CN101599710B - 单级可升压逆变器 - Google Patents

Abstract

一种新型单级可升压逆变电路，拓扑见附图。此电路除传统电压型逆变器三相开关桥(B)外，增加了一只由电感(L1、L2)组成的紧耦合电感，电容(C)，阻断二极管(D)，和能量反馈通道用的开关管(T)(若无需能量回馈可省去)。该电路对逆变器直流母线电压升压控制方式利用了三相逆变桥零矢量期间发出上下开关管的直通的所谓“直通零矢量”状态，调节其作用时间，实现了逆变器输入侧直流母线电压的可控提升。电感(L1与L2)设计成紧耦合，当在直通零矢量状态时，逆变器直通，直流电压源(Vs)向耦合电感(L1)充电。当在非直通零矢量状态时，电感能量释放，向逆变器(B)直流母线供电，逆变器直流母线电压为电感(L2)电压与电容(C)电压叠加，使得逆变器直流母线电压得到提升，从而获得提升的逆变电压。新型单级可升压逆变器拓扑仅使用一级变换电路，巧妙的运用传统逆变器所不允许的直通零矢量使得逆变器直流母线电压得到提升，实现对母线电压的调节，适合应用于需要升压逆变或较大输入电压变化的场合，而且能克服传统电压型逆变器的不足，不怕电磁干扰造成的直通，也无需插入死区。

Description

单级可升压逆变器

技术领域

本发明涉及一种新型单级可升压逆变器，尤其适合直流母线需由低压升压供电的电机驱动系统场合和适应较大输入电压变化范围的新能源发电逆变场合。

背景技术

传统的电压源逆变器输入直流电压输出交流电压，应用非常广阔。电压源逆变器的输入直流电压可以由电网或旋转交流电机经整流滤波得到，也可由蓄电池、燃料电池或光伏电池得到，分别对应一般工业应用场合(如变频器)，电动车、可再生能源分布式发电等场合。在电压源逆变器中，由于输入直流电压的缘故，功率半导体器件总是保持正向偏置，因此采用自控型正向导通器件，如IGBT、PowerMOSFET等，为了使逆变器的开关具有自由的方向电流，往往在自关断器件上反并联一个续流二极管。电压源逆变器的一个重要特点就是输出交流电压波形不受负载参数的影响。采用电压源逆变器的一般结构包含二极管整流器的前端(交流供电)或直流电源，直流环节电容器和逆变桥，如附图1所示。通常这种电压源逆变器存在下列局限或不足。

(1)交流负载必须为电感性或与交流电源连接不得不串联电感，才能使电压源逆变器能够正常工作。

(2)交流输出电压被限制只能低于而不能超过直流母线电压，因此，对于DC/AC功率变换，传统电压源逆变器是一个降压式逆变器。对于直流电压较低，需要较高的交流输出电压的DC/AC功率变换场合，需要一个额外的DC/DC升压式变换器，这个额外的功率变换级增加了系统的成本，降低了变换效率。

(3)每个桥臂的上、下器件不能同时导通，不管是有意为之，还是因为电磁干扰造成的，否则，会发生直通短路，损坏器件。由电磁干扰造成的误触发导致的直通问题是变换器可靠性的主要杀手。

在一些特定的电机控制及电能变换的应用场合，正是由于存在以上不足，普通的电压源逆变器恰是实现系统功能的瓶颈，制约了相关技术的发展与进步。如在电动汽车与混合动力汽车的电力驱动系统中，直流电压一般由蓄电池电压决定，所以驱动电机的恒转矩输出的转速范围决定于电池电压，进一步升速，则进入恒功率范围，车辆的加速能力将下降，若要改善高速操控性能，驱动逆变器的直流电压能进行升压调节，则能有效地提升车辆的操控性能。在日新月异发展的轨道交通电力牵引领域，也同样存在类似的问题，电力牵引的供电电压常会产生较大的波动，特别是有较大的跌落，这对正常行驶的高速运行的车辆牵引出力有影响，如果能使逆变器具有母线电压自行调节功能，将会大大提升行驶的稳定性。下面以可再生能源分布式发电为背景介绍并网逆变系统的技术现状。

风能发电机、太阳能光电池和燃料电池堆等再生能源发电系统在转化能量时依赖的因素较多，因此所有分布式发电电能都有着输出电压变化范围大的特性，而用电负载或并网均要求分布式发电系统输出相对稳定的电压。所以，分布式电能发电装置对电力电子技术变换装置的要求是：在宽功率范围内高效运行；能适应较大范围输入电压变化，恒压输出；电力电子技术变换装置要能对其进行有效控制来实现高效的运行等。针对分布式电能输入功率与输出电压变化范围大的特性，以风力发电为例，系统中的变换电路多采用带Boost变换器的电压型并网逆变器。如附图2所示为传统的带有DC/DC升压变换器的风力发电并网逆变系统。其中，电压型逆变器将直流电能逆变并传输到电网，Boost变换器将风力发电机输出整流得较低且波动较大的电压进行稳压满足并网逆变器的交直流电压变比关系。但是，这种拓扑在电压型并网逆变器前插入一级Boost升压斩波电路，增加了系统的成本，并且电压型逆变器本身的前述不足并没有克服。太阳能光伏电池的电力电子控制发电并网装置的拓扑通常也与风力发电类似。燃料电池的输出电压随负载的加大而减小，外特性较软。因此，研究一种拓扑简单、效率高、可靠性高的适应较大输入电压变化范围的逆变器意义重大。

2002年提出了一种Z源电压型逆变器(Z-Source Inverter)，是一种新的逆变器拓扑。Z源变换器在绿色能源、电力传动等方面有很好的应用前景，特别是适合用作为可再生能源分布式发电中逆变器的拓扑。而且Z源逆变器用于燃料电池供电的电力传动系统中开关管的功率在低升压因子时要比传统电压型逆变器和基于boost变换器的逆变器低，效率要高。同样以风力发电为例，附图3示出了电压型Z源逆变器在风力发电系统中应用的系统电路结构图，与附图2相比，省去了DC-DC升压电路。

Z源逆变器引进了一个Z源网络，附图3中的虚线框中所示，将逆变器的主电路与电源耦合，该Z源网络的引进，可以克服上述传统电压型逆变器的不足。对于Z源逆变器工作原理的相关研究已有多个文献报道，其最大的特点是可以对逆变桥的直流母线电压进行调节，即Z源逆变器可以将直流电容器的电压升高到大于整流器平均直流电压的期望值。当输入电压跌落或负载需要较高电压时，运用传统电压型逆变器所没有的“直通零矢量”状态，可以实现输出电压的升高。所谓“直通零矢量”，就是在逆变器输出零矢量状态中，控制逆变桥的上下功率管直通，使电感电流增长。因“直通零矢量”仍属于零矢量，对逆变器调制PWM输出没有影响。当退出直通零矢量时，电感将原先储存的能量释放使得直流母线电压增长。以较低的输入电压，得到期望的逆变器直流母线电压。当然，实际应用中，逆变器母线电压是根据需要进行高低调节变化的，调节机理在本申请中不再赘述。最重要的一点是“直通零矢量”不影响逆变器的零矢量状态的输出，也就是逆变器的负载PWM电压不变，输出电压不受影响。与传统电压源逆变器相比，Z源逆变器的特点：

(1)产生任意期望的输出交流电压，特别是比输入电压高的电压；

(2)提供电压跌落时的度越能力，不需另外的电路；

(3)能减少浪涌和谐波电流；

(4)不怕直通故障，相反是其加以利用的一种工作状态。

Z源逆变器的突出优点可以有效地调节逆变器直流母线电压的大小，克服了普通电压源逆变器的不足，但是这种逆变器也存在如下不足：

(1)由于增加了一个Z源网络，是一个包含了电感、电容的二端口网络，

在一定条件下，Z源网络的电感和电容器会发生谐振，在设计和控制Z源逆变器时必须考虑避免谐振的策略，一旦发生谐振，将影响电路正常工作。由于起动时电容电压为0，起动时有较大的起动冲击电流，并且在启动过程中很容易引起谐振，产生很大的冲击电流和冲击电压，有可能损坏逆变器。(2)逆变桥母线电压为电容电压减去电感压降，母线电压低于电容电压，不能充分利用电容的电压等级，如果是高压应用场合，需要高压电容，体积较大。并且当电感电流断续或方向改变时，Z源逆变器拓扑的逆变桥直流母线电压因电感电流的大小及方向变化以及是否断续而变化很大。电压将有跌落，逆变器的调制算法必须考虑电压变化的影响，使得逆变器控制的复杂程度增加。(3)要求两只电容元件对称，电容故障对这种系统电路是灾难性的。(4)Z源逆变器应用于电力传动控制，不易顺利实现能量回馈，实现四象限运行。当发生能量回馈时，两只电感电流方向需要改变方向，需增加另外的旁路来提供两个电感的快速回馈通道。

在当前全球能源供应日益紧张的背景下，可再生能源分布式发电的控制与变换、交流起动机控制、电动汽车驱动、新型起动发电技术等等，都离不开电力电子逆变技术。因此，开发新型、高效、高可靠的升压逆变技术，具有很大的现实意义。

发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提出一种拓扑简单、效率高、可靠性高的适合直流母线需由低压升压供电和适应较大输入电压变化范围的单级可升压逆变器拓扑及其控制技术。

2、技术方案：在电力电子发展的三十余年间，逆变技术一般都基于两种传统的逆变电路电压源逆变器与电流源逆变器，中小功率逆变系统一般采用电压源逆变器，传统的逆变器结构是如此简单，以致人们一直对之习以为常，直到Z源逆变器的提出。为了更好地适应前述场合对逆变技术的要求，本申请提出了一种新型单级可升压逆变电路，如附图4所示为新型单级可升压逆变器的主电路拓扑，此电路除传统电压型逆变器三相开关桥(B)外，增加了一只具有耦合绕组(L1、L2)的升压电感，原边绕组(L1)的一端与直流电源正极连接，另一端串联一只反向阻断二极管(D)，连接到副边绕组(L2)的一端并和逆变桥(B)的直流母线正端连接，副边绕组(L2)的另一端与电容(C)正极串联，电容(C)负极与逆变桥(B)的直流母线负端连接的同时，也与电源负极相连；阻断二极管(D)上可并联开关管(T)形成能量反馈通道(若无需能量回馈可省去开关管(T))，逆变桥可以为三相也可以为单相，分别对应三相应用和单相应用。

该电路对逆变器直流母线电压控制方式采用了与Z源逆变器相近的思想，利用了传统电压源逆变器所不允许的三相逆变桥上下开关管的直通这一独特的“直通零矢量”状态，调节其作用时间，实现了逆变器输入侧直流母线电压的可控提升，从而逆变输出期望的交流电压。升压电感的耦合绕组(L1与L2)设计成紧耦合，若需较高的升压能力则原边绕组(L1)线圈匝数要比副边绕组(L2)少。当在直通零矢量状态时，直流母线电压为零，此时直流电压源(Vs)向耦合电感原边绕组(L1)充电，由于原边绕组(L1)感值较小所以流过原边绕组(L1)的充电电流迅速增加，原边绕组(L1)储能，同时耦合电感副边绕组(L2)的感应电势高过电容(C)电压，副边绕组(L2)通过耦合作用给电容充电。当在非直通零矢量状态时，由于耦合电感紧耦合，原边绕组(L1)上电流瞬间降为零，原边绕组(L1)上的能量瞬间以磁场能的形式转移到副边绕组(L2)上释放，此时释放的能量向负载供电，逆变器直流母线电压为副边绕组(L2)电压与电容(C)电压叠加，使得逆变器输入侧直流母线电压得到提升，这种较高升压应用特点是耦合电感原边绕组(L1)匝数少于副边绕组(L2)，原边绕组(L1)工作电流为断续方式。若应用于较低升压应用场合，耦合电感的原副边绕组(L1、L2)设计成匝数相等或副边绕组(L2)匝数少于原边绕组(L1)，原边绕组(L1)电流为连续方式，直通零矢量时，原边绕组(L1)储能，副边绕组(L2)由电容(C)放电储能，非直通矢量时，原边绕组(L1)供给逆变器和补足电容(C)的放电消耗。这里需说明直通零矢量是在传统零矢量中注入的，且直通零矢量与传统零矢量对负载的作用效果是等效的，都是使负载短路，自然续流，所以注入的直通零矢量对逆变器交流输出电压没有任何影响，这在Z源逆变器中有充分的分析。

利用Saber软件对此拓扑进行仿真给出工作波形，模拟一风力发电机在弱风下输出较低的电压(已整流为直流)，逆变工频交流电恒压输出。仿真条件：输入直流电压源(Vs＝220V)，要求逆变输出50Hz380V三相交流电，逆变器开关频率(fs＝5KHz)，调制度(M＝0.8)，直通占空比(D＝0.2)，三相对称阻感负载|Z|＝20欧姆，功率因数0.9，耦合电感(L1＝100uH，L2＝960uH)，采用三相直通简单升压控制，新型单级可升压逆变器部分工作波形如附图5、附图6所示，附图5中逆变输出交流侧线电压(波形1)，线电流(波形2)，直流母线电压(波形3)，波形1和波形2看起来是密集的离散波。将时轴展开，由附图6可以看出直通零矢量作用期间和非作用期间的电感电流及逆变桥母线电压的波形。附图6之波形1为直通零矢量作用信号，波形2为副边绕组(L2)电流波形，波形3为原边绕组(L1)电流波形，波形4为逆变桥直流母线电压波形。在插入直通零矢量后，原边绕组(L1)电流迅速增加，通过耦合作用，副边绕组(L2)电感电流迅速减小并改变方向，给电容充电；直通零矢量作用结束后，原边绕组(L1)电流迅速降为零，通过耦合作用，原边绕组(L1)的电磁能转移至副边绕组(L2)，副边绕组(L2)电流从给电容充电变为与之一起为逆变桥供电，直流母线电压为电感电压加电容电压，由输入侧的220V提升到679V，升压效果明显，顺利进行了380V三相交流电的逆变，负载电流正弦度很好。

3、有益效果：本发明提出了一种新型单级可升压逆变电路，利用耦合电感做能量传输元件用，实现大压差电能转移传递，正如上述工作原理分析。此新型单级可升压逆变器拓扑仅使用一级变换电路，巧妙的运用传统逆变器所不允许的直通零矢量使得逆变器直流母线电压得到提升，能克服传统电压型逆变器的不足，实现对母线电压的调节，适合应用于需要宽功率范围内适应较大输入电压变化的场合，而且不怕电磁干扰造成的直通，避免了由死区导致的输出电流波形畸变，而且注入的直通零矢量也不影响交流输出电压。与传统的DC/DC+DC/AC变换器相比减少了开关管数目，减少了一级额外升压电路，电路拓扑大为简化，降低了逆变器控制的复杂性，而且此拓扑与传统电压源逆变器和DC/DC+DC/AC变换器相比在同等工作条件下开关器件功率(SDP)要小，效率要高。

此拓扑与Z源逆变器不同之处是仅用一只耦合电感和一只电容，依靠耦合电感储能并转移泵升电压，并可灵活地配置耦合电感匝比满足不同应用的升压要求，具有其突出优势。首先，在电路结构上比Z源电路大为简化，不存在电感电容高度对称的问题，对拓扑本身的结构要求大为减小，且在紧耦合前提下通过适当调整耦合电感匝数和直通占空比达到更好的升压效果，而Z源逆变器的直流母线电压只跟直通占空比有关且会因为电感电流的断续影响系统的正常工作；其次，本拓扑的逆变桥母线电压为电容电压加上副边绕组(L2)电压，母线电压高于电容电压，充分利用了电容的电压等级；再次，此拓扑的起动初始电容上的起动冲击电流要比Z源逆变器小的多，且加入的阻断二极管避免引起振荡；最后，将此拓扑应用于电力传动系统，仅加入一个开关管即可实现能量回馈，要比Z源逆变器更容易实现能量回馈，实现四象限运行。

此新型单级可升压逆变器拓扑由于耦合电感的插入，不怕电磁干扰造成的直通，逆变时也可不插入死区，避免了由死区导致的输出电流波形畸变。

附图说明

图1传统V-源逆变器

图2传统的带有DC/DC升压变换器的风电并网逆变系统

图3用于风力发电系统的Z源并网逆变器

图4本发明新型单级可升压逆变器的结构示意图

图5直流母线电压、输出线电压、线电流仿真波形

图6直流母线电压、紧耦合电感(L1、L2)电流展开波形

具体实施方式：

如附图4所示，本发明新型单级可升压逆变器拓扑除传统电压型逆变器三相开关桥(B)外，增加了一只由耦合绕组(L1、L2)组成的升压电感(其同名端标注于图中)，电容(C)，阻断二极管(D)，和能量反馈通道用的开关管(T)(若无需能量回馈可省去)。原边绕组(L1)的一端与直流电源正相连接，另一端串联反向阻断二极管(D)后，连接到副边绕组(L2)的一端并和逆变桥(B)的直流母线正端连接，副边绕组(L2)的另一端与电容(C)正极相串联，电容(C)负极与逆变桥(B)的直流母线负端相连，再连接到电源负极。逆变桥可以为三相也可以为单相，分别对应三相应用和单相应用。如果逆变器的直流母线电压不要大的抬升，如只是补偿一下像燃料电池那样的较软的外特性造成的电压下降，两只耦合电感的感值可取相近，原边绕组(L1)电流可以工作在连续状态，二极管(D)也可省去，通过调节直通零矢量时间来调节母线电压。如果逆变器直流母线电压升压要求较高，大大高于输入电源电压，则原边绕组(L1)电流设计成断续工作方式，匝数小于副边绕组(L2)，通过适当的调整直通零矢量时间和耦合绕组(L1、L2)匝数的设计可以达到所需要的升压效果。利用耦合电感做能量传输元件用，实现大压差电能转移传递。在较高升压应用中，与副边绕组(L2)串联的二极管(D)是必须的，防止高电压的逆变器直流母线电流回灌，母线电压下跌。如果串联了二极管(D)，则向电源回馈能量时就要增加旁路的功率开关(T)，可实现能量回馈至电源。能量回馈时，不再需用“直通零矢量”，逆变桥的直流电压由回馈电能支撑。回馈功率开关(T)PWM方式工作，这时可看作类似“Buck”电路的工况，关断时给副边绕组(L2)及电容(C)储能，导通时放电，以脉冲方式回馈(当然也可以在原边绕组(L1)右端与母线负极间增加一只反向续流二极管，使电流连续)。有能量回馈通道，使得该电路方便应用于需四象限运行的电力拖动系统。

Claims (3)

1.一种单级升压逆变器的电路拓扑结构，其特征在于，其主电路包括：一只具有耦合绕组(L1，L2)的升压电感，原边绕组(L1)的一端与直流电源正极连接，另一端串联一只反向阻断二极管(D)，连接到副边绕组(L2)的一端并和逆变桥(B)的直流母线正端连接，副边绕组(L2)的另一端与电容(C)正极相串联，电容(C)负极与逆变桥(B)的直流母线负端连接的同时，也与电源负极相连；阻断二极管(D)上并联开关管(T)形成能量反馈通道，逆变桥为三相或单相，分别对应三相应用和单相应用。

2.如权利要求1所述的单级升压逆变器的电路拓扑结构，其特征在于，利用逆变器的零矢量状态，使逆变桥(B)的桥臂上下开关管直通，使原边绕组(L1)储能，在非直通时，原边绕组(L1)储能放电，逆变器直流母线电压为副边绕组(L2)电压与电容(C)电压叠加，使得逆变器直流母线电压得到提升，从而获得提升的逆变电压。

3.如权利要求1所述的单级升压逆变器的电路拓扑结构，其特征在于，控制直通零矢量作用时间和具有紧耦合绕组(L1，L2)的升压电感匝数比的设计。

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