CN110165915B - 一种新型倍压-z源逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于直流‑交流逆变设备技术领域，涉及一种新型倍压‑Z源逆变器，第一绕组的同名端与直流电源正极相连，另一端与第一电容的负极以及第一二极管的正极相连，第一电容的正极与第二绕组的异名端及第二二极管的负极相连，第二绕组的同名端与第一二极管的负极及第二电容的负极相连，第二电容的正极与第二二极管的负极相连；三相电压型桥式逆变电路单元由六个带反并联二极管的功率开关管组成，用于接受外部设备提供的开关信号；整体结构设计合理，操作简单，升压电路和逆变电路相结合的结构，减小了元器件的数量，提高了电路的概率密度，降低了生产成本和故障率，适用于高增益升压逆变场合。
Description
技术领域：
本发明属于直流-交流逆变设备技术领域，具体涉及一种新型倍压-Z源逆变器。
背景技术：
目前，能源危机和环境污染问题的加剧，促使了可再生能源的快速发展。太阳能作为清洁的可再生能源之一，具有相当大的发展前景，传统的光伏发电系统将多级串联的光伏电池输出电压利用DC/AD逆变器输出至电网，但多级的结构具有较高的生产成本和故障率。在此基础上，在光伏电池和电网中间加入DC/DC升压变换器，先完成升压，再行逆变，但这种DC/DC-DC/AC的结构会导致系统结构复杂、工作效率低等问题。
文献Peng F Z.Z-Source Inverter[J].IEEE Transactions on IndustryApplication,2003,39(2):504-510所提出的Z源逆变器作为一种新型单级升降压逆变电路将直通信号加入逆变传统零状态上，同时实现了升压和并网功能，且具有电路结构简单、安全性高的优点。但是Z源逆变器的自身拓扑结构反映出其升压能力有限，获得高升压的前提是有较高的直通占空比，这样降低了逆变器的调制因子，起到了反向调节作用，限制了其应用范围。文献Qian W,Peng F Z,Cha H.Trans-Z-source inverters[J].IEEEtransactions on power electronics,2011,26(12):3453-3463所提出的变压器型Z源逆变器(Trans-ZSI)将储能电感替换为耦合电感，实现了升压比双自由度调节，且在较小的直通占空比条件下，通过改变耦合电感匝数比，仍可获得较大的直流链升压比。在此基础上，逆变调制因子也较大，可获得较高的逆变电压增益，但是，耦合电感的高匝数比会造成较大的漏感和串联电阻等不良参数，不但会使工作效率降低，而且漏感释放的能量会造成大的直流链电压峰值，逆变效果差，影响电路工作性能。文献Loh P C,Li D,Blaabjerg F.Γ-Z-source inverters[J].IEEE transactions on Power Electronics,2013,28(11):4880-4884所提出的Γ型Z源逆变器(Γ-ZSI)也是通过引入耦合电感来提高升压比，和Trans-ZSI耦合绕组结构类似，耦合电感模块所处的结构同样会导致直流链电压的尖峰过高。未解决上述问题，可通过多级电路进行级联，在较小的直通占空比情况下，获得较高的电压增益，但这样增加了电路中元器件的数量，提高了电路的复杂程度，降低了工作效率。因此，寻找一种在较低直通占空比下能获得较高的电压增益、结构简单、工作效率高、逆变效果好的逆变电路已经成为当下本领域的研究热点。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种新型倍压-Z源逆变器(A Novel Z-source Inverter with Voltage Multiplier Cells(VMC-ZSI))，在较小的直通占空比、较大的调制因子条件下，获得较高的电压增益，同时拓扑结构较为简单，工作效率高，故障率低，逆变效果好。
为了实现上述目的，本发明新所述型倍压-Z源逆变器的主体结构包括直流电源、由第一绕组和第二绕组组成的耦合电感、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管以及三相桥式逆变电路单元，耦合电感的第一绕组的同名端与直流电源正极相连，另一端与第一电容的负极以及第一二极管的正极相连，第一电容的正极和第二绕组的异名端及第二二极管的正极相连，耦合电感的第二绕组的同名端与第一二极管的负极及第二电容的负极相连，第二电容的正极与第二二极管的负极相连；三相电压型桥式逆变电路单元由六个带反并联二极管的第一到第六功率开关管组成，第一到第六功率开关管采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或者电力场效应晶体管(MOSFET)，第一功率开关管的一端和第四功率开关管的一端相连，其连接点引出一组桥臂作为三相电压式桥型逆变电路单元的一相输出端；第二功率开关管的一端和第五功率开关管的一端相连，第三功率开关管的一端和第六功率开关管的一端相连，这两个连接点分别引出另外两组桥臂作为三相电压式桥型逆变电路单元的另外两相输出端；第一功率开关管的另一端和第二功率开关管、第三功率开关管的另一端相连，并连接到第二电容的正极和第二二极管的负极，第四功率开关管的另一端和第五功率开关管、第六功率开关管的另一端相连，并连接到直流电源的负极，三相电压型桥式逆变电路单元的第一到第六功率开关管均接受外部设备提供的开关信号。
本发明所述耦合电感的第二绕组和第一绕组的匝数比为n＝N2:N1。
本发明所述第一电容和第二电容容值相等。
本发明工作状态控制方式和传统单级可升压逆变电路一样，都是在逆变电路的零状态中加入直通信号，以此电路的工作状态，实现升压的功能。
本发明与现有技术相比，能够在较小直通占空比D和较大的调制因子M的条件下，得到较高的电压增益，且无论电路工作在哪个状态，耦合电感和直流链电压之间为储能电容的电路结构决定了工作过程中，不可避免的漏感释放能量时，有了储能电容的缓冲作用，漏感对直流链电压VPN造成的冲击将大大减弱，同时，变换器整体结构设计合理，操作简单，升压电路和逆变电路相结合的结构，减小了元器件的数量，提高了电路的概率密度，降低了生产成本和故障率，适用于高增益升压逆变场合。
附图说明：
图1为本发明的主体电路结构示意图。
图2为本发明处于工作状态一时直通状态等效电路图。
图3为本发明处于工作状态二时传统零状态等效电路图。
图4位本发明处于工作状态三时非直通状态等效电路图。
图5为本发明实施例对比电压增益与直通占空比的关系。
具体实施方式：
为了更为具体的描述本发明，下面通过附图并结合具体实施例对本发明的技术方案及工作原理进行详细说明。
实施例：
本实施例涉及的新型倍压-Z源逆变器的主体结构如图1所示，包括：直流电源Vg、由第一绕组L1和第二绕组L2组成的耦合电感、第一电容C1和第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2以及三相桥式逆变电路单元，其中，耦合电感的第二绕组L2和第一绕组L1的匝数比为n＝N2:N1，为了更具体的表示耦合电感的模型，图1显示了耦合电感的励磁电感为Lm；耦合电感的第一绕组L1的同名端与直流电源Vg正极相连，另一端与第一电容C1的负极以及第一二极管D1的正极相连，第一电容C1的正极和第二绕组L2的异名端及第二二极管D2的正极相连，耦合电感的第二绕组L2的同名端与第一二极管D1的负极及第二电容C2的负极相连，第二电容C2的正极与第二二极管D2的负极相连；三相电压型桥式逆变电路单元由六个带反并联二极管D3～D8的第一到第六功率开关管S1～S6组成，第一到第六功率开关管S1～S6采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或者电力场效应晶体管(MOSFET)，第一功率开关管S1的一端和第四功率开关管S4的一端相连，其连接点引出一组桥臂作为三相电压式桥型逆变电路单元的一相输出端；第二功率开关管S2的一端和第五功率开关管S5的一端相连，第三功率开关管S3的一端和第六功率开关管S6的一端相连，这两个连接点分别引出另外两组桥臂作为三相电压式桥型逆变电路单元的另外两相输出端；第一功率开关管S1的另一端和第二功率开关管S2、第三功率开关管S3的另一端相连，并连接到第二电容C2的正极和第二二极管D2的负极，第四功率开关管S4的另一端和第五功率开关管S5、第六功率开关管S6的另一端相连，并连接到直流电源Vg的负极，三相电压型桥式逆变电路单元的第一到第六功率开关管S1～S6均接受外部设备提供的开关信号。
本实施例涉及的新型倍压-Z源逆变器能够在较小直通占空比D和较大的调制因子M的条件下，得到较高的电压增益，该逆变器有三种工作状态：
工作状态一如图2所示，三相电压型桥式逆变电路单元处于直通状态的能量转换模式，由非直通状态向直通状态转换，第一电容C1和第二电容C2充电结束后，通过三相电压型桥式逆变电路单元的直通回路放电，并和直流电源Vg一起给耦合电感的励磁绕组Lm充电，通过耦合电感的耦合关系将能量传递给第二绕组L2，第一二极管D1和第二二极管D2关断，此时满足：vL1+VC1-vL2+VC2-Vg＝0,VC1＝VC2,vL2＝nvL1。
工作状态二如图3所示，三相电压型桥式逆变电路单元处于传统逆变零状态模式，此时直流链电路和交流负载没有能量交互，第二绕组L2为第一电容C1、第二电容C2充电，此时满足：vL2-VC1＝0,vL2＝nvL1。
工作状态三如图4所示，三相电压型桥式逆变电路单元处于非直通状态的能量转换模式，第一二极管D1和第二二极管D2导通，耦合电感的励磁电感Lm放电，和直流电源Vg一起通过第一二极管D1和第二二极管D2给第一电容C1、第二电容C2充电，并通过三相电压型桥式逆变电路为负载提供能量，此时满足：Vg-vL1-vL2-VPN＝0,vL2＝nvL1,vL2＝VC1＝VC2。
本实施例利用电感的伏秒平衡法则，得到直流链电压VPN＝(1-n)Vg/(1-n-D-nD)＝BVg,B为直流链电压增益，从式中可以看出，新型倍压-Z源逆变器在实现直流链高升压的同时，消除了直通占空比D和调制因子的限制。
本实施例直流链升压比与Γ-ZSI、Trans-ZSI进行对比，电压增益对比曲线如图5所示，从图中可以看出，在相同的匝数比n和占空比D的条件下，VMC-ZSI的直流链升压能力要优于Γ-ZSI和Trans-ZSI。直流链升压比和匝数比相同时，VMC-ZSI较Γ-ZSI和Trans-ZSI则需要更小的直通占空比，即可以获得更大的调制因子，大的调制因子不仅能提高逆变器输出电压的峰值，还能减小输出电压的谐波影响。
上述分析可以表明，本实施例能够在较小直通占空比D和较大的调制因子M的条件下，得到较高的电压增益，且无论电路工作在哪个状态，耦合电感和直流链电压之间为储能电容的电路结构决定了工作过程中，不可避免的漏感释放能量时，有了储能电容的缓冲作用，漏感对直流链电压VPN造成的冲击将大大减弱。同时，变换器整体结构设计合理，操作简单，升压电路和逆变电路相结合的结构，减小了元器件的数量，提高了电路的概率密度，降低了生产成本和故障率，适用于高增益升压逆变场合。
本实施例在实践应用中得到了证实，各项指标参数均符合设计目的的要求，达到了预期的发明效果，且逆变过程安全可靠，整体运行稳定。
Claims (1)
1.一种新型倍压-Z源逆变器，其特征在于主体结构包括直流电源、由第一绕组和第二绕组组成的耦合电感、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管以及三相电压型桥式逆变电路单元，耦合电感的第一绕组的同名端与直流电源正极相连，另一端与第一电容的负极以及第一二极管的正极相连，第一电容的正极和第二绕组的异名端及第二二极管的负极相连，耦合电感的第二绕组的同名端与第一二极管的负极及第二电容的负极相连，第二电容的正极与第二二极管的负极相连，第一电容和第二电容容值相等；三相电压型桥式逆变电路单元由六个带反并联二极管的第一到第六功率开关管组成，第一到第六功率开关管采用绝缘栅双极性晶体管或者电力场效应晶体管，第一功率开关管的一端和第四功率开关管的一端相连，其连接点引出一组桥臂作为三相电压型桥式逆变电路单元的一相输出端；第二功率开关管的一端和第五功率开关管的一端相连，第三功率开关管的一端和第六功率开关管的一端相连，这两个连接点分别引出另外两组桥臂作为三相电压型桥式逆变电路单元的另外两相输出端；第一功率开关管的另一端和第二功率开关管、第三功率开关管的另一端相连，并连接到第二电容的正极和第二二极管的负极，第四功率开关管的另一端和第五功率开关管、第六功率开关管的另一端相连，并连接到直流电源的负极，三相电压型桥式逆变电路单元的第一到第六功率开关管均接受外部设备提供的开关信号；所述逆变器有三种工作状态：
工作状态一，三相电压型桥式逆变电路单元处于直通状态的能量转换模式，由非直通状态向直通状态转换，第一电容和第二电容充电结束后，通过三相电压型桥式逆变电路单元的直通回路放电，并和直流电源一起给耦合电感的励磁绕组充电，通过耦合电感的耦合关系将能量传递给第二绕组，第一二极管和第二二极管关断；
工作状态二，三相电压型桥式逆变电路单元处于传统逆变零状态模式，此时直流链电路和交流负载没有能量交互，第二绕组为第一电容、第二电容充电；
工作状态三，三相电压型桥式逆变电路单元处于非直通状态的能量转换模式，第一二极管和第二二极管导通，耦合电感的励磁电感放电，和直流电源一起通过第一二极管和第二二极管给第一电容、第二电容充电，并通过三相电压型桥式逆变电路为负载提供能量。
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