CN114337348B - 一种双向z源逆变器及拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双向Z源逆变器及拓扑结构，包括直流电源和逆变桥，所述直流电源和所述逆变桥之间设有包含抽头电感和开关管的Z源网络，本发明使该逆变器具有较高的升压增益；通过全控型开关管使Z源逆变器获得能量双向流动能力，同时可以通过全控型开关管的控制可以避免Z源逆变器进入非正常工作状态；提高了直通占空比很小时的电压增益；通过抽头电感可以避免启动时的冲击电流对逆变桥的影响。

Description

一种双向Z源逆变器及拓扑结构
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种双向Z源逆变器及拓扑结构。
背景技术
交流调速系统、燃料电池供电系统、光伏和风电等分布式发电系统以及微电网都有随负载和环境因素的变化输出电压波动范围很大的共同特点，如何减少逆变器的逆变电流谐波、增加逆变器的效率都是当下广大学者所关注的重点问题，Z源逆变器作为一种新型逆变器，其具备单级升压、效率高等优势，近些年在上述新能源技术领域收到广泛关注。
最早的Z源逆变器是2002年由浙江大学彭方正教授提出，Z源逆变器的一般拓扑结构如图1所示，其中的Z网络由两个相同的电感LA，LB和相同的电容器CA,CB接成X形构成，它将逆变器和直流电源或负载耦合在一起。Z源逆变器可以开路和短路运行，这为变流器主电路根据需要升压或降压提供了一种新的机制。该逆变器利用其独特的无源网络，允许同一桥臂上管直通从而实现其升降压变换的功能，提高了逆变器可靠性，并且避免了由死区引起的输出波形畸变，因此Z源逆变器在直流链电压大范围变化的领域中得到广泛应用。
但实际应用中发现，上述Z源逆变器由于组件自身参数的影响无法得到无限增益，太高的升压会增加系统损耗和不稳定性。另一方面，直通占空比与调制因子是相互制约的，增大占空比就意味着减小调制因子，这势必会增加在有效期间内开关器件的电压应力和直通期间电流应力，增加系统的成本，因此传统Z源逆变器的升压能力很有限。再者逆变器启动时冲击电流过大，容易损坏逆变器。综上，现有Z源逆变器有必要做进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有较高电压增益，且具有更高安全性的Z源逆变器，为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种双向Z源逆变器，包括直流电源和逆变桥，所述直流电源和所述逆变桥之间设有包含抽头电感和开关管的Z源网络，所述Z源网络由抽头电感、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第一电容组成；所述抽头电感的第一端连接所述直流电源的正极，所述抽头电感的第二端连接所述第七开关管的发射极，所述抽头电感的抽头端连接所述第八开关管的发射极，所述第七开关管和第八开关管的集电极相连后又分别与第九开关管的发射极和逆变桥的第一桥臂相连；所述直流电源的负极分别连接第十开关管的发射极和第十一开关管的集电极，所述第十开关管的集电极与所述第九开关管的集电极相连，所述第十一开关管的发射极与逆变桥的第二桥臂相连，所述第十开关管的集电极和所述第十一开关管的发射极之间还连接有第一电容。
较佳的，所述开关管为绝缘栅双极晶体管。
较佳的，所有组成所述Z源网络的所述开关管的参数一致。
较佳的，所述逆变桥采用三相逆变桥，所述三相逆变桥的第一桥臂上三个开关管的集电极连于一起，并与第九开关管的发射极相连；所述三相逆变桥的第二桥臂上三个开关管的发射极连于一起，并与第十一开关管的发射极相连；所述三相逆变桥的输出连接三相负载。
一种双向Z源逆变器拓扑结构，包括直流电源和逆变桥，所述直流电源和所述逆变桥之间设有包含抽头电感和开关管的Z源网络，所述Z源网络由抽头电感、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第一电容组成；所述抽头电感的第一端连接所述直流电源的正极，所述抽头电感的第二端连接所述第七开关管的发射极，所述抽头电感的抽头端连接所述第八开关管的发射极，所述第七开关管和第八开关管的集电极相连后又分别与第九开关管的发射极和逆变桥的第一桥臂相连；所述直流电源的负极分别连接第十开关管的发射极和第十一开关管的集电极，所述第十开关管的集电极与所述第九开关管的集电极相连，所述第十一开关管的发射极与逆变桥的第二桥臂相连，所述第十开关管的集电极和所述第十一开关管的发射极之间还连接有第一电容。
较佳的，所述开关管为绝缘栅双极晶体管。
较佳的，所述逆变桥采用三相逆变桥，所述三相逆变桥的第一桥臂上三个开关管的集电极连于一起，并与第九开关管的发射极相连；所述三相逆变桥的第二桥臂上三个开关管的发射极连于一起，并与第十一开关管的发射极相连；所述三相逆变桥的输出连接三相负载。
本发明提出了一种基于抽头电感与开关管的双向Z源逆变器，其与传统逆变器相比，同样具备Z源逆变器所拥有的单级升压；不需要死区时间，可以减少传统逆变器死区时间带来的逆变电流谐波；可以上下桥臂同时导通，增加逆变器的安全性等优势。其与传统Z源逆变器相比还可以让升压增益得到有效增加。进一步，全控型开关管的设计，使得Z源逆变器获得能量双向流动能力，可以通过全控型开关管的控制避免Z源逆变器进入非正常工作状态，尤其在驱动电机时，全控型开关管可以使逆变器工作在能源回馈状态，可以使电机四象限工作状态运行，对电机驱动有明显优势。再者，本案提高了直通占空比很小时的电压增益，与传统Z源逆变器相比，在相同升压比增益条件下，本硬件拓扑的电压利用率更高。此外，还引入了抽头电感，通过抽头电感可以避免启动时的冲击电流对逆变桥的影响，抽头电感技术的主要原理在于其充电模态和放电模态不同，从而使得其电压放大能力比直接增加电感阻抗更强，实际操作时还可以根据直流源输入的升压要求设定抽头电感L2和L1的线圈匝数比n，从而改变逆变器的升压比，电路设计十分灵活。最后，直流链通过电容稳压，由于直流链电压不稳会导致交流侧的电流谐波，直流链电压稳定则避免了这一情况，有利于逆变器的控制策略设计，由直流链电压纹波造成的并网电流谐波较小。
附图说明
图1是传统Z源逆变器拓扑结构；
图2是传统Z源逆变器的直通占空比-升压曲线；
图3是本发明的基于抽头电感的双向Z源逆变器拓扑结构；
图4是非直通状态下本发明的等效电路图；
图5是直通状态下本发明的等效电路图；
图6是本发明的直通占空比-升压曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
本发明所揭示的是一种双向Z源逆变器拓扑结构，如图3-图6所示，为本发明的较佳实施例，拓扑结构包括直流电源Uin和逆变桥2，直流电源Uin和逆变桥2之间设有包含抽头电感L和开关管的Z源网络，开关管可以选择为绝缘栅双极晶体管。Z源网络由抽头电感L、第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9、第十开关管S10、第十一开关管S11和第一电容C1组成；抽头电感L的第一端连接直流电源Uin的正极，抽头电感L的第二端连接第七开关管S7的发射极，抽头电感L的抽头端连接第八开关管S8的发射极，第七开关管S7和第八开关管S8的集电极相连后又分别与第九开关管S9的发射极和逆变桥2的第一桥臂21相连；直流电源Uin的负极分别连接第十开关管S10的发射极和第十一开关管S11的集电极，第十开关管S10的集电极与第九开关管S9的集电极相连，第十一开关管S11的发射极与逆变桥2的第二桥臂22相连，第十开关管S10的集电极和第十一开关管S11的发射极之间还连接有第一电容C1。
其中，逆变桥2采用三相逆变桥2，三相逆变桥2的第一桥臂21上三个开关管(S1、S3、S5)的集电极连于一起，并与第九开关管S9的发射极相连；三相逆变桥2的第二桥臂22上三个开关管(S2、S4、S6)的发射极连于一起，并与第十一开关管S11的发射极相连；三相逆变桥2的输出连接三相负载。
采用上述拓扑结构的一种双向Z源逆变器，包括直流电源Uin和逆变桥2，直流电源Uin可以是电池、太阳能极板以及其他可等效为直流源的设备，直流电源Uin和逆变桥2之间设有包含抽头电感L和开关管的Z源网络，本实施例中开关管为绝缘栅双极晶体管。Z源网络由抽头电感L、第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9、第十开关管S10、第十一开关管S11和第一电容C1组成；抽头电感L的结构本质上为一对耦合电感，抽头电感L的第一端连接直流电源Uin的正极，抽头电感L的第二端连接第七开关管S7的发射极，抽头电感L的抽头端连接第八开关管S8的发射极，抽头电感L的第一端和抽头端之间形成第一电感L1，抽头电感L的第二端和抽头端之间形成第二电感L2，第一电感L1和第二电感L2相互耦合，且可以通过开关管的导通与关断可以实现逆变桥2在直通状态与非直通状态下的工作模态不同。第七开关管S7和第八开关管S8的集电极相连后又分别与第九开关管S9的发射极和逆变桥2的第一桥臂21相连；直流电源Uin的负极分别连接第十开关管S10的发射极和第十一开关管S11的集电极，第十开关管S10的集电极与第九开关管S9的集电极相连，第十一开关管S11的发射极与逆变桥2的第二桥臂22相连，第十开关管S10的集电极和第十一开关管S11的发射极之间还连接有第一电容C1，第一电容C1的正极和第十开关管S10的集电极相连，第一电容C1的负极和第十一开关管S11的发射极相连。而逆变桥2则采用三相逆变桥2，三相逆变桥2的第一桥臂21上三个开关管的集电极连于一起，并与第九开关管S9的发射极相连；三相逆变桥2的第二桥臂22上三个开关管的发射极连于一起，并与第十一开关管S11的发射极相连；三相逆变桥2的输出连接三相负载，三相负载包括有源负载或者无源负载，比如电网、电机以及其他交流负载，三相负载不限于上述几个交流负载。
Z源逆变器的工作状态一般可分为非直通状态和直通状态，其等效电路图分别如图4和图5所示，在直通状态下，第一电感L1充电，第一电容C1放电；在非直通状态下，第一电感L1和第二电感L2放电，第一电容C1充电。因此，该结构的充电速率与放电速率不同，使得电压放大能力更强。设定所有组成Z源网络的开关管的参数一致，抽头电感L中第一电感L1和第二电感L2的线圈匝数分别为N1和N2，则线圈匝数比为n＝N2/N1，可通过灵活的控制线圈匝数比n以适应升压需求。设电容电压为UC1；非直通状态下电感电压为Uk’(其中，k分别为L1、L2)，直通状态下电感电压为Uk(其中，k分别为L1、L2)；直流链电压为UPN，输入电源电压为Uin，d为直通矢量在单位开关周期内的占空比。
则本实施例中各个电感电压在直通和非直通状态下的关系如下所示：
Figure BDA0003431753600000051
结合图4中非直通状态下Z源逆变器的等效模型和上述公式可以得出以下关系式：
Figure BDA0003431753600000052
根据图5中直通状态下Z源逆变器的等效模型可以得出以下关系式：
Uin-UL1+UC1＝0
根据电感的伏秒平衡公式可以得出以下关系式：
Figure BDA0003431753600000053
总结以上的公式可以得出电容电压UC1和直流链电压UPN之间的关系，即本实施例的升压比和直通占空比公式：
Figure BDA0003431753600000054
其中，d为直通占空比，n为基于抽头电感得到两个相互耦合的第二电感L2和第一电感L1的线圈匝数比。
而传统Z源逆变器的升压比和直通占空比公式为：
Figure BDA0003431753600000061
其中，d为直通占空比。
通过实施方式中理论推导可知，本案涉及拓扑结构及逆变器在直通占空比为0.18且n＝3的条件下，升压比为15.4，而传统Z源逆变器在直通占空比为0.18条件下的升压比仅为1.56；本案和传统Z源逆变器升压比与直通占空的关系分别如图6和图2所示，从图与公式中可以看出，本硬件拓扑在n＝3、直通占空比接近0.2的条件下，理论上升压比可以接近无穷大，显然，本案涉及拓扑结构及逆变器大大提升了其电压的升压能力。
此外，本实施例中全控型开关管的设计，使得Z源逆变器获得能量双向流动能力，可以通过全控型开关管的控制避免Z源逆变器进入非正常工作状态，尤其在驱动电机时，全控型开关管可以使逆变器工作在能源回馈状态，可以使电机四象限工作状态运行，对电机驱动有明显优势。
再者，根据上述分析，本实施例的升压比和直通占空比公式和基于抽头电感的线圈匝数比n有关，即可通过抽头电感的灵活控制实现逆变器升压比的改变，电路设计十分灵活。而且抽头电感的使用还可以避免启动时的冲击电流对逆变桥的影响，抽头电感技术的主要原理在于其充电模态和放电模态不同，从而使得其电压放大能力比直接增加电感阻抗更强。
最后，Z源网络中添加了电容结构，直流链通过电容稳压，可减少电流谐波的产生，有利于逆变器的控制策略设计，由直流链电压纹波造成的并网电流谐波较小。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (6)

1.一种双向Z源逆变器，包括直流电源和逆变桥，其特征在于：所述直流电源和所述逆变桥之间设有包含抽头电感和开关管的Z源网络，所述Z源网络由抽头电感、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第一电容组成；所述抽头电感的第一端连接所述直流电源的正极，所述抽头电感的第二端连接所述第七开关管的发射极，所述抽头电感的抽头端连接所述第八开关管的发射极，所述第七开关管和第八开关管的集电极相连后又分别与第九开关管的发射极和逆变桥的第一桥臂相连；所述直流电源的负极分别连接第十开关管的发射极和第十一开关管的集电极，所述第十开关管的集电极与所述第九开关管的集电极相连，所述第十一开关管的发射极与逆变桥的第二桥臂相连，所述第十开关管的集电极和所述第十一开关管的发射极之间还连接有第一电容；所述第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管的参数一致；通过控制所述抽头电感的线圈匝数比以适应升压需求，即
Figure FDA0004149373600000011
其中，直流链电压为UPN，输入电源电压为Uin，d为直通矢量在单位开关周期内的占空比，n为基于所述抽头电感得到两个相互耦合电感的线圈匝数比。
2.根据权利要求1所述的一种双向Z源逆变器，其特征在于：所述开关管为绝缘栅双极晶体管。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种双向Z源逆变器，其特征在于：所述逆变桥采用三相逆变桥，所述三相逆变桥的第一桥臂上三个开关管的集电极连于一起，并与第九开关管的发射极相连；所述三相逆变桥的第二桥臂上三个开关管的发射极连于一起，并与第十一开关管的发射极相连；所述三相逆变桥的输出连接三相负载。
4.一种双向Z源逆变器拓扑结构，包括直流电源和逆变桥，其特征在于：所述直流电源和所述逆变桥之间设有包含抽头电感和开关管的Z源网络，所述Z源网络由抽头电感、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第一电容组成；所述抽头电感的第一端连接所述直流电源的正极，所述抽头电感的第二端连接所述第七开关管的发射极，所述抽头电感的抽头端连接所述第八开关管的发射极，所述第七开关管和第八开关管的集电极相连后又分别与第九开关管的发射极和逆变桥的第一桥臂相连；所述直流电源的负极分别连接第十开关管的发射极和第十一开关管的集电极，所述第十开关管的集电极与所述第九开关管的集电极相连，所述第十一开关管的发射极与逆变桥的第二桥臂相连，所述第十开关管的集电极和所述第十一开关管的发射极之间还连接有第一电容；所述第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管的参数一致；通过控制所述抽头电感的线圈匝数比以适应升压需求，即
Figure FDA0004149373600000021
其中，直流链电压为UPN，输入电源电压为Uin，d为直通矢量在单位开关周期内的占空比，n为基于所述抽头电感得到两个相互耦合电感的线圈匝数比。
5.根据权利要求4所述的一种双向Z源逆变器拓扑结构，其特征在于：所述开关管为绝缘栅双极晶体管。
6.根据权利要求4所述的一种双向Z源逆变器拓扑结构，其特征在于：所述逆变桥用三相逆变桥，所述三相逆变桥的第一桥臂上三个开关管的集电极连于一起，并与第九开关管的发射极相连；所述三相逆变桥的第二桥臂上三个开关管的发射极连于一起，并与第十一开关管的发射极相连；所述三相逆变桥的输出连接三相负载。
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