CN103178742A - 一种组合式双向dc/ac变流器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，属电力变换技术领域，其特征在于，该拓扑由相同的三相电路组成，每一相由隔离半桥DC/DC变流器和级联式H桥DC/AC变流器组合而成，隔离半桥DC/DC变流器的输出并联第一电容器（C1）后作为级联式DC/AC变流器单级H桥的输入，每一级H桥均与独立的隔离半桥DC/DC变流器相连；通过对典型参数下的电路拓扑进行的EMTDC电磁暂态仿真表明，该拓扑结构具有很宽的电压匹配能力，借助于移相控制，能实现能量的双向流动；本发明提出的拓扑可应用于基于电池储能的大功率调节、储能电站、平滑可再生能源发电输出功率和微电网中的调频调压等场合，具有广阔的应用前景。

Description

一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构

技术领域

本发明属于电力变换技术领域，尤其涉及一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构。

背景技术

可再生能源发电技术是目前世界各国竞相追逐的研究热点，有两个方面的问题尤其引人关注。

其一，由于风能和太阳能等可再生能源的所具有的间歇性和波动性，导致并网的可再生能源电能对电力***的稳定和控制带来了极大的挑战。友好的、可调度的可再生能源电能是人们所向往和追求的目标。而储能及功率补偿技术是解决该问题的关键，迫切需要能够实现无功补偿及双向有功功率调节的统一功率变换装置。

其二，新型高效、低成本的大型可再生能源发电变流器研究也是目前的热点。以光伏发电为例，目前大多采用“逆变+升压+汇流”的技术方案。由于目前商用的最大容量单体电池用逆变器容量为500kW，对于一座百兆瓦光伏电站需使用200台光伏电池逆变器和100台三绕组***变压器。硬件成本高且占地面积大，极大的限制了光伏发电技术的推广利用，亟需研发低成本、占地面积小的技术方案。

Dedoncker R W 等申请了Power conversion apparatus forDC-DC conversion using dual active bridges美国专利（U.S. Patent No:5027264），提出由两台方波输入电压和功率调节，并借助于变压器漏电感和外接电感实现零电压开关。中国实用新型专利CN 202617004U在此基础上加以改进，得到了一种隔离型双向DC/DC变换器。而经典的级联式H桥DC/AC变换器基于多个单相电压型全桥逆变电路单元的串联，借助于适当的控制策略，可实现交流和直流侧双向的功率流动。若将两者加以改进并有机融合，可实现双向高效DC/AC的功率变换。

本发明提出一种新型的组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，该拓扑基于可灵活变形的“隔离型半桥DC/DC变换器”及直接并入交流侧电网的“级联式H桥DC/AC变换器”的组合，能实现交流侧和直流侧的有功功率双向流动以及交流侧***的无功补偿，并具有很宽的电压匹配能力。适用于可再生能源发电厂的有功调节和无功补偿、大型光伏电站的并网、微电网的调频调压等场合，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种可应用于但不限于功率调节及光伏电站并网等场合的组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，用于平滑可再生能源发电的输出功率，减小其对电网的冲击等不利影响等。

本发明的技术方案：

一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，该拓扑由相同的三相电路组成，每一相由隔离半桥DC/DC变流器和级联式H桥DC/AC变流器组合而成，隔离半桥DC/DC变流器的输出并联第一电容器后作为级联式DC/AC变流器单级H桥的输入，每一级H桥均与独立的隔离半桥DC/DC变流器相连。

隔离半桥DC/DC变流器包括第一开关管，第二开关管，第三开关管，第四开关管，第二电容器，第三电容器，第四电容器，第五电容器，高频隔离变压器，电源滤波电感，谐振电感；其连接：直流电源的正极经电源滤波电感后连在由第一开关管和第二开关管组成的桥臂上，该桥臂同第二电容器和第三电容器组成另一桥臂并联，两桥臂的输出经谐振电感并联于高频隔离变压器的一次侧，高频隔离变压器的二次侧输出连在由第四电容器和第五电容器组成的桥臂上。

级联式H桥DC/AC变流器包括第五开关管，第六开关管，第七开关管，第八开关管，第一输出滤波电感，第二输出滤波电感；其连接：第五开关管和第七开关管组成的左桥臂与第六开关管和第八开关管组成的右桥臂均并联于第一电容器，第五开关管和第七开关管组成的左桥臂连接输出第一输出滤波电感作为所述组合式双向DC/AC变流器的一个输出端，而第六开关管和第八开关管组成的右桥臂连到下一级H桥的左桥臂，以此规律级联直到最后一级H桥，最后一级H桥的右桥臂经第二输出滤波电感作为所述组合式双向DC/AC变流器的另一个输出端。

级联式H桥DC/AC变流器的第一输出滤波电感和第二输出滤波电感的电抗值为零或不为零。

隔离半桥DC/DC变流器和级联式H桥DC/AC变流器的各种开关管是金属氧化层半导体场效应晶体管或是绝缘栅双极型晶体管，且均反向并联二极管。

级联式DC/AC变流器的交流侧同三相电网相连或与交流负载相连。

本发明具有如下优点：

1）隔离半桥DC/DC变流器具有灵活多变的拓扑结构，可通过输入侧多个电压倍增器的串联提高变流器的电压增益，通过输出侧多个功率二极管支路的并联提高变流器的功率。

2）通过调整隔离半桥DC/DC变流器的开关管占空比可实现对直流侧电压的变压调节，具有很宽的电压匹配能力，在输入侧（一般接电池组）电压波动很大的条件下，能维持输出侧直流母线电压的恒定，以确保级联式H桥DC/AC变换器的正常运行。

3）通过调整隔离半桥DC/DC变流器高频变压器两侧开关管的移相角可进行功率的调节，并可实现能量的双向流动。

4）隔离半桥DC/DC变流器可在较高的开关频率下工作，可大大减小隔离变压器的体积和造价。

5）通过多个H桥的级联方式，可以使装置直接接入高压电网（10kV或35kV），省去了并网变压器，进一步降低装置成本。

附图说明

图1为本发明所述的组合式双向DC/AC变流器拓扑结构。

图2为当直流侧电压U1=U2=Un=60V时，控制功率从直流侧到交流侧输出6kW时的S1和S3开断波形。

图3为当直流侧电压U1=U2=Un=60V时，控制功率从直流侧到交流侧输出6kW时谐振电感Ls两侧的电压Up0和Up1的稳态波形。

图4为当直流侧电压U1=U2=Un=60V时，控制功率从直流侧到交流侧输出6kW时输出功率的暂态波形。

图5为当直流侧电压U1=U2=Un=48V时，控制功率从直流侧到交流侧输出6kW时的S1和S3开断波形。

图6为当直流侧电压U1=U2=Un=48V时，控制功率从直流侧到交流侧输出6kW时输出功率的暂态波形。

图7为当直流侧电压U1=U2=Un=60V时，控制功率从交流侧到直流侧输出6kW时的S1和S3开断波形。

图8为当直流侧电压U1=U2=Un=60V时，控制功率从交流侧到直流侧输出6kW时输出功率的暂态波形。

图9为本发明所述的组合式双向DC/AC变流器的第一种变形拓扑。

图10为本发明所述的组合式双向DC/AC变流器的第二种变形拓扑。

具体实施方式

如图1所示，一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，由隔离半桥DC/DC变流器和级联式H桥DC/AC变流器组合而成，隔离半桥DC/DC变流器的输出并联第一电容器C1后作为级联式DC/AC变流器单级H桥的输入，每一级H桥均与独立的隔离半桥DC/DC变流器相连。隔离半桥DC/DC变流器包括第一开关管S1，第二开关管S2，第三开关管S3，第四开关管S4，第二电容器C2，第三电容器C3，第四电容器C4，第五电容器C5，高频隔离变压器T，电源滤波电感Li，谐振电感Ls；直流电源U1的正极经电源滤波电感Li后连在由第一开关管S1和第二开关管S2组成的桥臂上，该桥臂同第二电容器C2和第三电容器C3组成另一桥臂并联，两桥臂的输出经谐振电感Ls并联于高频隔离变压器T的一次侧，高频隔离变压器T的二次侧输出连在由第四电容器C4和第五电容器C5组成的桥臂上。级联式H桥DC/AC变流器包括第五开关管S5，第六开关管S6，第七开关管S7，第八开关管S8，第一输出滤波电感Lo1，第二输出滤波电感Lo2；第五开关管S5和第七开关管S7组成的左桥臂与第六开关管S6和第八开关管S8组成的右桥臂均并联于第一电容器C1，第五开关管S5和第七开关管S7组成的左桥臂连接输出第一输出滤波电感Lo1作为所述组合式双向DC/AC变流器的一个输出端，而第六开关管S5和第八开关管S8组成的右桥臂连到下一级H桥的左桥臂，以此规律级联直到最后一级H桥，最后一级H桥的右桥臂经第二输出滤波电感Lo2作为所述组合式双向DC/AC变流器的另一个输出端。

级联式H桥DC/AC变流器的第一输出滤波电感Lo1和第二输出滤波电感Lo2的电抗值为零或不为零。

隔离半桥DC/DC变流器和级联式H桥DC/AC变流器的各种开关管是金属氧化层半导体场效应晶体管MOSFET或是绝缘栅双极型晶体管IGBT，且均反向并联二极管。

级联式DC/AC变流器的交流侧同三相电网相连或与交流负载相连。

下面给出所述组合式双向DC/AC变流器的典型工作波形，以说明其优点。取图1中的Li=2mH，Ls=240μH，C1=3mF，C2=C3=C4=C5=10mF, Lo1=Lo2=0，变压器变比为1:1，利用PSCAD/EMTDC进行电磁暂态仿真。图2为当直流侧电压U1=U2=Un=60V时，控制功率从直流侧到交流侧输出6kW时的S1和S3开断波形，图3为谐振电感Ls两侧的电压Up0和Up1的稳态波形，图4为输出功率的暂态波形。由图可知，当1.0秒给出功率指令后，通过控制隔离半桥DC/DC变压器两侧开关管的占空比及移相角，变流器的输出功率在0.5s内已达到所要求的稳态。

图5~图6分别为改变直流侧电压使U1=U2=Un=48V时的S1和S3开断波形及输出功率的暂态波形。对比图5和图2可知，在直流侧电压降低时，通过减小隔离半桥DC/DC变压器两侧开关管的占空比实现了对直流侧电压的变压调节，使该拓扑具有很宽的电压匹配能力。

图7~图8分别为控制功率从交流侧到直流侧输出6kW，直流侧电压U1=U2=Un=60V时的S1和S3开断波形以及输出功率的暂态波形。对比图7和图2可知，通过调整隔离半桥DC/DC变流器高频变压器两侧开关管的移相角实现了能量的双向流动。

本发明在说明书和权利要求书中所述的组合式双向DC/AC变流器中的DC/DC电路的输入侧电压倍增器串联级数N为1、输出功率二极管支路的并联支路数P也为1，是一种最基本的拓扑。除说明书和权利要求书中所提到的基本拓扑结构外，如图9~图10所示，还可以是在工作原理不变基础上得到的基本拓扑的几种变形，图5为N=1，P=2时的变形拓扑，图6为N=2，P=1时的变形拓扑。因此，应该理解到的是，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或者联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

本发明所提出的拓扑结构具有很宽的电压匹配能力，借助于移相控制，能实现能量的双向流动。可应用于基于电池储能的大功率调节、储能电站、平滑可再生能源发电输出功率和微电网中的调频调压等场合，具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，其特征在于：该拓扑由相同的三相电路组成，每一相由隔离半桥DC/DC变流器和级联式H桥DC/AC变流器组合而成，隔离半桥DC/DC变流器的输出并联第一电容器（C1）后作为级联式DC/AC变流器单级H桥的输入，每一级H桥均与独立的隔离半桥DC/DC变流器相连。

2.根据权利要求1所述的一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，其特征在于：

隔离半桥DC/DC变流器包括第一开关管（S1），第二开关管（S2），第三开关管（S3），第四开关管（S4），第二电容器（C2），第三电容器（C3），第四电容器（C4），第五电容器（C5），高频隔离变压器（T），电源滤波电感（Li），谐振电感（Ls）；其连接：直流电源（U1）的正极经电源滤波电感（Li）后连在由第一开关管（S1）和第二开关管（S2）组成的桥臂上，该桥臂同第二电容器（C2）和第三电容器（C3）组成另一桥臂并联，两桥臂的输出经谐振电感（Ls）并联于高频隔离变压器（T）的一次侧，高频隔离变压器（T）的二次侧输出连在由第四电容器（C4）和第五电容器（C5）组成的桥臂上。

3.根据权利要求1所述的一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，其特征在于：

级联式H桥DC/AC变流器包括第五开关管（S5），第六开关管（S6），第七开关管（S7），第八开关管（S8），第一输出滤波电感（Lo1），第二输出滤波电感（Lo2）；其连接：第五开关管（S5）和第七开关管（S7）组成的左桥臂与第六开关管（S5）和第八开关管（S8）组成的右桥臂均并联于第一电容器（C1），第五开关管（S5）和第七开关管（S7）组成的左桥臂连接输出第一输出滤波电感（Lo1）作为所述组合式双向DC/AC变流器的一个输出端，而第六开关管（S6）和第八开关管（S8）组成的右桥臂连到下一级H桥的左桥臂，以此规律级联直到最后一级H桥，最后一级H桥的右桥臂经第二输出滤波电感（Lo2）作为所述组合式双向DC/AC变流器的另一个输出端。

4.根据权利要求1所述的一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，其特征在于：

级联式H桥DC/AC变流器的第一输出滤波电感（Lo1）和第二输出滤波电感（Lo2）的电抗值为零或不为零。

5.根据权利要求1所述的一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，其特征在于：

隔离半桥DC/DC变流器和级联式H桥DC/AC变流器的各种开关管是金属氧化层半导体场效应晶体管（MOSFET）或是绝缘栅双极型晶体管（IGBT），且均反向并联二极管。

6.根据权利要求1所述的一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，其特征在于：

级联式DC/AC变流器的交流侧同三相电网相连或与交流负载相连。

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