CN112737317A - Z源逆变器及供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电力电子技术领域，提供了一种Z源逆变器及供电系统，上述Z源逆变器，第一直流电源，正极与第一开关电感单元的第一端连接，负极分别与第一电容的第一端及第一二极管的阴极连接；第二直流电源，正极分别与第二电容的第二端及第一二极管的阳极连接，负极与第二开关电感单元的第一端连接；第一开关电感单元的第二端分别与第二电容的第一端及三相逆变单元的正输入端连接；第二开关电感单元的第二端分别与第一电容的第二端及三相逆变单元的负输入端连接；三相逆变单元的输出端用于与负载连接。本发明采用电源嵌入结构，直通状态时第一电容及第二电容上的电压减去了直流电源的电压，电压应力降低，电路的安全性及稳定性得到了提升。

Description

Z源逆变器及供电系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种Z源逆变器及供电系统。
背景技术
随着能源的日益短缺、环境污染严重，为有效解决能源危机和环境污染问题，可再生能源发电产业得到大力发展。Z源逆变器凭借可实现升降压变换以及逆变器桥臂直通等特点在新能源发电领域得到了广泛的应用。
传统Z源逆变器(ZSI，Z-sourceinverter)器件电压应力高，电路安全性及稳定性受影响。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种Z源逆变器及供电系统，以解决现有技术中传统Z源逆变器器件电压应力高，电路安全性及稳定性受影响的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种Z源逆变器，包括：第一直流电源、第二直流电源、第一电容、第二电容、第一二极管、第一开关电感单元、第二开关电感单元及三相逆变单元；
第一直流电源，正极与第一开关电感单元的第一端连接，负极分别与第一电容的第一端及第一二极管的阴极连接；
第二直流电源，正极分别与第二电容的第二端及第一二极管的阳极连接，负极与第二开关电感单元的第一端连接；
第一开关电感单元的第二端分别与第二电容的第一端及三相逆变单元的正输入端连接；
第二开关电感单元的第二端分别与第一电容的第二端及三相逆变单元的负输入端连接；
三相逆变单元的输出端用于与负载连接。
可选的，第一开关电感单元包括：第一电感、第二电感、第三电容、第四电容及第二二极管；
第二二极管，阳极分别与第一电感的第二端及第四电容的第一端连接，阴极分别与第三电容的第二端及第二电感的第一端连接；
第一电感的第一端及第三电容的第一端均与第一开关电感单元的第一端连接；
第四电容的第二端及第二电感的第二端均与第一开关电感单元的第二端连接。
可选的，第二开关电感单元包括：第三电感、第四电感、第五电容、第六电容及第三二极管；
第三二极管，阴极分别与第三电感的第二端及第六电容的第一端连接，阳极分别与第五电容的第二端及第四电感的第一端连接；
第三电感的第一端及第五电容的第一端均与第二开关电感单元的第一端连接；
第六电容的第二端及第四电感的第二端均与第二开关电感单元的第二端连接。
可选的，第三电容、第四电容、第五电容及第六电容的容值相同。
可选的，第一电感、第二电感、第三电感及第四电感的电感值相同。
可选的，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容及第六电容均为极性电容。
可选的，第一电容及第二电容的容值相同。
可选的，三相逆变单元包括：三相全桥逆变器及滤波网络；
三相全桥逆变器，正输入端与三相逆变单元的正输入端连接，负输入端与三相逆变单元的负输入端连接，输出端与滤波网络的输入端连接；
滤波网络的输出端与三相逆变单元的输出端连接。
可选的，三相全桥逆变器的输出端包括：第一相输出端、第二相输出端及第三相输出端，第一相输出端、第二相输出端及第三相输出端均与滤波网络连接；
三相全桥逆变器包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；
第一开关管，第一端分别与第三开关管的第一端、第五开关管的第一端及三相全桥逆变器的正输入端连接，第二端分别与第四开关管的第一端及第一相输出端连接；
第三开关管的第二端分别与第六开关管的第一端及第二相输出端连接；
第五开关管的第二端分别与第二开关管的第一端及第三相输出端连接；
第二开关管的第二端、第四开关管的第二端及第六开关管的第二端均与三相全桥逆变器的负输入端连接；
第一开关管的控制端、第二开关管的控制端、第三开关管的控制端、第四开关管的控制端、第五开关管的控制端及第六开关管的控制端均用于接收外部控制指令。
本发明实施例的第二方面提供了一种供电系统，包括如本发明实施例第一方面提供的Z源逆变器。
本发明实施例提供了一种Z源逆变器，包括：第一直流电源、第二直流电源、第一电容、第二电容、第一二极管、第一开关电感单元、第二开关电感单元及三相逆变单元；第一直流电源，正极与第一开关电感单元的第一端连接，负极分别与第一电容的第一端及第一二极管的阴极连接；第二直流电源，正极分别与第二电容的第二端及第一二极管的阳极连接，负极与第二开关电感单元的第一端连接；第一开关电感单元的第二端分别与第二电容的第一端及三相逆变单元的正输入端连接；第二开关电感单元的第二端分别与第一电容的第二端及三相逆变单元的负输入端连接；三相逆变单元的输出端用于与负载连接。本发明实施例提供的Z源逆变器直通状态时第一二极管反向截止，电容向电感充电；非直通状态时，第一二极管正向导通，两个直流电源及电感为电容充电，从而实现升降压。本发明实施例采用电源嵌入结构，设置两个直流电源，直通状态时第一电容及第二电容上的电压减去了直流电源的电压，电压应力降低，电路的安全性及稳定性得到了提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的Z源逆变器的电路结构示意图；
图2是本发明实施例提供的Z源逆变器的电路原理图；
图3是本发明实施例提供的Z源逆变器直通状态时的等效电路图；
图4是本发明实施例提供的Z源逆变器非直通状态时的等效电路图；
图5是本发明实施例提供的Z源逆变器与传统Z源逆变器及改进开关电感型Z源逆变器的升压因子与直通占空比的关系曲线对比图；
图6是传统Z源逆变器启动时的等效电路图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参考图1，本发明实施例提供了一种Z源逆变器，包括：第一直流电源U1、第二直流电源U2、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第一开关电感单元11、第二开关电感单元12及三相逆变单元13；
第一直流电源U1，正极与第一开关电感单元11的第一端连接，负极分别与第一电容C1的第一端及第一二极管D1的阴极连接；
第二直流电源U2，正极分别与第二电容C2的第二端及第一二极管D1的阳极连接，负极与第二开关电感单元12的第一端连接；
第一开关电感单元11的第二端分别与第二电容C2的第一端及三相逆变单元13的正输入端连接；
第二开关电感单元12的第二端分别与第一电容C1的第二端及三相逆变单元13的负输入端连接；
三相逆变单元13的输出端用于与负载连接。
本发明实施例提供的Z源逆变器直通状态时第一二极管D1反向截止，电容向电感充电；非直通状态时，第一二极管D1正向导通，两个直流电源及电感为电容充电，从而实现升降压。本发明实施例采用电源嵌入结构，由于设置两个直流电源，直通状态时第一电容C1及第二电容C2上的电压减去了直流电源的电压，电容上的电压应力降低，电路的安全性及稳定性得到了提升。同时，由于设置两个直流电源和两个开关电感单元参与升压，升压能力得到了有效的提升。本发明实施例还可根据需求组合多种不同的直流电源进行升降压功能，通过合理的控制策略有效的提高Z源逆变器的性能。
一些实施例中，参考图2，第一开关电感单元11可以包括：第一电感L1、第二电感L2、第三电容C3、第四电容C4及第二二极管D2；
第二二极管D2，阳极分别与第一电感L1的第二端及第四电容C4的第一端连接，阴极分别与第三电容C3的第二端及第二电感L2的第一端连接；
第一电感L1的第一端及第三电容C3的第一端均与第一开关电感单元11的第一端连接；
第四电容C4的第二端及第二电感L2的第二端均与第一开关电感单元11的第二端连接。
一些实施例中，参考图2，第二开关电感单元12可以包括：第三电感L3、第四电感L4、第五电容C5、第六电容C6及第三二极管D2；
第三二极管D2，阴极分别与第三电感L3的第二端及第六电容C6的第一端连接，阳极分别与第五电容C5的第二端及第四电感L4的第一端连接；
第三电感L3的第一端及第五电容C5的第一端均与第二开关电感单元12的第一端连接；
第六电容C6的第二端及第四电感L4的第二端均与第二开关电感单元12的第二端连接。
参考图2，对本发明实施例提供的Z源逆变器的工作原理进行详细说明。
为便于分析，取第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3及第四电容C4的容值相同，第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3及第四电感L4的电感值相同，第一直流电源U1和第二直流电源U2的电压值相同。
1、三相逆变单元13工作在直通状态时，三相逆变单元13短路，第一二极管D1反向截止，第二二极管D2及第三二极管D3也反向截止，等效电路图如图3所示。第一开关电感单元11中，第一电感L1与第四电容C4串联连接，并与串联连接的第三电容C3与第二电感L2并联连接；第二开关电感单元12同上。第一电容C1、第三电容C3及第四电容C4为第一电感L1和第二电感L2充电，第二电容C2、第五电容C5及第六电容C6为第三电感L3及第四电感L4充电。
Figure BDA0002864971570000061
其中，Vin为第一直流电源U1和第二直流电源U2两端的电压，VC1为第一电容C1两端的电压，VC2为第二电容C2两端的电压，VC3为第三电容C3两端的电压，VC4为第四电容C4两端的电压，VC5为第五电容C5两端的电压，VC6为第六电容C6两端的电压；VL1为第一电感L1两端的电压，VL2为第二电感L2两端的电压，VL3为第三电感L3两端的电压，VL4为第四电感L4两端的电压。
2、三相逆变单元13工作在非直通状态时，三相逆变器13和负载可等效为电流源Udc。第一二极管D1正向导通，第二二极管D2及第三二极管D3也正向导通，等效电路图如图4所示。并联连接的第一电感L1和第三电容C3与并联的第四电容C4及第二电感L2串联连接，并联连接的第三电感L3和第五电容C5与并联连接的第六电容C6和第四电感L4串联连接。第一直流电源U1、第二直流电源U2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3及第四电感L4为，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3及第四电容C4、第五电容C5及第六电容C6及负载供电。根据基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0002864971570000071
其中，Vdc为电流源Udc的电压；
设开关周期为T，直通占空比为D，则直通时间T1＝TD，非直通时间T2＝(1-D)T。
由于稳态下电感满足伏秒平衡原理，一个开关周期T内电感的平均电压为0，由此，结合式(1)和式(2)可得：
DT(VC1+VC4+Vin)-(1-D)TVC3＝0 (3)
Figure BDA0002864971570000081
结合式(1)、式(2)及式(3)可得：
Figure BDA0002864971570000082
由以上可得，
Figure BDA0002864971570000083
传统Z源逆变器(ZSI)的升压式为：
Figure BDA0002864971570000084
改进开关电感型Z源逆变器(ISI-ZSI，Improved Switched Inductor Z-SourceInverter)的升压式为：
Figure BDA0002864971570000085
由以上可知，同时结合图5可知，本发明实施例提供的Z源逆变器由于加入双电源及设置开关电感单元升压因子更大，在相同占空比时可获得更大的升压能力，升压能力得到了有效的提升，拓宽了调制比的范围，适用场合更加广泛，可适用于低电压输入场合，例如光伏、燃料电池等。通过合理的控制策略可实现灵活升压，同时可实现更高效的能量流动，电压利用率更高。
由式(1)可知，VC1＝VL2-VC3-Vin，第一电容C1两端的电压减去一项第一直流电源U1的电压，第一电容C1的电压应力更小。同理，第二电容C2的电压应力也更小，从而提高了Z源逆变器的安全性及稳定性。
同时，启动的瞬间电容相当于短路，传统Z源逆变器会形成如图6所示的回路，由于回路阻抗较小，从而导致启动时的回路电流很大，对电路造成冲击。本发明实施例中直流电源与开关电感单元连接，避开了原来的电流通路，启动时的冲击电流得到了改善，提高了Z源逆变器的可靠性。
一些实施例中，第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5及第六电容C6的容值可以相同。
一些实施例中，第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3及第四电感L4的电感值可以相同。
一些实施例中，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5及第六电容C6均可以为极性电容。
一些实施例中，第一电容C1及第二电容C2的容值相同。
通过上述设置使得Z源逆变器的结构对称。
一些实施例中，三相逆变单元13可以包括：三相全桥逆变器131及滤波网络132；
三相全桥逆变器131，正输入端与三相逆变单元13的正输入端连接，负输入端与三相逆变单元13的负输入端连接，输出端与滤波网络132的输入端连接；
滤波网络132的输出端与三相逆变单元13的输出端连接。
滤波网络132的电路原理图参考图2，在此不再赘述。
一些实施例中，参考图2，三相全桥逆变器131的输出端包括：第一相输出端、第二相输出端及第三相输出端，第一相输出端、第二相输出端及第三相输出端均与滤波网络132连接；
三相全桥逆变器131可以包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5及第六开关管S6；
第一开关管S1，第一端分别与第三开关管S3的第一端、第五开关管S5的第一端及三相全桥逆变器131的正输入端连接，第二端分别与第四开关管S4的第一端及第一相输出端连接；
第三开关管S3的第二端分别与第六开关管S6的第一端及第二相输出端连接；
第五开关管S5的第二端分别与第二开关管S2的第一端及第三相输出端连接；
第二开关管S2的第二端、第四开关管S4的第二端及第六开关管S6的第二端均与三相全桥逆变器131的负输入端连接；
第一开关管S1的控制端、第二开关管S2的控制端、第三开关管S3的控制端、第四开关管S4的控制端、第五开关管S5的控制端及第六开关管S6的控制端均用于接收外部控制指令。
综上，本发明实施例提供的Z源逆变器电路结构简单，采用双电源结构且结构高度对称，升压能力强，调制比范围较宽，电压利用率高，元件应力小，启动冲击电流小，电路升降压性能、安全性、稳定性及可靠性均得到了有效的提升。同时可根据需求灵活组合多种电源进行升降压。
对应于上述任一种Z源逆变器，本发明实施例还提供了一种供电系统，包括上述实施例提供的任一种Z源逆变器，且具有上述Z源逆变器所具有的优点，在此不再赘述。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Z源逆变器，其特征在于，包括：第一直流电源、第二直流电源、第一电容、第二电容、第一二极管、第一开关电感单元、第二开关电感单元及三相逆变单元；
所述第一直流电源，正极与所述第一开关电感单元的第一端连接，负极分别与所述第一电容的第一端及所述第一二极管的阴极连接；
所述第二直流电源，正极分别与所述第二电容的第二端及所述第一二极管的阳极连接，负极与所述第二开关电感单元的第一端连接；
所述第一开关电感单元的第二端分别与所述第二电容的第一端及所述三相逆变单元的正输入端连接；
所述第二开关电感单元的第二端分别与所述第一电容的第二端及所述三相逆变单元的负输入端连接；
所述三相逆变单元的输出端用于与负载连接。
2.如权利要求1所述的Z源逆变器，其特征在于，所述第一开关电感单元包括：第一电感、第二电感、第三电容、第四电容及第二二极管；
所述第二二极管，阳极分别与所述第一电感的第二端及所述第四电容的第一端连接，阴极分别与所述第三电容的第二端及所述第二电感的第一端连接；
所述第一电感的第一端及所述第三电容的第一端均与所述第一开关电感单元的第一端连接；
所述第四电容的第二端及所述第二电感的第二端均与所述第一开关电感单元的第二端连接。
3.如权利要求2所述的Z源逆变器，其特征在于，所述第二开关电感单元包括：第三电感、第四电感、第五电容、第六电容及第三二极管；
所述第三二极管，阴极分别与所述第三电感的第二端及所述第六电容的第一端连接，阳极分别与所述第五电容的第二端及所述第四电感的第一端连接；
所述第三电感的第一端及所述第五电容的第一端均与所述第二开关电感单元的第一端连接；
所述第六电容的第二端及所述第四电感的第二端均与所述第二开关电感单元的第二端连接。
4.如权利要求3所述的Z源逆变器，其特征在于，所述第三电容、所述第四电容、所述第五电容及所述第六电容的容值相同。
5.如权利要求3所述的Z源逆变器，其特征在于，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感及所述第四电感的电感值相同。
6.如权利要求3所述的Z源逆变器，其特征在于，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容、所述第四电容、所述第五电容及所述第六电容均为极性电容。
7.如权利要求1至6任一项所述的Z源逆变器，其特征在于，所述第一电容及所述第二电容的容值相同。
8.如权利要求1至6任一项所述的Z源逆变器，其特征在于，所述三相逆变单元包括：三相全桥逆变器及滤波网络；
所述三相全桥逆变器，正输入端与所述三相逆变单元的正输入端连接，负输入端与所述三相逆变单元的负输入端连接，输出端与所述滤波网络的输入端连接；
所述滤波网络的输出端与所述三相逆变单元的输出端连接。
9.如权利要求8所述的Z源逆变器，其特征在于，所述三相全桥逆变器的输出端包括：第一相输出端、第二相输出端及第三相输出端，所述第一相输出端、所述第二相输出端及所述第三相输出端均与所述滤波网络连接；
所述三相全桥逆变器包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；
所述第一开关管，第一端分别与所述第三开关管的第一端、所述第五开关管的第一端及所述三相全桥逆变器的正输入端连接，第二端分别与所述第四开关管的第一端及所述第一相输出端连接；
所述第三开关管的第二端分别与所述第六开关管的第一端及所述第二相输出端连接；
所述第五开关管的第二端分别与所述第二开关管的第一端及所述第三相输出端连接；
所述第二开关管的第二端、所述第四开关管的第二端及所述第六开关管的第二端均与所述三相全桥逆变器的负输入端连接；
所述第一开关管的控制端、所述第二开关管的控制端、所述第三开关管的控制端、所述第四开关管的控制端、所述第五开关管的控制端及所述第六开关管的控制端均用于接收外部控制指令。
10.一种供电系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的Z源逆变器。
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Application publication date: 20210430

Assignee: SHIJIAZHUANG ANBANG SHITONG AUTOMATION EQUIPMENT CO.,LTD.

Assignor: HEBEI University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022130000017

Denomination of invention: Z-source inverter and power supply system

Granted publication date: 20220412

License type: Common License

Record date: 20220727