Z源型逆变器母线电压的二次谐波及其抑制策略研究_程如岐

Abstract ： A detailed discussion about second harmonic in bus voltage of Z source inverter is made and an analysis of the causes，the harms，and the influence factors of the phenomenon is also given． Furthermore ，a suppression method was proposed according to the phenomenon and the contrastive simulation results proved the accuracy of the analysis． Finally， based on the above analysis， a control strategy with repetitive control strategy in inter current loop to suppress the influence of the second harmonic in the bus voltage was proposed and both the simulation results and the experimental results prove the validity of the control strategy． Key words： Z source inverter； second harmonic； repetitive control； bus voltage； inner current loop
CHENG Ruqi， ZHAO Gengshen， ZHAO Yao， GUO Tianyong
（ Tianjin Key Laboratory of Photoelectronic Thin Film Devices and Technology，Nankai University，Tianjin 300071 ，China）
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1. 1
母线电压的二次谐波的成因与影响因素
母线电压的二次谐波现象的形成原因 在针对于 Z 源逆变器的母线电压实际测试中，
发现 Z 源网络的母线电压上叠加有二倍频于调制 正弦波的低频脉动。该二次谐波的的产生主要是由 于 Z 源逆变器与传统逆变器不同的拓扑结构造成 开关管状态对母线电压存在影响 。为了详细说明母 线电压二倍频波动的形成原因， 下面对 Z 源逆变器 在非直通状态时的传统零矢量和有效矢量两种情况 下的母线电压变化进行分析。 设电容值为 C ， 负载 Z 源网络电感值为 L。 为 Z， 在传统零矢量状态下， 负载断开， 相当于 Z 源网 络输出开路， 等效电路如图 1（ a） 所示， 母线电压为 1 + ω2 LC Ui 0 = U dc 。 1 － ω2 LC 式中 ω 为角频率。 而在有效矢量状态下， 负载接入 Z 源网络中， 等效电路如图 1 （ b ） 所示。 为了简化运算可以将负 载看作两个 2 Z 负载的并联， 并对该电路进行 Δ － Y ， 2 ， 变化 等效电路如图 所示 其中， L C Z1 = ， 1 jωL + + 2Z jωC （ 2） （ 1）
摘 要: 针对 Z 源逆变器母线电压有效值二倍频于输出正弦波的脉动分量现象进行了讨论 ， 详细 、 ， ， Z 分析了该现象的成因 危害及影响因素 并提出了抑制方法 同时利用仿真模型对 源逆变器母线 电压有效值二倍频脉动分量的各影响因素进行对比测试 ， 得到的仿真结果验证了分析的准确性。 在分析的基础上， 提出电流内环中加入重复控制策略的方式来抑制母线电压二次谐波对于输出电 压的影响， 仿真和实验结果都验证了控制策略的有效性。 关键词: Z 源型逆变器; 二次谐波; 重复控制; 母线电压; 电流内环
Fig． 2
Udc
图2
有效矢量变换结果
Transform result of active state
经计算得出此时母线电压的表达式为 1 + ω2 LC Ui 1 = U 。 2jωL dc 1 － 5 ） 可知， 两种情况下母线电压存 在着明显差异， 实际的有效值应该是两种情况下母 线电压的平均值。非直通状态下的母线电压有效值 表达式应为 Ui = T1 U i1 + T0 U i0 。 T1 + T0 （ 6）
第 17 卷
第6 期
2013 年 6 月
电 机 与 控 制 学 报 ELECTRI C MACHINES AND CONTROL
Vol. 17 No. 6 June 2013
Z 源型逆变器母线电压的二次谐波 及其抑制策略研究
程如岐， 赵庚申， 赵耀， 郭天勇
（ 南开大学 天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室，天津 300071 ）
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引
言
静态性能的逆变器已成为光伏发电 究开发优良动、 领域的研究重点。传统逆变器主要有电压源型和电 流源型两类拓扑结构， 但它们均必须在输入端接入 DC / DC 转换器来实现升降压功能， 因此抗电磁干扰 ［1 － 2 ］ 能力较弱。Z 源逆变器 也称为阻抗源型逆变器 （ Z source inverter，ZSI） ， 通过引入直通状态不仅实
Udc
（ 3）
（ 4）
L
C
L
Ui0
（ a） 传统零矢量等效电路 L C
Z C Udc
L
Ui1
（ b） 有效矢量等效电路
图1 Fig． 1
传统零矢量和有效矢量等效电路 Equivalent circuit of traditional zero state and active state
Z3 Z2 Z1 Z1 Z2 Z3 Ui
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电
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与
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制
学
报
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化。母线电压的波动之所以是输出正弦波的二倍 频， 可以由逆变桥驱动的方式得出。图 3 （ a ） 、 图 3 （ b） 分别为调制正弦波正、 负半周两种情况下 Z 源逆变 器有效矢量状态下开关管电流方向的示意图。从图 3 中可以看出 ， 正弦波正 、 负半周是通过选通逆变桥 不同桥臂上的开关管来实现的。 设开关周期为 T s ， 0， 且开关管前的电压为稳定值， 那么， 在 ωt ∈［ π］ 时有 T s 2 U ac sinωt = T1槡 2 Ui ， T1 = MT s sinωt， T0 = T s － T1 ， 2 π］ 在 ωt∈［ π， 时有
100 95 90 85 80 0.04
} }
（ 7）
T s 2 U ac sinωt = T1 （ － 槡 2 Ui ） ， T1 = MT s sin（ ωt － π） ， T0 = T s － T1 。
（ 8）
2 π］时 设 由式（ 7 ） 和 式 （ 8 ） 可 知， 在 ωt ∈［π， （ ωt） ' = （ ωt － π） ∈［ 0， ］ ， （ 8 ） π 则式 可以简化为 T1 = MT s sin（ ωt） ' ， （ 9） T0 = T s － T1 。
式中： T1 为有效矢量的作用时间； T0 为传统零矢量 U i0 和 U i1 的作用时间。 在电路参数不变的情况下， T0 会随着空间矢量脉宽调 不变， 每个开关周期 T1 、 SVPWM ） 控 制（ space vector pulse width modulation， 制变化， 因此母线电压的有效值会随着发生周期变
Z 源网络的电容值、 要因素包括 Z 源网络的电感值、 负载的阻抗等。 为了说明这些因素对于 Z 源型逆 变器母线电压二次谐波大小的影响， 在不同的 Z 源 网络电容值、 电感值、 负载阻值等情况下进行了对比 仿真实验， 仿真结果如图 4 所示。图 4 （ a ） 为在电感 值为 1. 2 mH， 电容值为 1 880 μF， 负载电阻为 10 Ω 情况下的输出母线电压仿真图， 此时母线电压二次 谐波波动为 8. 4 V； 图 4 （ b） 为在电感值为 0. 12 mH， 其他值与图 4 （ a ） 中的参数相同的情况下输出母线 电压仿真图， 此时母线电压二次谐波波动为 4. 4 V； 图 4 （ c） 为在负载电阻为 5 Ω， 其他值与图 4 （ a） 中的 参数相同的情况下输出母线电压仿真图， 此时母线 电压二次谐波波动为 10. 6 V； 图 4 （ d） 为 Z 源网络电 容值为 3 760 μF， 其他值与图 4 （ a ） 中的参数相同的 情况下输出母线电压仿真图， 此时母线电压二次谐 波波动为 2 V。
第6 期
程如岐等： Z 源型逆变器母线电压的二次谐波及其抑制策略研究 2Z jωC Z2 = ， 1 jωL + + 2Z jωC Z3 = jωL2 Z 。 1 jωL + + 2Z jωC
C
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现了升降压功能， 而且克服了死区时间， 使得同一桥 臂上两个开关管可以同时导通而不会损坏开关管 ， 是一种具有实际应用意义的逆变器， 然而， 在Z源 逆变器的研究过程中， 通过测试逆变器输出波形发 现母线电压有效值存在二倍频于输出正弦波的脉动 ［3 ］ 分量 ， 即频率为 100 Hz 的规则脉动分量。 母线电 会导致母线电压的采样值不准确 ， 压有效值的脉动， 降低了控制策略的精确度。按照传统方法对开关管 生成的调制波进行滤波， 所得正弦波会包含二次谐 波分量， 严重影响了输出正弦波的质量， 导致逆变器 的性能下降。 本文针对 Z 源逆变器母线电压存在 的二次谐波现象进行了讨论， 详细分析了该现象的 成因、 危害及影响因素， 并提出了抑制方法， 同时利 用仿真模型对 Z 源逆变器母线电压有效值二倍频 脉动分量的各影响因素进行了对比测试， 得到的仿 真结果验证了分析的准确性。 在分析的基础上， 提 出流内环中加入重复控制策略的方式来抑制母线电 并在此基础上， 采 压二次谐波对于输出电压的影响 ， 用电压电流双环控制来达到稳定母线电压 、 抑制母 线电压二次谐波影响的目的。