务Ｉ 匐 似 （准）Ｚ源逆变器直流链电压直接控制策略 Ａ ｄｉｒｅｃｔ ｐｅａｋ ＤＣ－ｌｉｎｋ ｂｏｏｓｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｎ（ｑｕａｓｉ）Ｚ－ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ 秦臻，钟韬，魏文健，丁新平 ＱＩＮ Ｚｈｅｎ，ＺＨＯＮＧ ＴａＯ，ＷＥｌ Ｗｅｎ－ｊｉａｎ，ＤＩＮＧ Ｘｉｎ－ｐｉｎｇ （青岛理工大学自动化工程学院，青岛２６６５２０） 摘要：本文提出了一种直接控制阻抗源逆变器（ｚ源逆变器和准ｚ源逆变器）直流链电压最大值的 ＰＩＤ控制器，该控制器可以使逆变器的输出电压具有优越的瞬态性能，提高抗干扰能力，包 括对输入电压纹波和负载电流的变化产生的干扰。对输入电压骤降有良好的承受（ｒｉｄｅ— ｔｈｒｏｕｓｈ）能力。提出了一种改进的直流链电压最大值检测方法，构成直接控制器。简化了 控制器的设计，提高了瞬态响应，并减少了开关管的电压应力。本文提出的这种控制策略在 １ ＯｋＷ的样机上进行了验证。实验得出的结果与理论分析结果相一致。 关键词：ｚ源逆变器；准ｚ源逆变器；升降压；ＰＩＤ控制器 中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２０１ ４）０２（上）一Ｏ１１ ８－０４ Ｏｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１４．０２（ｉ－）．３４ ０引言 Ｚ源逆变器和准Ｚ源逆变器因具有以下特性而 器的输出电压产生影响，导致输出电压畸变。而 直接调制直通占空比的传递函数Ｄｏ／Ｖ 不能直接获 受到业界的广泛关．注Ｉ 。１）可以输出需要的交流 电压值。２）提高了逆变器的可靠性，因为在直通 状态下由于Ｚ源逆变器的特殊结构使电磁干扰引起 得，这就增加了补偿器设计的难度还恶化了直流 链电压的瞬态响应。 的噪声不再对逆变器产生损坏，确保逆变器稳定 工作。图１所示为Ｚ源逆变器和准ｚ源逆变器的电路 结构，其工作原理已经在文献［１］和［２］中有详细论 述。 虽然Ｚ源逆变器和准Ｚ源逆变器在电压跟踪 （ａ）ｚ一源逆变器 检测和干扰抑制等方面都取得了很好效果，但是 （准）ｚ源逆变器对直流链电压的反馈控制技术仍 然存在一些局限性。在直流链升压控制方面，Ｚ源 逆变器和准Ｚ源逆变器几乎相同，都是通过控制直 通占空比以实现直流链电压的升压功能。 传统的直流链电压采用的是间接控制技术。 由于直流链电压Ｖ 在直通状态下是以方波形式存 在的，而这种形式的电压难以直接检测和控制， 所以采用了检测电容电压Ｖ 用来控制直流链电 （ｂ）准 源逆变器 图１ 阻抗源逆变器 本文提出了一种新型控制策略，该策略同时 适合于Ｚ源逆变器和准Ｚ源逆变器的直流链电压进 行调控。本文详细介绍了这种检测电路在直流链 压Ｖ 。的控制方式（被称为直流链电压的间接控 制），通过控制直通占空比Ｄ。可以保持Ｖ。恒定从 而达到控制直流链电压Ｖ 的目的，然而这样通过 电压最大值检测以及信号反馈中的工作原理。提 出了这种直接控制直流链电压的控制器理念，并 基于小信号模型设计了直流链电压最大值直接反 占空比间接控制直流链电压的方法无法使直流链 电压得到有效的控制，其变化关系如图３所示。 该变化效应增加开关管的电压应力，可能对逆变 馈控制器。它提高了瞬态响应和抗干扰能力，并 收稿日期：２０１３－０９－１７ 基金项目：山东省教育厅基金资助项目（Ｊ１０ＬＧ０７） 作者简介：秦臻（１９７３一），男，河南安阳人，工程师，硕士，研究方向为变频节能、新能源发电和开关电源技术。 １１１８］ 第３６卷第２期２０１４—０２（上） ／ ｗ ｃ ／ ＞／ ／ ／ ／ ＝豇 图２ Ｖ Ｖ。与Ｄｏ之间的非线性关系图 简化了控制器的设计。 １直流链电压最大值直接控制策略 １．１直流链电压检测电路 由于直通状态使得直流链电压Ｖ 。以方波形式 存在，如图３所示。在非直通状态下，直流链电压 Ｖ 。为其峰值，而在直通状态下其值为零，这样直 流链电压Ｖ 就不能保持恒定，而在（准）ｚ一源逆变 器中要直接控制直流链电压Ｖ 对这种方波形式 的电压检测就变得尤为重要。 图３直通状态引起的直流链方波电压 图４（ａ）所示为这种方波电压检测电路，可以应 用于Ｚ源逆变器和准Ｚ源逆变器中，本文以Ｚ源逆变 器为例。当Ｚ源逆变器工作在其非直通状态，直流 链电压Ｖ 。通过二极管Ｄ和电阻Ｒ：为电容器Ｃ。和Ｃ 充电，而在直通状态，电容器Ｃ 和Ｃ 则通过Ｒ 和Ｒ 缓慢放电，而放电的时间间隔是取决于整个电路 的元件参数值。根据式子还必须确定电容Ｃ 充放 电时间，以及充放电的时间常数。在充电期间， ｓ域内的检测电路示意图如图４（ａ）所示，根据网 孔电路法则，按照图８中环路电流Ｉ 和Ｉ：为顺时针方 向，根据基尔霍夫电压定律，我们可以得到以下 两个方程： ＝Ｓ ÷‘（Ｓｋ．，１ ）一÷，２ （ ） （１） Ｔ １ １ ‘玄 ＋Ｒ２）１２（ ）一言１１（ ）。。 （２） 由（１）和（２）可得： ｌＩ５ 化 ：（Ｒ２Ｃ２ｓ＋１）ｕ （ ） （３） 因此，电容器Ｃ：的响应电压可表示为： 了Ｕｓ一 ｌｄｓ （４） １ ， ． 、 在时域中，可化为： ｇｌｃ（ｆ）：Ｕｓｆ）＝ ｅ（ｔ）一ｇ～）一ｇ／ 甜 ＝ ｚ 甜 ：ｕ，ｅ（ｔ）一ｅ一）一ｅ “ “ （５） ＋ １ （ ） 图４直流链电压最大值检测电路 当直流链电压降低时，电容器ｃ。，ｎｃ：放电。 在临界条件下，直流链电压降低为零，检测电路 简化为如图４（ｂ）所示。电流Ｉ。和Ｉ：为逆时针方 向，根据网孔电流法和基尔霍夫电压定律，我们 得到： （击＋ １，＋Ｒ２） ）一击 。 （６） ．Ａ ｏ－）—＝（、击＋ Ｇ …一 ∽一 Ｇ… ～ １ Ｇ ） （７） 由式（６）和式（７）可得： １ ）＝ 素 丽㈣ （ ）： 一 ／２（ ） （９ 一—Ｓｓ（￣ｖ２ｓ ＋Ｌｆｌ＋ Ｔ２ ＋ 。Ｊ ＋ｌＪ ： ＴｌＴ２Ｓ ＋（ ＋等 １ ２＋ ） ＋ 骞 泣 訇 化 频率ｆｃ足够的小，这样就可以保持足够的相位裕 和零点的频率应按照如下方式选择： —扰动的抑制作用使输入电压骤降时直流链电 逆变器与间接直流链电压控制器相比对电压骤降 一曼 启 曼 度。为了尽快得到频率补偿器的超前相位，极点 压几乎保持恒定。带有这种新型ＰＩＤ控制器的Ｚ源 ｆｃ√ ’ √ （１６） 应。 具有很好的过度能力，同时还具有很好的动态响 取ｆｃ＝１ｋＨｚ，０＝６１。通过计算可以得到补偿 器极点和零点频率为ｆｌ＝２６７Ｈｚ，ｆｎ＝３．３ｌｋＨｚ。这样 就可以得到如图６所示的ＰＩＤ控制器，图１２表示的 就是这种带有直接控制直流链电压ＰＩＤ控制器的补 偿环路增益。可以很清楚的看出０ ＝６１。交叉频 率ｆｃ＝１ｋＨｚ这样就可以保持足够的相位裕度使系统 稳定。 图８回路增益的幅值和相位的渐近线。 ２实验研究 通过实验结果，证实了直接控制直流链电压 ＰＩＤ控制器工作原理的可行性，其系统参数如表２ 所示。图９（ａ）～（Ｃ）所示的是输入电压突然变 化（电压骤降），从额定电压（５１０Ｖ）骤变￣１１４６０ Ｖ的情况。在所设计的控制器作用下，直流链电压 最大值保持恒定，抑制了电网电压跌落的影响。 输出交流电压保持恒定，几乎没有收电压跌落的 影响，控制器性能优良。电容电压有所跌落，符 合理论分析结果。图９（ｄ）所示为系统对负载扰 动的抑制作用，在负载从６０Ｑ变到３０Ｑ后，输出电 压基本保持恒定，没有受到什么影响。 表２实验时的系统参数 Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｖａｌｕｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｖａｌｕｅ （Ｖ） ５ｌ０ ＥＳＲｌ（Ｑ） ０．Ｏ３ Ｃ Ｆ） ５００ ＥＳＲ２（Ｑ） ０．２５ Ｃｌ＝Ｃ２ Ｆ） ５００ ． （Ｖ） ２２０ Ｌ１＝Ｌ Ｈ） ５００ Ｏ．１７ ｆ，（Ｈｚ） １０ Ｍ ０．８５ ｌ一一 ：竺 ，． 罟＿——■ —■ ｃＨ’ 埯 舌 ＣＨ１ ２００ｍＶ ＣＨ２ ２０ＯＶ Ｍ ２５６ｍＩ （ａ）输入电压骤降（电压骤降６％）时直流链电压最大值变化波形 曼 言 ｌ 舌 ‘ ２ｏ ｖ ｃＨ２ ｉ００ｖ Ｍ ２５ ｓ （ｂ）输入电压骤降（电压骤降６％）时直流链电容电压变化波形 ＣＨ１ ２００ｍＶ ＣＨ２ ２００Ｖ Ｍ ２５．６ｍｓ （Ｃ）输入电压骤降（电压骤降６％）时输出相电压变化波形 ■Ｐ ＣＨＩ＋２００ｍＶ ＣＨ２＋２００ｍＶ州１０．Ｏｍｓ （ｄ）负载变化（从６０ｎ到３０ｆ１）输出相电压Ｖａ和电流ｌａ的波形 图９实验波形 ３结论 在Ｚ一源逆变器中直接对直流链电压检测的ＰＩＤ 补偿控制器可实现其控制功能。使用这种技术的 直流链电压具有出色的瞬态性能，并增强了抑制 干扰的能力（包括对输入电压纹波和负载电流的 第３６卷第２期２０１４—０２（上） Ｉ１２１１ Ｉ造 匐 化 变化带来的干扰），同时对电压骤降具有良好承 【３】Ｐ．Ｃ．Ｌｏｈ，Ｄ，Ｍ．Ｖｉｌａｔｈｇａｍｕｗａ，Ｃ．Ｊ．Ｇａｊａｎａｙａｋｅ，Ｙ．Ｒ． 受能力。系统在所设计控制器的作用下，改善了 Ｌｉｍ ａｎｄ Ｃ．Ｗ．Ｔｅｏ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ 直流链电压的瞬态响应，并减少了开关管的电压 Ｐｕｌｓｅ—Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｚ．Ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．ＩＥＥＥ ＩＡＳ ２００５：２７８２—２７８９． 应力。文中提出的方法已经在１０ｋＷ的样机上进行 【４】Ｘｉｎｐｉｎｇ Ｄｉｎｇ，Ｚｈａｏｍｉｎｇ Ｑｉａｎ，Ｓｈｕｉｔａｏ Ｙａｎｇ，Ｂｉｎ Ｃｕｉ， 了验证，实验结果与理论分析的结果相一致。 Ｆａｎｇｚｈｅｎｇ Ｐｅｎｇ．Ａ ＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ＤＣ—ｌｉｎｋ Ｂｏｏｓｔ 参考文献： Ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎ Ｚ．Ｓｏｕｒｃｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｗｅｎｔｙ—ｓｅｃｏｎｄ Ａｎｎｕａｌ ＩＥＥＥ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ， 【ｌ１ Ｆ．Ｚ．Ｐｅｎｇ．Ｚ—Ｓｏｕｒｃｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ＡＰＥＣ‘０７．Ｍａｒｃｈ ２００７．ＡＰＥＣ ０７：１１４５—１１４８． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００３，３９（２）：５０４—５ １０． 【５】田国胜，田艳兵，丁新平，张民．ｚ源逆变器光伏并网系统模 【２】Ｊ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｆ．Ｚ．Ｐｅｎｇ．Ｆｏｕｒ Ｑｕａｓｉ—ｚ—ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ．ｉｎ 型及电路参数设计【Ｊ］．电力电子技术，２００９，４３（４）：５８—６０． Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ＰＥＳＣ’０８．Ｒｈｏｄｅｓ．Ｇｒｅｅｃｅ，Ｊｕｎｅ ２００８． 出｛ ｛ ｛ ｛缸出｛ ｛ ｛ 茈‘ ｛ ｛ ｛缸｛ ｛画‘ 岛Ｉ｛ ｛ ｛ 出‘ 蠡‘｛出‘ 【上接第１１７页】 采取一斗一放的模式控制水料的下落，这样 内的一瞬间，漏斗振动，加快物料下料速度，而 即使一斗料全部同时落到码头皮带上，压停皮 又不需要人为去操作舱壁振动器。 带，清料时间也会大大缩短。当然也需要保证物 料不洒落到沿线，减轻工人的劳动强度。那么当 ５结束语 抓斗往漏斗里放料时，不要一次把抓斗完全打 桥式抓斗机卸船取料模式控制系统在曹妃甸 开，而是把抓斗打开一点，放一会物料，然后再 实业港务有限公司调试完毕后，于２０１２年５月正式 开一点，这样一点一点地控制，直到物料放完为 投入使用。在同样的物料情况下，每斗的循环时 止，这样可以比较好的控制物料下放速度。在司 间没有变化，但每斗的满斗率有了很大的提高， 机室增加一个抓斗开按钮，每按一下按钮，抓斗 对于比重比较小的料，每斗至少多抓５吨左右，每 打开命令动作５秒钟，这样避免了一斗物料同时涌 小时至少提高３００吨左右。使平均生产效率达到了 到皮带上的状况。 ｌ８００ｔ／ｈ～２ｏ００ｔ／ｈ。结果表明，桥式抓斗卸船机取 印粉也需要一斗一放，如果两三斗料积到一 料模式符合实际工况，能够有效提高卸船效率， 起，漏斗就会堵死，流动性十分不好。需要舱壁 具有很高的实用价值和推广价值。 振动器投入使用才能在一定程度上把物料震落， 参考文献： 但仍然会出现堵斗的现象。经实际调研，发现在 ［１】上海振华．曹妃甸矿石码头抓斗式卸船机使用手册 开斗瞬间，启动舱壁振动器，效果会好很多。 【Ｚ】．２００５． 漏斗壁上三个振动电机同时控制，分叉上电 ［２］廖常初．Ｓ７—３００／４００ＰＬＣ应用技术【Ｍ】．北京：机械工业出 机走哪条皮带，就启动哪个。司机室或者漏斗操 版社，２００７． 作站控制后，电机空开不跳闸，舱壁振动电机运 ［３】刘华波，张赘宁．基于ＳＩＭＡＴＣ ｓ７的高级编程［ＭＩ．北京： 电子工业出版社，２００７． 行允许，满足上述条件后，在舱壁振动电机运行 【４］徐晓光，李永胜，孙驷洲．基于以太网的远程数据采集系统 请求命令下，电机接触器得电吸合，电机运行。 ［Ｍ】．自动化与仪器仪表，２００８． 其中每按一次，电机运行８秒。当选择在司机室作 ［５】罗红福．Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ现场总线工程应用实例解析［ＭＩ．北 业时，选择印粉模式，当抓斗打开时，舱壁振动 京：中国电力出版社，２００８． 器自动得电运行８秒。这样可以实现物料落到漏斗 １１２２１ 第３６卷第２期２０１４－０２（上）
