CN104201927A - 一种单级耦合电感zeta电抗源逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于直流与交流逆变设备技术领域，涉及一种单级耦合电感ZETA电抗源逆变器；其功率开关管S7一端与直流电源Vg的正极相连，另一端与耦合电感的第一绕组L1相连，耦合电感的两个绕组L1和L2的公共端与电源Vg负极相连，三相电压型桥式逆变电路单元由六个带二极管D1～D6的功率开关管S1～S6连接组成，功率开关管S1与S4相连，功率开关管S2与S5和功率开关管S3与S6分别相连，功率开关管S1的另一端与功率开关管S2和S3的另一端相连并接于电容器C的正极，功率开关管S4的另一端与功率开关管S5和S6的另一端相连并接于耦合电感第一绕组L1与第二绕组L2的公共端；其整体结构设计合理，电学原理可靠，逆变效果好，使用安全，操作简单，逆变环境友好。
Description
技术领域：
本发明属于直流与交流逆变设备技术领域，涉及一种新型高升压增益直流-交流逆变器，特别是一种单级耦合电感ZETA电抗源逆变器。
背景技术：
目前，可再生能源和新能源的发展迫切需要高效节能的电能转换电路以充分利用来之不易的能量。分布式发电系统作为电网的有益补充，在边远地区和环境特殊的地域具有十分明显的优势。光伏模块和燃料电池的电压等级对系统影响较大，高电压需多个模块的串联，这会极大增加系统的成本及故障率。在现有技术中，传统的两级电路解决方案虽能实现升压及并网功能，但亦会造成电路结构复杂，效率低等问题。Z源逆变电路(ZSI)作为一种单级逆变电路可以代替传统的两级电路来实现升压及并网功能，大大简化了电路结构，增强了逆变电路的安全性。但Z源逆变电路独特升压原理限制了该电路的升压能力，获得高电压增益必然降低逆变电器的调制因子，在一定程度上限制了其应用范围。为解决该问题，可通过引入开关电容提升ZSI的升压能力，获得较高升压比，但这样会造成电路结构复杂，增加样机重量和体积，并同时会带来漏感的相应增加，降低逆变器功率密度，限制了其应用场合。因此，寻求一种结构简单，功率密度高，适用于高升压场合的逆变电路装置已成为本领域研发人员正在探讨的技术任务,为了做到上述设想，申请者已取得国家自然科学基金的资助项目(51477079)和山东省自然科学基金的(ZR2013EEM020)项目，以期达到预期的设想。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种新型结构的高升压增益单级耦合电感ZETA电抗源逆变器，用于直流和交流电之间的逆变场合，能够克服传统单级可升压逆变电路升压能力不 足的缺点，在调制因子较大时，能够得到较大的升压能力，在电路所用元器件较少条件下，实现较高的功率密度并降低成本和故障率。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括直流电源Vg、由第一绕组L1和第二绕组L2组成的耦合电感(第一绕组L1与第二绕组L2的匝数比为NP：NS，为具体表示耦合电感的模型，在图1中标记出耦合电感的第一绕组L1和第二绕组L2的漏感分别为L1k、L2k及励磁电感为Lm)、电容器C、功率开关管S7和由功率开关管S1～S6及二极管D1～D6组成的三相电压型桥式逆变电路单元；耦合电感的第一绕组L1与第二绕组L2互为同名端，功率开关管S7一端与直流电源Vg的正极相连，另一端与耦合电感的第一绕组L1相连，耦合电感的两个绕组L1和L2的公共端与电源Vg负极相连；三相电压型桥式逆变电路单元由六个带反并联二极管D1～D6的功率开关管S1～S6连接组成，各二极管与各功率开关管的标号为一一对应并联结构，功率开关管S1～S6选用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或电力场效应晶体管(MOSFET)，功率开关管S1与功率开关管S4相连，并在其公共端引出一组桥臂作为三相电压式桥型逆变电路单元的一相输出端；功率开关管S2与S5和功率开关管S3与S6分别相连并在公共端分别引出另外两组桥臂；功率开关管S1的另一端与功率开关管S2、S3的另一端相连并接于电容器C的正极，功率开关管S4的另一端与功率开关管S5、S6的另一端相连并接于耦合电感第一绕组L1与第二绕组L2的公共端；三相电压型桥式逆变电路单元的六个开关管S1～S6均接受外部设备提供的开关信号。
本发明涉及的单级耦合电感ZETA电抗源逆变器利用逆变电路逆变桥的续流二极管D1～D6代替ZETA电路的整流二极管，利用耦合电感L1、L2代替ZETA电路中储能电感，能够在小直通占空比Dsh的情况下提高直流链电压值；该单级耦合电感ZETA电抗源逆变器有两种工作模式：一是功率开关管S7关断且三相电压型桥式逆变电路单元处于直通状态的能量转换模式，由于功率开关管S7关断，前一阶段电感Lm存储的能量通过耦合电感第二绕组L2经三相桥式电压型逆变电路的续流二极管D1～D6为电容C充电，能量由耦合电感第二绕组L2转移 至电容器C，满足NSVL1＝NPVL2、VL2＝-VC；二是功率开关管S7导通且三相电压型桥式逆变电路单元处于非直通状态的能量转换模式，功率开关管S7导通，直流电源Vg与耦合电感第一绕组L1形成回路，给电感Lm充电，经耦合关系将能量传递至第二绕组L2，电容C与耦合电感第二绕组L2放电，通过三相电压型桥式逆变电路为负载供给能量，满足VL1＝Vg、VPN＝VC+VL2、NSVL1＝NPVL2；利用耦合电感两个绕组L1、L2的电感伏秒平衡法则，得直流链电压VPN＝NVg/Dsh＝BVg，B为直流链电压增益，N为耦合电感次级绕组和初级绕组匝比NS：NP，由式中看出，单级耦合电感ZETA电抗源逆变器实现直流链升压的同时，消除直通占空比Dsh和调制因子的限制。
本发明涉及的逆变器在一个稳态工作周期中有4个工作状态：工作状态一是功率开关管S7导通，三相电压型桥式逆变电路处于非直通状态，电源Vg给电感Lm充电，电感电流逐渐上升，同时连同电容C存储的能量经过三相电压型桥式逆变电路一起给负载供电，此时输出电流为负载额定电流；工作状态二是三相电压型桥式逆变电路单元进入传统零状态，此时直流链电路和交流负载之间没有能量交换，三相电压型桥式逆变电路单元前的直流侧输出电流iload为零，电感Lm由电源Vg继续充电，电感电流上升至最大值，为下一个工作状态存储能量；工作状态三是经上一个状态后，直通信号加至三相电压型桥式逆变电路单元逆变桥的功率开关上，同时将直流侧功率开关S7关断，电感Lm中储存的能量通过耦合电感第二绕组L2释放经续流二极管D1～D6形成充电回路，给电容C充电，由于电感Lm不断向电容C释放能量，电感电流下降至最低值；工作状态四是三相电压型桥式逆变电路单元进入另一个传统零状态，交流负载与直流链电路无能量交换，电感Lm与直流电源Vg再次形成充电回路，电感继续储存能量为下一个循环周期的电能传递做准备。
本发明与现有单级可升压逆变技术相比，通过引入耦合电感代替ZETA电路中的电感，增加直流链电压升压比，使得直流链电压最大值可通过耦合电感匝比与直通占空比进行双自由度调节，升压增益与 直通占空比成反比例关系，消除直通占空比与调制因子的限制，在较大调制因子情况下依旧能够得到较高的电压增益；同时减少逆变电路元器件数量，提高电路的功率密度，在可调度式分布式并网系统中，储能元件的电压等级小，减少其串联个数，降低成本和故障率，适合应用于要求升压较高的逆变场合，如光伏并网、燃料电池等新能源应用系统；其整体结构设计合理，电学原理可靠，电路元件省，逆变效果好，使用安全，操作简单，逆变环境友好。
附图说明：
图1为本发明的主体电路结构与工作原理示意图。
具体实施方式：
下面通过附图并结合具体实施例对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。
实施例：
本实施例涉及的单级耦合ZETA电抗源逆变器的主体结构包括直流电源Vg、由第一绕组L1和第二绕组L2组成的耦合电感(第一绕组L1与第二绕组L2的匝数比为NP：NS，为具体表示耦合电感的模型，在图1中标记出耦合电感的第一绕组L1和第二绕组L2的漏感分别为L1k、L2k及励磁电感为Lm)、电容器C、功率开关管S7和由功率开关管S1～S6及二极管D1～D6组成的三相电压型桥式逆变电路单元；耦合电感的第一绕组L1与第二绕组L2互为同名端，功率开关管S7一端与直流电源Vg的正极相连，另一端与耦合电感的第一绕组L1相连，耦合电感的两个绕组L1和L2的公共端与电源Vg负极相连；三相电压型桥式逆变电路单元由六个带反并联二极管D1～D6的功率开关管S1～S6连接组成，各二极管与各功率开关管的标号为一一对应并联结构，功率开关管S1～S6选用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或电力场效应晶体管(MOSFET)，功率开关管S1与功率开关管S4相连，并在其公共端引出一组桥臂作为三相电压式桥型逆变电路单元的一相输出端；功率开关管S2与S5和功率开关管S3与S6分别相连并在公共端分别引出另外两组桥臂；功率开关管S1的另一端与功率开关管S2、S3的另一端相连并 接于电容器C的正极，功率开关管S4的另一端与功率开关管S5、S6的另一端相连并接于耦合电感第一绕组L1与第二绕组L2的公共端；三相电压型桥式逆变电路单元的六个开关管S1～S6均接受外部设备提供的开关信号。
本实施例涉及的单级耦合电感ZETA电抗源逆变器利用逆变电路逆变桥的续流二极管D1～D6代替ZETA电路的整流二极管，利用耦合电感L1、L2代替ZETA电路中储能电感，能够在小直通占空比Dsh的情况下提高直流链电压值；该单级耦合电感ZETA电抗源逆变器有两种工作模式：一是功率开关管S7关断且三相电压型桥式逆变电路单元处于直通状态的能量转换模式，由于功率开关管S7关断，前一阶段电感Lm存储的能量通过耦合电感第二绕组L2经三相桥式电压型逆变电路的续流二极管D1～D6为电容C充电，能量由耦合电感第二绕组L2转移至电容器C，满足NSVL1＝NPVL2、VL2＝-VC；二是功率开关管S7导通且三相电压型桥式逆变电路单元处于非直通状态的能量转换模式，功率开关管S7导通，直流电源Vg与耦合电感第一绕组L1形成回路，给电感Lm充电，经耦合关系将能量传递至第二绕组L2，电容C与耦合电感第二绕组L2放电，通过三相电压型桥式逆变电路为负载供给能量，满足VL1＝Vg、VPN＝VC+VL2、NSVL1＝NPVL2；利用耦合电感两个绕组L1、L2的电感伏秒平衡法则，得直流链电压VPN＝NVg/Dsh＝BVg，B为直流链电压增益，N为耦合电感次级绕组和初级绕组匝比NS：NP，由式中看出，单级耦合电感ZETA电抗源逆变器实现直流链升压的同时，消除直通占空比Dsh和调制因子的限制。
本实施例在一个稳态工作周期中有4个工作状态：工作状态一是功率开关管S7导通，三相电压型桥式逆变电路处于非直通状态，电源Vg给电感Lm充电，电感电流逐渐上升，同时连同电容C存储的能量经过三相电压型桥式逆变电路一起给负载供电，此时输出电流为负载额定电流；工作状态二是三相电压型桥式逆变电路单元进入传统零状态，此时直流链电路和交流负载之间没有能量交换，三相电压型桥式逆变电路单元前的直流侧输出电流iload为零，电感Lm由电源Vg继续充 电，电感电流上升至最大值，为下一个工作状态存储能量；工作状态三是经上一个状态后，直通信号加至三相电压型桥式逆变电路单元逆变桥的功率开关上，同时将直流侧功率开关S7关断，电感Lm中储存的能量通过耦合电感第二绕组L2释放经续流二极管D1～D6形成充电回路，给电容C充电，由于电感Lm不断向电容C释放能量，电感电流下降至最低值；工作状态四是三相电压型桥式逆变电路单元进入另一个传统零状态，交流负载与直流链电路无能量交换，电感Lm与直流电源Vg再次形成充电回路，电感继续储存能量为下一个循环周期的电能传递做准备。
本实施例在实践应用中得到了证实，各项指标参数均符合设计目的要求，达到了预期的发明效果，其逆变过程安全可靠，整体装置运行稳定。
Claims (3)
1.一种单级耦合电感ZETA电抗源逆变器，其特征在于主体结构包括直流电源Vg、由第一绕组L1和第二绕组L2组成的耦合电感、电容器C、功率开关管S7和由功率开关管S1～S6及二极管D1～D6组成的三相电压型桥式逆变电路单元；耦合电感的第一绕组L1与第二绕组L2互为同名端，功率开关管S7一端与直流电源Vg的正极相连，另一端与耦合电感的第一绕组L1相连，耦合电感的两个绕组L1和L2的公共端与电源Vg负极相连；三相电压型桥式逆变电路单元由六个带反并联二极管D1～D6的功率开关管S1～S6连接组成，各二极管与各功率开关管的标号为一一对应并联结构，功率开关管S1～S6选用绝缘栅双极性晶体管或电力场效应晶体管，功率开关管S1与功率开关管S4相连，并在其公共端引出一组桥臂作为三相电压式桥型逆变电路单元的一相输出端；功率开关管S2与S5和功率开关管S3与S6分别相连并在公共端分别引出另外两组桥臂；功率开关管S1的另一端与功率开关管S2、S3的另一端相连并接于电容器C的正极，功率开关管S4的另一端与功率开关管S5、S6的另一端相连并接于耦合电感第一绕组L1与第二绕组L2的公共端；三相电压型桥式逆变电路单元的六个开关管S1～S6均接受外部设备提供的开关信号。
2.根据权利要求1所述的一种单级耦合电感ZETA电抗源逆变器，其特征在于涉及的单级耦合电感ZETA电抗源逆变器利用逆变电路逆变桥的续流二极管D1～D6代替ZETA电路的整流二极管，利用耦合电感L1、L2代替ZETA电路中储能电感，能够在小直通占空比Dsh的情况下提高直流链电压值；该单级耦合电感ZETA电抗源逆变器有两种工作模式：一是功率开关管S7关断且三相电压型桥式逆变电路单元处于直通状态的能量转换模式，由于功率开关管S7关断，前一阶段电感Lm存储的能量通过耦合电感第二绕组L2经三相桥式电压型逆变电路的续流二极管D1～D6为电容C充电，能量由耦合电感第二绕组L2转移至电容器C，满足NSVL1＝NPVL2、VL2＝-VC；二是功率开关管S7导通且三相电压型桥式逆变电路单元处于非直通状态的能量转换模式，功率开关管S7导通，直流电源Vg与耦合电感第一绕组L1形成回路，给电感Lm充电，经耦合关系将能量传递至第二绕组L2，电容C与耦合电感第二绕组L2放电，通过三相电压型桥式逆变电路为负载供给能量，满足VL1＝Vg、VPN＝VC+VL2、NSVL1＝NPVL2；利用耦合电感两个绕组L1、L2的电感伏秒平衡法则，得直流链电压VPN＝NVg/Dsh＝BVg，B为直流链电压增益，N为耦合电感次级绕组和初级绕组匝比NS：NP，由式中看出，单级耦合电感ZETA电抗源逆变器实现直流链升压的同时，消除直通占空比Dsh和调制因子的限制。
3.根据权利要求1所述的一种单级耦合电感ZETA电抗源逆变器，其特征在于涉及的逆变器在一个稳态工作周期中有4个工作状态：工作状态一是功率开关管S7导通，三相电压型桥式逆变电路处于非直通状态，电源Vg给电感Lm充电，电感电流逐渐上升，同时连同电容C存储的能量经过三相电压型桥式逆变电路一起给负载供电，此时输出电流为负载额定电流；工作状态二是三相电压型桥式逆变电路单元进入传统零状态，此时直流链电路和交流负载之间没有能量交换，三相电压型桥式逆变电路单元前的直流侧输出电流iload为零，电感Lm由电源Vg继续充电，电感电流上升至最大值，为下一个工作状态存储能量；工作状态三是经上一个状态后，直通信号加至三相电压型桥式逆变电路单元逆变桥的功率开关上，同时将直流侧功率开关S7关断，电感Lm中储存的能量通过耦合电感第二绕组L2释放经续流二极管D1～D6形成充电回路，给电容C充电，由于电感Lm不断向电容C释放能量，电感电流下降至最低值；工作状态四是三相电压型桥式逆变电路单元进入另一个传统零状态，交流负载与直流链电路无能量交换，电感Lm与直流电源Vg再次形成充电回路，电感继续储存能量为下一个循环周期的电能传递做准备。
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| CN104201927B (zh) | 2017-03-15 |
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Granted publication date: 20170315 Termination date: 20210923 |