CN218648738U - 一种基于新型开关电感单元的高增益双向准z源逆变器 - Google Patents

一种基于新型开关电感单元的高增益双向准z源逆变器 Download PDF

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颜景斌
许森洋
王玺哲
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Abstract

本实用新型提供了一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，包括直流电压源Vg、滤波电容C、电容CZ1和CZ2、开关管S1、S2和S3、二极管D1、D2和D3、新型开关电感单元SL1和SL2和三相逆变桥P。本实用新型具有能量双向流动能力，消除了非正常运行模态。本实用新型具有高升压因子、高电压增益、低Z源网络和新型开关电感单元电容电压应力、低Z源网络二极管和新型开关电感单元电流应力和低功率损耗。同时降低了结构和控制的复杂度。本实用新型具有高安全性和高效率，应用前景广泛。

Description

一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器
技术领域
本实用新型涉及电力电子领域，具体涉及一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器。
背景技术
近些年来，功率半导体器件及控制技术得到快速的发展，并在电力电子领域得到广泛应用。随着技术的不断革新，各种电力电子设备应运而生。逆变器是一种利用电力电子开关将直流电转换成交流电的装置，在一些关键技术领域已经有了很大的进步。
相比于两级式储能系统，单极式储能系统只有一级DC/AC环节，结构和控制简单。但是，传统的单极式储能系统采用传统电压源逆变器，只能进行降压逆变。但是，为了满足交流测并网要求，交流测需要增加升压变压器，而且传统电压源逆变器需要加入死区时间，防止电压源短路，输出电压波形谐波含量高。
为解决实际应用场合中并网逆变器所存在的局限性，在2002年，密歇根州立大学的彭方正教授提出Z源逆变器。Z源网络包括两电感和两电容，两电感和两电容构成X型结构。X型结构使得Z源逆变器能够通过直通状态(逆变桥至少一相桥臂同时开通)实现单极式升压逆变。因此Z源逆变器不需要加入死区时间，工作更可靠，输出交流电压谐波含量少。但是，传统Z源逆变器升压能力低、启动冲击大，在非正常运行状态、不具备功率双向流动能力，不适用于储能系统。而且，采用现有的方法，将传统开关电感单元的三个二极管用三个有源开关管代替，结构和控制均过于复杂。
为了解决上述的问题，本实用新型提出了一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器。
实用新型内容
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本实用新型提供一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，具有能量双向流动能力，消除了非正常运行模态，具有高升压因子、高电压增益、低Z源网络和新型开关电感单元电容电压应力、低Z源网络二极管和新型开关电感单元电流应力和低功率损耗。同时降低结构和控制的复杂度。
为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为提供一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，其特征在于：包括直流电压源Vg、滤波电容C、电容CZ1和CZ2、开关管S1、S2和S3、二极管D1、D2和D3、新型开关电感单元SL1和SL2和三相逆变桥P。
本实用新型的进一步优化，所述的一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，其特征是：所述直流电压源Vg与滤波电容C并联，直流电压源Vg的正极与新型开关电感单元SL1中的电容C1负极和电感L2正极连接的节点相连接；电容CZ2负极与新型开关电感单元SL1中的电容C2正极和电感L1负极连接的节点相连接，同时与开关管S3的发射极和二极管D3阳极连接的节点相连接；电容CZ1的正极与新型开关电感单元SL2中的电容C3负极和电感L4正极连接的节点相连接，同时与开关管S3的集电极和二极管D3阴极连接的节点相连接；三相逆变桥P的直流侧正极与电容CZ2的正极连接，同时与新型开关电感单元SL2中的电容C4正极和电感L3负极连接的节点相连接；三相逆变桥P的直流侧负极与电容CZ1的负极连接，同时与直流电压源Vg的负极连接。
本实用新型的进一步优化，所述的一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，其特征是：新型开关电感单元SL1，由两个电容、两个电感、一个二极管和一个开关管组成；电容C1正极与电感L1正极连接，同时与开关管S1集电极和二极管D1阴极连接的节点相连接；电容C2负极与电感L2负极连接，同时与开关管S1发射极和二极管D1阳极连接的节点相连接；电容C1负极和电感L2正极连接；电容C2正极和电感L1负极连接。
本实用新型的进一步优化，所述的一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，其特征是：新型开关电感单元SL2，由两个电容、两个电感、一个二极管和一个开关管组成；电容C3正极与电感L3正极连接，同时与开关管S2集电极和二极管D2阴极连接的节点相连接；电容C4负极与电感L4负极连接，同时与开关管S2发射极和二极管D2阳极连接的节点相连接；电容C3负极和电感L4正极连接；电容C4正极和电感L3负极连接。
本实用新型具有如下有益效果：相比于传统Z源逆变器，具有能量双向流动能力，消除了非正常运行模态，具有高升压因子、高电压增益、低Z源网络和新型开关电感单元电容电压应力、低Z源网络二极管和新型开关电感单元电流应力和低功率损耗，且适用于单极式储能系统。
附图说明
为更清楚的说明本实用新型，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
图1基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器拓扑结构图。
图2基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器的非直通等效电路图。
图3基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器的直通等效电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当注意在此所述的实施例仅为本实用新型的部分实施例，而非本实用新型的全部实现方式，所述实施例只有示例性。
如图1所示，本实用新型提供了一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，其特征在于：包括直流电压源Vg、滤波电容C、电容CZ1和CZ2、开关管S1、S2和S3、二极管D1、D2和D3、新型开关电感单元SL1和SL2和三相逆变桥P；所述直流电压源Vg与滤波电容C并联，直流电压源Vg的正极与新型开关电感单元SL1中的电容C1负极和电感L2正极连接的节点相连接；电容CZ2负极与新型开关电感单元SL1中的电容C2正极和电感L1负极连接的节点相连接，同时与开关管S3的发射极和二极管D3阳极连接的节点相连接；电容CZ1的正极与新型开关电感单元SL2中的电容C3负极和电感L4正极连接的节点相连接，同时与开关管S3的集电极和二极管D3阴极连接的节点相连接；三相逆变桥P的直流侧正极与电容CZ2的正极连接，同时与新型开关电感单元SL2中的电容C4正极和电感L3负极连接的节点相连接；三相逆变桥P的直流侧负极与电容CZ1的负极连接，同时与直流电压源Vg的负极连接。
所述的新型开关电感单元SL1，由两个电容、两个电感、一个二极管和一个开关管组成；电容C1正极与电感L1正极连接，同时与开关管S1集电极和二极管D1阴极连接的节点相连接；电容C2负极与电感L2负极连接，同时与开关管S1发射极和二极管D1阳极连接的节点相连接；电容C1负极和电感L2正极连接；电容C2正极和电感L1负极连接。
所述的新型开关电感单元SL2，由两个电容、两个电感、一个二极管和一个开关管组成；电容C3正极与电感L3正极连接，同时与开关管S2集电极和二极管D2阴极连接的节点相连接；电容C4负极与电感L4负极连接，同时与开关管S2发射极和二极管D2阳极连接的节点相连接；电容C3负极和电感L4正极连接；电容C4正极和电感L3负极连接。
本实用新型提出的一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器的稳定工作状态可分为非直通状态和直通状态。
令L1=L2=L3=L4，CZ1=CZ2=C1=C2=C3=C4。因此，开关电感单元中电感和电容电压满足：
Figure 317242DEST_PATH_IMAGE002
稳态时，非直通状态等效电路如图2所示，根据KVL得到：
Figure 922798DEST_PATH_IMAGE004
稳态时，直通状态等效电路如图3所示，根据KVL得到：
Figure 827169DEST_PATH_IMAGE006
设在一个开关周期T中，直通时间为T0，非直通时间为（T-T0）。定义直通占空比D0=T0/T，则非直通占空比为（1-D0）。根据电感的伏秒平衡原理可得：
Figure 222378DEST_PATH_IMAGE008
式中, UCZ1为电容CZ1的电压；UCZ2为电容CZ2的电压；UPN为直流链电压；Udc为直流侧电源Vg的电压；B为逆变器升压因子。
由上式可知，当D0<1/3时，基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器可实现升压功能，在此范围内与传统Z源逆变器升压比相比得：
Figure 974433DEST_PATH_IMAGE010
因此，与传统Z源逆变器相比基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器。
综上所述，本实用新型提供一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，具有能量双向流动能力，消除了非正常运行模态，具有高升压因子、高电压增益、低Z源网络和新型开关电感单元电容电压应力、低Z源网络二极管和新型开关电感单元电流应力和低功率损耗。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，但并非用以限定本实用新型，对于熟悉本领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内都可以做各种改动和修饰，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (3)

1.一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，其特征在于：包括直流电压源Vg、滤波电容C、电容CZ1和CZ2、开关管S1、S2和S3、二极管D1、D2和D3、新型开关电感单元SL1和SL2和三相逆变桥P；所述直流电压源Vg与滤波电容C并联，直流电压源Vg的正极与新型开关电感单元SL1中的电容C1负极和电感L2正极连接的节点相连接；电容CZ2负极与新型开关电感单元SL1中的电容C2正极和电感L1负极连接的节点相连接，同时与开关管S3的发射极和二极管D3阳极连接的节点相连接；电容CZ1的正极与新型开关电感单元SL2中的电容C3负极和电感L4正极连接的节点相连接，同时与开关管S3的集电极和二极管D3阴极连接的节点相连接；三相逆变桥P的直流侧正极与电容CZ2的正极连接，同时与新型开关电感单元SL2中的电容C4正极和电感L3负极连接的节点相连接；三相逆变桥P的直流侧负极与电容CZ1的负极连接，同时与直流电压源Vg的负极连接。
2.如权利要求1所述的一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，其特征是：新型开关电感单元SL1，由两个电容、两个电感、一个二极管和一个开关管组成；电容C1正极与电感L1正极连接，同时与开关管S1集电极和二极管D1阴极连接的节点相连接；电容C2负极与电感L2负极连接，同时与开关管S1发射极和二极管D1阳极连接的节点相连接；电容C1负极和电感L2正极连接；电容C2正极和电感L1负极连接。
3.如权利要求1所述的一种基于新型开关电感单元的高增益双向准Z源逆变器，其特征是：新型开关电感单元SL2，由两个电容、两个电感、一个二极管和一个开关管组成；电容C3正极与电感L3正极连接，同时与开关管S2集电极和二极管D2阴极连接的节点相连接；电容C4负极与电感L4负极连接，同时与开关管S2发射极和二极管D2阳极连接的节点相连接；电容C3负极和电感L4正极连接；电容C4正极和电感L3负极连接。
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