Z源逆变器脉宽调制及闭环控制策略的研究

admin · 发表于 2025-1-12 21:28:23

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雅宝题库解析：
传统的DC/AC逆变器主要分为电压源逆变器（Voltage-Source Inverter，VSI）和电流源逆变器（Current-Source Inverter，CSI）两类，然而这两类逆变器都有其相应的局限性：它们或是降压型或是升压型，换言之，它们交流侧的峰值电压要么低于要么高于直流侧的电源电压；它们的抗电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）能力都不强，由EMI造成的误触发导致的直通题目和开路题目是造成这两类逆变器损坏的一个主要原因。新近提出的Z源逆变器（Z-Source Inverter，ZSI）可以克服传统逆变器的上述不足，为功率变换领域提供了一种崭新的电路拓扑。ZSI最显著的特点就是引入了一个独特的Z源网络，输入电源和常规逆变电路通过Z源网络相耦合，Z源网络的引入使ZSI具有了降–升压功能和其它一些传统逆变器所不具备的新特性。论文首先介绍了两电平ZSI的一般拓扑和升压原理，接着基于传统VSI的正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技术，并结合ZSI需要注入直通的特点，分别研究了两电平单相和三相ZSI的常规PWM方法，其间着重分析了注入直通的一般原则与调制信号的变换规律。ZSI在常规PWM控制下会输出很高的共模电压，共模电压的存在给ZSI驱动的电机传动系统带来极大危害。鉴于此，论文根据临近三矢量脉宽调制（Near-State Pluse Width Modulation，NSPWM）原理，提出一种适用于两电平ZSI的抑制共模电压调制方法（Reduced Common-Mode Voltage PWM，RCMV-PWM）。由于该方法只能当ZSI工作在升压模式时使用，因此当ZSI工作在降压模式时需使用其它RCMV-PWM方法。针对这一题目，文中讨论了不同条件下抑制ZSI共模电压调制方法的选择。一般的PWM方法中，开关控制信号都是由调制信号与固定频率的载波信号比较产生，采用这种调制方式，逆变器输出电压频谱中会在开关频率及其倍频频率处出现很高幅值的高次谐波。对于逆变器供电的电机系统，这些离散分布的高次谐波会引起诸如EMI以及旋转电机的音频噪声（啸叫）和机械振动等题目。随机脉宽调制技术是解决该类题目的一种经济有效的方案，在众多随机PWM方法中尤以随机开关频率调制（Random Carrier Frequency Modulation，RCFM）的随机化性能最为优越。现有的RCFM方法未考虑载波切换频率与载波频率间的关系，因此会使逆变器交流侧产生一定的电压畸变。为了克服这一不足，本文提出一种载波切换顺序随机化方法，通过随机选通不同的预设载波实现了ZSI的随机脉宽调制并改善了输出波形质量。三电平中点钳位（Neutral-Point Clamped，NPC）逆变器是多电平逆变器中应用最为广泛的一种拓扑，一直都是高压、大功率逆变器领域的研究热点。与两电平VSI一样，电压源NPC逆变器无法实现升压输出，而Z源NPC逆变器可以克服这一不足。本文根据同相层叠脉宽调制原理，研究了三电平Z源NPC逆变器基于载波的脉宽调制方法。此外，论文还基于原点变换思想提出一种适用于三电平Z源NPC逆变器的空间矢量脉宽调制算法。现有的Z源NPC逆变拓扑均需要两个直流电源供电，因此在某些无法提供双电源的场合难以使用，鉴于此，论文研究了一种仅需要单个输入电源的Z源NPC电路。由于采用电容分压的形式，该电路存在中点电位不平衡，文中分析了造成中点电位失衡的原因，并提出一种基于载波调制的中点电位平衡控制方法。针对两电平Z源逆变器，利用状态空间平均理论和小信号分析法建立了Z源网络及逆变桥电路的动态模型，以Z源逆变器的数学模型为基础对闭环控制器的设计进行了分析，在理论分析的基础上提出一种Z源网络输出电压直接控制与交流侧瞬时控制相结合的双闭环控制策略。

Z源逆变器脉宽调制及闭环控制策略的研究

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