CN106452144A - 一种基于Zeta的升降压型三电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Zeta的升降压型三电平逆变器，采用可实现升降压输出的两个改进型Zeta电路通过输出串联组成，能够实现DC/AC单相逆变。该逆变器的基本功能是：可以实现升降压逆变，在输入直流电压较低或变化范围较大时，双Zeta升降压多电平逆变器仍能正常完成逆变功能，并有稳点的交流输出。本发明具有可靠性高、电路结构简单、控制容易、效率高、降低输出电压的过零畸变、工作寿命长、谐波频谱好、开关管承受电压应力较小、开关损耗小等优点。

Description

一种基于Zeta的升降压型三电平逆变器

技术领域

本发明涉及电能变换领域，尤其是一种可扩展为更多电平数输出的既可实现升压又可实现降压的多电平逆变器。

背景技术

多电平逆变器通过改变自身的结构来获得更多的电平数输出，同时其开关管所承受的电压和电流应力也有所改善。在开关管承受同样的电压电流等级以及工作在同样的开关频率的情况下，与两电平逆变器相比，多电平逆变器的输出电压更接近于正弦波，谐波特性更好。因此，在大功率应用场合，多电平逆变器受到人们越来越多的关注。主要应用范围包括高压大功率的变频调速、电力系统的无功补偿以及有源滤波器装置等。随着新能源发电的不断发展，电力生产不只集中在发电厂或发电站，还包括一些可再生能源的发电场合，如：风力发电、太阳能发电、小型水电站以及地热发电。将多电平逆变器应用于这些新能源发电的大中功率场合可以进一步减小谐波畸变率、提高波形质量，有着很好的应用前景。

传统型多电平逆变装置主要包括二极管钳位型、级联型和飞跨电容型多电平逆变器及其衍生拓扑，相关研究已经非常成熟，其应用也很广泛。但传统电压型多电平逆变器拓扑逆变侧输出交流电压低于直流侧输入电压，即呈降压输出状态；在新能源发电领域，如风力发电、太阳能发电等，其输入侧受外界环境如风力强度、光照强度以及电池表面温度等因素影响，输入电压变化比较大，而输出侧无论是并网还是接负载均需要比较稳定的交流输出。这一特性使得多电平逆变器在新能源场合的应用受到了限制。使用传统型多电平逆变器便不再满足可升降压从而产生比较稳定的交流输出这一要求。显然，能够直接实现可升降压有较强抗输入扰动能力的多电平方案更加符合大功率新能源和可再生能源发电技术的需要。本专利所提出的一种基于Zeta的升降压型多电平逆变器正是满足上述需求的一种新型逆变方案。

发明内容

本发明目的在于提供一种可扩展为更多电平数输出、适用不同功率等级、提高系统转换效率、电路结构简单、无需电解电容的基于Zeta的升降压型三电平逆变器。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括直流电源U_in、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L_f、第一电容C₁、第二电容C_f、负载R；第一电感L₁上端分别与第二电感L₂下端、第一电容C₁左端、直流电源U_in“+”端连接；第一电感L₁下端与第一二极管D₁阳极连接，第一二极管D₁阴极与第一功率开关管S₁的集电极连接，第一功率开关管S₁发射极与直流电源U_in“-”端连接；第二电感L₂上端与第二二极管D₂阳极连接，第二二极管D₂阴极与第二功率开关管S₂的集电极连接，第二功率开关管S₂发射极与直流电源U_in“-”端连接；第一电容C₁右端与第三功率开关管S₃集电极、第四功率开关管S₄集电极分别连接；第三功率开关管S₃发射极与第一二极管D₁阴极、第二电容C_f下端、负载R下端分别连接；第四功率开关管S₄发射极与第二二极管D₂阴极和第三电感L_f左端连接；第三电感L_f右端与第二电容C_f上端、负载R上端分别连接。

进一步的，所属逆变器电路可扩展为5电平以上的任意奇数倍电平的多电平逆变器。

进一步的，所述三电平逆变器及其扩展的多电平逆变器，直流电源U_in是可波动的电源，可低于也可高于输出交流电压峰值。

拓扑中电容只需容值较小的非电解电容，无需外加电路给电容提前充电，体积小，可靠性高，使用寿命长。

该逆变器为单级结构，电路结构简单，开关管S3和开关管S4的反并联二极管自动实现零电流关断，逆变效率高，且由于两个二极管的加入储能电感只能向输出侧单向提供能量，符合光伏电池，风力发电等新型直流电源场合。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、兼具Zeta电路的特性，可实现升降压逆变功能，Zeta电路中的电路参数选取原则可以移植到本逆变器中，电路参数选取较为简单，便于设计；

2、只采用了四个功率开关器件，在高频工作的功率开关管无桥臂直通问题，因此不需要设置死区时间，易于实现电路的高频化；

3、电感电流通过功率开关管的体二极管续流，减少了电路元件数量，使得电路结构简单；

4、电感、电容参数小，三电平逆变电路中无电解电容，使得电路工作可靠，增加了电路的工作寿命；

5、可继续扩展为更多电平数输出的电路，这种逆变器的输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关管所承受的电压应力较小，开关损耗小，使其可以应用在高压大功率场合；

6、可扩展为三相分相式电压型多电平逆变器，使其可以应用在大功率场合；

7、采用单闭环输出电压控制的方法，结构简单，动态响应快，跟踪性能好，对电源及负载的波动具有较强的抑制能力。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图。

图2是本发明工作模态I的示意图。

图3是本发明工作模态II的示意图。

图4是本发明工作模态III的示意图。

图5是本发明工作模态IV的示意图。

图6是本发明中各个功率开关管的驱动波形示意图。

图7是本发明各电感电流、电容电压、输出三电平和输出电压波形图。

图8是本发明的控制电路原理图。

图9是本发明扩展到五电平输出电路再扩展到多电平结构示意图。

图10是本发明输出五电平波形和输出电压波形图。

图11是本发明扩展到三相多电平逆变器的主电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明主要包括直流电源U_in、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L_f、第一电容C₁、第二电容C_f、负载R；第一电感L₁上端分别与第二电感L₂下端、第一电容C₁左端、直流电源U_in“+”端连接；第一电感L₁下端与第一二极管D₁阳极连接，第一二极管D₁阴极与第一功率开关管S₁的集电极连接，第一功率开关管S₁发射极与直流电源U_in“-”端连接；第二电感L₂上端与第二二极管D₂阳极连接，第二二极管D₂阴极与第二功率开关管S₂的集电极连接，第二功率开关管S₂发射极与直流电源U_in“-”端连接；第一电容C₁右端与第三功率开关管S₃集电极、第四功率开关管S₄集电极分别连接；第三功率开关管S₃发射极与第一二极管D₁阴极、第二电容C_f下端、负载R下端分别连接；第四功率开关管S₄发射极与第二二极管D₂阴极和第三电感L_f左端连接；第三电感L_f右端与第二电容C_f上端、负载R上端分别连接。

本发明采用输入并联输出串联的组合方式，该逆变器包含两个改进型Zeta电路单元，两个Zeta电路共用中间储能电容，输出滤波电感和滤波电容。工作时该电路的第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂分别工作于正弦波的正半周期和负半周期。第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄采用半周期常关(开)的工作方式，减小了开关损耗。第一电感L₁、第二电感L₂续流时分别通过第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄的体二极管，减少了器件数量，使得电路结构简单，控制方便。

电路工作时，任意时刻只有一个Zeta电路工作，所以对逆变器的分析可简化为对单个Zeta电路的分析。为简化分析做如下假设：(1)电路中所有元件都为理想器件；(2)变换器工作于稳定状态。令第一功率开关管S₁开通时间与开关周期的比为占空比d，则该逆变器存在如下关系：

在0～dT时，第一功率开关管S₁开通：

在dT～T时，第一功率开关管S₁关断：

其中i_L1为流过储能电感L₁电流，i_Lf为流过滤波电感L_f电流，U_in为直流输入电压，U_C1为储能电容C₁两端电压，U_Cf为滤波电容C_f两端电压，所以U_Cf等于输出电压U_o；

由式(1)和式(2)可得在0～dT时间段内流过储能电感L₁的电流变化量为：

流过滤波电感L_f的电流变换量为：

由式(3)和式(4)可得在dT～T时间段内流过储能电感L₁的电流变化量为：

流过滤波电感L_f的电流变换量为：

由于电感电流在一个开关周期的变化量为零，所以有：

Δ₁I_L1+Δ₂I_L1＝0 (9)

Δ₁I_Lf+Δ₂I_Lf＝0 (10)

因为逆变器由两个改进型Zeta组合而成，每个Zeta输出正弦半波，其输出电压瞬时值变化范围特别大(最小为零，最大为峰值)这使得Zeta变换器半个调制波周期必然经历电感电流断续状态，因此本拓扑加入两个二极管实现输入侧电感与输出侧电感的解耦，使即使输入侧电感电流断续但输出侧电感电流仍可以连续，从而减小输出电压的过零畸变，提高输出波形的THD，现在假设在占空比最大时电感电流处于临界连续状态，此时的调制比为m，把式(5)和式(7)代入式(9)，把式(6)和式(8)代入式(10)得：

V_c1＝V_om (11)

V_in*m＝V_c1(1-m) (12)

由式(11)和式(12)可得：

在0～dT时，第一功率开关管S₁开通，第一电容C₁变化量为：

令第一电容C₁电压纹波为：

则由式(14)，(15)得：

输入电压200V，由式(11)可看出，中间储能电容电压等于输出电压幅值，即储能电容C₁的电压为恒定值，由式(16)可以算出取纹波系数为0.04电容值为15uF，功率1000W，调制比0.61，输出电压幅值为311V，负载48.4欧姆。由表1可以算出不同额定功率下的电容C₁值均比较小，可以用无极性的CBB电容代替电解电容，减小了电路的体积，提高了电路的功率密度。由式(13)可以看出通过改变调制比，输出电压既可以高于输入电压又可以低于输入电压，实现了升降压逆变。

表1几组不同额定功率下的电容值

由于功率开关管S₁、S₂为SPWM调制，所以储能电感L₁、L₂的电流波形包络线也为正弦半波；储能电容电压与储能电感电流波形如图7所示。该逆变器输出为正弦交流电压，输出滤波器只需滤除开关频率处的高次谐波既可得到高质量的正弦波输出电压，即输出LC滤波器只需很小的参数既可达到滤波目的。所以该逆变器电路中无电解电容，提高了逆变器工作可靠性，曾加了逆变器工作寿命。

该电路的控制方案也比较简单，采用传统的单闭环输出电压控制方案，使逆变器在输入电源电压波动较大时由于中间电容电压不能突变，使电路仍能得到质量较好的输出电压。

双Zeta升降压逆变器在输出电压U_o大于零的正半周，第一Zeta电路(1)工作，第二Zeta电路(2)不工作，第二功率开关管S₂关断，第四功率开关管S₄闭合。此时电路包括两个工作模态：

工作模态I

如图2所示，功率开关管S₁和S₄闭合，S₂和S₃关断，电源给L₁充电，L₁的电流i_L1线性上升，电源U_in和电容C₁通过负载、C_f、L_f和开关S₄组成闭合回路，给负载放电，L_f的电流i_Lf上升。

工作模态II

如图3所示，功率开关管S₁、S₂关断，S₃体二极管导通，S₄闭合，i_L1给C₁充电，电流从S₃体二极管续流，i_Lo流过负载并通过S₄和S₃体二极管续流。

在输出电压U_o小于零的负半周，第二Zeta电路(2)工作，第一Zeta电路(1)不工作，功率开关管S₁保持关断，S₃开通。此时电路也包括两个工作模态：

工作模态III

如图4所示，功率开关管S₂和S₃开通，S₁和S₄关断，电源给L₂充电，L₂电流i_L2线性上升，电源U_in和电容C₁通过负载、C_f、L_f和开关S₄组成闭合回路，给负载放电，L_f的电流i_Lf上升。

工作模态IV

如图5所示，功率开关管S₁、S₂关断，S₄体二极管导通，S₃闭合，i_L2给C₁充电，电流从S₄体二极管续流，i_Lf流过负载并通过S₃和S₄体二极管续流。

以上四个工作模态可用表2来表示，功率开关管的驱动波形如附图6所示，电路关键波形如附图7所示。

表2双Zeta升降压逆变器的功率管开关组合状态

Uo	S1	S2	S3	S4	对应附图
						>0	1	0	0	1	图2
>0	0	0	0	1	图3
						<0	0	1	1	0	图4
<0	0	0	1	0	图5

为实现以上工作原理，采用控制方案如图8所示：本发明为实现逆变功能采用的是电压单闭环控制，选取输出电压作为反馈电压，乘以一定系数后与给定电压Uref相比较，误差值经调节器调节后与三角波比较产生脉冲信号决定S1和S2的开通与关断，另外，S3和S4的开通关断时刻由脉冲直接给出，控制其分别半周期导通，保持半个正弦波周期的常开常关，相互互补，控制的效果使得输出电压大于零时，开关管S4常开，S2、S3关断，S1调制工作；在电压小于零的负半周，开关管S3常开，S1、S4关断，S2调制工作。

本发明电路可继续扩展为更多电平数输出的电路如图9所示，这种逆变器具有动态响应快、传输频带宽、电磁兼容性好等一系列优点。其输出波形如图10所示具有更好的谐波频谱，每个开关管所承受的电压应力较小，开关损耗小，可以适用在高压，大功率场合。

另外，本发明电路也可以扩展得到三相多电平逆变器，由此方法扩展得到的三相拓扑被称为三相分相式电压型多电平逆变器。如图11所示，该拓扑由3个独立的基于Zeta的升降压型多电平逆变器单元构成，负载端采用带有中性线的星型连接，由于中性线的存在，各个单元的控制相对独立。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于Zeta的升降压型三电平逆变器，主要包括直流电源U_in、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L_f、第一电容C₁、第二电容C_f、负载R；其特征在于：第一电感L₁上端分别与第二电感L₂下端、第一电容C₁左端、直流电源U_in“+”端连接；第一电感L₁下端与第一二极管D₁阳极连接，第一二极管D₁阴极与第一功率开关管S₁的集电极连接，第一功率开关管S₁发射极与直流电源U_in“-”端连接；第二电感L₂上端与第二二极管D₂阳极连接，第二二极管D₂阴极与第二功率开关管S₂的集电极连接，第二功率开关管S₂发射极与直流电源U_in“-”端连接；第一电容C₁右端与第三功率开关管S₃集电极、第四功率开关管S₄集电极分别连接；第三功率开关管S₃发射极与第一二极管D₁阴极、第二电容C_f下端、负载R下端分别连接；第四功率开关管S₄发射极与第二二极管D₂阴极和第三电感L_f左端连接；第三电感L_f右端与第二电容C_f上端、负载R上端分别连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于Zeta的升降压型三电平逆变器，其特征在于：所属逆变器电路可扩展为5电平以上的任意奇数倍电平的多电平逆变器。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于Zeta的升降压型三电平逆变器，其特征在于：所述三电平逆变器及其扩展的多电平逆变器，直流电源U_in是可波动的电源，可低于也可高于输出交流电压峰值。