CN115800787A - 一种单相三电平非对称四端口储能逆变器 - Google Patents

Abstract

一种单相三电平非对称四端口储能逆变器，包括开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈，二极管D₁、D₂、D₃、D₄，电感L₁和L₂，电容C₁和C₂。该储能逆变器采用了非对称四端口结构，该结构由开关管S₂、S₄、S₅和二极管D₁、D₃、D₄连接组成，可作为一个多电平模块化单元，便于实现集成化。相较于传统两电平逆变器，本发明一种单相三电平非对称四端口储能逆变器降低了半导体开关器件所承受的电压应力，减小了开关损耗和输出谐波含量，提高了输出电能质量和电能变换效率。

Description

一种单相三电平非对称四端口储能逆变器

技术领域

本发明涉及多电平电能变换技术领域，具体是一种单相三电平非对称四端口储能逆变器。

背景技术

储能逆变器是分布式能源、能源互联网、智能电网发展的必备技术，因此研究高效率和高可靠性的储能逆变器具有重要意义。传统两电平逆变器随着开关频率的提高，其开关损耗快速增加，这一特点决定了两电平逆变器难以在较高的开关频率下实现高变换效率。相比于两电平逆变器，三电平逆变器增加了输出电平数，输出电压波形正弦化更好，输出THD含量更小，同时开关电压应力和EMI噪声也显著降低。因此，在开关频率相同情况下，三电平逆变器可使用更小的滤波电感，有利于降低电感损耗和减小逆变器成本和体积；而在输出THD含量相同的条件下，三电平逆变器可使用更低的开关频率，这有利于减小开关损耗，提升电能变换效率。

发明内容

本发明提供了一种单相三电平非对称四端口储能逆变器，该逆变器采用了四端口网络结构，便于模块化和集成化设计；同时该储能逆变器具有开关电压应力低、开关损耗小、输出THD含量小以及可靠性高等优点。

本发明采取的技术方案为：

一种单相三电平非对称四端口储能逆变器，包括电感L₁、L₂，电容C₁、C₂，开关管S₁～S₈，二极管D₁～D₄；

开关管S₁漏极连接电容C₁正极，连接节点构成端点p；

电容C₁负极分别连接电容C₂阳极、二极管D₃阳极、二极管D₄阴极，连接节点构成端点n；

开关管S₈源极连接电容C₂负极，连接节点构成端点m；

电感L₁一端分别连接开关管S₄源极、开关管S₅漏极，连接节点构成端点a；

电感L₁另一端分别与开关管S₆漏极、负载R_L一端相连接；

电感L₂一端分别与开关管S₇漏极、负载R_L另一端相连接；

电感L₂另一端分别连接开关管S₃源极、二极管D₂阴极，连接节点构成端点b；

开关管S₁源极分别连接开关管S₂漏极、开关管S₃漏极，连接节点构成端点c；

开关管S₈漏极分别连接开关管S₆源极、开关管S₇源极，二极管D₁阳极、二极管D₂阳极，连接节点构成端点d；

开关管S₂源极分别与开关管S₄漏极、二极管D₃阴极相连接；开关管S₅源极分别与二极管D₁阴极、二极管D₄阳极相连接。

该储能逆变器中，开关管S₂、S₄、S₅，二极管D₁、D₃、D₄连接组成非对称四端口结构，该非对称四端口结构的四个端口分别为端点a、端点c、端点d、端点n。

所述端点p、端点m连接双向DC-DC变换器输出侧，双向DC-DC变换器输入侧连接储能电池。

所述电容C₁、C₂为电容值相等的电解电容，每个电容承受的电压为双向DC-DC变换器输出侧直流电压U_S的一半，为±1/2U_S电平的实现提供条件。

所述开关管S₁～S₈为带体二极管的电力场效应晶体管MOSFET、或者绝缘栅双极晶体管IGBT。

该储能逆变器包括以下六种工作模式：

工作模式一：此时电路工作在输出交流电压u_o的正半周期，开关管S₁、S₂、S₄、S₇、S₈导通，其余开关管关断。储能电池向电感L₁和负载R_L供电，电感L₁电流i_L1线性上升，输出交流电流i_o＝i_L1，端点a与端点b间电压u_ab＝+U_s。

工作模式二：此时电路工作在输出交流电压u_o的正半周期，开关管S₄、S₇、S₈导通，其余开关管关断。储能电池对电容C₁充电，电容C₁电压上升；电容C₂向电感L₁和负载R_L供电，电容C₂电压下降，电感L₁电流i_L1线性上升，输出交流电流i_o＝i_L1，端点a与端点b间电压u_ab＝+1/2U_s。

工作模式三：此时电路工作在输出交流电压u_o的正半周期，开关管S₅、S₇导通，其余开关管关断。储能电池对电容C₁和C₂充电，电容C₁和C₂的电压上升；电感L₁电流i_L1经二极管D₁续流并为负载R_L供电，电流i_L1线性下降，输出交流电流i_o＝i_L1，端点a与端点b间电压u_ab＝0。

工作模式四：此时电路工作在输出交流电压u_o的负半周期，开关管S₆导通，其余开关管关断。储能电池对电容C₁和C₂充电，电容C₁和C₂的电压上升；电感L₂电流i_L2经二极管D₂续流并为负载R_L供电，电流i_L2线性下降，输出交流电流i_o＝-i_L2，端点a与端点b间电压u_ab＝0。

工作模式五：此时电路工作在输出交流电压u_o的负半周期，开关管S₁、S₃、S₆导通，其余开关管关断。储能电池对电容C₂充电，电容C₂电压上升；电容C₁向电感L₂和负载R_L供电，电容C₁电压下降，电感L₂电流i_L2线性上升，输出交流电流i_o＝-i_L2，端点a与端点b间电压u_ab＝-1/2U_s。

工作模式六：此时电路工作在输出交流电压u_o的负半周期，开关管S₁、S₃、S₆、S₈导通，其余开关管关断。储能电池向电感L₂和负载R_L供电，电感L₂电流i_L2线性上升，输出交流电流i_o＝-i_L2，端点a与端点b间电压u_ab＝-U_s。

本发明一种单相三电平非对称四端口储能逆变器，技术效果如下：

1、本发明储能逆变器的电路拓扑采用了由端点a、c、d、n构成的非对称四端口结构，该非对称四端口结构不仅能起到电压钳位作用，还可实现功率的多向流动，为该逆变器三电平功能实现提供了条件。同时该非对称四端口结构还可作为一个多电平模块化单元，便于实现集成化。

2、本发明储能逆变器的电路拓扑可实现三电平电能输出，相较于传统两电平逆变器，减小了输出谐波含量和开关管电压电流应力，降低了开关损耗，改善了输出电能质量以及提高了电能转换效率。

3、本发明储能逆变器的电路拓扑在工作时，续流电流不通过开关管的体二极管，而是经过独立续流二极管，不存在开关管体二极管反向恢复问题，减小了导通损耗。

4、本发明储能逆变器的电路拓扑采用开关管S₁和S₈进行电压钳位，提高了拓扑电路的可靠性。

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为本发明一种单相三电平非对称四端口储能逆变器拓扑电路图。

图2为本发明电路在输出交流电压u_o正半周期工作模式一电路图；

图3为本发明电路在输出交流电压u_o正半周期工作模式二电路图；

图4为本发明电路在输出交流电压u_o正半周期工作模式三电路图；

图5为本发明电路在输出交流电压u_o负半周期工作模式四电路图；

图6为本发明电路在输出交流电压u_o负半周期工作模式五电路图；

图7为本发明电路在输出交流电压u_o负半周期工作模式六电路图。

图8为本发明电路中开关管S₁～S₈六种工作模式图。

图9为本发明电路中开关管S₁～S₈对应的脉冲信号分配图。

图10为本发明电路在稳态下输出电压u_o和输出电流i_o波形图。

图11为本发明电路在稳态下流过电感L₁电流i_L1波形图。

图12为本发明电路在稳态下流过电感L₂电流i_L2波形图。

图13为本发明电路在稳态下端点a与端点b间电压u_ab波形图。

图14为本发明电路在稳态下电容C₁、C₂电压u_c1、u_c2波形图。

具体实施方式

本发明电路具体实验参数如下：输出侧交流电压u_o有效值为220V，频率为50Hz，双向DC-DC变换器输出侧直流电压U_s为400V，电容C₁＝C₂＝4700μF，电感L₁＝L₂＝3mH，开关频率为20kHz，负载R_L的阻值为80Ω。

图1为本发明一种单相三电平非对称四端口储能逆变器拓扑电路图，拓扑电路包括储能电池、双向DC-DC变换器，电感L₁和L₂、电容C₁和C₂、开关管S₁～S₈、二极管D₁～D₄；元器件间的连接关系如下：

开关管S₁漏极连接电容C₁正极，连接节点构成端点p；

电容C₁负极分别连接电容C₂阳极、二极管D₃阳极、二极管D₄阴极，连接节点构成端点n；

开关管S₈源极连接电容C₂负极，连接节点构成端点m；

电感L₁一端分别连接开关管S₄源极、开关管S₅漏极，连接节点构成端点a；

电感L₁另一端分别与开关管S₆漏极、负载R_L一端相连接；

电感L₂一端分别与开关管S₇漏极、负载R_L另一端相连接；

电感L₂另一端分别连接开关管S₃源极、二极管D₂阴极，连接节点构成端点b；

开关管S₁源极分别连接开关管S₂漏极、开关管S₃漏极，连接节点构成端点c；

开关管S₈漏极分别连接开关管S₆源极、开关管S₇源极，二极管D₁阳极、二极管D₂阳极，连接节点构成端点d；

开关管S₂源极分别与开关管S₄漏极、二极管D₃阴极相连接；开关管S₅源极分别与二极管D₁阴极、二极管D₄阳极相连接。

电路中端点a、端点c、端点d、端点n构成非对称四端口结构。

电路中开关管S₁～S₈均为电力场效应晶体管MOSFET、或者绝缘栅双极晶体管IGBT。

电路中电容C₁和电容C₂为电容值相等的电解电容。

本发明一种单相三电平非对称四端口储能逆变器正常工作时，共有以下六种工作模式:

图2为工作模式一：此时电路工作在输出交流电压u_o的正半周期，开关管S₁、S₂、S₄、S₇、S₈导通，其余开关管关断。储能电池向电感L₁和负载R_L供电，电流i_L1线性上升，输出交流电流i_o＝i_L1，端点a与端点b间电压u_ab＝+U_s。

图3为工作模式二：此时电路工作在输出交流电压u_o的正半周期，开关管S₄、S₇、S₈导通，其余开关管关断。储能电池对电容C₁充电，电容C₁电压上升；电容C₂向电感L₁和负载R_L供电，电容C₂电压下降，电感L₁电流i_L1线性上升，输出交流电流i_o＝i_L1，端点a与端点b间电压u_ab＝+1/2U_s。

图4为工作模式三：此时电路工作在输出交流电压u_o的正半周期，开关管S₅、S₇导通，其余开关管关断。储能电池对电容C₁和C₂充电，电容C₁和C₂的电压上升；电感L₁电流i_L1经二极管D₁续流并为负载R_L供电，电流i_L1线性下降，输出交流电流i_o＝i_L1，端点a与端点b间电压u_ab＝0。

图5为工作模式四：此时电路工作在输出交流电压u_o的负半周期，开关管S₆导通，其余开关管关断。储能电池对电容C₁和C₂充电，电容C₁和C₂的电压上升；电感L₂电流i_L2经二极管D₂续流并为负载R_L供电，电流i_L2线性下降，输出交流电流i_o＝-i_L2，端点a与端点b间电压u_ab＝0。

图6为工作模式五：此时电路工作在输出交流电压u_o的负半周期，开关管S₁、S₃、S₆导通，其余开关管关断。储能电池对电容C₂充电，电容C₂电压上升；电容C₁向电感L₂和负载R_L供电，电容C₁电压下降，电感L₂电流i_L2线性上升，输出交流电流i_o＝-i_L2，端点a与端点b间电压u_ab＝-1/2U_s。

图7为工作模式六：此时电路工作在输出交流电压u_o的负半周期，开关管S₁、S₃、S₆、S₈导通，其余开关管关断。储能电池向电感L₂和负载R_L供电，电感L₂电流i_L2线性上升，输出交流电流i_o＝-i_L2，端点a与端点b间电压u_ab＝-U_s。

图8为本发明电路中开关管S₁～S₈六种工作模式图，由图8可知，电路在正负半周期各有三种工作模式，其中在正半工作周期，输出电压u_o大于0，电压u_ab有0、+1/2U_s、+U_s三种电平；在负半工作周期，输出电压u_o小于0，电压u_ab有0、-1/2U_s、-U_s三种电平。“1”表示开关管导通，“0”表示开关管关断。

图9为本发明电路中开关管S₁～S₈对应的脉冲信号分配图，通过不断切换开关管的开关状态，实现电平之间的转换，进而实现三电平。

图10为本发明电路在稳态下输出电压u_o和输出电流i_o波形图，其中：电流i_o在原有基础上乘以了10倍增益。从图中可以看出，输出电压u_o和输出电流i_o的波形具有良好的正弦性。

图11和图12分别为本发明电路在稳态下流过电感L₁电流i_L1和流过电感L₂电流i_L2波形图。由图11可知，电感L₁仅在正半周期工作，与理论分析保持一致；由图12可知，电感L₂仅在负半周期工作，与理论分析相符合。

图13为本发明电路在稳态下端点a与端点b间电压u_ab波形图，由图13可以看出，所示电压u_ab波形为三电平，证明了所发明电路具有实现三电平的功能。

图14为本发明电路在稳态下电容C₁、C₂电压u_c1、u_c2波形图，由图14可以看出，电路在稳态时，电容电压可以实现自平衡。

相较于传统两电平逆变器，本发明一种单相三电平非对称四端口储能逆变器，降低了半导体开关器件所承受的电压应力，减小了开关损耗和输出谐波含量，提高了输出电能质量和电能变换效率。

Claims (6)

1.一种单相三电平非对称四端口储能逆变器，包括电感L₁、L₂，电容C₁、C₂，开关管S₁～S₈，二极管D₁～D₄，其特征在于：

开关管S₁漏极连接电容C₁正极，连接节点构成端点p；

电容C₁负极分别连接电容C₂阳极、二极管D₃阳极、二极管D₄阴极，连接节点构成端点n；

开关管S₈源极连接电容C₂负极，连接节点构成端点m；

电感L₁一端分别连接开关管S₄源极、开关管S₅漏极，连接节点构成端点a；

电感L₁另一端分别与开关管S₆漏极、负载R_L一端相连接；

电感L₂一端分别与开关管S₇漏极、负载R_L另一端相连接；

电感L₂另一端分别连接开关管S₃源极、二极管D₂阴极，连接节点构成端点b；

开关管S₁源极分别连接开关管S₂漏极、开关管S₃漏极，连接节点构成端点c；

开关管S₈漏极分别连接开关管S₆源极、开关管S₇源极，二极管D₁阳极、二极管D₂阳极，连接节点构成端点d；

开关管S₂源极分别与开关管S₄漏极、二极管D₃阴极相连接；开关管S₅源极分别与二极管D₁阴极、二极管D₄阳极相连接。

2.根据权利要求1所述一种单相三电平非对称四端口储能逆变器，其特征在于：该储能逆变器中，开关管S₂、S₄、S₅，二极管D₁、D₃、D₄连接组成非对称四端口结构，该非对称四端口结构的四个端口分别为端点a、端点c、端点d、端点n。

3.根据权利要求1所述一种单相三电平非对称四端口储能逆变器，其特征在于：所述端点p、端点m连接双向DC-DC变换器输出侧，双向DC-DC变换器输入侧连接储能电池。

4.根据权利要求3所述一种单相三电平非对称四端口储能逆变器，其特征在于：所述电容C₁、C₂为电容值相等的电解电容，每个电容承受的电压为双向DC-DC变换器输出侧直流电压U_S的一半。

5.根据权利要求1所述一种单相三电平非对称四端口储能逆变器，其特征在于：所述开关管S₁～S₈为带体二极管的电力场效应晶体管MOSFET、或者绝缘栅双极晶体管IGBT。

6.根据权利要求1～5所述任意一项单相三电平非对称四端口储能逆变器，其特征在于：该储能逆变器包括以下六种工作模式：

工作模式一：此时电路工作在输出交流电压u_o的正半周期，开关管S₁、S₂、S₄、S₇、S₈导通，其余开关管关断；储能电池向电感L₁和负载R_L供电，电感L₁电流i_L1线性上升，输出交流电流i_o＝i_L1，端点a与端点b间电压u_ab＝+U_s；

工作模式二：此时电路工作在输出交流电压u_o的正半周期，开关管S₄、S₇、S₈导通，其余开关管关断；储能电池对电容C₁充电，电容C₁电压上升；电容C₂向电感L₁和负载R_L供电，电容C₂电压下降，电感L₁电流i_L1线性上升，输出交流电流i_o＝i_L1，端点a与端点b间电压u_ab＝+1/2U_s；

工作模式三：此时电路工作在输出交流电压u_o的正半周期，开关管S₅、S₇导通，其余开关管关断；储能电池对电容C₁和C₂充电，电容C₁和C₂的电压上升；电感L₁电流i_L1经二极管D₁续流并为负载R_L供电，电流i_L1线性下降，输出交流电流i_o＝i_L1，端点a与端点b间电压u_ab＝0；

工作模式四：此时电路工作在输出交流电压u_o的负半周期，开关管S₆导通，其余开关管关断；储能电池对电容C₁和C₂充电，电容C₁和C₂的电压上升；电感L₂电流i_L2经二极管D₂续流并为负载R_L供电，电流i_L2线性下降，输出交流电流i_o＝-i_L2，端点a与端点b间电压u_ab＝0；

工作模式五：此时电路工作在输出交流电压u_o的负半周期，开关管S₁、S₃、S₆导通，其余开关管关断；储能电池对电容C₂充电，电容C₂电压上升；电容C₁向电感L₂和负载R_L供电，电容C₁电压下降，电感L₂电流i_L2线性上升，输出交流电流i_o＝-i_L2，端点a与端点b间电压u_ab＝-1/2U_s；

工作模式六：此时电路工作在输出交流电压u_o的负半周期，开关管S₁、S₃、S₆、S₈导通，其余开关管关断；储能电池向电感L₂和负载R_L供电，电感L₂电流i_L2线性上升，输出交流电流i_o＝-i_L2，端点a与端点b间电压u_ab＝-U_s。

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