CN111987924B - 一种单级单相高增益组合式升压逆变电路及升压逆变方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单级单相高增益组合式升压逆变电路及升压逆变方法。所述电路由输入直流源、开关感容网络、单相高频组合调制开关、输出滤波电路、交流负载或电网负载依序级联构成。本发明相较于传统逆变器，具有单级功率传输密度高，体积小，开关损耗小，效率高等优点，适用于中小容量逆变场合。

Description

一种单级单相高增益组合式升压逆变电路及升压逆变方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域，具体为一种单级单相高增益组合式升压逆变电路及升压逆变方法。

背景技术

目前在中小容量的逆变场合，常采用Buck型的单级单相的电压型的逆变器电路结构，但该类型逆变器要求直流母线侧电压要高于交流侧相电压峰值，存在明显缺陷：(1)输入直流侧电压必须高于交流侧相电压峰值；(2)由于光伏风力等新能源受天气气候影响可能使直流侧电压低于正常工作范围，导致系统无法工作。对于这些问题，常采用在前级加入Boost直流变换器的方式构成两级逆变器结构或输出加单相工频变压器的方式解决，但都会导致系统存在系统结构复杂，系统效率降低，体积、重量、成本增大等问题。另一种常见的采用Boost型的带旁路开关的单级单相电流型的逆变器电路结构，则存在逆变器增益范围受限、开关管应力较大等问题。

综上，现有技术主要存在如下缺点：

1.Buck型的单级单相的电压型的逆变器电路结构，存在明显缺陷：(1)输入直流侧电压必须高于交流侧相电压峰值；(2)由于光伏风力等新能源受天气气候影响可能使直流侧电压低于正常工作范围，导致系统无法工作。

2.前级加入Boost直流变换器的方式构成两级逆变器结构或输出加单相工频变压器的方式解决，但都会造成系统存在结构复杂，系统效率降低，体积、重量、成本增大等问题。

3.采用Boost型的带旁路开关的单级单相电流型的逆变器电路结构，则存在逆变器增益范围受限、开关管应力较大等问题。

4.针对在中小容量的逆变场合，现有技术存在的传统逆变器升压能力、工作效率的缺陷，提供一种单级单相高增益组合式升压逆变器。本发明具有高增益、体积小、效率高等优点。

本发明需要解决的关键技术问题有：单级单相高增益组合式升压逆变器的拓扑设计以及单级单相高增益组合式升压逆变器的多模式控制方法的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单级单相高增益组合式升压逆变电路及升压逆变方法，本发明相较于传统逆变器，具有单级功率传输密度高，体积小，开关损耗小，效率高等优点，适用于中小容量逆变场合。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单级单相高增益组合式升压逆变电路，由输入直流源、开关感容网络、单相高频组合调制开关、输出滤波电路、交流负载或电网负载依序级联构成；所述开关感容网络包括储能电感L₁，储能电容C₁、C₂，高频斩波功率开关S₅，模式选择功率开关S₆、S₇、S₈；输入直流源的参考正极性端与C₁的参考负极性端、L₁的一端相连接，L₁的另一端与S₆的一端、S₅的一端、C₂的参考正极性端相连接，S₇、S₈组合成一个四象限功率开关S_j，S₅的另一端与S_j的一端、输入直流源的参考负极性端相连接，S₆的另一端与C₁的参考正极性端相连接，C₂的参考负极性端与S_j的另一端相连接，共同构成开关感容网络的输出端口，S₆的另一端与C₁的参考正极性端的连接端与单相高频组合调制开关的正母线端相连接，S_j的另一端与单相高频组合调制开关的负母线端相连接。

在本发明一实施例中，所述单相高频组合调制开关由四个承受单相电压应力和双相电流应力的两象限功率开关S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄构成，单相高频组合调制开关可作极性反转电路或高频斩波电路。

在本发明一实施例中，所述输出滤波电路由输出滤波电感L_f、输出滤波电容C_f依次级联构成。

在本发明一实施例中，还包括一输入电容C_i，其两端分别与输入直流源的参考正极性端、参考负极性端连接。

本发明还提供一种基于上述所述的单级单相高增益组合式升压逆变电路的升压逆变方法，包括三种工作模式，在每个工作模式下，L₁在一个高频开关周期T_s内各充磁和去磁一次，设U_i1为输入直流电压，u_oref为输出参考电压，具体如下：

1)工作模式一：当U_i1≥|u_oref|时，S₆、S₇、S₈常通，S₅常断，对于输出电压正半周，在一个高频开关周期内，充磁周期D₁T_s对应S₁₁和S₁₄导通，L_f储能，输入直流源直接向交流负载提供能量；去磁周期(1-D₁)T_s，对应S₁₃和S₁₄导通，L_f释能，L_f和C_f向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似；

2)工作模式二：当U_i1﹤|u_oref|﹤2U_i1时，对于输出电压正半周，S₁₁、S₁₄常通，S₆、S₇、S₈常断，在一个高频开关周期内，充磁周期D₂T_s对应S₅导通，L₁储能，C_i、C₁串联叠加后向交流负载提供能量；去磁周期(1-D₂)T_s，S₅关断，L₁释能，C₁储能，C_f向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似；

3)工作模式三：当|u_oref|≥2U_i1时，对于输出电压正半周，S₁₁、S₁₄、S₈常通，S₆、S₇常断，在一个高频开关周期内，充磁周期D₃T_s对应S₅导通，L₁储能，C_i、C₁、C₂串联叠加后向交流负载提供能量；去磁周期(1-D₃)T_s，S₅关断，L₁释能，C₁、C₂储能，C_f向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.相较于传统逆变器本发明具有高增益、体积小、效率高等优点；

2.相较于传统逆变器本发明更适用于中小容量逆变场合；

3.相较于传统逆变器本发明控制策略具有创新性和新颖性。

附图说明

图1为一种单级单相高增益组合式升压逆变器的电路结构图。

图2为一种单级单相高增益组合式升压逆变器的电路拓扑实例。

图3为一种单级单相高增益组合式升压逆变器的原理波形图。

图4为模式一时，在一个高频开关周期内，单级单相高增益组合式升压逆变器的充磁等效电路图。

图5为模式一时，在一个高频开关周期内，单级单相高增益组合式升压逆变器的去磁等效电路图。

图6为模式二时，在一个高频开关周期内，单级单相高增益组合式升压逆变器的充磁等效电路图。

图7为模式二时，在一个高频开关周期内，单级单相高增益组合式升压逆变器的去磁等效电路图。

图8为模式三时，在一个高频开关周期内，单级单相高增益组合式升压逆变器的充磁等效电路图。

图9为模式三时，在一个高频开关周期内，单级单相高增益组合式升压逆变器的去磁等效电路图。

图10为一种单级单相高增益组合式升压逆变器的控制原理波形。

图11为一种单级单相高增益组合式升压逆变器的控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种单级单相高增益组合式升压逆变电路，由输入直流源、开关感容网络、单相高频组合调制开关、输出滤波电路、交流负载或电网负载依序级联构成；所述开关感容网络包括储能电感L₁，储能电容C₁、C₂，高频斩波功率开关S₅，模式选择功率开关S₆、S₇、S₈；输入直流源的参考正极性端与C₁的参考负极性端、L₁的一端相连接，L₁的另一端与S₆的一端、S₅的一端、C₂的参考正极性端相连接，S₇、S₈组合成一个四象限功率开关S_j，S₅的另一端与S_j的一端、输入直流源的参考负极性端相连接，S₆的另一端与C₁的参考正极性端相连接，C₂的参考负极性端与S_j的另一端相连接，共同构成开关感容网络的输出端口，S₆的另一端与C₁的参考正极性端的连接端与单相高频组合调制开关的正母线端相连接，S_j的另一端与单相高频组合调制开关的负母线端相连接。所述单相高频组合调制开关由四个承受单相电压应力和双相电流应力的两象限功率开关S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄构成，单相高频组合调制开关可作极性反转电路或高频斩波电路。所述输出滤波电路由输出滤波电感L_f、输出滤波电容C_f依次级联构成。还包括一输入电容C_i，其两端分别与输入直流源的参考正极性端、参考负极性端连接。

本发明还提供一种基于上述所述的单级单相高增益组合式升压逆变电路的升压逆变方法，包括三种工作模式，在每个工作模式下，L₁在一个高频开关周期T_s内各充磁和去磁一次，设U_i1为输入直流电压，u_oref为输出参考电压，具体如下：

1)工作模式一：当U_i1≥|u_oref|时，S₆、S₇、S₈常通，S₅常断，对于输出电压正半周，在一个高频开关周期内，充磁周期D₁T_s对应S₁₁和S₁₄导通，L_f储能，输入直流源直接向交流负载提供能量；去磁周期(1-D₁)T_s，对应S₁₃和S₁₄导通，L_f释能，L_f和C_f向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似；

2)工作模式二：当U_i1﹤|u_oref|﹤2U_i1时，对于输出电压正半周，S₁₁、S₁₄常通，S₆、S₇、S₈常断，在一个高频开关周期内，充磁周期D₂T_s对应S₅导通，L₁储能，C_i、C₁串联叠加后向交流负载提供能量；去磁周期(1-D₂)T_s，S₅关断，L₁释能，C₁储能，C_f向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似；

3)工作模式三：当|u_oref|≥2U_i1时，对于输出电压正半周，S₁₁、S₁₄、S₈常通，S₆、S₇常断，在一个高频开关周期内，充磁周期D₃T_s对应S₅导通，L₁储能，C_i、C₁、C₂串联叠加后向交流负载提供能量；去磁周期(1-D₃)T_s，S₅关断，L₁释能，C₁、C₂储能，C_f向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似。

以下为本发明的具体实现过程。

如图1所示为一种单级单相高增益组合式升压逆变器的电路结构图，为实现上述发明目的，本发明是由输入直流源、开关感容网络、单相高频组合调制开关、输出滤波电路和交流负载或电网负载依序级联构成；所述的开关感容网络是由一个储能电感L₁、两个储能电容C₁、C₂、一个高频斩波功率开关S₅、三个模式选择功率开关S₆、S₇、S₈构成。输入直流源的参考正极性端与储能电容C₁的参考负极性端、储能电感L₁的一端相连接，储能电感的另一端与模式选择功率开关S₆的一端相连接、高频斩波功率开关S₅的一端、储能电容C₂的参考正极性端相连接，S₇、S₈功率开关可组合成为一个四象限功率开关S_j，高频斩波功率开关S₅的另一端与四象限功率开关S_j的一端、输入直流源的参考负极性端相连接，模式选择功率开关S₆的另一端与储能电容C₁的参考正极性端相连接，储能电容C₂的参考负极性端与四象限功率开关S_j的另一端相连接，共同构成开关感容网络的输出端口，模式选择功率开关S₆的另一端与储能电容C₁的参考正极性端的连接端与单相高频组合调制开关的正母线端相连接；所述单相高频组合调制开关是由四个承受单相电压应力和双相电流应力的两象限功率开关构成，单相高频组合调制开关可作极性反转电路或高频斩波电路；所述输出滤波电路是由输出滤波电感L_f、输出滤波电容C_f依次级联构成。

如图2所示为一种单级单相高增益组合式升压逆变器的电路拓扑实例，图3为一种单级单相高增益组合式升压逆变器的原理波形图，所述的单级单相高增益组合式升压逆变器的拓扑，由输入直流源、开关感容网络、单相高频组合调制开关、输出滤波电路和交流负载或电网负载依序级联构成，相较于传统逆变器，具有单级功率传输密度高，体积小，开关损耗小，效率高等优点，适用于中小容量逆变场合。

本发明一种单级单相高增益组合式升压逆变器具有三种工作模式，在每个工作模式下，储能电感在一个高频开关周期T_s内各充磁和去磁一次，设U_i1为输入直流电压，u_oref为输出参考电压，在工作模式一时，当U_i1≥|u_oref|时，S₆、S₇、S₈常通，S₅常断，以输出电压正半周为例，在一个高频开关周期内，充磁周期D₁T_s对应开关管S₁₁和S₁₄导通，输出滤波电感L_f储能，直流源直接向交流负载提供能量。去磁周期(1-D₁)T_s，对应开关管S₁₃和S₁₄导通，输出滤波电感L_f释能，输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f向负载提供能量。如图4、图5所示，为模式一时，在一个高频开关周期内，所述的单级单相高增益组合式升压逆变器的充磁等效电路图和去磁等效电路图。

设输出滤波电容C_f两端电压在一个高频开关周期内不变化，由图4和图5等效电路可得,

根据状态空间平均法，令

式(1.0)×D₁+式(1.1)×(1-D₁)，可得，单级单相高增益组合式升压逆变器在模式一时的输入输出电压关系为，

U_o＝D₁U_i1 (2.0)

在工作模式二时，当U_i1﹤|u_oref|﹤2U_i1时，以输出电压正半周为例，S₁₁、S₁₄常通，S₆、S₇、S₈常断，在一个高频开关周期内，充磁周期D₂T_s对应开关管S₅导通，储能电感L₁储能，输入电容C_i、电容C₁串联叠加后向交流负载提供能量。去磁周期(1-D₂)T_s，对应开关管S₅关断，储能电感L₁释能，电容C₁储能，输出滤波电容C_f向负载提供能量。如图6、图7所示，为模式二时，在一个高频开关周期内，所述的单级单相高增益组合式升压逆变器的充磁等效电路图和去磁等效电路图。

由图6和图7等效电路可得,

U_o＝U_C1+U_i1 (3.1)

联立式(3.0)、(3.1)、(3.2)单级单相高增益组合式升压逆变器在模式二时输入输出电压关系为，

在工作模式三时，当|u_oref|≥2U_i1时，以输出电压正半周为例，S₁₁、S₁₄、S₈常通，S₆、S₇常断，在一个高频开关周期内，充磁周期D₃T_s对应开关管S₅导通，储能电感L₁储能，输入电容C_i、电容C₁、电容C₂串联叠加后向交流负载提供能量。去磁周期(1-D₃)T_s，对应开关管S₅关断，储能电感L₁释能，电容C₁、电容C₂储能，输出滤波电容C_f向负载提供能量。如图8、图9所示，为模式三时，在一个高频开关周期内，所述的单级单相高增益组合式升压逆变器的充磁等效电路图和去磁等效电路图。

由图8和图9等效电路可得,

U_o＝U_i1+U_C1+U_C2 (5.1)

联立式(5.0)、(5.1)、(5.2)、(5.3)单级单相高增益组合式升压逆变器在模式三时的输入输出电压关系为，

由式(2.0)、(4.0)、(6.0)可看出单级单相高增益组合式升压逆变器，工作在模式一时，它的电压传输比与传统两级式Buck型逆变器相同，但在工作模式三时，相较于传统两级式Boost型逆变器，它的电压传输比变成原来的两倍，使其具有高增益特性，又由于其多模式单级控制的方式使其具有较高的功率密度和较低的开关损耗，单级单相高增益组合式升压逆变器拓扑结构及控制方式具有创新性和新颖性。

图10所示为一种单级单相高增益组合式升压逆变器的控制原理波形，图11为一种单级单相高增益组合式升压逆变器的控制原理框图，本发明一种单级单相高增益组合式升压逆变器采用输出电压反馈的PWM控制策略，如图11所示输出电压反馈信号u_o与输出电压参考u_oref进入输出电压PI外环，PI调节器输出信号u_e再分别与各模式下的前馈控制信号u_s1、u_s2、u_s3进入比较器1、比较器2、比较器3后产生各模式下的储能占空比D₁、D₂、D₃，最后经过组合逻辑电路产生各开关管驱动信号。当输入电压或是输出负载突变时，通过控制各模式下的储能占空比实现输出电压u_o的稳定。因此，本发明所述的一种单级单相高增益组合式升压逆变器控制策略具有可行性及可靠性。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种单级单相高增益组合式升压逆变电路，其特征在于，由输入直流源、开关感容网络、单相高频组合调制开关、输出滤波电路、交流负载或电网负载依序级联构成；所述开关感容网络包括储能电感L₁，储能电容C₁、C₂，高频斩波功率开关S₅，模式选择功率开关S₆、S₇、S₈；输入直流源的参考正极性端与C₁的参考负极性端、L₁的一端相连接，L₁的另一端与S₆的一端、S₅的一端、C₂的参考正极性端相连接，S₇、S₈组合成一个四象限功率开关S_j，S₅的另一端与S_j的一端、输入直流源的参考负极性端相连接，S₆的另一端与C₁的参考正极性端相连接，C₂的参考负极性端与S_j的另一端相连接，共同构成开关感容网络的输出端口，S₆的另一端与C₁的参考正极性端相连接的连接端连接至单相高频组合调制开关的正母线端，S_j的另一端与单相高频组合调制开关的负母线端相连接；所述单相高频组合调制开关由四个承受单相电压应力和双相电流应力的两象限功率开关S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄构成，单相高频组合调制开关可作极性反转电路或高频斩波电路。

2.根据权利要求1所述的一种单级单相高增益组合式升压逆变电路，其特征在于，所述输出滤波电路由输出滤波电感L_f、输出滤波电容C_f依次级联构成。

3.根据权利要求2所述的一种单级单相高增益组合式升压逆变电路，其特征在于，还包括一输入电容C_i，其两端分别与输入直流源的参考正极性端、参考负极性端连接。

4.一种基于权利要求3所述的单级单相高增益组合式升压逆变电路的升压逆变方法，其特征在于，包括三种工作模式，在每个工作模式下，L₁在一个高频开关周期T_s内各充磁和去磁一次，设U_i1为输入直流电压，u_oref为输出参考电压，具体如下：

1)工作模式一：当U_i1≥|u_oref|时，S₆、S₇、S₈常通，S₅常断，对于输出电压正半周，在一个高频开关周期内，充磁周期D₁T_s对应S₁₁和S₁₄导通，L_f储能，输入直流源直接向交流负载提供能量；去磁周期(1-D₁)T_s，对应S₁₃和S₁₄导通，L_f释能，L_f和C_f向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似；

2)工作模式二：当U_i1﹤|u_oref|﹤2U_i1时，对于输出电压正半周，S₁₁、S₁₄常通，S₆、S₇、S₈常断，在一个高频开关周期内，充磁周期D₂T_s对应S₅导通，L₁储能，C_i、C₁串联叠加后向交流负载提供能量；去磁周期(1-D₂)T_s，S₅关断，L₁释能，C₁储能，C_f向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似；

3)工作模式三：当|u_oref|≥2U_i1时，对于输出电压正半周，S₁₁、S₁₄、S₈常通，S₆、S₇常断，在一个高频开关周期内，充磁周期D₃T_s对应S₅导通，L₁储能，C_i、C₁、C₂串联叠加后向交流负载提供能量；去磁周期(1-D₃)T_s，S₅关断，L₁释能，C₁、C₂储能，C_f向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似。

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