CN109245587B - 一种简单可靠的交直流供电装置 - Google Patents

一种简单可靠的交直流供电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种简单可靠的交直流供电装置，其可以同时给交流负载和直流负载供电。所述的供电装置由直流电源、直流电压母线、直流输出滤波电路、电压型全桥逆变电路组成。本发明利用逆变器的桥臂直通占空比实现直流输出电压的调节，消除了逆变器桥臂开关直通造成的短路威胁，其中直通占空比的引入并未减小直流电源电压的利用率；且本发明只在电压型全桥逆变器的基础上增加一个二极管，结构简单，易于实现。

Description

一种简单可靠的交直流供电装置
技术领域
本发明涉及逆变器供电技术领域，具体涉及一种简单可靠的交直流供电装置。
背景技术
近几十年来，太阳能作为主要的新能源之一，其发电技术产业受到了全球各国的大力推进，缓解了化石能源危机与环境污染问题。光伏发电厂的装机容量已经达到了一定的程度，需要选择特定的地理位置以及大量的占地面积。而将中小功率光伏产业以入户式推广，能够节约光伏装机的占地面积，大幅度的增加光伏的装机和发电量。作为光伏发电并网的重要枢纽，中小功率的光伏电能转换装置显得尤为重要。特别是在新能源渗透率逐年增长，在能源系统中所占比重越来越大的趋势下，光伏发电系统并网技术逐渐向并网友好型、电网支撑型发展。
然而，在家庭光伏供电和多电飞机供电等系统中，同时存在交流负载和直流负载。对于交流负载，通常需要利用单相电压源型逆变器对负载进行供电，其包含四个开关器件，存在开关桥臂直通的潜在危险，导致装置损坏，尽管可以通过插入死区以避免直通的方式提高系统的可靠性，但这会降低输出电压质量。对于直流负载，需要利用一个buck DC/DC降压变换器(包含两个开关器件)连接到直流电源为直流负载供电。综上所述，系统同时需要至少六个开关器件，且逆变系统存在直通危险，增加了系统成本，降低了系统的可靠性。
因此，本发明在尽量不增加额外器件成本的前提下，设计了一种简单可靠的交直流供电装置。既消除了逆变器开关桥臂直通的潜在威胁，提高了系统的可靠性，同时减少了一个开关器件的使用，降低了成本。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有供电器的缺陷，本发明提供一种简单可靠的交直流供电装置，以消除逆变器开关桥臂直通的潜在威胁，提高系统的可靠性，同时减少一个开关器件的使用，以降低成本。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供了一种简单可靠的交直流供电装置，包括直流输入电源(1)、滤波电感L1(2)，直流母线(3)，直流输出滤波电路(4)和电压型全桥逆变电路(6)；其特征在于：
所述直流输入电源(1)连接到滤波电感L1(2)的一端，所述滤波电感L1(2)连接到直流母线(3)的一端，所述直流母线(3)分别连接到直流输出滤波电路(4)和电压型全桥逆变电路(6)，直流输出滤波电路(4)连接到直流负载(5)，所述电压型全桥逆变电路(6)连接到交流负载(7)；其中所述直流母线(3)包括一个直流电容C1、一个二极管D1；所述直流电容C1的一端与滤波电感L1(2)的另一端和电压型全桥逆变电路(6)中的功率三极开关管S1和S2的集电极相连；直流电容C1的另一端与二极管D1的阳极和直流输出滤波电路(4)中滤波电感L2的一端相连；二极管的阴极和直流输入电源(1)的负极、电压型全桥逆变电路(6)中的功率三极开关管S3和S4的发射极、直流输出滤波电路(4)中滤波电容C2的一端和直流负载(5)的一端相连。
进一步的，所述直流输出滤波电路(4)包括一个滤波电感L2，一个滤波电容C2，滤波电感L2的一端与直流母线(3)中二极管D1的阳极相连，滤波电感L2的另一端与滤波电容C2的另一端和直流负载(5)的另一端相连，滤波电容C2的一端与电压型全桥逆变电路(6)中的功率三极开关管S3和S4的发射极、直流负载(5)的一端、直流母线(3)中二极管D1的阴极、直流输入电源(1)的负极相连。
进一步的，所述电压型全桥逆变电路(6)包括4个功率三极开关管S1、S2、S3和S4；一个滤波电感L3，一个滤波电容C3，功率三极开关管S1、S2、S3和S4两端各反并联一个二极管，S1的发射极与S3的集电极和滤波电感L3的一端相连；S1和S2的集电极与滤波电感L1(2)的另一端和直流母线(3)的一端相连；S3和S4的发射极与直流负载(5)的一端、直流输出滤波电路(4)中滤波电容C2的一端、直流母线(3)中二极管D1的阴极、直流输入电源(1)的负极相连；滤波电感L3的另一端与滤波电容C3的一端和交流负载(7)的一端相连；滤波电容C3的另一端与交流负载(7)的另一端、S2的发射极和S4的集电极相连。
进一步的，所述电压型全桥逆变电路(6)允许开关直通。
进一步的，所述功率三极开关管S1、S2、S3和S4具体类型是IGBT或者MOSFET。
(三)有益效果
由上述技术方案可知，本发明具备如下有益效果：本发明利用逆变器的桥臂直通占空比实现直流输出电压的调节，消除了逆变器桥臂开关直通造成的短路威胁，并且直通占空比的引入并未减小直流电源电压的利用率；此外，本发明只在电压型全桥逆变器的基础上增加一个二极管，结构简单，易于实现，提高了系统的可靠性，同时减少了一个开关器件的使用，降低了成本。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为是本发明交直流供电装置的电路结构示意图；
图2为本发明的逆变器运行状态示意图；
图3为本发明的DSP+FPGA控制系统控制框图；
图4为本发明直流输出电压为80V，交流电压输出有效值为100V，频率50Hz时的Matlab-Simulink仿真波形图。
附图标记说明：1、直流输入电源；2、滤波电感L1；3、直流母线；4、直流输出滤波电路；5、直流负载；6、电压型全桥逆变电路；7、交流负载；8、采样调理电路；9、控制器；10、IGBT驱动电路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种简单可靠的交直流供电装置及其使用方法:
下面将结合附图1-4对本发明进行详细说明如下：
如图1所示，本发明公开的一种简单可靠的交直流供电装置，包括直流输入电源(1)，滤波电感L1(2)，直流母线(3)，直流输出滤波电路(4)和电压型全桥逆变电路(6)，交直流供电装置能够用于给直流负载(5)和交流负载(7)同时进行交直流供电。
其中，直流输入电源(1)连接到滤波电感L1(2)的一端，滤波电感L1(2)连接到直流母线(3)，所述直流母线(3)的有2个输出端，分别连接到直流输出滤波电路(4)和电压型全桥逆变电路(6)，直流输出滤波电路(4)连接到直流负载(5)，电压型全桥逆变电路(6)连接到交流负载(7)。
直流母线(3)包括一个直流电容C1、一个二极管D1；直流电容C1的一端与滤波电感L1(2)的另一端和电压型全桥逆变电路(6)中S1、S2的集电极相连；直流电容C1的另一端与二极管的阳极和直流输出滤波电路(4)中滤波电感L2的一端相连；二极管的阴极和直流输入电源(1)的负极、电压型全桥逆变电路(6)中S3、S4的发射极、直流输出滤波电路(4)中滤波电容C2的一端和直流负载(5)的一端相连。
直流输出滤波电路包括一个滤波电感L2，一个滤波电容C2，滤波电感L2的一端与直流母线(3)中二极管D1的阳极相连，滤波电感L2的另一端与滤波电容C2的另一端和直流负载(5)的另一端相连。滤波电容C2的一端与电压型全桥逆变电路(6)中S3和S4的发射极、直流负载(5)的一端、直流母线(3)中二极管D1的阴极、直流输入电源(1)的负极相连。
电压型全桥逆变电路(6)包括4个IGBT功率器件S1、S2、S3和S4；一个滤波电感L3，一个滤波电容C3。IGBT功率器件S1、S2、S3和S4两端各反并联一个二极管。S1的发射极与S3的集电极和滤波电感L3的一端相连；S1和S2的集电极与滤波电感L1(2)的另一端和直流母线(3)的一端相连；S3和S4的发射极与直流负载(5)的一端、直流输出滤波电路(4)中滤波电容C2的一端、直流母线(3)中二极管D1的阴极、直流输入电源(1)的负极相连；滤波电感L3的另一端与滤波电容C3的一端和交流负载(7)的一端相连；滤波电容C3的另一端与交流负载(7)的另一端、S2的发射极和S4的集电极相连。
图2是本发明公开的一种简单可靠的交直流供电装置的开关运行状态示意图；
运行状态1中IGBT S1、S2、S3、S4导通，L3电流方向为正；
运行状态2中IGBT S1、S2、S3、S4导通，L3电流方向为负；
运行状态3中IGBT S1、S4导通，S2、S3关断；
运行状态4中IGBT S2、S3导通，S1、S4关断；
运行状态5中IGBT S1、S2导通，S3、S4关断；L3电流方向为正；
运行状态6中IGBT S1、S2导通，S3、S4关断；L3电流方向为负。
本发明公开的一种简单可靠的交直流供电装置，其稳态分析如下。
稳态分析分为三部分：直流电压源到直流母线电压升压的稳态分析，直流母线电压到直流负载电压降压的稳态分析，直流母线电压到交流负载的逆变的稳态分析。
对于直流电源vs到直流母线电压vc升压的稳态分析，其电压关系可表示为
Figure BDA0001819963280000051
其中Dsh为开关S1和S3同时导通，S2和S4同时导通，或者S1、S2、S3、S4同时导通的占空比。
对于直流母线电压到直流负载电压降压的稳态分析，其电压关系可表示为
vdc＝Dshvc (2)
根据式(1)和(2)，可知直流输出电压vc与直流电源电压vs的关系为
Figure BDA0001819963280000052
根据式(2)，通过调节直通占空比Dsh则可实现直流输出电压vdc的调节。
对于直流母线电压到交流负载的逆变的稳态分析，在非直通时完成，可知直流侧的平均电压
vave＝vc(1-Dsh)＝vs (4)
由式(4)可知，直流电压源的利用率(定义为输出电压幅值Vm除以直流电源电压vs)为1，这与将电压源vs直接作为电压源全桥逆变器的直流母线电压时的电压利用率一致，说明本发明在允许桥臂直通的情况下，并未减少电压利用率。
假设交流输出电压为
vac＝Vmcos(ωt) (5)
其中ω＝2πfo，fo为输出电压频率,Vm为输出电压幅值。
当vac为正时，开关S1和S4导通，导通占空比为
Figure BDA0001819963280000061
零矢量占空比为
d0＝1-Dsh-d14 (7)
当vac为负时，开关S2和S3导通，导通占空比为
Figure BDA0001819963280000062
零矢量占空比为
d0＝1-Dsh-d23 (7)
零矢量由同时导通开关S1和S2或者S3和S4完成。
is为直流电压源的输入电流，idc为流过滤波电感L2的电流，所述交直流供电装置正常工作，需要满足下述条件：
is+idc>sign(vac)iac (8)
其中sign()为符号函数，满足
Figure BDA0001819963280000071
由式(8)可知，最恶劣情况下，
is+idc>Im (10)
其中Im为交流电流幅值。直流电源输出功率Ps，直流负载功率Pdc和交流侧平均功率Pac可表示为:
Figure BDA0001819963280000072
于是，式(10)和(11)可知功率约束关系为
Figure BDA0001819963280000073
图3是本发明DSP+FPGA控制系框的控制框图，控制电路包括相应的采样调理电路(8)、包括DSP+FPGA的控制器(9)及IGBT驱动电路(10)；
采样调理电路(8)负责输入电压vs、输入电流is、电感L2电流idc、直流输出电压vdc、电感L3电流iac、交流输出电压vac的采样和调理，控制器(9)负责计算和调制等重要工作，并把各PWM开关信号传递给驱动电路(10)。
案例说明：
具体的，对电路进行定性分析，可设置直流输入电源为200V，电感L1、L2、L3分别为5mH、3mH、1.5mH；电容C1、C2、C3分别为5000uF、1uF、5uF；直流负载Rdc为4Ω。交流负载Rac为20Ω；采样频率和开关频率均为20kHz，其中C1为电解电容，C3为薄膜电容。
图4为根据上述参数配置的情况下，直流输出电压在80V，交流输出电压为100Vrms/50Hz时的基于Matlab-Simulink平台仿真实验结果。可见，用于供电的输入电流连续且恒定，符合光伏电池和燃料电池的特性。相较于传统交直流供电装置，本发明在不增加开关器件的条件下，使输入电流连续且恒定，且允许开关直通，提高了可靠性。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
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、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种简单可靠的交直流供电装置，包括直流输入电源(1)、滤波电感L1(2)，直流母线(3)，直流输出滤波电路(4)和电压型全桥逆变电路(6)；其特征在于：所述直流输入电源(1)连接到滤波电感L1(2)的一端，所述滤波电感L1(2)连接到直流母线(3)的一端，所述直流母线(3)分别连接到直流输出滤波电路(4)和电压型全桥逆变电路(6)，直流输出滤波电路(4)连接到直流负载(5)，所述电压型全桥逆变电路(6)连接到交流负载(7)；其中所述直流母线(3)包括一个直流电容C1、一个二极管D1；所述直流输出滤波电路(4)包括一个滤波电感L2，一个滤波电容C2，滤波电感L2的一端与直流母线(3)中二极管D1的阳极相连，滤波电感L2的另一端与滤波电容C2的另一端和直流负载(5)的另一端相连，滤波电容C2的一端与电压型全桥逆变电路(6)中的功率三极开关管S3和S4的发射极、直流负载(5)的一端、直流母线(3)中二极管D1的阴极、直流输入电源(1)的负极相连；所述直流电容C1的一端与滤波电感L1(2)的另一端和电压型全桥逆变电路(6)中的功率三极开关管S1和S2的集电极相连；直流电容C1的另一端与二极管D1的阳极和直流输出滤波电路(4)中滤波电感L2的一端相连；二极管D1的阴极和直流输入电源(1)的负极、电压型全桥逆变电路(6)中的功率三极开关管S3和S4的发射极、直流输出滤波电路(4)中滤波电容C2的一端和直流负载(5)的一端相连。
2.根据权利要求1所述的一种简单可靠的交直流供电装置，其特征在于，所述电压型全桥逆变电路(6)包括4个功率三极开关管S1、S2、S3和S4；一个滤波电感L3，一个滤波电容C3，功率三极开关管S1、S2、S3和S4两端各反并联一个二极管，S1的发射极与S3的集电极和滤波电感L3的一端相连；S1和S2的集电极与滤波电感L1(2)的另一端和直流母线(3)的一端相连；S3和S4的发射极与直流负载(5)的一端、直流输出滤波电路(4)中滤波电容C2的一端、直流母线(3)中二极管D1的阴极、直流输入电源(1)的负极相连；滤波电感L3的另一端与滤波电容C3的一端和交流负载(7)的一端相连；滤波电容C3的另一端与交流负载(7)的另一端、S2的发射极和S4的集电极相连。
3.根据权利要求2所述的一种简单可靠的交直流供电装置，其特征在于，所述电压型全桥逆变电路(6)允许开关直通。
4.根据权利要求1所述的一种简单可靠的交直流供电装置，其特征在于，所述功率三极开关管S1、S2、S3和S4具体类型是IGBT或者MOSFET。
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