CN207625466U

CN207625466U - 一种改进双向串联型高增益三电平z源逆变器

Info

Publication number: CN207625466U
Application number: CN201721380240.4U
Authority: CN
Inventors: 颜景斌; 李冠达; 李明伟
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2018-07-17
Anticipated expiration: 2027-10-25

Abstract

为了解决传统Z源逆变器目前存在的问题，本实用新型提出了一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器，包括：直流电压源和三相逆变桥组成的三相逆变器，以及由两个由全控开关管、开关电感和电容组成的串联式Z源网络。与传统Z源逆变器相比，改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器能够提高逆变器的升压能力，实现高增益因子，提高整个逆变器的输出质量；有效减小Z网络电容的电压应力，从而减小逆变器体积重量；消除非正常工作状态；减小了启动冲击电流；同时在阻碍能量回馈的二极管上反并联全控开关管，具备能量双向流动能力。

Description

一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器。

背景技术

微电网技术是开发、利用风能和太阳能等可再生能源的关键。而逆变器是微电网的核心接口元件，是微电网高效运行的保证，是分布式能源和电网间能量交换的媒介；传统的电压型逆变器仅能降压输出，为实现传统逆变器并网发电，需增加一级DC-DC升压环节，构成两级式并网发电系统，结构复杂，控制困难。

Z源逆变器利用直通状态实现单级升压，适用于单级式并网发电系统，但是启动冲击电流大，低升压增益，能量不能双向流动等问题；例如申请号为“201110166524.4”的一种改进高性能双向Z源逆变器虽然提高了升压能力，但没解决能量的双向流动的问题；又申请号为“201510037253.0”的一种新型Z 源并网变流器虽然使得电容电压应力减小，但是没有改变Z源阻抗网络的升压能力。

实用新型内容

针对上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器，能够提高单级逆变器的升压能力，实现高增益升压，提高整个逆变器的输出质量；有效减小Z网络电容的电压应力，从而减小逆变器体积重量；消除非正常工作状态；解决了启动电流过大问题；同时在阻碍能量回馈的二极管上反并联全控开关管，具备能量双向流动能力。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

为了全面提升Z源逆变器性能，将高升压能力与抑制启动冲击的能力结合起来，在Z源逆变器和串联型逆变器的基础上，通过将开关电感技术引入串联型逆变器，在串联型逆变器抑制启动冲击的基础上增强逆变器的升压能力。将开关电感技术加入逆变器的Z源网络中，逆变桥与Z源网络相串联，用开关电感单元替代串联逆变器的电感，可以将两种逆变器的优势相结合，串联型结构抑制启动冲击，同时通过开关电感单元提高Z源逆变器升压比，另外，本实用新型选择用双向开关管替代二极管，保留了各自拓扑结构的优点，同时可实现电流的双向流动。

一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器，包括直流电压源、两个串联型Z源阻抗网络、三相逆变桥构成的三相逆变器，其特征在于：包括由开关电感和电容组成的X型Z源阻抗网络、全控开关管；其中所述第一串联型Z源阻抗网络中的电感包括第1开关电感支路和第2开关电感支路，所述第1开关电感支路在直通时第一电感(L1)和第二电感(L2)并联充电，非直通时第一电感(L1)和第二电感(L2)串联放电，所述第2开关电感支路在直通时第三电感(L3)和第四电感(L4)并联充电，非直通时第三电感(L3)和第四电感(L4)串联放电，从而使该Z源逆变器获得更高直流链峰值电压；所述第一串联型Z源阻抗网络的第一电容(C1)、第二电容(C2)在直通时与输入电源串联分别向第一、第二电感(L1、L2)、第三、第四电感(L3、L4)充电，有效减小Z源阻抗网络的第一电容C1、第二电容C2的电压应力；所述第二串联型Z源阻抗网络中的电感包括第3开关电感支路和第4开关电感支路，所述第3开关电感支路在直通时第五电感(L5)和第六电感(L6)并联充电，非直通时第五电感(L5)和第六电感(L6)串联放电，所述第4开关电感支路在直通时第七电感(L7)和第八电感(L8)并联充电，非直通时第七电感(L7)和第八电感(L8)串联放电；所述第二串联型Z源阻抗网络的第三电容(C3)、第四电容(C4)在直通时与输入电源串联分别向第三、第四电感(L3、L4)、第五、第六电感(L5、L6)充电，有效减小Z源阻抗网络的第三电容C3、第四电容C4的电压应力。本实用新型与现有技术相比的主要优点是：与电压源逆变器相比，本Z源逆变器单级实现升降压；不需要死区时间，能够消除传统逆变器死区时间带来的输出噪声；同桥臂直通成为常态，增加逆变器的抗干扰能力；与传统的Z源逆变器相比，本Z源逆变器利用开关电感技术，升压能力增强，避免高增益时直通比太高调制比太低导致系统不稳定性增大、输出质量降低等问题，并且Z源网络的电容电压应力小，逆变器体积小等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器；

图2为非直通状态下改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器等效电路图；

图3为上直通状态下改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器等效电路图；

图4为下直通状态下改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器等效电路图。

具体实施方式

以下结合附图1对本实用新型双向串联型高增益三电平Z源逆变器主电路做详细介绍：

本实用新型提出的双向串联型高增益三电平Z源逆变器，包括直流电压源、两个串联型Z源阻抗网络、三相逆变桥构成的三相逆变器，其特征在于：包括由开关电感和电容组成的X型Z源阻抗网络、全控开关管；其中所述第一串联型Z源阻抗网络中的电感包括第1开关电感支路和第2开关电感支路，所述第1开关电感支路在直通时第一电感(L1)和第二电感(L2)并联充电，非直通时第一电感(L1)和第二电感(L2)串联放电，所述第2开关电感支路在直通时第三电感(L3)和第四电感(L4)并联充电，非直通时第三电感(L3)和第四电感(L4)串联放电，从而使该Z源逆变器获得更高直流链峰值电压；所述第一串联型Z源阻抗网络的第一电容(C1)、第二电容(C2)在直通时与输入电源串联分别向第一、第二电感(L1、L2)、第三、第四电感(L3、L4)充电，有效减小Z源阻抗网络的第一电容C1、第二电容C2的电压应力；所述第二串联型Z源阻抗网络中的电感包括第3开关电感支路和第4开关电感支路，所述第3开关电感支路在直通时第五电感(L5)和第六电感(L6)并联充电，非直通时第五电感(L5)和第六电感(L6)串联放电，所述第4开关电感支路在直通时第七电感(L7)和第八电感(L8)并联充电，非直通时第七电感(L7)和第八电感(L8)串联放电；所述第二串联型Z源阻抗网络的第三电容(C3)、第四电容(C4)在直通时与输入电源串联分别向第三、第四电感(L3、L4)、第五、第六电感(L5、L6)充电，有效减小Z源阻抗网络的第三电容C3、第四电容C4的电压应力。

进一步的，所述双向串联型高增益三电平Z源逆变器，其特征在于：直流电压源(Udc)正极连于第一电容(C1)的负端；第一电容(C1)的负端与第一电感(L1)的一端、第四开关管(Q4)的发射极、第五电容的一极连接；第一电容(C1)的正端与第一开关管(Q1)的集电极、第八开关管(Q8)的发射极、第三电感(L3)的一端相连；第一电感(L1)的另一端与第三开关管(Q3)、第五开关管(Q5)的发射极连接；第三开关管(Q3)的集电极与第四开关管(Q4)的集电极、第二电感(L2)的一端连接；第二电容(C2)的正端与第一开关管(Q1)的发射极、第五开关管(Q5)的集电极、第二电感(L2)的另一端连接；第二电容(C2)的负端与第六开关管(Q6)的集电极、第四电感(L4)的一端连接；第三电感(L3)的另一端与第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)的发射极连接；第四电感(L4)的另一端与第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)的集电极连接；直流电压源(Udc)负极连于第三电容(C3)的负端；第三电容(C3)的负端与第六电感(L6)的一端、第十开关管(Q10)的集电极、第六电容的一极连接；第三电容(C3)的正端与第二开关管(Q2)的发射极、第十二开关管(Q12)的集电极、第七电感(L7)的一端相连；第六电感(L6)的另一端与第九开关管(Q3)、第十一开关管(Q5)的集电极连接；第十开关管(Q10)的发射极与第十一开关管(Q11)的发射极、第五电感(L5)的一端连接；第四电容(C4)的正端与第二开关管(Q2)的集电极、第九开关管(Q9)的发射极、第五电感(L5)的另一端连接；第四电容(C4)的负端与第十四开关管(Q14)的发射极、第八电感(L8)的一端连接；第七电感(L7)的另一端与第十三开关管(Q13)、第十四开关管(Q14)的集电极连接；第八电感(L8)的另一端与第十二开关管(Q12)、第十三开关管(Q13)的集电极连接。

进一步的，所述双向串联型高增益三电平Z源逆变器，其特征在于：所述三电平NPC逆变电路包括相互并联的第一三电平NPC 逆变分电路、第二三电平NPC 逆变分电路以及第三三电平NPC 逆变分电路，其中第一三电平NPC 逆变分电路包扩第一开关管(S_A1)，第一开关管(S_A1)发射极与第二开关(S_A2)管集电极、第一二极管(D₁)负极相连，第二开关管(S_A2)发射极同第三开关管(S_A3)集电极、U相负载相连，第三开关管(S_A3)发射极同第四二极管(D₄)正极、第四开关管(S_A4)集电极相连；第二三电平NPC 逆变分电路包扩第一开关管(S_B1)，第一开关管(S_B1)发射极与第二开关(S_B2)管集电极、第二二极管(D₂)负极相连，第二开关管(S_B2)发射极同第三开关管(S_B3)集电极、V相负载相连，第三开关管(S_B3)发射极同第五二极管(D₅)正极、第四开关管(S_B4)集电极相连；第三三电平NPC 逆变分电路包扩第一开关管(S_C1)，第一开关管(S_C1)发射极与第二开关(S_C2)管集电极、第三二极管(D₃)负极相连，第二开关管(S_C2)发射极同第三开关管(S_C3)集电极、W相负载相连，第三开关管(S_C3)发射极同第六二极管(D₆)正极、第四开关管(S_C4)集电极相连；所述三电平逆变桥的上桥臂的三个开关管(S_A1、S_B1、S_C1)的集电极连于一起，连于第一串联型Z源阻抗网络的第二电容(C2)的负极；所述三电平逆变桥的下桥臂的三个开关管(S_A4、S_B4、S_C4)的发射极连于一起，连于第二串联型Z源阻抗网络的第八电容(C8)的负极；所述第一二极管正极同第二二极管正极、第三二极管正极、第四二极管负极、第五二极管负极、第六二极管负极第五电容另一极和第六电容另一极相连。

本实用新型提出的双向串联型高增益三电平Z源逆变器的工作状态可分为非直通状态、上直通状态和下直通状态，根据网络对称性电感电容元件取值分别相等，设电容电压为，电感电压为，电感电流为。

逆变器工作在非直通状态下的等效电路图如图2所示，在逆变器的非直通状态情况下，电感电压及直流链电压为：

式中：为直通状态时间，为逆变器的升压因子。

上直通状态下，逆变器等效电路图如图3所示，电感电压及直流链电压为：

下直通状态下，逆变器等效电路图如图4所示，电感电压及直流链电压为：

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器，包括直流电压源、两个串联型Z源阻抗网络、三相逆变桥构成的三相逆变器，其特征在于：包括由开关电感和电容组成的X型Z源阻抗网络、全控开关管；其中所述第一串联型Z源阻抗网络中的电感包括第1开关电感支路和第2开关电感支路，所述第1开关电感支路在直通时第一电感(L1)和第二电感(L2)并联充电，非直通时第一电感(L1)和第二电感(L2)串联放电，所述第2开关电感支路在直通时第三电感(L3)和第四电感(L4)并联充电，非直通时第三电感(L3)和第四电感(L4)串联放电，从而使该Z源逆变器获得更高直流链峰值电压；所述第一串联型Z源阻抗网络的第一电容(C1)、第二电容(C2)在直通时与输入电源串联分别向第一、第二电感(L1、L2)、第三、第四电感(L3、L4)充电，有效减小Z源阻抗网络的第一电容(C1)、第二电容(C2)的电压应力；所述第二串联型Z源阻抗网络中的电感包括第3开关电感支路和第4开关电感支路，所述第3开关电感支路在直通时第五电感(L5)和第六电感(L6)并联充电，非直通时第五电感(L5)和第六电感(L6)串联放电，所述第4开关电感支路在直通时第七电感(L7)和第八电感(L8)并联充电，非直通时第七电感(L7)和第八电感(L8)串联放电；所述第二串联型Z源阻抗网络的第三电容(C3)、第四电容(C4)在直通时与输入电源串联分别向第三、第四电感(L3、L4)、第五、第六电感(L5、L6)充电，有效减小Z源阻抗网络的第三电容(C3)、第四电容(C4)的电压应力。

2.根据权利要求1所述的一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器，其特征在于：所述串联型Z源阻抗网络的全控开关管Q₁、Q₂反并联功率二极管，具备能量双向流动能力。

3.根据权利要求1所述的一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器，其特征在于：所述串联型Z源阻抗网络串联在三相逆变桥与直流电源之间。

4.根据权利要求1所述的一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器，其特征在于：直流电压源(Udc)正极连于第一电容(C1)的负端；第一电容(C1)的负端与第一电感(L1)的一端、第四开关管(Q4)的发射极、第五电容的一极连接；第一电容(C1)的正端与第一开关管(Q₁)的集电极、第八开关管(Q₈)的发射极、第三电感(L3)的一端相连；第一电感(L1)的另一端与第三开关管(Q₃)、第五开关管(Q₅)的发射极连接；第三开关管(Q₃)的集电极与第四开关管(Q₄)的集电极、第二电感(L2)的一端连接；第二电容(C2)的正端与第一开关管(Q₁)的发射极、第五开关管(Q₅)的集电极、第二电感(L2)的另一端连接；第二电容(C2)的负端与第六开关管(Q6)的集电极、第四电感(L4)的一端连接；第三电感(L3)的另一端与第六开关管(Q₆)、第七开关管(Q₇)的发射极连接；第四电感(L4)的另一端与第七开关管(Q₇)、第八开关管(Q₈)的集电极连接；直流电压源(Udc)负极连于第三电容(C3)的负端；第三电容(C3)的负端与第六电感(L6)的一端、第十开关管(Q10)的集电极、第六电容的一极连接；第三电容(C3)的正端与第二开关管(Q₂)的发射极、第十二开关管(Q₁₂)的集电极、第七电感(L7)的一端相连；第六电感(L6)的另一端与第九开关管(Q₃)、第十一开关管(Q₅)的集电极连接；第十开关管(Q₁₀)的发射极与第十一开关管(Q₁₁)的发射极、第五电感(L5)的一端连接；第四电容(C4)的正端与第二开关管(Q₂)的集电极、第九开关管(Q₉)的发射极、第五电感(L5)的另一端连接；第四电容(C4)的负端与第十四开关管(Q14)的发射极、第八电感(L8)的一端连接；第七电感(L7)的另一端与第十三开关管(Q₁₃)、第十四开关管(Q₁₄)的集电极连接；第八电感(L8)的另一端与第十二开关管(Q₁₂)、第十三开关管(Q₁₃)的集电极连接。

5.根据权利要求1所述的一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器，其特征在于：所述的串联型Z源阻抗网络中的开关管都反向并联一个二极管，为IGBT或MOSFET。

6.根据权利要求1所述的一种改进双向串联型高增益三电平Z源逆变器，其特征在于：所述三相逆变桥包括相互并联的第一三电平NPC 逆变分电路、第二三电平NPC 逆变分电路以及第三三电平NPC 逆变分电路，其中第一三电平NPC 逆变分电路包括第一桥臂第一开关管(S_A1)，第一桥臂第一开关管(S_A1)发射极与第一桥臂第二开关管(S_A2)集电极、第一二极管(D₁)负极相连，第一桥臂第二开关管(S_A2)发射极同第一桥臂三开关管(S_A3)集电极、U相负载相连，第一桥臂第三开关管(S_A3)发射极同第四二极管(D₄)正极、第一桥臂第四开关管(S_A4)集电极相连；第二三电平NPC 逆变分电路包括第二桥臂第一开关管(S_B1)，第二桥臂第一开关管(S_B1)发射极与第二桥臂第二开关管(S_B2)集电极、第二二极管(D₂)负极相连，第二桥臂第二开关管(S_B2)发射极同第二桥臂第三开关管(S_B3)集电极、V相负载相连，第二桥臂第三开关管(S_B3)发射极同第五二极管(D₅)正极、第二桥臂第四开关管(S_B4)集电极相连；第三三电平NPC 逆变分电路包括第三桥臂第一开关管(S_C1)，第三桥臂第一开关管(S_C1)发射极与第三桥臂第二开关管(S_C2)集电极、第三二极管(D₃)负极相连，第三桥臂第二开关管(S_C2)发射极同第三桥臂第三开关管(S_C3)集电极、W相负载相连，第三桥臂第三开关管(S_C3)发射极同第六二极管(D₆)正极、第三桥臂第四开关管(S_C4)集电极相连；所述三相逆变桥的上桥臂的三个开关管(S_A1、S_B1、S_C1)的集电极连于一起，连于第一串联型Z源阻抗网络的第二电容(C2)的负极；所述三相逆变桥的下桥臂的三个开关管(S_A4、S_B4、S_C4)的发射极连于一起，连于第二串联型Z源阻抗网络的第八电容(C8)的负极；所述第一二极管正极同第二二极管正极、第三二极管正极、第四二极管负极、第五二极管负极、第六二极管负极、第五电容另一极和第六电容另一极相连。