新型双向串联型Z源NPC三电平逆变器

颜景斌袁庞志聪

渊哈尔滨理工大学电气与电子工程学院袁哈尔滨150000冤

摘要院传统Z源逆变器启动冲击电流大尧不具备能量双向流动能力尧存在非正常运行状态尧输出电压电平数少遥针对上述问题袁提出双向串联型Z源NPC三电平逆变器遥将串联型Z源网络与NPC三电平逆变器结合袁内在抑制启动冲击电流曰在阻碍能量回馈的二极管反并联全控开关管袁流过全控开关管的电流能够反向流动袁进而维持直流链峰值电压稳定袁消除非正常运行状态遥仿真结果表明院配合软启动策略袁改进型拓扑能实现无冲击启动曰具备能量双向流动能力曰低功率因数时袁正常运行曰输出线电压电平数增加为5遥

关键词院双向曰Z源三电平曰启动冲击曰非正常运行状态

NovelBi鄄directionalTandem鄄typeZ鄄sourceNPCThree鄄levelInverter

渊SchoolofElectricalandElectronicEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150000,China冤

粤遭泽贼则葬糟贼院ThetraditionalZ鄄sourceinverterhasdisadvantagessuchaslargestart鄄upinrushcurrent,incapableofbi鄄

YANJingbin,PANGZhicong

directionalpowerflow,existenceofabnormaloperationstate,andsmallnumberofoutputvoltagelevels.Tosolvethe

tandem鄄typeZ鄄sourcenetworkandtheNPCthree鄄levelinverter,theimprovedtopologycaninhibitthestart鄄upinrushtubes,throughwhichthecurrentcanflowreversely.Asaresult,theDClinkpeakvoltageiskeptstableandtheabnormalstateiseliminatedduringtheoperationatalowpowerfactor,andthenumberofoutputlinevoltagelevelsincreasesto5.

Keywords:bi鄄directional;Z鄄sourcethree鄄level;start鄄upinrushcurrent;abnormaloperationstate

current.Inaddition,thediodesthathindertheenergyfeedbackareconnectedwithanti鄄parallelfully鄄controlledswitchabnormaloperationstateiseliminated.Simulationresultsindicatethatthroughcooperationwiththesoftstartstrategy,

aboveproblems,abi鄄directionaltandem鄄typeZ鄄sourceNPCthree鄄levelinverterisproposed.Withthecombinationofthe

theimprovedtopologyhasnostart鄄upinrushcurrentandpossessthecapacityofbi鄄directionalpowerflow.Moreover,the

能提出了更高的要求[1鄄2]遥与传统电压型逆变器相比袁传统Z源逆变器具备单级升压能力袁通过直通状态utral鄄pointclamped冤三电平逆变器输出电压电平数升压袁不需加入死区时间[3]遥二极管箝位型NPC渊ne鄄

随着储能系统的广泛应用袁对双向变流器的性对微电网的发展具有重要意义遥

文献[5鄄9]分别研究了传统Z源三电平逆变器及其控制策略袁将具备单级升压能力的传统Z源网络与NPC三电平逆变器结合遥但是袁传统Z源网络向流动能力曰在低功率因数或Z源电感较小时袁存在非正常运行状态遥

为解决上述问题袁国内外学者进行了大量研究遥文献[11]提出串联型Z源两电平逆变器袁将Z源网络与传统电压型逆变器串联袁内在抑制启动冲击电流袁但其不具备双向流动能力且相比于NPC三电平逆变器袁输出电压谐波含量大曰为消除传统Z存在以下缺点[10]院启动冲击电流大曰不具备能量双

因此袁将Z源网络与NPC三电平逆变器结合袁构建

增加袁波形正弦度提高袁开关管承受的电压应力小[4]遥双向Z源三电平逆变器袁应用于单级式储能系统袁

收稿日期院2017鄄08鄄16曰修回日期院2018鄄10鄄09

基金项目院莫斯科国际科学技术中心科研资助项目渊2014鄄禺丿卮馗B鄄1375冤

ProjectSupportedbyMoscowInternationalScienceandTech鄄nologyCenterResearchProject渊2014鄄禺丿卮馗B鄄1375冤

第5期颜景斌袁等院新型双向串联型Z源NPC三电平逆变器

49

源逆变器的非正常运行状态袁文献[12鄄13]提出具备能量回馈能力的高性能Z源逆变器袁通过在阻碍能量回馈的二极管反并联全控开关管袁使Z源电感电流连续袁维持直流链峰值电压稳定袁但其启动冲击电流大且相比于NPC三电平逆变器袁输出电压谐波含量大曰文献[14]将不对称准Z源与NPC三电平逆变器结合袁构成双Z源三电平逆变器袁上下结构对称袁可抑制启动冲击电流袁但在低功率因数工况或轻负载时袁存在非正常运行状态遥

本文提出一种新型双向串联型Z源NPC三电平逆变器袁将串联型Z源网络与NPC三电平逆变器结合袁与传统Z源逆变器相比袁启动冲击电流小曰具备能量双向流动能力曰不存在非正常运行状态曰Z源电容电压应力小曰输出电压电平数增加袁波形正弦度提高遥本文首先分析双向串联型Z源NPC三电平逆变器的工作原理袁再与传统Z源逆变器进行对比仿真分析袁验证改进型拓扑的优越性遥

1双向串联型Z源NPC三电平

逆变器

1.1拓扑结构

图1渊a冤为传统Z源逆变器的拓扑结构袁图1拓扑渊b冤为结构双向遥串串联型联型ZZ源源网NPC络三上电下平结构逆变器的不对称改袁为进维型

持中点电位平衡袁将串联型Z源网络与NPC三电平逆变器结合袁构成双Z源三电平逆变器袁上下结构对称遥相比于传统Z源逆变器袁改进型拓扑在阻碍能量回馈的二极管上反并联全控开关管SU源逆变器在启动时袁Z源电感电流尧SD传统Z遥

为0袁相当于断路曰Z源电容电压为0袁相当于短路曰构成回路袁相当于电压源短路袁启动冲击电流很大遥改进型拓扑在启动时袁不构成回路袁内在抑制启动冲击电流遥

1.2逆变工作模态分析

为简化分析过程袁做以下假设和简化院渊渊21冤冤逆直流侧电变器和负载用容参数2相个等串袁即联电流源C1=C2=C来曰

简化袁其SL71S1S3S5UdcC1C2L2S2S4S6渊a冤传统Z源逆变器

C1LCCZ1Z1Z2LZ2SA1SB1SC1USA2SB2SC2dcSSUDSA3SB3SC3C2LZ3CZ3CZ4LZ4SA4SB4SC4渊b冤改进型拓扑图1拓扑结构

Fig.1Topologicalstructures

电流值用i嗓L假load1设尧Ziload2表示曰

渊3冤源网络上下尧左右对称袁即

CZ1=LZ2=LZ3=LZ1假设=初CZ2始状=CZ3态袁=电CZ4=L

Z4容=电压CZ

渊1冤

为0袁电感电流为0袁即

扇设设设UC设设设U1=UCZ1C缮设设设设设设设i2=UC==UUCZ2=0

CZ4=0

L渊2冤

设墒

设设i1=iLZ1=Z3L2初始=模iLZ3态=等iiLZ2=0

LZ4效=0

电路如图2所示袁PWM序列首发为负小矢量袁iL1反向流动袁Z源电容=iL2电压=0<0.5为0iload2袁相袁开当关于管短路SD开通袁iSD

袁Z源电感反向充电袁iL2反向增大遥对第2个开关周期的工

上部分等效电路

CLiCZ1CZ2L1Z11LZ2UdcSUSDC2iLSDZ3iLC2LZ4Z3CZ4iload2下部分等效电路

图2初始模态等效电路

Fig.2Equivalentcircuitininitialmode

50电源学报

总第85期

作模态进行分析袁根据一个开关周期内袁PWM序列是否含有零电压矢量袁分为2种情况遥改进型拓扑上下结构对称袁为进一步简化分析过程袁等效为上尧下两部分电路进行分析遥

渊1冤第1种情况袁一个开关周期内袁PWM序列

0.5UdcC1LZ1CZ1CZ2LZ20.5UdcC1LZ1不存在零电压矢量遥如图3所示袁上部分等效电路改进型拓扑的可能工作模态为模态1耀模态4以及上直通袁共6种可能工作模态曰下部分等效电路可能工作模态为模态5耀模态9以及下直通袁共7种可能工作模态遥

CZ1CZ2LZ2iload10.5UdcC1LZ1CZ1CZ2LZ2iload1SUSUSU渊a冤模态1

LZ1CZ1CZ2LZ2iload10.5UdcC2渊b冤模态2

SDLZ3LZ40.5UdcC2渊c冤模态3

SDLZ3LZ40.5UdcC1SUCZ3CZ4CZ3CZ4渊d冤模态4

SD0.5UdcC2LZ3LZ40.5UdcC2渊e冤模态5

SDLZ3LZ40.5UdcC2渊f冤模态6

SDLZ3LZ4CZ3CZ4iload2CZ3CZ4iload2CZ3CZ4iload2渊g冤模态7

0.5UdcC1LZ1CZ1CZ2LZ2iload10.5UdcC1LZ1CZ1CZ2LZ2渊h冤模态8

iload10.5UdcC2LZ3LZ40.5Udc渊i冤模态9

C2CZ3CZ4LZ3CZ3CZ4LZ4渊j冤上直通

图3

第1种情况可能工作模态

Fig.3Possibleoperationmodesinthefirstcase

渊k冤下直通

于上部分等效电路袁Z源电感给Z源电容充电袁Z源电感电流减小遥此时

iSU>0iL1>0.5iload1

渊3冤

模态1院逆变器工作在负小矢量状态袁iload1=0袁对

流继续减小遥此时

0渊4冤

模态2院逆变器工作在大矢量尧中矢量或下直通状态袁iload1>0袁对于上部分等效电路袁Z源电感电流持续减小袁满足式渊3冤遥

模态3院对于上部分等效电路袁Z源电感电流持续减小袁在模态2末端袁Z源电感电流iL1=0.5iload1袁由于开关管SU开通袁电流iSU反向流动袁Z源电感电

嗓模态4院对于上部分等效电路袁Z源电感电流持续减小袁在模态3末端袁Z源电感电流减小到0袁开始反向增大遥此时

iL1<0iSU<0

渊5冤

嗓嗓对于下部分等效电路袁Z源电感通过开关管SD给Z源电容充电袁Z源电感电流减小遥此时

模态5院逆变器工作在正小矢量状态袁iload2=0遥

第5期颜景斌袁等院新型双向串联型Z源NPC三电平逆变器

51

渊6冤

模态嗓iSiD>0

L2>0.56院对iload2

于下部分等效电路袁在模态5末端袁Z源电嗓感遥电流此时

减小到0袁开始反向增大袁电流iSD反向流动iSiD<0L2<0

渊7冤

模态7院逆变器工作在大矢量尧中矢量或上直通状态袁对于下部分等效电路袁Z源电感给Z源电容充电袁Z源电感电流继续减小袁满足式渊6冤遥

模态8院对于下部分等效电路袁Z源电感电流持续减小袁在模态7末端袁Z源电感电流iL2由于开关管S=0.5iload2袁

D开通袁流过开关管SD电流iSD反向流动遥此时

嗓i模态0SD<渊8冤

下部分等效电路袁Z源电感电流持续减小袁在模式7末端袁Z源电感电流减小到0袁开始反向增大袁满足式渊7冤遥

下直通状态院改进型拓扑下直通状态有2种情况遥第1种情况袁对于下部分等效电路袁由于Z源电感电流不能突变袁Z源电感给Z源电容和直流侧电容充电袁Z源电感电流反向减小曰第2种情况袁对于下部分等效电路袁在第1种情况下直通状态的末端袁Z源电感电流反向减小到0袁开始正向增大遥

上直通状态院改进型拓扑上直通状态有2种情况遥第1种情况袁对于上部分等效电路袁由于Z源电感电流不能突变袁Z源电感给Z源电容和直流侧电容充电袁Z源电感电流反向减小曰第2种情况袁对于上部分等效电路袁Z源电感电流持续反向减小袁在第1种情况末端袁Z源电感电流反向减小到0袁开始正向增大遥

存在零渊2电压冤第2矢种量情况遥上部袁一分等个开效关电周路期改内进袁型PWM拓扑可能序列

工作模态为模态1耀模态3以及上直通袁共5种可能

工作模态曰下部分等效电路共6种可能工作模态遥

图4为改进型拓扑在一个开关周期内袁Z源电模态上模模1直通态2态模上上iL分iload13态4直模态部通1模2态iL2下t

模下模部态9直模模下态8分通态5态6直模通态7模态渊a冤第1种情况模态上模模模上i部Li1态load21直态通2态上3直通1分模态iL2下t

模下模下态模部态模9直6直通态8分通态5模态渊b冤第2种情况

图4

一个开关周期Z源电感电流波形Fig.4WaveformsofZ鄄sourceinductorcurrentduring

oneswitchingperiod

感电流变化波形遥由于开关管电流iSU尧iSD能够反向

流动袁Z源电感电流连续袁直流链峰值电压稳定袁可消除非正常运行状态遥1.3整流工作模态分析

整流工况下的可能工作模态如图5所示袁上部分等效电路可能工作模态为模态1和上直通曰下部分等效电路可能工作模态为模态2和下直通遥

模态1院对于上部分等效电路袁非直通状态袁开关管SU保持开通袁Z源电容通过开关管SU给Z源电感充电袁Z源电感电流增大袁交流侧通过开关管SU和Z源电感给直流侧充电遥

模态2院对于下部分等效电路袁非直通状态袁开

关管SD保持开通袁Z源电容通过开关管SD给Z源电感充电袁Z源电感电流增大袁交流侧通过开关管SD和Z源电感给直流侧充电遥

上直通状态院对于上部分等效电路袁开关管SU

关断袁Z源电感给Z源电容和直流侧充电袁Z源电感电流减小遥

下直通状态院对于下部分等效电路袁开关管SD

关断袁Z源电感给Z源电容和直流侧充电袁Z源电感电流减小遥

1.4稳态时各部分电压关系

非直通状态时袁等效电路如图6渊a冤所示袁有

52

电源CLZ1CZ2Lload10.5UZ1Z2idcC1SU渊a冤模态1

SD0.5UdcC2LZ3LCZ4iZ3CZ4load2渊b冤模态2

CCLZ1Z2L0.5UCZ1Z2iload1dc1渊c冤上直通

0.5UdcC2LZ3LCZ4iZ3CZ4load2渊d冤下直通

图5

整流工况可能工作模态

Fig.5嗓Possibleoperationmodesunderrectifieroperation

ULU1=-UC1

i上直通=Udc状+4态时UC

渊9冤

袁等效电路如图6渊b冤所示袁有

扇设设设设UL1缮设设=UC+U设设设设墒

设设U2dci=U渊10冤

下直通2dc+2UC

状态时袁等效电路如图6渊c冤所示袁有

扇设设设UL1C1

缮设设=-U设设墒

设设设Ui=U根据伏秒2dc+2UC

渊11冤

平衡原理袁一个开关周期Z源电感电压为0袁Z源电容电压为

=UDU0U

CC1=

2dc

式中袁D1-2D0

渊12冤

0为上直通或下直通占空比遥

学报

总第85期

CZ1CZ2CLL1Z1Z2UdcSSUDC2LZ3CLZ4Z3CZ4渊a冤非C直通

Z2CLZ1CL1Z1Z2UdcSDC2LZ3CLZ4Z3CZ4渊b冤上C直通

CLZ1CZ2L1Z1Z2UdcSUC2LZ3CCLZ4Z3Z4渊c冤下直通

图6

改进型拓扑等效电路

Fig.6Equivalentcircuitofimprovedtopology

在直通占空比一定时袁改进型拓扑的Z源电容电压应力远小于传统Z源逆变器的Z源电容电压应力袁如图7所示遥

将式渊12冤代入式渊9冤和式渊10冤可得直流链电压为扇设U设设非直通i=

缮设设设设设1-2设设1121-2D0

U

1dc

D0

U

dc

直通

渊13冤

墒

双向串联型Z源NPC三电平逆变器非直通状

态的直流链电压是直通状态的2倍遥

5432传统Z源逆变器10

改进型拓扑

0.1

0.2

D00.3

0.4

0.5

图7Z源电容电压

Fig.7Z鄄sourcecapacitorvoltage

第5期颜景斌袁等院新型双向串联型Z源NPC三电平逆变器

53

1.5升压能力分析

双向串联型Z源NPC三电平逆变器的升压因子为

B=

则逆1-21变器D0

渊14冤输出的A相相电压为UA=渊15冤

袁调制比姨BM3Udc

式中M=姨3Um在直通占空比一定时/Udc袁改袁Um为参考电压幅值遥进型拓扑的升压能力

与传统Z源逆变器相同袁如图8所示遥

1086420

0.1

0.2

D00.3

0.4

0.5

图8升压比B

Fig.8Step鄄upratioB

1.6Z源网络参数设计

改进型拓扑不存在非正常运行状态袁因此袁Z源电感参数的设计不需考虑Z源电感电流断续[12鄄13]

满足电感电流纹波系数即可曰Z源电容参数的设计

袁

需满足Z源电容电压纹波系数遥

ZL源电逸感取值范围为Z式中院f2D渊1-20渊1-DD0冤0冤fsU姿dcLIL

渊16冤

s为开关频率袁姿L为Z源电感电流纹波系数曰IL为Z源电感电流稳态值遥

ZC源电容取值范围为Z逸4渊1-2fs姿CUDdc

0冤IL渊17冤

式中袁姿C为Z源电容电压纹波系数遥

2仿真验证

为验证改进型拓扑相比于传统Z源逆变器的优越性袁以额定参数进行对比仿真分析遥控制策略采用基于空间电压矢量调制SVPWM渊spacevector

pulse变器控制width策略modulation[15]曰并网控制采用具备冤简化算法的并Z源网三电平逆单电流环控制[16]曰有功和无功给定Pref尧Qref从软外启动部设

的置遥仿真参数为院直流输入电压U波dc感L=560电感VL袁Z源电

Zf滤波电=1容mHC袁Z源电容CZ=2mF袁滤=5mH袁

SkVA袁f电网=10线滋F电压有袁开关频效率值fEs=10kHz袁额定功率e=10l图9为逆变工况时传统Z=380源逆V变器和遥

改进

型拓扑的各部分波形袁图中直通占空比D5kW遥传统Z源逆变器直流链启动电压U0=0尧Pref=max=1kV袁

1.2启动电压Umax=1kV

0.60

125250

启动电流imax=250A

-125

0

1.00.5-0.50

-1.0

0

100t/ms

200

渊a冤传统Z源逆变器

560280150

0-15

560280-2800

-560

0

100t/ms

200

渊b冤改进型拓扑

图9

逆变工况各部分波形渊DFig.9Waveformsofeachpartunder0=0inverter

冤

operation渊D0=0冤

54电源Z源电进容型电流拓扑启动无启动电流冲击imax重曰改=250问题A袁且线袁启动电压冲击U问题严ab电平数由3增加至5袁谐波率由79.2豫减少到40.4豫遥

图10为逆变切换整流工况时袁配合软启动策略[11]0.1袁袁P改进型拓扑各从部5分kW波阶形跃袁图到中直通-5kW遥占空在150比D0ms=ref在150ms时袁三相负载电流反向曰在150ms以前袁电网A相相电压Ea和相电流ia同相袁逆变器向电网输送能量曰在150ms之后袁电网A相相电压和相电流反相袁验证了改进型拓扑的能量双向流动能力遥配合软启动策略袁改进型拓扑能实现无冲击启动遥

图11为低功率因数工况时传统Z源逆变器和改进型拓扑的各部分波形袁图中直通占空比D0.1尧P0=

ref源逆变器流=1kW过开尧Qref关=5电流kW袁i功率因数角为0.2遥传统ZUD不能反向袁直流峰值电压

i畸变袁工作在非正常运行状态曰改进型拓扑流过

300Eaia0-30015iaibic0

-15300-30

600

-607003500

软启动

逆变工况

整流工况

50

t/ms

150

250

图10逆变切换整流工况改进型拓扑各部分波形渊DFig.10Waveformsofeachpartoftheimproved0=0.1冤

topologyunderinverterswitchingrectifier

operation渊D0=0.1冤

学

报

总第85期

202010101.40

1.40

0.70.7

00

t100/ms

200

100.0

100.2t/ms

100.4

30渊a冤传统Z源逆变器渊b15冤传统Z源逆变器渊放大冤

00

-3015i-15L1iL21500iL1iL-15700-152700350350

0

0

t100/ms

200

120.0

120.2t/ms

120.4

渊c冤改进型拓扑渊d冤改进型拓扑渊放大冤

图11

低功率因数工况各部分波形渊DFig.11Waveformsofeachpartunderoperation0=0.1冤

ata

lowpowerfactor渊D0=0.1冤

开关电流iSU能够反向流动袁使得Z源电感电流iL连续袁Z源电感电压稳定袁从而使直流峰值电压稳定袁消除了非正常运行状态遥

3结语

本文提出的双向串联型Z源NPC三电平逆变器袁配合软启动策略袁可实现无冲击启动曰具备能量双向流动和单级升压能力袁适用于单级储能系统曰通过增加全控开关管袁可消除非正常运行状态曰与传统

Z率源减少逆变器相比遥

袁输出线电压电平数增加到5袁谐波参考文献院

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Eng鄄

作者简介院

颜景斌渊1972原冤袁男袁通信作者袁博士袁教授mail@163.com袁研究方向院新庞志聪渊1994遥能源发电袁E鄄mail院yjbe原冤袁男袁硕士研究生袁研

qq.com究方向遥

院新能源发电袁E鄄mail院2280140756@

颜景斌