CN112994500A - 一种单级单相非对称全桥逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种单级单相非对称全桥逆变器，包括储能电感、单相非对称逆变桥、升压缓冲电容和输出滤波器；所述单相非对称逆变桥包括五个能够承受单向电压应力和双向电流应力的两象限功率开关。本发明具有单级升压变换、能抑制输入直流电压源的二次纹波电流和逆变系统共模电流，功率密度高、变换效率高、输出波形失真度低、可靠性高、成本低等优点，适用于中小容量单相升压逆变场合。

Description

一种单级单相非对称全桥逆变器
技术领域：
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种单级单相非对称全桥逆变器。
背景技术：
随着人们对能源需求的不断增长以及对改善环境方面的迫切要求，太阳能、风能等新能源在各国能源布局中将占据着越来越重要的地位。光伏发电系统具有易于清洁可持续、寿命长、效率高、成本低等特点，在电力市场中具有非常广阔的发展前景。
近些年来由于非隔离型光伏逆变器在体积，成本等方面所具有的优势吸引了人们的广泛关注。非隔离型光伏逆变器直流侧有二次纹波功率脉动，会影响光伏系统MPPT的性能，降低了系统的工作效率和光伏电池的使用寿命。此外，在非隔离型光伏逆变器工作过程中，由于光伏电池对地有并联电容，会和大地之间产生漏电流，漏电流会增加系统的功率损耗，对并网电流产生畸变并且还会产生安全问题。
为了抑制直流侧二次纹波电流脉动，传统的方法是在直流侧加入大容量的电解电容，该方法简单方便易于实施，但缺点是体积大，等效串联电阻比较高，在高温环境下的使用寿命低，对光伏系统的长时间可靠运行带来了很高的挑战。为了能够降低电容量以及采用寿命更长的薄膜电容或陶瓷电容取代电解电容，研究人员加入了额外的有源功率解耦电路或辅助电路来抑制直流侧的二次纹波功率脉动。除了抑制直流侧的二次纹波外，非隔离型光伏并网系统还必须要解决光伏电池对地漏电流问题。根据漏电流的产生原理，可以从以下几个方面消除：确保光伏电池负端和交流电网地之间电压为常数或低频分量；或者当逆变器在每个开关周期输出零电压矢量时通过将光伏源和交流电网隔离；或者将光伏源负端和交流电网负端连接在一起。上述三种方案都可以消除光伏电池对地漏电流，但是前两种方案需要添加额外的器件，成本较高。因此，积极寻求一种具有低成本、能抑制直流侧二次纹波电流以及共模漏电流、易于实现的逆变器具有重要现实意义。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种单级单相非对称全桥逆变器，该逆变器能够将不稳定、低幅值、劣质的直流电变换成稳定、高幅值、优质的单相输出正弦交流电，且该逆变器还具有抑制直流电压源的输入电流二次纹波和光伏逆变系统共模漏电流的能力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单级单相非对称全桥逆变器，其特征在于：包括储能电感、单相非对称逆变桥、升压缓冲电容、输出滤波器，所述的单相非对称逆变桥由五个全控型功率开关构成。
进一步地，所述单相非对称逆变桥包括第一逆变桥臂和第二逆变桥臂，由第一功率开关S1、第五功率开关S5、第三功率开关S3依次串联构成第一逆变桥臂，由第二功率开关S2、第四功率开关S4依次串联构成第二逆变桥臂；所述储能电感L1的一端与直流电压源Ui的正极相连，所述储能电感L1的另一端与所述第一逆变桥臂第五功率开关S5的漏极、第一功率开关S1的源极相连；所述第一逆变桥臂第三功率开关S3的漏极和直流电压源的负极相连，作为所述单相非对称逆变桥的一输出端，所述第二逆变桥臂第二功率开关S2的源极和第四功率开关S4的漏极相连，作为所述单相非对称逆变桥的另一输出端；所述单相非对称逆变桥的一输出端和另一输出端分别与所述输出滤波器的两输入端连接；所述输出滤波器的两个输出端与输出交流负载ZL连接。所述升压缓冲电容CB的一端与第一逆变桥臂第一功率开关S1的漏极、第二逆变桥臂第二功率开关S2的漏极相连，升压缓冲电容CB的另一端与第一逆变桥臂第三功率开关S3的源极、第二逆变桥臂第四功率开关S4的源极相连。
进一步地，所述单相非对称逆变桥的五个全控型功率开关为能够承受单向电压应力和双向电流应力的两象限功率开关。
进一步地，所述输出滤波器能够选择低通滤波器或带通滤波器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
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、优质的单相输出正弦交流电，具有单级升压变换、能抑制输入直流电压源的二次纹波电流和逆变系统共模电流，功率密度高、变换效率高、输出波形失真度低、可靠性高、成本低等优点，适用于中小容量单相升压逆变场合，特别适用于光伏、风力发电系统全程光能、风能利用和最大功率点跟踪控制。
附图说明
图1是本发明实施例的电路结构。
图2是本发明实施例的单级单相非对称全桥逆变器一阶L滤波的电路拓扑。
图3是本发明实施例的单级单相非对称全桥逆变器二阶LC滤波的电路拓扑。
图4是本发明实施例的单级单相非对称全桥逆变器三阶LCL滤波的电路拓扑。
图5是本发明实施例的单级单相非对称全桥逆变器离网逆变时的双目标控制策略。
图6是本发明实施例的单级单相非对称全桥逆变器单极性SPWM调制方案。
图7是本发明实施例的单级单相非对称全桥逆变器二阶LC滤波时开关等效电路I。
图8是本发明实施例的单级单相非对称全桥逆变器二阶LC滤波时开关等效电路II。
图9是本发明实施例的单级单相非对称全桥逆变器二阶LC滤波时开关等效电路III。
图10是本发明实施例的单级单相非对称全桥逆变器二阶LC滤波时开关等效电路IV。
具体实施方式：
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种单级单相非对称全桥逆变器，包括储能电感、单相非对称逆变桥、升压缓冲电容、输出滤波器，所述的单相非对称逆变桥由五个全控型功率开关构成。
其中，所述单相非对称逆变桥中的五个全控型功率开关为能够承受单向电压应力和双向电流应力的两象限功率开关。
在本实施例中，所述单相非对称逆变桥包括第一逆变桥臂和第二逆变桥臂，由第一功率开关S1、第五功率开关S5、第三功率开关S3依次串联构成第一逆变桥臂，由第二功率开关S2、第四功率开关S4依次串联构成第二逆变桥臂；所述储能电感L1的一端与直流电压源Ui的正极相连，所述储能电感L1的另一端与所述第一逆变桥臂第五功率开关S5的漏极、第一功率开关S1的源极相连；所述第一逆变桥臂第三功率开关S3的漏极和直流电压源的负极相连，作为所述单相非对称逆变桥的一输出端，所述第二逆变桥臂第二功率开关S2的源极和第四功率开关S4的漏极相连，作为所述单相非对称逆变桥的另一输出端；所述单相非对称逆变桥的一输出端和另一输出端分别与所述输出滤波器的两输入端连接；所述输出滤波器的两个输出端与输出交流负载ZL连接。所述升压缓冲电容CB的一端与第一逆变桥臂第一功率开关S1的漏极、第二逆变桥臂第二功率开关S2的漏极相连，升压缓冲电容CB的另一端与第一逆变桥臂第三功率开关S3的源极、第二逆变桥臂第四功率开关S4的源极相连。
本发明首次提出了单级单相非对称全桥逆变器的新概念与电路结构，即由输入电压源Ui、储能电感L1与第一逆变桥臂的第五功率开关S5构成储能电感L1的充磁回路；由输入电压源Ui、储能电感L1、第一逆变桥臂的第一功率开关S1和第三功率开关S3以及升压缓冲电容CB构成储能电感L1的去磁回路；由升压缓冲电容CB、第二逆变桥臂的第二功率开关S2和第一逆变桥臂的第三功率开关S3(或第一逆变桥臂第一功率开关S1、第一逆变桥臂第五功率开关S5和第二逆变桥臂功率开关S4)、输出滤波器以及负载构成升压缓冲电容放电回路；由第一逆变桥臂的第三功率开关S3、第二逆变桥臂功率开关S4、输出滤波器以及负载构成负载续流回路；通过储能电感的充磁回路和去磁回路实现逆变器对直流电压的升压变换；通过升压缓冲电容的放电回路和负载续流回路实现逆变器的降压逆变功能。通过储能电感的去磁回路以及升压缓冲电容的放电回路维持稳定的缓冲电容电压。
图1中，Ui为输入直流电压源，储能电感L1用于逆变升压变换，升压缓冲电容CB用于维持较高的直流母线电压，并缓冲输入输出端之间的功率脉动，以达到整个低频输出周期内系统输入、输出能量平衡的目的；当电路应用光伏发电系统时，由于光伏电池负端和电网中性点都接地，使得光伏电池等效的对地并联电容短路，流过并联电容的电流为0，电路中没有共模电流，从而降低了电路中的电磁干扰，提高了系统的可靠性和安全性；输出滤波器用于滤除单相非对称逆变桥输出侧电压、电流的高频纹波分量，以确保逆变器的输出波形质量；ZL为逆变器运行时的负载阻抗，包括无源负载和有源负载。
本发明解决了传统两级式Boost升压电路直流母线电容过大的问题，并解决了输入电流二次纹波脉动以及共模漏电流的问题，因此，具备单级升压变换、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)、输入电压范围广、成本低、应用前景广泛等优点，是一种理想的节能降耗型单相逆变器，为可再生能源的分布式发电提供了新方法，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。
在本实施例中，所述输出滤波器为一阶L滤波器或二阶LC滤波器或三阶LCL滤波，主要用于滤除单相非对称逆变桥输出侧的电压纹波。采用一阶L滤波的情况，适用于对输出波形质量要求不高的逆变场合；采用二阶LC滤波或者三阶LCL滤波的情况，适用于对输出波形质量要求高的逆变场合。本实施例还提供了采用一阶L滤波、二阶LC滤波和三阶LCL滤波三种具体电路拓扑，如图2、3、4所示。
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、风力机等)变换成所需的稳定、优质、高压、单相正弦交流电，广泛应用于中小容量、升压场合的民用工业逆变电源(如通讯逆变器和光伏并网逆变器24VDC/220V50HzAC、24VDC/110V60HzAC、48VDC/220V50HzAC、48VDC/110V60HzAC)和国防工业逆变电源(如航空静止变流器27VDC/115V400HzAC)等。
本发明可以采用双目标复合控制的离网控制策略，和三目标复合控制的并网控制策略。以图3所示采用二阶LC滤波的具有二次纹波电流和共模电流抑制能力的单级单相非对称全桥逆变器离网工作的情况为例，其离网逆变时双目标复合控制策略如图5所示，电路采用单极性SPWM调制方案，如图6所示。
由图5可知，所述一种单级单相非对称全桥逆变器离网工作时，电路设置了升压缓冲电容电压平均值参考值uCBavg_ref以及逆变器输出电压参考值uo_ref，系统采样并反馈升压缓冲电压瞬时值uCB、储能电感电流iL1和逆变器输出电压uo，通过适当的逻辑关系获得功率开关S1、S2、S3、S4、S5、的驱动信号，达到了获得如图6所示控制原理波形的目的。
根据图5所示的离网控制策略，电路采样升压缓冲电压上的瞬时值uCB，通过滑动平均滤波滤波后得到其平均值uCBavg，再通过PI调节器得到输入电流内环的参考值iL1_ref，最后通过输入电流内环的PI调节器得到储能占空比d的控制信号；输出电压环通过对采样回来的输出电压瞬时值uo进行PI运算，得到逆变桥馈能占空比m的控制信号。在得出控制信号m和d信号之后，经过单级性SPWM调制方案得出五路功率开关的驱动信号，即可实现对逆变器的控制。
在本实施例中，本发明所提出的一种单级单相非对称全桥逆变器具有四种电路模态，其开关等效电路分别如图7、8、9、10所示，具体如下：
工作模态I：功率开关S2、S3、S5导通，S1、S4关断，直流电压源通过功率开关S5给电感L1充磁，升压缓冲电容电压通过功率开关S2、S3给输出滤波器和负载正向馈能。
工作模态II：功率开关S3、S4、S5导通，S1、S2关断，直流电压源通过功率开关S5给电感L1充磁，输出滤波器和负载通过功率开关S3、S4续流。
工作模态III：功率开关S1、S3、S4导通，S2、S5关断，直流电压源和电感L1通过功率开关S1、S3给升压缓冲电容电压CB充电，输出滤波器和负载通过S3、S4续流。
工作模态IV：功率开关S1、S4、S5导通，S2、S3关断，直流电压源通过功率开关S5给电感L1充磁，升压缓冲电容电压通过功率开关S5、S1、S4给输出滤波器和负载反向馈能。
本发明所提出的单级单相非对称全桥逆变器在输出正半周的每个高频开关周期内电路工作模态出现的顺序为I、II、III，在输出负半周的每个高频开关周期内电路工作模态出现的顺序为IV、II、III，其中电路模态II和III为正负半周所共有的模态，电路模态I、IV分别存在于正、负半周中。
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)

1.一种单级单相非对称全桥逆变器，提供一输入直流电压源Ui和输出交流负载ZL，其特征在于：包括储能电感、单相非对称逆变桥、升压缓冲电容、输出滤波器，所述的单相非对称逆变桥由五个全控型功率开关构成。
2.根据权利要求1所述的一种单级单相非对称全桥逆变器，其特征在于，所述单相非对称逆变桥包括第一逆变桥臂和第二逆变桥臂，由第一功率开关S1、第五功率开关S5、第三功率开关S3依次串联构成第一逆变桥臂，由第二功率开关S2、第四功率开关S4依次串联构成第二逆变桥臂；所述储能电感L1的一端与直流电压源Ui的正极相连，所述储能电感L1的另一端与所述第一逆变桥臂第五功率开关S5的漏极、第一功率开关S1的源极相连；所述第一逆变桥臂第三功率开关S3的漏极和直流电压源的负极相连，作为所述单相非对称逆变桥的一输出端，所述第二逆变桥臂第二功率开关S2的源极和第四功率开关S4的漏极相连，作为所述单相非对称逆变桥的另一输出端；所述单相非对称逆变桥的一输出端和另一输出端分别与所述输出滤波器的两输入端连接；所述输出滤波器的两个输出端与输出交流负载ZL连接。所述升压缓冲电容CB的一端与第一逆变桥臂第一功率开关S1的漏极、第二逆变桥臂第二功率开关S2的漏极相连，升压缓冲电容CB的另一端与第一逆变桥臂第三功率开关S3的源极、第二逆变桥臂第四功率开关S4的源极相连。
3.根据权利要求1所述的一种单级单相非对称全桥逆变器，其特征在于，所述单相非对称逆变桥的五个全控型功率开关为能够承受单向电压应力和双向电流应力的两象限功率开关。
4.根据权利要求1所述的一种单级单相非对称全桥逆变器，其特征在于：所述输出滤波器能够选择低通滤波器或带通滤波器。
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