在的问题，提出了一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，有效降低Z源网络的电容压降，提高系统动态响应的稳定性，降低电流谐波。[0005]本发明的技术方案为：一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，直流电源通过分压电容与Z源网络与三相T型逆变器相连，逆变器后面接三相线路负载，负载线路出来的三相电流与电压经abc-dq坐标变换转为d、q轴分量的电流与电压作为无源控制器的输入；同时将Z源网络电容压降值与标准电容电压值的差值经PI调节获得直轴期望电流idrrf，并将其作为无源控制器的输入，交轴期望电流iqref设为〇,然后利用无源控制器得到开关函数脉冲，将其施加在T型逆变器上驱动逆变器开关管导通；[0006]无源控制器设计方法:根据T型逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，根据Z源网络的拓扑结构，推出Z源网络的数学模型，综合两种数学模型，得到Z源T型逆变器的数学模型，将其写成无源控制的E-L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到开关函数的关系式，信号值代入开关函数产生的开关函数脉冲。[0007]所述T型逆变器的拓扑结构为:T型逆变器A相4个开关管为Tal-Ta4,B相4个开关管为Tbl-Tb4，C相4个开关管为Tcl-Tc4，直流侧Udc并联2个串联分压电容为C3、C4，且C3=C4=C，Sa、Sb、Sc为每个桥臂的开关驱动信号，其中A相桥臂的4个驱动信号为SaI、Sa2、Sa3、Sa4，同理可得B、C相桥臂相应开关管的驱动信号；[0008]根据T型逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，经abc-dq坐标变换为旋转d、q坐标下的数学模型后简化后数学模型为：[0010]式中：Lf为三相线路的等效电感，R为三相线路的等效电阻，ia、ib、ic分别为逆变器输出的A、B、C三相电流；id、iq为三相电流ia、ib、ic在d、q轴上的分量;Uc3、UC4分别为分压电容C3、C4的电压;Ued、Ueq为三相电压Uea、Ueb、Uec在d、q轴上的分量；Sdi、Sql为Sal在d、q轴上的分量；Sd4、Sq4为Sa4在d、q轴上的分量；Sdl=-Sd4，Sql=_Sq4;[0011]Z源网络的电感为L1^hL1=L2=U电容为C1XhC1=C2=C3=C4=C,[0012]Z源网络电感与电容的数学模型为：[0014]式中：Do为逆变器的直通占空比，k为流过电感LI、L2的电流，Uc为Z源网络电容的电压，Iin1为逆变器流入电流；[0015]逆变器流入电流Iinl的公式为：[0017]Z源T型逆变器的数学模型为：[0019]所述将Z源T型三电平逆变器的数学模型写成无源控制的E-L模型，推出E-L模型中各矩阵变量：[0024]式中：M为由储能元件构成的正定对角阵;J为反应系统内部互联结构的反对称矩阵，即J=-JT;Z为反应系统耗散特性的对称矩阵;U为控制输入。[0025]所述无源控制的E-L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到开关函数的关系式为：[0027]其中1^、1^、1]^、1^分别为11山、1]。、^的期望值，231、232、233、234分别为注入阻尼；[0028]化简式19可得到逆变器的开关函数为：[0030]Sdi=-Sd4,Sql=-Sq4,将开关函数311、314、311、314产生的脉冲施加于1'型逆变器上，使逆变器的桥臂导通工作。[0031]本发明的有益效果在于:本发明Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，与现有的双闭环控制策略相比较，能够有效地降低Z源网络电容的压降，提高系统的动态响应的稳定性;能够降低逆变器输出电流的谐波。附图说明[0032]图1为Z源T型三电平逆变器的拓扑结构；[0033]图2为Z源网络的非直通状态；[0034]图3为Z源网络的上直通状态；[0035]图4为Z源网络的下直通状态；[0036]图5为本发明Z源T型三电平逆变器的无源控制原理图；[0037]图6为本发明Z源T型三电平逆变器输出的相电压波形；[0038]图7为本发明Z源T型三电平逆变器输出的线电压波形；[0039]图8为采用本发明无源控制策略时Z源网络的电容压降；[0040]图9为采用传统双闭环控制策略时Z源网络的电容压降；[0041]图10为采用本发明无源控制策略时逆变器输出A相电流谐波；[0042]图11为采用传统双闭环控制策略时逆变器输出A相电流谐波。具体实施方式[0043]如图1所示Z源T型三电平逆变器的拓扑结构。其中，Z源网络的电感为L^L2,电容为、〇2;1'型逆变器厶相4个开关管为1'£11-1'£14，13相4个开关管为1'11-1^4，3相4个开关管为1'。1-1'。4，直流侧Ud。并联2个串联分压电容为C3、C4,且C3=C4=C，Sa、Sb、S。为每个桥臂的开关驱动信号，其中A相桥臂的4个驱动信号为531、532、533、534，同理可得8、：相桥臂相应开关管的驱动信号，根据T型逆变器的工作原理，推出其在三相a、b、c坐标下的数学模型为：[0045]式中：Do为逆变器的直通占空比，Idc为直流电源侧电流，Lf为三相线路的等效电感，R为三相线路的等效电阻，ia、ib、ic分别为逆变器输出的A、B、C三相电流，Uqn为直流侧中性点电压与并网侧中点电压差值，Ue3k为并网侧三相等效相电压，其中，k=a、b、c。[0046]经abc-dq坐标变换之后，T型逆变器在旋转d、q坐标下的数学模型为：[0048]式中：id、iq为三相电流ia、ib、ic在d、q轴上的分量;Uc3、UC4分别为分压电容C3、C4的电压；Ued、Ueq为二相电压Uea、Ueb、Uec在d、q轴上的分量；Sdl、Sql为Sal在d、q轴上的分量；Sd4、Sq4SSa4在d、q轴上的分量;1加为逆变器的输入电流；ω为旋转角速度。令C1=C2=C3=C4=C,贝IJZ源网络电容电压Uc为：[0050]式中：Udc为直流电源电压;Do为直通占空比。[0051]由式⑵可知，Sdl=-Sd4，Sql=-Sq4，式⑶可以化简为：[0053]式⑷即为所求得T型三电平逆变器在d、q旋转坐标系的数学模型。[0054]图2为Z源网络的非直通状态。令L1=L2=UC1=C2=C,可以推出：[0055]Udc=UL+UcUdc=2UL+2Ui5[0056]式中：Ui为逆变器直通状态时等效的直流侧电压源;UL、UC分别为Z源网络电感与电容的电压。[0057]图3、图4分别为Z源网络的上直通状态、下直通状态。令一个开关工作的周期为T，非直通时间为T1，直通时间为To。根据电感的伏秒平衡原理，即一个周期内电感两端的平均稳定电压为〇,结合直通与非直通状态时的工作公式可以推出关系式：[0060]式中：Do为逆变器的直通占空比;B为升压因子。[0061]根据Z源网络的直通与非直通状态，得出一个开关周期T内Z源网络的状态方程为：[0063]式中：Dt^D1分别为直通占空比与非直通占空比，且D1=I-Do。由此推出Z源网络电感与电容的数学模型为：[0065]式中：iL为流过电感L1、L2的电流。[0066]逆变器流入电流1^的公式为：[0068]综合式⑷、（9、（10可以推出Z源T型逆变器的数学模型为：[0070]将上述Z源T型三电平逆变器的数学模型写成无源控制的E-L模型，可以推出E-L模型中各矩阵变量，[0071][0072]其中，[0076]式中：M为由储能元件构成的正定对角阵;J为反应系统内部互联结构的反对称矩阵，即J=-JT;Z为反应系统耗散特性的对称矩阵;U为控制输入。[0077]令误差变量Xeg=X-X*，由式（12可知：[0078][0079]式中：x*为系统的期望平衡点。它可表示为：[0081]取误差能量函数：对于这种EL模型的无源控制器，为使Xeg快速变为零，可采用注入阻尼的方法来加快系统耗散，从而加速系统的收敛速度。注入阻尼耗散项为：[0082]ZdXeg=Z+Zaxeg15[0083]式中：Za为对角线矩阵，Za=A[ZalZa200]，Za3、Za4为零，Zd为混合阻尼，λ为系数，取值范围为〇〜1。则式13可改写为：[0085]选取控制规律：[0087]可使，误差能量函数为：[0088][0089]结合式11、（12求解式17得到：[0090][0091]化简式19可得到逆变器的开关函数为：[0092][0093]311=-314,311=-314，将开关函数311、314、311、314产生的脉冲施加于1'型逆变器上，使逆变器的桥臂导通工作。基于MatlabSimlink模块仿真实验:在MatlabSimlink环境中对系统进行仿真建模，仿真参数设定为:直流侧输出电压为Udc=400V，Z源网络的电容为心=C2=220yF，电感为L1=L2=O.001H，分压电容为C3=C4=220yF，线路的感抗为ΙμΗ，线路的等效电阻为1Ω，逆变器的直通占空比Do为0.25,注入阻尼为Zal=Za2=50Q。[0094]图5是Z源T型三电平逆变器无源控制原理图。图中，直流电源通过分压电容与Z源网络与三相T型逆变器相连，逆变器后面接三相线路负载，负载线路出来的三相电流与电压经abc-dq坐标变换转为d、q轴分量的电流与电压作为无源控制器的输入；同时将Z源网络电容压降值与标准电容电压值的差值经PI调节获得直轴期望电流idrrf，并将其作为无源控制器的输入，交轴期望电流iqref设为〇。然后利用无源控制器得到开关函数脉冲，将其施加在T型逆变器上驱动逆变器开关管导通。[0095]图6、图7分别为逆变器输出的相电压、线电压波形。由图6可见，逆变器输出的相电压为三电平，其与上述分析的T型逆变器工作于+Udc2、0、-Udc2三电平状态相一致；由图7可见，逆变器输出的线电压为五电平，满足三电平逆变器输出线电压的要求。[0096]Z源T型三电平逆变器的E-L无源控制策略与双闭环控制策略比较，为了说明本发明专利的优势，将其与传统的双闭环控制策略进行了仿真比较。图8、图9分别为采用无源控制、双闭环控制策略时Z源网络电容的电压值。[0097]比较两图可见，采用无源控制时可在很短的时间内将Z源网络电容的压降控制在600V，而采用传统的双闭环控制时Z源网络电容电压大于采用无源控制策略时电容的压降；此外，采用双闭环控制时Z源网络电容电压达到稳定值的时间远比无源控制时间长。由此验证了采用无源控制策略可以更好地控制Z源网络的电容压降，降低压降损耗，还可提高系统的动态响应速度。[0098]图10、图11分别为采用无源控制、双闭环控制策略时输电线路A相电流谐波值。由图可见，无源控制的谐波率为0.93%，而双闭环控制的谐波率为2.36%。因此，采用无源控制策略能够有效地抑制电流谐波，降低线路的谐波损耗。

权利要求：1.一种Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，其特征在于，直流电源通过分压电容与Z源网络与三相T型逆变器相连，逆变器后面接三相线路负载，负载线路出来的三相电流与电压经abc-dq坐标变换转为d、q轴分量的电流与电压作为无源控制器的输入;同时将Z源网络电容压降值与标准电容电压值的差值经PI调节获得直轴期望电流idrrf，并将其作为无源控制器的输入，交轴期望电流iqref设为〇,然后利用无源控制器得到开关函数脉冲，将其施加在T型逆变器上驱动逆变器开关管导通；无源控制器设计方法:根据T型逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，根据Z源网络的拓扑结构，推出Z源网络的数学模型，综合两种数学模型，得到Z源T型逆变器的数学模型，将其写成无源控制的E-L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到开关函数的关系式，信号值代入开关函数产生的开关函数脉冲。2.根据权利要求1所述Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，其特征在于，所述T型逆变器的拓扑结构为:T型逆变器A相4个开关管为Tai-Ta4，B相4个开关管为Tbi_Tb4，C相4个开关管为Tca-Td，直流侧Ud。并联2个串联分压电容为C3、C4,且：3=〇4=：;^为每个桥臂的开关驱动信号，其中六相桥臂的4个驱动信号为5£11、5£12、3£13、3£14，同理可得13、]相桥臂相应开关管的驱动信号；根据T型逆变器的拓扑结构，推出T型网络的数学模型，经abc-dq坐标变换为旋转d、q坐标下的数学模型后简化后数学模型为：式中：Lf为三相线路的等效电感，R为三相线路的等效电阻，ia、ib、ic分别为逆变器输出的A、B、C三相电流;id、iq为三相电流ia、ib、ic在d、q轴上的分量;Uc3、Uc4分别为分压电容C3、C4的电压;Ued、Ueq为二相电压Uea、Ueb、Uec在d、q轴上的分量;Sdl、Sql为Sal在d、q轴上的分量;Sd4、Sq4*Sa4在d、q轴上的分量;SdI=-Sd4，Sql=-Sq4;Z源网络的电感为L1^hL1=L2=UigSC1XhC1=C2=C3=C4=C,Z源网络电感与电容的数学模型为：式中：Do为逆变器的直通占空比，为流过电感L1、L2的电流，Uc为Z源网络电容的电压，Iinl为逆变器流入电流；逆变器流入电流Iinl的公式为：Z源T型逆变器的数学模型为：3.根据权利要求2所述Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，其特征在于，所述将Z源T型三电平逆变器的数学模型写成无源控制的E-L模型，推出E-L模型中各矩阵变量：式中:M为由储能元件构成的正定对角阵;J为反应系统内部互联结构的反对称矩阵，即J=_JT;Z为反应系统耗散特性的对称矩阵;U为控制输入。4.根据权利要求3所述Z源T型三电平逆变器的无源控制方法，其特征在于，所述无源控制的E-L模式，再选取误差能量函数及注入阻尼加速收敛，得到开关函数的关系式为：其中丨^、丨_、1]—、认^分别为丨1山、1]。、^的期望值，231、232、233、234分别为注入阻尼；化简式19可得到逆变器的开关函数为：Sdl=-Sd4，Sql=-Sq4，将开关函数Sdl、Sd4、Sql、Sq4产生的脉冲施加于T型逆变器上，使逆变器的桥臂导通工作。

百度查询： 上海电力学院 Z源T型三电平逆变器的无源控制方法

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