（电机与电器专业论文）燃料电池dcac逆变器数字控制及其emc研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i n v e r t e r ，a sa ni m p o r t a n tp a r to fn e we n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e ms u c ha sf u e l c e l l e t c p l a y sak e yr o l e i nt h ec o u r s eo fe n e r g yc o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o n 1 1 1 e t r a d i t i o n a li n v e r t e ri n c l u d e sv o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ( v s i ) a n dc u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ( c s1 ) h o w e v e r , b o t ho ft h ei n v e r t e r sh a v e b a r r i e r sa n dl i m i t a t i o n si nf u e lc e l ls y s t e m t h e ya r ee i t h e rab u e k ( v s i ) o rab o o s t ( c s i ) i n v e r t e r i no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n to ff u e lc e l ls o f to u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，a na d d i t i o n a ld c d cc o n v e r t e rt o b o o s tt h eo u t p u tv o l t a g e ( v s i ) o rt ob u c kt h eo u t p u tv o l t a g e ( c s i ) i sn e e d e d ，w h i c h l o w e r st h ee f f i c i e n c yo fs y s t e m 、h a t sm o r e ，i nat r a d i t i o n a li n v e r t e r ，d e a dt i m ei s n e e d e df o rt h eu p p e ra n dl o w e rd e v i c e so fe a c hp h a s el e gc o u l db eg a t e do n s i m u l t a n e o u s l y ，w h i c hw o u l dd e c r e a s et h ec i r c u i tr e l i a b i l i t y n e v e r t h e l e s s ，t h e d i s a d v a n t a g eo f d e a dt i m ei st h a ti tc a nb r i n gt h eo u t p u tv o l t a g ew a v e f o r md i s t o r t i o n i no r d e rt os o l v et h ea b o v el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a li n v e r t e ri nf u e lc e l ls y s t e m ， t h i st h e s i sf o c u s e so i lt h er e s e a r c ho fan e wt y p ei n v e r t e rn a m e dz - s o u r c ei n v e r t e r ， w h i c hc a no v e r c o m et h ed r a w b a c k so ft h et r a d i t i o n a li n v e r t e r i te m p l o y sau n i q u e i m p e d a n c en e t w o r k ( z n e t w o r k ) ，w h i c ha l l o w st h ez s o u r c ei n v e r t e rt oh a v es o m e n e wf e a t u r e sw h a ta t ed i s a b l e do nt r a d i t i o n a i i n v e r t e r i nt h i sp a p e r t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt o p o l o g yo ft h ez - s o u r c ei n v e r t e ra le d e s c r i b e d ，a n di t sc o n t r o ls t r a t e g yi sa n a l y z e di nd e t a i l ，t h e nt h ed e v i c e sv o l t a g e s t r e s s i sa n a l y z e d ，w h i c ho f f e rat h e o r e t i c a la u t h o r i t yt ot h ed i g i t a lc o n t r o lf o rz s o u r c e i n v e r t e rb a s e do nd s p t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rz s o u r c ei n v e r t e rd i g i t a l c o n u o ls y s t e md u et od s pa t ed e s i g n e d b e s i d e st h es o u r c e ，t r a n s m i s s i o np a t ha n ds u b s e c t o r so fe m i ( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) i nt h ef u e lc e l li n v e r t e ra lea n a l y z e da n de m cs t r a t e g i e sa l e d i s c u s s e d k e yw o r d s ：f u e lc e l l z - s o u r c ei n v e r t e rt w o - p h a s ec o n t r o ld i g i t mc o n t r o l e m c i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 垄万名 巧年其1 3 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没 有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 当万善 一年f 其e t 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 d c a c 逆变器是应用电力电子( p o w e re l e c t r o n i c s ) 器件，将直流电能变换为恒 压、恒频交流电能的一种静止变流装置，供交流负载用电或与交流电网并网发 电。 尽管d c a c 逆变技术是一门发展比较成熟的技术，早已在生产实践中得到 广泛应用。但是，随着新的电力电子器件出现、新的电路拓扑的发展、新的调 制方法的研究应用、控制计算机性能的提高和应用领域的扩展，d c a c 逆变技 术也呈现出高频化、数字化、智能化、高电压大电流化等新的发展趋势。d c a c 变换技术高频化、高电压大电流化的发展，加剧了d c a c 变换器的e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 问题，如何利用数字化控制器快速、精确的计算 功能，以及如何应用新的调制技术降低d c a c 变换器e m i 水平、提高系统的电 磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , e m c ) 成为新的函待解决的问题。 通常d c a c 逆变技术应用于将直流发电机、蓄电池或电网交流电整流成的 直流电能变换为交流电能。随着光伏发电、风能发电、燃料电池发电等新的发 电技术的快速发展，d c a c 逆变器的应用领域也得到进一步的拓展。配合新的 发电装置使用并不能把原有的逆变技术做简单的移植。新的发电装置有各自独 特的工作特性，为适合这些特性，建立d c a c 逆变器与新的供电装置的兼容性， 需要在原有的d c a c 逆变技术基础上做出新的研究。 在新的发电技术中，燃料电池发电技术被认为是有希望继水力、火力、核 能之后成为第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。特别是近年来，随着人 们对能源的需求r 益提高、传统化石能源日益枯竭、环境恶化等世界性问题日 益突出，作为一种清洁、高效的替代能源装置，燃料电池发电技术日益成为研 究的热点【。 燃料电池能够直接把燃料的化学能转化为电能，与传统的火力发电相比， 燃料电池具有：能量转换效率高、环境兼容性好、设备可靠性高等显著的优点。 燃料电池是一种电化学装置。与传统的电池如铅酸电池、锌镍电池一样， 第1 章绪论 燃料电池输出的是直流电能并且输出电压特性较软，因此，燃料电池直接连接 负载的使用场合很少。因为生产、生活中的大多数用电设备使用的是交流电能， 公共电网的电能传输也大多采用交流电的形式，所以燃科电池往往是通过 d c a c 逆变器把燃料电池输出的直流电能变换为符合负载使用电压等级要求的 交流电【2 1 。 1 2 逆变器的数字控制技术 数字信号处n ( d s p ) 技术已经有了成熟的发展。新一代的数字信号处理器 ( d s p ) 采用哈佛结构、流水线操作，即程序、数据存储器彼此相互独立，在每一 时钟周期中能完成取址、译码、读数据以及执行指令等多个操作，从而大大减 少指令执行周期。另外，由于其特有的寄存器结构，功能强大的寻址方式，灵 活的指令系统及其强大的浮点运算能力，使得d s p 不仅运算能力较单片机有了 较大地提高，而且在该处理器上更容易实现高级语言。正是由于其特殊的结构 设计和超强的数据运算能力，使得d s p 能用软件实现以前需用硬件才能实现的 功能p j ，也同样使数字信号处理中的一些理论和算法可以实时实现。 数字控制由于其控制理论与实施手段的不断完善，同时囚为其具有高度集 成化控制电路、精确的控制精度、以及稳定的工作性能，如今己成为功率电子 学的一个重要研究方向，而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数 字化、绿色化的有效手段。高速数字信号处理器( d s p ) 的发展，j f 弦波逆变器的 控制技术方案也由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展【4 】。采用数字化 控制，不仅可以大大降低控制电路的复杂程度，提高电源设计和制造的灵活性， 而且可以采用更先进的控制方法，从而提高逆变电源系统输出波形的质量和可 靠性。 1 数字控制可以简化硬件电路，解决模拟控制元器件老化和温漂带来的问 题，具有很强的抗干扰能力。模拟控制器的稳定性能依赖于所选用元件的稳定 性。但是模拟元件的参数容易随环境和温度的变化而变化，如电阻、电容等都 有一定的温度系数，所以模拟控制的稳定性比较差。数字控制用数字来表示控 制量，这样就可以很大程度上提高系统的稳定性和可靠性。 2 易实现复杂的非线性控制策略，提高控制系统的性能。由于开关器件的 存在，电力电子中的各种变换器一般是非线性系统。传统的模拟控制只是在变 2 第1 蕈绪论 换器的近似线性模型的基础上利用频域分析法设计补偿网络。这种设计方法虽 然具有设计简单、实现容易等优点，但一般很难提高系统的控制性能。数字控 制可以根据- 二碱1 生模型来实现各种非线性控制策略，如自适应控制、模糊控制 等。这样就可以大大提高控制系统的性能。 3 通用性强，可以在几乎不改变硬件的情况下，通过修改软件来实现不同 的控制算法或提高系统的性能。易于实现大规模产品生产。 4 采用数字控制可以更好地与信息化接轨，使电源系统的操作使用界面更 加人性化，可以给用户提供更完整的操作和历史数据，还能实现输出电压调节、 电压保护、电流保护、功率保护、故障监测等功能使得电源具有“智能化”。 5 最终实现电源模块化、集成化、绿色化。但是，由于受a d 转换和芯片 运算速度的限制，尽管目- f i j i j d s p 微处理器的速度已提高很多，但是数字控制技术 的直接应用仍然多数局限于电动机控制，这是因为电动机负载的变化通常与机 械运动时间常数在同一数量级，而逆变器对响应速度的要求则通常要快得多【5 】。 鉴于目前数字控制芯片的运算速度，逆变器若完全采用数字控制? 因此而造成 的延迟时间在高频开关下将变得不可忽略，可能导致畸变。数字控制技术虽然 在逆变器的瞬时控制上，目前还不能完全替代模拟控制技术，但将数字控制与 模拟控制有效地结合在一起，能在很大程度上简化摔制，提高可靠性，将使控 制r 臻完美。 1 3z 源逆变器的应用 z 源逆变器是一种新的逆变器拓扑结构。它运用一个阻抗网络( 一个包含电 感器和电容器的二端口网络接成x 形，以提供一个阻抗源) 将逆变器和直流电源 或负载耦合在一起。z 源网络最大的和独特的特点是它可以开路和短路，这为逆 变器主电路根据需要升压或降压提供了一种机制。 1 z 源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。因此，与传统的电压 源或电流源逆变器不同，z 源逆变器的直流电源可以为任意的，如电池、二极管 整流器、晶闸管变流器、燃料电池堆、电感、电容器或它们的组合。 2 z 源逆变器的主电路既可为传统的电压源结构，也可为传统的电流源结 构。另外，z 源逆变器所采用的开关可以是开关器件和二极管的组合，即反并联 或串联两种组合形式。 3 第l 章绪论 3 z 源逆变器的负载可为电感性或电容性。 对于z 源逆变器来说，与传统的电压源逆变器或电流源逆变器不同，z 源逆 变器既可以以电压型逆变器模式工作，也可以以电流型逆变器模式工作，它具 有以下的独特优点： 1 从电路结构上 以电压型逆变器模式工作时，z 源逆变器的输入电源为电压源，主电路为传 统的电压源逆变器结构，z 源网络输入阻抗较小，所采用的开关是丌关器件和二 极管反并联的组合，负载为感性，输出阻抗较大【6 】。 以电流型逆变器模式工作时，z 源逆变器的输入电源为电流源，主电路为传 统的电流源逆变器结构，z 源网络输入阻抗较大，所采用的丌关是开关器件和二 极管串联的组合，负载为容性，输出阻抗较小。 2 从控制方法上 以电压型逆变器模式工作时，z 源逆变器主电路可以承受瞬时短路，并通过 特殊的控制方式引入直通状态而为逆变器的升压提供可能，从而使该电路成为 升压型电路【7 j 。 以电流型逆变器模式工作时，z 源逆变器主电路可以承受瞬时开路，并通过 特殊的控制方式引入开路状态而为逆变器的降压提供了可能性，从而使该电路 成为降压型电路。 1 4 本课题研究的意义和主要研究内容 目前，燃料电池发电及其应用技术还处于发展阶段。但是，据国际能源界 预测，燃料电池是2 l 世纪最有吸引力的发电方法之一【6 j 。我国是人均能源资源 相对贫乏的发展中国家，石油储量是世界的2 ，消费量是世界第二，进口依赖 度近4 0 ，二氧化硫和二氧化碳的排放量则分居世界第一和第二位。因此，我 国发展能源的多元化、可持续性、环境兼容性，降低能源的进口依赖度，发展 更可靠的备用发电装置具有现实的和深远的战略意义。燃料电池发电及其应用 技术是重要的解决方法之一。 小型固定式燃料电池电源系统( 又称为家用燃料电池电源系统) 的研究是 燃料电池应用技术的一个重要方面。小型固定式燃料电池电源系统可广泛应用 于住居建筑、医院、宾馆、户外独立的电信设施。 4 第1 章绪论 我国在小型燃料电池电源系统研究的落后局面固然有燃料电池价格昂贵和 我国经济、技术条件落后等制约因素的影响。但是，随着燃料电池发电技术的 研究的深入和发展，燃料电池的成本正逐步向商业化价格逼近，将在未来的十 数年内成为新的产业化和经济增长点。所以，从长远的角度看，我国须大力发 展包括小型燃料电池电源系统在内的燃料电池应用技术研究，缩小与发达国家 的差距，掌握未来能源利用的核心技术，促进我国的可持续发展战略。燃料电 池应用技术的产业化、商品化研究对技术创新、形成高新技术产业、实现跨越 式发、提高国际竞争能力都具有非常重要的意义。 本课题主要研究基于d s p 控制的z 源逆变器在燃料电池系统中的应用。分 析了z 源逆变器的工作原理、对比了传统逆变器和z 源逆变器应用于燃料电池 系统的优缺点，总结了z 源逆变器的控制方法，并将两相控制技术引入z 源逆 变器，丰富了z 源逆变器的控制策略，降低系统的开关损耗，提高了系统的直 流电压利用率。同时在深入探讨z 源逆变器主电路与控制系统的设计方法后， 完成了基于d s p 的z 源逆变器控制系统的软硬件设计。 同时本文分析了燃料电池逆变器主电路e m i ( 电磁干扰) 的干扰源、传播 途径以及逆变器的敏感设备，研究了逆变器主电路的e m c 措施。 本课题的主要研究内容是： 第一章介绍燃料电池的应用、数字控制技术发展和z 源逆变器的应用。 第二章介绍了z 源逆变器的工作原理和对z 源网络进行建模分析，阐述了z 源逆变器应用于燃料电池的优越性。 第三章系统总结了z 源逆变器的控制方法，分析了各种方法的优缺点，并 将两相控制应用于z 源逆变器，减小系统的开关损耗。 第四章完成了基于d s p 数字控制系统的软硬件实现，分析了对称p w m 波 形和直通脉冲的生成机理，并给出了d s p 控制z 源逆变器的流程图和实验波形。 第五章分析了燃料电池逆变器的电磁兼容问题并提出了抑制策略。 第六章总结与展望。 5 第2 章z 源逆变器的i ：作原理利系统建模 第2 章z 源逆变器的工作原理和系统建模 在前文绪论中提到，z 源逆变器的输入源可以是电压源形式，也可以是电流 源形式，相应的逆变主电路既可以和传统电压源型逆变器相同，也可以和传统 电流源型逆变器相同。因燃料电池具有传统电压源的特性，其所用逆变器主电 路也相应的采用开关管与二极管反并联的桥式结构。本章在详细研究电压型z 源逆变器的拓扑结构与工作原理的基础上，对z 源网络进行状态空问法建模建 模，并总结了z 源逆变器在燃料电池系统中应用的优越性。 2 1z 源逆变器拓扑结构与工作原理 2 1 1z 源逆变器拓扑结构 z 源逆变电路是一种基于z 源储能网络的拓扑变换电路。z 源逆变器的拓扑 结构如图2 1 所示，它由直流输入侧、z 源对称网络( l 1 = l 2 ，c 1 = c 2 ) 、三相桥式 逆变器( s 1 s 6 ) 、输出l c 滤波环节( l s ，c s ) 、交流负载等五部分组成。 l 1 l 2 图2 1z 源逆变器拓扑结构图 若令开关函数s 为： s = t 三霎x x 羹嚣c 义一6 ， c 2 ， 图2 1 所示z 源逆变器一共有1 5 种允许的开关状态( 见表2 1 ) 。当逆变器直 6 交 流 负 载 第2 章z 源逆变器的j ：作原理和系统建模 流侧电压施加在输出负载上时，z 源逆变器拥有和传统电压源型逆变器一样的6 种非零状态，即有效状态；当负载分别被上桥臂或下桥臂的三个开关管( s l ，s 3 ， s 5 或s 4 ，s 6 ，s 2 ) 短路时，怂“于三相z 源逆变器有2 个零电压状态，即传统零状 态博j 。然而，z 源逆变器还有另外7 种零电压状态：即在传统零状态中插入同一 桥臂上下开关管同时导通的直通零矢量。在传统的电压源型逆变器中，这个直 通零矢量是被禁止的，因为在这种情况下，同一桥臂上下开关管同时导通会导 致直流侧电源短路，损害电源和开关器件，是非常危险的。在传统的逆变器控 制中要加入死区时| 、日j 来防止同桥臂上下开关管同时导通。但在z 源逆变器中z 源网络的引入使直通状态在逆变器中成为可能，而z 源逆变器也j 下是通过这个 直通状态为逆变器提供了独特的升压特性。 表2 1z 源逆变器开关状态表 开关状态 s 1s 4s 3 s 6s 5s 2 有效状态 1 0 0 ) lo olo1 有效状态 0 1 0 ) 0lloo1 有效状态 0 0 1 ) 0l01lo 有效状态 11 0 lo l 0 0l 有效状态 1 0 l 1 o0l1o 有效状态 o l1 ollolo 传统零状态 0 0 0 01ol o1 传统零状态 111 lo l 0 lo 直通状态 l lxyxy 直通状态 xy l lxy- 直通状态 xyxy 1l 直通状态 llllxy 直通状态 1lx y11 直通状态 xylll 1 直通状态 l1 i1l1 状态l ：开关导通，状态0 ：开关关断 状态x ：l 或0 ，y 与x 互补 2 1 2z 源逆变器工作原理 图2 2 ( a ) 所示是z 源逆变器从直流侧看过去的等效电路，引入z 源网络后， 逆变桥处于直通状态时，等效为短路，如图2 2 ( b ) 所示；而当逆变桥处于6 种有 效状态时，逆变桥可等效为一个电流源，如图2 2 ( c ) 所示。当处于传统零状态时， 7 第2 章z 源逆变器的i ：作原理和系统建模 逆变桥可以看作一个零值电流源， 电路。 d 因而图2 2 ( c ) 是逆变桥处于非直通状态的等效 l l ( a ) i l l _ l _ _ _ 卜 ( b 当 _ _ _ _ 一 i l 2 ( c ) 图2 2 z 源逆变器等效电路 若电感l 1 、l 2 和电容器c 1 、c 2 分别具有相同的电感量l 和电容量c ，z 源网 络变为对称网络9 1 ，有 v c l 。v c z2v c ，v l i2v l 22v l 假设在一个开关周期t 中，逆变桥工作于直通状态的时间为t o ，从等效电路 图2 2 ( b ) ，有 v l = v c ，v d = 2 v c ，v s = 0 ( 2 2 ) 8 第2 章z 源逆变器的+ l ：作原理和系统建模 假设在一个开关周期t 中，逆变桥工作于非直通零电压状念的时间为t l ，从 等效电路图2 2 ( c ) ，有 v l = v i v c ，v d = v i ， v s = v c v l = 2 v c v i ( 2 3 ) 式中，v i 是直流侧电源电压，t = t o + t l 。 在一个开关周期中，电感两端的平均电压在稳态下为0 ，则 v l - m * v c + t i * ( v i - v c ) t _ o ，呲= 去巧= 篙形= 葛邮4 ) 由公式( 2 3 ) ，( 2 4 ) 可得，加在逆变桥直流侧母线电压v 。和输出交流相 压峰值 ，为 江2 雌南k2 击k ( 2 5 ) o = m 鲁= ( 肼) 等 ( 2 6 ) ， 、 7 ， 、7 公式( 2 6 ) 中b 是由z 源逆变器直通状态得到的升压因子，m 是传统电压 源逆变器调制度，括号内的代数式是z 源逆变器的调压系数。升压因子b l ， 而调制度m l ，因而可以通过调节b 、m 的数值来实现输出电压的升降。这同 常规电压源型逆变器交流输出只能降压的特性相比，扩大了整个系统的变换范 围，适用于燃料电池的应用场合。 从上述理论分析可以看出，z 源逆变器输出电压可以根据需要升高和降低， 不再需要额外的升压电路，有利于节约成本和提高工作效率。直通状态的加入 使得逆变桥可以承受瞬时短路，避免了死区时间对输出波形的畸变，这是传统 逆变器所不能实现的。 2 2z 源网络建模 z 源逆变器因其包含一个有电感和电容构成的z 源网络，使其与传统逆变器 有显著不同。要全面了解z 源逆变器的特性，就要对z 源网络进行准确的分析 和建模，本节应用状态空间法对z 源网络进行建模，通过状态函数描述z 源网 9 第2 章z 源逆变器的i ：作原理和系统建模 络的特点。 当z 源网络处于直通状态时如图2 - 2 ( b ) 所示，z 源网络中电容储存的电能转 化为电感中的磁能，取z 源网络的电感r t l 流和电容电压作为状态空问平均法建 模的状态变量。由对称的z 源网络可得出直通状态下的状态方程( l i = l 2 = l ， c i = c 2 = c ，令p = - d d t ) ： p f i c l r 2 c 2 0 0 0o o o 0o o0 0 形 ，l 一0 ( 2 7 ) 当z 源网络处于非直通状态时三相逆变桥等效一个电流源如图2 - 2 ( c ) 所示， 此时直流输入电压v i 向负载供电，并对z 源网络中的电容充电，z 源网络电感 将储存的磁能施加到负载上，使得逆变桥端电压v s 升高，实现升压功能。z 源 网络处于非直通状态时的状态方程为： 0 0 oo 0 咣 0 0 咣 坛0 乙 00 o0 + 一 ( 2 8 ) 由式( 2 7 ) 、式( 2 8 ) 得出的z 源网络分段状态方程，属于时变电路方程。为 了确定z 源网络在整个开关周期中的状态方程，需要将上述分段方程平均化。 由于不同开关状态下电路选取的状态变量、输入变量和输出变量相同，可将其 系数矩阵进行加权平均得到平均化方程10 1 。设直通占空比为a o ( a o = t o t ) ，非直 通占空比为d i ，由状态空间平均法得出的z 源网络状态平均方程如下： 只l a c l r l 2 c 2 0 一a 、， ，c o a 、， ，l 0 - d l i 。 l 0 0 0 - d 、 7c - d l i 。 l o a 、 ，l o + d i - d d l d ( 2 9 ) 求解z 源网络的暂态响应过程，可对系统的状态变量在稳态工作点附近 1 0 么么 第2 章z 源逆变器的l ：作原理和系统建模 一一 进行小信号扰动处理，故令：x = x + x ，x 代表稳态分量，x 代表暂态分量。 x = a 0 ，d i ，i l l ，v c ，i l 2 ，v c 2 。对式( 2 9 ) 进行拉普拉斯变换有： 兰! ! 翌：二型丝鱼二型堡 ( 2 1 0 ) d oj 2 l c + ( d l - d o ) 考虑到z 源网络的对称性，以及z 源网络中电感l 1 、l 2 的等效电阻r l - - - r 2 = r ， 电容的等效电阻r 1 = i 也= r ，式( 2 1 0 ) 可以转化为： 竖：二坐堡二生! 业垒2 丝二塾! 丝二垡! 塑堡二蔓二型! ! d os 2 l c + s c ( 厂+ 只) + ( d l - d o ) 2 ( 2 1 1 ) 竿：坚型哇_ ( 2 1 2 ) _s 2 l c + s c ( r + 尺) + ( d 1 - d o ) 2 旱：盟墨2 生一一 ( 2 1 3 )一= = i 乙 i ss 2 l c + s c ( r + r ) + ( d l - d o ) 2 公式( 2 1 1 ) ，( 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 即为z 源网络的传递函数。在公式( 2 1 1 ) 的传递函数中，系统有一个零点： s ：坚型生= 丝! ! 垡! 二亟监垡二竺二塾!( 2 1 4 ) l ( 2 i 一l s ) z 源网络在暂态过程中，即2 1 l i s ，并且 1 d o 0 5 ，所嘲i d o o 2 实际z 源网络的电感支路和电容支路等效电阻非常小，即 r 、r ) - - o 又2 v c v i ，则( 厂+ 尺) ( ，s 一2 ，) 一o ，( d i d o ) ( 2 一k r s ) 0 。 由此得出：s 0 。这表明z 源网络具有一个位于s 右半平面的零点，根据自 动控制相关理论可知，z 源网络系统具有非最小相位特征，其阶跃响应会出现 负调现象，且当z 源电感值越大、z 源电容值越小时负调的现象就越明显，在设 计z 源电感和z 源电容时需加以考虑【l l l 。 第2 章z 源逆变器的i ：作原理和系统建模 2 3z 源逆变器在燃料电池中的应用 燃料电池被称先足继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机 的动力装置。由于燃料电池将燃料的化学能直接转化成电能，避免了中间转换 过程的能量损失，可以达到较高的发电效率，因此燃料电池牵引系统具有很广 阔的前景2 | 。 通常燃料电池堆都是由多个单体电池元串并联在一起，达到一个足够高的 电压供负载使用。然而，燃料电池的输出特性和负荷有很大的关系。图2 3 为一 个5 0 k w 燃料电池系统实际的放电曲线( v i ) 示意图。 图2 35 0 k w 燃料电池系统v i 曲线示意图 由图可见，当负荷电流较大时，燃料电池端电压会产生较大的跌落，在传 统的燃料电池应用系统中须增加额外一级d c d c 升压电路以便跌落的直流电压 升到交流输出的要求。如图2 4 所示，这种拓扑结构虽然使交流电压输出得到上 升，但是也有显著的不剐1 3 】： 1 整个系统有两级功率变换，能量在传输过程中损耗较高，整个系统效率 较低。 2 由于采用高频电路使得d c d c 变换级的电磁干扰较严重，系统的电磁 兼容性能较差。 3 系统控制复杂，体积较大，成本较高。 1 2 第2 章z 源逆变器的r 作原理利系统建模 露 厂 l i l l j 善u f j v 4 0 0 v l ?少7 一 i d c d e ： ，垆 l ： 舞压 l l 。i 燃辩电池堆 图2 4 传统燃料电池席用系统 鬟叟流 负藏或 电动饥 z 源逆变器利用z 源网络实现升压功能，所以可以用其直接取代传统燃料 电池应用系统中的升压部分而将逆变器和燃料电池堆直接联合在一起组成新型 z 源燃料电池系统。图2 5 给出了z 源燃料电池应用系统结构图。由于z 源逆变 器利用同一桥臂开关官直通实现升压，避免了由于死区时间带来的输出波形畸 变，提高了输出波形质量。 图2 5z 源燃料电池应用系统 至交獍 负载或 电动馄 和传统的带有升压电路的燃料电池应用系统相比，z 源逆变器可以实现其 所具有的功能。当燃料电池堆的电压足够高而可以直接满足输出需要时，可以 采用传统的p w m 控制以得到所需要的输出交流电压。而当燃料电池堆的直流 电压发生跌落无法满足输出交流电压的需要时，可以采用带有直通状态的p w m 控制进行升压来满足输出交流电压的需要【1 4 】【1 5 】。本论文将在下一章节重点描述 带有直通状态的z 源逆变器控制策略及其基于d s p 数字控制的实现。 1 3 第3 章z 源逆变器控制方法研究 第3 章z 源逆变器控制策略研究及其数字控制实现 通过上一章z 源逆变器工作原理分析可以看出，虽然在传统的电压源逆变 器中直通短路状态是不允许的l l6 1 ，而z 源逆变器却正是利用了逆变桥的直通工 作状态来实现升压功能，正是有了这个直通状态使得z 源逆变器的控制将会和 传统的逆变器有很大的不同【i ，本文重点描述了z 源逆变器的控制策略，总结 了各种控制方法的优缺点，并运用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真，验证了各种控制 策略的正确性。并给出了基于d s p 数字控制实现的电路图。 3 1 恒直通时间控制 由上一章的分析可以看出，z 源逆变器工作在传统的零电压状态和直通状 态，对负载来讲作用是一样的，都是将三相负载短路。既然这样，就可以直接 将传统s p w m 控制方法的每个周期中的传统零状态作用时间部分可以由直通状 态作用时间来代替，而有效状态作用的时间保持不变，就可以方便的实现z 源 逆变器的升压控制【18 1 ，这就是z 源逆变器控制的基本思想。 3 1 1 基本原理 传统的逆变器控制中，当采用对称规则采样时，每个载波周期f 也即开关周 期) 都是由6 个有效工作状态中的两个相邻的有效工作状态和2 个传统零状态作 用的。从上述z 源逆变器升压p w m 控制的基本思想出发，利用恒定的直通状 态直接代替部分传统的零状态作用时间即可得到z 源恒直通时间控制，这种方 法实现起来最简单，因此也称作简单控制。图3 1 是恒直通时间控制原理图，设 三角载波幅值为l ，三相正弦调制信号为： v a = m s i n w t v 6 = m s i n ( w t + 1 2 0 。) ( 3 1 ) v 。= m s i n ( w t 一1 2 0 。) 上式中m 是调制度，w 是信号波角频率。 1 4 第3 章z 源逆变器控制方法研究 么鞒&涮岛渤 苫崩 mmm 拙 址 躺 r t 乙 广_ r r lr 件 l n 一 1 l | l l 脾 l n 目3 1 恒直通时间控制原理幽 v p ，h 是两个用柬产牛直通状态的调制信号。在恒直通时间控制方式下直通 占空比如最大可以取到l m ，由上一章图2 2 0 ) 和公式( 25 ) 可以得到，z 源逆变 器工作在非直通状态时升压因子b ： b ：j 二：l ：j 一：j h z r ot 一2 1 2 d o 2 m l ” 由公式( 26 ) 可以看出交流输出电压和直流电压之比g 为电压增益，其大 小是由调制度m 和升压因子b 两个自山变量乘积决定的： g - m b = 嘉 ( 33 电压增益g 与调制度m 之问的关系如图32 所示 国3 2 恒直通时间控制下o - m 的关系图 1 5 第3 章z 源逆变器控制方法研究 上图描述了在恒直通时问控制下电压增盐与调制度的芙系，曲线的片侧 可以看作z 源迪变器的工作区忙l ，可以看出当z 源逆变器加入直通后，必须满 足调制度m 05 ，即直通占空比“一u ) 。 z 源逆变器的开关电压应力与传统电压型逆变器开关应力相同，都是逆变桥 前的输入电压，山公式( 25 ) 可知，丌关管两端的电压应力为b v i 山公式( 32 ) ， ( 33 ) ，可知 v s = b k = ( 2 g 一0 v , ( 34 ) 2 ： 4 幽3 3 恒直通时间控制下电压应力与电压增益的芰系 图33 显示了恒直通时问控制下z 源逆变器屯压应力与电压增益的关系。可 以看出：当输出电j _ 【主与输入直流电眶相比有较大幅度上升时，开关管两侧的电 压应力，也会大幅升高。在选定电路元器件时应特别注意。 运用m a t l a b s i m u l i n k 对一个z 源燃料电池应用系统进行建模仿真，各仿真 参数v i - 4 0 0 v ，开关频率为f s - 1 0 k h z z 源网络参数l 1 - l 2 - 5 0 0 u h ， c 1 - c 2 - 3 3 0 u f ，调制度m = 07 2 。所带负载为阻性负载。由公式( 24 ) ，( 25 ) ，( 26 ) ( 32 ) ，( 33 ) 可计算得： 直流侧母线电压v s = b v i = 9 1 0 v z 源电容器两端电压v c - - m v i ( 2 m 1 1 - 6 5 5 v 输出相电压峰值v - - g v i 2 - 3 2 2 v 圈34 ，3 5 ，3 6 为仿真结果。 兰茕氆坦掣 第3 章z 游逆变器控制方法研究 h3 4 直流侧母线电压v s 仿真目 目3 5z 源网络电彝两端电压v c 仿真图 图3 6 输出相电压峰值v 仿真垤i 噼 聃 脚 啪 窨j 。 第3 章z 源逆变器控制方法研究 3 1 2 数字控制( d s p ) 实现 图3 7 给出了z 源逆变器恒直通时间控制下的d s p 实现示意图。其中 p w m l 6 生成传统s p w m 控制的6 路控制信号，由t i p w m 产生一个两倍频的 直通状态控制信号，再与所有6 路传统s p w m 控制信号相或便可得到z 源逆变 器的6 路带有直通零状态的控制信号。 t p w m l 】 p w m 2 r l 厶 r p w m 3 l 厶 r p w m 4 l t p w m 5 z p w m 6 t z t l p w m t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 图3 7 恒直通时间控制d s p 实现示意图 3 2 最大直通时间控制 3 2 1 基本原理 最大直通时间控制的基本原理是基于以下思路：既然直通状态和传统零状 态对负载的作用效果是相同的，在给定的调制度m 下，任一各开关周期内尽可 能的将传统零状态作用时间由直通状态作用时间来代替，则可以在相同的调压 系数g 下减小器件应力。而最佳效果就是传统零状态完全由直通状态来代替【1 9 1 。 图3 8 给出了最大直通时间控制的基本原理，同时也给出了其实现方法。可以看 出，直通状态的作用时间以3 为周期重复。假设开关频率远大于基波频率时， 则直通状态占空比函在( 6 ，2 ) 的任一开关周期内可以表达为： 1 8 第3 章z 源逆变器控制方法研究 s h p s b p s c p s 拽 s b n s c n 、 涡 胁 n j 9 | f l 务 - z f 9 一 犬 乡。 鼍 弋罾 弋 。| 托 v 6 ， 9 - _ - -一 、 沪。 吁 、 i 一j jl _ _ k a la -l _ _ jl 乙 2 一 j l _ j- kiif 一 图3 8 最人直通时间控制原理图 以：塑：2-(msin0-msin(o-2n3) ( 3 5 ) ” 7 1， 五= 李：墅专竺：譬 、26 l 一2 d o 3 3 所一万 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 由公式( 2 6 ) 可以看出交流输出电压和直流电压之比g 的大小是由调制度 聊和升压因子b 两个自由变量乘积决定的： g = 坳= o ( 3 8 ) 3 4 3 m 一1 c 、7 在最大直通时间控制下电压增益g 与调制度m 之间的关系如图3 9 所示： 1 9 第3 章z 源逆变器控制方法研究 t 一rr t i r f j 一一 ； 幽3 9 最大直通时间控制fg - m 的关系剀 相比较图39 和图32 ，在同等条件f 最大直通时l l j 控制工作曲线比恒直通 时间控制范围大，即意味着在相同的调制度mf ，最大直通时问控制输山的电 脏高【2 m 。 由公式( 3 7 ) ( 38 ) 可以得出z 源逆变器丌关电压应力与输出电压增益 的关系： 咋：口_ ：( 坐g1 ) 一 ( 39 ) ， 7 7 7 嘲31 0 昂大直通时问控制下l u 压麻力与电压增益的芙系 图31 0 显示了在最大直通时白j 控制下z 源逆变器开关管电压应力与电压增 益的关系，可咀看出：相比较图33 ，在相同输入电压，相同的电压增益下，最 大直通时间控制的开关电：臣应力要小，但带来的不足是，使得输出电压中包含 不易滤去的低次谐波。 0 7 5 5 4 3 2 ， 0 三塌驽龃捌 第3 章z 潍逆殳器控制方法研究 运用m a t l a b s i m u l i n k 对+ 个z 源燃料电池应用系统进行建模仿真，各仿真 参数v i = 4 0 0 v ，开关频率为f s = 1 0 k h z ，z 源网络参数l i = l 2 - 5 0 0 u h cj = l l - - 3 3 0 u f ，调制度删9 6 。所带负载为阻性负载。图31 1 ，31 2 ，31 3 为 仿真结果。 创31 1 直流侧母线电压v s 仿真幽 l 兰塞 1ll叶0-1j10捌 第3 章z 源逆变器控制方法研究 3 2 2 数字控韦i j ( d s p ) 实现 图3 1 4 为最大直通时i 日j 控制的d s p 实现方法。同样由d s p 生成6 路传统 s p w m 控制信号，在将上三个桥臂的上三个开关控制信号取出一路进行“或非”， 另一路进行“与”，然后在将得到的两路信号与所有6 路信号相或，最终得到的 6 路信号便是最大化s p w m 控制的6 路信号。 图3 1 4 最人直通时间控制d s p 实现示意图 3 3 恒直通时间最大化控制 3 3 1 基本原理 恒直通时间最大化控制是基于一下思想： 在三相j 下弦波调制信号中引入适当的三次谐波分量，使之成为鞍形波，从 而使得参考波的峰值降低，且三相三次谐波相位相同，在合成线电压时相互抵 消线电压仍为正弦波。再利用恒直通时间控制的思想，产生脉冲宽度恒定的直 通信号。与最大直通时间控制相比，恒直通时间最大化控制不会产生低此谐波； 与恒直通时间控制相