CN102723888A

CN102723888A - 一种三端口全桥逆变器及其控制方法

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Publication number: CN102723888A
Application number: CN2012101489177A
Authority: CN
Inventors: 吴红飞; 孙凯; 邢岩
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-05-14
Also published as: CN102723888B

Abstract

本发明涉及一种三端口全桥逆变器及其控制方法，它包括输入源、四个开关管、蓄电池、电感、输出滤波电感、输出滤波电容和交流负载，第一个开关管的源极与第二个开关管的漏极串联成第一个开关桥臂；第三个开关管的源极与第四个开关管的漏极串联成第二个开关桥臂；输入源正极分别连接第三个开关管漏极和第一个开关管漏极，负极分别连接蓄电池的负极、第四个开关管源极和第二个开关管源极；蓄电池的正极经电感依次连接第二个开关桥臂的中点，及输出滤波电感一端；第一个开关桥臂的中点分别连接输出滤波电容的一端，及交流负载一端；输出滤波电容另一端和交流负载另一端均连接输出滤波电感的另一端。本发明变换效率高、成本和功率损耗低，能广泛应用于新能源发电技术领域中。

Description

一种三端口全桥逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器及其控制方法，特别是关于一种新能源发电技术领域中的三端口全桥逆变器及其控制方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题日益严重，温差发电、太阳能、风能、燃料电池等新能源发电技术成为世界各国关注和研究的热点。新能源发电系统按照是否与公共电网相连接，分为并网运行和独立运行两种方式。独立运行的新能源发电系统是新能源发电应用的非常重要的一种方式，可以解决偏远山区、孤岛等无电网地区的供电问题。独立运行的新能源发电设备固有的缺陷为独立新能源供电系统带来了一些新的难题和挑战，如：温差电池、风能、太阳能发电由于受到温度、风速日照强度等外界条件变化的影响而不能持续、稳定的输出电能。因此，独立运行的新能源发电系统必须配备一定容量的储能装置。储能装置起到能量平衡和支撑作用，及时补充系统的短时峰值功率，回收多余功率，保证供电的连续性和可靠性，提高电能的利用率，并且可以确保发电设备在输出功率或负载功率波动较大时，仍能够保持良好的稳定性。

独立新能源供电系统中，由于需要对新能源发电设备的输出功率、蓄电池等储能装置的充放电控制功率以及供电负载功率同时进行管理和控制，通常采用多个两端口变换器组合构成功率管理与控制系统，但是由于其变换器的数目多、各个变换器分时工作，系统功率密度低、体积重量大、成本高，且由于各个变换器彼此分散控制且各自独立工作，有损系统稳态和动态性能。针对上述应用背景及存在的问题，研究工作者提出采用三端口变换器代替上述多个独立的变换器来实现独立新能源发电系统的功率管理，如文献“Li Wuhua,Xiao Jianguo,Zhao Yi,He Xiangning.PWM plus phase angle shift PPAS control scheme for combinedmultiport DC/DC converters[J].IEEE Trans.on PE,2012,273:1479-1489”和文献“Hariharan Krishnaswami,Ned Mohan.Three-Port Series Resonant DC-DCConverter to Interface Renewable Energy Sources With Bidirectional Loadand Energy Storage Ports,IEEE Transactions on Power Electronics,2009,2410:2289-2297”。现有的三端口变换器的各个端口的输出电流都是直流，不能用于交流负载的功率管理与控制。然而交流电机等交流负载是独立新能源供电系统中普遍存在的一类负载，对于交流端口和直流端口混合的三端口变换器，目前的解决方案还很少。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种交流端口和直流端口混合的三端口全桥逆变器及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种三端口全桥变换器，其包括一输入源、四个开关管、一蓄电池、一电感、一输出滤波电感、一输出滤波电容和一交流负载，第一个所述开关管的源极与第二个所述开关管的漏极串联构成第一个开关桥臂，用于控制三端口全桥逆变器的输出功率；第三个所述开关管的源极与第四个所述开关管的漏极串联构成第二个开关桥臂，用于控制三端口全桥逆变器的输出功率以及蓄电池U_b的充放电；所述输入源正极分别连接第三个所述开关管漏极和第一个开关管漏极，负极分别连接所述蓄电池的负极、第四个开关管源极和第二个开关管源极；所述蓄电池的正极经所述电感依次连接第二个所述开关桥臂的中点，以及所述输出滤波电感的一端；第一个所述开关桥臂的中点分别连接所述输出滤波电容的一端，以及所述交流负载的一端；所述输出滤波电容另一端和交流负载另一端均连接所述输出滤波电感的另一端。

所述输入源、第三个开关管、第四个开关管、蓄电池和电感构成双向直流变换器，所述双向直流变换器与所述三端口全桥逆变器共用所述第二个开关桥臂。

四个所述开关管都采用MOSFET或都采用具有反并联二极管的IGBT。

四个所述开关管采用相同的开关频率，第一个所述开关管与第二个所述开关管互补导通，第三个所述开关管与第四个所述开关管互补导通。

基于上述一种三端口全桥变换器的控制方法，其特征在于：四个所述开关管采用相同的开关频率，第一个所述开关管和第二个所述开关管互补导通，第三个所述开关管和第四个所述开个关管互补导通；当第一个所述开关管和第三个所述开关管同时导通，则第二个所述开关管和第四个所述开关管同时关断；通过控制第一个所述开关管和第二个所述开关管的开关频率，来调节所述三端口全桥逆变器交流负载侧的输出功率；通过控制第三个所述开关管和第四个所述开关管的占空比，来调节所述蓄电池的充放电功率以及所述输入源的输入功率。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在现有技术两端口全桥逆变器的基础上引入了能够实现蓄电池充放电控制的第三端口，使其形成了一三端口全桥逆变器，因此采用本发明可以同时实现对交流负载、蓄电池和输入源的功率管理和控制。2、本发明与现有技术采用多个直流变换器和一个逆变器的方式相比，各端口之间实现了单级功率变换，有效地提高了变换效率，减少了开关器件和控制电路，降低了体积、重量、成本和功率损耗。3、本发明方法由于是通过两个开关臂对交流负载、蓄电池和输入源进行集中控制，因此不但使得控制简单，而且稳定性和可靠性高。4、本发明还可以有带隔离变压器的输出方式，分别在交流负载与输出滤波电容之间，输出滤波电容与所述第二电感之间，第二电感与两个开关桥臂中点之间，连接一隔离变压器，以起到隔离、调压的作用。本发明能广泛应用于新能源发电技术领域中的。

附图说明

图1是本发明的电路结构图

图2是本发明在第一开关模态下的等效电路图

图3是本发明在第二开关模态下的等效电路图

图4是本发明在第三开关模态下的等效电路图

图5是本发明在第四开关模态下的等效电路图

图6是本发明的一种实施例所对应的主要工作波形图

图7是本发明带隔离变压器的实施例一的电路结构图

图8是本发明带隔离变压器的实施例二的电路结构图

图9是本发明带隔离变压器的实施例三的电路结构图

以上图中的符号名称：U_in为输入源；S₁、S₂、S₃、S₄分别为第一、二、三、四开关管；L₁和L₂分别为第一电感、第二电感；C_o为输出滤波电容；R_o为交流负载；U_b为蓄电池；T为隔离变压器；i_b为蓄电池电流；u_o为交流负载R_o侧的输出电压；u_leg为两个开关桥臂中点间的电压；u_co为输出电压u_o的控制电压；u_cb为蓄电池U_b充放电控制的控制电压；u_tri为锯齿载波；u_GS1、u_GS2、u_GS3、u_GS4分别为第一、二、三、四开关管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动电压；t为时间。

具体实施方式

下面结合图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明的三端口全桥逆变器是在传统两端口全桥逆变器的基础上引入了一个双向输入/输出的直流端口，并将该端口与蓄电池相连，从而构成了三端口全桥逆变器。如图1所示，本发明包括一输入源U_in、四个开关管S₁～S₄、一蓄电池U_b、一电感L₁、一输出滤波电感L₂、一输出滤波电容C₀和一交流负载R₀，第一个开关管S₁的源极与第二个开关管S₂的漏极串联构成第一个开关桥臂，用于控制三端口全桥逆变器的输出功率；第三个开关管S₃的源极与第四个开关管S₄的漏极串联构成第二个开关桥臂，用于控制三端口全桥逆变器的输出功率，同时还用于管理蓄电池U_b的充放电。

输入源U_in的正极分别连接第三个开关管S₃漏极和第一个开关管S₁漏极，输入源U_in的负极分别连接蓄电池U_b的负极、第四个开关管S₄的源极和第二个开关管S₂的源极。蓄电池U_b的正极经第一电感L₁依次连接第二个开关桥臂的中点，以及输出滤波电感L₂的一端。其中，第二个开关桥臂的中点即为第三个开关管S₃与第四个开关管S₄的串联公共端。

第一个开关桥臂的中点分别连接输出滤波电容C₀的一端，以及交流负载R₀的一端；输出滤波电容C₀的另一端和交流负载R₀的另一端均连接输出滤波电感L₂的另一端。其中，第一个开关桥臂的中点即为第一个开关管S₁与第二个开关管S₂的串联公共端。

上述实施例中，输入源U_in、第三个开关管S₃、第四个开关管S₄、蓄电池U_b和电感L₁构成双向直流变换器，该双向直流变换器与三端口全桥逆变器共用第二个开关桥臂，减少了开关管的数量，降低本发明三端口全桥逆变器的体积、重量、成本和功率损耗，并实现了输入源U_in、蓄电池U_b和交流负载R₀的功率管理。

上述各实施例中，四个开关管S₁～S₄可以都采用MOSFET，也可以都采用具有反并联二极管的IGBT。

上述各实施例中，四个开关管S₁～S₄采用相同的开关频率，并且第一个开关管S₁与第二个开关管S₂互补导通，第三个开关管S₃与第四个开关管S₄互补导通。

本发明的三端口全桥逆变器控制方法如下：

四个开关管S₁～S₄采用相同的开关频率，第一个开关管S₁和第二个开关管S₂互补导通，第三个开关管S₃和第四个开关管S₄互补导通。当第一个开关管S₁和第三个开关管S₃同时导通，则第二个开关管S₂和第四个开关管S₄同时关断。通过控制第一个开关管S₁和第二个开关管S₂的开关频率，来调节交流负载R_o侧的输出功率；通过控制第三个开关管S₃和第四个开关管S₄的占空比，来调节蓄电池U_b的充放电功率以及输入源U_in的输入功率。

综上所述，根据三端口全桥逆变器控制方法，本发明的三端口全桥逆变器具有以下四种开关模态：

第一开关模态：如图2所示，第一个开关管S₁和第三个开关管S₃导通，第二个开关管S₂和第四个开关管S₄关断。在该模态下，两个开关桥臂中点间的电压u_leg等于0，此时，若蓄电池U_b工作在充电状态，则电感L₁中的电流线性增加；若蓄电池U_b工作在放电状态，则电感L₁中的电流线性减小。

第二开关模态：如图3所示，第二个开关管S₂和第三个开关管S₃导通，第一个开关管S₁和第四个开关管S₄关断。在该模态下，两个开关桥臂中点间的电压u_leg等于输入源U_in的电压，此时，若蓄电池U_b工作在充电状态，则感L₁中的电流线性增加；若蓄电池U_b工作在放电状态，则电感L₁中的电流线性减小。

第三开关模态：如图4所示，第二个开关管S₂和第四开关管S₄导通，第一个开关管S₁和第三个开关管S₃关断。在该模态下，两个开关桥臂中点间的电压u_leg等于0，此时，若蓄电池U_b工作在充电状态，则电感L₁中的电流线性减小；若蓄电池U_b工作在放电状态，则电感L₁中的电流线性增加。

第四开关模态：如图5所示，第一个开关管S₁和第四个开关管S₄导通，第二个开关管S₂和第三个开关管S₃关断。在该模态下，两个开关桥臂中点间的电压u_leg的幅值等于输入源U_in的电压，但两个开关桥臂中点间的电压u_leg与输入源U_in的极性相反，此时，若蓄电池U_b工作在充电状态，则电感L₁中的电流线性减小；若蓄电池U_b工作在放电状态，则电感L₁中的电流线性增加。

下面通过一个具体实施例对本发明的三端口全桥逆变器控制方法做进一步说明。

实施例：如图6所示，在本实施例中，选取锯齿波u_tri作为载波，用于控制蓄电池U_b充放电的控制电压为u_cb，用于控制本发明的三端口全桥逆变器交流负载R_o侧输出电压的控制电压为u_co，其中控制电压u_cb、u_co均由外部电路提供。控制电压u_cb和控制电压u_co同时与锯齿载波u_tri相比较，产生对相应各开关管的导通、关断信号。

当控制电压u_co大于锯齿载波u_tri时，第一开关管S₁开通、第二开关管S₂关断，反之，当控制电压u_co小于锯齿载波u_tri时，第一开关管S₁关断、第二开关管S₂开通；当控制电压u_cb大于锯齿载波u_tri时，第三开关管S₃开通、第四开关管S₄关断，反之，当控制电压u_cb小于锯齿载波u_tri时，第三开关管S₃关断、第四开关管S₄开通；采用上述载波和信号产生策略，得到了本发明控制方法所述的开关时序，该开关时序能够使得两个开关桥臂中点间的电压u_leg跟随控制电压u_co的变化，经过滤波后，输出电压u_o能够跟随其控制电压u_co的变化。

由此可知，在输出电压u_o的正半周，三端口全桥逆变器在第一开关模态、第四开关模态、第三开关模态之间循环切换，即每个开关周期都按照第一、第四、第三开关模态的开关顺序切换；在输出电压u_o的负半周，三端口全桥逆变器在开关模态第一开关模态、第二开关模态、第三开关模态之间循环切换，即每个开关周期都按照第一、第二、第三开关模态的开关顺序切换。

根据本技术领域专业常识，在三端口全桥逆变器的基础上还可以引入隔离变压器，构成输出隔离的三端口全桥逆变器。其中，隔离变压器的工作频率与三端口全桥逆变器的输出电压u_o的频率相同。因此，本发明的三端口全桥逆变器还可以有隔离输出方式的实施例，本发明采用的隔离变压器T具有以下三种设置方式：

如图7所示，隔离变压器T位于交流负载R_o与输出滤波电容C_o之间；如图8所示，隔离变压器T位于输出滤波电容C_o与输出滤波电感L₂之间；如图9所示，隔离变压器T位于输出滤波电感L₂与两个开关桥臂中间点之间。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各电路元件的种类、线路连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种三端口全桥逆变器，其特征在于：它包括一输入源、四个开关管、一蓄电池、一电感、一输出滤波电感、一输出滤波电容和一交流负载，第一个所述开关管的源极与第二个所述开关管的漏极串联构成第一个开关桥臂，用于控制三端口全桥逆变器的输出功率；第三个所述开关管的源极与第四个所述开关管的漏极串联构成第二个开关桥臂，用于控制三端口全桥逆变器的输出功率以及蓄电池U_b的充放电；

所述输入源正极分别连接第三个所述开关管漏极和第一个开关管漏极，负极分别连接所述蓄电池的负极、第四个开关管源极和第二个开关管源极；所述蓄电池的正极经所述电感依次连接第二个所述开关桥臂的中点，以及所述输出滤波电感的一端；第一个所述开关桥臂的中点分别连接所述输出滤波电容的一端，以及所述交流负载的一端；所述输出滤波电容另一端和交流负载另一端均连接所述输出滤波电感的另一端。

2.如权利要求1所述的一种三端口全桥逆变器，其特征在于：所述输入源、第三个开关管、第四个开关管、蓄电池和电感构成双向直流变换器，所述双向直流变换器与所述三端口全桥逆变器共用所述第二个开关桥臂。

3.如权利要求1所述的一种三端口全桥逆变器，其特征在于：四个所述开关管都采用MOSFET或都采用具有反并联二极管的IGBT。

4.如权利要求2所述的一种三端口全桥逆变器，其特征在于：四个所述开关管都采用MOSFET或都采用具有反并联二极管的IGBT。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种三端口全桥逆变器，其特征在于：四个所述开关管采用相同的开关频率，第一个所述开关管与第二个所述开关管互补导通，第三个所述开关管与第四个所述开关管互补导通。

6.一种如权利要求1～5任意一项所述三端口全桥逆变器的控制方法，其特征在于：四个所述开关管采用相同的开关频率，第一个所述开关管和第二个所述开关管互补导通，第三个所述开关管和第四个所述开个关管互补导通；当第一个所述开关管和第三个所述开关管同时导通，则第二个所述开关管和第四个所述开关管同时关断；通过控制第一个所述开关管和第二个所述开关管的开关频率，来调节所述三端口全桥逆变器交流负载侧的输出功率；通过控制第三个所述开关管和第四个所述开关管的占空比，来调节所述蓄电池的充放电功率以及所述输入源的输入功率。