CN114172404B - 逆变拓扑电路和逆变器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种逆变拓扑电路和逆变器，包括：全桥单元，用于将直流输入逆变为交流输出，所述全桥单元包括并联的第一桥臂和第二桥臂；滤波单元，与所述全桥单元的交流侧连接，用于对所述交流输出进行滤波，所述滤波单元包括第一电感和第二电感；极性切换单元，用于所述逆变拓扑电路的控制方式切换，所述极性切换单元包括至少两个电性连接的两个开关管；当采用双极性控制方式时，所述极性切换单元断开，所述全桥单元进行逆变，交流输出电流流经所述第一电感和所述第二电感；当采用单极性控制方式时，所述极性切换单元至少部分导通，交流输出电流流经所述第一电感和至少部分的所述极性切换单元，所述第二电感不工作。

Description

逆变拓扑电路和逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种逆变拓扑电路和逆变器。
背景技术
由于全球变暖，环境污染严重，太阳能、风能等环保、可再生新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。光伏并网逆变器能够将太阳能板产生的直流电转换为与市电同频同相的交流电并送入电网，是光伏发电系统与电网之间连接的重要设备之一。电网的负荷存在感性和容性负荷，因此需要光伏并网逆变器能够输出无功以实现无功输出。
现有的并网逆变器一般采用双极性控制方式或简单的单极性控制方式，在采用单极性控制方式进行无功输出时，在电网电压过零点附近时，开关管存在过零点死区不能工作、并网电流波形产生畸变、增大高频谐波含量等问题。而采用双极性的控制方式，虽然解决了过零畸变的问题且电感体积也更小，但由于开关频率的提高，开关损耗比单极性控制方式大。
发明内容
针对以上缺陷，本发明提出了一种逆变拓扑电路和逆变器，通过控制逆变器的控制方式的切换，降低逆变器的开关损耗和电感损耗，提高逆变器的工作效率和输出无功功率时的电能质量。
本申请提供一种逆变拓扑电路，所述逆变拓扑电路包括：
全桥单元，用于将直流输入逆变为交流输出，所述全桥单元包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括串联的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管之间的中间节点作为所述全桥单元的交流侧的第一端，所述第二桥臂包括串联的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管之间的中间节点作为所述全桥单元的交流侧的第二端；
滤波单元，与所述全桥单元的交流侧连接，用于对所述交流输出进行滤波，所述滤波单元包括第一电感和第二电感，所述第一电感的一端与所述全桥单元的交流侧的第一端连接，所述第二电感的一端与所述全桥单元的交流侧的第二端连接；
极性切换单元，用于所述逆变拓扑电路的控制方式切换，所述极性切换单元包括至少两个电性连接的两个开关管；
当采用双极性控制方式时，所述极性切换单元断开，所述全桥单元进行逆变，交流输出电流流经所述第一电感和所述第二电感；
当采用单极性控制方式时，所述极性切换单元至少部分导通，交流输出电流流经所述第一电感和至少部分的所述极性切换单元，所述第二电感不工作。
进一步的，所述第二电感的体积和线圈直径小于所述第一电感。
进一步的，所述滤波单元还包括第一电容，所述第一电容的第一端与所述第一电感的另一端连接，所述第一电容的第二端与所述第二电感的另一端连接。
进一步的，所述至少两个电性连接的两个开关管包括串联的第五开关管和第六开关管，所述第五开关管和第六开关管构成与所述全桥单元并联的第三桥臂，所述第五开关管和第六开关管之间的中间节点与所述第一电容的第二端连接；
当采用双极性控制方式时，所述第五开关管和所述第六开关管断开；
当采用单极性控制方式时，所述第二桥臂断开，所述第五开关管和所述第六开关管中至少一个导通，所述第一桥臂配合所述第三桥臂进行逆变。
进一步的，所述全桥单元的交流侧与电网连接，当采用单极性控制方式且电网电压大于0时，第六开关管导通，当采用单极性控制方式且电网电压小于0时，第五开关管导通。
进一步的，所述至少两个电性连接的两个开关管包括反向串联的第五开关管和第六开关管，所述第六开关管的一端与所述第一电容的第二端连接，所述第六开关管的另一端与所述第五开关管的一端连接，所述第五开关管的另一端与所述全桥单元的交流侧的第二端连接；
当采用双极性控制方式时，所述第五开关管和所述第六开关管断开；
当采用单极性控制方式时，所述第五开关管和所述第六开关管导通。
进一步的，所述第五开关管的源极和第六开关管的源极连接，第五开关管的漏极与所述全桥单元的交流侧的第二端连接，第六开关管的漏极与所述第一电容的第二端连接，所述第五开关管和所述第六开关管采用相同的对地的驱动信号。
进一步的，所述第五开关管和所述第六开关管的导通电阻低于第一至第四开关管的导通电阻。
本申请还提供一种逆变器，包括如上所述的逆变拓扑电路，以及，控制装置，所述控制装置用于对所述逆变拓扑电路进行控制，切换所述逆变器的控制方式。
进一步的，所述逆变器为并网逆变器，所述控制装置检测电网电压，在一个电网电压周期，当所述电网电压的绝对值大于预设值时，所述控制装置采用单极性控制方式控制所述逆变拓扑电路工作，当所述电网电压的绝对值小于预设值时，所述控制装置采用双极性控制方式控制所述逆变拓扑电路工作。
本申请提供的逆变拓扑电路和逆变器，通过汲取单双极性两种控制方式切换和配合的优势，降低了开关损耗和电感损耗、提高了工作效率和输出无功功率时电能质量。
进一步的，当逆变拓扑电路工作在单极性控制方式时，在每个电网电压周期的正半周期和负半周期，只有一个电感工作，电网电流流经同一个电感，另一个电感上无电流通过，因此另一个电感仅需按工作在双极性控制方式时的工作范围设计，电感体积和线圈直径都更小。第五开关管和第六开关管只工作在单极性区域，工频开关动作，可以选择导通电阻更低，开关速度更低，价格更低的开关管。有利于降低损耗，提高效率，同时节省成本。
附图说明
图1为本申请第一实施方式提供的逆变拓扑电路的示意图；
图2为本申请第一实施方式提供的逆变拓扑电路在第一工作状态的示意图；
图3为本申请第一实施方式提供的逆变拓扑电路在第二工作状态的示意图；
图4为本申请第一实施方式提供的逆变拓扑电路在第三工作状态的示意图；
图5为本申请第一实施方式提供的逆变拓扑电路在第四工作状态的示意图；
图6为本申请第一实施方式提供的逆变拓扑电路在第五工作状态的示意图；
图7为本申请第一实施方式提供的逆变拓扑电路在第六工作状态的示意图；
图8为本申请提供的逆变拓扑电路的控制方法的流程图；
图9为本申请第二实施方式提供的逆变拓扑电路的示意图；
图10为本申请提供的逆变器的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
现有的并网逆变器一般采用双极性控制方式或简单的单极性控制方式。
单极性控制方式是指逆变器桥臂中点在一个开关周期内输出电压只有两种电平（正和零，或者，负和零）。双极性控制方式是指逆变器桥臂中点在一个开关周期内输出电压有正负两种电平。
在采用单极性控制方式进行无功输出时，在电网电压过零点附近时，由于电网电压过低导致逆变器侧电感电流下降阶段施加在逆变器侧电感两端的反向电压过小，导致逆变器侧电感电流下降速率缓慢，此时，开关管的开关频率趋向于零，即开关周期趋于无穷大，不仅在实际控制中无法实现，还会因为开关频率过低从而导致电网电压过零点处电流出现震荡，并网电流波形出现畸变。在单极性控制方式中，一般选择在电网电压过零点附近将所有开关管全部关断的方式缓解震荡，但无法从根本解决并网电流出现畸变的问题。
与此相对，双极性控制方式下由于整体的开关频率较高，同时不存在过零点附近开关频率过低的问题，在双极性控制方式下，解决了并网电流过零畸变的问题，并网电流质量有大幅提升。但是，双极性控制方式下，过高的开关频率带来了严重的开关损耗，同时，双极性控制方式下，逆变器的整体效率要远低于相同电路参数下工作于单极性控制方式下的逆变器。
根据以上说明可以知道，单极性控制方式虽然在效率上相较于双极性控制方式有着明显的优势，但是却存在并网电流过零畸变的问题，双极性控制方式虽然可以能够保证输出正弦度更高的并网电流却因为效率缺陷和开关损耗问题存在使用限制。
由于单极性控制方式和双极性控制方式各自存在缺陷，本申请针对其不足提供一种逆变拓扑电路和逆变器，来保证逆变器高效率工作的同时亦能输出正弦度高的并网电流。
本申请提供一种逆变拓扑电路，所述逆变拓扑电路包括：
全桥单元，用于将直流输入逆变为交流输出，所述全桥单元包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括串联的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管之间的中间节点作为所述全桥单元的交流侧的第一端，所述第二桥臂包括串联的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管之间的中间节点作为所述全桥单元的交流侧的第二端；
滤波单元，与所述全桥单元的交流侧连接，用于对所述交流输出进行滤波，所述滤波单元包括第一电感和第二电感，所述第一电感的一端与所述全桥单元的交流侧的第一端连接，所述第二电感的一端与所述全桥单元的交流侧的第二端连接；
极性切换单元，用于所述逆变拓扑电路的控制方式切换，所述极性切换单元包括至少两个 电性连接的两个开关管；
当采用双极性控制方式时，所述极性切换单元断开，所述全桥单元进行逆变，交流输出电流流经所述第一电感和所述第二电感；
当采用单极性控制方式时，所述极性切换单元至少部分导通，交流输出电流流经所述第一电感和至少部分的所述极性切换单元，所述第二电感不工作。
所述滤波单元还包括第一电容，所述第一电容的第一端与所述第一电感的另一端连接，所述第一电容的第二端与所述第二电感的另一端连接。
如图1所示，本申请提供的第一实施例的一种逆变拓扑电路的结构示意图。所述逆变拓扑电路包括：全桥单元101、极性切换单元102和滤波单元103。
其中，全桥单元101与直流源连接，包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括串联的第一开关管S1和第二开关管S2，所述第一开关管S1和第二开关管S2之间的中间节点作为所述全桥单元101的交流侧的第一端，所述第二桥臂包括串联的第三开关管S3和第四开关管S4，所述第三开关管S3和第四开关管S4之间的中间节点作为所述全桥单元101的交流侧的第二端。
滤波单元103与所述全桥单元101的交流侧连接，用于对所述交流输出进行滤波，所述滤波单元103包括第一电感L1和第二电感L2。所述第一电感L1的一端与所述全桥单元101的交流侧的第一端连接，所述第二电感L2的一端与所述全桥单元101的交流侧的第二端连接。
如图1所示，在本申请的第一实施方式中，所述极性切换单元102包括与所述全桥单元101并联的第三桥臂，所述第三桥臂包括串联的第五开关管S5和第六开关管S6，用于在单极性控制方式下的正半周期和负半周期输出的切换。
所述滤波单元103还包括第一电容C，所述第一电容C的第一端与所述第一电感L1的另一端连接，所述第一电容C的第二端与所述第二电感L2的另一端连接。第五开关管S5和第六开关管S6之间的中间节点与第一电容C的第二端连接。
本申请以所述逆变拓扑电路用于并网逆变器为例，所述第一电容C的第一端和第二端用于与电网连接，提供交流输出电压，所述交流输出电压与电网电压同频同相。但不限于此，所述逆变拓扑电路也可用于其他类型的逆变器，此时，所述第一电容C的第一端和第二端用于与负载连接。
第一至第四开关管S1-S4的类型可以是MOS管、IGBT及与IGBT反向并联的二极管组成的开关管等，第五开关管S5和第六开关管S6的类型可以是MOS管、IGBT及与IGBT反向并联的二极管组成的开关管、晶闸管等，本实施例以第一至第六开关管S1-S6都为MOS管为例说明。
根据本申请第一实施方式提供的逆变拓扑电路，本申请将单极性控制方式与双极性控制方式相结合，采取单极性、双极性相结合的混合调制方式。在电网电压过零点附近区域内，采用双极性控制方式，使得电压过零点处平滑切换过渡，而在其它区域采用单极性控制方式。使用双极性控制方式进行控制的区域在整个工频周期中所占比例很小，这种混合了单极性和双极性的控制方式，能够兼顾逆变器的输出效率和输出电流的波形质量。
具体的，根据本申请第一实施方式提供的逆变拓扑电路，当逆变拓扑电路采用双极性控制方式时，所述第五开关管S5和所述第六开关管S6断开。当逆变拓扑电路采用单极性控制方式时，所述第二桥臂断开，所述第五开关管S5和所述第六开关管S6中至少一个导通，所述第一桥臂配合所述第三桥臂进行逆变。
当采用双极性控制方式进行功率输出时：第一至第四开关管S1-S4高频工作，第五开关管S5和第六开关管S6断开；交流输出电流流经第一电感L1和第二电感L2。
当采用单极性控制方式进行功率输出时：控制第三开关管S3和第四开关管S4断开，第一开关管S1和第二开关管S2高频工作，第五开关管S5和第六开关管S6低频工作。
当电网电压小于0时，控制第五开关管S5导通、第六开关管S6关断，第二电感L2被短路，第一开关管S1和第二开关管S2高频工作，交流输出电流流经第一电感L1。
当电网电压大于0时，控制第五开关管S5关断、第六开关管S6导通，第二电感L2被短路，第一开关管S1和第二开关管S2高频工作，交流输出电流流经第一电感L1。
以下将结合附图具体说明本发明实施例的逆变拓扑电路的工作状态：
图2示出第一工作状态的示意图，当采用双极性的控制方式且电网电压大于0时，第一开关管S1、第四开关管S4导通，其它开关管关断，电流依次流经直流源正端、S1、L1、电网、L2、S4、直流源负端。
图3示出第二工作状态的示意图，当采用双极性的控制方式且电网电压小于0时，第二开关管S2、第三开关管S3导通，其它开关管关断，电流依次流经直流源正端、S3、L2、电网、L1、S2、直流源负端。
图4示出第三工作状态的示意图，当采用单极性的控制方式且电网电压大于0时，第六开关管S6导通，当第一开关管S1导通，其它开关管关断，电流依次流经直流源正端、S3、L1、电网、S6、直流源负端。
图5示出第四工作状态的示意图，当采用单极性的控制方式且电网电压大于0时，第六开关管S6导通，当第二开关管S2导通，其它开关管关断，电流依次流经L1、电网、S6、S2。
图6示出第五工作状态的示意图，当采用单极性的控制方式且电网电压小于0时，第五开关管S5导通，当第二开关管S2导通，其它开关管关断，电流依次流经直流源正端、S5、电网、L1、S2、直流源负端。
图7示出第六工作状态的示意图，当采用单极性的控制方式且电网电压小于0时，第五开关管S5导通，当第一开关管S1导通，其它开关管关断，电流依次流经L1、电网、S5、S1。
具体的，可以根据电网电压切换逆变拓扑电路的控制方式，图8为本发明提供的逆变拓扑电路的控制方法的流程图，如图8所示，在一个电网电压周期，当电网电压的绝对值大于预设值时，采用单极性控制方式，反之，采用双极性控制方式。
可采用如下方式控制所述逆变拓扑电路进行功率输出，根据电网所需的无功功率和有功功率计算出所需交流输出电流与电网电压之间的相位角，根据电网电压和相位角确定单极性控制方式和双极性控制方式的调制波，根据调制波产生控制开关管导通和关断的控制信号。
综上所述，本发明实施例提供的逆变拓扑电路，工作在单极性控制方式下时，每个电网电压周期的正半周期和负半周期的电流均只需流经第一电感L1。第二电感L2只在双极性控制方式下工作，因此仅需按工作在双极性控制方式时的工作范围设计，电感体积和线圈直径都更小。电路中第三开关管S3和第四开关管S4只工作在双极性区域，可以选择开关速度更高，导通电阻较小的开关管；而第五开关管S5和第六开关管S6只工作在单极性区域，工频开关动作，可以选择导通电阻更低，开关速度更低，价格更低的开关管。有利于降低损耗，节省成本。
如图9所示，图9为本发明提供的第二实施例的逆变拓扑电路的结构示意图。与第一实施例相比，所述第六开关管S6的一端与所述第一电容C的第二端连接，所述第六开关管S6的另一端与所述第五开关管S5的一端连接，所述第五开关管S5的另一端与所述全桥单元101的交流侧的第二端连接，所述第五开关管S5和所述第六开关管S6反向串联。
作为一种可选的实现方式，第一至第四开关管S1-S4的类型可以是MOS管、IGBT及与IGBT反向并联的二极管组成的开关管等，第五开关管S5和第六开关管S6的类型可以是MOS管、IGBT及与IGBT反向并联的二极管组成的开关管、晶闸管及与晶闸管反向并联的二极管等。本实施例以第一至第六开关管S1-S6都为MOS管为例说明，第五开关管S5的源极和第六开关管S6的源极连接，第五开关管S5的漏极与所述全桥单元101的交流侧的第二端连接，第六开关管S6的漏极与所述第一电容C的第二端连接，两者可采用相同的对地的驱动信号，因此，这两个开关管可以选择耐压等级更低的开关管。
以下将对本发明实施例的逆变拓扑电路的工作状态进行说明。
当采用双极性控制方式时：第一至第四开关管S1-S4高频工作，第五开关管S5和第六开关管S6断开，逆变拓扑电路的交流输出电流流经第一电感L1和第二电感L2。
当采用单极性控制方式时：第一开关管S1和第二开关管S2高频工作，第三开关管S3和第四开关管S4低频工作，第五开关管S5和第六开关管S6导通，第二电感L2被短路，逆变拓扑电路的交流输出电流流经第一电感L1。
本申请采用单极性和双极性相结合的控制方式，在电网电压过零点附近区域内，采用双极性控制方式，使得电网电压过零点处平滑切换过渡，而在其它区域采用单极性控制方式。在电网电压过零点附近时，双极性控制方式下由于整体的开关频率较高，同时不存在过零点附近开关频率过低的问题，解决了并网电流过零畸变的问题。同时，在该单极性和双极性相结合的控制方式下，为了减小电感体积，降低电感损耗，本申请提供了一种新的逆变拓扑电路，在本申请提供的第一实施方式和第二实施方式的逆变拓扑电路中，第二电感L2仅工作在双极性控制方式下。因此，第二电感L2仅需按照工作在双极性控制方式时的工作范围进行设计，第二电感L2的体积和线圈直径都小于第一电感L1。可以降低逆变拓扑电路的电感损耗，提高工作效率并且降低成本。
如图10所示，本申请还提供一种逆变器，图10为本发明提供的逆变器的结构示意图。
所述逆变器包括逆变拓扑电路和控制装置，所述逆变拓扑电路如第一实施方式或第二实施方式。如图10所示，逆变器包括如第二实施方式中的逆变拓扑电路。
所述控制装置用于对逆变拓扑电路进行控制，切换并网逆变器的控制方式。
作为一种可选的实现方式，逆变器与电网连接，为并网逆变器，具体的，控制装置检测电网电压，根据电网电压切换所述并网逆变器的控制方式，在一个电网电压周期，当电网电压的绝对值大于预设值时，采用单极性控制方式，反之，采用双极性控制方式。
控制装置根据电网所需的无功功率和有功功率计算出所需交流输出电流与电网电压之间的相位角，根据电网电压和相位角确定单极性控制方式和双极性控制方式的调制波，根据调制波产生控制开关管导通和关断的控制信号。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，然其并非用以限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种逆变拓扑电路，其特征在于，所述逆变拓扑电路包括：
全桥单元，用于将直流输入逆变为交流输出，所述全桥单元包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括串联的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管之间的中间节点作为所述全桥单元的交流侧的第一端，所述第二桥臂包括串联的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管之间的中间节点作为所述全桥单元的交流侧的第二端；
滤波单元，与所述全桥单元的交流侧连接，用于对所述交流输出进行滤波，所述滤波单元包括第一电感和第二电感，所述第一电感的一端与所述全桥单元的交流侧的第一端连接，所述第二电感的一端与所述全桥单元的交流侧的第二端连接；
极性切换单元，用于所述逆变拓扑电路的控制方式切换，所述极性切换单元包括至少两个电性连接的两个开关管；
所述至少两个电性连接的两个开关管包括反向串联的第五开关管和第六开关管，所述第五开关管的一端与所述全桥单元的交流侧的第二端连接，所述第五开关管的另一端与所述第六开关管的一端连接，所述第六开关管的另一端与所述第二电感的另一端连接；
当采用双极性控制方式时，所述极性切换单元断开，所述全桥单元进行逆变，交流输出电流流经所述第一电感和所述第二电感；
当采用单极性控制方式时，所述极性切换单元至少部分导通，交流输出电流流经所述第一电感和至少部分的所述极性切换单元，所述第二电感不工作。
2.根据权利要求1所述的逆变拓扑电路，其特征在于，所述第二电感的体积和线圈直径小于所述第一电感。
3.根据权利要求1所述的逆变拓扑电路，其特征在于，
所述滤波单元还包括第一电容，所述第一电容的第一端与所述第一电感的另一端连接，所述第一电容的第二端与所述第二电感的另一端连接。
4.根据权利要求1所述的逆变拓扑电路，其特征在于，
当采用双极性控制方式时，所述第五开关管和所述第六开关管断开；
当采用单极性控制方式时，所述第五开关管和所述第六开关管导通。
5.根据权利要求4所述的逆变拓扑电路，其特征在于，
所述第五开关管的源极和第六开关管的源极连接，第五开关管的漏极与所述全桥单元的交流侧的第二端连接，第六开关管的漏极与所述第二电感的另一端连接，所述第五开关管和所述第六开关管采用相同的对地的驱动信号。
6.根据权利要求4所述的逆变拓扑电路，其特征在于，
所述第五开关管和所述第六开关管的导通电阻低于第一至第四开关管的导通电阻。
7.一种逆变器，其特征在于，包括如权利要求1-6任意一项所述的逆变拓扑电路，以及，控制装置，所述控制装置用于对所述逆变拓扑电路进行控制，切换所述逆变器的控制方式。
8.根据权利要求7所述的逆变器，其特征在于，
所述逆变器为并网逆变器，所述控制装置检测电网电压，在一个电网电压周期，当所述电网电压的绝对值大于预设值时，所述控制装置采用单极性控制方式控制所述逆变拓扑电路工作，当所述电网电压的绝对值小于预设值时，所述控制装置采用双极性控制方式控制所述逆变拓扑电路工作。
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