Z源T型三电平逆变器的无源控制方法

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。

权利要求

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。

说明书

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-Source T-type Inverter)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(Passivity Based Control,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；

[0006] 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。

[0007] 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；

[0008] 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:

[0009]

[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；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；

[0011] Z源网络的电感为L1、L2，L1＝L2＝L，电容为C1、C2，C1＝C2＝C3＝C4＝C，

[0012] Z源网络电感与电容的数学模型为：

[0013]

[0014] 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；

[0015] 逆变器流入电流Iin1的公式为：

[0016]

[0017] Z源T型三电平逆变器的数学模型为：

[0018]

[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：

[0020]

[0021]

[0022]

[0023]

[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：

[0026]

[0027] 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；

[0028] 化简式(19)可得到逆变器的开关函数为：

[0029]

[0030] 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。

[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L1、L2，电容为C1、C2；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型三电平逆变器的工作原理，推出其在三相a、b、c坐标下的数学模型为：

[0044]

[0045] 式中：D0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，UON为直流侧中性点电压与并网侧中点电压差值，Uek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型三电平逆变器在旋转d、q坐标下的数学模型为：

[0047]

[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；Iin1为逆变器的输入电流；ω为旋转角速度。令C1＝C2＝C3＝C4＝C，则Z源网络电容电压Uc为：

[0049]

[0050] 式中：Udc为直流电源电压；D0为直通占空比。

[0051] 由式(2)可知，Sd1＝-Sd4，Sq1＝-Sq4，式(2)可以化简为：

[0052]

[0053] 式(4)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＝L，C1＝C2＝C，可以推出：

[0055] Udc＝UL+UC Udc＝2UL+2Ui  (5)

[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T0。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0，结合直通与非直通状态时的工作公式可以推出关系式：

[0058]

[0059]

[0060] 式中：D0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：

[0062]

[0063] 式中：D0、D1分别为直通占空比与非直通占空比，且D1＝1-D0。由此推出Z源网络电感与电容的数学模型为：

[0064]

[0065] 式中：iL为流过电感L1、L2的电流。

[0066] 逆变器流入电流Iin1的公式为：

[0067]

[0068] 综合式(4)、(9)、(10)可以推出Z源T型三电平逆变器的数学模型为：

[0069]

[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，

[0073]

[0074]

[0075]

[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：

[0080]

[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+Za)xeg  (15)

[0083] 式中：Za为对角线矩阵，Za＝λ[Za1 Za2 0 0]，Za3、Za4为零，Zd为混合阻尼，λ为系数，取值范围为0～1。则式(13)可改写为：

[0084]

[0085] 选取控制规律：

[0086]

[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] 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。基于Matlab/Simlink模块仿真实验：在Matlab/Simlink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C1＝C2＝220μF，电感为L1＝L2＝0.001H，分压电容为C3＝C4＝220μF，线路的感抗为1μH，线路的等效电阻为1Ω，逆变器的直通占空比D0为0.25，注入阻尼为Za1＝Za2＝50Ω。

[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。

[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型三电平逆变器工作于+Udc/2、0、-Udc/2三电平状态相一致；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。