CN109245589A - 单级三相高增益升压型三端口集成逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单级三相高增益升压型三端口集成逆变器，属于电力电子变换技术；这种逆变器是由带中心抽头的储能电感、三相逆变桥和三相滤波器依序级联构成，并且储能开关的漏极、源极分别与储能电感的中心抽头、输入直流源负极性端相连接，输入直流源、蓄电池的正极性端和带中心抽头的储能电感的两端之间连接一个蓄电池充放电开关单元；这种逆变器具有输入、输出、能量存储三个端口，存在输入源对输出负载和蓄电池供电、输入源和蓄电池对输出负载供电、蓄电池对负载供电三种模式，能将输入直流源电压或蓄电池单级高增益升压逆变成稳定、优质的三相正弦交流电。

Description

单级三相高增益升压型三端口集成逆变器
技术领域：
本发明所涉及的一种单级三相高增益升压型三端口集成逆变器，属电力电子变换技术。
背景技术：
逆变器是应用功率半导体器件将直流电变换成交流电的一种静止变流装置，供交流负载使用或与公共电网并网发电。
由于石油、煤和天然气等化石能源日益紧张、环境污染严重、全球变暖、核能生产会产生核废料和污染环境等原因，能源和环境已成为21世纪人类所面临的重大问题。太阳能、风能、潮汐能和地热能等可再生能源，具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点,开发和利用可再生能源越来越受到人们的重视，这对世界各国经济的持续发展具有相当重要的意义。太阳能、风能、氢能、潮汐能、地热能等可再生能源转化的直流电能通常是不稳定的，需要采用逆变器将其变换成交流电能供给负载使用或与公共电网并网发电。在以直流发电机、蓄电池、太阳能电池、燃料电池、风力机等为主直流电源的逆变场合，逆变器具有广泛的应用前景。
目前在中大容量的逆变场合，通常采用单级三相降压型逆变器电路结构，并且无能量存储功能。这类逆变器正常工作时必须满足直流侧电压大于交流侧线电压的峰值，故存在一个明显的缺陷：当直流侧电压(如光伏电池输出能力)降低时，如阴雨天或夜晚，整个发电系统的输出功率降低甚至停止运行，系统的利用率下降，无法满足负载对电能的需要，难以构成独立供电系统。对此，常采用如下三种方案来解决：(1)前级添加Boost型直流变换器构成两级电路结构，但当占空比D接近极限值、1-D过小、D的调节范围受到限制时，存在系统的动态特性差、电路寄生参数影响导致的升压比反而会下降等缺陷，难以应用在高增益变换场合；(2)输出接工频变压器，大大增加了系统的体积、重量和成本，难以适应铜铁原材料价格急剧上涨的今天；(3)采用高频变压器实现电气隔离和电压匹配，属于两级功率变换结构，输出容量和应用范围受到了限制。
因此，寻求一种具有输入端口、输出端口、蓄电池充放电开关单元构成的能量存储中间端口的单级三相高增益升压型三端口集成逆变器及其光伏发电系统已迫在眉睫。这对于有效克服单级三相降压型逆变器无法直接应用于三相升压逆变场合和逆变器输入直流源输出能力降低时无法满足负载对电能的需要等缺陷、提高逆变器过载和短路能力及寿命、降低输入直流侧电磁干扰、拓宽电力电子学逆变技术理论、推动可再生能源发电产业的发展、发展节能型与节约型社会均具有重要的意义。
发明内容：
本发明的目的是要提供一种具有高增益、单级功率变换、变换效率高、成本低、过载和短路时可靠性高、输出中大容量等优点且具有输入端口、输出端口、蓄电池充放电开关单元构成的能量存储中间端口的单级三相高增益升压型三端口集成逆变器。
本发明的技术方案在于：一种单级三相高增益升压型三端口集成逆变器，是由带中心抽头的储能电感、三相逆变桥和三相滤波器依序级联构成，并且储能开关的漏极、源极分别与储能电感的中心抽头、输入直流源负极性端相连接，输入直流源、蓄电池的正极性端和带中心抽头的储能电感的两端之间连接一个蓄电池充放电开关单元；所述的蓄电池充放电开关单元是由充电支路开关、放电支路开关和阻断二极管构成，充电支路二极管的阳极、阴极分别与带中心抽头的储能电感的右侧端、充电支路开关的漏极相连接，充电支路开关的源极与放电支路开关的漏极、蓄电池的正极性端相连接，放电支路开关的源极与阻断二极管的阴极、带中心抽头的储能电感的左侧端相连接，阻断二极管的阳极与输入直流源的正极性端相连接，蓄电池的负极性端与输入直流源的负极性端相连接；所述的阻断二极管在放电支路开关导通时能有效避免蓄电池与输入直流源回路发生短路，蓄电池端电压Ub大于输入直流源电压Ui；所述的输入直流源电压Ui或蓄电池电压Ub、带中心抽头储能电感L的左侧部分电感L1和储能开关构成充磁回路，输入直流源电压Ui或蓄电池电压Ub、带中心抽头的储能电感L和三相逆变桥中线电压瞬时值不小于的任一线电压回路或充电支路开关、蓄电池构成祛磁回路，其中Up为三相输出相电压的有效值；所述的三相逆变桥是由承受双向电压应力和单向电流应力的两象限功率开关构成，所述逆变器的最大电压增益为(1+dN2/N1)/(1-d)，其中d为按正弦规律变化的逆变器占空比，N1、N2分别为带中心抽头储能电感L的左侧和右侧部分线圈的匝数；所述的逆变器具有输入端口、输出端口、蓄电池充放电开关单元构成的能量存储中间端口，其三种供电模式为输入直流源对输出负载和蓄电池供电的模式1、输入直流源和蓄电池对输出负载供电的模式2、蓄电池对负载供电的模式3；所述的逆变器采用光伏电池和蓄电池主从功率分配、具有光伏电池最大功率点跟踪的逆变器输出电压有效值外环和储能电感电流内环的双环改进型分区SPWM、系统在三种不同供电模式下平滑无缝切换的能量管理控制策略。
本发明是将“由三相逆变桥和三相LC滤波器依序级联构成的传统单级三相降压型(Buck型)二端口逆变器电路结构”构建为“由带中心抽头的储能电感、三相逆变桥和三相滤波器依序级联构成，并且储能开关的漏极、源极分别与储能电感的中心抽头、输入直流源负极性端相连接，输入直流源、蓄电池的正极性端和带中心抽头的储能电感的两端之间连接一个蓄电池充放电开关单元的单级三相高增益升压型三端口集成逆变器电路结构”，即通过储能回路电感L1(对应线圈N1)小于释能回路电感L(对应线圈N1+N2)实现逆变器的高增益升压和通过集成蓄电池充放电开关单元增加一个能量存储中间端口，以实现输入直流源对输出负载和蓄电池供电的模式1、输入直流源和蓄电池对输出负载供电的模式2、蓄电池对负载供电的模式3三种供电模式。
本发明能够将不稳定、低幅值、劣质的直流电变换成稳定、高幅值、优质的三相输出正弦交流电，具有三个端口、单级功率变换、功率密度高、变换效率高、电压增益高、输出波形失真度低、过载和短路时可靠性高、寿命长、成本低等优点，适用于中大容量三相升压逆变场合，特别适用于光伏独立供电系统；随着双向可阻断IGBT等新型器件的出现，这种逆变器不再必需串联二极管，解决了串联二极管的损耗问题，更加显示出其独特优势。
附图说明：
图1.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在储能电感位于输入直流母线正端时的电路结构。
图2.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在储能电感位于输入直流母线负端时的电路结构。
图3.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器原理波形。
图4.三相输出电压在一个低频输出周期内的六个60°区间。
图5.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器储能电感在区间I dTS/2期间的充磁等效电路。
图6.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器储能电感在区间I(1-d)TS/2期间通过a、b相的祛磁等效电路。
图7.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器储能电感在区间I(1-d)TS/2期间通过c、b相的祛磁等效电路。
图8.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器拓扑实例一---三相电容滤波式电路原理图。
图9.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器拓扑实例二---三相电容电感滤波式电路原理图。
图10.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在功率从输入端口流向输出端口和中间端口时的供电模式1等效电路。
图11.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在功率从输入端口和中间端口流向输出端口时的供电模式2等效电路。
图12.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在功率从中间端口流向输出端口时的供电模式3等效电路。
图13.具有光伏电池和蓄电池主从功率分配、光伏电池最大功率点跟踪的逆变器输出电压有效值外环和储能电感电流内环的双环改进型分区SPWM、系统在三种不同供电模式下平滑无缝切换的能量管理控制框图。
图14.具有光伏电池和蓄电池主从功率分配、光伏电池最大功率点跟踪的逆变器输出电压有效值外环和储能电感电流内环的双环改进型分区SPWM能量管理控制在前半个低频周期--供电模式1和后半个低频周期--供电模式2时的原理波形。
图15.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在一个低频输出周期内区间Ⅰ(0-60°)功率开关控制信号生成原理波形。
图16.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在区间I时供电模式1的功率开关控制信号。
图17.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在区间I时供电模式2的功率开关控制信号。
图18.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在区间I时供电模式3的功率开关控制信号。
图19.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态I-1和模态I-3等效电路---D5、S、Sb2导通，Sa2、Sb1、Sc2、Sa1、Sc1截止。
图20.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态I-2等效电路---D5、D6、S6、Sa1、Sb2导通，Sa2、Sb1、Sc2、S、Sc1截止。
图21.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态I-4等效电路---D5、D6、S6、Sc1、Sb2导通，Sa2、Sb1、Sc2、S、Sa1截止。
图22.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态II-1和摸态II-3等效电路---D5、S、Sa1导通，Sa2、Sb1、Sc1、Sb2、Sc2截止。
图23.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态II-2等效电路---D5、D6、S6、Sb2、Sa1导通，Sa2、Sb1、Sc1、S、Sc2截止。
图24.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态II-4等效电路---D5、D6、S6、Sc2、Sa1导通，Sa2、Sb1、Sc1、S、Sb2截止。
图25.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态III-1和摸态III-3等效电路---D5、S、Sc2导通，Sa2、Sb2、Sc1、Sa1、Sb1截止。
图26.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态III-2等效电路---D5、D6、S6、Sa1、Sc2导通，Sa2、Sb2、Sc1、S、Sb1截止。
图27.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态III-4等效电路---D5、D6、S6、Sb1、Sc2导通，Sa2、Sb2、Sc1、S、Sa1截止。
图28.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态IV-1和摸态IV-3等效电路---D5、S、Sb1导通，Sa1、Sb2、Sc1、Sa2、Sc2截止。
图29.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态IV-2等效电路---D5、D6、S6、Sa2、Sb1导通，Sa1、Sb2、Sc1、S、Sc2截止。
图30.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态IV-4等效电路---D5、D6、S6、Sc2、Sb1导通，Sa1、Sb2、Sc1、S、Sa2截止。
图31.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态V-1和摸态V-3等效电路---D5、S、Sa2导通，Sa1、Sb2、Sc2、Sb1、Sc1截止。
图32.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态V-2等效电路---D5、D6、S6、Sb1、Sa2导通，Sa1、Sb2、Sc2、S、Sc1截止。
图33.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态V-4等效电路---D5、D6、S6、Sc1、Sa2导通，Sa1、Sb2、Sc2、S、Sb1截止。
图34.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态VI-1和摸态VI-3等效电路---D5、S、Sc1导通，Sa1、Sb1、Sc2、Sa2、Sb2截止。
图35.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态VI-2等效电路---D5、D6、S6、Sa2、Sc1导通，Sa1、Sb1、Sc2、S、Sb2截止。
图36.单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在供电模式1时的模态VI-4等效电路---D5、D6、S6、Sb2、Sc1导通，Sa1、Sb1、Sc2、S、Sa2截止。
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。
单级三相高增益升压型三端口集成逆变器，是由带中心抽头的储能电感、三相逆变桥和三相滤波器依序级联构成，并且储能开关的漏极、源极分别与储能电感的中心抽头、输入直流源负极性端相连接，输入直流源、蓄电池的正极性端和带中心抽头的储能电感的两端之间连接一个蓄电池充放电开关单元；所述的蓄电池充放电开关单元是由充电支路开关、放电支路开关和阻断二极管构成，充电支路二极管的阳极、阴极分别与带中心抽头的储能电感的右侧端、充电支路开关的漏极相连接，充电支路开关的源极与放电支路开关的漏极、蓄电池的正极性端相连接，放电支路开关的源极与阻断二极管的阴极、带中心抽头的储能电感的左侧端相连接，阻断二极管的阳极与输入直流源的正极性端相连接，蓄电池的负极性端与输入直流源的负极性端相连接；所述的阻断二极管在放电支路开关导通时能有效避免蓄电池与输入直流源回路发生短路，蓄电池端电压Ub大于输入直流源电压Ui；所述的输入直流源电压Ui或蓄电池电压Ub、带中心抽头储能电感L的左侧部分电感L1和储能开关构成充磁回路，输入直流源电压Ui或蓄电池电压Ub、带中心抽头的储能电感L和三相逆变桥中线电压瞬时值不小于(的任一线电压回路或充电支路开关、蓄电池构成祛磁回路，其中Up为三相输出相电压的有效值；所述的三相逆变桥是由承受双向电压应力和单向电流应力的两象限功率开关构成，所述逆变器的最大电压增益为(1+dN2/N1)/(1-d)，其中d为按正弦规律变化的逆变器占空比，N1、N2分别为带中心抽头储能电感L的左侧和右侧部分线圈的匝数；所述的逆变器具有输入端口、输出端口、蓄电池充放电开关单元构成的能量存储中间端口，其三种供电模式为输入直流源对输出负载和蓄电池供电的模式1、输入直流源和蓄电池对输出负载供电的模式2、蓄电池对负载供电的模式3；所述逆变器采用光伏电池和蓄电池主从功率分配、具有光伏电池最大功率点跟踪的逆变器输出电压有效值外环和储能电感电流内环的双环改进型分区SPWM、系统在三种不同供电模式下平滑无缝切换的能量管理控制策略。
单级三相高增益升压型三端口集成逆变器电路结构与原理波形，如图1、2、3所示。图1、2、3中，Ui、Ub分别为输入直流源电压和蓄电池电压，N(N＝N1+N2)、N1、N2分别为整个储能电感线圈及其中心抽头左侧和右侧部分绕组线圈的匝数，L、L1、L2分别为线圈N、N1、N2所对应的电感值，为L1与L2之间的互感(r为线圈N1和N2之间的耦合系数)，ZLa、ZLb、ZLc分别为三相输出无源负载阻抗，ua、ub、uc分别为三相输出无源负载阻抗的相电压或三相交流电网电压。图1、2所示两种电路结构的工作原理和性能是完全相同的，只是电路连接有细微区别：带中心抽头的储能电感位于输入直流母线正端时，储能开关连接在储能电感中心抽头与输入直流源的负端之间，阻断二极管串接在正直流母线，蓄电池与输入直流源具有相同的负极性端；带中心抽头的储能电感位于输入直流母线负端时，储能开关连接在储能电感中心抽头与输入直流源的正端之间，阻断二极管串接在负直流母线，蓄电池与输入直流源具有相同的正极性端。
两种电路结构中的储能开关是由MOSFET或IGBT、GTR等功率器件构成；三相逆变桥是由多个能承受双向电压应力和单向电流应力的两象限功率开关构成；三相滤波器为三相电容滤波器或三相电容、电感滤波器；三相输出端可接三相交流无源负载ZLa、ZLb、ZLc，也可接三相交流电网ua、ub、uc；输入直流电源Ui与阻断二极管之间可设置或不设置输入滤波器，设置输入滤波器能降低输入直流电流的脉动。以输入直流源Ui向输出交流负载和蓄电池的供电模式1为例，当储能开关导通时，输入直流电源Ui对储能电感L1充磁，三相输出交流负载ZLa、ZLb、ZLc或三相交流电网ua、ub、uc依靠三相滤波器维持供电；当储能开关截止时，储能电感L祛磁并且和输入直流电源Ui共同为相应的两相交流负载(或交流电网)、蓄电池分时供电。储能开关将输入直流电压Ui调制成脉动的高频脉冲直流电流iL1，iL2经三相逆变桥逆变成三态调制电流波ima、imb、imc并经三相滤波后在三相交流负载上获得高质量的三相正弦电压ua、ub、uc(或在三相交流电网上获得高质量的三相正弦电流波ia、ib、ic)，或iL2经充电支路开关对蓄电池Ub进行充电。需要补充的是，在储能开关开通和关断瞬间，整个储能电感线圈N的磁势与左侧部分线圈N1的磁势相等。
为了确保输出波形的质量，所述逆变器必须满足Boost型变换器的工作机理，即储能电感在一个高频开关周期内必须存在充磁和祛磁两个相反的磁化过程。以三相输出电压瞬时值过零点为分割点将其在一个低频输出周期内划分成六个60°区间，如图4所示。图4中，Up为三相输出电压的有效值。对于任意一个60°区间，总有两个线电压瞬时值不小于例如，在区间I(0°-60°)，线电压uab、ucb不小于故只要求输入电压即可。以图4所示区间I(0-60°)、图1所示电路结构和输入直流源Ui向输出交流负载、蓄电池的供电模式1为例，单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在一个高频开关周期内的充磁与祛磁等效电路，如图5、6、7所示。设三相逆变桥的高频开关周期为TS，则储能开关的开关周期为TS/2，储能开关导通时间Ton在TS/2内的占空比d＝Ton/(TS/2)。储能电感在一个高频开关周期TS内充磁两次，而通过a、b相回路和蓄电池充电支路、c、b相回路和蓄电池充电支路各祛磁一次，旨在确保输入直流电源对三相输出负载均衡供电以及实现储能电感的磁复位。显然，储能电感在一个TS内充磁两次所对应的占空比大小是有一定区别的。由图5所示dTS/2期间的充磁等效电路可知，
由图6所示(1-d)TS/2期间祛磁等效电路可知，若在此期间仅通过a、b相回路祛磁，则
实际上是通过a、b相回路和蓄电池充电支路分时祛磁，故稳态时由式(1)、(2)可得最大电压增益为
uab/Ui≤(1+dN2/N1)/(1-d) (3)
同理，可推得最大电压增益为
ucb/Ui＝uac/Ui≤(1+dN2/N1)/(1-d) (4)
式(1)、(2)(3)、(4)中，Ui为输入直流电压，N1、N2分别为带中心抽头储能电感L的左侧和右侧部分线圈的匝数。所述逆变器的最大电压增益(1+dN2/N1)/(1-d)总是大于1，并且大于传统升压型逆变器的电压增益1/(1-d)，通过利用储能回路电感L1(对应绕组N1)小于释能回路电感L(对应绕组N1+N2)来提高逆变器的电压增益以及通过集成蓄电池充放电开关单元增加一个能量存储中间端口从而实现三种供电模式，故称其为单级三相高增益升压型三端口集成逆变器。通过调节储能电感的中心抽头位置(即调节绕组匝数N1和N2)和逆变器的占空比，实现电压增益的调节。
本发明所述的逆变器是利用储能回路电感L1(对应绕组N1)小于释能回路电感L(对应绕组N1+N2)来提高逆变器的电压增益且通过集成蓄电池充放电开关单元来增加一个能量存储中间端口的单级三相高增益升压型三端口集成逆变器电路结构，与单级三相降压型逆变器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，具有三个端口、变换效率高(意味着能量损耗小)、功率密度高(意味着体积、重量小)、电压增益高(意味着更低的直流电压可变换成更高的交流电压)、成本低、应用前景广泛等优点，是一种理想的节能降耗型三相逆变器，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。
以图1所示电路结构为例，单级三相高增益升压型三端口集成逆变器电路拓扑实施例，如图8、9所示。图8、9分别为电容、电容电感滤波式电路，分别适用于对输出波形质量要求不太高和高的逆变场合。图8、9所示电路中，输入直流源Ui为输入端口,三相输出交流负载ZLa、ZLb、ZLc或三相交流电网ua、ub、uc为输出端口,蓄电池Ub为能量存储中间端口，蓄电池端电压Ub>Ui，S6、D6为蓄电池充电支路开关，S5为蓄电池放电支路开关，D5为阻断二极管；储能开关S选用MOSFET器件，也可选用IGBT、GTR等器件；三相逆变桥选用IGBT器件，也可选用MOSFET、GTR等器件。三相逆变桥的6个开关Sa1、Sb1、Sc1、Sa2、Sb2、Sc2各顺向串联1个阻断二极管，构成能承受双向电压应力和单向电流应力的6个两象限功率开关，确保逆变桥工作时避免三相交流滤波电容短路。随着双向可阻断IGBT等新型器件的出现，这种逆变器不再必需串联二极管，解决了串联二极管的损耗问题。所述逆变器能将一种不稳定的低压直流电(如蓄电池、光伏电池、燃料电池等)变换成所需的稳定、优质、高压、三相正弦交流电，广泛应用于中大容量、升压场合的民用逆变电源(如通讯逆变器和光伏逆变器24VDC/380V50HzAC、48VDC/380V50HzAC)和国防逆变电源(如航空静止变流器27VDC/200V400HzAC)等。
以图8所示电容滤波式电路为例，单级三相高增益升压型三端口集成逆变器存在三种供电模式，如图10、11、12所示。图10为供电模式1，功率从输入端口流向输出端口和中间端口,此时等效于一个单输入双输出变换器；图11为供电模式2，功率从输入端口和中间端口流向输出端口，此时等效于一个并联分时供电的双输入单输出逆变器；图12为供电模式3，功率从中间端口流向输出端口，此时等效于一个单输入单输出逆变器。
单级三相高增益升压型三端口光伏集成逆变器独立供电系统的能量管理控制策略，需要满足光伏电池、蓄电池和用电负载各端口的特性要求，即需要实现光伏电池和蓄电池的主从功率分配、输入端光伏电池发电MPPT、输出电压稳定等功能，采用光伏电池和蓄电池主从功率分配、具有光伏电池MPPT的逆变器输出电压有效值外环和储能电感电流内环的双环改进型分区SPWM、系统在三种不同供电模式下平滑无缝切换的能量管理控制策略，如图13、14所示。图14的前、后半个低频周期分别为供电模式1、2时的波形。逆变器在一个低频输出周期内分区控制信号，如表1所示。将基准电压ea、eb、ec作为分区信号，经输出低频电压六个区间判断与电压选择、绝对值电路后获得区间基准正弦信号m1、m2；通过检测并反馈储能电感电流信号iL1和iL2并将iL2折算到iL1中，则储能电感电流信号iL＝(iL1+N2/N1iL2)(设电感电流的采样系数为1)，以确保采样电流在一个开关周期内的连续性；输出电压有效值反馈外环和储能电感电流内环双环控制，即将输出线电压有效值Uabrms与线电压有效值基准U* abrms比较经PI调节器后得到储能电感电流平均值基准信号I* Lavg，将储能电感电流平均值信号ILavg与I* Lavg比较放大后得到调制度k，调制波信号ue1＝km1、ue2＝km2，设|ZLa|＝|ZLb|＝|ZLc|＝|ZL|,则三相输出相电压满足ua＝kILavg|ZL|ea、ub＝kILavg|ZL|eb、uc＝kILavg|ZL|ec。其中，储能电感电流ILavg的稳定是通过调节光伏、蓄电池的功率分配来实现，即当光伏功率>负载功率时，光伏将多余的能量存储至蓄电池中，抑制储能电感电流上升；当光伏功率<负载功率时，蓄电池补足负载所需的不足功率，防止储能电感电流的跌落。从图13、14可知，储能开关S以开关频率等于载波uc1、uc2的频率工作；而逆变桥中的六个释能开关Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2在一个低频输出周期内却按如下开关规律工作：高频开关工作2/6低频输出周期，常通1/6低频输出周期，截止3/6低频输出周期。显然，六个释能开关的高频开关频率是储能开关S的1/2。
表1逆变器在一个低频输出周期内分区控制信号
该能量管理控制策略实现了所述集成逆变器的三种供电模式。已知负载所需功率尽可能由主供电设备--光伏电池提供，负载所需的不足功率由从供电设备--蓄电池提供。当光伏功率>负载功率时，ue3≥1，ue4≥0，放电开关S5截止，充电开关S6PWM工作，光伏电池将多余的能量对蓄电池供电，光伏电池在一个开关周期内分时向负载和蓄电池供电--模式1；当光伏电池功率<负载功率时，ue3<1，ue4<0，放电开关S5PWM工作，充电开关S6截止，光伏和蓄电池在一个开关周期分时向负载供电--模式2；光伏不输出功率时，ue3＝0，放电开关S5导通，蓄电池单独对负载供电--模式3。
单级三相高增益升压型三端口集成逆变器在一个低频输出周期内区间Ⅰ(0-60°)的功率开关控制信号生成与储能电感电流波形，如图15所示。储能电感在一个高频开关周期TS内充磁两次，而通过a、b相回路和c、b相回路各祛磁一次；储能电感在一个TS内充磁两次所对应的占空比分别为d1、d2，占空比的大小随基准电压的大小而变化。
以区间I为例，逆变器三种工作模式下功率开关的控制信号，如图16、17、18所示。当逆变器工作在模式1时，ue3与载波uc1无交点，放电开关S5截止，ue4与载波uc2交截，充电开关S6PWM工作，随着光伏功率的逐渐减小，ue3和ue4逐渐减小，充电开关S6导通时间逐渐减小，当ue3＝1时，ue4＝0，此时光伏功率等于负载功率，充电开关和放电开关均截止，光伏单独向负载供电；随着光伏功率再次减小，ue3将与载波uc1交截得到放电开关S5PWM控制信号，光伏和蓄电池分时向负载供电—模式2；当光伏功率减小至零时，ue3＝0、ue4＝-1，此时放电开关S5常通，充电开关S6截止，蓄电池单独向负载供电—模式3。当逆变器工作在模式1时，ue3与载波uc1无交点，放电开关S5截止，ue4与载波uc2交截，充电开关S6PWM工作，随着负载功率的增加，ue4逐渐减小，充电开关S6的占空比逐渐减小，电感储能时间逐渐增加，当ue4＝0时，光伏功率等于负载功率，随着负载功率的进一步增加，充电开关S6截止，放电开关S5PWM工作，光伏和蓄电池分时向负载供电—模式2。由此可知，单级三相高增益升压型三端口集成逆变器从模式1→模式2→模式3实现了平滑无缝切换；同理，当逆变器从模式3→模式2→模式1时，也实现了平滑无缝切换。
以图8所示三相电容滤波式逆变器拓扑和供电模式1(功率从输入端口流向输出端口和中间端口)为例，论述这类逆变器在一个低频输出周期内划分成的六个区间的工作模态。每个区间包含多个高频开关周期TS，每个高频开关周期共有三种不同的等效电路，包括储能电感的两次相同回路的充磁和两次不同回路的祛磁。
区间I：释能开关Sa2、Sb1和Sc2截止且Sb2导通，此间每个高频开关周期TS按照模态I-1、I-2、I-3、I-4顺序进行开关状态转换。
模态I-1如图19所示：D5、S、Sb2导通，Sa2、Sb1、Sc2、Sa1、Sc1截止；电压源Ui、电感L1、储能开关S形成回路，电感L1储能，电感电流iL1以速率Ui/L1线性上升，滤波电容Cfa、Cfb、Cfc维持负载电流ia、ib、ic。
模态I-2如图20所示：D5、D6、S6、Sa1、Sb2导通，Sa2、Sb1、Sc2、S、Sc1截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sa1、Sb2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若uab>Ui，电感电流iL2以速率(uab–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若uab<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–uab)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfc维持负载电流ic。
模态I-3与模态I-1相同，如图19所示。
模态I-4如图21所示：D5、D6、S6、Sc1、Sb2导通，Sa2、Sb1、Sc2、S、Sa1截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sc1、Sb2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若ucb>Ui，电感电流iL2以速率(ucb–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若ucb<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–ucb)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfa维持负载电流ia。
区间II，释能开关Sa2、Sb1和Sc1截止且Sa1导通，此间每个高频开关周期TS按照模态II-1、II-2、II-3、II-4顺序进行开关状态转换。
模态II-1如图22所示：D5、S、Sa1导通，Sa2、Sb1、Sc1、Sb2、Sc2截止，电压源Ui、电感L1、S形成回路，电感储存能量，电感电流iL1以速率Ui/L1线性上升，滤波电容Cfa、Cfb、Cfc维持负载电流ia、ib、ic。
模态II-2如图23所示：D5、D6、S6、Sb2、Sa1导通，Sa2、Sb1、Sc1、S、Sc2截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sa1、Sb2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若uab>Ui，电感电流iL2以速率(uab–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若uab<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–uab)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfc维持负载电流ic。
模态II-3与模态II-1相同，如图22所示。
模态II-4如图24所示：D5、D6、S6、Sc2、Sa1导通，Sa2、Sb1、Sc1、S、Sb2截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sa1、Sc2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若uac>Ui，电感电流iL2以速率(uac–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若uac<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–uac)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfb维持负载电流ib。
区间III，释能开关Sa2、Sb2和Sc1截止且Sc2导通，此间每个高频开关周期TS按照模态III-1、III-2、III-3、III-4顺序进行开关状态转换。
模态III-1如图25所示：D5、S、Sc2导通，Sa2、Sb2、Sc1、Sa1、Sb1截止，电压源Ui、电感L1、S形成回路，电感L1储存能量，电感电流iL1以速率Ui/L1线性上升，滤波电容Cfa、Cfb、Cfc维持负载电流ia、ib、ic。
模态III-2如图26所示：D5、D6、S6、Sa1、Sc2导通，Sa2、Sb2、Sc1、S、Sb1截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sa1、Sc2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若uac>Ui，电感电流iL2以速率(uac–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若uac<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–uac)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfb维持负载电流ib。
模态III-3与模态III-1相同，如图25所示。
模态III-4如图27所示：D5、D6、S6、Sb1、Sc2导通，Sa2、Sb2、Sc1、S、Sa1截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sb1、Sc2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若ubc>Ui，电感电流iL2以速率(ubc–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若ubc<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–ubc)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfa维持负载电流ia。
区间IV，释能开关Sa1、Sb2和Sc1截止且Sb1导通，此间每个高频开关周期TS按照模态IV-1、IV-2、IV-3、IV-4顺序进行开关状态转换。
模态IV-1如图28所示：D5、S、Sb1导通，Sa1、Sb2、Sc1、Sa2、Sc2截止，电压源Ui、电感L1、S形成回路，电感L1储存能量，电感电流iL1以速率Ui/L1线性上升，滤波电容Cfa、Cfb、Cfc维持负载电流ia、ib、ic。
模态IV-2如图29所示：D5、D6、S6、Sa2、Sb1导通，Sa1、Sb2、Sc1、S、Sc2截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sb1、Sa2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若uba>Ui，电感电流iL2以速率(uba–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若uba<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–uba)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfc维持负载电流ic。
模态IV-3与模态IV-1相同，如图28所示。
模态IV-4如图30所示：D5、D6、S6、Sc2、Sb1导通，Sa1、Sb2、Sc1、S、Sa2截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sb1、Sc2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若ubc>Ui，电感电流iL2以速率(ubc–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若ubc<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–ubc)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfa维持负载电流ia。
区间V，释能开关Sa1、Sb2和Sc2截止且Sa2导通，此间每个高频开关周期TS按照模态V-1、V-2、V-3、V-4顺序进行开关状态转换。
模态V-1如图31所示：D5、S、Sa2导通，Sa1、Sb2、Sc2、Sb1、Sc1截止，Ui、电感L1、S形成回路，L1储存能量，电感电流iL1以速率Ui/L1线性上升，滤波电容Cfa、Cfb、Cfc维持负载电流ia、ib、ic。
模态V-2如图32所示：D5、D6、S6、Sb1、Sa2导通，Sa1、Sb2、Sc2、S、Sc1截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sb1、Sa2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若uba>Ui，电感电流iL2以速率(uba–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若uba<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–uba)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfc维持负载电流ic。
模态V-3与模态V-1相同，如图31所示。
模态V-4如图33所示：D5、D6、S6、Sc1、Sa2导通，Sa1、Sb2、Sc2、S、Sb1截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sc1、Sa2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若uca>Ui，电感电流iL2以速率(uca–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若uca<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–uca)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfb维持负载电流ib。
区间VI，释能开关Sa1、Sb1和Sc2截止且Sc1导通，此间每个高频开关周期TS按照模态VI-1、VI-2、VI-3、VI-4顺序进行开关状态转换。
模态VI-1如图34示：D5、S、Sc1导通，Sa1、Sb1、Sc2、Sa2、Sb2截止，Ui、电感L1、S形成回路，L1储存能量，电感电流iL1以速率Ui/L1线性上升，滤波电容Cfa、Cfb、Cfc维持负载电流ia、ib、ic。
模态VI-2如图35示：D5、D6、S6、Sa2、Sc1导通，Sa1、Sb1、Sc2、S、Sb2截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sc1、Sa2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若uca>Ui，电感电流iL2以速率(uca–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若uca<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–uca)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfb维持负载电流ib。
模态VI-3与模态VI-1相同，如图34示。
模态VI-4如图36示：D5、D6、S6、Sb2、Sc1导通，Sa1、Sb1、Sc2、S、Sa2截止，电压源Ui、储能电感L与释能开关Sc1、Sb2或蓄电池充电支路开关形成回路，逆变器向负载传送能量或对蓄电池充电；若ucb>Ui，电感电流iL2以速率(ucb–Ui)/L或(Ub–Ui)/L线性下降，电感释放能量；若ucb<Ui，电感电流iL2以速率(Ui–ucb)/L线性上升，电感继续储能，滤波电容Cfa维持负载电流ia。

Claims (1)

1.一种单级三相高增益升压型三端口集成逆变器，其特征在于：这种逆变器是由带中心抽头的储能电感、三相逆变桥和三相滤波器依序级联构成，并且储能开关的漏极、源极分别与储能电感的中心抽头、输入直流源负极性端相连接，输入直流源、蓄电池的正极性端和带中心抽头的储能电感的两端之间连接一个蓄电池充放电开关单元；所述的蓄电池充放电开关单元是由充电支路开关、放电支路开关和阻断二极管构成，充电支路二极管的阳极、阴极分别与带中心抽头的储能电感的右侧端、充电支路开关的漏极相连接，充电支路开关的源极与放电支路开关的漏极、蓄电池的正极性端相连接，放电支路开关的源极与阻断二极管的阴极、带中心抽头的储能电感的左侧端相连接，阻断二极管的阳极与输入直流源的正极性端相连接，蓄电池的负极性端与输入直流源的负极性端相连接；所述的阻断二极管在放电支路开关导通时能有效避免蓄电池与输入直流源回路发生短路，蓄电池端电压Ub大于输入直流源电压Ui；所述的输入直流源电压Ui或蓄电池电压Ub、带中心抽头储能电感L的左侧部分电感L1和储能开关构成充磁回路，输入直流源电压Ui或蓄电池电压Ub、带中心抽头的储能电感L和三相逆变桥中线电压瞬时值不小于的任一线电压回路或充电支路开关、蓄电池构成祛磁回路，其中Up为三相输出相电压的有效值；所述的三相逆变桥是由承受双向电压应力和单向电流应力的两象限功率开关构成，所述逆变器的最大电压增益为(1+dN2/N1)/(1-d)，其中d为按正弦规律变化的逆变器占空比，N1、N2分别为带中心抽头储能电感L的左侧和右侧部分线圈的匝数；所述的逆变器具有输入端口、输出端口、蓄电池充放电开关单元构成的能量存储中间端口，其三种供电模式为输入直流源对输出负载和蓄电池供电的模式1、输入直流源和蓄电池对输出负载供电的模式2、蓄电池对负载供电的模式3；所述的逆变器采用光伏电池和蓄电池主从功率分配、具有光伏电池最大功率点跟踪的逆变器输出电压有效值外环和储能电感电流内环的双环改进型分区SPWM、系统在三种不同供电模式下平滑无缝切换的能量管理控制策略。
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