CN115765507A - 一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路 - Google Patents

一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路 Download PDF

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范李平
姚俊伟
谢琼瑶
何奇
王海亮
李振华
程江洲
黄悦华
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一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，包括储能电池，双向DC‑DC变换器，开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，电感L1和L2，电容C1和C2。该三电平双降压变换电路包括由开关管S4，二极管D3、D4、D5、D6连接构成的双向开关管以及由开关管S2和S3、二极管D1和D2、电感L1和L2组成的双降压电路结构。本发明三电平双降压变换电路将三电平技术和双降压电路结构进行了有机融合，具有开关管电压应力低、可靠性高以及效率高等优点。

Description

一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路
技术领域
本发明涉及电力电子电能变换技术领域，具体是一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路。
背景技术
储能系统是微电网的重要组成环节，其对微电网的安全可靠运行起到关键作用。储能逆变一体装置作为储能系统的重要组成设备，其性能的优劣将很大程度上影响微电网的稳定运行。
传统储能逆变一体装置后级所使用的逆变器主要为两电平逆变器，但两电平逆变器拓扑中的功率半导体器件通常要承受整个直流母线电压，导致产生较大的开关损耗，这不利于储能逆变一体装置性能的进一步提升。为降低两电平逆变器的开关管电压应力和功率损耗，国内外学者对逆变器拓扑结构进行优化，将多电平技术融入到逆变器电路拓扑中来构建多电平逆变器。多电平逆变器相对于两电平逆变器，因其输出电平数多，所以其输出波形正弦化程度更高、开关管电压应力更小、效率更高。
发明内容
本发明提供了一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，该逆变电路将多电平技术与双降压电路结构相结合，相较于传统两电平逆变电路，减小了开关管所承受的电压应力和输出谐波含量，提升了输出电能质量以及效率。
本发明采取的技术方案为：
一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，包括开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，滤波电感L1、L2，电容C1、C2；
电容C1正极连接开关管S1漏极，其连接节点构成端点p；
电容C2负极连接开关管S7源极，其连接节点构成端点m；
电容C1负极分别连接电容C2正极、二极管D3阳极、二极管D5负极，其连接节点构成端点n；
开关管S7漏极分别连接开关管S5源极、开关管S6源极、二极管D1阳极、二极管D2阳极，其连接节点构成端点d；
开关管S1源极分别连接开关管S2漏极、开关管S3漏极，其连接节点构成端点c；
开关管S3源极分别连接电感L2另一端、二极管D2阴极，其连接节点构成端点b；
开关管S2源极分别连接二极管D1阴极、二极管D4阳极、二极管D6阴极，二极管D7阳极，其连接节点构成端点a；
二极管D7阴极与电感L1一端相连接；开关管S5漏极分别与负载RL一端、电感L1另一端相连接；开关管S6漏极分别与负载RL另一端、电感L2一端相连接；
开关管S4漏极分别连接二极管D3阴极、二极管D4阴极；开关管S4源极分别连接二极管D5阳极、二极管D6阳极。
该变换电路中，开关管S2、开关管S3、二极管D1、二极管D2、电感L1和电感L2组成双降压电路结构。
所述开关管S1～S7为带体二极管的MOSFET或IGBT。
所述端点p、端点m连接双向DC-DC变化器输出侧，双向DC-DC变化器输入侧连接储能电池。
所述电容C1、C2为电容值相等的分裂电容。
所述变换电路正常工作时，共有六种工作模式，其中，在输出交流电压uo正、负半周期内各有三种工作模式：
(1)输出交流电压uo正半周期三种工作模式如下：
模式一：开关管S1、S2、S6、S7导通，其余开关管关断。储能电池对电感L1和负载RL提供能量，电感L1电流iL1线性上升。此模态下，输出电流io＝iL1，输出电压uo>0，端点a与端点b之间的电压uab＝+Us。
模式二：开关管S4、S6、S7导通，其余开关管关断。电容C2对电感L1和负载RL提供能量，电感L1电流iL1线性上升，电容C2电压下降；储能电池对电容C1充电，电容C1电压上升。此模态下，输出电流io＝iL1，输出电压uo>0，端点a与端点b之间的电压uab＝+Us/2。
模式三：开关管S6导通，其余开关管关断。电感L1电流iL1经二极管D1续流并为负载RL提供能量，电流iL1线性下降。电容C1和C2处于充电状态，电容C1和C2的电压上升。此模态下，输出电流io＝iL1，输出电压uo>0，端点a与端点b之间的电压uab＝0。
(2)输出交流电压uo负半周期三种工作模式如下：
模式四：开关管S5导通，其余开关管关断。电感L2电流iL2经二极管D2续流并为负载RL提供能量，电流iL2线性下降。储能电池对电容C1和C2充电，电容C1和C2的电压上升。此模态下，输出电流io＝-iL2，输出电压uo<0，端点a与端点b之间的电压uab＝0。
模式五：开关管S1、S3、S4、S5导通，其余开关管关断。电容C1对电感L2和负载RL提供能量，电感L2电流iL2线性上升，电容C1电压下降；储能电池对电容C2充电，电容C2电压上升。此模态下，输出电流io＝-iL2，输出电压uo<0，端点a与端点b之间的电压uab＝-Us/2。
模式六：开关管S1、S3、S5、S7导通，其余开关管关断。储能电池对电感L2和负载RL提供能量，电感L2电流iL2线性上升。此模态下，输出电流io＝-iL2，输出电压uo<0，端点a与端点b之间的电压uab＝-Us。
本发明一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，技术效果如下：
1)本发明采用双降压式结构，保留了双降压逆变器无开关管体二极管反向恢复问题和无桥臂直通隐患等优点，减小了导通损耗，提高了逆变器的可靠性。
2)本发明使用开关管S4和二极管D3、D4、D5、D6连接构成双向开关管，结构简单，同时降低了控制的复杂程度。
3)本发明在传统两电平双降压逆变电路拓扑基础上，采用三电平技术，即在两分裂电容的中点和逆变器的一个桥臂之间引入双向开关管，为电平uab＝1/2Us的实现提供导通路径，从而实现逆变器的三电平输出，降低了开关管电压应力，减小输出谐波含量。
4)本发明采用开关管S1和S7对输入侧直流电压进行钳位，提高了逆变电路的可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明三电平双降压变换电路的主拓扑结构图。
图2为本发明三电平双降压变换电路工作模式一示意图；
图3为本发明三电平双降压变换电路工作模式二示意图；
图4为本发明三电平双降压变换电路工作模式三示意图；
图5为本发明三电平双降压变换电路工作模式四示意图；
图6为本发明三电平双降压变换电路工作模式五示意图；
图7为本发明三电平双降压变换电路工作模式六示意图。
图8为本发明三电平双降压变换电路中开关管S1～S7六种工作模式图。
图9为本发明三电平双降压变换电路中开关管S1～S7对应的脉冲信号分配图。
图10为本发明三电平双降压变换电路在稳定状态下输出电压uo和输出电流io波形图。
图11为本发明三电平双降压变换电路在稳定状态下电感L1电流iL1波形图。
图12为本发明三电平双降压变换电路在稳定状态下电感L2电流iL2波形图。
图13为本发明三电平双降压变换电路在稳定状态下端点a与端点b间电压uab波形图。
图14为本发明三电平双降压变换电路在稳定状态下直流分裂电容C1、C2电压uc1、uc2波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，该变换电路包括储能电池，双向DC-DC变换器，开关管S1～S7，二极管D1～D7，电感L1和L2，电容C1和C2；
电容C1正极连接开关管S1漏极，其连接节点构成端点p；
电容C2负极连接开关管S7源极，其连接节点构成端点m；
电容C1负极分别连接电容C2正极、二极管D3阳极、二极管D5负极，其连接节点构成端点n；
开关管S7漏极分别连接开关管S5源极、开关管S6源极、二极管D1阳极、二极管D2阳极，其连接节点构成端点d；
开关管S1源极分别连接开关管S2漏极、开关管S3漏极，其连接节点构成端点c；
开关管S3源极分别连接电感L2另一端、二极管D2阴极，其连接节点构成端点b；
开关管S2源极分别连接二极管D1阴极、二极管D4阳极、二极管D6阴极，二极管D7阳极，其连接节点构成端点a；
二极管D7阴极与电感L1一端相连接；开关管S5漏极分别与负载RL一端、电感L1另一端相连接；开关管S6漏极分别与负载RL另一端、电感L2一端相连接；
开关管S4漏极分别连接二极管D3阴极、二极管D4阴极；开关管S4源极分别连接二极管D5阳极、二极管D6阳极。
所述开关管S1～S7均为带体二极管的MOSFET(电力场效应晶体管)、或者IGBT(绝缘栅双极晶体管)。
所述变换电路中开关管S2、S3，二极管D1、D2，电感L1、L2组成双降压电路结构。
所述开关管S4、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6连接构成双向开关管，为电平±1/2Us的实现提供流通路径。
所述电容C1和C2为电容值相等的分裂电容，由于电容C1和C2大小相等且采用串联连接方式，故每个电容两端电压均为双向DC-DC变换器输出侧直流电压Us的一半，为三电平的实现提供条件。
电路具体实验参数如下：
一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，输出交流电压uo有效值为220V，频率为50Hz，双向DC-DC变换器输出侧直流电压Us为400V，直流侧分裂电容C1＝C2＝4700μF，开关频率为20kHz，滤波电感L1＝L2＝3mH，负载RL的阻值为80Ω。
一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路正常工作时，共有六种工作模式，其中在输出交流电压uo正负半周期内各有三种工作模式。
(1)输出交流电压uo正半周期三种工作模式如下：
如图2所示，模式一：开关管S1、S2、S6、S7导通，其余开关管关断。储能电池对电感L1和负载RL提供能量，电感L1电流iL1线性上升。此模态下，输出电流io＝iL1，输出电压uo>0，端点a与端点b之间的电压uab＝+Us。
如图3所示，模式二：开关管S4、S6、S7导通，其余开关管关断。电容C2对电感L1和负载RL提供能量，电感L1电流iL1线性上升，电容C2电压下降；储能电池对电容C1充电，电容C1电压上升。此模态下，输出电流io＝iL1，输出电压uo>0，端点a与端点b之间的电压uab＝+Us/2。
如图4所示，模式三：开关管S6导通，其余开关管关断。电感L1电流iL1经二极管D1续流并为负载RL提供能量，电流iL1线性下降。电容C1和C2处于充电状态，电容C1和C2的电压上升。此模态下，输出电流io＝iL1，输出电压uo>0，端点a与端点b之间的电压uab＝0。
(2)输出交流电压uo负半周期三种工作模式如下：
如图5所示，模式四：开关管S5导通，其余开关管关断。电感L2电流iL2经二极管D2续流并为负载RL提供能量，电流iL2线性下降。储能电池对电容C1和C2充电，电容C1和C2的电压上升。此模态下，输出电流io＝-iL2，输出电压uo<0，端点a与端点b之间的电压uab＝0。
如图6所示，模式五：开关管S1、S3、S4、S5导通，其余开关管关断。电容C1对电感L2和负载RL提供能量，电感L2电流iL2线性上升，电容C1电压下降；储能电池对电容C2充电，电容C2电压上升。此模态下，输出电流io＝-iL2，输出电压uo<0，端点a与端点b之间的电压uab＝-Us/2。
如图7所示，模式六：开关管S1、S3、S5、S7导通，其余开关管关断。储能电池对电感L2和负载RL提供能量，电感L2电流iL2线性上升。此模态下，输出电流io＝-iL2，输出电压uo<0，端点a与端点b之间的电压uab＝-Us。
图8为本发明三电平双降压变换电路中开关管S1～S7六种工作模式图，其中“0”和“1”分别表示开关管的关断和导通。如图8所示，电路在正负半工作周期各有三种工作模式，在正半工作周期，输出电压uo>0，电压uab存在三种状态，分别为+Us、+1/2Us、0，而在负半工作周期，输出电压uo<0，电压uab存在三种状态，分别为-Us、-1/2Us、0。
图9为本发明三电平双降压变换电路中开关管S1～S7对应的脉冲信号分配图，为便于分析，按照电压uab的变化规律，将各开关管的脉冲信号分配状况划分为四个小区间。通过PWM控制使得脉冲信号以[区间1]→[区间2]→[区间1]→[区间3]→[区间4]→[区间3]的规律进行分配，可使电压uab为三电平。
图10、图11、图12、图13、图14分别为本发明三电平双降压变换电路稳态条件下输出电压uo和输出电流io波形图、电感L1电流iL1波形图、电感L2电流iL2波形图、端点a与端点b间电压uab波形图、以及直流分裂电容C1、C2电压uc1、uc2波形图。
如图10所示，将输出交流电流io乘以10倍增益，与输出交流电压uo进行比较，可以看出，输出交流电压uo与输出交流电流io均保持较好的正弦化。
图11为流过电感L1电流iL1波形图，可以看出电感L1仅在正半周期工作，与理论分析相符合。
图12为流过电感L2电流iL2波形图，表示出电感L2仅在负半周期工作，与理论分析一致。
图13为端点a与端点b间电压uab波形图，明显看出，电压uab实现了三电平，证明了所发明电路拓扑具有三电平功能。
图14为直流分裂电容C1、C2电压uc1、uc2波形图，可以看出在稳态时，直流侧分裂电容电压可以实现自平衡。
本发明三电平双降压变换电路将三电平技术和双降压电路结构进行了有机融合，具有开关管电压应力低、可靠性高以及效率高等优点。

Claims (6)

1.一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，包括开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，滤波电感L1、L2，电容C1、C2；其特征在于：
电容C1正极连接开关管S1漏极，其连接节点构成端点p；
电容C2负极连接开关管S7源极，其连接节点构成端点m；
电容C1负极分别连接电容C2正极、二极管D3阳极、二极管D5负极，其连接节点构成端点n；
开关管S7漏极分别连接开关管S5源极、开关管S6源极、二极管D1阳极、二极管D2阳极，其连接节点构成端点d；
开关管S1源极分别连接开关管S2漏极、开关管S3漏极，其连接节点构成端点c；
开关管S3源极分别连接电感L2另一端、二极管D2阴极，其连接节点构成端点b；
开关管S2源极分别连接二极管D1阴极、二极管D4阳极、二极管D6阴极，二极管D7阳极，其连接节点构成端点a；
二极管D7阴极与电感L1一端相连接；开关管S5漏极分别与负载RL一端、电感L1另一端相连接；开关管S6漏极分别与负载RL另一端、电感L2一端相连接；
开关管S4漏极分别连接二极管D3阴极、二极管D4阴极；开关管S4源极分别连接二极管D5阳极、二极管D6阳极。
2.根据权利要求1所述一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，其特征在于：该变换电路中，开关管S2、开关管S3、二极管D1、二极管D2、电感L1和电感L2组成双降压电路结构。
3.根据权利要求1所述一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，其特征在于：所述开关管S1～S7为带体二极管的MOSFET或IGBT。
4.根据权利要求1所述一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，其特征在于：所述端点p、端点m连接双向DC-DC变化器输出侧，双向DC-DC变化器输入侧连接储能电池。
5.根据权利要求1所述一种用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，其特征在于：所述电容C1、C2为电容值相等的分裂电容。
6.根据权利要求1～5所述任意一项用于储能逆变一体装置后级的三电平双降压变换电路，其特征在于：所述变换电路正常工作时，共有六种工作模式，其中，在输出交流电压uo正、负半周期内各有三种工作模式：
(1)输出交流电压uo正半周期三种工作模式如下：
模式一：开关管S1、S2、S6、S7导通，其余开关管关断；储能电池对电感L1和负载RL提供能量，电感L1电流iL1线性上升；此模态下，输出电流io＝iL1，输出电压uo>0，端点a与端点b之间的电压uab＝+Us；
模式二：开关管S4、S6、S7导通，其余开关管关断；电容C2对电感L1和负载RL提供能量，电感L1电流iL1线性上升，电容C2电压下降；储能电池对电容C1充电，电容C1电压上升；此模态下，输出电流io＝iL1，输出电压uo>0，端点a与端点b之间的电压uab＝+Us/2；
模式三：开关管S6导通，其余开关管关断；电感L1电流iL1经二极管D1续流并为负载RL提供能量，电流iL1线性下降；电容C1和C2处于充电状态，电容C1和C2的电压上升；此模态下，输出电流io＝iL1，输出电压uo>0，端点a与端点b之间的电压uab＝0；
(2)输出交流电压uo负半周期三种工作模式如下：
模式四：开关管S5导通，其余开关管关断；电感L2电流iL2经二极管D2续流并为负载RL提供能量，电流iL2线性下降；储能电池对电容C1和C2充电，电容C1和C2的电压上升；此模态下，输出电流io＝-iL2，输出电压uo<0，端点a与端点b之间的电压uab＝0；
模式五：开关管S1、S3、S4、S5导通，其余开关管关断；电容C1对电感L2和负载RL提供能量，电感L2电流iL2线性上升，电容C1电压下降；储能电池对电容C2充电，电容C2电压上升；此模态下，输出电流io＝-iL2，输出电压uo<0，端点a与端点b之间的电压uab＝-Us/2；模式六：开关管S1、S3、S5、S7导通，其余开关管关断；储能电池对电感L2和负载RL提供能量，电感L2电流iL2线性上升；此模态下，输出电流io＝-iL2，输出电压uo<0，端点a与端点b之间的电压uab＝-Us。
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