紧凑型准Z源双输出逆变器及其载波PWM调制方法

本发明属于电力电子变换装置，尤其涉及紧凑型准z源双输出逆变器及其载波pwm调制方法。

背景技术：

1、近年来双交流输出系统在电动汽车、新能源发电并网等领域获得重要应用。双交流系统的核心为双输出逆变器。现有的双输出逆变器均属于降压逆变器范畴，对于光伏并网系统而言，需要在前级增加额外的升压电路，增加了系统的复杂度和控制难度。本发明提出的紧凑型准z源双输出逆变器具备在单级模式下的升压和逆变，简化了拓扑结构，本发明所提出的载波pwm调制方法在调制波中注入三次谐波并加入直流偏移量和直流脉动量，可以在一定程度上提升直流母线电压利用率，该调制方法简单易实现，具有更低的谐波畸变率和更高的效率。

2、迄今未见有关紧凑型准z源双输出逆变器及其载波pwm调制方法的文献报道和实际应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是，针对一种具有升压能力的三相三电平双输出逆变器，从节约成本和减小逆变器体积的角度出发，提出一种体积小、成本低、结构合理且具备升压能力的紧凑型准z源双输出逆变器；并提供科学合理、适用性强、效果突出的调制方法。

2、为实现上述目的，本发明的紧凑型准z源双输出逆变器及其载波pwm调制方法的具体技术方案如下：

3、一种紧凑型准z源双输出逆变器，其特征在于，两组直流电源vdc1、vdc2，两组对称的准z源网络，一个具有两个交流输出端口的三电平逆变器；其中，直流电源vdc1的正极与上侧准z源网络的输入端相连，直流电源vdc2的负极与下侧准z源网络的输入端相连，且两组直流电源的中点与两组准z源网络的中点相连；上侧准z源网络的输出端与三电平逆变器的正极端相连，下侧准z源网络的输出端与三电平逆变器的负极端相连，两组准z源网络的中点与三电平逆变器的中点相连；三电平逆变器有三相桥臂：a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂，每相桥臂由6个开关模块s1x～s6x组成，其中，x∈{a，b，c}；

4、所述准z源网络电路包括电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电容cu1、电容cu2、电容cl1、电容cl2、二极管d1、二极管d2，所述电感l1的一端与电源vdc1的正极相连，电感l1的另一端与二极管d1的阳极和电容cu1的负极相连，二极管d1的阴极与电感l2的一端以及电容cu2的正极相连，电容cu1的正极与电感l2的另一端以及三电平逆变器的正极端p相连；电源vdc2的正极与电源vdc1的负极相连，电源vdc2的负极与电感l3的一端相连，电感l3的另一端与二极管d2的阴极以及电容cl2的正极相连，二极管d2的阳极与电感l4的一端以及电容cl1的负极相连，电容cl2的负极与电感l4的另一端以及三电平逆变器的负极端n相连，电容cu2的负极与电容c3的正极相连，并将电容cu2的负极与电容cl1的正极相连的点定义为中点o；

5、所述开关模块均由一个绝缘栅双极晶体管tkx与一个反并联的二极管dkx组成，符号tkx和符号dkx的下标符号kx表示其所在的开关模块，其中，x∈{a，b，c}，k∈{1，2，3，4，5，6}；所述开关模块skx中二极管dkx的阳极与绝缘栅双极晶体管tkx的发射极相连，并将二极管dkx的阳极与绝缘栅双极晶体管tkx的发射极相连接的点定义为开关模块skx的发射极，二极管dkx的阴极与绝缘栅双极晶体管tkx的集电极相连，并将二极管dkx的阴极与绝缘栅双极晶体管tkx的集电极相连接的点定义为开关模块skx的集电极；a相桥臂有2个输出端，分别为上输出端a1和下输出端a2，b相桥臂有2个输出端，分别为上输出端b1和下输出端b2，c相桥臂有2个输出端，分别为上输出端c1和下输出端c2；3个上输出端a1、b1和c1共同组成逆变级1；3个下输出端a2、b2和c2共同组成逆变级2；逆变级1所带的三相负载为zla1、zlb1、zlc1，逆变级2所带的三相负载为zla2、zlb2、zlc2；

6、开关模块s1a的集电极与直流母线正极端p相连，开关模块s1a的发射极与开关模块s2a的集电极相连，开关模块s2a的发射极与开关模块s3a的集电极相连，开关模块s3a的发射极与开关模块s4a的集电极相连，开关模块s4a的发射极与直流母线负极端n相连；将开关模块s1a的发射极与开关模块s2a的集电极相连接的点定义为交流输出端a1；将开关模块s3a的发射极与开关模块s4a的集电极相连接的点定义为交流输出端a2；

7、开关模块s1b的集电极与直流母线正极端p相连，开关模块s1b的发射极与开关模块s2b的集电极相连，开关模块s2b的发射极与开关模块s3b的集电极相连，开关模块s3b的发射极与开关模块s4b的集电极相连，开关模块s4b的发射极与直流母线负极端n相连；将开关模块s1b的发射极与开关模块s2b的集电极相连接的点定义为交流输出端b1；将开关模块s3b的发射极与开关模块s4b的集电极相连接的点定义为交流输出端b2；

8、开关模块s1c的集电极与直流母线正极端p相连，开关模块s1c的发射极与开关模块s2c的集电极相连，开关模块s2c的发射极与开关模块s3c的集电极相连，开关模块s3c的发射极与开关模块s4c的集电极相连，开关模块s4c的发射极与直流母线负极端n相连；将开关模块s1c的发射极与开关模块s2c的集电极相连接的点定义为交流输出端c1；将开关模块s3c的发射极与开关模块s4c的集电极相连接的点定义为交流输出端c2；

9、开关模块s5a的集电极与直流中性点o相连，开关模块s5a的发射极与开关模块s6a的发射极相连，开关模块s6a的集电极与开关模块s2a的发射极相连；

10、开关模块s5b的集电极与直流中性点o相连，开关模块s5b的发射极与开关模块s6b的发射极相连，开关模块s6b的集电极与开关模块s2b的发射极相连；

11、开关模块s5c的集电极与直流中性点o相连，开关模块s5c的发射极与开关模块s6c的发射极相连，开关模块s6c的集电极与开关模块s2c的发射极相连；

12、三相阻感负载zla1、zlb1、zlc1的一端分别连接到上输出端a1、b1、c1，三相阻感负载zla1、zlb1、zlc1的另一端相连接；三相阻感负载zla2、zlb2、zlc2的一端分别连接到下输出端a2、b2、c2，三相阻感负载zla2、zlb2、zlc2的另一端相连接。

13、本发明还提供了一种紧凑型准z源双输出逆变器的载波pwm调制方法，它包括以下步骤：

14、步骤一：设置紧凑型准z源双输出逆变器a相、b相和c相桥臂均相同的开关模块数量和合理开关状态，所述紧凑型准z源双输出逆变器每相桥臂上同相上输出端输出电位与下输出端输出电位之间均存在约束关系，且相同，对于所述a相桥臂，上输出端a1输出电位va1≥下输出端a2输出电位va2，所述a相桥臂、所述b相桥臂和所述c相桥臂均有6个开关模块、均有8种合理开关状态，对于所述a相桥臂：

15、工作状态1：开关模块s1a、开关模块s2a、开关模块s3a、开关模块s5a导通，此时，上输出端a1输出电位va1为udc/2，下输出a2输出电位va2为udc/2；

16、工作状态2：开关模块s1a、开关模块s3a、开关模块s5a、开关模块s6a导通，此时，上输出端a1输出电位va1为udc/2，下输出a2输出电位va2为0；

17、工作状态3：开关模块s1a、开关模块s4a、开关模块s5a、开关模块s6a导通，此时，上输出端a1输出电位va1为udc/2，下输出a2输出电位va2为-udc/2；

18、工作状态4：开关模块s2a、开关模块s3a、开关模块s5a、开关模块s6a导通，此时，上输出端a1输出电位va1为0，下输出a2输出电位va2为0；

19、工作状态5：开关模块s2a、开关模块s4a、开关模块s5a、开关模块s6a导通，此时，上输出端a1输出电位va1为0，下输出a2输出电位va2为-udc/2；

20、工作状态6：开关模块s2a、开关模块s3a、开关模块s4a、开关模块s6a导通，此时，上输出端a1输出电位va1为-udc/2，下输出a2输出电位va2为-udc/2；

21、工作状态7：开关模块s1a、开关模块s3a、开关模块s4a、开关模块s5a、开关模块s6a导通，此时，上输出端a1输出电位va1为udc/2，下输出a2输出电位va2为0；

22、工作状态8：开关模块s1a、开关模块s2a、开关模块s4a、开关模块s5a、开关模块s6a导通，此时，上输出端a1输出电位va1为0，下输出a2输出电位va2为-udc/2；

23、所述b相桥臂开关状态、所述c相桥臂开关状态与所述a相桥臂开关状态同理；

24、步骤二：对于上侧准z源网络，处于直通状态时，开关模块s1a、开关模块s2a、开关模块s3a、开关模块s4a导通，二极管d1承受反向电压关断，电源vdc1和电容cu1对电感l1充电，电容cu2对电感l2充电；处于非直通状态时，二极管d1导通，电源vdc1和电感l1、l2给电容cu1、cu2充电，并向负载供能；对于下侧准z源网络，处于直通状态时，开关模块s3a、开关模块s4a、开关模块s5a、开关模块s6a导通，二极管d2承受反向电压关断，电源vdc2和电容cl2对电感l3充电，电容cl1对电感l4充电；处于非直通状态时，二极管d2导通，电源vdc2和电感l3、l4给电容cl1、cl2充电，并向负载供能；上侧准z源网络处于直通状态时，下侧准z源网络处于非直通状态；下侧准z源网络处于直通状态时，上侧准z源网络处于非直通状态；

25、步骤三：采用注入三次谐波并加入直流偏移量和直流脉动量的载波pwm调制，使用两条三角载波uc1和uc2，采用同相层叠方式，即两条三角载波uc1、uc2的相位相同，幅值相同，且uc1的变化范围为0～1，uc2的变化范围为-1～0；

26、定义两个准z源网络的直通占空比d1和d2，两个准z源网络的直通占空比的表达式为：

27、d1＝t1/ts

28、d2＝t2/ts

29、其中，ts表示一个开关周期的时间，t1、t2分别为上下两个准z源网络的一个开关周期ts内直通的时间；

30、定义两组注入的三次谐波为ux13和ux23，其中，x∈{a，b，c}，第一组三次谐波ux13的表达式为：

31、

32、第二组三次谐波ux23的表达式为：

33、

34、其中，a为注入三次谐波的倍数；分别为第一组和第二组三次谐波的初相角，的取值范围为-π/2到π/2；

35、定义两组正弦调制波ux1和ux2，其中，x∈{a，b，c}，第一组正弦调制波ux1的表达式为：

36、

37、第二组正弦调制波ux2的表达式为：

38、

39、其中，m1、m2分别为第一组和第二组调制波的调制度，m1的取值范围为0到1-d1，m2的取值范围为0到1-d2；ω1、ω2分别为第一组和第二组调制波的角频率，分别为第一组和第二组调制波的初相角，的取值范围为-π/2到π/2；uoffect1为第一组调制波的直流偏移量，uoffect2为第二组调制波的直流偏移量；两组调制波周期分别设为t3、t4，即t3＝2π/ω1、t4＝2π/ω2；

40、调制波ux1、ux2分别和两条三角载波uc1、uc2比较大小，决定两组输出端电位vx1、vx2，其中，x∈{a，b，c}，具体比较方法为：

41、①若ux1＞uc1，vx1为udc/2；若ux1≤uc2，vx1为-udc/2；若uc2≤ux1≤uc1，vx1为0；

42、②若ux2＞uc2，vx2为0；若ux2≤uc2，vx2为-udc/2；

43、定义两条周期变化的直流脉动量vu和vl，直流脉动量vu、vl分别和三角载波uc1、uc2比较大小来控制准z源网络的直通占空比，vu的取值范围为0.5～1，vl的取值范围为-1～-0.5；

44、步骤四：定义两组交流输出a相与b相之间线电压幅值分别为ua1b1、ua2b2，交流输出线电压幅值ua1b1、ua2b2与两组正弦调制波的调制度m1、m2的关系为：

45、

46、

47、步骤五：分析生成各个开关模块驱动信号的逻辑运算；驱动信号的值为1，表示该开关模块开通；驱动信号的值为0，表示该开关模块关断；

48、将第一组调制波ux1与载波uc1比较，根据比较结果，生成信号e1：

49、

50、将第一组调制波ux1与载波uc2比较，根据比较结果，生成信号e2：

51、

52、将第二组调制波ux2与载波uc1比较，根据比较结果，生成信号e3：

53、

54、将第二组调制波ux2与载波uc2比较，根据比较结果，生成信号e4：

55、

56、由信号e1和信号e3生成信号e5：

57、

58、其中，是表示对u做逻辑非运算，符号“&”表示逻辑与运算；

59、由信号e3和信号e4生成信号e6：

60、

61、将直流脉动量vu与载波uc1，根据比较结果，生成信号e7：

62、

63、将直流脉动量vl与载波uc2，根据比较结果，生成信号e8：

64、

65、根据所述信号e1～e8和紧凑型准z源双输出逆变器的8种合理开关状态，分析每相桥臂6个开关模块s1x～s6x的驱动信号s1x～s6x，其中x∈{a，b，c}。

66、①在上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为udc/2；上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为0；上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为-udc/2时，开关模块s1x导通，开关模块s1x的驱动信号s1x表达式为：

67、s1x＝e1∨(e2&e9)

68、符号“∨”表示逻辑或运算，符号“&”表示逻辑与运算；

69、②在上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为udc/2；上输出端电位vx1为0，下输出端电位vx2为0；上输出端电位vx1为0，下输出端电位vx2为-udc/2；上输出端电位vx1为-udc/2，下输出端电位vx2为-udc/2时，开关模块s2x导通，开关模块s2x的驱动信号s2x表达式为：

70、

71、是表示对u做逻辑非运算；

72、③在上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为udc/2；上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为0；上输出端电位vx1为0，下输出端电位vx2为0；上输出端电位vx1为-udc/2，下输出端电位vx2为-udc/2时，开关模块s3x导通，开关模块s3x的驱动信号s3x表达式为：

73、

74、④在上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为-udc/2；上输出端电位vx1为0，下输出端电位vx2为-udc/2；上输出端电位vx1为-udc/2，下输出端电位vx2为-udc/2时，开关模块s4x导通，开关模块s4x的驱动信号s4x表达式为：

75、

76、⑤在上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为udc/2；上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为0；上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为-udc/2；上输出端电位vx1为0，下输出端电位vx2为0；上输出端电位vx1为0，下输出端电位vx2为-udc/2时，开关模块s5x导通，开关模块s5x的驱动信号s5x表达式为：

77、

78、⑥在上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为0；上输出端电位vx1为udc/2，下输出端电位vx2为-udc/2；上输出端电位vx1为0，下输出端电位vx2为0；上输出端电位vx1为-udc/2，下输出端电位vx2为-udc/2时，开关模块s6x导通，开关模块s6x的驱动信号s6x表达式为：

79、

80、步骤五：通过步骤一-步骤四，能够获得所述紧凑型准z源双输出逆变器18个开关模块的驱动信号，完成载波pwm调制，使所述紧凑型准z源双输出逆变器输出两组相位、幅值皆可调的三相三电平交流输出。

81、本发明的紧凑型准z源双输出逆变器及其载波pwm调制方法具有以下优点：

82、1.本发明的一种紧凑型准z源双输出逆变器，能够使直流输入电压进行升压并经过逆变电路输出两组相位、幅值皆可调的三相交流电压，其结构简单，成本低，用途广泛。

83、2.本发明的一种紧凑型准z源双输出逆变器相较于两电平逆变器，单个开关承受的电压应力更低，输出波形更接近于正弦波；相较于三电平逆变器更适应光伏并网应用场景。

84、3.本发明的一种紧凑型准z源双输出逆变器具有较大的直流链路电压利用率，并且开关器件承受电压应力小，结构简单，成本低；

85、4.所使用的载波pwm调制方法在调制波中注入三次谐波并加入直流偏移量和直流脉动量，简单易实现，具有更低的谐波畸变率和更高的效率，其科学合理、适用性强、性能突出。