关键字 |
| 分布式发电，准Z源网络，箝位，穿透和非穿透状态。 |
介绍 |
| 目前，光伏、风能、燃料电池等可持续、环保的可再生能源的分布式发电正在得到更多的关注。在实际应用中，多个分布式代(dg)组成分布式电网，进一步构建具有局部负荷和局部管理的微电网。为了保证微电网的正常运行，通常要求分布式发电机组工作在独立和并网两种模式下。作为可再生能源与分布式电网的接口，电力电子变换器的选型成为一项艰巨的任务。 |
| 传统的逆变器有电压源(VSI)和电流源(CSI)两种。在VSI中，恒压源作为逆变器桥的输入。通过在直流电源上连接一个大电容器来获得恒压源。在CSI中，恒流源作为逆变器桥的输入。恒流源是通过将一个大型电感与直流源串联而得到的。典型的逆变器(VSI和CSI)几乎没有缺点。它们列在下面: |
| 1.仅表现为升压或降压操作。因此，可获得的输出电压范围是有限的，或小于或大于输入电压。 |
| 2.易受电磁干扰的噪声和器件在开路或短路条件下损坏。 |
| 3.DC-DC升压变换器与逆变器的组合系统可靠性较低。 |
| 为了克服这些缺点，彭方正博士在2002年提出了一个新的概念。这涉及到VSI和CSI的组合，形成两个电感和两个电容器的交叉耦合网络，称为阻抗网络。z源逆变器(ZSI)被称为单级降压/升压逆变器。通过阻抗网络将逆变器主电路耦合到直流电源，ZSI在一级内实现电压降压/升压，而无需引入更多的开关器件。穿透状态使能量存储在电感中，当处于非穿透状态时释放能量，随后是电压升压特性。对于电压馈电型ZSI(简称ZSI)，首先研究了基于脉宽调制(PWM)的电压升压方法，包括简单升压控制、最大升压控制和最大恒定升压控制。利用一组新的阻抗网络拓扑，衍生出一类准z源逆变器(qZSI)，并应用于DG应用。电压馈电qZSI(如图1(A)所示)被提出用于光伏应用，因为连续输入电流和降低的无源组件(电容器)额定电压-在工作期间，C2上的电容器电压远低于C1上的电容器电压，这一特性导致制造成本降低。本文讨论了一种通过引入级联准z源网络(qzs网络)来提高连续输入电流的电压馈电qZSI性能的方法。级联(两级)qzs网络是通过在传统qZSI上添加一个二极管(D2)、一个电感(L3)和两个电容器(C3和C4)而得到的，如图1(b)所示。 This paper further proposes a new grid connected system which comprises of front end high step up conversion and 3-level level inverter. Front end high step up conversion comprises of a cascaded qZI, a high frequency isolation transformer and a voltage doubler rectifier (VDR) |
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建议框图 |
| 本文主要研究了住宅电力系统的电源变换器(PC)。pc用于连接产生低直流电压的分布式能源，如太阳能电池板(通常为40-80 V直流)和住宅负载(通常为3 × 400 Vac)。出于安全和动态性能要求，PC机应在dc/dc/ac的概念下实现。这意味着来自能量源的低电压首先通过具有电流隔离的前端升压dc/dc变换器，然后输出直流电压与三相逆变器反向并滤波以符合规定的标准和要求(第二dc/ac级)。我们的新型前端步进式dc/dc变换器提供了非常高的电压增益。所提出的并网系统框图如图2所示。 |
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| 前端高升压转换如图3所示。升压转换中最重要的阶段是级联qZSI。级联qZSI在有源状态和射通状态下的等效电路如图4所示。随着PV输入电压的变化，为了调节输入电压的变化，前端qZSI有两种不同的工作模式:通射和不通射。在非穿透模式下，qZSI只执行电压降压功能。这种操作模式通常在轻负载条件下使用，当太阳能电池板的输出电压达到最大值时。逆变器以与传统VSI相同的方式控制，当每个相位分支中的一个且只有一个开关导通时，仅利用有效状态。当输入电压降至某个预定义值以下时，qZSI开始以透射模式工作。为了在此模式下提高输入电压，在脉宽调制(PWM)逆变器控制中实现了一种特殊的开关状态(穿透状态)。 |
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| 表1所示的PWM开关状态序列显示了上下开关以不同的开关频率工作。直通模式下，上层开关T1和T3的开关频率等于隔离变压器的基频，下层开关T2和T4的开关频率是T1和T3的三倍。 |
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| PWM逆变器在透射模式下的工作周期由有功状态tA、零状态tZ和透射状态tS组成: |
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| 倍压整流器的操作: |
| 为了减小隔离变压器的匝数比，在变换器的二次侧采用了倍压整流器(VDR)。与传统的全桥整流器相比，VDR拓扑中一个支路的两个二极管被电容器取代。VDR的工作原理如图5所示。 |
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| 在正半周期内，电容器C5通过二极管D3充电至隔离变压器的峰值二次电压。在负半循环期间，电容器C6通过二极管D4充电。在每个时刻，该电路的输出电压将是两个电容器电压的总和或隔离变压器次级绕组峰值电压的两倍。 |
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3电平多电平逆变器 |
| 传统的2电平PWM逆变器产生高dv/dt和高频共模电压，使电器性能恶化。由于电容器电压不平衡，中性点电位也从零变化。近年来，多电平逆变器在中高压应用中得到了广泛的接受。多电平逆变器的优点是产生高电压-高功率，并改善电源的电能质量。它还消除了有问题的开关设备串并联连接的使用。然而，与传统的2电平逆变器一样，多电平PWM逆变器产生共模电压。 |
| 图6显示了非常流行的二极管箝位三相三电平逆变器拓扑结构。逆变器的开关状态如表2所示。给出了输出极电压VAO、输出线电压VAB和开关状态。开关状态“1”表示“开”，“0”表示“关”。这种开关模式可以通过不同的多电平控制策略来实现，如方波开关、正弦三角形比较法(SPWM)、空间矢量调制(SVM)、选择性谐波消除技术、滞后电流控制、sigma-delta调制等。在这些方法中，正弦脉宽调制(SPWM)是一种简单且经济有效的实现方法。 |
| 二极管箝位逆变器的主要优点可以概括如下: |
| 1.当电平数足够高时，谐波含量明显较低，从而避免了滤波器的需要。 |
| 2.逆变器的效率很高，因为所有的器件都在基频上切换。 |
| 3.控制方法简单。 |
| 二极管箝位逆变器的主要缺点概括如下: |
| 1.当电平数很高时，需要过多的箝位二极管。 |
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结果与讨论 |
| 建立了基于qzsi的DC/DC变换器的MATLAB-SIMULINK模型，并进行了仿真分析。在所有仿真中，转换器的输入电压设置为40-80V, qZSI的电感值为100μH，电容值为370μF。隔离变压器匝比为1:3.75，频率为5khz。VDR中的电容值为720μf。测量了qzs网络中隔离变压器的输入电压、一次绕组和二次绕组波形以及电容器的电压分布。升压转换的整个模型如图7所示。 |
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| 从功率转换器测量的输出如图8所示。隔离变压器一次绕组电压为80V，二次绕组电压为300V，从VDR得到的总电压为600V(即，二次绕组电压的两倍) |
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| 二极管箝位三电平逆变器整体模型如图9所示。倍压整流器的输出(600V)给逆变器，产生3 × 400vac的交流输出电压。 |
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| 描述SPWM最直接的方法之一是说明调制信号(占空比)与三角形波形的交集。图10演示了三电平逆变器的正弦三角形方法。将a、b、c相占空比与两个(一般为n-1)三角形波形进行比较。式中n为逆变器电平。 |
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| 逆变器输出线路电压波形如图11所示。通常一个n电平逆变器有n个相电压电平和2n-1个线电压电平。因此，对于3电平逆变器，线路电压将有5电平，如图所示。 |
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| 图12显示了逆变器输出电压的谐波谱。通过使用多电平逆变器，我们可以减少笨重滤波器的使用。通过使用更多的电平，谐波可以大大减少。表3显示了系统不同电平的电压。 |
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| 结果表明，所提出的变换器工作正确，从而保证了无纹波的中间直流电压VOUT。在给定的输入电压范围内，该变换器能保证稳定的3 × 400 Vacrms 50 hz输出电压。 |
结论 |
| 本文采用准Z源网络，克服了电压源逆变器存在的问题。为了减小相同电压下qZSI的透射占空比，采用升压因数级联连接，为了进一步减小透射占空比，可以增加qzs网络的级数。采用倍压整流器(VDR)可以减少隔离变压器的匝数比。为了减小开关的应力，将PWM逆变器改为二极管箝位的多电平逆变器。结果表明，所设计的前端高升压变换器具有无纹波的中间直流电压，并在给定的输入电压范围内保证稳定的3 × 400 Vacrms 50 hz输出电压。 |
鸣谢 |
| 我们向K. Narasimha Raju先生爵士表示衷心的感谢。感谢EEE教授鼓励和指导我们进行这项论文工作。我们要感谢英国电气工程学院助理教授Mr. K. P. Prasad Rao先生对本论文工作的支持和鼓励。 |
参考文献 |
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- “基于级联准z源网络的升压DC/DC变换器”，《电子工程学报》，vol. 59, no. 5。2012年10月，第3727 - 3736页。
- R. Strzelecki和M. Adamowicz，“基于级联qz型阻抗网络的升压型逆变器”，《选择》。Rev.，第86卷，no。(2)，第370-375页，2010。
- D. Vinnikov和I. Roasto，“基于准z源的分布式发电隔离dc/dc变换器”，《电气与电子工程学报》。印第安纳州。电子。第58卷，没有。1, pp. 192-201, 2011年1月。
- Jose Rodrihuez, J. Pontt, et al .，“一种降低多电平逆变器共模电压的新调制方法，”IEEE Trans。工业电子，第51卷，第51期。4，第834-839页，2004年8月。
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- M. H. Rashid，电力电子，第2版。Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1993。
- 彭福哲，“z源逆变器”，工业应用学报，Vol. 39, No. 2, pp. 504-510, 2003年3 / 4月。
- 方正鹏，袁晓明，钱志强，“基于z源的变频调速系统”，电力电子学报，第1卷第3期，pp33-35, 2003年6月。
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