CN101783608A

CN101783608A - 最小电压有源箝位三相并网逆变器

Info

Publication number: CN101783608A
Application number: CN 201010125581
Authority: CN
Inventors: 李睿; 徐德鸿; 马致远
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2010-07-21

Abstract

本发明公开的最小电压有源箝位三相并网逆变器，包括逆变器直流电源，交流滤波电感，由六个有反并联二极管的全控主开关构成的三相桥臂，在逆变器直流电源和三相桥臂直流母线之间接入有反并联二极管的辅助开关，主开关和辅助开关两端并联电容，辅助开关两端跨接由谐振电感与箝位电容串联的谐振支路。本发明所述逆变器结构简单，采用改进的空间矢量调制方法，在逆变器并网电流功率因数角正负30°之间时，每一开关周期中辅助开关只动作一次就能实现所有主开关零电压开通，主开关反并联二极管反向恢复电流得到抑制，开关电压应力等于逆变器直流电源电压，开关损耗小，电路效率高，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。

Description

最小电压有源箝位三相并网逆变器

技术领域

本发明涉及逆变器，尤其是最小电压有源箝位三相并网逆变器。

背景技术

具有并网发电运行功能的三相逆变器，其电路如图1所示，它包括由六个有反并联二极管的全控主开关(S₁～S₆)构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感(L_a～L_c)。这种三相逆变器能够实现并网发电功能，但电路工作在硬开关状态，存在着二极管的反向恢复问题，器件开关损耗大，限制了工作频率的提高，降低了电路效率并且存在较大的电磁干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以抑制二极管的反向恢复电流，减小开关损耗，提高电路效率，减少电磁干扰并实现开关管零电压开通的最小电压有源箝位三相并网逆变器。

本发明的最小电压有源箝位三相并网逆变器，包括逆变器直流侧供电电源V_dc，由六个有反并联二极管的全控主开关构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感，其特征是三相桥臂的六个主开关分别并联电容，在逆变器直流侧供电电源V_dc和三相桥臂的直流母线之间接入有反并联二极管的辅助开关，辅助开关的两端并联电容，并在辅助开关两端跨接由谐振电感与箝位电容相串联的谐振支路。

本发明的最小电压有源箝位三相并网逆变器结构简单，逆变器中全控开关的反并联二极管的反向恢复得到抑制，减少了电磁干扰。电路中所有功率开关器件实现零电压开通，从而减小开关损耗，提高电路效率，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。该逆变器的电路能够实现对输出并网电流功率因数和谐波的控制，可用于各种电源中并网逆变装置。

附图说明

图1是现有的三相并网逆变器；

图2是本发明的一种具体电路图；

图3是本发明的第二种具体电路图；

图4是本发明的第三种具体电路图；

图5是本发明的第四种具体电路图；

图6是一个工频周期内12个工作扇区的电网电压和电流划分示意图；

图7是一个工频周期内12个工作扇区的电网电压空间矢量图；

图8是逆变器在扇区2中开关的脉冲控制时序图；

图9是本发明电路工作时的主要电压和电流波形。

具体实施方式

参照图2，本发明的最小电压有源箝位三相并网逆变器，包括逆变器直流侧供电电源V_dc，由六个有反并联二极管的全控主开关S₁～S₆构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感L_a～L_c，其特征是三相桥臂的六个主开关S₁～S₆分别并联电容C₁～C₆，在逆变器直流侧供电电源V_dc和三相桥臂的直流母线之间接入有反并联二极管的辅助开关S₇，辅助开关S₇的两端并联电容C₇，并在辅助开关S₇两端跨接由谐振电感L_r与箝位电容C_c相串联的谐振支路。

图2所示具体实例中，辅助开关S₇集电极与逆变器直流电源正端相联，发射极与三相桥臂正母线相联，谐振电感L_r与三相桥臂正母线相联，箝位电容C_c与逆变器直流电源正端相联。图3所示实例中，辅助开关S₇集电极与逆变器直流电源正端相联，发射极与三相桥臂正母线相联，箝位电容C_c与三相桥臂正母线相联，谐振电感L_r与逆变器直流电源正端相联。图4所示实例中，辅助开关S₇发射极与逆变器直流电源负端相联，集电极与三相桥臂负母线相联，箝位电容C_c与三相桥臂负母线相联，谐振电感L_r与逆变器直流电源负端相联。图5所示实例中，辅助开关S₇发射极与逆变器直流电源负端相联，集电极与三相桥臂负母线相联，谐振电感L_r与三相桥臂负母线相联，箝位电容C_c与逆变器直流电源负端相联。

最小电压有源箝位三相并网逆变器采用空间矢量控制。在一个电网电压工频周期内，逆变器的控制可以分为12个扇区，电网电压和电流扇区划分如图6所示。图6中A相电网电压u_sa余弦波在0°到30°为电压扇区2，A相电网电压u_sa余弦波在30°到60°为电压扇区3，依此类推，A相电网电压u_sa余弦波在300°到330°为电压扇区12，A相并网电流i_a余弦波在0°到30°为电流扇区2，A相并网电流i_a余弦波在30°到60°为电流扇区3，依此类推，A相并网电流i_a余弦波在300°到330°为电流扇区12。图7所示为电网电压空间矢量图，图中

到

表示逆变器开关矢量，开关矢量

表示逆变器主开关S₂、S₄、S₆导通、逆变器主开关S₁、S₃、S₅截止，开关矢量表示逆变器主开关S₁、S₂、S₆导通、逆变器主开关S₃、S₄、S₅截止，依此类推，开关矢量

表示逆变器主开关S₁、S₃、S₅导通、逆变器主开关S₂、S₄、S₆截止。逆变器开关矢量和

表示零矢量，逆变器开关矢量

和

表示非零矢量。逆变器并网电流在不同的电网电压扇区时的开关脉冲控制时序如表1所示，表1表示对应不同电网电压扇区和并网电流扇区时，逆变器主开关矢量切换顺序。

表1

最小电压有源箝位逆变器采用特殊的空间矢量调制策略，每一个电网电压工频周期分为12个空间矢量扇区，在每个子扇区中确保一相交流并网电流绝对值保持最大。流过电流绝对值最大相的桥臂开关不换流，如果输出滤波电感电流绝对值最大相方向为正，则零矢量为

如果电流绝对值最大相方向为负，则零矢量为

空间矢量的切换顺序确保在逆变器并网瞬时输出电流绝对值较小两相的开关换流中存在二极管反向恢复的两次换流在时间上对齐，则辅助电路只需要创造一次母线电压谐振到零的机会，就能够实现两个开关的零电压开通。在逆变器并网电流功率因数角正负30°之间时，逆变器零电压开通均可实现。逆变器中的六个主开关S₁～S₆和辅助开关S₇由固定开关频率的空间矢量PWM控制器所控制，辅助开关S₇开关频率与全控主开关S₁～S₆的开关频率相同，辅助开关S₇只在逆变器主开关S₁～S₆从零矢量切换到非零矢量的短暂时段内关断。

对于最小电压有源箝位三相并网逆变器，在并网电流一个工频周期的12个扇区中，逆变器控制是类似的，这里就以图2所示的最小电压有源箝位三相并网逆变器在并网电流扇区2中的一个开关周期为例进行分析，如果逆变器并网电流功率因数角为0°，电网电压和对应相并网电流无相角差，逆变器在扇区2中开关的脉冲控制时序如图8所示。在一个开关工作周期内，逆变器共有8个工作状态。工作时的主要电压和电流波形如图9所示。

阶段1(t₀-t₁)：

主开关S₁，S₃，S₅和辅助开关S₇处于导通状态。由谐振电感L_r，箝位电容C_c和辅助开关S₇组成的谐振回路中，谐振电感Lr的电流在线性增加。

阶段2(t₁-t₂)：

t₁时刻，辅助开关S₇关断，谐振电感L_r给主开关S₂，S₄，S₆的并联电容C₂，C₄，C₆放电，给辅助开关S₇的并联电容C₇充电，S₇零电压关断。到t₂时刻，三个主开关S₂，S₄，S₆的并联电容C₂，C₄，C₆电压谐振到零，主开关S₂，S₄，S₆的反并联二极管开始导通，谐振电感L_r电压被箝位为逆变器供电电源电压V_dc。到t₂时刻，谐振电感L_r和主开关S₂，S₄，S₆的并联电容C₂，C₄，C₆、辅助开关S₇的并联电容C₇谐振完成，主开关S₂，S₆可以实现零电压开通。

阶段3(t₂-t₃)：

在此阶段，主开关S₃和S₅的反并二极管经历反向恢复过程，由于谐振电感L_r的存在，主开关S₃和S₅的反并二极管反向恢复电流被抑制。到t3时刻，主开关S₃和S₅的反并二极管电流变为零。

阶段4(t₃-t₄)：

t3时刻，主开关S₃和S₅的反并二极管关断，谐振电感L_r开始和主开关S₃，S₄，S₅的并联电容C₃，C₄，C₅、辅助开关S₇的并联电容C₇谐振，主开关S₃，S₄，S₅两端电容C₃，C₄，C₅电压开始增加，辅助开关S₇两端并联电容C₇电压减小，到t4时刻，S₇两端并联电容C₇电压减小到零，S₇反并二极管导通，S₇实现零电压开通。

阶段5(t₄-t₅)：

到t₄时刻，电路进入开关矢量100状态，主开关S₁，S₆，S₂和辅助开关S₇导通。由谐振电感L_r，箝位电容C_c和辅助开关S₇组成的闭合回路中，谐振电感Lr的电流在线性增加。

阶段6(t₅-t₆)：

到t5时刻，主开关S₆关断，滤波电感L_b中的电流给主开关S₆的并联电容C₆充电，给主开关S₃的并联电容C₃放电，由于S₆的并联电容的存在，S₆实现零电压关断。

阶段7(t₆-t₇)：

到t6时刻，电路进入开关矢量110状态，主开关S₁，S₃，S₂和辅助开关S₇导通。由谐振电感L_r，箝位电容C_c和辅助开关S₇组成的闭合回路中，谐振电感Lr的电流在线性增加。

阶段8(t₇-t₈)：

到t7时刻，主开关S₂关断，滤波电感L_c中的电流给主开关S₂的并联电容C₂充电，给主开关S₅的并联电容C₅放电，由于S₂的并联电容的存在，S₂实现零电压关断。到t8时刻，S₂关断，主开关S₅的体内二极管导通，与阶段1重合。电路重复下一个周期。

Claims

1.最小电压有源箝位三相并网逆变器，包括逆变器直流侧供电电源V_dc，由六个有反并联二极管的全控主开关(S₁～S₆)构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感(L_a～L_c)，其特征是三相桥臂的六个主开关(S₁～S₆)分别并联电容(C₁～C₆)，在逆变器直流侧供电电源V_dc和三相桥臂的直流母线之间接入有反并联二极管的辅助开关(S₇)，辅助开关(S₇)的两端并联电容(C₇)，并在辅助开关(S₇)两端跨接由谐振电感(L_r)与箝位电容(C_c)相串联的谐振支路。