CN102104341A

CN102104341A - 一种单级升压逆变器

Info

Publication number: CN102104341A
Application number: CN2011100466883A
Authority: CN
Inventors: 周玉斐; 黄文新
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: CN102104341B

Abstract

本发明公布了一种单级升压逆变器，包括一只原副边绕组紧耦合且N1<N2的耦合电感；励磁电感的一端与第一二极管的负极、第二二极管的正极和第一电容的一端连接，另一端与第三二极管的正极相连；第一二极管的正极与电源正极相连，第二二极管的负极连接到耦合电感副边绕组的一端；副边绕组的另一端与第三二极管的负和逆变桥的直流母线正端连接；第二电容的一端与直流母线正端相连，另一端与电源负极相连；第一电容的另一端与逆变桥的直流母线负端和电感的一端相连，电感的另一端与电源负极相连。本发明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，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

一种单级升压逆变器

技术领域

本发明涉及一种单级升压逆变器，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。

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

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种拓扑简单、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。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种单级升压逆变器，包括一只原副边绕组紧耦合且N1<N2的耦合电感，N1为耦合电感原边绕组、N2为耦合电感副边绕组；励磁电感的一端与第一二极管的负极、第二二极管的正极和第一电容的一端连接，另一端与第三二极管的正极相连；第一二极管的正极与电源正极相连，第二二极管的负极连接到耦合电感副边绕组的一端；副边绕组的另一端与第三二极管的负和逆变桥的直流母线正端连接；第二电容的一端与直流母线正端相连，另一端与电源负极相连；第一电容的另一端与逆变桥的直流母线负端和电感的一端相连，电感的另一端与电源负极相连。

优选地，逆变桥为三相或单相。

优选地，第一电容、第二电容均为有极性电容。

本发明提出了一种单级升压逆变电路，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。此单级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，适合应用于需要升压逆变或适应较大输入电压变化范围的新能源发电逆变场合，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。

附图说明

图1　传统电压源逆变器

图2　前级带有DC/DC升压变换器的风电并网逆变系统

图3　本发明单级升压逆变器的结构示意图

图4　单级升压逆变器的工作模式

图5　输出线电压、相电流、直流母线电压仿真波形

图6 耦合电感电流连续模式下直流母线电压、耦合电感的励磁电感（Lm）和副边绕组（N2）电流展开波形

图7 耦合电感电流断续模式下直流母线电压、耦合电感的励磁电感（Lm）和副边绕组（N2）电流展开波形。

具体实施方式

如附图3所示，本发明单级升压逆变器拓扑在传统电压型逆变器三相开关桥B前，增加了一个由无源器件组成的升压网络：一只原副边绕组紧耦合且N1<N2的耦合电感，其等效模型为理想变压器和励磁电感的并联，励磁电感Lm的一端与第一二极管D1的阴极连接，同时连接第二二极管D2的阳极和第一电容C1的一端，另一端与第三二极管D3的阳极相连，第一二极管D1的阳极与电源正极相连，第二二极管D2的阴极连接到耦合电感副边绕组N2的一端，副边绕组N2的另一端与第三二极管D3的阴极相连，并与逆变桥B的直流母线正端连接，第二电容C2的一端与直流母线正端相连，另一端与电源负极相连，第一电容C1的另一端与逆变桥B的直流母线负端连接，同时与电感L的一端相连，电感L的另一端与电源负极相连，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。通过适当的调整直通零矢量时间和耦合电感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。与输入直流电压源Vin串联的第一二极管D1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。

该电路对逆变器直流母线电压控制方式利用传统电压源逆变器所不允许的三相逆变桥上下开关管直通这一独特的“直通零矢量”状态，调节其作用时间，实现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。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。

该电路中耦合电感的原副边绕组设计成紧耦合，且N1<N2，可以工作在电流连续模式或断续模式。电流连续工作模式如附图4（a）、（b）、（c）所示，包括模态1、2、3；电流断续工作模式如附图4（a）、（b）、（c）、（d）所示，包括模态1、2、3、4。模态1：桥臂B开始直通，第一电容C1电压大于输入直流电压源Vin，阻断二极管D1截止，第一电容C1通过耦合电感的励磁电感Lm放电，励磁电感Lm中电流从最小值开始上升，此时原边绕组N1两端电压左“+”右“-”，感应到副边绕组N2的电压左“+”右“-”，且大于原边绕组N1两端电压，因此二极管D2截止，此外第二电容C2通过桥臂B将能量转移给电感L，电感L两端电压左“-”右“+”；模态2：桥臂B进入开路状态，励磁电感Lm中电流停止增加，从最大值开始下降，励磁电感Lm中储存的能量经过原边绕组N1释放，感应到副边绕组左“-”右“+”，二极管D1和二极管D2正向导通，副边绕组N2与输入直流电压源Vin正极串联，电流从零快速上升到最大值，能量释放给第二电容C2，此外电感L与输入直流电压源Vin串联给第一电容C1充电；模态3：副边绕组N2与输入直流电压源Vin正极串联给第二电容C2和负载供电，副边绕组N2中电流从最大值开始下降，励磁电感Lm中储存的能量继续通过原边绕组N1释放，电感L与电源Vin串联给第一电容C1充电；模态4：励磁电感Lm中电流降到零，感应到副边绕组N2的电压也降到零，副边绕组N2中电流为零，二极管D2、二极管D3截止，第二电容C2给负载供电，电感L与电源Vin串联给第一电容C1充电，电感L上感应电压仍为左“+”右“-”，直到下次桥臂B直通时刻开始反向。

利用Saber软件对此拓扑进行仿真给出工作波形，仿真条件：输入直流电压源Vin=280V，要求逆变输出380V50Hz三相交流电，逆变器开关频率fs=10KHz，调制度M=0.8，直通占空比D0=0.2，三相对称阻感负载︱Z︱=30欧姆，功率因数0.8，耦合电感电流连续时励磁电感Lm=200uH，原副边绕组匝比N2/N1=3，耦合电感电流断续时励磁电感Lm=100uH，原副边绕组匝比N2/N1=3，采用三相直通简单升压控制，单级升压逆变器部分工作波形如附图5所示，在耦合电感电流连续情况下的工作波形附图6所示，在耦合电感电流断续情况下的工作波形附图8所示。附图6中逆变输出交流侧线电压（波形1），相电流（波形2），直流母线电压（波形3），波形3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励磁电感Lm电流及逆变桥B母线电压的波形。附图6中波形1为直通零矢量作用信号，波形2为耦合电感副边绕组N2电流波形，波形3为励磁电感Lm电流波形，波形4为逆变桥直流母线电压波形。励磁电感Lm电流连续，即在有效矢量作用时间内，耦合电感副边绕组N2持续给第二电容C2和负载供电直到下个直通零矢量到来。附图7中波形次序如附图6所示，励磁电感Lm电流连续，即在有效矢量作用时间内，耦合电感副边绕组N2中电流到零后，由第二电容C2给负载供电直到下个直通零矢量到来。直流母线电压为第一电容C1电压加第二电容C2电压减去输入直流电压源Vin，由输入侧的280V提升到700V，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。

Claims

1.一种单级升压逆变器，其特征在于包括一只原副边绕组紧耦合且N1<N2的耦合电感，N1为耦合电感原边绕组、N2为耦合电感副边绕组；励磁电感（Lm）的一端与第一二极管（D1）的负极、第二二极管（D2）的正极和第一电容（C1）的一端连接，另一端与第三二极管（D3）的正极相连；第一二极管（D1）的正极与电源正极相连，第二二极管（D2）的负极连接到耦合电感副边绕组的一端；副边绕组（N2）的另一端与第三二极管（D3）的负和逆变桥（B）的直流母线正端连接；第二电容（C2）的一端与直流母线正端相连，另一端与电源负极相连；第一电容（C1）的另一端与逆变桥（B）的直流母线负端和电感（L）的一端相连，电感（L）的另一端与电源负极相连。

2.如权利要求1所述的一种单级升压逆变器，特征在于：逆变桥（B）为三相或单相。

3.如权利要求1所述的一种单级可升压逆变器，其特征在于，第一电容（C1）、第二电容（C2）均为有极性电容。