标准规范下载简介和预览

基于Z源逆变方式的多功能三相测试源

基于Z源逆变方式的多功能三相测试源是一种新型电力电子测试设备，广泛应用于电力系统、新能源发电及电机驱动等领域的实验与检测中。该测试源采用Z源逆变器（ZSourceInverter,ZSI）拓扑结构，突破了传统电压型和电流型逆变器的局限，具备升降压一体化功能，能够实现交流输出电压的灵活调节，适应不同负载需求。

该系统以数字信号处理器（DSP）或FPGA为核心控制单元，结合PWM调制技术，实现对三相电压幅值、频率和相位的精确控制。通过Z源网络的独特阻抗耦合结构，系统可在直通状态下实现能量存储与释放，提升系统的稳定性和效率。此外，系统还可集成多种保护机制，如过流、过压、短路保护等，确保运行安全可靠。

图1中，Z源网络由2个参数相同的电感L L和2个相同的电容C、C2连接成对称的X形 结构，这个独特的阻抗网络将电路结构由电压源 型变成阻抗源型（即Z源）[23）。Z源利用电感电 流不能突变的原理使逆变器能在直通状态工作， 即逆变器同一桥臂上、下2个开关器件可以在短 时间内同时导通，形成直流侧的短路状态。传统 的电压型逆变器（VSI)的桥臂是禁止直通状态 的，因为它将引起直流电压源的短路，造成过流而 损坏桥臂。而乙源逆变器却是利用这个直通状

db34／t 3735.3-2021 河长制决策支持系统 第3部分：数据采集加工存储规范低压电器（2010No6】

基于Z源逆变方式的三相测试电压源通过 对传统逆变器进行改造，利用Z源将直流侧电压 和逆变器主电路相耦合，构成Z源三相逆变主电 路，系统组成如图1所示。三相交流电源经全波 整流产生一个直流电压U。；二极管VDO防止电 流倒灌；Z源在电路中的作用是实现阻抗变换，结 合相应的控制方法可使Z源的输出端即直流侧 母线电压Up得到提升；三相桥式逆变器将直流 侧母线电压变换成三相可调的交流电压，经LC 滤波后供测试负载；整个系统的升降压、逆变、频 率调节和相位控制是在数字信号处理器（DSP）的 一体控制下完成的。其中，参考量Uc与电容电 压Uc由控制器进行比较控制，调节参考量Ue可 改变直流母线电压Upv；同步基准信号为逆变三 相正弦电压的参考，改变控制器的频率和相位参 数设置，可实现频率和相位调节

态，通过电容和电感之间能量转换实现升降压功 能

2.2三相Z源逆变器的升降压原理

Z阻抗网络的工作状态由三相逆变器的开关 状态来决定，可由Z源逆变器等效电路图2说 明。乙源逆变器除了传统三相逆变器的3对桥臂 2”=8种开关状态（6个有效矢量状态和2个零矢 量状态）组合之外，还可以工作在第9个状 态一直通零状态（上桥臂和下桥臂同时导通）。 这一状态可视为桥臂短路，等效电路如图2（a）所 示。Z源逆变器工作在6个有效状态时可等效为 电流源，而2个零矢量状态可视电流源为零值的 特例.等效电路如图2（b）所示

(b）Z源逆变器非直通零状态 图2Z源逆变器等效电路

由对称Z阻抗网络可知

[Uc=U=Uc U=U=U

由式（9)可见，Z源逆变器的交流输出相电压 幅值U的提升可通过调节升压因子B得到，这 升压特性在常规电压源逆变器中是无法得到 的，而U的下降可通过调制系数M来实现。

三相Z源逆变器空间矢量

三相Z源逆变器空间矢量PWM形成的关键 是在传统三相逆变器空间矢量PWM控制原理的 基础上，合理加人和分配直通零状态，以实现独特 的升压功能，同时又不影响传统三相逆变器空间 天量PWM的所有功能。

设Z源逆变器工作周期为T，直通零状态的 时间为T。，非直通零状态的时间为T，则逆变器 工作周期T=T。+T。在直通状态T。时刻，由等 效电路图2（a）可得

[UpN =0，Uc=U lU,= 2Uc>Ua

3.1三相Z源逆变器空间矢量PWM原理

设三相逆变器每个桥臂的输出电压分别为 ，则逆变器输出的合成电压矢量为

此时，二极管工作在开路状态。 在非直通零状态T，时刻，由等效电路图！ （b）可得

U=（u。+ue 片 湾

三相逆变器的3对桥臂共有8种开关状态， 所对应的8种电压空间矢量可表示为

在稳态下，一个开关周期中电感两端的平均 电压满足

[ude k=1,2,， lo k = 0.7

图3为电压空间矢量合成示意图。其中包括 6个幅值相等相位相差60°的有效矢量（U，～U。） 和2个在坐标原点的传统零矢量（U。、U）。6个 有效矢量将空间分成6个扇区，每个扇区再分成 N个小区间，每个小区间对应一个开关周期T。 以第一扇区为例，U是由相邻的基本空间矢量 U和U2线性组合构成的空间矢量，空间矢量 PWM技术就是利用基本的空间矢量来逼近给定 的参考电压矢量U，按照平行四边形法则，利用 这8个基本空间矢量可以合成任意的电压矢量。 由于在Z源逆变中传统零矢量U。、U，与直通 零矢量U对负载的作用相同，即瞬时将三相负

由式(2）、(3）、（6)可得，逆变器直流母线峰 值电压U和输出交流相电压峰值U：

图3空间矢量合成示意图

载短路，因此可用直通零矢量代替部分传统零矢 量作用。其等效开关时间由平均值等效原理（即 矢量UU线性组合恰好等于参考空间矢量U 在此区间中的值）得

U=U+U+U+U+

低压电器（2010No6）

子B取值的边界条件。以上各式是生成Z源逆 变器的空间矢量PWM信号的依据。

3.2Z源逆变器的SVPWM信号生成

Z源逆变器是通过加人桥臂直通零矢量实现 升压的。由于逆变器输出电压只与有效矢量有 关，为了使直通零矢量不影响逆变器输出电压，在 控制中需要把直通零矢量加在传统零矢量里面。 为了保持和传统SVPWM控制的开关频率一致， 可以使直通零矢量在每条桥臂上下开关器件换流 期间发生作用，将直通状态平均分配在每条桥臂 中，同时保持原来有效状态所作用的时间不变。 图4给出了对称7段SVPWM工作模式在第一扇 区的一个载波周期内的Z源逆变器直通零矢量 分段控制信号，tt2根据式（12)求得。 传统的对称7段SVPWM脉冲波形如图4 （a)所示。Z源逆变器的对称7段SVPWM脉冲 波形如图4（b）所示

式中：和t分别对应U，和U2作用的时间；to、 t,和T。分别对应传统零矢量和直通零矢量作用 的时间，且t+t2+t+t,+T。=T。 由于传统零矢量（U。、U）和直通零矢量Uz 对参考矢量U没有影响，参考矢量U可表示为

结合图3中的平行四边形求解上式，可得

式（14）中的M为调制比，电压空间矢量在线性区 的约束条件为

t+t2+To 由式（11）～（15）得

确保参考矢量U轨迹为圆的边界条件为

b)Z源逆变器的对称7段SVPWM脉冲波形 图4对称7段SVPWM脉冲波形

图4（b)中db13／t 2085-2014标准下载，总直通零矢量作用时间t根据 需要由式（18)求得，并将其分为6等分，在每个 桥臂的上下开关器件换流时插入，作用时间为t 6，剩下的时段由2个传统零状态作用。由此可 见，基于Z源逆变方式的SVPWM开关频率和传 统的SVPWM开关频率相同，并没有增加开关器 件的工作频率，只是在传统零矢量作用期间，合理

式(14)给出了有效矢量作用时间t2的计 算关系；式（15)给出了直通矢量插人时间T。的 约束条件：式（17）和（18）是调制度M和升压因

地插人了直通零矢量，得到有效的升降压功能，同 时不影响传统SVPWM的所有功能，从而得以实 现逆变输出电压的调幅、调相、调频功能。

Z源逆变主电路参数：L=L=0.8mH，C= C2=470uF，IGBT选用GT8Q101；滤波电感和电 容参数：L,=L4=Ls=1mH，C=Ca=Cs=330μF。 图5为Z源逆变方式的SVPWM脉冲信号实测波 形。其中，S1、S3、S5为上桥臂的驱动脉冲波形， S2是S5所对应的下桥臂脉冲波形，从S2和S5 一对驱动脉冲波形中可看出，S2和S5在开关环 流时同时出现了高电平的状态，也即在S2的两侧 对称地插人了零直通矢量。S4和S6分别对应S1 和S3，也同样插人了零直通矢量，未能显示出来。

图5Z源逆变方式的SVPWM脉冲实测波形

双通道示波器测量的三相正弦波中的两相调 压波形如图6所示。可以看出，电压幅值从350V 调为200V的过程仅在一个周波内就能完成，中 间无零电压过程，可以认为电压幅值调节过程是 连续的。

tcaqi 21-2016 废水生物增强处理 上流式一体化生物反应器基于Z源逆变方式的三相测试电压源有

以下特点： （1）该测试电压源的升降压调节响应快，可 以即时地为万能式断路器施加电压，避免了因调 节时间不确定而造成脱扣动作时间的测量误差。 （2）电压的切换过程可在1个周期内完成， 且中间无零电压出现，避免了在低电压、过电压等 测试项目中因出现零电压而误判为断电脱扣的情 况，同时Z源逆变器的独特升压性能可以产生用 于过电压测试的高电压（传统的单级电压型逆变 器只能进行降压调节）。 （3）由于Z源逆变器具有传统逆变器的所有 功能，因此除了可对逆变输出电压进行升降压调 节以外，也可对频率和相位进行控制，以满足欠 频、过频和逆功率等项目的测试。 此外，乙源逆变器可短时工作在直通状态，其 驱动脉冲不需加人死区控制，使得逆变输出的波 形更好，能避免因干扰导致死区失控而造成器件 损坏。该电压测试源已成功应用于方能式断路器 测试系统中，效果良好。