Z源三电平逆变器及其控制策略研究
本文关键词：Z源三电平逆变器及其控制策略研究
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【摘要】：为开发、利用太阳能和风能等间歇性可再生能源,微电网技术备受关注。逆变器作为微电网的接口部件,是分布式电源、电网和负载之间能量交换的桥梁。三电平逆变器因其输出波形质量高、开关损耗低、电压应力小等诸多优势,在微电网中应用越来越广泛。然而,作为传统电压源型逆变器,其仅能实现降压输出。为实现逆变器并网运行,必须在原拓扑结构的基础上加入一级直流升压环节,构成两级式逆变器拓扑。但这也增加了控制难度,降低了系统效率。为解决上述问题,将具有升压特性的Z源网络与三电平逆变器结合,得到Z源三电平逆变器拓扑。本课题以Z源三电平逆变器为研究对象,确定本课题的研究内容和目标如下：首先阐述了Z源三电平逆变器拓扑结构及工作原理。通过基尔霍夫定律,对直通状态和非直通状态下等效电路进行分析,根据Z源电感的伏秒平衡原理,得到Z源三电平逆变器的数学模型,确定了逆变器输出电压与直通占空比的关系,明确了控制目标。其次通过对SVPWM调制方法基本原理和Z源NPC三电平逆变器中点电位不平衡机理分析,得到了直通状态不影响中点电位的条件是上、下直通作用时间相等;为实现中点电位平衡可改变冗余小矢量作用时间等结论。为解决中点电位平衡控制和Z源网络升压控制的耦合问题,本课题通过对统一电压调制方法和简化的SVPWM调制方法的研究,提出了一种对小矢量作用时间进行动态分段控制的Z源三电平逆变器控制策略,通过计算给出了直通占空比、调制比、平衡因子三者的关系,并给出了平衡因子的最优解。然而SVPWM调制方法中矢量引起的中点电位低频波动问题,增大了直流电容体积,影响输出波形质量。本课题通过对VSVPWM调制算法分析以及对三电平逆变器各相在P状态和N状态下工作时间的计算,提出了一种基于VSVPWM调制方法的Z源NPC三电平逆变器控制策略,该策略在不改变虚拟中矢量作用时间的前提下,通过对冗余小矢量的分段控制,实现了中点电位平衡控制,消除了低频波动问题。之后,通过对混合箝位三电平逆变器拓扑结构及控制策略的研究,提出一种Z源混合箝位三电平逆变器拓扑结构,从硬件角度实现了中点电位平衡与Z源升压控制的解耦。通过对箝位电容电压因电荷累积容易发生偏移的问题进行分析,得到箝位电容充放电回路与相电流方向的关系,并提出一种基于同相载波PWM调制方法的Z源混合箝位逆变器控制策略,该策略以相电流的电流方向为判断依据,合理选择开关状态,不仅保证了直流电容电压的自平衡,而且实现了箝位电容电压稳定,提高了Z源网络升压范围。最后,对Z源三电平逆变器的硬件、软件设计进行了较为详细的介绍,搭建了基于DSP的Z源三电平逆变器的实验平台,并在该平台上验证了本文所提研究策略的可靠性和有效性。
【关键词】：Z源三电平逆变器 直通状态 调制方法 中点电位不平衡 控制策略
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM464
【目录】：
- 摘要8-10
- ABSTRACT10-12
- 第一章 绪论12-24
- 1.1 课题的研究背景与意义12-14
- 1.2 课题的研究现状14-20
- 1.2.1 三电平逆变器的研究现状15-18
- 1.2.2 Z源网络研究现状18-20
- 1.2.3 Z源三电平逆变器研究现状20
- 1.3 课题的研究内容与主要工作20-24
- 第二章 Z源NPC三电平逆变器的工作原理24-28
- 2.1 Z源NPC三电平逆变器工作状态及分析24-25
- 2.2 Z源NPC三电平逆变器数学模型25-27
- 2.3 本章小结27-28
- 第三章 基于简化SVPWM的Z源三电平逆变器控制策略28-44
- 3.1 Z源NPC三电平逆变器中点电位不平衡机理分析28-33
- 3.1.1 NPC三电平逆变器SVPWM调制方法28-30
- 3.1.2 三电平逆变器中点电位不平衡机理分析30-31
- 3.1.3 直通状态对中点电位的影响31-33
- 3.2 基于简化SVPWM的Z源NPC三电平逆变器控制策略33-39
- 3.2.1 空间矢量坐标变换33-34
- 3.2.2 统一电压调制方法34-36
- 3.2.3 中点电位平衡控制方法36-38
- 3.2.4 Z源网络升压控制方法38-39
- 3.3 简化SVPWM控制策略仿真分析39-42
- 3.4 本章小结42-44
- 第四章 基于VSVPWM的Z源三电平逆变器控制策略44-54
- 4.1 NPC三电平逆变器低频波动机理分析44-45
- 4.2 VSVPWM调制方法简介45-47
- 4.3 基于VSVPWM调制方法的Z源NPC三电平逆变器控制策略47-50
- 4.4 VSVPWM调制方法仿真分析50-52
- 4.5 本章小结52-54
- 第五章 Z源混合箝位逆变器的工作原理及控制策略54-62
- 5.1 混合箝位三电平逆变器拓扑及工作原理54-56
- 5.2 Z源混合箝位逆变器数学模型56-57
- 5.3 基于同相载波PWM调制方法的Z源混合箝位逆变器控制策略57-59
- 5.4 Z源混合箝位逆变器仿真分析59-61
- 5.5 本章小结61-62
- 第六章 Z源三电平逆变器的软硬件设计62-76
- 6.1 Z源三电平逆变器硬件设计62-67
- 6.1.1 Z源网络参数设计62-65
- 6.1.2 主电路开关器件参数设计65
- 6.1.3 滤波电路参数设计65-67
- 6.1.4 控制电路设计67
- 6.2 Z源三电平逆变器软件设计67-72
- 6.2.1 Z源三电平逆变器主程序设计67-68
- 6.2.2 基于简化SVPWM的Z源NPC三电平逆变器软件设计68-70
- 6.2.3 基于VSVPWM的Z源NPC三电平逆变器软件设计70-71
- 6.2.4 Z源混合箝位逆变器软件设计71-72
- 6.3 Z源三电平逆变器实验验证72-74
- 6.3.1 Z源NPC三电平逆变器实验验证72-74
- 6.3.2 Z源混合箝位逆变器实验验证74
- 6.4 本章小结74-76
- 总结与展望76-78
- 参考文献78-84
- 致谢84-86
- 读研期间发表的论文和参加的科研项目86-88
- 附件88
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