適用于電力推進船舶的高升壓比Z源逆變器

孫英棋 甘世紅 丁溫麗

摘要：

為克服電力推進船舶變換器的不足，結(jié)合Z源逆變器的原理，提出一種新式高升壓比Z源逆變器。對該新式Z源逆變器工作原理進行詳細分析，并與普通高升壓比Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器的各項穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行對比。與傳統(tǒng)的Z源逆變器相比，該新式Z源逆變器升壓能力強，能適應(yīng)負載大范圍的變化。仿真結(jié)果證實了新式Z源逆變器具有較高的性能，適合在電力推進船舶上應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：

船舶電力推進; Z源逆變器; 高升壓比; 直通占空比; 升壓因子

中圖分類號： U665.14;TM464

文獻標志碼： A

A high voltage boost Z-source inverter applied to electric propulsion ships

SUN Yingqia， GAN Shihonga， DING Wenlib

（a. Merchant Marine Collage; b. College of Ocean Science & Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract：

To overcome shortages of converters of electric propulsion ships， combining the principle of Z-source inverters， a new high voltage boost Z-source inverter is proposed. The working principle of the new Z-source inverter is analyzed in detail. The various steady-state data of the new Z-source inverter are compared with those of the ordinary high voltage boost Z-source inverter and the traditional Z-source inverter. Compared with the traditional Z-source inverter， the new Z-source inverter is of stronger boost ability， and adapts to the wide range of load. Simulation results confirm that the new Z-source inverter is of higher performance， and is suitable for application in the electric propulsion ships.

Key words：

ship electric propulsion; Z-source inverter; high voltage boost; shoot-through duty ratio; voltage boost factor

收稿日期： 2017-03-13

修回日期： 2017-05-02

基金項目： 上海市自然科學(xué)基金（14ZR1419100）

作者簡介：

孫英棋（1990—），男，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向為電力電子、輪機自動化，（E-mail）250307115@qq.com;

甘世紅（1970—），男，甘肅蘭州人，副教授，博士，研究方向為電機控制、混合動力船舶推進，（E-mail）465550299@qq.com

0 引 言

交-直-交的變頻系統(tǒng)[1]在電力推進船舶上的應(yīng)用呈上升趨勢，現(xiàn)階段送至推進電機的分支需要加入Boost電路進行升壓，增加了系統(tǒng)成本，變換效率低;電磁干擾可能導(dǎo)致變換器上下管直通、開關(guān)管損壞等問題。Z源逆變拓撲[2]的提出克服了船舶目前使用的電壓源和電流源逆變器的不足。逆變器橋臂既可以直通也可以開路，實現(xiàn)了升降壓變換的功能，提高了逆變器的可靠性，為逆變提出了一種新的拓撲和理論。然而，傳統(tǒng)Z源逆變器的電容電壓和開關(guān)電感電壓應(yīng)力較大，而且升壓能力有限，應(yīng)用在船舶推進系統(tǒng)中升降壓幅度小，不能滿足船舶需求。為了得到高升壓能力，就必須增大傳統(tǒng)Z源逆變器的升壓因子和直通占空比，從而使調(diào)制比減小，輸出電壓波形幅值降低，輸出交流電的品質(zhì)降低。另外，直通占空比增大必將引起電容和功率管電壓應(yīng)力增大。綜上，傳統(tǒng)的Z源逆變器無法滿足船舶電力推進中高升壓比和高品質(zhì)輸出電壓的需求。為滿足高輸出電壓的需求，PWM策略[3]被提出，但是該策略對提高輸出電壓的作用有限，而且電容電壓和逆變橋臂的電壓應(yīng)力并沒有減少。文獻[4]提出一種高升壓比Z源逆變器，升壓能力得到了很大的提升，但是這種Z源逆變器存在電容電壓應(yīng)力比較大，起動電流比較大的缺點。文獻[5-6]提出了一種改進型的Z源逆變器，在保證升壓能力的基礎(chǔ)上大大減小了電容電壓應(yīng)力，并減小了起動沖擊電流，但是這種Z源逆變器在輕載運行時會出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)，直流鏈電壓出現(xiàn)畸變。文獻[7-10]提出幾種高升壓能力的準Z源逆變器，但是這幾種逆變器更適合應(yīng)用在光伏發(fā)電的場合，并不適合應(yīng)用在交流電機調(diào)速系統(tǒng)中。為克服上述Z源逆變器的缺點，使系統(tǒng)同時具有高升壓能力和適應(yīng)船舶負載大范圍變化的能力，本文提出新式高升壓比Z源逆變器，增加了電源電容和有源開關(guān)管，使Z源網(wǎng)絡(luò)的電流能夠反向流動。本文主要分析了新式高升壓比Z源逆變器的工作原理，對比分析了新式高升壓比Z源逆變器、普通高升壓比Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)與工作模式

1.1 新式高升壓比Z源逆變器結(jié)構(gòu)

圖1給出了新式高升壓比Z源逆變器結(jié)構(gòu)，其中直流電輸入用直流電源代替。新式逆變器所用電路元件與傳統(tǒng)逆變器基本一樣，不同之處在于：（1）與文獻[4]中的高升壓比Z源逆變器相比，Z源網(wǎng)絡(luò)和逆變橋臂的位置互換，這樣在得到同樣的直流鏈峰值電壓時Z源電容電壓能大大減小，而且新式逆變器起動時不存在傳統(tǒng)逆變器那樣的電流通路，對起動沖擊電流具有內(nèi)在的抑制能力[5]，可避免起動沖擊電壓和沖擊電流對逆變器造成的損壞;（2）與文獻[7]中的開關(guān)電感Z源逆變器相比，新式高升壓比Z源逆變器在Z源網(wǎng)絡(luò)上增加了有源開關(guān)管S1，并提出了有源開關(guān)管S1的控制策略，使得Z源網(wǎng)絡(luò)中的電流能夠反向流動。二極管D13保證了電源電流單向流動，在輸入側(cè)增加一個電容Cin給反向電流提供了通路，提高了輸出電壓的品質(zhì)。

圖1 新式高升壓比Z源逆變器結(jié)構(gòu)

與普通高升壓比Z源逆變器[4]一樣，新式逆變器同樣是利用逆變橋臂的直通狀態(tài)來實現(xiàn)升壓的，同樣具有9種開關(guān)狀態(tài)：1種直通零矢量狀態(tài)、2種傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)和6種有效矢量狀態(tài)。根據(jù)新式逆變器的電流流向，可能有8種工作模式，見圖2。

圖2 新式高升壓比Z源逆變器的工作模式

另外，當橋臂處于有效矢量狀態(tài)時，橋臂用一電流源等效表示?？梢匀⌒率絑源逆變器中的6個電感、2個電容的電壓值相同，電路對稱，所以有

VC1=VC2=VC

VL1=VL2=VL3=VL4=VL5=VL6=VL （1）

式中：VL和VC分別為Z源逆變器的電感電壓和電容

電壓。

1.2 新式高升壓比Z源逆變器工作模式

（1）模式一。逆變器處于直通零矢量狀態(tài)，有源開關(guān)管S1是關(guān)閉的[11]，見圖2a）。盡管逆變器處于直通零矢量狀態(tài)，但此時電感電流不能突變，逆變橋臂的續(xù)流二極管全部導(dǎo)通，直流鏈電壓Vi被二極管鉗位為零，與此同時Z源網(wǎng)絡(luò)的3個電感處于并聯(lián)狀態(tài)。電感電流反向流動且電感電流減少。電感電壓可表示為

VL=Vdc+VC（2）

其中Vdc為輸入直流電壓。

（2）模式二。逆變器處于直通零矢量狀態(tài)，有源開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)，見圖2b）。此時，由于逆變橋臂的開關(guān)管打開，Z源逆變器的電容和輸入電容向電感充電，電感電流正向增加，直流鏈電壓Vi依然為零。

（3）模式三。逆變器處于傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)，輸入電流為零。直流電源給輸入電容Cin充電，Z源逆變器的電感給電容充電，見圖2c）。此時Z源逆變器的3個電感串聯(lián)，直流鏈電壓Vi和電感電壓VL可表示為

Vi=（Vdc+2VC）/3

VL=-VC/3 （3）

（4）模式四。逆變器處于有效矢量狀態(tài)，見圖2d）。電感電流iL和有源開關(guān)管S1的續(xù)流二極管iD滿足：

iL>ii， iD>0（4）

這樣，輸入電壓直接給負載供電，Z源逆變器電感給電容充電，滿足Vi=Vdc+2VC。

（5）模式五。逆變器處于有效矢量狀態(tài)（見圖2e）），此時電感電流滿足不等式

12ii<iL<ii（5）

此狀態(tài)時，隨著電感電流iL的持續(xù)減小，Z源逆變器的電容開始給負載供電。

（6）模式六。逆變器處于有效矢量狀態(tài)（見圖2f）），此時的電感電流滿足不等式

0<iL<12ii（6）

在模式五中電感電流下降到逆變器電流的一半以后有源開關(guān)管S1打開，就變成模式六，此時輸入電流變成反方向。

（7）模式七。逆變器處于有效矢量狀態(tài)，有源開關(guān)S1是導(dǎo)通的（見圖2g）），電感電流下降到零后反向增加。Z源逆變器的電容向電感和負載放電。

（8）模式八。逆變器處于傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)，有源開關(guān)管S1導(dǎo)通，直流電源給輸入電容充電（見圖2h））。電感電流繼續(xù)反向流動，Z源逆變器電容向電感放電。

從以上對8種工作模式的分析可以看出，新式高升壓比Z源逆變器在有效矢量狀態(tài)和傳統(tǒng)零矢量狀態(tài)時直流鏈電壓恒等于Vdc+2VC，這樣在所有的工作模式下直流鏈電壓都不會發(fā)生畸變，可消除傳統(tǒng)Z源逆變器在輕載或者小電感時出現(xiàn)的3種特殊的非正常工作狀態(tài)。

2 開關(guān)管S1的控制策略

由上述電路的8種工作模式可知，開關(guān)管S1可以為反向電流提供反向流動路徑，使得輸出電流滿足負載電流要求[12]。在模式一、二的直通狀態(tài)下，開關(guān)管S1是關(guān)閉的;在模式三、四、五的非直通狀態(tài)下電流是通過S1的續(xù)流二極管流動的;在模式六、七、八的非直通狀態(tài)下，開關(guān)管S1是導(dǎo)通的。這樣，開關(guān)管的驅(qū)動信號就可以簡化成與直通信號相反。

3 等效電路圖

如果只考慮電路的各部分電壓之間的關(guān)系，圖2中的8種工作模式可以簡化成兩種工作模式，即直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)，見圖3。這樣，新式高升壓比Z源逆變器的工作模式與傳統(tǒng)Z源逆變器的工作模式是相同的。

圖3 直通和非直通狀態(tài)等效電路

由直通狀態(tài)時的等效電路（圖3a））可得

VL=Vdc+VC

Vi=0 （7）

由非直通狀態(tài)時的等效電路（圖3b））可得

3VL=-VC

Vi=Vdc+VC-3VL

（8）

穩(wěn)態(tài)時的電感電壓平均值應(yīng)為0，設(shè)直通占空比為D，可得

VC=3D1-4DVdc（9）

直流鏈峰值電壓可表示為

Vi=1+2D1-4DVdc

（10）

所以升壓因子B可表示為

B=1+2D1-4D（11）

傳統(tǒng)Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的升壓因子分別為

B2=11-2D

B3=1+2D1-4D （12）

比較式（11）和（12）中的升壓因子可以看出：相比于傳統(tǒng)Z源逆變器，對于相同的直通占空比D，普通高升壓比Z源逆變器的升壓因子明顯提高。新式高升壓比Z源逆變器與普通高升壓Z源逆變器的升壓因子相同。圖4為3種拓撲的直通占空比D與升壓因子B的關(guān)系。

圖4 3種Z源逆變器升壓因子B與直通占空比D的關(guān)系

4 3種Z源逆變器對比分析

4.1 電壓增益

簡單升壓控制的原理是將傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（SPWM）方法中的部分傳統(tǒng)零矢量作用時間用直通零矢量來代替，可以保持有效矢量的作用時間不發(fā)生變化。簡單升壓控制調(diào)制策略下D≤1-M，其中M為調(diào)制比。因此，簡單升壓控制下的新式高升壓比Z源逆變器的電壓增益G可以表示為

Gmax=MB=（1-D）1+2D1-4D

（13）

傳統(tǒng)Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的電壓增益分別為

Gmax2=MB2=（1-D）11-2D

Gmax3=MB3=（1-D）1+2D1-4D （14）

根據(jù)式（13）和（14），圖5給出3種Z源逆變器的

電壓增益G與直通占空比D的關(guān)系。由圖5可知，兩種高升壓比Z源逆變器的關(guān)系曲線是相同的，也就是說兩者的升壓能力相同。隨著直通占空比D的增加，3種逆變器的電壓增益都增加，但高升壓比Z源逆變器的升壓能力更強。

圖5 3種逆變器的電壓增益G與直通占空比D的關(guān)系

4.2 電容電壓

根據(jù)上述穩(wěn)態(tài)原理分析可知，新式高升壓比Z源逆變器的電容電壓為

VC=3D1-4DVdc（15）

傳統(tǒng)Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的電容電壓為

VC2=1-D1-2DVdc

VC3=1-D1-4DVdc （16）

根據(jù)式（15）和（16）繪制出VC/Vdc與直通占空比D的關(guān)系，見圖6。

圖6 3種逆變器的VC/Vdc與直通占空比D的關(guān)系

由圖6可知，3種逆變器的電容電壓VC都隨直通占空比D的增加而增加，但新式高升壓比Z源逆變器的電容電壓應(yīng)力明顯低于普通的高升壓比Z源逆變器的電容電壓應(yīng)力。3種逆變器的直通占空比相同，電壓增益不同，所以假設(shè)3種逆變器達到相同的電壓增益時，新式高升壓比Z源逆變器的直通占空比可表示為

D=4G+1-16G2+9/4（17）

將式（17）代入式（15）可得

VC=34G+1-16G2+9416G2+9-4GVdc（18）

而傳統(tǒng)Z源逆變器和普通高升壓Z源逆變器的電容電壓與電壓增益的關(guān)系可分別表示為

VC2=16G2+9-4G+3

416G2+9-4GVdc

VC3=GVdc （19）

根據(jù)式（18）和（19）得到3種Z源逆變器的

VC/Vdc與電壓增益G的關(guān)系，見圖7。

圖7 3種逆變器VC/Vdc與電壓增益G的關(guān)系

由圖7可知，電壓增益G相同時，新式高升壓比Z源逆變器的電容電壓應(yīng)力明顯比傳統(tǒng)Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的電容電壓應(yīng)力小。

4.3 電流紋波

對于新型拓撲電流紋波而言，在非直通狀態(tài)下電感電流下降，其電流紋波可以表示為

ΔiL=（1-D）TVC3L（20）

將式（9）代入式（20）可得

ΔiL=（1-D）DTVdcL（1-4D）

（21）

而在直通狀態(tài)下，傳統(tǒng)Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的電感電流增加，其電流紋波可分別表示為

ΔiL2=（1-D）DTVdcL（1-2D）

ΔiL3=（1-D）DTVdcL（1-4D） （22）

由式（21）和（22）可看出，普通高升壓比Z源逆變器和新式高升壓比Z源逆變器的電感電流紋波相同，故下面只比較新式高升壓比Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器在簡單升壓控制下的電感電流紋波。

如果輸入電壓相同，在電壓增益給定時，簡單控制下的新式高升壓比Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的電感電流紋波為

ΔiL=（1-2G）（3-2G）TVdc4（4G-3）L=k1TVdcL（23）

而傳統(tǒng)Z源逆變器電感電流紋波為

ΔiL=（G-1）GTVdc（2G-1）L=k2TVdcL（24）

其中k1和k2為電感電流紋波因數(shù)。圖8為新式高升壓比Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器的紋波因數(shù)k與電壓增益G的關(guān)系。

圖8 兩種Z源逆變器的電感電流紋波因數(shù)

k與電壓增益G的關(guān)系

由圖8可知，當電壓增益相同時，新式高升壓比Z源逆變器在簡單升壓控制下的電感電流紋波因數(shù)明顯小于傳統(tǒng)Z源逆變器的電感電流紋波因數(shù)。

4.4 功率管電壓應(yīng)力和二極管反向電壓

新式高升壓比Z源逆變器功率管和二極管的電壓應(yīng)力都為直流鏈峰值電壓，比較式（11）與（12）可以看出新式Z源逆變器功率管的電壓應(yīng)力與普通高升壓比Z源逆變器一樣。同樣也可以看出，相同的調(diào)制方法下其功率管的電流應(yīng)力與普通高升壓比Z源逆變器也一樣。在簡單升壓控制調(diào)制策略下，新式高升壓比Z源逆變器的功率管電壓VS可表示為

VS=BVdc=4G+3-16G2+9216G2+9-4GVdc

（25）

傳統(tǒng)Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的功率管電壓可表示為

VS2=（2G-1）Vdc

VS3=4G+3-16G2+9

216G2+9-4GVdc

（26）

根據(jù)式（25）和（26），可用圖9的曲線表示3種拓撲結(jié)構(gòu)的VS/Vdc與電壓增益G的關(guān)系。由圖9可知，當電壓增益相同時，新式高升壓比Z源逆變器和普通高升壓比Z源逆變器的功率管電壓應(yīng)力相同，但是明顯比傳統(tǒng)Z源逆變器的功率管電壓應(yīng)力小。

圖9 3種Z源逆變器的VS/Vdc與電壓增益G的關(guān)系

5 仿真驗證

在理論分析的基礎(chǔ)上，對3種Z源逆變器都采用簡單升壓控制策略進行仿真。仿真參數(shù)為：輸入電壓Vdc=100 V;Z源電感值L1=L2=L3=L4=L5=L6=500 μH，傳統(tǒng)Z源逆變器的電感值設(shè)為1 500 μH;Z源電容C1=C2=1 200 μF;輸出濾波電感L=1 500 μH;輸出濾波電容Cf=50 μF;負載為R=15 Ω;載波頻率為13.5 kHz。

圖10為新式高升壓比Z源逆變器、普通高升壓比Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器在調(diào)制比M=0.8，直通占空比D=0.192 5時的仿真波形。圖10的各子圖中從上到下分別為3相輸出線電壓波形V0，直流鏈電壓Vi，Z源電容電壓VC和電感電流iL。

根據(jù)式（9）和（10）可以計算出新式高升壓比Z源逆變器的電容電壓和直流鏈峰值電壓分別為251 V和602 V;根據(jù)式（16）可以計算出普通高升壓比Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器的電容電壓分別為351 V和131 V;根據(jù)式（12）可以計算出普通高升壓比Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器的直流鏈峰值電壓為602 V和162 V。從圖10可以看出3種Z源逆變器仿真結(jié)果與理論計算相符。

從圖10a）和10b）可以看出：在調(diào)制比和直通占空比等條件相同的情況下，兩種高升壓比Z源逆變器的直流鏈峰值電壓與三相輸出線電壓的波形相同，說明這兩種Z源逆變器的升壓能力是相同的;穩(wěn)態(tài)時新式高升壓比Z源逆變器的電容電壓應(yīng)力比普通高升壓比Z源逆變器的電容電壓應(yīng)力小很多，進入穩(wěn)態(tài)的時間更短，同時起動時的沖擊電流也明顯降低，驗證了新型高升壓比Z源逆變器的電容

電壓應(yīng)力小和起動沖擊電流小的優(yōu)點。

a）新式高升壓比Z源逆變器

b）普通高升壓比Z源逆變器

c）傳統(tǒng)Z源逆變器

圖10

3種Z源逆變器在D=0.192 5，M=0.8時

的簡單升壓控制仿真波形

從圖10a）和10c）可以看出，相比于傳統(tǒng)Z源逆

變器，新式高升壓比Z源逆變器的升壓能力大大提高，仿真結(jié)果與理論分析相符。

圖11為普通高升壓比Z源逆變器和新式高升壓比Z源逆變器在輕載（R=300 Ω，Lf=10 mH）時的直流鏈電壓和電感電流仿真波形。從圖11中可以看出，普通高升壓比Z源逆變器的直流鏈電壓在非直通狀態(tài)下有電壓畸變現(xiàn)象，而新式高升壓比Z源逆變器可消除輕載時的直流鏈電壓畸變現(xiàn)象，與理論分析結(jié)論一致。

a）普通高升壓比Z源逆變器

b）新式高升壓比Z源逆變器

圖11 輕載（R=300 Ω，Lf=10 mH）時直流鏈電壓和電感電流波形

6 結(jié) 論

電力推進船舶是船舶研究發(fā)展的一個重要方向。本文根據(jù)電力推進船舶的特點，結(jié)合傳統(tǒng)Z源逆變器，在高升壓比Z源逆變器的基礎(chǔ)上提出新式高升壓比Z源逆變器，在提高Z源逆變器的升壓能力的同時，可減少拓撲電容電壓應(yīng)力，并且消除輕載時直流鏈電壓畸變現(xiàn)象。對該逆變器采用簡單升壓控制調(diào)制方法進行MATLAB/Simulink仿真，證實了新式高升壓比Z源逆變器可以滿足電力推進船舶高升壓和高品質(zhì)的電力需求。

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