Z源逆变器研究

论文摘要

与传统的电压源和电流源逆变器相比,Z源逆变器具有可实现升降压变换以及逆变器桥臂可以直通等优点,在新能源发电领域具有广阔的应用前景。但现有的Z源逆变器拓扑存在Z源电容电压应力大以及启动冲击大等缺陷。本文研究新型Z源变流器电路结构与电路拓扑设计方法,并在此基础上系统地研究了Z源应用于单相逆变、三相逆变以及AC-AC这三个功率变换场合时的新型电路拓扑、工作原理、工作特性和控制策略。提出了新型Z源变流器电路结构,给出了Z源变流器电路拓扑设计方法,得到了一系列新型Z源变流器电路拓扑,新型拓扑能够解决现有拓扑所存在的重要缺陷,减小变换器体积、重量和实现成本。探索了Z源在单相逆变场合的应用。提出了单相Z源逆变器电路拓扑族,包括基本型、简化型和升降压型三种拓扑。基本型与简化型拓扑仅需使用两个功率开关,并且输入输出共地。以简化型拓扑为例进行了分析,研究了其单周期控制策略,并进行了实验验证。升降压型拓扑需使用三个功率开关,存在降压和升压两种工作模式,能实现单级升降压逆变,具有输入电流连续,双向功率流动等优点。提出了新型三相Z源逆变器拓扑及其软启动策略,能有效解决传统拓扑电路结构上的缺陷,减小变换器的体积、重量,增加可靠性。研究了新型拓扑在各种调制策略下的工作特性,分析了断续工作模式下的工作原理,并推导了进入断续工作模式的条件,给出了参数设计准则,研制了原理样机,给出了实验结果。建立了新型三相Z源逆变器的小信号模型,得到了系统传递函数,基于根轨迹法分析了各电路参数对系统传递函数中右半平面零点的影响。在分析现有的闭环控制实现复杂,稳定性差的基础上,提出了输入电压前馈加输出电压峰值反馈的控制策略,实现了直流侧与交流侧的解耦控制,具有实现简单、稳定性好以及输出电压无稳态误差等优点,实验结果证实了理论分析的正确性。最后,对Z源AC-AC变换器进行了研究。提出了一类新型单相与三相Z源AC-AC变换器电路拓扑族及其换流策略,有效解决了现有拓扑导通损耗大以及存在换流问题等缺陷,这类电路拓扑具有结构简单、变换效率和可靠性高、换流实现简单且安全可靠等优点。分析了这类变换器的稳态工作原理、换流工作模态和参数设计准则,并以电压型单相Z源AC-AC变换器为例进行了实验验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 传统逆变器的局限性
• 1.1.1 电压源逆变器
• 1.1.2 电流源逆变器
• 1.2 Z源逆变器的概念
• 1.3 Z源逆变器的研究现状
• 1.3.1 Z 源逆变器的PWM 调制策略
• 1.3.2 Z 源逆变器的系统建模与控制策略
• 1.3.3 基于Z 源的新型功率变换电路
• 1.3.4 Z 源逆变器的应用场合
• 1.4 本课题研究意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 Z 源变流器电路结构与拓扑族设计
• 2.1 Z 源基本电路单元
• 2.2 传统Z 源变流器电路拓扑设计
• 2.2.1 电压型Z 源变流器电路拓扑设计
• 2.2.2 电流型Z 源变流器电路拓扑设计
• 2.3 新型Z 源变流器电路结构
• 2.4 新型Z 源变流器电路拓扑设计
• 2.4.1 新型电压型Z 源变流器电路拓扑设计
• 2.4.2 新型电流型Z 源变流器电路拓扑设计
• 2.5 新型拓扑与现有拓扑的对比分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 单相Z 源逆变器
• 3.1 基于三相结构的单相Z 源逆变器
• 3.1.1 正常工作状态
• 3.1.2 非正常工作状态
• 3.1.3 仿真分析与讨论
• 3.2 新型单相降压型Z 源逆变器
• 3.2.1 电路拓扑
• 3.2.2 稳态工作原理
• 3.2.3 单周期控制方案
• 3.2.4 仿真与实验结果
• 3.3 新型单相升降压型Z 源逆变器
• 3.3.1 电路拓扑
• 3.3.2 稳态工作原理
• 3.3.3 仿真结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 新型三相Z 源逆变器
• 4.1 传统三相Z 源逆变器
• 4.1.1 稳态工作原理
• 4.1.2 几个关键问题的考虑
• 4.2 新型三相Z 源逆变器
• 4.2.1 稳态工作原理
• 4.2.2 软启动策略
• 4.3 两种Z 源逆变器拓扑对比分析
• 4.3.1 Z 源电容
• 4.3.2 Z 源电感
• 4.3.3 输入电流纹波
• 4.4 新型Z 源逆变器的PWM 调制策略
• 4.4.1 简单升压控制
• 4.4.2 最大升压控制
• 4.4.3 最大恒定升压控制
• 4.4.4 三次谐波注入升压控制
• 4.4.5 单相直通SPWM 控制
• 4.4.6 空间矢量控制
• 4.4.7 各种调制策略对比分析
• 4.5 断续工作模式分析
• 4.5.1 断续模式工作模态
• 4.5.2 断续工作模式条件
• 4.5.3 实验研究
• 4.6 参数设计
• 4.6.1 Z 源电感设计
• 4.6.2 Z 源电容设计
• 4.6.3 功率器件选取
• 4.7 本章小结
• 第五章 新型三相 Z 源逆变器的建模与控制
• 5.1 新型三相Z 源逆变器建模
• 5.1.1 等效电路模型
• 5.1.2 状态空间平均法建模
• 5.1.3 时域分析与零极点分布
• 5.2 输入电压前馈加输出峰值电压反馈控制策略
• 5.3 仿真和实验研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 Z 源AC-AC 变换器
• 6.1 AC-AC 变换器研究简述
• 6.2 Z 源AC-AC 变换器电路拓扑
• 6.3 Z 源AC-AC 变换器换流策略
• 6.3.1 单相Z 源AC-AC 变换器换流策略
• 6.3.2 三相Z 源AC-AC 变换器换流策略
• 6.4 稳态工作原理
• 6.4.1 单相Z 源AC-AC 变换器工作原理
• 6.4.2 三相Z 源AC-AC 变换器工作原理
• 6.5 参数设计
• 6.5.1 开关管电压和电流应力
• 6.5.2 Z 源网络参数设计
• 6.5.3 输出滤波器设计
• 6.6 仿真和实验结果
• 6.7 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 本文主要工作和创新点
• 7.2 存在问题及后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文