CN106849727B - 一种交错并联逆变器 - Google Patents

一种交错并联逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交错并联逆变器，包括：A相桥逆变电路、B相桥逆变电路、C相桥逆变电路、A相耦合电感、B相耦合电感、C相耦合电感；输入端均并联在直流母线两端；A相桥逆变电路的输出端与A相耦合电感的输入端连接，B相桥逆变电路的输出端与B相耦合电感的输入端连接，C相桥逆变电路的输出端与C相耦合电感的输入端连接；A相耦合电感的输出端、B相耦合电感的输出端和C相耦合电感的输出端均与电网连接；A相桥逆变电路、B相桥逆变电路和C相桥逆变电路包括M个桥臂，且各自的桥臂驱动信号的载波相差360°/M。本发明采用多相桥逆变电路交错并联，能够使输出电流的纹波频率增大为至少3倍的开关频率，可减小输出滤波电感的设计感值。

Description

一种交错并联逆变器
技术领域
本发明属于并网逆变器技术领域，更具体地，涉及一种交错并联逆变器。
背景技术
并网逆变器是实现新能源接入电网的重要接口，能够实现直流逆变到交流，将能量从直流侧传输到电网。现有的并网逆变器通常采用一个全桥结构，这种结构拓扑简单，控制方案成熟，但是受器件的限制，功率往往不大。为了获得更大的功率，采用多个桥逆变电路的输出并联的方式，不但可以提高功率，还可以提高设备的可靠性。
常规的并联方式中，每个桥逆变电路相同相的开关管具有相同的驱动信号，输出相同的波形，通过输出电感并联到一起。这种控制方法下，设备的开关频率不高，为了满足谐波要求，需要连接感值比较大的滤波电感。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种多相桥逆变电路交错并联的并网逆变器，旨在提高输出电流纹波的频率以减小输出滤波电感的感值，并且使滤波电感的设计更灵活自由。
为实现上述目的，本发明提供了一种交错并联逆变器，包括：A相桥逆变电路、B相桥逆变电路、C相桥逆变电路、A相耦合电感、B相耦合电感、C相耦合电感；A相桥逆变电路的输入端、B相桥逆变电路的输入端、C相桥逆变电路的输入端均并联在直流母线两端；A相桥逆变电路的输出端与A相耦合电感的输入端连接，B相桥逆变电路的输出端与B相耦合电感的输入端连接，C相桥逆变电路的输出端与C相耦合电感的输入端连接；A相耦合电感的输出端、B相耦合电感的输出端和C相耦合电感的输出端均与电网连接；A相桥逆变电路、B相桥逆变电路和C相桥逆变电路的结构相同，均包括M个桥臂，且A相桥逆变电路、B相桥逆变电路和C相桥逆变电路各自的桥臂驱动信号的载波相差360°/M；M为大于等于3的整数。
更进一步地，A相耦合电感、B相耦合电感和C相耦合电感的结构相同。这种相同的结构方便耦合电感的设计与制作，也能使得逆变器的电感参数和特性保持对称相同，能在三相电网下获得对称的A、B、C三相输出特性。
更进一步地，A相耦合电感包括：(M+2)柱的磁芯，其中M柱设置在中间，2柱分别设置在两侧。这种结构设计首先能满足耦合电感的功能实现。位于中部的M柱上的绕组用于获得耦合电感，这个耦合电感与对应的M个桥臂中点相连接，解决交错并联所附带的环流问题。因为交错并联与常规并联不同，M个桥臂的输出并不是完全相同的波形，存在电压差。因此需要比较大的耦合电感来阻止电压差导致的桥臂间的环流。将M柱集中在中部，具有对称性，可以使每柱的耦合电感一致。而外侧的2柱是用于集成输出电感。输出电感是用于滤除M个桥臂总和的输出电流的纹波。只需要比较小的值即可，因此需要在两侧柱上开气隙。将这2柱放在两侧，即考虑了功能上实现的需求，也顾及了工艺上的方便实现。
更进一步地，中间M柱的宽度相等，两侧两柱宽度相等，且中间M柱中任意一柱的宽度是两侧任意一柱宽度的两倍。这种宽度上的设计使得耦合电感能够方便的利用现有的磁芯拼接而成。比如E型磁芯的中柱宽度是边柱的两倍，将E性磁芯边柱挨着边柱并成一排，可以满足耦合电感所需的宽度要求。
更进一步地，中间M柱具有相同的匝数，两侧两柱具有相同的匝数。中间M柱采用相同的匝数，可以使得每柱的耦合电感一致，保证电路的对称性。两侧两柱用于集成输出电感，采用相同的匝数，可以使得整个耦合电感的磁特性对称。此外，需要集成的输出电感也会平均分配到两柱。这样的结构设计使得耦合电感的发热更均匀，M柱的耦合电感感值偏差更小。
更进一步地，在外侧两柱上均设置有气隙，且在中间M柱上不开气隙。中间M柱用于获得耦合电感，耦合电感的感值比较大，因此不开气隙而保持比较低的磁阻。外侧两柱用于集成输出滤波电感，感值小，因此需要开气隙，获得比较大的磁阻。
更进一步地，磁芯为标准E型或U型磁芯组合拼接而成。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用的是交错并联结构，每相的三个并联桥臂的驱动信号的载波互差360°/M，输出纹波频率是开关频率的M倍，所需的输出滤波电感的设计感值可减小到原先的1/M。设计的耦合电感集成了输出滤波电感，输出滤波电感的感值可以通过两个边柱的气隙大小和绕线匝数同时调节，感值设计更灵活自由。
附图说明
图1是本发明的电路原理图。
图2是本发明实施例的电路原理图。
图3是本发明的载波移相的PWM波调制过程图。
图4是本发明实施例的载波移相的PWM波调制过程图。
图5是本发明的耦合电感结构图。
图6是本发明实施例的耦合电感结构图。
图7是本发明M＝4时的耦合电感结构图。
图8是本发明M＝5时的耦合电感结构图。
图9是本发明实施例的输出电流纹波图。
图10(a)是本发明实施例的输出电压波形图。图10(b)是本发明实施例的输出电流波形图。
图中11为A相桥逆变电路，12为B相桥逆变电路，13为C相桥逆变电路，21为A相耦合电感，22为B相耦合电感，23为C相耦合电感。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的三相桥逆变电路交错并联的并网逆变器，包括A相桥逆变电路11、B相桥逆变电路12、C相桥逆变电路13、A相耦合电感21、B相耦合电感22、C相耦合电感23。
其中：A相桥逆变电路、B相桥逆变电路、C相桥逆变电路的输入端并联在直流母线两端，输出端分别与A相耦合电感的输入端、B相耦合电感的输入端、C相耦合电感的输入端连接。A相耦合电感的输出端、B相耦合电感的输出端、C相耦合电感的输出端与电网连接。
A相桥逆变电路、B相桥逆变电路、C相桥逆变电路有M个桥臂，M不少于3。A相桥逆变电路、B相桥逆变电路、C相桥逆变电路各自的桥臂驱动信号的载波差360°/M。
本发明采用多相桥逆变电路交错并联，对于M相交错并联，也即有M个桥臂的桥逆变电路，可以使输出电流的纹波频率增大为M倍的开关频率。在常规的并联结构中，M个桥臂的输出电流波形均为正弦电流带着开关频率的三角波，三角波的位置与大小均一致，并联后只是简单的叠加。而在交错并联电路中，M个桥臂的驱动波形的载波差360°/M。每个桥臂的输出电流仍然是正弦电流带着开关频率的三角波，但是与并联不同，每个桥臂的三角波大小相同，位置上却互差360°/M。这样的M个输出电流波形叠加后，正弦波形仍然叠加成正弦波形，而三角波叠加后就会形成M倍频率的三角波。也就是说开关频率的电流纹波变成了M倍开关频率的纹波了。而输出电感的感值大小直接受开关频率大小的影响。开关频率增大M被，所需的输出滤波电感感值就可以减小到原先的1/M。而电感感值变小，电感的体积重量都会大大减小。
在本发明实施例中，A相耦合电感，B相耦合电感、C相耦合电感具有相同的结构。该结构为M+2柱的磁芯。其中中间M柱的宽度是外侧两个柱的两倍。中间M柱具有相同的匝数，外侧两柱具有相同的匝数。外侧两柱开气隙，中间M柱不开气隙。磁芯可以由现有的标准E、U型磁芯组合拼接而成。
在本发明实施例中，耦合电感集成了输出滤波电感，可以通过调节气隙大小和独立的绕线匝数调节输出滤波电感感值，感值的设计更灵活。增加绕线匝数和减小气隙都能够使得输出滤波电感感值增大。理论上通过任意一种方式都可以增大输出滤波电感。但是需要注意这两种行为都会使得磁密发生变化，需要合理的平衡气隙大小与绕线匝数。这个中间的平衡过程参照常规的电感设计方法。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用的是交错并联结构，每相的三个并联桥臂的驱动信号的载波互差360°/M，输出纹波频率是开关频率的M倍，所需的输出滤波电感的设计感值可减小到原先的1/M。设计的耦合电感集成了输出滤波电感，输出滤波电感的感值可以通过两个边柱的气隙大小和绕线匝数同时调节，感值设计更灵活自由。
下面结合图1-10详细描述本发明的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明以三相交错并联的并网逆变器为例，对本发明加以解释。图2是本发明实施例的电路原理图。本发明所述一种三相桥逆变电路交错并联的并网逆变器包括A相桥逆变电路11、B相桥逆变电路12、C相桥逆变电路13、A相耦合电感21、B相耦合电感22、C相耦合电感23。
其中：A相桥逆变电路、B相桥逆变电路、C相桥逆变电路的输入端并联在直流母线两端，输出端分别与A相耦合电感的输入端、B相耦合电感的输入端、C相耦合电感的输入端连接。A相耦合电感的输出端、B相耦合电感的输出端、C相耦合电感的输出端与电网连接。
A相桥逆变电路、B相桥逆变电路、C相桥逆变电路各自的桥臂驱动信号的载波差120°。三相的桥逆变电路用于将直流电压转换成为高频的交流电压。
A相耦合电感、B相耦合电感和C相耦合电感用于解决交错并联过程的环流问题。它们的特点是对环流能够表现出很大的感抗，对输出电流只表现出输出滤波电感的感抗，滤除输出电流中的高频谐波。
在图4所示实施例中展示了三相全桥交错并联的并网变流器的驱动PWM波生成原理。A相调制波、B相调制波、C相调制波是控制算法的输出结果，最终A相桥逆变电路11、B相桥逆变电路12、C相桥逆变电路13会根据调制波分别产生对应的A相电压、B相电压、C相电压。载波用于对调制波进行调制，产生能用于驱动电力开关器件的PWM波。在普通的逆变器中，只有一种载波，一般是一个三角波，三角波的频率与开关频率一致。在所提的实施例中，有三个载波，分别是载波1、载波2、载波3。以A相为例，说明PWM波的产生过程。载波1、载波2和载波3分别与A相调制波做运算。当调制波大于载波时，输出为高电平，反之为低电平。载波1与A相调制波的运算结果，用于驱动A相桥逆变电路11的第一桥臂，即第一与第二电力开关器件；载波2与A相调制波的运算结果，用于驱动A相桥逆变电路11的第二桥臂，即第三与第四电力开关器件；载波3与A相调制波的运算结果，用于驱动A相桥逆变电路11的第三桥臂，即第五与第六电力开关器件。同理，载波1与B相调制波的运算结果，用于驱动B相桥逆变电路12的第一桥臂，即第七与第八电力开关器件；载波2与B相调制波的运算结果，用于驱动B相桥逆变电路12的第二桥臂，即第九与第十电力开关器件；载波3与B相调制波的运算结果，用于驱动B相桥逆变电路12的第三桥臂，即第十一与第十二电力开关器件。载波1与C相调制波的运算结果，用于驱动C相桥逆变电路13的第一桥臂，即第十三与第十四电力开关器件；载波2与C相调制波的运算结果，用于驱动C相桥逆变电路13的第二桥臂，即第十五与第十六电力开关器件；载波3与C相调制波的运算结果，用于驱动C相桥逆变电路13的第三桥臂，即第十七与第十八电力开关器件。若为M相交错并联的逆变器，那么有M个载波，每个载波互差360°/M。多相交错并联逆变器的PWM波调制过程如图3所示。
如图5所示，为设计的耦合电感，这个电感对于环流能表现出很大的感抗，但是对于输出电流则只有输出滤波电感的感抗，在抑制环流的同时又能不影响输出电流。图5所示的耦合电感，具有M个相同的中柱，两个相同的边柱。其中M个中柱的匝数相同，两个边柱的匝数相同。边柱开气隙。所述的耦合电感可以用标准的E型磁芯或U型磁芯拼接而成。
在本实施例中，M＝3，即3相交错并联，所述耦合电感的结构如图6所示。用四个EE型磁芯组合而成。中部三个柱的出线与A相桥逆变电路11三个桥臂的中点连接，外侧两柱的出线连接在一起后与电网连接。在本实例中，三个中柱的绕组匝数与两个边柱的绕组匝数比例为3:2。三个中柱不开气隙，两个边柱开气隙。图7和图8给出了M＝4和M＝5时磁芯的结构图。M＝4时可以用U型磁芯组合，M＝5时可以用E型磁芯组合。这种结构首先具有高度的对称性，能够使得每个中间M柱的耦合电感参数一致，两侧两柱所集成的输出滤波电感平均分配，有利于电感发热量的均匀分布。而且采用通用的U型和E新磁性来组合成耦合电感，电感制作比较简单，不需要特别地去定制磁芯。同时采用通用的磁芯也会降低磁芯所占电感的成本。
在图9中给出了本发明的输出电流波形。ia1、ia2、ia3分别为A相全桥三个桥臂的输出电流，id为A相总的输出电流。id的纹波频率是桥臂输出电流的3倍。
在图10中给出了本发明的输出电压与输出电流的波形，两者都非常接近正弦。输出电流波形中开关频率的纹波得到抑制，所设计的逆变器有着良好的输出特性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种交错并联逆变器，其特征在于，包括：A相桥逆变电路(11)、B相桥逆变电路(12)、C相桥逆变电路(13)、A相耦合电感(21)、B相耦合电感(22)、C相耦合电感(23)；
所述A相桥逆变电路(11)的输入端、所述B相桥逆变电路(12)的输入端、所述C相桥逆变电路(13)的输入端均并联在直流母线两端；所述A相桥逆变电路(11)的输出端与所述A相耦合电感(21)的输入端连接，所述B相桥逆变电路(12)的输出端与所述B相耦合电感(22)的输入端连接，所述C相桥逆变电路(13)的输出端与所述C相耦合电感(23)的输入端连接；所述A相耦合电感的输出端、所述B相耦合电感的输出端和所述C相耦合电感的输出端均与电网连接；
所述A相桥逆变电路(11)、所述B相桥逆变电路(12)和所述C相桥逆变电路(13)的结构相同，均包括M个桥臂，且所述A相桥逆变电路(11)、所述B相桥逆变电路(12)和所述C相桥逆变电路(13)各自的桥臂驱动信号的载波相差360°/M；M为大于等于3的整数；所述A相耦合电感(21)、所述B相耦合电感(22)和所述C相耦合电感(23)的结构相同；所述A相耦合电感(21)包括：(M+2)柱的磁芯，其中M柱设置在中间，2柱分别设置在两侧；中间M柱的宽度相等，两侧两柱宽度相等，且中间M柱中任意一柱的宽度是两侧任意一柱宽度的两倍；中间M柱具有相同的匝数，两侧两柱具有相同的匝数。
2.如权利要求1所述的交错并联逆变器，其特征在于，在外侧两柱上均设置有气隙，且在中间M柱上不开气隙。
3.如权利要求1或2所述的交错并联逆变器，其特征在于，所述磁芯为标准E型或U型磁芯组合拼接而成。
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