基于最大化3次谐波的准Y源逆变器控制策略

张炜烁，房绪鹏，林 强，王 松

(山东科技大学 电气与自动化工程学院,山东 青岛 266590)

在Z源逆变器的基础上，文献[3]提出了一种新型的逆变器——Y源逆变器.Y源逆变器不仅继承了Z源逆变器的优点，且提升了逆变器的升压能力.在Y源逆变器的基础上，文献[4]提出了准Y源逆变器，准Y源逆变器具有输入电流连续、元件额定值低等优点.在准Y源逆变器的基础上，研究人员又提出了多种改进的逆变器.

简单升压控制实现简单，但其升压能力有限，且功率器件的电压大、损耗高.文献[8-9]分别提出了最大升压、最大恒定升压控制策略，但直通时间均受调制波幅限制.文献[10]比较了简单升压、最大升压、最大恒定升压控制策略在Z源逆变器和Y源逆变器上的应用，但没有对电容电压和电感电流纹波进行具体分析.文献[11]将3次谐波注入调制波，提高了升压能力，减小了电容电压.文献[12]虽然能预测和优化直通时间，但是控制方式复杂.文献[13]实现了对电流的预测控制，但没有优化电压及开关频率.笔者提出基于最大化3次谐波的准Y源逆变器控制策略，对3种控制(简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制)策略的性能参数进行比较，通过仿真及实验验证最大化3次谐波控制策略的可行性.

1 准Y源逆变器

如图1所示，准Y源逆变器由直流输入电路、准Y源阻抗网络、三相逆变桥和交流输出电路构成.

图1 准Y源逆变器

准Y源逆变器有两种工作状态：直通和非直通.图2为准Y源逆变器直通及非直通状态下的等效电路图.

图2 准Y源逆变器两种状态下的等效电路

在直通状态下，三相逆变桥视为短路，二极管工作在截止区，视为开路，此时有如下电压关系

(1)

其中：

N

，

N

，

N

为耦合电感的绕组匝数；

V

为直流输入电压；

V

为电感两端电压；

V

和

V

分别为电容

C

和

C

的电压；

V

为匝数为

N

的耦合电感电压.

在非直通状态下，二极管D处于导通状态，此时有如下电压关系

(2)

在一个开关周期内， 有如下电压关系

(3)

V

=

V

-

V

，

(4)

其中:

d

=

T

/

T

，

T

为直通时间，

T

为一个开关周期.将式(2)～(4)联立，得到非直通状态下

V

′′的表达式为

(5)

输出相电压的幅值为

(6)

其中：

M

为调制度.

将式(3)～(4)联立，得到

(7)

(8)

将式(1)，(7)～(8)联立，得到电感

L

的电流纹波表达式为

(9)

2 基于最大化3次谐波的准Y源逆变器控制策略

在3次谐波控制的基础上，笔者提出基于最大化3次谐波的准Y源逆变器控制策略.该策略末引入辅助信号，只将传统正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称SPWM)控制中的零矢量由直通零矢量代替.在正半周期的三角载波大于调制波的时间，以及在负半周期的三角载波小于调制波的时间，逆变器均为直通状态，其余时间为逆变状态.

直通占空比的表达式为

(10)

一个周期内的直通占空比为

(11)

电压增益的表达式为

(12)

3 3种控制策略的性能参数比较

下面对3种控制(简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制)策略的几种性能参数进行比较.设变压器增益比

δ

=4.

3.1 调制度

根据式(6)的实际意义，其分母应大于0，则有0≤

d

≤1/

δ

.根据3种控制的

d

范围，可得到准Y源逆变器的调制度

M

的范围.简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制的调制度取值范围分别为

(13)

由式(13)可知，最大化3次谐波控制的调制度活动范围最大，故该控制更有利于系统调节.

3.2 直通占空比

图3为简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制的直通占空比与调制度的关系.由图3可知，在相同调制度下，最大化3次谐波控制有最大的直通占空比，故其升压倍数更高、直流侧电压的利用率更高.

图3 3种控制的直通占空比与调制度的关系

3.3 电压增益

图4为简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制的电压增益与调制度的关系.由图4可知：调制度相同时，最大化3次谐波控制有最大的电压增益；电压增益相同时，最大化3次谐波控制的调制度最大、能最有效优化输出波形.

图4 3种控制的电压增益与调制度的关系

3.4 电容C1的电压

在给定电压增益

G

的情况下，简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制的电容

C

的电压与输入电压

V

的关系分别为

V

′=

GV

=

a

V

，

(14)

(15)

(16)

其中：

a

，

a

，

a

分别为简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制的电容

C

的电压系数，其表达式为

(17)

图5为3种控制的电容

C

的电压系数与电压增益的关系.从图5可知，电压增益相同时，最大化3次谐波控制的电容

C

的电压系数最小，故其电压最低.

图5 3种控制的电容C1的电压系数与电压增益的关系

3.5 电容C2的电压

在给定电压增益

G

的情况下，简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制的电容

C

的电压与输入电压

V

的关系分别为

V

′=(

G

-1)

V

=

b

V

，

(18)

(19)

(20)

其中：

b

，

b

，

b

分别为简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制的电容

C

的电压系数，其表达式为

(21)

图6为3种控制的电容

C

的电压系数与电压增益的关系.从图6可知，电压增益相同时，最大化3次谐波控制的电容

C

的电压系数最小，故其电压最低.

图6 3种控制的电容C2的电压系数与电压增益的关系

3.6 电感电流纹波

在给定电压增益

G

的情况下，简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制的电感电流纹波与输入电压

V

的关系分别为

(22)

(23)

(24)

其中：

α

，

α

，

α

分别为简单升压、3次谐波、最大化3次谐波控制的电感电流纹波系数，其表达式为

(25)

图7为3种控制的电感电流纹波系数与电压增益间的关系.从图7可知，电压增益相同时，最大化3次谐波控制的电感电流纹波系数最小，故其对应的电感电流纹波最小.

图7 3种控制的电感电流纹波系数与电压增益的关系

由上述分析可知：相对于其他2种控制，最大化3次谐波控制的调制度活动范围最大、直通占空比大，有利于系统的调节；最大化3次谐波控制能有效减小输入侧电容电压和电流纹波，这样可延长电容的使用寿命、减小电感体积.可见，最大化3次谐波控制的性能更优.

4 仿真验证

在Simulink中搭建的最大化3次谐波控制的仿真模型如图8所示.

图8 最大化3谐波控制的仿真模型

仿真参数的设置如表1所示.

表1 仿真参数的设置

调制度为0.95时3种控制的仿真波形如图9所示.由图9可知：简单升压控制时，直流母线电压峰值为65 V，据此可计算得升压因子为1.3； 3次谐波控制时，直流母线电压峰值为178 V，据此可计算得升压因子为3.56；最大化3次谐波控制时，直流母线电压峰值为355 V，据此可计算得升压因子为7.1.可见，最大化3次谐波控制的系统升压能力最强.

图9 调制度为0.95时3种控制的仿真波形

图10为电压增益为1.5时3种控制的仿真波形.由图10可知：简单升压控制的电容

C

电压为75 V，电容

C

电压为25 V，电感电流纹波为0.035 A.3次谐波控制的电容

C

电压为65.3 V，电容

C

电压为13.8 V，电感电流纹波为0.028 A；最大化3次谐波控制的电容

C

电压为61.2 V，电容

C

电压为11.6V，电感电流纹波为0.018 A.可见，最大化3次谐波控制的输入侧两电容电压和电感纹波均最小.

图10 电压增益为1.5时3种控制的仿真波形

5 实验验证

在仿真的基础上，进行实验验证，实验参数与仿真参数相同.图11～12分别为调制度、增益相同时3种控制的实验波形，其中：

V

为

A

相电压、

I

为电感电流、

V

′′为直流母线电压、

V

为电容

C

电压、

V

为电容

C

电压，

V

为驱动信号电压.由图11可知，相同调制度下，最大化3次谐波控制的升压能力明显优于其他两种控制.由图12可知，相同增益下，最大化3次谐波控制的电容电压和电感电流纹波明显小于其他两种控制.

图11 调制度为0.95时3种控制策略的实验波形

图12 电压增益为1.5时3种控制策略的实验波形

6 结束语

与传统的Y源逆变器相比，准Y源逆变器具有输入电流连续、元件额定值低等优点.笔者提出了基于最大化3次谐波的准Y源逆变器控制策略，该控制策略能提高直通占空比、增强系统升压能力、提升直流母线电压的利用率，同时能减小电容电压和电感电流纹波.