CN109412409B - 一种具有高可靠性的交直流供电装置 - Google Patents

一种具有高可靠性的交直流供电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有高可靠性的交直流供电装置，可同时给交流负载和直流负载供电。所述的交直流供电装置包括：直流电源、直流滤波电感、直流电容、二极管、Buck变换器、全桥逆变器。本发明同时消除了逆变器开关桥臂直通的潜在威胁，又消除了笨重的电解电容的使用，大大提高了系统的可靠性。

Description

一种具有高可靠性的交直流供电装置
技术领域
本发明涉及逆变器供电技术领域，具体涉及一种具有高可靠性的交直流供电装置。
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。一方面，系统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，但这又会降低输出电压质量。另一方面，单相系统固有存在二次脉动功率会造成直流电源输出电流存在不期望的低频分量，这样会造成电池过热，降低电池寿命；所以，通常需要大的电解电容来吸收二次脉动功率，但大的电解电容寿命短，体积大，大大降低了系统的可靠性。
本发明提供了一种具有高可靠性的交直流供电装置。在提供交直流电源的同时消除了逆变器开关桥臂直通的潜在威胁，又消除了笨重的电解电容的使用，大大提高了系统的可靠性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有供电器的缺陷，本发明提供一种具有高可靠性的交直流供电装置，在提供交直流电源的同时消除了逆变器开关桥臂直通的潜在威胁，且避免了笨重的电解电容的使用，大大提高了系统的可靠性。
(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：
本发明提供了一种具有高可靠性的交直流供电装置，包括直流电源(1)、直流滤波电感L1(2)、直流电容C1(3)、二极管D1(4)、Buck变换器(5)、全桥逆变器(7)，其特征在于：所述直流电源(1)正极连接到滤波电感L1(2)的一端，所述滤波电感L1(2)另外一端连接到直流电容(3)的一端和全桥逆变器(7)的一端，所述直流电容(3)和二极管D1(4)串联，所述直流电容(3)的两端输出连接到Buck变换器(5)，所述Buck变换器(5)输出端连接到直流负载(6)，所述直流电容(3)和二极管D1(4)串联电路两端的输出端连接到全桥逆变器(7)的两个输入端，所述全桥逆变器(7)的输出端连接到交流负载(8)；所述直流电容C1(3)的另一端与二极管D1(4)的正极相连，二极管D1(4)的负极与直流电源(1)的负极相连；所述Buck变换器(5)包括1个功率三极开关管S0，1个二极管D2，1个电感L2，1个电容C2，功率三极开关管S0两端反并联一个二极管，功率三极开关管S0的集电极与所述直流电容C1(3)的一端相连，功率三极开关管S0的发射极与二极管D2的负极和电感L2一端相连，二极管D2的正极与所述直流电容C1(3)的另一端相连，电感L2的另一端与电容C2的一端和所述直流负载(6)的一端相连，电容C2的另一端与所述直流负载(6)的另一端和二极管D2的正极相连。
进一步的，所述直流电容C1(3)为薄膜电容，所述功率三极开关管S0的具体类型是IGBT或者MOSFET。
进一步的，所述全桥逆变器(7)包括4个功率三极开关管S1、S2、S3和S4；一个电感L3，一个电容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的集电极和电感L3的一端相连，S1和S2的集电极与所述直流电容C1(3)一端相连，S3和S4的发射极与所述二极管D1(4)的负极相连，S2的发射极和S4的集电极与电容C3的一端和交流负载的一端相连，电感L3的另一端与电容C3的另一端和交流负载的另一端相连，S2的发射极和S4的集电极相连，S1的发射极和S3的集电极相连。
进一步的，所述功率三极开关管S1-S4的具体类型是IGBT或者MOSFET。
进一步的，所述全桥逆变器(7)有直通状态和非直通状态，直通状态包括：S1和S3同时导通，S2和S4同时导通，或者S1、S2、S3、S4同时导通；非直通状态包括：当电容C3两端输出的交流输出电压vac为正时，开关S1和S4同时导通，当交流输出电压vac为负时，开关S2和S3同时导通，给交流负载(8)供电；作为导通开关的S1和S2或者S3和S4，输出零矢量。
(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：本发明交直流供电装置的逆变器允许开关直通，消除了短路威胁；系统中的二次脉动功率由直流电容电压的低频波动吸收，减少了电容容量，可以利用可靠性高的薄膜电容，消除了电解电容的使用；从而大大提高系统的可靠性。
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，直流电容电压300V时的Matlab-Simulink仿真波形图。
附图标记说明：1、直流电源；2、直流滤波电感L1；3、直流电容C1；4、二极管D1；5、Buck变换器；6、直流负载；7、全桥逆变器；8、交流负载；9、采样调理电路；10、控制器；11、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，本发明公开的一种具有高可靠性的交直流供电系统，包括直流电源(1)，直流滤波电感L1(2)，直流电容C1(3)，二极管D1(4)，Buck变换器(5)，直流负载(6)，全桥逆变器(7)，交流负载(8)。
其中，一种具有高可靠性的交直流供电装置，其特征在于，包括直流电源(1)、滤波电感L1(2)、直流电容(3)、二极管(4)、Buck变换器(5)和全桥逆变器(7)，所述直流电源(1)输出端连接到滤波电感L1(2)，所述滤波电感L1(2)输出端连接直流电容(3)，所述直流电容(3)和二极管(4)串联，所述直流电容(3)输出端连接到Buck变换器(5)，所述Buck变换器(5)输出端连接到直流负载(6)，所述直流电容(3)和二极管(4)串联的输出端连接到全桥逆变器(7)，所述全桥逆变器(7)输出端连接到交流负载(8)。
Buck变换器(5)包括1个IGBT功率器件S0，1个二极管D2，1个电感L2，1个电容C2和1个直流负载Rdc。IGBT功率器件S0两端反并联一个二极管。IGBT功率器件S0的集电极与所述直流电容C1(3)的一端相连，IGBT功率器件S0的发射极与二极管D2的负极和电感L2一端相连，二极管D2的正极与所述直流电容C1(3)的另一端相连。电感L2另一端与电容C2的一端和所述直流负载(6)的一端相连，电容C2的另一端与所述直流负载(6)另一端和二极管的正极相连。
全桥逆变器(7)包括4个IGBT功率器件S1、S2、S3和S4；一个电感L3，一个电容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S2的集电极和电感L3的一端相连，S1和S3的发射极与所述直流电容C1(3)一端相连，S2和S4的发射极与所述二极管D1(4)的负极相连，S3的发射极和S4的集电极与电容C3的一端和交流负载的一端相连，电感L3的另一端与电容C3的另一端和交流负载的另一端相连。
直流电容(3)为薄膜电容，C1的一端与S1的集电极相连，C1的另一端与二极管D1的阳极相连。
控制S1、S2、S3、S4导通，电源通过直通桥臂S1、S2、S3、S4开关给直流滤波电感L1充电；控制S1、S4导通，S2、S3关断，电源和直流滤波电感L1通过二极管D1给直流电容C1充电，通过S1、S4给电感L3充电，给交流负载Rac供电；控制S1、S2导通，S3、S4关断，电源和直流滤波电感L1通过二极管D1给直流电容C1充电。
控制S0导通，直流电容C1给电感L2充电，给负载Rdc供电；控制S0关断，电感L2通过D2续流，给直流负载Rdc供电。
控制直流电容C1上的电压脉动，让电容吸收二次脉动功率，从而实现有源解耦。C1可以用高可靠性的薄膜电容替代。
图2是本发明公开的一种具有高可靠性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 S0、S1、S2、S3、S4导通，L3电流方向为正；
运行状态2中IGBT S0、S1、S2、S3、S4导通，L3电流方向为负；
运行状态3中IGBT S1、S2、S3、S4导通，S0关断，L3电流方向为正；
运行状态4中IGBT S1、S2、S3、S4导通，S0关断，L3电流方向为负；
运行状态5中IGBT S0、S1、S4导通，S2、S3关断；
运行状态6中IGBT S0、S2、S3导通，S1、S4关断；
运行状态7中IGBT S1、S4导通，S0、S2、S3关断；
运行状态8中IGBT S2、S3导通，S0、S1、S4关断；
运行状态9中IGBT S1、S2导通，S0、S3、S4关断；L3电流方向为正；
运行状态10中IGBT S1、S2导通，S0、S3、S4关断；L3电流方向为负；
运行状态11中IGBT S0、S1、S2导通，S3、S4关断；L3电流方向为正；
运行状态12中IGBT S0、S1、S2导通，S3、S4关断；L3电流方向为负。
本发明公开的一种具有高可靠性的交直流供电装置，其稳态分析如下:
稳态分析分为三部分：直流电压源到直流电容电压的升压稳态分析，直流电容电压到直流负载电压的降压稳态分析以及直流电容电压到交流负载的逆变稳态分析。
对于直流电源电压vs到直流电容电压vc的升压稳态分析，其电压关系可表示为
Figure BDA0001819561940000061
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。
对于直流电容电压到直流负载电压的降压稳态分析，其电压关系可表示为
vdc＝D0vc (2)
其中D0为开关S0导通的占空比，控制D0可以控制直流输出电压vdc的大小。
对于直流电容电压到交流负载的逆变稳态分析，在非直通时完成，可知直流侧的平均电压
vave＝vc(1-Dsh)＝vs (3)
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电容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
vac＝Vmcos(ωt) (4)
其中ω＝2πfo，fo为输出电压频率，为Vm输出电压幅值。
当vac为正时，开关S1和S4导通，其导通占空比为
Figure BDA0001819561940000062
此时，零矢量占空比为
d0＝1-Dsh-d14 (6)
当vac为负时，开关S2和S3导通，导通占空比为
Figure BDA0001819561940000063
此时，零矢量占空比为
d0＝1-Dsh-d23 (8)
零矢量由同时导通开关S1和S2或者S3和S4完成。
所述交直流供电装置正常工作，流过直流滤波电感L1的输入电流is需要满足：
is>sign(vac)iac (9)
其中sign()为符号函数，满足
Figure BDA0001819561940000071
由式(9)可知，最恶劣情况下：
is>Im (11)
其中is为输入电流，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 BDA0001819561940000072
于是，由式(11)和(12)可知功率约束关系为
Figure BDA0001819561940000073
控制过程简述：直流电容电压到直流负载电压的降压控制和直流电容电压到交流负载的逆变控制分别采用Buck电路和单相电压型全桥逆变电路的控制方式，在此不做赘述。
对于直流电源电压vs到直流电容电压vc的升压控制，将期望直流电容电压平均值
Figure BDA0001819561940000074
与实际直流电容电压平均值
Figure BDA0001819561940000075
做差，得到直流电容电压的误差值经过比例-积分控制器(即PI控制器)的控制，输出作为输入电流is的参考值
Figure BDA0001819561940000076
Figure BDA0001819561940000077
的控制由调节Dsh完成。
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(9)、包括DSP+FPGA的控制器(10)及IGBT驱动电路(11)；
采样调理电路(9)负责输入电压vs、直流输出电压vdc、电感L2电流idc、输入电流is、直流电容C1上的电压vc、电感L3电流iac、交流输出电压vac的采样和调理，控制器(10)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(11)。
案例说明：
输入电压vs为200V，交流负载Rac为20Ω，直流负载Rdc为4Ω，电感L1为5mH，直流电容C1为50uF，Buck变换器的电感L2为3mH，Buck变换器输出端的电容C2为1uF，全桥逆变器的电感L3为1.5mH，全桥逆变器输出端的电容C3为1uF，采样频率和开关频率均为20kHz，且C1、C2、C3都是薄膜电容。
图4为根据上述参数配置的情况下，直流输出电压vdc设定为80V，交流输出电压vac设定为100Vrms/50Hz，直流电容电压vc设定为300V的Simulink仿真实验结果，波形依次对应输入电流is、电容电压vc、直流输出电压vdc、交流输出电压vac。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，本发明的交直流供电装置的逆变器允许开关直通，消除了短路威胁；系统中的二次脉动功率由直流电容电压的低频波动吸收，减少了电容容量，可以利用可靠性高的薄膜电容，消除了电解电容的使用；从而大大提高系统的可靠性。
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)

1.一种具有高可靠性的交直流供电装置，包括直流电源(1)、直流滤波电感L1(2)、直流电容C1(3)、二极管D1(4)、Buck变换器(5)、全桥逆变器(7)，其特征在于：所述直流电源(1)的正极连接到直流滤波电感L1(2)的一端，所述直流滤波电感L1(2)另外一端连接到直流电容C1(3)的一端和全桥逆变器(7)的一端，全桥逆变器(7)的另一端与直流电源(1)的负极相连，所述直流电容C1(3)和二极管D1(4)串联，所述直流电容C1(3)的两端输出连接到Buck变换器(5)，所述Buck变换器(5)输出端连接到直流负载(6)，所述直流电容C1(3)和二极管D1(4)串联电路两端的输出端连接到全桥逆变器(7)的两个输入端，所述全桥逆变器(7)的输出端连接到交流负载(8)；所述直流电容C1(3)的另一端与二极管D1(4)的正极相连，二极管D1(4)的负极与直流电源(1)的负极相连；所述Buck变换器(5)包括1个功率三极开关管S0，1个二极管D2，1个电感L2，1个电容C2，功率三极开关管S0两端反并联一个二极管，功率三极开关管S0的集电极与所述直流电容C1(3)的一端相连，功率三极开关管S0的发射极与二极管D2的负极和电感L2一端相连，二极管D2的正极与所述直流电容C1(3)的另一端相连，电感L2的另一端与电容C2的一端和所述直流负载(6)的一端相连，电容C2的另一端与所述直流负载(6)的另一端和二极管D2的正极相连，所述直流电容C1(3)为薄膜电容；
所述全桥逆变器(7)包括4个功率三极开关管S1、S2、S3和S4；一个电感L3，一个电容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的集电极和电感L3的一端相连，S1和S2的集电极与所述直流电容C1(3)一端相连，S3和S4的发射极与所述二极管D1(4)的负极相连，S2的发射极和S4的集电极与电容C3的一端和交流负载的一端相连，电感L3的另一端与电容C3的另一端和交流负载的另一端相连，S2的发射极和S4的集电极相连，S1的发射极和S3的集电极相连；
控制S1、S2、S3、S4导通，直流电源通过直通桥臂S1、S2、S3、S4给直流滤波电感L1充电；控制S1、S4导通，S2、S3关断，直流电源和直流滤波电感L1通过二极管D1给直流电容C1充电，通过S1、S4给电感L3充电，给交流负载供电；控制S1、S2导通，S3、S4关断，直流电源和直流滤波电感L1通过二极管D1给直流电容C1充电，控制S0导通，直流电容C1给电感L2充电，给直流负载供电；控制S0关断，电感L2通过D2续流，给直流负载供电，控制直流电容C1上的电压脉动，让直流电容C1吸收二次脉动功率，从而实现有源解耦。
2.根据权利要求1所述的高可靠性的交直流供电装置，其特征在于，所述功率三极开关管S0的具体类型是IGBT或者MOSFET。
3.根据权利要求1所述的高可靠性的交直流供电装置，其特征在于，所述功率三极开关管S1-S4的具体类型是IGBT或者MOSFET。
4.根据权利要求1所述的高可靠性的交直流供电装置，其特征在于，所述全桥逆变器(7)有直通状态和非直通状态，直通状态包括：S1和S3同时导通，S2和S4同时导通，或者S1、S2、S3、S4同时导通；非直通状态包括：当电容C3两端输出的交流输出电压vac为正时，功率三极开关管S1和S4同时导通，当交流输出电压vac为负时，功率三极开关管S2和S3同时导通，给交流负载(8)供电；导通功率三极开关管S1和S2，或者导通功率三极开关管S3和S4，输出零矢量；所述交直流供电装置包含以下12种运行状态:
运行状态1中IGBT S0、S1、S2、S3、S4导通，L3电流方向为正；
运行状态2中IGBT S0、S1、S2、S3、S4导通，L3电流方向为负；
运行状态3中IGBT S1、S2、S3、S4导通，S0关断，L3电流方向为正；
运行状态4中IGBT S1、S2、S3、S4导通，S0关断，L3电流方向为负；
运行状态5中IGBT S0、S1、S4导通，S2、S3关断；
运行状态6中IGBT S0、S2、S3导通，S1、S4关断；
运行状态7中IGBT S1、S4导通，S0、S2、S3关断；
运行状态8中IGBT S2、S3导通，S0、S1、S4关断；
运行状态9中IGBT S1、S2导通，S0、S3、S4关断；L3电流方向为正；
运行状态10中IGBT S1、S2导通，S0、S3、S4关断；L3电流方向为负；
运行状态11中IGBT S0、S1、S2导通，S3、S4关断；L3电流方向为正；
运行状态12中IGBT S0、S1、S2导通，S3、S4关断；L3电流方向为负。
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