CN103107728A - 电压电流混源型并网逆变器拓扑 - Google Patents

电压电流混源型并网逆变器拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明公开的电压电流混源型并网逆变器拓扑包含：环路连接的第一场效应管、第一电感、第三二极管、第三场效应管、第六场效应管、第四二极管、第二电感、第四场效应管；第三场效应管、第六场效应管、第三二极管和第四二极管之间并联有第二场效应管和第五场效应管；第一电感与第二场效应管、第二电感与第五场效应管之间并联有第一二极管和第二二极管；第一二极管电流输入端电路连接第一直流电压源和第二直流电压源的连接点、第二场效应管和第五场效应管的连接点、输出滤波电容、交流电源；第三场效应管与第六场效应管之间电路连接输出滤波电容和第三电感，第三电感另一端连接交流电源。本发明导通损耗小、开关损耗小、在高频情况下，保持高效率。

Description

电压电流混源型并网逆变器拓扑
技术领域
本发明涉及一种用于电力***的并网逆变器，具体涉及一种电压电流混源型并网逆变器拓扑。
背景技术
如图1和图2所示，为单级单一变压的并网逆变器拓扑中两种传统典型电压源型和电流源型并网逆变器拓扑。
传统电压源逆变器是一种降压型变流器，它的输出交流电压的峰值必须小于输入直流电压。传统电流源逆变器是一种升压型变流器，它的输出交流电压的峰值必须大于输入直流电压。在可再生能源并网发电过程中，等效直流电源的电压可能在大范围变化;比如同一光伏电池组，在不同温度情况下，直流电压可能在300V-700V变化。在这种条件下，传统电压源或电流逆变器作为220V/380V的低压功率变换接口，往往需要额外一级DC/DC变换电路来实现电压调整。在经典并网逆变器拓扑基础上， 针对应用对象需求，可演化出多种相应电压源或电流源逆变器拓扑。
因为传统电流源逆变器需要稳定的直流电流来方便调制，所以其直流滤波电感LD远大于电压源逆变器的直接输出电感L1，造成较大的功率和成本损失，这是电流源逆变器应用受限的主要约束条件之一。
如图3和图4所示，在单级式可升降压的并网逆变器拓扑的两种典型拓扑：Z源逆变器（Z-source逆变器）和自然软开关逆变器拓扑。
为了克服传统电压源和电流源逆变器变压限制的缺点，F. Z. Peng教授提出了著名的Z-source 逆变器，如图3所示。它能通过一级电路实现升降压变换，减少功率器件数量; 但国内和国外都有著名课题组在对比试验中发现Z-source 逆变器比Boost（升压） DC/DC变换电路+两电平桥式逆变器的拓扑组合效率低。图4为自然软开关逆变器拓扑。它与传统两级式硬开关逆变器相比，原有的Boost DC/DC变换电路的控制开关被移至平波电容支路，成为辅助开关；Boost开关的升压功能也让位于主逆变桥。在正常矢量工作时刻，辅助开关打开，整个变换器是一个电压源逆变器; 而在换流或升压时刻，辅助开关关断，整个变换器成为电压可嵌位的电流源型逆变器。
Z-source 逆变器改变了等效输入电源的性质，使其既具备有电压源又具有电流源特性; 自然软开关逆变器在不同工作需求阶段，其输入电源呈现出电压源或电流源特性。目前，其他单级可升降压逆变电路的原理和与这两类电路类似。但是，这类都有一个共同缺点:相对于传统电压源型并网逆变器，功率回路中额外串接了一个、两个甚至多个平波电感，将造成额外的功率损失。
如图5并结合图6和图7所示，现有技术中在两级式可升降压的并网逆变器拓扑方面。逆变器在直流输入电压比交流电压的绝对值高时，Boost电路不工作，输出桥高频斩波，此时电路等效为电压源逆变器。在直流输入电压比交流电压的绝对值低时，仅仅Boost电路高频工作，此时电路可等效为电流源逆变器。逆变器因任何时刻只有一级电路工作在高频状态，因而有最小的开关损耗。但在Boost电路高频工作期间，输出滤波器等效为CL-CL滤波器; 虽然加强了滤波效果，但也因此增大了损耗，同时加大了控制难度。图5中所示的拓扑，因输出逆变器要高频斩波，所以不可能采用普通MOSFET器件来降低导通损耗。
由于上述图5中逆变器拓扑的缺点，如图8并结合图9和图10所示，提出了三级式可升降压的并网逆变器拓扑，但是，它与传统分时复合逆变器类似，在Boost电路高频工作期间，等效输出滤波器是CL-CL滤波器，也会因“过滤波”而损失了部分效率。
由以上分析可知道,在直流输入电压大范围变化的220V/380V低压并网逆变器应用场合，提高效率的三条有效途径为：1、尽量降低开关损耗；2、以金属-氧化层-半导体-场效晶体管（金氧半场效晶体管，MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）器件取代IGBT器件以降低导通损耗；3、让功率回路的电感量最小化。
发明内容
本发明提供一种电压电流混源型并网逆变器拓扑，具有电感压降小、导通损耗小、开关损耗小、高频下高效率的特点。
为实现上述目的，本发明了提供一种电压电流混源型并网逆变器拓扑，其特点是，该并网逆变器拓扑包含：环路连接的第一直流电压源、第一场效应管、第一电感、第三二极管、第三场效应管、第六场效应管、第四二极管、第二电感、第四场效应管和第二直流电压源；
上述第三二极管电流输出端连接至第三场效应管，第四二极管电流输入端连接至第六场效应管；
上述第三二极管、第三场效应管、第六场效应管、第四二极管之间还并联连接有第二场效应管和第五场效应管；
上述并网逆变器拓扑还包含有第一二极管和第二二极管；该第一二极管电流输出端连接至第一场效应管与第一电感之间，电流输入端连接至第二二极管电流输出端，第二二极管电流输入端连接至第四场效应管与第二电感之间；
上述第一二极管电流输入端还分别连接至第一直流电压源和第二直流电压源之间，以及第二场效应管和第五场效应管之间；
上述并网逆变器拓扑还包含有输出滤波电容和第三电感；
上述输出滤波电容一端电路连接第一二极管电流输入端，另一端电路连接所述第三场效应管与第六场效应管之间；
上述第三电感一端电路连接第三场效应管与第六场效应管之间，另一端电路连接交流电源的一端；
上述交流电源一端电路连接第一二极管电流输入端，另一端与第三电感电路连接。
上述的电压电流混源型并网逆变器拓扑的第三二极管与第三场效应管的物理位置可以互换。
上述的电压电流混源型并网逆变器拓扑的第四二极管与第六场效应管的物理位置可以互换。
上述的电压电流混源型并网逆变器拓扑的第三二极管与第三场效应管可以采用一个逆阻型绝缘栅晶体管代替。
上述的电压电流混源型并网逆变器拓扑的第四二极管与第六场效应管可以采用一个逆阻型绝缘栅晶体管代替。
上述的电压电流混源型并网逆变器拓扑的第一场效应管，第二场效应管，第四场效应管和第五场效应管可以采用任意类型的高频功率开关管来代替。
上述的电压电流混源型并网逆变器拓扑的第三场效应管和第六场效应管可以分别采用晶匝管代替。
上述的电压电流混源型并网逆变器拓扑的第三电感可以由电源变压器漏感或电源线路阻抗来代替。
一种上述电压电流混源型并网逆变器拓扑的变流方法，其特点是，该变流方法包含：
当第一直流电压源和第二直流电压源的直流输入电压高于电网交流电压的绝对值的情况下，正半周时第三场效应管常开，第一场效应管高频工作，第二场效应管、第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管关闭；负半周时第六场效应管常开，第四场效应管高频工作，第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第五场效应管关闭； 
当第一直流电压源和第二直流电压源直流输入电压低于电网交流电压的绝对值的情况下，正半周时第一场效应管和第三场效应管常开，第二场效应管高频工作，第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管关闭；负半周时第四场效应管和第六场效应管常开，第五场效应管高频工作，第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管关闭。
本发明电压电流混源型并网逆变器拓扑和现有技术的逆变器相比，其优点在于，本发明相对于传统各种逆变器功率回路电感压降最小，当输入直流电压的一半高于交流电压的瞬时值的绝对值时，该拓扑的等效电路是采用LCL滤波器的电压源逆变器, 相反就是采用CL滤波的电流源逆变器；
本发明能采用全场效应管（MOSFET）作为开关器件，导通损耗可以很小；任何时候只有一级电路工作在高频状态，开关损耗小；因而可以在高频情况下，保持高效率。
附图说明
图1为现有技术电压源并网逆变器拓扑的电路图；
图2为现有技术电流源并网逆变器拓扑的电路图；
图3为现有技术Z源逆变器拓扑的电路图；
图4为现有技术自然软开关逆变器拓扑的电路图；
图5为现有技术两级式分时复合逆变器的电路图；
图6为两级式分时复合逆变器的BOOST（升压）工作状态图；
图7为两级式分时复合逆变器的BUCK（降压）工作状态图；
图8为现有技术三级式分时复合逆变器的电路图；
图9为三级式分时复合逆变器的BOOST工作状态图；
图10为三级式分时复合逆变器的BUCK工作状态图；
图11为本发明的电压电流混源型并网逆变器拓扑的实施例一的电路图；
图12为本发明电压电流混源型并网逆变器拓扑的电流给定快速变化的波形图； 
图13为本发明电压电流混源型并网逆变器拓扑的电网电压突变的波形图；
图14为本发明电压电流混源型并网逆变器拓扑的实施例二的电路图；
图15为本发明电压电流混源型并网逆变器拓扑的实施例三的电路图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图11所示，为本发明电压电流混源型并网逆变器拓扑的实施例一，该实施例一公开了一种非隔离单相电压电流源的并网逆变器拓扑。
该并网逆变器拓扑包含：环路连接的第一直流电压源E1、第一场效应管（MOSFET）S1、第一电感LP、第三二极管D3、第三场效应管S3、第六场效应管S6、第四二极管D4、第二电感LN、第四场效应管S4和第二直流电压源E2。其中，第三二极管D3的电流输出端连接至第三场效应管S3，而第四二极管D4的电流输入端连接至第六场效应管S6。
在第三二极管D3、第三场效应管S3、第六场效应管S6、第四二极管D4之间还并联连接有第二场效应管S2和第五场效应管S5。
该实施例一种还包含有第一二极管D1和第二二极管D2。该第一二极管D1的电流输出端连接至第一场效应管S1与第一电感LP之间，第一二极管D1的电流输入端连接至第二二极管D2的电流输出端，第二二极管D2的电流输入端连接至第四场效应管S4与第二电感LN之间。
本实施例一中第一二极管D1的电流输入端连接交流电源的一端，第一二极管D1的电流输入端还连接至第一直流电压源E1和第二直流电压源E2之间，第一二极管D1的电流输入端还连接至第二场效应管S2和第五场效应管S5之间。
实施例一所述的并网逆变器拓扑还包含有输出滤波电容C和第三电感L。
输出滤波电容C的一端电路连接第一二极管D1的电流输入端，另一端电路连接至第三场效应管S3与第六场效应管S6之间。
第三电感L一端电路连接第三场效应管S3与第六场效应管S6之间，另一端电路连接至交流电源Vg的一端。
交流电源Vg一端电路连接第一二极管D1电流输入端，另一端与第三电感L电路连接。
本实施例一中第三二极管D3与第三场效应管S3的物理位置可以互换。第四二极管D4与第六场效应管S6的物理位置可以互换。第三二极管D3与第三场效应管S3可以采用一个逆阻型绝缘栅双极性晶体管（RBIGBT）代替。第四二极管D4与第六场效应管S6可以采用一个逆阻型绝缘栅双极性晶体管（RBIGBT）代替。第一场效应管S1，第二场效应管S2，第四场效应管S4 和第五场效应管S5可以采用任意类型的通用的高频功率开关管来代替。第三场效应管S3和第六场效应管S6可以分别采用晶匝管代替。第三电感可以由电源变压器漏感或电源线路阻抗来代替。
上述电压电流混源型并网逆变器拓扑的实施例一的变流方法如下，其变流方法包含：
当第一直流电压源E1和第二直流电压源E2的直流输入电压高于电网交流电压的绝对值的情况下，正半周时，第三场效应管S3常开，第一场效应管S1高频工作，第二场效应管S2、第四场效应管S4、第五场效应管S5和第六场效应管S6关闭。负半周时，第六场效应管S6常开，第四场效应管S4高频工作，第一场效应管S1、第二场效应管S2、第三场效应管S3和第五场效应管S5关闭。
当第一直流电压源E1和第二直流电压源E2直流输入电压低于电网交流电压的绝对值的情况下，正半周时，第一场效应管S1和第三场效应管S3常开，第二场效应管S2高频工作，第四场效应管S4、第五场效应管S5和第六场效应管S6关闭。负半周时第四场效应管S4和第六场效应管S6常开，第五场效应管S5高频工作，第一场效应管S1、第二场效应管S2和第三场效应管S3关闭。
如图12并结合图13所示，为上述实施例一电流给定以及电网电压突变时候的仿真波形，从该图中可以看出本发明电压电流混源型并网逆变器拓扑的良好动态特性：当电流快速跳变下，其电压能仍然保持稳定状态。而当电网电压突变时，其电流也能保持稳定状态。
如图14所示，为本发明电压电流混源型并网逆变器拓扑的实施例二，该实施例二公开了另一种非隔离单相电压电流源的并网逆变器拓扑。
该实施例二并网逆变器拓扑包含：环路连接的第一直流电压源E1、第一场效应管S1、第一电感LP、第三二极管D3、第三场效应管S3、第六场效应管S6、第四二极管D4、第二电感LN、第四场效应管S4和第二直流电压源E2。其中，第三二极管D3的电流输出端连接至第三场效应管S3，而第四二极管D4的电流输入端连接至第六场效应管S6。
在第三二极管D3、第三场效应管S3、第六场效应管S6、第四二极管D4之间还并联连接有第二场效应管S2、第五场效应管S5、第六二极管D6和第五二极管D5。其中第六二极管D6与第二场效应管S2相串联组合形成一个逆阻开关管，第五二极管D5与第五场效应管S5相串联组合形成一个逆阻开关管。两个组合逆阻开关管的连接点，两者直流电源E1、E2的连接点，第一二极管D1和第二二极管D2的连接点连接在一起。
本实施例二中，第五二极管D5与第五场效应管S5的物理位置可以互换，第六二极管D6与第二场效应管S2的物理位置可以互换，第三二极管D3与第三场效应管S3的物理位置可以互换，第4二极管D4与第六场效应管S6的物理位置可以互换。
该实施例二中还包含有第一二极管D1和第二二极管D2。该第一二极管D1的电流输出端连接至第一场效应管S1与第一电感LP之间，第一二极管D1的电流输入端连接至第二二极管D2的电流输出端，第二二极管D2的电流输入端连接至第四场效应管S4与第二电感LN之间。
并网逆变器拓扑还包含输出滤波电容C和第三电感L。输出滤波电容C的一端电路连接第一二极管D1的电流输入端，另一端电路连接至第三场效应管S3与第六场效应管S6之间。第三电感L一端电路连接第三场效应管S3与第六场效应管S6之间，另一端电路连接至交流电源Vg的一端。交流电源Vg一端电路连接第一二极管D1电流输入端，另一端与第三电感L电路连接。
本实施例二中，第三二极管D3与第三场效应管S3可以采用一个逆阻型绝缘栅双极性晶体管代替。第四二极管D4与第六场效应管S6可以采用一个逆阻型绝缘栅双极性晶体管代替。第六二极管D6与第二场效应管S2可以采用一个逆阻型绝缘栅双极性晶体管代替。第五二极管D5与第五场效应管S5可以采用一个逆阻型绝缘栅双极性晶体管代替。第一场效应管S1，第二场效应管S2，第四场效应管S4 和第五场效应管S5可以采用任意类型的通用的高频功率开关管来代替。第三场效应管S3和第六场效应管S6可以分别采用晶匝管代替。第三电感可以由电源变压器漏感或电源线路阻抗来代替。
通过上述实施例二的电压电流混源型并网逆变器拓扑可以处理谐波和无功功率。
如图15所示，为本发明电压电流混源型并网逆变器拓扑的实施例三，该实施例三公开了一种非隔离三相电压电流源的并网逆变器拓扑。
该三相电压电流源的并网逆变器拓扑包含三个单相电压电流源的并网逆变器拓扑，该三个单相电压电流源的并网逆变器拓扑的输入端连接同一个直流源，并输出三相交流电。
本实施例三中的单相电压电流源并网逆变器拓扑与实施例一中的非隔离单相电压电流源并网逆变器拓扑结构相同，其中仅为了将三个单相电压电流源并网逆变器拓扑连接同一个直流输入，将实施例一中非隔离单相电压电流源并网逆变器拓扑的两个直流源（第一直流电压源E1和第二直流电压源E2）替换为两个电容，并且将三个单相电压电流源并网逆变器拓扑的第一场效应管S1电路连接在一起，共同连接至同一个直流源。
通过上述实施例三公开的并网逆变器将实施例一和实施例二中公开的单相拓扑扩展成三相拓扑。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种电压电流混源型并网逆变器拓扑，其特征在于，该并网逆变器拓扑包含：环路连接的第一直流电压源（E1）、第一场效应管（S1）、第一电感（LP）、第三二极管（D3）、第三场效应管（S3）、第六场效应管（S6）、第四二极管（D4）、第二电感（LN）、第四场效应管（S4）和第二直流电压源（E2）；
所述第三二极管（D3）电流输出端连接至第三场效应管（S3），第四二极管（D4）电流输入端连接至第六场效应管（S6）；
所述第三二极管（D3）、第三场效应管（S3）、第六场效应管（S6）、第四二极管（D4）之间还并联连接有第二场效应管（S2）和第五场效应管（S5）；
所述并网逆变器拓扑还包含有第一二极管（D1）和第二二极管（D2）；该第一二极管（D1）电流输出端连接至第一场效应管（S1）与第一电感（LP）之间，电流输入端连接至第二二极管（D2）电流输出端，第二二极管（D2）电流输入端连接至第四场效应管（S4）与第二电感（LN）之间；
所述第一二极管（D1）电流输入端还分别连接至第一直流电压源（E1）和第二直流电压源（E2）之间，以及第二场效应管（S2）和第五场效应管（S5）之间；
所述并网逆变器拓扑还包含有输出滤波电容（C）和第三电感（L）；
所述输出滤波电容（C）一端电路连接所述第一二极管（D1）电流输入端，另一端电路连接所述第三场效应管（S3）与第六场效应管（S6）之间；
所述第三电感（L）一端电路连接所述第三场效应管（S3）与第六场效应管（S6）之间，另一端电路连接交流电源（Vg）的一端；
所述交流电源（Vg）一端电路连接第一二极管（D1）电流输入端，另一端与第三电感（L）电路连接。
2.如权利要求1所述的电压电流混源型并网逆变器拓扑，其特征在于，所述并网逆变器拓扑的第三二极管（D3）与第三场效应管（S3）的物理位置可以互换。
3.如权利要求1所述的电压电流混源型并网逆变器拓扑，其特征在于，所述并网逆变器拓扑的第四二极管（D4）与第六场效应管（S6）的物理位置可以互换。
4.如权利要求1所述的电压电流混源型并网逆变器拓扑，其特征在于，所述并网逆变器拓扑的第三二极管（D3）与第三场效应管（S3）可以采用一个逆阻型绝缘栅双极性晶体管代替。
5.如权利要求1所述的电压电流混源型并网逆变器拓扑，其特征在于，所述并网逆变器拓扑的第四二极管（D4）与第六场效应管（S6）可以采用一个逆阻型绝缘栅双极性晶体管代替。
6.如权利要求1所述的电压电流混源型并网逆变器拓扑，其特征在于，所述并网逆变器拓扑的第一场效应管（S1），第二场效应管（S2），第四场效应管（S4）和第五场效应管（S5）可以采用任意类型的高频功率开关管来代替。
7.如权利要求1所述的电压电流混源型并网逆变器拓扑，其特征在于，所述并网逆变器拓扑的第三场效应管（S3）和第六场效应管（S6）可以分别采用晶匝管代替。
8.如权利要求1所述的电压电流混源型并网逆变器拓扑，其特征在于，所述第三电感（L）可以由电源变压器漏感或电源线路阻抗来代替。
9.一种如权利要求1所述电压电流混源型并网逆变器拓扑的变流方法，其特征在于，该变流方法包含：
当第一直流电压源（E1）和第二直流电压源（E2）的直流输入电压高于电网交流电压的绝对值的情况下，正半周时第三场效应管（S3）常开，第一场效应管（S1）高频工作，第二场效应管（S2）、第四场效应管（S4）、第五场效应管（S5）和第六场效应管（S6）关闭；负半周时第六场效应管（S6）常开，第四场效应管（S4）高频工作，第一场效应管（S1）、第二场效应管（S2）、第三场效应管（S3）和第五场效应管（S5）关闭； 
当第一直流电压源（E1）和第二直流电压源（E2）直流输入电压低于电网交流电压的绝对值的情况下，正半周时第一场效应管（S1）和第三场效应管（S3）常开，第二场效应管（S2）高频工作，第四场效应管（S4）、第五场效应管（S5）和第六场效应管（S6）关闭；负半周时第四场效应管（S4）和第六场效应管（S6）常开，第五场效应管（S5）高频工作，第一场效应管（S1）、第二场效应管（S2）和第三场效应管（S3）关闭。
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