CN107959435A - 带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器，其电路结构是由一个具有串联同时选择开关的多输入单输出高频逆变电路将多个不共地的输入滤波器和一个共用的输出隔离储能变压周波变换滤波电路联接构成，并且在双向功率流单输入单输出高频逆变电路的功率开关两端和第n路储能设备的输入滤波器输出端之间连接一个具有储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能的电路，n为大于1的自然数，多输入单输出高频逆变电路的每个输入端与每个输入滤波器的输出端一一对应联接，多输入单输出高频逆变电路的输出端与输出隔离储能变压周波变换滤波电路的储能式变压器输入端相联接，为实现带储能设备的小容量分布式供电系统奠定关键技术。

Description

带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器
技术领域
本发明所涉及的带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器，属于电力电子变换技术。
背景技术
逆变器是应用功率半导体器件将一种不稳定、劣质的直流电能变换成稳定、优质的交流电能的静止变流装置，供交流负载使用或实现交流并网。输出交流负载或交流电网与输入直流电源间有低频电气隔离或高频电气隔离的逆变器，分别称为低频环节、高频环节逆变器。电气隔离元件在逆变器中主要起到了如下作用：(1)实现了逆变器输出与输入之间的电气隔离，提高了逆变器运行的安全可靠性和电磁兼容性；(2)实现了逆变器输出电压与输入电压之间的匹配，即实现了逆变器输出电压高于、等于或低于输入电压的技术效果，其应用范围得到了大大拓宽；(3)当变压器或储能式变压器的工作频率在20kHz以上时,其体积、重量大大降低了,音频噪音也消除了。因此，在以直流发电机、蓄电池、光伏电池和燃料电池等为主直流电源的二次电能变换场合，逆变器具有重要的应用价值。
太阳能、风能、潮汐能和地热能等新能源(也称为绿色能源)，具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点,因而具有广泛的应用前景。由于石油、煤和天然气等传统化石能源(不可再生的能源)日益紧张、环境污染严重、导致全球变暖以及核能的生产又会产生核废料和污染环境等原因，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。新能源发电主要有光伏、风力、燃料电池、水力、地热等类型，均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺陷，因此需要采用多种新能源联合供电的分布式供电系统。
传统的新能源分布式供电系统，如图1、2所示。该系统通常是采用多个单输入直流变换器将光伏电池、燃料电池、风力发电机等不需能量存储的新能源发电设备分别通过一个单向直流变换器进行电能变换且在输出端并联或串联后连接到公共的逆变器的直流母线上，旨在确保各种新能源联合供电并且能够协调工作。该分布式发电系统实现了多个输入源同时向负载供电和能源的优先利用，提高了系统的稳定性和灵活性，但存在两级功率变换、功率密度低、变换效率低、成本高等缺陷，其实用性受到了很大程度的限制。
为了简化电路结构和减少功率变换级数，需要用图3所示具有单级电路结构的新型多输入逆变器取代图1、2所示具有直流变换器与逆变器两级级联电路结构的传统多输入逆变器构成新型的单级新能源分布式供电系统。单级多输入逆变器允许多种新能源输入，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以差别很大。新型的单级新能源分布式供电系统具有电路结构简洁、单级功率变换、一个高频开关周期内多个输入源同时或分时向负载供电、成本低等优点。
因此，积极寻求一类允许多种新能源联合供电的单级多输入逆变器及其新能源分布式供电系统已迫在眉睫，对于提高系统的稳定性和灵活性，实现新能源的优先利用或充分利用将具有十分重要的意义。
发明内容
本发明目的是要提供一种具有多种新能源联合供电、输入直流电源不共地、多输入单输出高频逆变电路设置串联同时选择开关、输出与输入之间电气隔离、储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能、多个输入电源分时或同时向负载供电、电路拓扑简洁、共用输出隔离储能变压周波变换滤波电路、单级功率变换、变换效率高、负载短路时可靠性高、输出容量小、应用前景广泛等特点的带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器。
本发明的技术方案在于：一种带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器，是由一个多输入单输出高频逆变电路将多个不共地的输入滤波器和一个共用的输出隔离储能变压周波变换滤波电路联接构成，并且在双向功率流单输入单输出高频逆变电路的功率开关两端和第n路储能设备的输入滤波器输出端之间连接一个具有储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能的电路，n为大于1的自然数，多输入单输出高频逆变电路的每个输入端与每个输入滤波器的输出端一一对应联接，多输入单输出高频逆变电路的输出端与所述输出隔离储能变压周波变换滤波电路的储能式变压器输入端相联接，所述的多输入单输出高频逆变电路由输出端顺向串联的多路串联同时选择功率开关电路、双向功率流单输入单输出高频逆变电路依序级联构成，在任意时刻相当于一个双向功率流单输入单输出高频逆变电路，所述每一路串联同时选择功率开关电路均由一个两象限功率开关和一个功率二极管构成且两象限功率开关的源极与功率二极管的阴极相连接，所述两象限功率开关的漏极和功率二极管的阳极分别为该路串联同时选择功率开关电路的正、负极性输入端，所述两象限功率开关的源极和功率二极管的阳极分别为该路串联同时选择功率开关电路的正、负极性输出端，所述的输出隔离储能变压周波变换滤波电路由储能式变压器、周波变换器、输出滤波器依序级联构成，所述的周波变换器由能承受双向电压应力和双向电流应力的四象限高频功率开关构成，所述的储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制电路由箝位二极管、箝位电容、箝位功率开关、续流二极管、滤波电感依序级联构成。
本发明是将传统多种新能源联合供电系统的直流变换器与逆变器两级级联而成的多输入逆变器电路结构，构建为新型具有储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能的串联同时选择开关单级多输入逆变器电路结构，提出了具有储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器电路结构与拓扑族及其能量管理控制策略，即该电路结构是通过提供一种具有串联同时选择开关的多输入单输出高频逆变电路将多个不共地的输入滤波器和一个共用的输出隔离储能变压周波变换滤波电路联接而成，并且在双向功率流单输入单输出高频逆变电路的功率开关两端和第n路储能设备的输入滤波器输出端之间连接一个具有储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能的电路，n为大于1的自然数。
本发明的带储能设备串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器能够将多个不共地、不稳定的输入直流电压逆变成一个负载所需的稳定优质的输出交流电，具有多输入直流电源不共地、多输入单输出高频逆变电路之间未隔离、输出与输入电气隔离、储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能、多输入电源分时或同时向负载供电、电路拓扑简洁、共用输出隔离储能变压周波变换滤波电路、单级功率变换、变换效率高、输入电压变化范围宽、负载短路时可靠性高、输出容量小、应用前景广泛等特点。带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器的综合性能，将比传统的直流变换器与逆变器两级级联而成的多输入逆变器优越。
附图说明
图1，传统的多个单向直流变换器输出端并联的两级式新能源分布式供电系统。
图2，传统的多个单向直流变换器输出端串联的两级式新能源分布式供电系统。
图3，新型的单级多输入逆变器原理框图。
图4，带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器原理框图。
图5，带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器电路结构图。
图6，具有四种工作模式选择的输出电压瞬时值SPWM控制带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器储能设备充电时稳态原理波形图。
图7，具有四种工作模式选择的输出电压瞬时值SPWM控制带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器储能设备放电时稳态原理波形图。
图8，带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器电路拓扑实例一----单端式电路原理图。
图9，带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器电路拓扑实例二----并联交错单端式电路原理图。
图10，具有四种工作模式选择的输出电压、箝位电容电压独立控制环路的最大功率输出能量管理控制策略。
图11，单端式带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器具有四种工作模式选择的输出电压、箝位电容电压独立控制环路的最大功率输出能量管理控制框图。
图12，单端式带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器在n-1路新能源发电设备向负载和第n路储能设备供电----模式Ⅰ时的最大功率输出能量管理控制原理波形图。
图13，单端式带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器在n-1路新能源发电设备和第n路储能设备同时向负载供电----模式Ⅱ时的最大功率输出能量管理控制原理波形图。
图14，单端式带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器在第n路储能设备单独向负载供电----模式Ⅲ时的最大功率输出能量管理控制原理波形图。
图15，并联交错单端式带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器具有四种工作模式选择的输出电压、箝位电容电压独立控制环路的最大功率输出能量管理控制框图。
图16，并联交错单端式带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器在n-1路新能源发电设备向负载和第n路储能设备供电----模式Ⅰ时的最大功率输出能量管理控制原理波形图。
图17，并联交错单端式带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器在n-1路新能源发电设备和第n路储能设备同时向负载供电----模式Ⅱ时的最大功率输出能量管理控制原理波形图。
图18，并联交错单端式带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器在第n路储能设备单独向负载供电----模式Ⅲ时的最大功率输出能量管理控制原理波形图。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例对本发明的技术方案做进一步描述。
带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器，是由一个多输入单输出高频逆变电路将多个不共地的输入滤波器和一个共用的输出隔离储能变压周波变换滤波电路联接构成，并且在双向功率流单输入单输出高频逆变电路的功率开关两端和第n路储能设备的输入滤波器输出端之间连接一个具有储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能的电路，n为大于1的自然数，多输入单输出高频逆变电路的每个输入端与每个输入滤波器的输出端一一对应联接，多输入单输出高频逆变电路的输出端与所述输出隔离储能变压周波变换滤波电路的储能式变压器输入端相联接，所述的多输入单输出高频逆变电路由输出端顺向串联的多路串联同时选择功率开关电路、双向功率流单输入单输出高频逆变电路依序级联构成，在任意时刻相当于一个双向功率流单输入单输出高频逆变电路，所述每一路串联同时选择功率开关电路均由一个两象限功率开关和一个功率二极管构成且两象限功率开关的源极与功率二极管的阴极相连接，所述两象限功率开关的漏极和功率二极管的阳极分别为该路串联同时选择功率开关电路的正、负极性输入端，所述两象限功率开关的源极和功率二极管的阳极分别为该路串联同时选择功率开关电路的正、负极性输出端，所述的输出隔离储能变压周波变换滤波电路由储能式变压器、周波变换器、输出滤波器依序级联构成，所述的周波变换器由能承受双向电压应力和双向电流应力的四象限高频功率开关构成，所述的储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制电路由箝位二极管、箝位电容、箝位功率开关、续流二极管、滤波电感依序级联构成。
带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器的原理框图、电路结构、具有四种工作模式选择的输出电压瞬时值SPWM控制逆变器储能设备充电和放电时稳态原理波形，分别如图4、5、6、7所示。图4、5、6、7中，Ui1、Ui2、…、Uin-1为n-1路新能源发电设备端电压(n为大于1的自然数)，Uin为第n路储能设备(如蓄电池、超级电容等)端电压，ZL为单相输出交流负载(包括单相交流无源负载和单相交流电网负载)，uo、io分别为单相输出交流电压和交流电流。n输入单输出高频逆变电路是由输出端顺向串联的多路串联同时选择功率开关电路、双向功率流单输入单输出高频逆变电路依序级联构成，其中输出端顺向串联的多路串联同时选择功率开关电路是由n个能承受单向电压应力和双向电流应力的两象限高频功率选择开关Ss1、Ss2、…、Ssn及n个选择二极管Ds1、Ds2、…、Dsn构成(功率选择开关Ss1、Ss2、…、Ssn同时开通或有相位差，开关频率相同或不同，这里仅分析Ss1、Ss2、…、Ssn采用相同开关频率且同时开通的控制方式)，双向功率流单输入单输出高频逆变电路是由一个或多个能承受单向电压应力、双向电流应力的两象限高频功率开关构成，可选用MOSFET、IGBT、GTR等功率器件；输出隔离储能变压周波变换滤波电路由储能式变压器、周波变换器、输出滤波器依序级联构成，其中周波变换器是由两个或四个能承受双向电压应力、双向电流应力的四象限高频功率开关实现；所述的储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制电路是一种降压(Buck)型直流变换器，是由箝位二极管、箝位电容、箝位功率开关、续流二极管、滤波电感依序级联构成，不但在负载功率小于前n-1路输入源最大功率之和时作为第n路储能设备的充电装置，而且还能抑制储能式变压器漏感引起的双向功率流单输入单输出高频逆变电路功率开关的电压尖峰。限于篇幅，图中仅画出了适用于无源交流负载的输出电容滤波器的电路图，而未画出适用于交流电网负载的输出电容电感滤波器的电路图；n路输入滤波器为LC滤波器(含添加虚框的滤波电感Li1、Li2、…、Lin)或电容滤波器(不含添加虚框的滤波电感Li1、Li2、…、Lin)，采用LC滤波器时n路输入直流电流会更平滑。图6、7所示第n路储能设备充电和放电时的稳态原理波形分别对应于负载功率小于和大于前n-1路输入源最大功率之和时的情形，n输入单输出高频逆变电路将n路输入直流电压源Ui1、Ui2、…、Uin调制成幅值按正弦包络线分布的单极性三态多斜率SPWM电流波iN1，经储能式变压器T隔离和周波变换器解调成幅值按正弦包络线分布的单极性三态单斜率SPWM电流波iN2(iN2++iN2-)，经输出滤波电容后在单相交流无源负载或单相交流电网上获得高质量的正弦交流电压uo或正弦交流电流io，n输入单输出高频逆变电路的n个输入脉冲电流经输入滤波器Li1-Ci1、Li2-Ci2、…、Lin-Cin或Ci1、Ci2、…、Cin后在n路输入直流电源Ui1、Ui2、…、Uin中获得平滑的输入直流电流Ii1、Ii2、…、Iin。需要补充说明的是，双极性两态多电平SPWM电压波uAB的幅值为+(Ui1+Ui2+…+Uin)和Ui1+Ui2+…+Uin-UCc(图6)或(图7)，单极性三态多电平SPWM电流波iN1的上升斜率分别为(Ui1+Ui2+…+Uin-UCc)/L1(仅图6有)、(Ui1+Ui2+…+Uin)/L1、(Ui1+Ui2+…+Uin-1)/L1、…、Ui1/L1，单极性三态单电平SPWM电流波iN2(iN2++iN2-)的下降斜率为-uo/L2，其中Uo为输出正弦电压有效值，UCc为箝位电容Cc的端电压，L1、L2分别为储能式变压器原、副边绕组的电感。
带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器属于升降压型逆变器，n个输入源既可以分时也可以同时向负载供电，其原理相当于多个输入源在储能式变压器中产生的磁通或在储能式变压器原边电感产生的电流增量的叠加。设功率选择开关Ss1、Ss2、…、Ssn开关频率相同且同时开通，占空比分别为d1、d2、…、dn，d1＞d2＞…＞dn，按照储能式变压器稳态时一个高频开关周期内正向磁通的增量近似等于反向磁通的增量可推导出输出电压uo与输入直流电压(Ui1、Ui2、…、Uin)、储能式变压器匝比(N2/N1)、占空比(d1、d2、…、dn)之间的关系，即uo＝(d1Ui1+d2Ui2+…+dnUin)N2/[N1(1-d1)]。对于适当的占空比(d1、d2、…、dn)和储能式变压器匝比(N2/N1)，uo可以大于、等于或小于输入直流电压之和Ui1+Ui2+…+Uin，该逆变器中的储能式变压器不但起到了提高逆变器运行的安全可靠性和电磁兼容性，更重要的是起到了匹配输出电压与输入电压的作用，即实现了逆变器的输出电压高于、等于或低于输入直流电压之和Ui1+Ui2+…+Uin的技术效果，其应用范围得到了大大拓宽。当0.5＜d1＜1或0＜d1＜0.5时，分别存在uo＞(Ui1+Ui2+…+Uin)N2/N1或uo＜(Ui1+Ui2+…+Uin)N2/N1,即输出电压uo高于或低于输入直流电压(Ui1、Ui2、…、Uin)与储能式变压器匝比(N2/N1)的乘积之和(Ui1+Ui2+…+Uin)N2/N1；由于所述逆变器属于单级电路结构，输出与输入存在储能式变压器隔离，n输入单输出高频逆变电路设置有输出端顺向串联的多路串联同时选择功率开关电路，并且在双向功率流单输入单输出高频逆变电路的功率开关两端和第n路储能设备的输入滤波器输出端之间连接一个具有储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能的电路，故将这类逆变器称为带储能设备的串联同时供电反激周波变换型(升降压型)单级多输入逆变器。储能式变压器存在高频磁复位和低频磁复位两种工作方式，前者是储能式变压器在一个高频开关周期内实现磁通复位，因功率不可反向流动而工作在DCM模式和采用恒频SPWM控制策略，无音频噪音，属于高频环节逆变器；后者是储能式变压器在一个输出低频周期内实现磁通复位，工作在CCM模式和采用恒频SPWM控制策略，有音频噪音，不属于高频环节逆变器。该逆变器的n个输入源分时或同时对输出交流负载供电，占空比可以相同(d1＝d2＝…＝dn)，也可以不同(d1≠d2≠…≠dn)。
本发明所述带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器，由于共用一个多输入单输出高频逆变电路和一个输出隔离储能变压周波变换滤波电路，并且在双向功率流单输入单输出高频逆变电路的功率开关两端和第n路储能设备的输入滤波器输出端之间连接一个具有储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能的电路，与直流变换器和逆变器两级级联构成的传统多输入逆变器的电路结构存在着本质上的区别。因此，本发明所述逆变器具有新颖性和创造性，并且具有输出与输入电气隔离、多输入电源分时或同时供电、电路拓扑简洁、储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能、单级功率变换、升降压比大、输入电压变化范围宽、输入电压配制灵活、变换效率高(意味着能量损耗小)、负载过载和短路时可靠性高、输出容量小、成本低、应用前景广泛等特点，是一种理想的节能降耗型单级多输入逆变器，在大力倡导建设节能型、节约型社会的今天，更具有重要价值。
带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器电路拓扑族实施例，如图8、9所示。图8-9所示电路中，输出端顺向串联的多路串联同时选择功率开关电路均由n个能承受单向电压应力、双向电流应力的两象限高频功率开关和n个二极管构成，而双向功率流单输入单输出高频逆变电路由一个或两个能承受单向电压应力、双向电流应力的两象限高频功率开关构成，输出周波变换电路则由两个或四个四象限高频功率开关构成，储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制电路由一个或两个箝位二极管、一个箝位电容、一个箝位功率开关、一个续流二极管、一个滤波电感依序级联构成。准确地说，图8所示单端式电路是由n+2个能承受单向电压应力、双向电流应力的两象限高频功率开关和n+2个二极管及2个能承受双向电压应力、双向电流应力的四象限高频功率开关来构成，图9所示并联交错单端式电路是由n+3个能承受单向电压应力、双向电流应力的两象限高频功率开关和n+3个二极管及4个能承受双向电压应力、双向电流应力的四象限高频功率开关来构成。需要补充说明的是，图8、9所示电路中周波变换器的四象限高频功率开关是按照每个四象限高频功率开关拆成两个两象限高频功率开关来画，在原理上是完全相同的；图8、9所示电路中的每个储能式变压器设置了两个副边绕组，每个副边绕组分别工作半个输出电压周期，当输出滤波电容Cf和负载阻抗ZL的并联等效阻抗为纯阻性时功率开关S2(S2′)、S4(S4′)可用二极管来取代；图8-9所示电路给出了输入滤波器为LC滤波器和适用于无源交流负载的输出电容滤波器情形，限于篇幅未给出输入滤波器为电容滤波器和适用于交流电网负载的输出电容电感滤波器情形时的电路。带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器拓扑实施例的功率开关电压应力，如表1所示。表1中，Uo为输出正弦电压uo的有效值，UCc为箝位电容Cc的端电压。该电路拓扑族适用于将多个不共地、不稳定的输入直流电压变换成一个所需电压大小、稳定优质的输出交流电，可用来实现具有优良性能和广泛应用前景的新型单级多种新能源分布式供电系统，如光伏电池40-60VDC/220V50HzAC or115V400HzAC、质子交换膜燃料电池85-120V/220V50HzAC or 115V400HzAC、中小型户用风力发电24-36-48VDC/220V50HzAC or 115V400HzAC、大型风力发电510VDC/220V50HzAC or115V400HzAC等多输入源对交流负载或交流电网供电。
表1 带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器拓扑实施例的功率开关电压应力
能量管理控制策略对于多种新能源联合供电系统来说是至关重要的。由于存在多个输入源及相应的功率开关单元，因此需要对多个占空比进行控制，也就是存在多个控制自由度，这就为多种新能源的能量管理提供了可能性。带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器的能量管理控制策略，需同时具备输入源的能量管理、光伏电池和风力发电机等新能源发电设备的MPPT、输出电压(电流)控制三大功能，还需考虑蓄电池的充放电控制和系统在不同供电模式下的平滑无缝切换。
带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器采用具有四种工作模式选择的输出电压、箝位电容电压独立控制环路的最大功率输出能量管理控制策略，如图10所示。根据负载功率与前n-1路输入源最大功率之和的相对大小实时控制第n路储能设备的充放电，实现前n-1路输入源的最大功率输出、逆变器输出电压的稳定和三种工作模式的平滑无缝切换；当负载功率小于前n-1路输入源最大功率之和时，前n-1路输入源以最大功率输出方式向负载供电、且通过储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制电路向第n路储能设备充电，逆变器工作在模式Ⅰ；当负载功率大于前n-1路输入源最大功率之和时，前n-1路输入源和第n路储能设备以主从功率分配方式同时向负载供电，逆变器工作在模式Ⅱ；当前n-1路输入源无功率输出时，第n路储能设备单独向负载供电，逆变器工作在模式Ⅲ；三种工作模式下，储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制电路还起到了抑制储能式变压器漏感引起的双向功率流单输入单输出高频逆变电路功率开关电压尖峰的作用。当n-1路新能源的输入电压均给定时，通过控制第1、2、…、n-1路输入源的输入电流，就相当于控制了第1、2、…、n-1路输入源的输入功率。
以储能式变压器在一个输出低频周期内实现磁通复位、工作在CCM模式和采用恒频SPWM控制策略为例，论述这类逆变器的能量管理控制策略。带储能设备的串联同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器采用具有四种工作模式选择的输出电压、箝位电容电压独立控制环路的最大功率输出能量管理控制策略，以构成独立供电系统，如图11-18所示。图11、12、13、14为单端式逆变器的控制框图和三种工作模式的控制原理波形，图15、16、17、18为并联交错单端式逆变器的控制框图和三种工作模式的控制原理波形，二者在本质上是相似的；图中，输出滤波电容Cf与负载ZL的并联等效阻抗呈感性，副边绕组电流的基波分量iN21滞后于输出电压uo。该控制方案的基本思想是，n输入单输出高频逆变电路将n路输入直流电压源Ui1、Ui2、…、Uin调制成幅值按正弦包络线分布的单极性三态多斜率SPWM电流波iN1，第1、2、…、n-1路选择功率开关的导通时间是按照误差电流大小和基准正弦同步信号的乘积再与锯齿波交截获得(实现第1、2、…、n-1路输入源的最大功率输出)，第n路选择功率开关的导通时间是按照误差电压大小与锯齿波交截获得(实现第n路输入源功率的补足)，第1路选择功率开关的导通时间为逆变开关的导通时间，经储能式变压器T(T′)隔离和周波变换器解调成幅值按正弦包络线分布的单极性三态单斜率SPWM电流波iN2(iN2++iN2-)，经逆变桥和输出滤波电容后在单相交流无源负载或单相交流电网上获得高质量的正弦交流电压uo或正弦交流电流io；通过调节箝位电容电压误差信号和输出电压误差信号来分别实现箝位电容电压和逆变器输出电压的稳定。第1、2、…、n-1路输入源经最大功率点计算后得到基准电流信号I＊ i1r、I＊ i2r、…、I＊ i(n-1)r，逆变器第1、2、…、n-1路的输入电流反馈信号Ii1f、Ii2f、…、Ii(n-1)f分别与第1、2、…、n-1路基准电流信号Ii1r、Ii2r、…、Ii(n-1)r经比例积分调节器比较放大，误差放大信号I1e、I2e、…、I(n-1)e与基准正弦信号相乘得i1e、i2e、…、i(n-1)e，逆变器的输出电压反馈信号uof与基准正弦电压uor经比例积分调节器比较放大得到电压误差放大信号uoe，i 1e、i2e、…、i(n-1)e、uoe和-i1e、-i2e、…、-i(n-1)e、-uoe均分别与单极性锯齿形载波uc1比较，并且-uoe与单极性锯齿形载波uc2比较，考虑输出电压、输出误差电压极性选择信号并经适当的组合逻辑电路后得到图8所示单端式电路拓扑的功率开关控制信号ugss1、ugss2、…、ugssn、ugs0、ugs1、ugs2、ugs3、ugs4，或图9所示并联交错单端式电路拓扑的功率开关控制信号ugss1、ugss2、…、ugssn、ugs0(ugs0′)、ugs1(ugs1′)、ugs2(ugs2′)、ugs3(ugs3′)、ugs4(ugs4′)；箝位电容端电压反馈信号uCcf与基准电压uCcr经比例积分调节器比较放大得到电压误差放大信号uCce，uCce与单极性锯齿形载波uc1比较得到图11、15所示箝位开关的控制信号ugsc。
逆变器工作在输出电压正半周时，周波变换开关S3(S3′)、S4(S4′)截止，工作在输出电压负半周时，周波变换开关S1(S1′)、S2(S2′)截止。以正半周为例，在能量回馈期间，如图12、13、14、16、17、18所示的D区间，误差放大器n的输出信号uoe＜0、-uoe＞0，储能开关S0(S0′)截止，-uoe与锯齿载波uc1交截并通过适当的组合逻辑电路，输出周波变换开关S2(S2′)的PWM信号，实现能量从输出交流侧回馈到输入直流侧，稳定输出电压uo；在能量正向传递期间，如图12、13、14、16、17、18所示的A区间，当负载功率PL<n-1路新能源发电设备的最大功率P1max+P2max+…+Pn-1max时，输出电压uo增大，误差放大器n的输出信号uoe＜0、-uoe＞0，比较电路n输出低电平、储能设备的选择开关Ssn截止，比较电路n′输出PWM信号且与S0(或S0+S0′)的互补信号相与得到S0(或S0+S0′)截止期间(1-D)Ts(或(1-2D)Ts)的部分时间作为周波变换开关S1(或S1+S1′)的控制信号，而在(1-D)Ts(或(1-2D)Ts)期间的剩余时间内变压器储能电感通过二极管D1(或D1、D1′)向箝位电容Cc释放能量，箝位电容电压uCc增大、误差放大器n+1输出信号uCce＞0、比较电路n+1输出Buck箝位电路Sc的PWM控制信号、向第n路储能设备充电，实现了n-1路新能源发电设备向负载ZL和第n路储能设备供电--模式Ⅰ，当负载功率PL>n-1路新能源发电设备的最大功率P1max+P2max+…+Pn-1max时，输出电压uo减小，误差放大器n的输出信号uoe＞0、-uoe＜0，经比较电路n输出储能设备的选择开关Ssn的PWM控制信号，储能开关S0(或S0、S0′)的控制信号由选择开关Ss1、Ss2、…、Ssn通过或门得到，比较电路n′输出高电平且与S0(或S0+S0′)的互补信号相与得到周波变换开关S1(或S1、S1′)的控制信号，实现n-1路新能源发电设备和第n路储能设备在一个开关周期内同时向负载ZL供电--模式Ⅱ，显然第n路储能设备单独向负载供电--模式Ⅲ属于模式Ⅱ的极端情形。因此，采用图11、15所示具有四种工作模式选择的输出电压、箝位电容电压独立控制环路的最大功率输出能量管理控制策略，实现了n-1路新能源发电设备MPPT、箝位电容电压稳定、输出电压稳定以及三种不同供电模式间的平滑无缝切换。
图12、13、14、16、17、18所示控制原理波形标出了高频开关周期TS、某一高频开关周期TS内第1、2、…、n路输入源的导通时间Ton1、Ton2、…、Tonn和逆变开关的导通时间Ton＝Ton1(模式Ⅰ、模式Ⅱ)或Ton＝Tonn(模式Ⅲ)以及四种工作模式A、B、C、D，逆变开关的导通时间Ton在一个输出电压周期内是按正弦规律变化的。Cf与ZL的并联等效阻抗呈感性、容性、阻性时逆变器的工作模式顺序分别为A-B-C-D、D-C-B-A、A-C。

Claims (3)

1.一种带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器，其特征在于：这种逆变器是由一个多输入单输出高频逆变电路将多个不共地的输入滤波器和一个共用的输出隔离储能变压周波变换滤波电路联接构成，并且在双向功率流单输入单输出高频逆变电路的功率开关两端和第n路储能设备的输入滤波器输出端之间连接一个具有储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制功能的电路，n为大于1的自然数，多输入单输出高频逆变电路的每个输入端与每个输入滤波器的输出端一一对应联接，多输入单输出高频逆变电路的输出端与所述输出隔离储能变压周波变换滤波电路的储能式变压器输入端相联接，所述的多输入单输出高频逆变电路由输出端顺向串联的多路串联同时选择功率开关电路、双向功率流单输入单输出高频逆变电路依序级联构成，在任意时刻相当于一个双向功率流单输入单输出高频逆变电路，所述每一路串联同时选择功率开关电路均由一个两象限功率开关和一个功率二极管构成且两象限功率开关的源极与功率二极管的阴极相连接，所述两象限功率开关的漏极和功率二极管的阳极分别为该路串联同时选择功率开关电路的正、负极性输入端，所述两象限功率开关的源极和功率二极管的阳极分别为该路串联同时选择功率开关电路的正、负极性输出端，所述的输出隔离储能变压周波变换滤波电路由储能式变压器、周波变换器、输出滤波器依序级联构成，所述的周波变换器由能承受双向电压应力和双向电流应力的四象限高频功率开关构成，所述的储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制电路由箝位二极管、箝位电容、箝位功率开关、续流二极管、滤波电感依序级联构成。
2.根据权利要求1所述的带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器，其特征在于：所述带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器的电路拓扑为单端式、并联交错单端式电路。
3.根据权利要求1所述的带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器，其特征在于：所述带储能设备的同时供电反激周波变换型单级多输入逆变器采用最大功率输出能量管理控制策略，根据负载功率与前n-1路输入源最大功率之和的相对大小实时控制第n路储能设备的充放电，实现前n-1路输入源的最大功率输出、逆变器输出电压的稳定和三种工作模式的平滑无缝切换；当负载功率小于前n-1路输入源最大功率之和时，前n-1路输入源以最大功率输出方式向负载供电、且通过储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制电路向第n路储能设备充电，逆变器工作在模式Ⅰ；当负载功率大于前n-1路输入源最大功率之和时，前n-1路输入源和第n路储能设备以主从功率分配方式同时向负载供电，逆变器工作在模式Ⅱ；当前n-1路输入源无功率输出时，第n路储能设备单独向负载供电，逆变器工作在模式Ⅲ；三种工作模式下，储能设备充电和功率开关电压尖峰抑制电路还能抑制储能式变压器漏感引起的双向功率流单输入单输出高频逆变电路功率开关的电压尖峰。
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