延展型Z源逆变器建模与调制策略研究

论文摘要

Z源逆变器通过加入直通状态以单级结构实现了直流侧升压,克服了传统逆变器的不足,具有控制简单、可靠性高的优点。然而传统Z源逆变器存在Z源网络电容电压应力大、直流侧升压比低等缺陷。为此,本文研究了一种延展型Z源逆变器,它能实现更高的升压比和较低的电压电流纹波,并且具有延展性,可多级级联来提高自身升压能力,因此更加适用于新能源等低输入电压的场合。为了分析延展型Z源逆变器系统的稳态和暂态特性,研究了延展型Z源网络与逆变桥之间电路参数的稳态关系,并利用信号流图法建立了小信号模型,获得了直流侧控制—输出传递函数,利用数学模型研究了器件参数变化对于系统动态特性的影响。建模分析发现传递函数中存在右半平面零点,说明系统具有非最小相位特性,而器件参数的增加会加剧这一特性引起的负冲现象,同时使得暂态特性变差。针对现有Z源逆变器调制策略引起的开关频率加倍、直流母线电压应力高、电流纹波大的问题,在传统SVPWM调制的基础上研究了一种最大恒定升压调制策略。结合直通实现方法和SVPWM算法机理,在充分利用零矢量时间和不增加倍频电流纹波的条件下,获得了最大恒定直通时间,然后采用单桥臂六段式的方法将其注入到调制中。所研究的调制策略较大程度降低了直流母线电压应力,而直通的注入未增加开关频率,引起的电流电压纹波幅值最小。通过设计合适的器件参数,抑制了直通状态导致的直流侧电压和电流纹波增大,提高了输出电能质量。结合调制策略给出了满足纹波抑制条件的Z源网络参数最小值,研究了正常电流连续状态下电感的临界值,并分析了功率开关器件的电压电流应力;然后从无功容量最小的角度设计了输出低通滤波器参数和抑制轻载条件下输出振荡的结构,保障了输出波形的稳定和质量。为了保证输入电压扰动和负载变化时直流母线电压和交流输出电压的稳定,研究了延展型Z源逆变器的闭环控制策略。利用所建立的数学模型并结合调制策略的要求,设计了直流侧双极点双零点形式的PI控制器;通过建立输出滤波器数学模型明确闭环控制量与扰动量之间的数学关系,设计了交流侧双闭环解耦控制器。使用该控制策略的延展型Z源逆变器能够适应各种场合要求,系统具有响应速度快,输出无稳态误差,交直流侧相互配合的优点。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 国内外研究现状和发展趋势

1.2.1 Z 源逆变器拓扑结构

1.2.2 Z 源逆变器调制策略

1.2.3 Z 源逆变器建模与控制策略

1.3 论文的主要研究内容

第2章延展型Z 源逆变器工作原理与建模分析

2.1 延展型Z 源逆变器拓扑及工作原理

2.1.1 电路拓扑与工作原理

2.1.2 延展性分析

2.2 三种Z 源逆变器对比分析

2.2.1 Z 源网络电容电压应力

2.2.2 Z 源网络电感电流纹波

2.3 延展型Z 源逆变器建模分析

2.3.1 延展型Z 源网络信号流图法建模

2.3.2 延展型Z 源网络时频域分析

2.4 本章小结

第3章延展型Z 源逆变器调制策略研究

3.1 传统Z 源逆变器调制策略及其缺陷

3.1.1 最大升压调制策略

3.1.2 基于载波PWM 的单相直通调制策略

3.2 SVPWM 最大恒定升压调制策略研究

3.2.1 SVPWM 调制算法分析

3.2.2 基于SVPWM 调制的直通矢量注入方式研究

3.2.3 基于SVPWM 调制的最大恒定升压调制策略研究

3.3 各种调制策略对比分析

3.4 SVPWM 最大恒定升压调制策略仿真结果

3.5 本章小结

第4章延展型Z 源逆变器主电路参数设计

4.1 延展型Z 源网络无源器件参数设计

4.1.1 延展型Z 源网络电容设计

4.1.2 延展型Z 源网络电感设计

4.2 逆变器开关器件选取

4.2.1 电压应力分析

4.2.2 电流应力分析

4.3 输出滤波器参数与结构设计

4.3.1 输出LC 低通滤波器参数设计

4.3.2 空载和轻载情况下输出滤波器结构设计

4.4 采样与调理电路设计

4.4.1 电压电流采样电路设计

4.4.2 电压电流调理电路设计

4.5 本章小结

第5章控制策略研究与仿真实验结果

5.1 直流侧Z 源网络控制策略研究

5.2 交流侧控制策略研究

5.3 闭环控制策略仿真研究

5.3.1 闭环控制策略稳态仿真验证

5.3.2 闭环控制策略动态仿真验证

5.4 SVPWM 最大恒定升压调制策略实验研究

5.4.1 SVPWM 最大恒定升压调制策略软件设计与实现

5.4.2 SVPWM 最大恒定升压调制策略实验验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间或得的成果

致谢

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