CN103259442A

CN103259442A - 一种高增益电流型逆变器

Info

Publication number: CN103259442A
Application number: CN2013101966679A
Authority: CN
Inventors: 茆美琴; 陈士龙; 杜燕; 刘玲; 张健; 汪海宁; 苏建徽; 张国荣
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: CN103259442B

Abstract

本发明公开了一种高增益电流型逆变器，其特征是：由二极管D1、电感L1、电感L2、二极管D2、二极管D3和功率开关管T7组成开关电感网络；由上桥臂各功率开关管T1、T3、T5和下桥臂各功率开关管T4、T6及T2共同组成三相电流型逆变桥，在三相逆变桥的输出端设置由三个滤波电容Cf呈“Y”形连接构成的电容滤波器，形成三相滤波输出；三相电网或三相交流负载通过滤波电感Lf与三相滤波输出相连接。本发明能有效提高逆变器直流输入电压范围，同时直流侧不需要电解电容，提高了可靠性，***结构简单，降低成本，提高效率。

Description

一种高增益电流型逆变器

技术领域

本发明涉及一种高增益电流型逆变器，适用于燃料电池供电***，风力发电***和光伏并网发电领域。

背景技术

太阳能、潮汐能、地热能等可再生能源产生的直流电往往电压低、不稳定，需要通过电力电子装置升压逆变供给交流负载或电网。逆变器是电力电子装置的重要组成部分，在新能源并网发电迅速发展的今天对逆变技术的研究具有十分重要的意义。

现有技术中的功率逆变技术主要基于两种传统的逆变器拓扑：电压源型与电流源型逆变器。但是，电压源型和电流型逆变器都有一定的局限性，限制了其在一些场合的应用。近期提出的Z源逆变器也在各种场合得到广泛应用，它有传统逆变器所不具有的优点，但也有其不足之处。

1、电压型逆变器是一种降压型逆变器，交流输出电压只能低于直流母线电压，对于一些输入直流电压低、不稳定的场合，如燃料电池、光伏发电、风力发电场合，需要在前级增加DC-DC升压，这样增加了***的复杂性和成本，同时降低了***的效率和可靠性。还可以通过在交流侧接工频变压器来升压并网，但工频变压器体积大、价格高、笨重，还降低了效率。逆变器同一相的上下桥臂不能直通，否则会损坏逆变器。然而实际中由于电磁干扰导致的误触发导致直通时有发生，通常需要加入死区，但会引起输出波形的畸变。电压型逆变器直流侧的电解电容受温度影响较大，其低可靠性减小了逆变器的寿命。

2、电流型逆变器是升压型逆变器，但其升压能力有限，直流侧的电感一般也较大，增加了成本。用于光伏等新能源发电时，输入输出功率很难实现解耦控制。逆变器桥臂不能开路，否则会损坏逆变器，通常需要在同一桥臂上下两个开关管之间加入重叠导通时间，同样会引起畸变。

3、Z源逆变器具有升降压功能，桥臂直通是它的一种正常工作状态。但由于增加了一个电感电容Z源网络，在一定条件下，电感电容可能会发生谐振，影响电路正常工作。启动时冲击电流大，有可能损坏逆变器。两个电容要求完全一致，电容不一致将会损坏逆变器。

发明内容

本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提出了一种高增益电流型逆变器。以期提高逆变器直流输入电压范围，同时直流侧不需要电解电容，提高了可靠性，***结构简单，降低了成本，提高了效率。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明高增益电流型逆变器的结构特点是：

由二极管D1、电感L1、电感L2、二极管D2、二极管D3和功率开关管T7组成开关电感网络；直流电源Vdc的正极端与功率开关管T7的阴极、二极管D1的阳极，以及电感L2的一端共同连接；功率开关管T7的集电极与二极管D2的阴极，以及电感L1的一端共同连接；二极管D1的阴极与电感L1的另一端，以及二极管D3的阴极共同连接；电感L2的另一端与二极管D2的阳极，以及二极管D3的阳极共同连接；

由上桥臂各功率开关管T1、T3、T5和下桥臂各功率开关管T4、T6及T2共同组成三相电流型逆变桥，直流电源Vdc的负极端与所述功率开关管T4、T6和T2的阴极共同连接为连接点n，所述功率开关管T1、T3和T5的集电极与功率开关管T7的集电极共同连接为连接点c；在所述三相逆变桥的输出端设置由三个滤波电容Cf呈“Y”形连接构成的电容滤波器，形成三相滤波输出；三相电网或三相交流负载通过滤波电感Lf与所述三相滤波输出相连接。

本发明高增益电流型逆变器的结构特点也在于：

所述功率开关管T7、T1、T3、T5、T4、T6和T2是由绝缘栅双极晶体管IGBT串联二极管组成，所述绝缘栅双极晶体管IGBT的发射极与二极管的阳极相连，绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极为所述功率开关管的集电极，二极管的阴极为所述功率开关管的阴极；

或所述功率开关管T7、T1、T3、T5、T4、T6和T2是由电力场效应晶体管MOSFET串联二极管组成，所述电力场效应晶体管MOSFET的源极与二极管的阳极相连，电力场效应晶体管MOSFET的漏极为所述功率开关管的集电极，二极管的阴极为所述功率开关管的阴极；

或所述功率开关管T7、T1、T3、T5、T4、T6和T2为单个反向阻断型晶体管RB-IGBT，反向阻断型晶体管RB-IGBT的集电极为所述功率开关管的集电极，反向阻断型晶体管RB-IGBT的发射极为所述功率开关管的阴极。

本发明高增益电流型逆变器的结构特点还在于：所述高增益电流型逆变器有三种工作状态：分别是：

直通状态：所述三相电流型逆变桥中同一相的上桥臂和下桥臂功率开关管同时导通，所述三相电流型逆变桥处于直通状态；

续流状态：所述三相电流型逆变桥的上桥臂或下桥臂上三个功率开关管同时导通，所述功率开关管T7导通，所述三相电流型逆变桥处于续流状态；

有源状态：所述三相电流型逆变桥中两个不同相的上桥臂和下桥臂功率开关管导通，所述三相电流型逆变桥为有源状态。

所述三相电流型逆变桥呈直通状态时，所述二极管D1和二极管D2均导通，所述二极管D3截止；所述三相电流型逆变桥呈续流状态时，所述二极管D1和二极管D2均导通，所述二极管D3截止；所述三相电流型逆变桥呈有源状态时，所述二极管D1和二极管D2均截止，所述二极管D3导通。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是一种高增益的新型逆变器，用于光伏等新能源发电***时，不需要DC-DC级，减少了器件数目，降低了成本，提高了效率。由于电压增益较高，所需要的光伏模块数少，这样降低了由于局部遮挡和光伏模块不匹配所造成的功率损失。

2、本发明没有使用可靠性较差的电解电容，由于电解电容受温度影响很大，它是影响逆变器寿命的一个重要因素，因此本发明的逆变器的寿命长。

3、本发明可工作在直通和开路状态下，不需要像传统的电压型逆变器那样在桥臂开关信号中加入死区，也不需要像传统的电流源型逆变器那样在桥臂开关信号中加入叠流时间，控制更简单，输出波形质量更好。由于引入了续流状态，逆变器可以实现输入输出功率的解耦控制。

4、本发明可广泛用于各种新能源发电，由于成本较低，效率高，具有较高的性价比，有助于推广新能源的发展。随着反向可阻断IGBT等新型器件的出现，这种逆变器不再需要串联二极管，解决了串联二极管的损耗问题，其优势将更加明显。

附图说明

图1为本发明的高增益电流型逆变器的主电路原理图；

图2a、图2b和图2c为本发明中高增益电流型逆变器的功率开关管不同形式示意图；

图3a为本发明的高增益电流型逆变器呈直通状态示意图；

图3b为本发明的高增益电流型逆变器呈续流状态示意图；

图3c为本发明的高增益电流型逆变器呈有源状态示意图；

图4a、图4b、图4c和图4d分别为本发明的高增益电流型逆变器的实施效果示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本实施例中高增益电流型逆变器的结构形式是，由二极管D1、电感L1、电感L2、二极管D2、二极管D3和功率开关管T7组成开关电感网络；直流电源Vdc的正极端与功率开关管T7的阴极、二极管D1的阳极，以及电感L2的一端共同连接；功率开关管T7的集电极与二极管D2的阴极，以及电感L1的一端共同连接；二极管D1的阴极与电感L1的另一端，以及二极管D3的阴极共同连接；电感L2的另一端与二极管D2的阳极，以及二极管D3的阳极共同连接；

由上桥臂各功率开关管T1、T3、T5和下桥臂各功率开关管T4、T6及T2共同组成三相电流型逆变桥，直流电源Vdc的负极端与功率开关管T4、T6和T2的阴极共同连接为连接点n，功率开关管T1、T3和T5的集电极与功率开关管T7的集电极共同连接为连接点c；在三相逆变桥的输出端设置由三个滤波电容Cf呈“Y”形连接构成的电容滤波器，形成三相滤波输出；三相电网或三相交流负载通过滤波电感Lf与三相滤波输出相连接。

如图2a所示，本实施例中功率开关管T7、T1、T3、T5、T4、T6和T2可以是由绝缘栅双极晶体管IGBT串联二极管组成，绝缘栅双极晶体管IGBT的发射极与二极管的阳极相连，绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极为功率开关管的集电极，二极管的阴极为功率开关管的阴极；或是如图2b所示，功率开关管T7、T1、T3、T5、T4、T6和T2是由电力场效应晶体管MOSFET串联二极管组成，电力场效应晶体管MOSFET的源极与二极管的阳极相连，电力场效应晶体管MOSFET的漏极为功率开关管的集电极，二极管的阴极为功率开关管的阴极；或是如图2c所示，功率开关管T7、T1、T3、T5、T4、T6和T2为单个反向阻断型晶体管RB-IGBT，反向阻断型晶体管RB-IGBT的集电极为功率开关管的集电极，反向阻断型晶体管RB-IGBT的发射极为功率开关管的阴极。

本实施例中高增益电流型逆变器有三种工作状态：分别是：

如图3a所示的直通状态：三相电流型逆变桥中同一相的上桥臂和下桥臂功率开关管同时导通，三相电流型逆变桥处于直通状态。

如图3b所示的续流状态：三相电流型逆变桥的上桥臂或下桥臂上三个功率开关管同时导通，功率开关管T7导通，三相电流型逆变桥处于续流状态。

如图3c所示的有源状态：三相电流型逆变桥中两个不同相的上桥臂和下桥臂功率开关管导通，三相电流型逆变桥为有源状态。

当逆变器的一相桥臂直通时，二极管D1和二极管D2均处于导通状态，逆变桥直接短路相当于一根导线，电感L1、L2处于并联充电的状态进行储能。假设逆变桥功率开关管开关周期为T，直通下的时间为T_s，则D_s=T_s/T为直通时间占整个开关周期的百分比，称为直通占空比。直通状态期间电感L1、L2两端的电压U_L=V_dc。

当上桥臂或下桥臂的三个功率开关管同时导通时，驱动功率开关管T7导通，电感L1、L2通过上述功率开关管T7续流，此时电感L1、L2两端的电压U_L=0。当来自不同相的上下两个功率开关管导通时，二极管D1和二极管D2均截止，二极管D3导通，此时两个电感L1、L2和直流电压源Vdc一起向负载或电网提供能量。设一个开关周期内，向负载或电网供电的时间为T_a，则D_a=T_a/T称为有源占空比。此期间，电感L1、L2两端的电压

其中V_dc为直流电源电压，Vo为逆变器输出线电压。

由电感在一个开关周期内的伏秒平衡原理，即电感两端的电压在一个开关周期内的积分为零的特性：

V_{dc} * D_{s} + \frac{1}{2} (V_{dc} - V_{o}) * D_{a} + 0 * (1 - D_{s} - D_{a}) = 0 - - - (1)

可推导出如式(2)：

\frac{V_{o}}{V_{dc}} = \frac{2 D_{s} + D_{a}}{D_{a}} - - - (2)

同样用伏秒平衡原理分析传统的电流型逆变器，可推出输出电压增益如式(3):

\frac{V_{o}}{V_{dc}} = \frac{D_{s} + D_{a}}{D_{a}} - - - (3)

上述各式中，V_dc为直流电源电压，Vo为逆变器输出线电压，D_s为直通占空比，D_a为有源占空比。比较式(2)、式(3)可以看出，本实施例中高增益电流型逆变器比传统的电流型逆变器电压增益要高。通过调节有源占空比和直通占空比可以得到较高的电压增益，从而增大逆变器输入直流电压的范围，由于引入了续流状态，输入输出还可以实现功率解耦。

具体实施效果：

对图1所示的高增益电流型逆变器进行了原理仿真验证，仿真结果如图4a、图4b、图4c和图4d所示，直流电压源V_dc=60V，电感L1=L2=5mH；其中，图4a和图4b分别是调制度m=0.5，直通占空比D_s=0.4时逆变器输出线电压和三相相电流波形，从图中可以看出逆变器输出线电压峰值达到210V，三相输出相电流波形质量好；图4c和图4d是调制度m=0.5，直通占空比D_s在0.2秒由0.4变为0.3时逆变器输出线电压和三相相电流波形，从图中可以看出D_s=0.3时输出线电压峰值为180V，逆变器的动态特性好。

本发明高增益电流型逆变器，引入开关电感网络，并通过在传统的零矢量中***部分直通矢量，逆变器可以实现较高的升压逆变能力，应用于光伏等新能源并网发电时，还可以实现输入功率和并网输出功率的解耦控制。逆变器没有使用可靠性较差的电解电容，因此逆变器的寿命得到延长。

Claims

1.一种高增益电流型逆变器，其特征是：

2.根据权利要求1所述的高增益电流型逆变器，其特征是：

3.根据权利要求1所述的高增益电流型逆变器，其特征是：所述高增益电流型逆变器有三种工作状态：分别是：

4.根据权利要求3所述的高增益电流型逆变器，其特征是：所述三相电流型逆变桥呈直通状态时，所述二极管D1和二极管D2均导通，所述二极管D3截止；所述三相电流型逆变桥呈续流状态时，所述二极管D1和二极管D2均导通，所述二极管D3截止；所述三相电流型逆变桥呈有源状态时，所述二极管D1和二极管D2均截止，所述二极管D3导通。