CN102208877A - 混合电压源型dc/ac逆变器 - Google Patents

混合电压源型dc/ac逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合电压源型DC/AC逆变器，该电路包括电源部分、转换开关部分和输出变压器电路部分，电源部分包括两个并联的直流电源或等效的直流电源，电源部分直流输出正端和转换开关部分的一端相连，转换开关部分的另一端连接所述输出变压器电路部分的正母线端，电源部分直流输出负端和输出变压器电路部分的负母线端连接在一起。本发明提供的逆变器，在增加了一路独立或等效直流电源和一个控制开关的前提下，实现了三电平逆变器的开关损耗低、输出滤波器体积小以及开关切换电压变换率小等良好控制效果；避免了传统三电平电压型逆变器器件多，结构设计困难，导通损耗比较大，中点电压需要平衡控制等缺陷。

Description

混合电压源型DC/AC逆变器
技术领域
本发明涉及一种DC/AC逆变器，特别是涉及一种增加了一路独立或等效直流电源和一个控制开关的结构设计简单、导通损耗小的混合电压源型DC/AC逆变器。
背景技术
随着社会发展，传统能源日益紧张，新型清洁能源(如太阳能、燃料电池)发电技术越来越受到人们的关注。由于可再生能源等效直流输出电压可能在很大范围内变化，并网发电时就需要高效的DC/AC变流器进行直流/交流电压变换。
目前，DC/AC变流器主要包括两类：
1、隔离型DC/AC变流器。这种隔离型DC/AC变流器输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁耦合方式传递能量，输入输出完全电气隔离，其优点在于能实现电网和发电源的电气隔离，因而系统安全性好；通过设计变压器的变化比较容易实现电压变换，因而控制相对简单。但是由于全部功率要通过变压器，因而系统的效率相对降低。
2、非隔离型DC/AC变流器。这种非隔离型DC/AC变流器输入端与输出端电气相通，没有隔离，主要采用BOOST型电路来实现直流电压调整，电路结构简单，相对于隔离型DC/AC变流器的效率相对较高。但是在三相输出供电系统中，由于高耐压器件相对于低耐压器件的反向恢复特性要差很多，因而非隔离型三相DC/AC变流器难以在低成本的前提下提高功率密度；而如果采用多电平拓扑结构，控制的复杂性增加，装置的可靠性下降。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种在增加了一路独立或等效直流电源和一个控制开关的前提下，实现了三电平逆变器的开关损耗低、输出滤波器体积小以及开关切换电压变换率小等良好控制效果限制反向恢复电流的变流器。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种混合电压源型DC/AC逆变器，该逆变器的电路包括电源部分、转换开关部分和输出变换器电路部分，所述电源部分包括两个并联的直流电源或等效的直流电源，所述电源部分的直流输出正端和转换开关部分的一端相连，所述转换开关部分的另一端连接所述输出变换器电路部分的正母线端，所述电源部分的直流输出负端和输出变换器电路部分的负母线端连接在一起。
其中，所述两个并联的直流电源或等效的直流电源的电压数值不相等。
其中，所述两个并联的直流电源输出正端与输出变换器的正母线连接在一起，而输出负端与转换开关一端连接一起，转换开关的另一端与输出变换器的负母线连接在一起。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的混合电压源型DC/AC逆变器具有以下优点：相对传统两电平逆变器，在增加了一路独立或等效直流电源和一个控制开关的前提下，实现了三电平逆变器的开关损耗低、输出滤波器体积小以及开关切换电压变换率小等良好控制效果；同时避免了传统三电平电压型逆变器器件多，结构设计困难，导通损耗比较大，中点电压需要平衡控制等缺陷。
附图说明
图1是单相混合电压源型DC/AC逆变器原理示意图；
图2是图1中输入输出电压关系示意图；
图3是三相混合电压源型DC/AC逆变器原理示意图；
图4是逆变器三相输出相电压扇区分配示意图；
图5是一种基于混合电压源逆变机理的单相DC/AC逆变电路；
图6是一种基于公共直流母线供电的新型三相混合电压源型DC/AC逆变方案的电路图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。混合电压源DC/AC逆变器思想既可以应用于单相电路，也可以用于三相电路。为了便于介绍其基本工作原理，以单相电路作为详细阐述示例。图1是单相混合电压源型DC/AC逆变器原理示意图，如图1所示，与传统电压源逆变器不同，它有两个电源，两个电源切换通过转换开关K来完成。当然两个电源的电压数值不同，图2是图1中输入输出电压关系示意图，如图2所示，图中E、Ed为输入直流电压，Uo为输出交流电压，以及|Uo|为输出电压绝对值；通常设计是E≤Uo_max≤Ed，其中Uo_max为输出交流电的峰值。当交流输出电压瞬时值的绝对值|Uo|小于E时，转换开关K恒处于位置1，VT1～VT4，相应开关以PWM模式动作；当交流输出电压瞬时值|Uo|的绝对值大于E时；输出开关状态保持不变，而装换开关K以PWM模式工作在位置1和位置2之间转换，斩波出输出交流电所需要的“波头”部分。
传统电压型逆变器主开关关断时，相应反并联二极管在电感作用下，续流导通；当主开关再次导通时，二极管将承受反压并经历反向恢复过程而关断。反向恢复时，不仅给二极管带来自身关断损耗，而且也将大大增加相应主开关管的开通损耗。在器件一定的前提下，该损耗与二极管正向电流、反向恢复电压以及二极管电流变化率相关。对于新型混合电压源型逆变器，可以看出：
(1).电压瞬时值的绝对值低于E阶段，如图2所示的T0～T1，T2～T3阶段，输出逆变桥的反并联二极管在反向恢复时的反向电压仅仅为E，而不是Ed，所以开关损耗大大减低。
(2).电压瞬时值的绝对值高于E阶段，如图2所示的T1～T2阶段，转换开关K的二极管反向恢复电压是Ed-E，显然开关损耗也将大幅降低。
图3所示的是混合电压源型三相DC/AC逆变器原理示意图。图3中转换开关K控制相电压最高相与最低相的输出线电压波形；期间相应两相的开关管处于经济运行状态。
图4是逆变器三相输出相电压扇区分配示意图；如图4所示，在第一扇区(a相输出电压值最大，c相输出电压值最小)：VT1，VT6常开；VT3，VT4常关；开关K，VT2和VT5高频工作。开关K切换时电压为0或Ed-E，它引起的开关损耗小。另，如果负载或电网的功率因数在1附近，此时b相的电流本身就比较小，VT2和VT5高频动作引起的开关损耗本身也就比较低。其他扇区情况以此类推。
图5是一种基于混合电压源逆变机理的单相DC/AC逆变电路；相比图1，图5中直流电源E为输入电源，直流电源Ed为输入电源经过Boost升压后的等效直流电源，VT5，VD6为等效转换开关K。
图6是一种基于公共直流母线供电的新型三相混合电压源型DC/AC逆变方案的电路图，与传统公共直流母线变频方案相比：单直流母线回路改为双母线回路；每个传统两逆变器增加了器件VT7和VD7。VT7和VD7可以组合成一个集成桥臂。且无论VT7发生短路或开路故障，传统逆变器可以降频或降压工作。新型方案在传统两电平逆变器基础上增加一个桥臂即可以达到传统三电平电压型逆变器控制效果；但与传统方案相比，控制和结构都要简单很多，可靠性也高。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种混合电压源型DC/AC逆变器，该逆变器的电路包括电源部分、转换开关部分和输出变换器电路部分，其特征在于：所述电源部分包括两个并联的直流电源或等效的直流电源，所述电源部分的直流输出正端和转换开关部分的一端相连，所述转换开关部分的另一端连接所述输出变换器电路部分的正母线端，所述电源部分的直流输出负端和输出变换器电路部分的负母线端连接在一起。
2.根据权利要求1所述的混合电压源型DC/AC逆变器，其特征在于：所述两个并联的直流电源或等效的直流电源的电压数值不相等。
3.根据权利要求1所述的混合电压源型DC/AC逆变器，其特征在于：所述两个并联的直流电源输出正端与输出变换器的正母线连接在一起，而输出负端与转换开关一端连接一起，转换开关的另一端与输出变换器的负母线连接在一起。
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