一種z源三電平pwm整流器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種Z源三電平PWM整流器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 與傳統(tǒng)的不控整流和相控整流相比，PWM整流器實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流的正弦化，且可以 運(yùn)行于單位功率因數(shù)，因此具有功率因數(shù)高，輸出電壓紋波小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。PWM整流 器分為電壓型整流器（VSR)和電流型整流器（CSR)兩種，其中電壓型整流器具有電能雙向 傳輸，功率因數(shù)校正，減小輸入諧波等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。電流型整流器雖然具有電路保 護(hù)和較快電流響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，但是其交流側(cè)電容和直流側(cè)電感龐大的體積需要限制了它的應(yīng) 用。普通的電壓型整流器只具備升壓整流的功能，在直流側(cè)輸出電壓小于交流側(cè)輸入電壓 的場(chǎng)合，需要加入DC/DC升壓模塊，增加了成本和設(shè)計(jì)難度。此外直通狀態(tài)帶來(lái)的電磁干擾 會(huì)對(duì)其造成損害，降低它的抗干擾能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。
[0003] 為了改善傳統(tǒng)電壓型整流器的不足，有人提出了一種Z源兩電平PWM整流器。該 整流器克服了電壓型PWM整流器不能降壓的缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓的功能，從而將兩級(jí)式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一級(jí)式結(jié)構(gòu)。并且該結(jié)構(gòu)允許每個(gè)橋臂的兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通，提高了系統(tǒng)的安 全性。
[0004] 兩電平PWM整流器的不足之處在于當(dāng)其應(yīng)用于高壓大功率的場(chǎng)合時(shí)，需使用高反 壓的功率開(kāi)關(guān)管，或?qū)⒍鄠€(gè)功率開(kāi)關(guān)管串聯(lián)使用。此外由于該結(jié)構(gòu)整流器交流側(cè)輸出電壓 總在兩電平上切換，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)，將導(dǎo)致諧波含量相對(duì)較大。較之兩電平，三電平整 流器在提高耐壓等級(jí)的同時(shí)，有效的降低了交流諧波電壓和電流，在相同的開(kāi)關(guān)頻率和控 制方式下能顯著改善其網(wǎng)側(cè)波形質(zhì)量，減小畸變。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提出了一種Z源三電平PWM整流器及其控 制方法，該結(jié)構(gòu)在三電平整流器和負(fù)載之間加入了 Z源網(wǎng)絡(luò)，并在Z源右側(cè)加入開(kāi)關(guān)管Swi 和Sw2對(duì)直流側(cè)回路進(jìn)行控制。使用該控制方法的Z源三電平整流器，能夠輸出小于輸入電 壓幅值的直流電壓，并且允許主電路每一路開(kāi)關(guān)管直通，提高整流器的抗干擾能力。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種Z源三電平PWM整流器，其特征是，包括并聯(lián)的三相橋臂，每相橋臂包括四個(gè) 串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管，各相橋臂的中點(diǎn)經(jīng)電感與電網(wǎng)或交流源相連作為該整流器的輸入源；并聯(lián) 的各橋臂輸出端與Z源網(wǎng)絡(luò)的輸入端相連；Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出端上下分別串接開(kāi)關(guān)管S wi和 Sw2;其后輸出端與電容C i和電容C2的串聯(lián)支路并聯(lián)連接，電容C i和電容C 2的串聯(lián)支路與 直流負(fù)載連接；
[0008] 通過(guò)控制電路控制整流器三相橋臂的開(kāi)關(guān)管以及Z源網(wǎng)絡(luò)右側(cè)的開(kāi)關(guān)管Swi和S W2 的導(dǎo)通與關(guān)斷，使Z源三電平PWM整流器分別運(yùn)行于非直通、全直通、上直通和下直通四種 運(yùn)行模式。
[0009] 所述三相橋臂中，分別在每一相橋臂中的第一開(kāi)關(guān)管和第四開(kāi)關(guān)管之間串接一對(duì) 二極管，同時(shí)二極管的中點(diǎn)與電容C 1和電容C 2串聯(lián)支路的中點(diǎn)相連。
[0010] 所述Z源網(wǎng)絡(luò)由接成類X型的兩個(gè)電容和兩個(gè)電感構(gòu)成，該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)， 兩電容電容值相同，兩電感電感量相同，所述Z源網(wǎng)絡(luò)左側(cè)連接整流器的輸出端、右側(cè)輸出 作為直流負(fù)載的輸入端。
[0011] 所述開(kāi)關(guān)管Swi和Sw2都是由IGBT和二極管反并聯(lián)組合而成；開(kāi)關(guān)管S wi和Sw2的 開(kāi)斷取決于整流器運(yùn)行于何種模式下：
[0012] 當(dāng)整流器處于非直通模式時(shí)，開(kāi)關(guān)管Swi和Sw2的IGBT都接收開(kāi)通信號(hào)；當(dāng)整流器 處于全直通模式時(shí)，開(kāi)關(guān)管S wi和Sw2的IGBT都接收關(guān)斷信號(hào)；當(dāng)整流器處于上直通模式時(shí)， 開(kāi)關(guān)管Swi的IGBT接收開(kāi)通信號(hào)，開(kāi)關(guān)管S W2的IGBT接收關(guān)斷信號(hào)；當(dāng)整流器處于下直通 狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)管Swi的IGBT接收關(guān)斷信號(hào)，開(kāi)關(guān)管S W2的IGBT接收開(kāi)通信號(hào)。
[0013] 所述控制電路包括保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣調(diào)理電路以及DSP模塊，采樣調(diào)理電 路連接DSP模塊，DSP模塊與保護(hù)電路雙向通信，DSP模塊連接驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路輸出PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)橋臂中IGBT管的開(kāi)通與關(guān)斷。
[0014] 所述采樣調(diào)理電路采集輸入三相交流電壓以及三相電流的幅值及相位、Z源網(wǎng)絡(luò) 電容電壓以及直流側(cè)輸出的電壓值大小。
[0015] 一種Z源三電平PWM整流器的控制方法，包括：
[0016] 采用SPWM調(diào)制方法，整體分為兩部分：一部分是整流器傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控 制，一部分是直流側(cè)直流輸出的閉環(huán)控制；
[0017] 在整流器傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控制中，將Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓作為被控量并進(jìn)行 初始給定；
[0018] 在雙閉環(huán)的基礎(chǔ)之上，加入負(fù)載側(cè)直流電壓的閉環(huán)使得直流側(cè)輸出可以任意設(shè) 定；
[0019] 對(duì)于Z源三電平整流器，給定Z源電容的參考值V。*和負(fù)載側(cè)直流電壓參考值 Ud。*，根據(jù)直通類型得出相應(yīng)的初始占空比Cltl;負(fù)載側(cè)直流電壓參考值U d。*與負(fù)載側(cè)直流電 壓實(shí)際值Ud。作差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)得到直通偏移量d*，最終得到實(shí)際占空比d滿足d = d Jd* ; 然后將信號(hào)d和雙閉環(huán)調(diào)節(jié)生成的參考信號(hào)給SPWM控制器，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)直流電壓的恒 定輸出。
[0020] 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)上下直通信號(hào)絕對(duì)值相同時(shí)，載波反相調(diào)制只會(huì)產(chǎn)生全直 通狀態(tài)，載波同相調(diào)制則會(huì)產(chǎn)生上直通和下直通兩種狀態(tài)；
[0021] 在全直通模式下，Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓V。和直流輸出電壓V d。滿足：
[0022]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種Z源立電平PWM整流器，其特征是，包括并聯(lián)的立相橋臂，每相橋臂包括四個(gè)串 聯(lián)的開(kāi)關(guān)管，各相橋臂的中點(diǎn)經(jīng)電感與電網(wǎng)或交流源相連作為該整流器的輸入源；并聯(lián)的 各橋臂輸出端與Z源網(wǎng)絡(luò)的輸入端相連；Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出端上下分別串接開(kāi)關(guān)管5"和S心 其后輸出端與電容Cl和電容C2的串聯(lián)支路并聯(lián)連接，電容Cl和電容C2的串聯(lián)支路與直流 負(fù)載連接； 通過(guò)控制電路控制整流器S相橋臂的開(kāi)關(guān)管W及Z源右側(cè)開(kāi)關(guān)管5"和8"2的導(dǎo)通與關(guān) 斷，使得Z源=電平PWM整流器分別運(yùn)行于非直通、全直通、上直通和下直通四種運(yùn)行模式。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種Z源；電平PWM整流器，其特征是，所述立相橋臂中，分別 在每一相橋臂中的第一開(kāi)關(guān)管和第四開(kāi)關(guān)管之間串接一對(duì)二極管，同時(shí)二極管的中點(diǎn)與電 容Cl和電容C2串聯(lián)支路的中點(diǎn)相連。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種Z源S電平PWM整流器，其特征是，所述Z源網(wǎng)絡(luò)由接成 類X型的兩個(gè)電容和兩個(gè)電感構(gòu)成，該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩電容電容值相同，兩電感電 感量相同，所述Z源網(wǎng)絡(luò)左側(cè)連接整流器的輸出端、右側(cè)輸出作為直流負(fù)載的輸入端。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種Z源立電平PWM整流器，其特征是，所述開(kāi)關(guān)管S"和S 都是由IGBT和二極管反并聯(lián)組合而成；開(kāi)關(guān)管5"和S的開(kāi)斷取決于整流器運(yùn)行于何種 模式下： 當(dāng)整流器處于非直通模式時(shí)，開(kāi)關(guān)管5"和S"2的IGBT都接收開(kāi)通信號(hào)；當(dāng)整流器處于 全直通模式時(shí)，開(kāi)關(guān)管5"和S"2的IGBT都接收關(guān)斷信號(hào)；當(dāng)整流器處于上直通模式時(shí)，開(kāi) 關(guān)管5"的IGBT接收開(kāi)通信號(hào)，開(kāi)關(guān)管S的IGBT接收關(guān)斷信號(hào)；當(dāng)整流器處于下直通狀 態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)管5"的IGBT接收關(guān)斷信號(hào)，開(kāi)關(guān)管S的IGBT接收開(kāi)通信號(hào)。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種Z源S電平PWM整流器，其特征是，所述控制電路包括保護(hù) 電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣調(diào)理電路W及DSP模塊，采樣調(diào)理電路連接DSP模塊，DSP模塊與保護(hù) 電路雙向通信，DSP模塊連接驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)橋臂中IGBT管的開(kāi)通 與關(guān)斷。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種Z源=電平PWM整流器，其特征是，所述采樣調(diào)理電路采集 輸入=相交流電壓W及=相電流的幅值及相位、Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓W及直流側(cè)輸出的電壓 值大小。
7. -種如權(quán)利要求1所述的Z源S電平PWM整流器的控制方法，其特征是，包括： 采用SPWM調(diào)制方法，整體分為兩部分；一部分是整流器傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控制， 一部分是直流側(cè)直流輸出的閉環(huán)控制； 在整流器傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控制中，將Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓作為被控量并進(jìn)行初始 給定； 在雙閉環(huán)的基礎(chǔ)之上，加入負(fù)載側(cè)直流電壓的閉環(huán)使得直流側(cè)輸出可W任意設(shè)定； 對(duì)于Z源=電平整流器，給定Z源電容的參考值V。*和負(fù)載側(cè)直流電壓參考值Ud。*，根 據(jù)直通類型得出相應(yīng)的初始占空比d。;負(fù)載側(cè)直流電壓參考值Ud。*與負(fù)載側(cè)直流電壓叫。 作差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)得到直通偏移量d*，最終得到實(shí)際占空比d滿足d=屯+d*;然后將信號(hào) d和雙閉環(huán)調(diào)節(jié)生成的參考信號(hào)給SPWM控制器，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)直流電壓的恒定輸出。
8. 如權(quán)利要求7所述的一種Z源=電平PWM整流器的控制方法，其特征是， 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)上下直通信號(hào)絕對(duì)值相同時(shí)，載波反相調(diào)制只會(huì)產(chǎn)生全直通狀 態(tài)，載波同相調(diào)制則會(huì)產(chǎn)生上直通和下直通兩種狀態(tài)； 在全直通模式下，Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓V。和直流輸出電壓Vd。滿足：
在上下直通模式下，Z源網(wǎng)絡(luò)電容電壓V。和直流輸出電壓Vd。滿足：
其中，Vi為Z源輸入側(cè)電壓，T是整流器的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，T。是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的直通 時(shí)間，d是全直通占空比，d'是上下直通占空比。
9. 如權(quán)利要求1所述的一種Z源=電平PWM整流器的控制方法，其特征是，所述全直通 模式下，S相橋臂中某一相或某幾相的四個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通；此時(shí)開(kāi)關(guān)管5"和8"2同時(shí)斷 開(kāi)，Z源網(wǎng)絡(luò)和直流側(cè)電路完全斷開(kāi)。
10. 如權(quán)利要求1所述的一種Z源S電平PWM整流器的控制方法，其特征是，所述上 直通模式下，S相橋臂中的某一相或某幾相的上面S個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)開(kāi)關(guān)管S"2斷 開(kāi)，開(kāi)關(guān)管S"導(dǎo)通，與直流側(cè)的電容C1構(gòu)成電流回路； 所述下直通模式下，=相橋臂中的某一相或某幾相的下面=個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí) 開(kāi)關(guān)管S"斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)管S"2導(dǎo)通，與直流側(cè)的電容C2構(gòu)成電流回路。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種Z源三電平PWM整流器及其控制方法，包括并聯(lián)的三相橋臂，每相橋臂包括四個(gè)串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管，各相橋臂的中點(diǎn)經(jīng)電感與電網(wǎng)或交流源相連作為該整流器的輸入源；并聯(lián)的各橋臂輸出端與Z源網(wǎng)絡(luò)的輸入端相連；Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出端上下分別串接開(kāi)關(guān)管SW1和SW2；其后輸出端與電容C1和電容C2的串聯(lián)支路并聯(lián)連接，電容C1和電容C2的串聯(lián)支路與直流負(fù)載連接；本發(fā)明的拓?fù)洳粌H可以實(shí)現(xiàn)降壓輸出，而且允許上、下橋臂直通，可靠性明顯增加，消除死區(qū)時(shí)間，防止波形畸變；Z源三電平整流器能夠在提高耐壓等級(jí)的同時(shí)，有效地降低交流諧波電壓和電流，在相同的開(kāi)關(guān)頻率和控制方式下改善其網(wǎng)側(cè)波形的質(zhì)量，減小畸變。
【IPC分類】H02M7-219, H02M1-14, H02M1-44
【公開(kāi)號(hào)】CN104796019
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510168567
【發(fā)明人】張承慧, 石秀巖, 陳阿蓮, 邢相洋
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月10日