CN114629371A - 一种单级多端口Buck-Boost逆变电路及转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单级多端口Buck‑Boost逆变电路及转换方法，通过设置两个不同阻抗的第一耦合电感电路和第二耦合电感电路，能够解决现有技术中输出电流不连续的问题；采用多输入升压变换器，解决现有技术中电路产生不稳定的较低的直流电压的问题；使用单级多端口Buck‑Boost逆变器，减少功率转换阶段的有源和无源组件的数量，且使用的半导体数量比现有技术中少，从而降低成本、重量和体积；本申请中的方案不使用较大的电解电容，且没有使用多个直流‑直流转换器并联，能解决现有技术中由较大的电解电容或并联转换器产生的循环电流问题；针对性的使用较小的电解电容来提高系统的可靠性和系统的总功率密度；进而本申请能够消除逆变电路并联产生循环电流的问题。

Description

一种单级多端口Buck-Boost逆变电路及转换方法
技术领域
本发明属于微电网技术领域，具体涉及一种单级多端口Buck-Boost逆变电路及转换方法。
背景技术
太阳能和风能在地球上随处可见，且为可再生能源，因此成为了未来最有吸引力的能源。但是太阳能和风能具有间歇性，单独给负荷供电时的可靠性较低。为了克服这个问题，现有技术中采用PV和FC系统一起使用，白天主要是光伏面板产生更多的能量，不需要燃料电池供电，晚上时光伏面板不产生能量，此时可以用FC系统给负荷供电；也可以将光伏面板和普通电池组成另外一种混合可再生能源系统。此时的原理与FC系统相同。但是光伏面板和FC系统形成的混合可再生能源系统通常会产生不稳定的较低的直流电压。为了克服该问题，现有技术采用升压多输入逆变器。为了提高光伏面板和FC的性能和寿命，系统中使用的转换器应该具有连续的输出电流。
现有技术中的的直流-交流能量转换结构的第一个问题是直流-直流变换器的并联会产生循环电流的问题，循环电流会造成输出电流畸变、开关器件电流应力增大、功率损耗增大、系统效率降低等不利影响。此外，从电磁干扰的角度来看，循环电流中的高频含量可能会造成严重的问题。现有技术已经可以通过增加额外的控制器和传感器来减少循环电流，但是这样会增加系统的复杂性和成本。现有技术中的直流-交流能量转换结构的第二个问题是需要体积庞大的电解电容器来处理支流链路上的高纹波电流。由于电解电容器具有寿命短、性能下降快并且通常需要较大的空间的特点，这样设计增加了设计的体积和重量。这些不良原因降低了系统的可靠性和总功率密度，增加了系统的总成本。技术人员已经开始研究降低直流链路电容的新方法，从而降低系统的故障率，提高可靠性。
同时现有技术中为了稳定输入电压，需要将很多半导体接入交流电网，半导体短路的风险增加了系统的成本、重量、体积和复杂性。此外，双逆变器的拓扑结构是使用一个低频变压器和更多的开关，此时成本和重量都很高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种单级多端口Buck-Boost逆变电路及转换方法，能够消除逆变电路并联产生循环电流的问题，同时减少逆变电路的体积和成本，延长了电路使用寿命。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，其特征在于，包括分别连接有单独直流源的第一耦合电感电路和第二耦合电感电路，所述第二耦合电感电路连接有三项逆变单元和滤波器；
所述第一耦合电感电路与第二耦合电感电路之间通过第一耦合电感器电感耦合连接，所述第二耦合电感电路包括第二耦合电感器。
进一步，所述第一耦合电感器包括电感N11、电感N12和电感N13；所述第二耦合电感器包括并联的电感N21、电感N22和电感N23；
所述电感N13位于第二耦合电感电路，且与电感N11和电感N12电感耦合连接。
进一步，所述第一耦合电感器和第二耦合电感器的耦合电感器的匝数比为：
a2＝N12/N11，a3＝N13/N11，a'2＝N22/N21，a'3＝N23/N21。
进一步，所述第一耦合电感电路包括直流源Vi1，所述直流源Vi1正极连接有电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接有电容C1正极和二极管D1正极，所述二极管D1负极连接电感N12的一端，电感N12的另一端分别连接电容C2负极、电感N11一端和电感L3一端，所述电容C1负极、电感L3另一端依次连接电感N11且接入开关管S1集电极，所述开关管S1的发射极依次连接电容C2的正极和直流源Vi1的负极。
进一步，所述第二耦合电感电路包括直流源Vi2，所述直流源Vi2正极连接有电感L2的一端，电感L2另一端分别连接有电容C3正极和二极管D2正极，所述二极管D2负极连接电感N23的一端，电感N23的另一端分别连接有电感L4的一端、电感N21的一端和电感N22的一端，所述电感L4的另一端连接电感N13的一端，所述电感N22另一端连接电容C4负极，所述电感N22另一端连接电容C5的正极；
所述电容C3负极依次连接电感L4与电感N13的连接线和电感N21和电容C5的连接线；所述电感N13另一端连接有二极管D3的正极；
二极管D3负极和电容C5负极连接并接入三项逆变单元一端，三项逆变单元另一端分别连接电容C4正极和直流源Vi2的负极。
进一步，所述电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5均采用电解电容。
进一步，所述三相逆变单元包括开关管Si1、开关管Si2、开关管Si3、开关管Si4、开关管Si5和开关管Si6；
所述开关管Si1发射极连接开关管Si2集电极，且开关管Si1和开关管Si2的连接线上设置有第一相输出端；所述开关管Si3发射极连接开关管Si4集电极，且开关管Si3和开关管Si4的连接线上设置有第二相输出端；开关管Si5发射极连接开关管Si6集电极，且开关管Si5和开关管Si6的连接线上设置有第三相输出端；
所述电容C5的负极分别连接开关管Si1、开关管Si3和开关管Si5的发射极，所述电容C4的正极分别连接开关管Si2、开关管Si4和开关管Si6的发射极；
所述第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端接入滤波器的输入端，所述滤波器输出端连接有三相负载。
进一步，所述开关管Si1、开关管Si2、开关管Si3、开关管Si4、开关管Si5和开关管Si6均采用IGBT开关管。
一种单级多端口Buck-Boost逆变电路的转换方法，包括以下步骤：
模式一：开关管S1开通，三项逆变单元短路时，二极管D3和三相逆变单元中的至少一个桥臂开通；二极管D1和二极管D2关断；
模式2：开关管S1开通，三相逆变单元非短路时，二极管D2和二极管D3开通；二极管D1关断；
模式3：开关管S1断开，三相逆变单元短路时，二极管D1和三相逆变单元至少一个桥臂导通；二极管D2和二极管D3关断；
模式4：开关管S1断开，三相逆变单元非短路时，二极管D1和二极管D2开通；二极管D3关断。
进一步，其特征在于，若开关管S1开通，二极管D1关断，则电感L1、电感L3和电容C5开始充电，电容C1和C2开始放电；
若开关管S1关断时，二极管D1开通，则电感L1、电感L3和电容C5开始放电，电容C1和C2开始充电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种单级多端口Buck-Boost逆变电路及转换方法，通过设置两个不同阻抗的第一耦合电感电路和第二耦合电感电路，因此可以从两个输出端子引入连续电流，能够解决现有技术中输出电流不连续的问题；本申请采用两个不同的阻抗网络即直流源Vi1和直流源Vi2连接的两个端口部分组成了多输入升压变换器，可以解决现有技术中电路产生不稳定的较低的直流电压的问题；使用单级多端口Buck-Boost逆变器，可以减少功率转换阶段的有源和无源组件的数量，且使用的半导体数量比现有技术中少，从而降低成本、重量和体积；本申请中的方案不使用较大的电解电容，且没有使用多个直流-直流转换器并联，因此能解决现有技术中由较大的电解电容或者并联转换器产生的循环电流问题；由于体积庞大的电解电容器具有寿命短、性能下降快并且通常需要较大的空间，本申请电路拓扑针对该问题使用较小的电解电容来提高系统的可靠性和系统的总功率密度；进而本申请能够消除逆变电路并联产生循环电流的问题，同时减少逆变电路的体积和成本，延长了电路使用寿命。
附图说明
图1为本发明具体实施例中一种单级多端口Buck-Boost逆变电路拓扑图；
图2为本发明具体实施例中一种单级多端口Buck-Boost逆变电路的第一种工作模式；
图3为本发明具体实施例中一种单级多端口Buck-Boost逆变电路的第二种工作模式；
图4为本发明具体实施例中一种单级多端口Buck-Boost逆变电路的第三种工作模式；
图5为本发明具体实施例中一种单级多端口Buck-Boost逆变电路的第四种工作模式。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，如图1所示，包括分别连接有单独直流源的第一耦合电感电路和第二耦合电感电路，具体的，所述直流源通过两个Buck-Boost直流变换端口进行直流电压变换，所述直流变换端口为第一耦合电感电路和第二耦合电感电路；
所述第二耦合电感电路连接有三项逆变单元和滤波器；具体的，所述滤波器采用Lc滤波器，本申请通过三项逆变单元将直流电流转换成交流电流，完成逆变；
所述第一耦合电感电路与第二耦合电感电路之间通过第一耦合电感器电感耦合连接，所述第二耦合电感电路包括第二耦合电感器；具体的，如图1所示，第一耦合电感器用星号表示极性，第二耦合电感器用点表示极性。
本发明提供的一种优选实施例为，所述第一耦合电感器包括电感N11、电感N12和电感N13；所述第二耦合电感器包括并联的电感N21、电感N22和电感N23；
所述电感N13位于第二耦合电感电路，且与电感N11和电感N12电感耦合连接。进一步的，所述第一耦合电感器和第二耦合电感器的耦合电感器的匝数比为：
a2＝N12/N11，a3＝N13/N11，a'2＝N22/N21，a'3＝N23/N21。
本发明提供的一种优选实施例为，所述第一耦合电感电路包括直流源Vi1，所述直流源Vi1正极连接有电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接有电容C1正极和二极管D1正极，所述二极管D1负极连接电感N12的一端，电感N12的另一端分别连接电容C2负极、电感N11一端和电感L3一端，所述电容C1负极、电感L3另一端依次连接电感N11且接入开关管S1集电极，所述开关管S1的发射极依次连接电容C2的正极和直流源Vi1的负极。
具体的，所述开关管S1和三相逆变单元的开关模式是独立的。
本发明提供的一种优选实施例为，所述第二耦合电感电路包括直流源Vi2，所述直流源Vi2正极连接有电感L2的一端，电感L2另一端分别连接有电容C3正极和二极管D2正极，所述二极管D2负极连接电感N23的一端，电感N23的另一端分别连接有电感L4的一端、电感N21的一端和电感N22的一端，所述电感L4的另一端连接电感N13的一端，所述电感N22另一端连接电容C4负极，所述电感N22另一端连接电容C5的正极；
所述电容C3负极依次连接电感L4与电感N13的连接线和电感N21和电容C5的连接线；所述电感N13另一端连接有二极管D3的正极；
二极管D3负极和电容C5负极连接并接入三项逆变单元一端，三项逆变单元另一端分别连接电容C4正极和直流源Vi2的负极。
具体的，所述直流源Vi1和直流源Vi2连接的两个端口部分虽然通过第一耦合电感器有连接关系，但是两部分彼此之间相互独立。
进一步的，所述电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5均采用电解电容，所述电解电容容量大，价格低廉；具体的，本申请所采用的电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5均为470μf，电感L1和电感L3为240μH，电感L2和电感L4为2940μH。
本发明提供的一种优选实施例为，所述三相逆变单元包括开关管Si1、开关管Si2、开关管Si3、开关管Si4、开关管Si5和开关管Si6；
所述开关管Si1发射极连接开关管Si2集电极，且开关管Si1和开关管Si2的连接线上设置有第一相输出端；所述开关管Si3发射极连接开关管Si4集电极，且开关管Si3和开关管Si4的连接线上设置有第二相输出端；开关管Si5发射极连接开关管Si6集电极，且开关管Si5和开关管Si6的连接线上设置有第三相输出端；
所述电容C5的负极分别连接开关管Si1、开关管Si3和开关管Si5的发射极，所述电容C4的正极分别连接开关管Si2、开关管Si4和开关管Si6的发射极；
所述第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端接入滤波器的输入端，所述滤波器输出端连接有三相负载。
进一步的，所述开关管Si1、开关管Si2、开关管Si3、开关管Si4、开关管Si5和开关管Si6均采用IGBT开关管，这是由于IGBT开关管集电极的最大饱和电流大，击穿电压高，当其作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上，工作频率可达20kHz；具体的，本申请所采用的IGBT开关管选择IRFP460型号，工作电压为500V，工作电流为20A，工作频率为10kHz。
本发明提供一种单级多端口Buck-Boost逆变电路的转换方法，包括以下步骤：
模式一：
如图2所示，开关管S1开通，三项逆变单元短路时，二极管D3和三相逆变单元中的至少一个桥臂开通；二极管D1和二极管D2关断；
模式2：
如图3所示，开关管S1开通，三相逆变单元非短路时，二极管D2和二极管D3开通；二极管D1关断；
模式3：
如图4所示，开关管S1断开，三相逆变单元短路时，二极管D1和三相逆变单元至少一个桥臂导通；二极管D2和二极管D3关断；
模式4：
如图5所示，开关管S1断开，三相逆变单元非短路时，二极管D1和二极管D2开通；二极管D3关断。
进一步的，若开关管S1开通，二极管D1关断，则电感L1、电感3和电容C5开始充电，电容C1和C2开始放电；
若开关管S1关断时，二极管D1开通，则电感L1、电感3和电容C5开始放电，电容C1和C2开始充电。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，其特征在于，包括分别连接有单独直流源的第一耦合电感电路和第二耦合电感电路，所述第二耦合电感电路连接有三项逆变单元和滤波器；
所述第一耦合电感电路与第二耦合电感电路之间通过第一耦合电感器电感耦合连接，所述第二耦合电感电路包括第二耦合电感器。
2.根据权利要求1所述一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，其特征在于，所述第一耦合电感器包括电感N11、电感N12和电感N13；所述第二耦合电感器包括并联的电感N21、电感N22和电感N23；
所述电感N13位于第二耦合电感电路，且与电感N11和电感N12电感耦合连接。
3.根据权利要求2所述一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，其特征在于，所述第一耦合电感器和第二耦合电感器的耦合电感器的匝数比为：
a2＝N12/N11，a3＝N13/N11，a'2＝N22/N21，a'3＝N23/N21。
4.根据权利要求2所述一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，其特征在于，所述第一耦合电感电路包括直流源Vi1，所述直流源Vi1正极连接有电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接有电容C1正极和二极管D1正极，所述二极管D1负极连接电感N12的一端，电感N12的另一端分别连接电容C2负极、电感N11一端和电感L3一端，所述电容C1负极、电感L3另一端依次连接电感N11且接入开关管S1集电极，所述开关管S1的发射极依次连接电容C2的正极和直流源Vi1的负极。
5.根据权利要求4所述一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，其特征在于，所述第二耦合电感电路包括直流源Vi2，所述直流源Vi2正极连接有电感L2的一端，电感L2另一端分别连接有电容C3正极和二极管D2正极，所述二极管D2负极连接电感N23的一端，电感N23的另一端分别连接有电感L4的一端、电感N21的一端和电感N22的一端，所述电感L4的另一端连接电感N13的一端，所述电感N22另一端连接电容C4负极，所述电感N22另一端连接电容C5的正极；
所述电容C3负极依次连接电感L4与电感N13的连接线和电感N21和电容C5的连接线；所述电感N13另一端连接有二极管D3的正极；
二极管D3负极和电容C5负极连接并接入三项逆变单元一端，三项逆变单元另一端分别连接电容C4正极和直流源Vi2的负极。
6.根据权利要求5所述一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，其特征在于，所述电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5均采用电解电容。
7.根据权利要求5所述一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，其特征在于，所述三相逆变单元包括开关管Si1、开关管Si2、开关管Si3、开关管Si4、开关管Si5和开关管Si6；
所述开关管Si1发射极连接开关管Si2集电极，且开关管Si1和开关管Si2的连接线上设置有第一相输出端；所述开关管Si3发射极连接开关管Si4集电极，且开关管Si3和开关管Si4的连接线上设置有第二相输出端；开关管Si5发射极连接开关管Si6集电极，且开关管Si5和开关管Si6的连接线上设置有第三相输出端；
所述电容C5的负极分别连接开关管Si1、开关管Si3和开关管Si5的发射极，所述电容C4的正极分别连接开关管Si2、开关管Si4和开关管Si6的发射极；
所述第一相输出端、第二相输出端和第三相输出端接入滤波器的输入端，所述滤波器输出端连接有三相负载。
8.根据权利要求7所述一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，其特征在于，所述开关管Si1、开关管Si2、开关管Si3、开关管Si4、开关管Si5和开关管Si6均采用IGBT开关管。
9.一种单级多端口Buck-Boost逆变电路的转换方法，其特征在于，基于权利要求1-8所述任意项一种单级多端口Buck-Boost逆变电路，包括以下步骤：
模式一：开关管S1开通，三项逆变单元短路时，二极管D3和三相逆变单元中的至少一个桥臂开通；二极管D1和二极管D2关断；
模式2：开关管S1开通，三相逆变单元非短路时，二极管D2和二极管D3开通；二极管D1关断；
模式3：开关管S1断开，三相逆变单元短路时，二极管D1和三相逆变单元至少一个桥臂导通；二极管D2和二极管D3关断；
模式4：开关管S1断开，三相逆变单元非短路时，二极管D1和二极管D2开通；二极管D3关断。
10.根据权利要求9所述一种单级多端口Buck-Boost逆变电路的转换方法，其特征在于，若开关管S1开通，二极管D1关断，则电感L1、电感L3和电容C5开始充电，电容C1和C2开始放电；
若开关管S1关断时，二极管D1开通，则电感L1、电感L3和电容C5开始放电，电容C1和C2开始充电。
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