CN116054618A - 一种交错并联四相四桥臂逆变电路 - Google Patents

一种交错并联四相四桥臂逆变电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交错并联四相四桥臂逆变电路，属于逆变器领域，可适合双向直流与交流变换，通过在传统三桥臂拓扑增加第四桥臂组，U相、V相和W相中，每相两条桥臂均采用交错并联，发波载波相位互差180度，能够大幅降低磁件体积，降低磁件损耗、成本，降低输出电流纹波；本逆变电路的直流侧采用单母线系统，成本低，可靠性高，保证了一个工频周期内的零序分量平衡；本逆变电路可同时适用于三相平衡负载与三相不平衡负载，可适用于多种工况，结构和原理简单，可提升逆变电路效率以及功率密度，实现功率变换的终极目标，具有良好的推广应用价值。

Description

一种交错并联四相四桥臂逆变电路
技术领域
本发明属于逆变器领域，具体涉及一种交错并联四相四桥臂逆变电路。
背景技术
当前，电网运营面临着最高用电负荷持续增加、间歇式能源接入占比扩大、调峰手段有限等诸多挑战；而优质、自愈、安全、清洁、经济、互动是智能电网的设定目标，储能技术尤其大规模储能技术具备的诸多特性得以在发电、输电、配电、用电四大环节得到广泛应用，可以说储能环节是构建智能电网及实现目标不可或缺的关键环节。
储能系统作为智能电网重要的组成部分，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷。智能电网的核心技术之一就是储能技术，通过遍布电网的储能节点，智能电网可以对能源进行更有效的调度，使得整个电网的能源效率提高；随着电网技术的发展，储能逆变器慢慢走近家庭用户中，从而适应家用、商用逆变器独立离网运行的需求。
CN112448605A中公开了一种交错并联方法，利用磁耦合技术可以降低磁性器件损耗成本，提升效率，但并未提及逆变电路如何适应不平衡负载的问题；CN214480327U中在传统T字形三电平拓扑上增加了第四桥臂，为不平衡负载提供通路，但并未提及交错，且三相平衡负载与三相不平衡负载使用两组不同的硬件接口，利用继电器切换，使得成本增加，不能灵活使用，且方案较为复杂。
由此可见，传统单母线三桥臂拓扑电路，不能接入N相，无法适应100％不平衡负载；传统双母线三桥臂拓扑电路，可以接入N相，但母线利用率低，电容成本增加，零序分量易导致单边母线升高；增大了电感损耗和成本，降低了功率密度，导致逆变电路的效率较低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种交错并联四相四桥臂逆变电路，通过将逆变电路设计呈交错并联的四相四桥臂结构，能够降低输出电流纹波，降低电感损耗、成本，提升功率密度，可以大大降低磁件和开关管的要求。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术内容：
一种交错并联四相四桥臂逆变电路，包括直流侧和交流侧，所述直流侧正极连接有DC+，负极连接有DC-；
所述交流侧连接有U相、V相、W相和N相；
所述DC+与所述DC-之间并联有四组桥臂组，第一桥臂组、第二桥臂组和第三桥臂组各包括两条桥臂，第四桥臂组采用单桥臂或双桥臂；
每条桥臂上各连接有两个开关管；
所述第一桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第一电感，所述第一电感的一端与所述第一桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与所述U相相连；
所述第一桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第二电感，所述第二电感的一端与所述第一桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述U相相连；
所述第二桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第三电感，所述第三电感的一端与所述第二桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与所述V相相连；
所述第二桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第四电感，所述第四电感的一端与所述第二桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述V相相连；
所述第三桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第五电感，所述第五电感的一端与所述第三桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与所述W相相连；
所述第三桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第六电感，所述第六电感的一端与所述第三桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述W相相连；
当所述第四桥臂组采用单桥臂时，所述第四桥臂组的桥臂的两个开关管之间连接有第七电感，所述第七电感的一端与所述第四桥臂组的桥臂相连，另一端与所述N相相连；
当所述第四桥臂组采用双桥臂时，所述第四桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第七电感，所述第七电感的一端与所述第四桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与所述N相相连；所述第四桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第八电感，所述第八电感的一端与所述第四桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述N相相连。
进一步地，所述DC+与所述DC-之间连接有电容Cbus，所述电容Cbus与四组桥臂组均并联。
进一步地，所述U相与所述N相之间连接有电容Ca。
进一步地，所述V相与所述N相之间连接有电容Cb。
进一步地，所述W相与所述N相之间连接有电容Cc。
进一步地，所述第四桥臂组采用双桥臂，所述第四桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第七电感，所述第七电感的一端与所述第四桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与所述N相相连；
所述第四桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第八电感，所述第八电感的一端与所述第四桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述N相相连。
进一步地，每组桥臂组中，第一条桥臂与第二条桥臂的载波相位差值均为180°。
进一步地，每组桥臂组中，第一条桥臂的第一个开关管与第二条桥臂的第一个开关管之间的驱动相互差值均为180°。
进一步地，每组桥臂组中，第一条桥臂的第二个开关管与第二条桥臂的第二个开关管之间的驱动相互差值均为180°。
进一步地，每组桥臂组中，第一条桥臂的第一个开关管驱动与第一条桥臂的第二个开关管驱动之间带死区互补；第二条桥臂的第一个开关管驱动与第二条桥臂的第二个开关管驱动之间带死区互补。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种交错并联四相四桥臂逆变电路，可适合双向直流与交流变换，通过在传统三桥臂拓扑增加第四桥臂组，U相、V相和W相中，每相两条桥臂均采用交错并联，发波载波相位互差180度，能够大幅降低磁件体积，降低磁件损耗、成本，降低输出电流纹波；本逆变电路的直流侧采用单母线系统，成本低，可靠性高，保证了一个工频周期内的零序分量平衡；本逆变电路可同时适用于三相平衡负载与三相不平衡负载，可适用于多种工况，结构和原理简单，可提升逆变电路效率以及功率密度，实现功率变换的终极目标，具有良好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路的拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路的发波逻辑示意图；
图3为本发明实施例1提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路UV相桥臂续流Ⅰ图；
图4为本发明实施例1提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路UV相桥臂续流Ⅱ图；
图5为本发明实施例1提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路U相桥臂续流Ⅰ图；
图6为本发明实施例1提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路U相桥臂续流Ⅱ图；
图7为本发明实施例1提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路U相桥臂续流Ⅲ图；
图8为本发明实施例1提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路UN相桥臂续流Ⅰ图；
图9为本发明实施例1提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路UN相桥臂续流Ⅱ图；
图10为本发明实施例2提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路的拓扑结构示意图；
图11为本发明实施例3提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路的拓扑结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种交错并联四相四桥臂逆变电路，包括直流侧和交流侧，直流侧正极连接有DC+，负极连接有DC-；交流侧连接有U相、V相、W相和N相；DC+与DC-之间并联有四组桥臂组，第一桥臂组、第二桥臂组和第三桥臂组各包括两条桥臂，第四桥臂组采用一条桥臂或两条桥臂；其中，每条桥臂上各连接有两个开关管；DC+与DC-之间连接有电容Cbus，电容Cbus与四组桥臂组均并联；U相与N相之间连接有电容Ca；V相与N相之间连接有电容Cb；W相与N相之间连接有电容Cc。
具体的：
第一桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第一电感，第一电感的一端与第一桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与U相相连；
第一桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第二电感，第二电感的一端与第一桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与U相相连；
第二桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第三电感，第三电感的一端与第二桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与V相相连；
第二桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第四电感，第四电感的一端与第二桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与V相相连；
第三桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第五电感，第五电感的一端与第三桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与W相相连；
第三桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第六电感，第六电感的一端与第三桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与W相相连；
特别的，第四桥臂组可采用单桥臂或双桥臂，具体为：
当第四桥臂组采用单桥臂时，其桥臂上的两个开关管之间连接有第七电感，第七电感的一端与第四桥臂组的桥臂相连，另一端与N相相连。
当第四桥臂组采用双桥臂时，分别为第四桥臂组的第一条桥臂与第二条桥臂；第四桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第七电感，第七电感的一端与第四桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与N相相连；第四桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第八电感，第八电感的一端与第四桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述N相相连。
这里，上述4组桥臂组中，每个桥臂组的第一条桥臂与第二条桥臂的载波相位差值均为180°，需要说明的是，这里的第四桥臂组采用双桥臂。
同样，每个桥臂组的第一条桥臂的第一个开关管与第二条桥臂的第一个开关管之间的驱动相互差值为180°；第一条桥臂的第二个开关管与第二条桥臂的第二个开关管之间的驱动相互差值为180°。
此外，每个桥臂组的第一条桥臂的第一个开关管驱动与第一条桥臂的第二个开关管驱动之间带死区互补；第二条桥臂的第一个开关管驱动与第二条桥臂的第二个开关管驱动之间带死区互补。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释说明：
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种交错并联四相四桥臂逆变电路，具体包括：
第一，直流侧正极接入Dc+,负极接入Dc-,交流侧三相四线U相接入U，V相接入V，W相接入W，N相接入N；
第二，两个开关管串联组成一个桥臂，每个开关管可承受整个母线电容Cbus电压；
第三，八个桥臂接入直流侧母线之间，均并联接入DC+，DC-；
第四，开关管Q14、Q16桥臂中点Va1接电感La1一端，开关管Q13、Q15桥臂中点Va2接电感La2一端，La1与La2另一端并联与交流侧U相相连；
第五，开关管Q10、Q12桥臂中点Vb1接电感Lb1一端，开关管Q9、Q11桥臂中点Vb2接电感Lb2一端，Lb1与Lb2另一端并联与交流侧V相相连。
第六，开关管Q6、Q8桥臂中点Vc1接电感Lc1一端，开关管Q5、Q7桥臂中点Vc2接电感Lc2一端，Lc1与Lc2另一端并联与交流侧W相相连。
第七，开关管Q2、Q4桥臂中点Vn1接电感Ln1一端，开关管Q1、Q3桥臂中点Vn2接电感Ln2一端，Ln1与Ln2另一端并联与交流侧N相相连。
第八，U相和N相之间连接电容Ca,V相与N相之间连接电容Cb,W相与N相之间连接电容Cc。
如图2所示，本实施例提供一种交错并联四相四桥臂逆变电路的发波方法，这里，以U相的两桥臂交错发波为例，其他V、W、N相发波方式与U相相同，具体为：
第一：Va1桥臂与Va2桥臂载波相位差180°；
第二：Va1上管Q14驱动与Va2上管Q13驱动互差180°；
第三：Va1下管Q16驱动与Va2下管Q15驱动互差180°；
第四：Va1上管Q14驱动与Va1下管Q16驱动带死区互补；
第五：Va2上管Q13驱动与Va2下管Q15驱动带死区互补。
本实施例的交流侧以接负载为例，电流流向UW侧为正：
工况1，接三相平衡负载，N相悬空，具体地工作方式，以电感La1电流为正向流动例，有以下5种续流回路，分别为：
(1)如图3所示，电流流过UV相桥臂，电感电流流过DC+，Q14本体，La1,Lb1,Q12本体到DC-，La1电感电流增加；
(2)如图4所示，电流流过UV相桥臂续流，电感电流流过DC-，Q16二极管，La1,Lb1,Q10二极管续流到DC+，La1电感电流减小；
(3)如图5所示，电流流过U相的内部交错桥臂，电感电流流过DC+，Q14本体，La1,La2,Q15本体到DC-，La1电感电流增加；
(4)如图6所示，电流流过U相的内部交错桥臂续流，电感电流流过DC-，Q16二极管，La1,La2,Q13二极管续流到DC+，La1电感电流减小；
(5)如图7所示，电流流过U相的内部交错桥臂续流，电感电流流过Q14本体，La1,La2,Q13二极管，La1电感电流减小；
电感La1电流为负向流动时，对应也有5种续流回路，与正向流动类似。
工况2，接三相非平衡负载，接AN相(UN相)，BC相悬空(VW相悬空)；具体的工作方式，以电感La1电流为正向流动例，仍有5种续流回路：需要说明的是，接ABN相(UVN相)，C相(W相)悬空，接CAN相(UWN相)，B相(V相)悬空，接BN相(VN相)，AC相(UW相)悬空、接BCN相(VWN相)，A相(U相)悬空，接CN相(WN相)，AB相(UV相)悬空，以上工况均与工况2类似。
(1)如图8所示，电流流过UN相桥臂续流，电感电流流过DC+，Q14本体，La1,Ln1,Q14本体到DC-，La1电感电流增加；
(2)如图9所示，电流流过UN相桥臂续流，电感电流流过DC-，Q16二极管，La1,Ln1,Q2二极管续流到DC+，La1电感电流减小；
(3)电流流过U相的内部交错桥臂的工况分别与工况1的(3)、(4)、(5)相同；
La1电感电流为负向流动时，对应也有5种续流回路，与正向流动类似。
实施例2
本实施例与实施例1的结构基本类似，区别在于，如图10所示，U、V、W三相仍然交错并联，这里的N相仅采用一个桥臂，即单桥臂，使用并连接一个电感Ln，也同样可以实现实施例1的功能。
实施例3
本实施例与实施例1的结构基本类似，区别在于，如图11所示，U、V、W和N四相均可做m(m可取任意正整数值)路交错，均可实现交错并联四相四桥臂拓扑电路的功能。
上述实施例提供的一种交错并联四相四桥臂逆变电路，具有如下优点：
本电路拓扑，适合双向DC、AC变换，较传统三桥臂拓扑增加第四桥臂，每相两桥臂均采用交错并联，发波载波相位互差180度，大幅降低磁件体积，降低磁件损耗、成本，降低输出电流纹波；本拓扑直流侧为单母线系统，成本低，可靠性高，一个工频周期内零序分量平衡，四桥臂拓扑适用于多种工况：本拓扑适用于三相平衡负载，交流侧可只接ABC相运行；本拓扑适用于三相不平衡负载，交流侧可接AB、AC、BC、AN、BN、CN相运行。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (10)

1.一种交错并联四相四桥臂逆变电路，其特征在于，包括直流侧和交流侧，所述直流侧正极连接有DC+，负极连接有DC-；
所述交流侧连接有U相、V相、W相和N相；
所述DC+与所述DC-之间并联有四组桥臂组，第一桥臂组、第二桥臂组和第三桥臂组各包括两条桥臂，第四桥臂组采用单桥臂或双桥臂；
每条桥臂上各连接有两个开关管；
所述第一桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第一电感，所述第一电感的一端与所述第一桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与所述U相相连；
所述第一桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第二电感，所述第二电感的一端与所述第一桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述U相相连；
所述第二桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第三电感，所述第三电感的一端与所述第二桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与所述V相相连；
所述第二桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第四电感，所述第四电感的一端与所述第二桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述V相相连；
所述第三桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第五电感，所述第五电感的一端与所述第三桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与所述W相相连；
所述第三桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第六电感，所述第六电感的一端与所述第三桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述W相相连；
当所述第四桥臂组采用单桥臂时，所述第四桥臂组的桥臂的两个开关管之间连接有第七电感，所述第七电感的一端与所述第四桥臂组的桥臂相连，另一端与所述N相相连；
当所述第四桥臂组采用双桥臂时，所述第四桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第七电感，所述第七电感的一端与所述第四桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与所述N相相连；所述第四桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第八电感，所述第八电感的一端与所述第四桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述N相相连。
2.根据权利要求1所述的一种交错并联四相四桥臂逆变电路，其特征在于，所述DC+与所述DC-之间连接有电容Cbus，所述电容Cbus与四组桥臂组均并联。
3.根据权利要求1所述的一种交错并联四相四桥臂逆变电路，其特征在于，所述U相与所述N相之间连接有电容Ca。
4.根据权利要求1所述的一种交错并联四相四桥臂逆变电路，其特征在于，所述V相与所述N相之间连接有电容Cb。
5.根据权利要求1所述的一种交错并联四相四桥臂逆变电路，其特征在于，所述W相与所述N相之间连接有电容Cc。
6.根据权利要求1所述的一种交错并联四相四桥臂逆变电路，其特征在于，所述第四桥臂组采用双桥臂，所述第四桥臂组的第一条桥臂的两个开关管之间连接有第七电感，所述第七电感的一端与所述第四桥臂组的第一条桥臂相连，另一端与所述N相相连；
所述第四桥臂组的第二条桥臂的两个开关管之间连接有第八电感，所述第八电感的一端与所述第四桥臂组的第二条桥臂相连，另一端与所述N相相连。
7.根据权利要求6所述的一种交错并联四相四桥臂逆变电路，其特征在于，每组桥臂组中，第一条桥臂与第二条桥臂的载波相位差值均为180°。
8.根据权利要求6所述的一种交错并联四相四桥臂逆变电路，其特征在于，每组桥臂组中，第一条桥臂的第一个开关管与第二条桥臂的第一个开关管之间的驱动相互差值均为180°。
9.根据权利要求6所述的一种交错并联四相四桥臂逆变电路，其特征在于，每组桥臂组中，第一条桥臂的第二个开关管与第二条桥臂的第二个开关管之间的驱动相互差值均为180°。
10.根据权利要求6所述的一种交错并联四相四桥臂逆变电路，其特征在于，每组桥臂组中，第一条桥臂的第一个开关管驱动与第一条桥臂的第二个开关管驱动之间带死区互补；第二条桥臂的第一个开关管驱动与第二条桥臂的第二个开关管驱动之间带死区互补。
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