CN104578881A - 一种新型z源并网变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型Z源并网变流器，属于电力电子变换器技术领域；包括电池储能单元、Z源网络、全控型功率器件、三相逆变桥和LC滤波电路，其中电池储能单元正极连接Z源网络的输入端，Z源网络输出端连接三相逆变桥的正端，三相逆变桥负端连接电池储能单元负极，Z源网络串联在电池储能单元和三相逆变桥之间，其另外两个端口连接一个全控型功率器件，三相逆变桥输出通过LC滤波电路接入电网。发明相较于传统单级结构的电压源型逆变器，可以实现升降压变换以及允许逆变桥同一桥臂上下两个开关管直通，工作可靠性更高，不需加入死区，输出波形畸变小；与传统Z源逆变器相比，启动冲击电流小，电容电压应力低，允许能量双向流动，电路结构简洁。

Description

一种新型Z源并网变流器
技术领域
本发明涉及一种变流器，特别涉及一种新型Z源并网变流器，属于电力电子变换器技术领域。
技术背景
电力电子变换器广泛应用于机车牵引、新能源发电、电机驱动等许多场合，为人类生产并高效利用能源提供了条件。这些场合中常用的电力电子变换器为逆变器，即将直流电转换为交流电。传统逆变电路拓扑可分为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路，实际应用中多为电压源型逆变电路。
电压源型逆变电路由直流电压源和三相逆变桥组成，三相逆变桥每个桥臂由两个全控型开关管串联组成，每个开关管反向并联一个二极管。其特点是：(1)输出交流侧电压最大值不超过直流侧电压，本质上是一个降压逆变电路，不能输出高于直流侧电压值的交流电压；(2)每相桥臂上下两个开关管不能同时导通，否则会造成直流侧短路，产生很大的短路电流，损坏电源或逆变桥；(3)为避免同一个桥臂上下两个开关管发生直通，需加入死区时间，导致输出波形发生畸变。
逆变器正常工作时需要稳定的直流侧电压，而光伏、燃料电池等新能源发电中，直流侧电压通常较低，且波动范围大，因此通常需在直流电源和三相逆变桥之间加入一级DC/DC变换器，实现升压和稳定逆变桥直流侧电压功能。但两级结构造成系统效率较低，体积成本增加。
为解决上述问题，有学者提出一种Z源型逆变器，通过在直流电源和逆变桥之间加入一个特殊的Z源网络，利用单级电路实现升降压变换，同时允许逆变桥同一桥臂上下两个开关管直通，有效提高逆变器工作可靠性，消除传统逆变器中的死区，提高输出波形质量，同时降低系统体积和成本。但是这种传统Z源逆变器也有它固有的缺点：(1)启动冲击电流大；(2)Z源电容电压应力高；(3)轻载或Z源电感较小时，出现非正常工作状态；(4)无法实现能量双向流动。
发明内容
本发明的目的是针对传统Z源逆变器启动冲击电流大、电容电压应力高、存在非正常工作状态和无法实现能量双向流动的问题，提供一种基于Z源网络的双向变流器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种新型Z源并网变流器，包括电池储能单元、Z源网络、全控型功率器件、三相逆变桥和LC滤波电路；所述电池储能单元、Z源网络、三相逆变桥、LC滤波电路依次连接；具体连接关系如下：
电池储能单元正极连接Z源网络的输入端，Z源网络输出端连接三相逆变桥的正端，三相逆变桥负端连接电池储能单元负极，Z源网络串联在电池储能单元和三相逆变桥之间，其另外两个端口连接一个全控型功率器件，三相逆变桥输出通过LC滤波电路接入电网。
作为优选，所述电池储能单元由可充放电的蓄电池组成，可以是铅酸电池、锂离子电池等。
作为优选，所述Z源网络由两个等值电感L1、L2和两个等值电容C1、C2组成；两个等值电容呈X形放置，两个等值电容之间不连接；所述等值电容C1正端连接等值电感L2下端，C1负端连接L1上端；所述等值电容C2正端连接L2上端，C2负端连接L1下端。
作为优选，所述全控型功率器件为带有反并联二极管的IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块S7，其发射极连接等值电容C2负端，集电极连接等值电容C1正端。
作为优选，所述三相逆变桥由三个桥臂组成；每个桥臂由两个全控型功率器件串联组成；所述全控型功率器件为带有反并联二极管的IGBT模块。
作为优选，所述三相逆变桥同一个桥臂上下两个IGBT模块可以同时导通。
作为优选，所述LC滤波电路由三个等值电感和三个等值电容组成；所述三个等值电感分别连接在三相逆变桥输出和电网之间；所述三个等值电容中，每个等值电容的一端并联在一个等值电感和电网之间；每个等值电容另一端连接在一起组成公共端。
有益效果
与现有技术相比，本发明主要特点体现在：相较于传统单级结构的电压源型逆变器，本Z源变流器可以实现升降压变换；允许逆变桥同一桥臂上下两个开关管直通，工作可靠性更高；不需加入死区，输出波形畸变小。与传统Z源逆变器相比，本Z源变流器启动冲击电流小；电容电压应力低；允许能量双向流动，电路结构简洁。
附图说明
图1为本发明所提出的新型Z源变流器拓扑结构图；
图2为传统Z源逆变器启动电流通路示意图；
图3为本变流器工作于PWM整流状态的直通模态图；
图4为本变流器工作于PWM整流状态的非直通模态图；
图5为本变流器工作于逆变状态的直通模态图；
图6为本变流器工作于逆变状态的非直通模态图。
具体实施技术
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例
图1是本发明一种新型Z源并网变流器的拓扑结构示意图，该变流器主要包括电池储能单元、Z源网络、全控型功率器件、三相逆变桥和LC滤波电路。电池储能单元、Z源网络、三相逆变桥、LC滤波电路依次连接，Z源网络串联在电池储能单元和三相逆变桥之间，全控型功率器件连接于Z源网络另两个端口之间。
具体的，电池储能单元由可充放电的蓄电池组成，可以是铅酸电池、锂离子电池等。
具体的，Z源网络由两个等值电感L1、L2和两个等值电容C1、C2组成，两个等值电容呈X形放置，两个等值电容之间不连接。
具体的，C1的负端连接电池储能单元正极和电感L1的上端，C1的正端连接电感L2的下端。C2的正端连接电感L2的上端和三相逆变桥的正端，C2的负端连接电感L1的下端。
具体的，全控型功率器件为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块，IGBT模块带有反并联二极管，该IGBT模块用S7表示。S7的发射极连接等值电容C2的负端，S7的集电极连接等值电容C1的正端。
具体的，三相逆变桥由三个桥臂组成，每个桥臂由两个全控型功率器件串联组成，所述全控型功率器件为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块，所述IGBT模块带有反并联二极管，三个桥臂的全控型功率器件依次用S1-S6表示。
其中，三相逆变桥同一个桥臂上下两个IGBT模块可以同时导通。
具体的，LC滤波电路由三个等值电感和三个等值电容组成。三相逆变桥每个桥臂输出和电网之间连接一个等值电感。三个等值电容中，每个等值电容的一端并联在一个等值电感和电网之间，三个等值电容另一端连接在一起组成公共端。
本发明提出的一种新型Z源并网变流器和传统Z源逆变器升压方式相同，通过在传统零状态中加入直通零状态来实现升降压功能，Z源输入侧电压与Z源输出侧电压和直通零状态在一个周期中所占比例有关，通过控制直通占空比即可控制升降压倍数。由于直通零状态处于传统零状态中，所以加入的直通零状态并不影响变流器输出结果。
相比于传统Z源逆变器，本发明提出的Z源变流器具有启动冲击电流小，电容电压应力低和允许能量双向流动的优点。传统Z源逆变器启动时存在如图2所示启动电流通路，直流侧电源和Z源网络内两个等值电容直接串联，由于启动时等值电容电压为0，相当于直流侧电源发生短路，电路中将流过很大的冲击电流。本发明提出的Z源变流器启动时不存在上述串联通路，因此不存在过大的启动冲击电流。
传统Z源逆变器和本发明提出的新型Z源并网变流器升压比都为：其中D0为直通零状态占空比，其值小于0.5，通过控制D0，实现升压功能，将直流侧电压通过Z源网络升高后接入三相逆变桥。传统Z源逆变器稳定工作时，Z源网络内等值电容上电压VC与Z源网络输入侧电池电压Vdc的关系如下：此时Z源电容上电压VC将大于直流侧电池电压Vdc，电容电压应力高。本发明提出的Z源变流器稳定工作时，Z源网络内等值电容上电压VC与Z源网络输入侧电池电压Vdc的关系为：在同样的D0下，等值电容电压VC小于输入侧电池电压Vdc，电容电压应力较低。
本发明提出的新型Z源并网变流器具备能量双向流动功能。其中，三相逆变桥侧采用传统三相并网逆变器使用的有功无功解耦控制方法，有功功率和无功功率指令由外部给定。当有功指令为正值时，变流器工作于逆变状态；当有功功率指令为负值时，变流器工作于PWM整流状态，两种工作状态的切换通过外部指令的切换完成，有功、无功指令信号通过相应算法产生调制信号，通过SVPWM(空间矢量脉宽调制)调制算法，产生相应全控器件驱动信号，驱动S1-S7的导通与关断，实现升降压变换和有功、无功功率输出。由于调制信号的产生算法不在本发明内容范围，此处不再赘述下面结合图例，对本变流器不同工作状态内的工作模态做一介绍。
本变流器运行于PWM整流状态时，能量由电网流向电池储能单元，根据各部分电压关系，存在两种工作模态：直通模态和非直通模态。图3为本变流器工作于PWM整流状态的直通模态图，此时功率器件S7关断，三相逆变桥上下两个开关管同时导通，能量由电感转移至电池和电容中。图4为本变流器工作于PWM整流状态的非直通模态图，此时功率器件S7导通，三相逆变桥和电网可等效成一个电流源，能量由电容转移至电感和电池中。
本变流器运行于逆变状态时，能量由电池储能单元流向电网，根据各部分电压关系，存在两种工作模态：直通模态和非直通模态。图5为本变流器工作于逆变状态的直通模态图，此时功率器件S7关断，三相逆变桥上下两个开关管同时导通，能量由电容和电池转移至电感中。图6为本变流器工作于逆变状态的非直通模态图，此时功率器件S7导通，三相逆变桥和电网可等效成一个电流源，能量由电感和电池转移至电容和电网中。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型Z源并网变流器，其特征在于，包括电池储能单元、Z源网络、全控型功率器件、三相逆变桥和LC滤波电路；电池储能单元、Z源网络、三相逆变桥、LC滤波电路依次连接；具体连接关系如下：
电池储能单元正极连接Z源网络的输入端，Z源网络输出端连接三相逆变桥的正端，三相逆变桥负端连接电池储能单元负极，Z源网络串联在电池储能单元和三相逆变桥之间，其另外两个端口连接一个全控型功率器件，三相逆变桥输出通过LC滤波电路接入电网。
2.根据权利要求1所述的一种新型Z源并网变流器，其特征在于：所述电池储能单元由可充放电的蓄电池组成，可以是铅酸电池或锂离子电池。
3.根据权利要求1所述的一种新型Z源并网变流器，其特征在于：所述Z源网络由两个等值电感L1、L2和两个等值电容C1、C2组成；两个等值电容呈X形放置，两个等值电容之间不连接；C1正端连接L2下端，C1负端连接L1上端，C2正端连接L2上端，C2负端连接L1下端。
4.根据权利要求3所述的一种新型Z源并网变流器，其特征在于：所述全控型功率器件为带有反并联二极管的IGBT模块S7，其发射极连接所述等值电容C2负端，集电极连接所述等值电容C1正端。
5.根据权利要求1所述的一种新型Z源并网变流器，其特征在于：所述三相逆变桥由三个桥臂组成；每个桥臂由两个全控型功率器件串联组成；所述全控型功率器件为带有反并联二极管的IGBT模块。
6.根据权利要求5所述的一种新型Z源并网变流器，其特征在于：所述三相逆变桥同一个桥臂上下两个IGBT模块可以同时导通。
7.根据权利要求1所述的一种新型Z源并网变流器，其特征在于：所述LC滤波电路由三个等值电感和三个等值电容组成；所述三个等值电感分别连接在三相逆变桥输出和电网之间；所述三个等值电容中，每个等值电容一端并联在一个等值电感和电网之间；每个等值电容另一端连接在一起组成公共端。
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