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基于Simulink的三相Z源逆變器正弦載波PWM仿真研究

發布日期:2019-09-27   來源:《變頻器世界》19-08期   作者:鞠宏寶Ju Hongbao   瀏覽次數:890
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【摘   要】:正弦載波PWM雖然作為常見的調制策略之一,但并沒有相關文獻對其仿真模型進行清晰表述。本文針對Z源逆變器的控制特點,依據正弦載波PWM技術原理,運用Matlab軟件Simulink工具箱中模塊對其搭建仿真模型,并將其應用于Z源逆變器電路。運行仿真后得出相關電壓波形,將仿真結果與相關公式計算所得理論值進行比較,從而驗證了本文所提供正弦載波PWM仿真模型及其算法的正確性,為相關同行提供使用之便。


   關鍵詞:Simulink;Z源逆變器;正弦載波PWM

 

 

引言

電壓源逆變器[1]不允許同一橋臂的上下功率開關器件同時導通,以防止發生短路現象而造成逆變器損壞,通常需要在同一橋臂上下開關器件之間插入死區時間,而插入死區時間又會引起輸出波形畸變;又由于電壓源逆變器固有的輸出電壓低于直流輸入電壓的缺點,當輸入電壓較低或者變化范圍較大時,需額外在前級加裝DC-DC升壓變換裝置完成直流升壓,從而造成系統結構復雜,成本升高,效率降低。而彭方正教授創新性提出的Z源逆變器[2]為功率變換技術提供了一種新的變換裝置和原理,有效的克服了電壓源逆變器的上述不足。Z源逆變器通過在其前端引入一個Z源阻抗網絡,將主變換器電路和電源或者負載耦合,通過同一橋臂上下功率開關器件的直通狀態來完成對輸入直流電壓的升壓,從而使得Z源逆變器在無附加額外升壓裝置的情況下,成為一種升降壓型逆變器,即可以根據實際需要,使得交流輸出電壓高于或者低于輸入電壓。與此同時,Z源逆變器中直通狀態成為一種正常的工作模式,從而避免傳統電壓源逆變器中因功率開關器件誤直通而發生損毀及因插入死區時間而引起輸出波形畸變的情況,抗電磁干擾能力強。因此Z源逆變器具有成本低、可靠性高等優點,并且其在燃料電池發電、光伏發電及直驅式風力發電等需要輸入電壓寬范圍變化的新能源領域具有潛在的應用前景[1]

國內外很多學者陸續對Z源逆變器開展諸如Z源逆變器建模和控制、Z源逆變器的工作原理和調制策略以及Z源逆變器的應用等方面研究[1],使得Z源逆變器相關理論研究和實際應用發展迅速,并已經取得突破性進展和成果。正弦載波PWM[3]作為Z源逆變器常用的調制策略之一,相比于三角載波PWM,其采用正弦波作為載波,得到的直通占空比更大,在調制系數相同的情況下,所得到的交流輸出電壓更大,而且直流電壓利用率更高。基于此,本文在正弦載波PWM技術原理理論基礎上,將其應用于三相Z源逆變器,并使用Matlab軟件中Simulink工具箱所包含模塊搭建該模型并將該仿真實現運行。

Z源逆變器簡介

2.1  Z源逆變器特點

傳統電壓源逆變器橋臂上、下6個功率開關器件共有8種工作狀態,包括6種有效矢量工作狀態和2種傳統零矢量工作狀態。而Z源逆變器除可以工作于以上8種工作狀態外,由于逆變器前端Z源交叉阻抗網絡的引入,其還可以實現逆變橋臂上、下開關器件的直通,而工作于不同于傳統逆變器的直通零矢量狀態。在實際操作中,通常是將直通零矢量狀態插入到傳統零矢量狀態中,從而保持有效矢量狀態作用的時間不變,最終保證逆變器輸出交流電壓不受影響的同時,還實現了對直流鏈電壓的提升。

2.2 Z源逆變器拓撲

Z源逆變器拓撲結構包括直流輸入電源、Z源交叉阻抗網絡和逆變橋三部分。直流輸入電源作為固定不變的輸入環節,為逆變器提供逆變源;Z源交叉阻抗網絡位于逆變橋前端,將直流輸入電源和逆變橋耦合,是一個由等電感L1L2和等電容C1C2組成的二端口X形Z源網絡;逆變橋臂上的開關器件多由IGBT等有源器件和與之反并聯的二極管組合而成[4]Z源逆變器拓撲結構如圖1所示。

1  Z源逆變器拓撲結構

 

正弦載波PWM調制策略

3.1 正弦載波PWM原理

Z源逆變器要獲得較高的升壓,就需要有較大的直通作用時間。在簡單升壓調制中采用三角載波和正弦調制波,最大直通占空比D0被限制為1-M0,因此要獲得高的升壓就需要增大D0,減小調制系數M0。為了得到更大直通占空比,獲得更高的輸出電壓,本文所述正弦載波PWM[3]采用高頻正弦波作為載波,仍然以三相正弦波作為調制信號,并分別用一個大于三相正弦調制波正峰值的恒定信號V1和小于三相正弦調制波負峰值的恒定信號V2來控制直通占空比D0。當高頻正弦載波幅值大于V1或者小于V2時,逆變器三相橋臂直通,而處于直通零矢量工作模式,并實現對傳統零矢量時間的部分代替;而當高頻正弦載波幅值介于V1V2之間時,逆變器工作于有效矢量時間模式。不同于三角載波PWM,給定調制系數M0時,正弦載波PWM可以得到更高的直流電壓利用率,獲得更高的輸出電壓。正弦載波PWM原理如圖2所示。

 

 

2  正弦載波PWM

3.2 正弦載波PWM仿真模型

運用Matlab仿真軟件Simulink工具箱中的模塊,依據正弦載波PWM調制策略原理理論,搭建正弦載波PWM仿真模型如圖3所示。

                                       

3  正弦載波PWM仿真模型

 

由圖3所搭建正弦載波PWM仿真模型中,主要由信號源模塊、信號比較模塊以及生成信號輸出模塊三部分組成,其中最左側信號源模塊從上到下分別依次產生高頻正弦載波信號、三相正弦調制信號中A相、B相及C相調制信號,然后將所產生載波和調制信號幅值進行關系運算比較所產生的信號與載波和所設定的恒定信號幅值比較所產生的信號進行邏輯關系運算比較,從而得到含有直通零矢量時間的調制輸出信號,并最終通過圖3最右側生成信號輸出模塊即示波器Scope輸出顯示出來。該調制信號產生后,將其作用于Z源逆變器逆變橋的6個功率開關器件,便可以利用插入的直通零矢量時間完成對輸入直流電壓的升壓。

4 仿真驗證

將上一部分最終所產生的正弦載波PWM調制信號作用于Z源逆變器,利用Matlab軟件Simulink工具箱中仿真模塊搭建電路模型如圖4所示,并對電路中各電氣元件進行參數賦值,仿真運行后便可以得到相關元器件的電壓電流幅值及波形,再依據有關公式對相關電壓電流幅值進行理論計算,最后將所計算得到理論值與實際仿真結果進行對比,從而驗證所搭建電路模型和調制信號產生模型及算法的正確性。

                                          

4  三相Z源逆變器正弦載波PWM仿真電路

 

設置電路模型仿真參數如下:直流輸入電源Vi=48V,逆變橋功率器件開關頻率fc=3000Hz,三相正弦調制信號頻率fs=50Hz,調制系數M0=0.8,Z源網絡中電容C1=C2=1000µF,電感L1=L2=1mH,濾波電感Lf1=Lf2=Lf3=1mH,濾波電容Cf1=Cf2=Cf3=20µF,電阻性負載R1=R2=R3=10Ω。在圖4所示仿真電路模型中設置以上參數,仿真運行后可以得到如圖5(a)、圖5(b)及圖5(c)所示的Z源網絡電容電壓、逆變器輸出峰值電壓及直流鏈峰值電壓的仿真波形。

                                     

a)Z源網絡電容電壓仿真波形

                                      

b)逆變器輸出峰值電壓仿真波形

                                      

c)直流鏈峰值電壓仿真波形

 

5  仿真波形圖

當電路仿真參數設置調制系數M0=0.8時,根據Z源逆變器Z源網絡電容電壓、輸出峰值電壓、直流鏈峰值電壓公式和正弦載波PWM調制系數與直通占空比關系及與升壓因子B關系公式[3],綜合以上各公式可得出理論值:Z源網絡電容電壓UC157V,輸出峰值電壓Uac≈106V,直流鏈峰值電壓Udc≈266V,升壓因子B5.53。根據圖5仿真波形結果,可以得出實際仿真結果與理論計算值一致,說明圖3所搭建的正弦載波PWM調制信號生成仿真模型及該調制算法是正確的。

5 結論

正弦載波PWM作為常用的幾種調制策略之一,其理論原理已經得到廣大學者及相關從業人員的廣泛認可,然而卻沒有相關文章對其仿真模型進行清楚表述。本文根據該調制策略原理,運用Matlab軟件Simulink工具箱中模塊對其進行仿真模塊的搭建,并通過將其應用于三相Z源逆變器進行仿真運行,得到的仿真結果與根據各公式計算所得理論值一致,最終得證本文對正弦載波PWM所搭建仿真模型及該算法是正確的,同時也為廣大同行提供使用之便。

 

 
 
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