CN102255542A - 带抽头电感的单级升压逆变器 - Google Patents

Abstract

带抽头电感的单级升压逆变器，如附图所示。它包含逆变桥(B)，和由电感(L)，电容(C1、C2)，二极管(D1、D2、D3)，抽头电感(Lt)组成的无源网络。抽头电感(Lt)的第一绕组(N1)与第二绕组(N2)正向串联。该逆变器运用传统电压型逆变器禁止的直通零矢量状态将能量存储在抽头电感(Lt)中，并在非直通时将该能量合并输入电源提供的能量，一起传输至中间母线，使母线电压得到提升。因此逆变器可输出幅值比输入电压(Vi)更高的交流电压。该变换器可以通过配置抽头电感(Lt)的匝比来满足不同应用场合的升压要求。应用在交流输入场合时，该变换器还可以实现功率因数校正(PFC)功能。

Description

带抽头电感的单级升压逆变器

技术领域

本发明涉及一种带抽头电感的单级升压逆变器，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如附图1所示，通常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。

(3)每个桥臂的上、下器件不能同时导通，否则，桥臂发生直通短路，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，传统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，需要在电压源逆变器前加入DC/DC升压变换器，提升母线电压，则能有效地提升车辆的操控性能；或在轨道交通电力牵引领域，也需要加入DC/DC升压变换器，在供电电压产生较大的波动，甚至是较大的跌落时，提升母线电压，提高高速运行的车辆行驶的稳定性。

在可再生能源分布式发电系统中，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。因此，系统中的变换电路多采用带DC/DC升压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，DC/DC升压变换器将风力发电机输出整流的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。

在电压型逆变器前插入一级DC/DC升压变换器的方案，增加了系统的成本，降低了变换效率和可靠性，并且电压型逆变器本身的不足并没有克服。因此，研究一种拓扑简单、高效、高可靠性的适应较大输入电压变化范围的逆变器，具有很大的现实意义。

2002年提出的Z源电压型逆变器(Z-Source Inverter)，是一种阻抗源型逆变器拓扑，在绿色能源、电力传动等方面有很好的应用前景。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。引入的无源网络将逆变器的主电路与电源耦合，克服了上述传统电压型逆变器的不足，且利用一级变换，实现升降压功能。Z源逆变器的控制方法的特点在于运用传统电压型逆变器所不允许的“直通零矢量”状态，实现输出电压的升高。所谓“直通零矢量”，就是将逆变桥的上下功率管直通，控制其作用时间，使电感电流增长。因“直通零矢量”在传统零矢量中插入，仍属于零矢量，对逆变器PWM输出没有影响。当处于非直通零矢量时，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，得到期望的逆变器输出电压。与传统电压源逆变器相比，Z源逆变器的特点包括：

(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。

但是这种逆变器也存在如下不足：

(1)增加的一个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。由于启动时电容电压为0，启动时有较大的冲击电流，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Z源逆变器拓扑的逆变桥母线电压因电感电流的大小及方向变化以及是否断续变化很大。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)要求无源器件对称，增加了设计的难度，电容故障对这种系统电路是灾难性的。

2009年本课题组提出的单级可升压逆变器，如附图4所示。采用了与Z源逆变器相近的思想，利用“直通零矢量”状态，调节其作用时间，同时通过设计耦合电感的匝比，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。继承了Z源逆变器优点的同时，该升压逆变器具有更高的升压能力，且不要求无源器件高度对称，能够充分利用电容的电压等级。但该单级可升压逆变器也存在一些不足：

(1)漏感是不能忽略的因素，较大的漏感不仅降低升压能力，而且在母线电压上造成较大的电压尖峰。因此必须将耦合电感设计成紧耦合。

(2)升压能力要求越高或负载越重，耦合电感原边绕组的电流越大，甚至超过器件的承受能力，而且无源器件的体积重量也随之增加，因此较适用于小功率的场合。

(3)输入电流断续，如果将其运用于输入电流连续的场合，必须在输入侧加入LC储能单元。

由于目前大多数用电设备中非线性元件和储能元件的存在使输入交流电流波形严重畸变，网侧输入功率因数很低，对电网造成很大影响。因此将传统电压源逆变器应用在交流输入场合时，需要实现功率因数校正(PFC)功能，通常采用的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。无源功率因数校正在整流管的前端或后端接电感、电容等无源器件，增加输入电流的导通角以提高功率因数。有源功率因数校正的思想是通过控制高频变换电路，使电路的输入端呈现阻性，输入电流与电压没有相位差，功率因数接近1。目前发表的针对阻抗源型逆变器实现PFC功能的研究很少。

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：

本发明的单级升压逆变器，除传统电压型逆变器的三相开关桥臂(B)外，增加了匝数为N1、N2的抽头电感(Lt)，电感(L)，电容(C1、C2)，二极管(D1、D2、D3)组成的无源网络。第一绕组(N1)的同名端与第一二极管(D1)的阴极、第一电容(C1)的一端连接，第一绕组(N1)的异名端与第二二极管(D2)的阳极相连，同时连接第二绕组(N2)的同名端，第一二极管(D1)的阳极与电感(L)的一端、第二电容(C2)的一端相连，电感(L)的另一端连接电源(Vi)的正极，第二电容(C2)的另一端连接第三二极管(D3)的阴极、第二二极管(D2)的阴极和逆变桥(B)的正端，第三二极管(D3)的阳极连接第二绕组(N2)的异名端，第一电容(C1)的另一端连接电源(Vi)的负极和逆变桥(B)的负端。

优选地，逆变桥为三相或单相。

本发明提出了一种单级升压逆变电路，该逆变器利用抽头电感(Lt)的工作方式，在逆变器直通零矢量时抽头电感(Lt)存储能量，在非直通矢量时将该能量合并输入电源提供的能量，给负载供电，使母线电压得到提升，通过设计抽头电感(Lt)的匝比和控制直通零矢量的长度可实现大压差转移传递电能。此单级升压逆变器拓扑仅使用一级变换电路，控制方式上采用与Z源逆变器相近的思想，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。将此拓扑应用于交流输入的场合，在整流桥后加入容量较小的电容，可自然实现功率因数校正功能。

与传统电压型逆变器相比，该变换器将直通零矢量转变为一种正常的工作模式，克服了传统电压型逆变器因直通而引起输入电源短路的问题，提高了可靠性；也从本质上解决了传统电压型逆变器因死区带来的波形畸变问题，提高了输出电压的波形质量；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，降低了逆变器控制的复杂性和提高了逆变器的可靠性；通过配置抽头电感(Lt)匝比满足不同应用的升压要求，若需实现较高升压比，则N1＜N2且第一绕组(N1)的感值设计的较小，若需实现电压补偿功能，则N1＞N2且第一绕组(N1)的感值设计的较大；对于交流输入的场合，可增加较小的滤波电容，自然实现功率因数校正功能。

与Z源逆变器相比，首先，控制方法上继承了Z源逆变器的特点，巧妙的运用传统逆变器所禁止的直通零矢量使逆变器直流母线电压得到提升，提高逆变器的可靠性，也避免了由于加入死区时间造成的输出波形畸变；其次，通过设计抽头电感(Lt)的匝比和控制直通零矢量的长度可实现大压差转移传递电能，并可灵活地配置无源或有源器件满足不同应用要求，而Z源逆变器的直流母线电压只跟直通占空比有关；再次，相比于Z源逆变器，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，本拓扑的逆变桥母线电压高于电容电压，充分利用了电容的电压等级；最后，启动时不存在很大的启动电流，电感(L)起到了限制电流上升率的作用。

与本课题组之前提出的单级可升压逆变器相比，首先，漏感大小不会影响母线电压幅值和波形，漏感的能量最终传递到负载侧；其次，通过合理的设计，抽头电感(Lt)工作在电流连续状态，在升压能力要求高或负载重时，电流峰值不至于过大；再次，由于输入侧电感(L)的存在，输入电流连续，不需加入额外的器件，适用于新能源发电的场合；最后，由于输入电流连续，在整流桥后加入容量较小的电容，可实现功率因数校正功能。

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 用于风力发电系统的Z源并网逆变器

图4 本课题组之前提出的单级可升压逆变器的结构示意图

图5 本发明单级升压逆变器的结构示意图

图6 本发明单级升压逆变器实现功率因数校正功能的结构示意图

图7 单级升压逆变器无源网络的工作模式

图8 N1＜N2且第一绕组(N1)的感值设计的较小时，单级升压逆变器的输入电压、母线电压、经LC滤波后的相电压、相电流仿真波形

图9 N1＜N2且第一绕组(N1)的感值设计的较小时，单级升压逆变器的电感(L)电流、抽头电感(Lt)第一绕组(N1)电流和第二绕组(N2)电流在稳态时的展开波形

图10 N1＞N2且第一绕组(N1)的感值设计的较大时，单级升压逆变器的输入电压、母线电压、经LC滤波后的相电压、相电流仿真波形

图11 N1＞N2且第一绕组(N1)的感值设计的较大时，单级升压逆变器的电感(L)电流、抽头电感(Lt)第一绕组(N1)电流和第二绕组(N2)电流在稳态时的展开波形

图12单级升压逆变器实现功率因数校正功能时，输入交流电压、输入交流电流和经LC滤波后的输出相电压波形

具体实施方式

如附图5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：包括一只抽头电感(Lt)，抽头电感(Lt)的第一绕组(N1)与第二绕组(N2)正向串联，第一绕组(N1)的同名端与第一二极管(D1)的阴极、第一电容(C1)的一端连接，第一绕组(N1)的异名端与第二二极管(D2)的阳极相连，同时连接第二绕组(N2)的同名端，第一二极管(D1)的阳极与电感(L)的一端、第二电容(C2)的一端相连，电感(L)的另一端连接电源(Vi)的正极，第二电容(C2)的另一端连接第三二极管(D3)的阴极、第二二极管(D2)的阴极和逆变桥(B)的正端，第三二极管(D3)的阳极连接第二绕组(N2)的异名端，第一电容(C1)的另一端连接电源(Vi)的负极和逆变桥(B)的负端。逆变桥(B)可以为三相也可以为单相，分别对应三相应用和单相应用。通过适当的调整传统逆变器所不允许的直通零矢量和依靠抽头电感(Lt)的工作方式，在逆变器直通零矢量时抽头电感(Lt)存储能量，在非直通矢量时将该能量合并输入电源提供的能量，给负载供电，使母线电压得到提升，通过设计抽头电感(Lt)的匝比和控制直通零矢量的长度可实现大压差转移传递电能。第一二极管(D1)是必须的，防止第一电容(C1)的能量回灌给输入电源。在较高升压场合下，第三二极管(D3)也是必须的，使抽头电感(Lt)在直通时进行能量存储。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。输入侧电感(L)的存在，使输入电流连续，适用于新能源发电的场合，而且在整流桥后加入容量较小的电容，可实现功率因数校正功能，如附图6所示。

在较高升压场合下，该电路中抽头电感(Lt)的第一绕组(N1)与第二绕组(N2)的匝比设计成N1＜N2且第一绕组(N1)的感值设计的较小，第二绕组(N2)在直通零矢量时的感应电压高于第一绕组(N1)，且由于第三二极管(D3)的阻断作用，第二绕组(N2)存储能量。当非直通时，第一绕组(N1)和第二绕组(N2)串联，加上电源侧输入的能量，将母线电压提升。模态1：如图7(a)所示，直通零矢量状态，逆变桥(B)直通，第一电容(C1)电压大于输入直流电压源(Vi)，第一二极管(D1)截止，第一电容(C1)通过第一绕组(N1)放电，第一绕组(N1)中电流从最小值开始上升，此时第一绕组(N1)两端电压左“+”右“-”，感应到第二绕组(N2)的电压左“+”右“-”，且大于第一绕组(N1)两端电压，第三二极管(D3)截止，此外第二电容(C2)和输入直流电压源(Vi)串联给电感(L)充电，电感(L)两端电压左“+”右“-”；模态2：如图7(b)所示，传统零矢量状态，逆变桥(B)开路，第一绕组(N1)电流停止增加，从最大值开始下降，感应到第二绕组电压左“-”右“+”，第一绕组(N1)与第二绕组(N2)串联，给第二电容(C2)充电，第一二极管(D1)导通，输入电源(Vi)和电感(L)串联给第一电容(C1)充电，电感(L)电流从最大值下降；模态3：如图7(c)所示，有效矢量状态，第一绕组(N1)与第二绕组(N2)串联继续释放能量，输入电源(Vi)与电感(L)串联，一部分给第一电容(C1)充电，另一部分通过第二电容(C2)和抽头电感(Lt)向负载供电。

利用Saber软件对此拓扑进行仿真给出工作波形，(1)N1＜N2且第一绕组(N1)的感值设计的较小时，仿真条件：输入直流电压源Vin＝300V，要求逆变输出311V50Hz三相交流电，逆变器开关频率fs＝10KHz，调制度M＝0.78，直通占空比D0＝0.22，电感L＝1000uH，抽头的电感(Lt)第一绕组Lp＝1000uH，匝比N2/N1＝2，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8、9所示。附图8中输入直流电压(波形1)，母线电压(波形2)，逆变输出交流侧相电压(波形3)，相电流(波形4)，波形2是密集的矩形波。可以看出，母线电压幅值比输入电压提高了3倍。附图9为直通零矢量作用期间和非作用期间的电感L电流(波形1)，抽头电感(Lt)的第一绕组电流(波形2)和第二绕组电流(波形3)波形。(1)N1＞N2且第一绕组(N1)的感值设计的较大时，仿真条件：输入直流电压源Vin＝96V，逆变器开关频率fs＝10KHz，调制度M＝0.78，直通占空比D0＝0.22，电感L＝1000uH，抽头电感(Lt)第一绕组Lp＝2000uH，匝比N2/N1＝0.5，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10、11所示。附图10中输入直流电压(波形1)，母线电压(波形2)，逆变输出交流侧相电压(波形3)，相电流(波形4)，波形2是密集的矩形波。可以看出，母线电压幅值比输入电压提高了2倍。附图11为直通零矢量作用期间和非作用期间的电感L电流(波形1)，抽头电感Lt的第一绕组电流(波形2)和第二绕组电流(波形3)波形。附图12为单级升压逆变器实现功率因数校正功能时，输入交流电压、输入交流电流和经LC滤波后的输出相电压波形。

Claims (5)

1.一种带抽头电感的单级升压逆变器，其特征在于包括一只抽头电感(Lt)，抽头电感(Lt)的第一绕组(N1)与第二绕组(N2)正向串联，第一绕组(N1)的同名端与第一二极管(D1)的阴极、第一电容(C1)的一端连接，第一绕组(N1)的异名端与第二二极管(D2)的阳极相连，同时连接第二绕组(N2)的同名端，第一二极管(D1)的阳极与电感(L)的一端、第二电容(C2)的一端相连，电感(L)的另一端连接电源(Vi)的正极，第二电容(C2)的另一端连接第三二极管(D3)的阴极、第二二极管(D2)的阴极和逆变桥(B)的正端，第三二极管(D3)的阳极连接第二绕组(N2)的异名端，第一电容(C1)的另一端连接电源(Vi)的负极和逆变桥(B)的负端。

2.如权利要求1所述的带抽头电感的单级升压逆变器，特征在于：输入电源(Vi)与逆变桥(B)间为一个无源阻抗网络。

3.如权利要求1所述的带抽头电感的单级升压逆变器，特征在于：利用逆变器直通零矢量将能量存储在抽头电感(Lt)中，并在非直通矢量时将该能量合并输入电源提供的能量，给负载供电，使母线电压得到提升，通过设计抽头电感(Lt)的匝比和控制直通零矢量的长度可实现大压差转移传递电能。

4.如权利要求1所述的带抽头电感的单级升压逆变器，特征在于：通过配置抽头电感(Lt)的匝比可满足不同应用的升压要求，若需实现较高升压比，则N1＜N2且第一绕组(N1)的感值设计的较小，若需实现电压补偿功能，则N1＞N2且第一绕组(N1)的感值设计的较大。

5.如权利要求1所述的带抽头电感的单级升压逆变器，特征在于：对于交流输入的场合，在整流桥后增加第一滤波电容(Ci1)和第二滤波电容(Ci2)，可实现功率因数校正功能。

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