CN106208788A - 一种基于aac的多模块电压源型逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，包括一个LC滤波器和由至少四个AAC桥臂构成的全桥结构，AAC上桥臂中的H桥基频桥臂引出端子与电源正极输出端相连接，AAC下桥臂中的H桥基频桥臂引出端子与电源负极输出端相连接；每个AAC桥臂包括一个H桥单元、一个桥臂电抗器和一个桥臂导通开关，H桥单元由并行连接的一个基频桥臂和一个高频桥臂构成，基频桥臂由两个带有反并联二极管的全控开关串联而成，一个全控开关的发射极接入另一个开关的集电极；H桥单元上并联有稳压电容。本发明的逆变器体积小，能够实现低压直流到高压交流的变换，采用载波移相控制提高了***频率，各功率开关器件承受直流侧电压较低，且易扩大容量。

Description

一种基于AAC的多模块电压源型逆变器
技术领域
本发明涉及电子元件领域，具体涉及一种基于AAC的多模块电压源型逆变器。
背景技术
随着社会发展速度的日益加快，人类对能源的需求不断提高，化石能源的日益枯竭与社会发展对能源的高需求之间的矛盾，迫使人们越来越关注可再生能源的开发和利用，基于电池储能***的风能、太阳能、生物质能、地热能、潮汐能等可再生新能源发电技术得到了前所未有的飞速发展。
通常情况下，新能源发电***的输出直流电压较低，由于传统的电压源型逆变器(VSI)是一种降压逆变器，这就需要VSI的直流侧输入电压要大于交流侧输出的电压峰值，而可再生能源发电***的输出电压通常低于交流侧电压峰值。为在交流侧获得理想的正弦电压，常用的两级式VSI结构有前端带有Boost结构的两级式VSI和后端带有工频变压器结构的两级式VSI。现有的这些结构存在的问题：
1.开关全部工作于高频状态，开关损耗大；
2.DC-AC功率变换原理总是受限于直流侧和交流侧的电压；
3.装置不易集成设计；
4.开关管承受较大的电压应力；
5.电流纹波较大导致滤波器体积较大；
6.由于两级式结构，电路工作效率不高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于AAC桥臂的多模块电压源型逆变器，体积小，可实现低压直流到高压交流变换，产生同样大小的交流电压，该VSI的直流侧输入电压仅需为传统VSI的一半，因而更加适用于住宅低压PV***和电池储能***，该VSI中的所有开关管承受的电压应力仅为传统结构开关管的一半，所以该VSI可应用低电压等级的开关管。该VSI采用PWM载波移相调控，可增加电路的等效开关频率，从而减小其后所接的滤波器的体积。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，包括一个LC滤波器和由至少四个AAC桥臂构成的全桥结构，AAC上桥臂中的H桥基频桥臂引出端子与电源正极输出端相连接，AAC下桥臂中的H桥基频桥臂引出端子与电源负极输出端相连接；每个AAC桥臂包括一个H桥单元、一个桥臂电抗器(Lr1、Lr2、Lr3、Lr4)和一个桥臂导通开关(DS1、DS2、DS3、DS4)；H桥单元由并行连接的一个基频桥臂和一个高频桥臂构成，基频桥臂由两个带有反并联二极管(Db1-Db8，Dh1-Dh8)的全控开关串联而成：一个全控开关的发射极接入另一个全控开关的集电极；高频桥臂由两个带有反并联二极管的全控开关串联而成：一个全控开关的发射极接入另一个开关的集电极；H桥单元上并联有稳压电容(C1-C4)，H桥单元的输入输出端子分别由基频桥臂和高频桥臂的两个全桥开关串联节点处引出，AAC的上桥臂(桥臂1/3)由H桥单元的高频桥臂引出端子与桥臂导通开关和桥臂电抗器串联而构成，高频桥臂引出端子接桥臂导通开关的集电极，桥臂电抗器串联在桥臂导通开关的发射极，AAC的下桥臂(桥臂2/4)，由H桥单元的高频桥臂引出端子与桥臂导通开关和桥臂电抗器串联而构成，高频桥臂引出端子接桥臂导通开关的发射极，桥臂电抗器串联在桥臂导通开关的集电极；AAC的上桥臂与AAC的下桥臂在电感处串行连接，构成全桥逆变器的半桥结构，两个半桥结构的AAC上桥臂中的基频桥臂引出端子和AAC下桥臂中的基频桥臂引出端子相对应连接，所述的LC滤波器由2个对称的分离滤波电感Lf1、Lf2及一个滤波电容Cf组成，两个半桥结构中两桥臂电抗器节点处分别引出两个交流输出端子，两个交流输出端子分别串联在分离滤波电感Lf1、Lf2上。
优选地，所述直流电源的输入端并联有稳压电容器(Cdc)。
优选地，所述的桥臂导通开关由一个带有反并联二极管(D1-D4)的功率IGBT(S1-S4)构成。
优选地，所述的高频桥臂中的可控开关均采用高频快速性能好的全控开关，电路调制过程中当功率开关关断时，能量可通过IGBT的反并联二极管反向流通。
优选地，所述的全控开关可选用带反并联二极管的低频绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，当功率开关关断时，能量可通过其反并联二极管反向流通。
优选地，所述逆变器的直流调制比为0.5，交流调制比范围为0-1.5。
优选地，所述逆变器不同对角上AAC桥臂的混合交直流调制信号在相位上相差180度。
优选地，AAC上桥臂和AAC下桥臂的H桥单元中的高频桥臂采用了单极性载波移相技术调制，错开360°/n(n为上下桥臂中AAC桥臂的数量)角度导通。
本发明采用AAC基本单元构成全桥结构，逆变器AAC上下桥臂中H桥的高频开关采取移相调制，达到减小电流波纹、减小电感体积、减小开关损耗，提高***效率，同时还可以扩大容量；AAC桥臂中H桥的基频开关与高频开关相互配合，使得产生正弦波电压；AAC桥臂中H桥的基频开关与高频开关相互配合，使得产生正弦波电压；AAC桥臂中H桥的电容器，起到稳定电压的作用，并在电路进行升压变换时为交流侧提供足够的能量；AAC桥臂中的电抗器用于缓冲电流变化，从而减小了桥臂电流波纹；AAC桥臂中的导通开关工作于基频状态，控制逆变电路工作时的能量流通。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的多模块电压源型逆变器在同一交流调制比下，输出相同交流电压所需的直流侧电压仅为传统全桥变换器直流侧电压的一半，因此该结构非常适合应用于住宅低电压光伏发电***和电池储能***；
2、本发明提供的多模块电压源型逆变器，各开关管承受的最大电压应力为直流侧输入电压，相比于传统全桥变换器，可以采用较低电压等级的功率开关管；
3、本发明提供的多模块电压源型逆变器中全桥单元采用基频-高频混合调制技术，部分功率开关管处于基频工作状态，有效降低了功率器件的开关损耗；
4、本发明提供的多模块电压源型逆变器采用PWM载波移相调制技术有效增加功率器件的等效开关频率，有效地减小了交流输出侧滤波器的体积；
5、本发明提供的多模块电压源型逆变器交流侧发生故障时，可通过关断桥臂导通开关对电路进行保护，有效避免了故障时储能元件暂态过程中对电路功率器件造成的过压冲击等问题。
附图说明
图1是本发明实施例一种基于AAC的多模块电压源型逆变器的拓扑结构示意图。
图2为图1中交流调制信号0≤msin≤0.5时的工作状态拓扑结构示意图。
图3为图1中交流调制信号-0.5≤msin≤0时的工作状态拓扑结构示意图。
图4为图1中交流调制信号-1.0≤msin≤-0.5时的工作状态拓扑结构示意图。
图5为图1中交流调制信号-1.5≤msin≤-1.0时的工作状态拓扑结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，包括一个LC滤波器和由至少四个AAC桥臂构成的全桥结构，每个AAC桥臂包括一个H桥单元、一个桥臂电抗器(Lr1、Lr2、Lr3、Lr4)和一个导通开关(DS1、DS2、DS3、DS4)。对于H桥单元，由一个基频桥臂和一个高频桥臂构成，基频桥臂由两个带有反并联二极管(Db1-Db8，Dh1-Dh8)的全控开关串联而成：一个全控开关的发射极接入另一个开关的集电极；高频桥臂由两个带有反并联二极管的全控开关串联而成：一个全控开关的发射极接入另一个开关的集电极；将基频桥臂和高频桥臂并行连接即可构成混合基频-高频调制的H桥结构；为使电压稳定并在升压变换时提供足够的能量，在H桥上并联了稳压电容(C1-C4)；对于H桥输入输出端子，则分别由基频桥臂和高频桥臂的两个全桥开关串联节点处引出。对于AAC上桥臂(桥臂1/3)，由H桥高频桥臂引出端子与桥臂导通开关和桥臂电抗器串联而构成，其中高频桥臂引出端子接桥臂导通开关的集电极，桥臂电抗器则串联在桥臂导通开关的发射极。对于AAC下桥臂(桥臂2/4)，由H桥高频桥臂引出端子与桥臂导通开关和桥臂电抗器串联而构成，与AAC上桥臂不同的是，其中高频桥臂引出端子接桥臂导通开关的发射极，而桥臂电抗器则串联在桥臂导通开关的集电极。将AAC上下两个桥臂在电感处串行连接在一起，即可构成该全桥逆变器的半桥结构。将两个这样的半桥结构，将上下桥臂H桥中的基频桥臂引出端子相对应连接在一起，即可构成基于AAC的多模块电压源型升压逆变器结构，其中的AAC上桥臂中的基频桥臂引出端子作为直流电源的正极输入端，AAC下桥臂中的基频桥臂引出端子作为直流电源的负极输入端。为使输入的直流电压更加稳定，在直流电源的输入端并联了稳压电容器(Cdc)。对于该升压逆变器的输出端，在两个半桥结构中两桥臂电抗器节点处分别引出了两个交流输出端子，为减小交流侧电压、电流波形的波纹，设计了由两个对称分离电感Lf1、Lf2和一个滤波电容Cf串联而成的LC滤波器，两个交流输出端子分别串联在两个分离电感Lf1、Lf2上。可控开关采用带有反并联二极管的全控开关，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等，可在开关关断时为电路提供能量通道。
本发明的一种基于AAC桥臂的多模块电压源型升压全桥逆变器，直流调制比为0.5，交流调制比范围为0-1.5，且该全桥逆变器不同对角上AAC桥臂的混合交直流调制信号在相位上相差180度。该全桥逆变器的上下桥臂的H桥中的高频桥臂采用了单极性载波移相技术调制，错开360°/n(n为上下桥臂中AAC桥臂的数量)角度导通，这样可以减小开关损耗，降低电流波纹，提高***频率，大幅度提高了效率，可以通过不断增加AAC桥臂的方式来不断扩大***容量，使***带有扩容功能。对于AAC桥臂H桥中的基频桥臂，当调制信号大于0时，基频开关管Sb1、Sb3、Sb5、Sb7处于导通状态，Sb2、Sb4、Sb6、Sb8处于关断状态；反之，则Sb1、Sb3、Sb5、Sb7处于关断状态，Sb2、Sb4、Sb6、Sb8处于导通状态。对于AAC桥臂中的导通开关，当桥臂对应的调制信号大于1时，该桥臂的导通开关处于关断状态，反之该导通开关处于导通状态，从而控制了电路中的能量流动。通过该逆变器中的基频开关管和高频开关管的相互配合，加上LC滤波器的作用，可以输出完美的正弦波。
参照图2是交流调制信号0≤msin≤0.5时的工作状态拓扑结构示意图。本领域技术人员根据参照图2就能够明显的熟知在交流调制信号0≤msin≤0.5下的四种工作状态。
参照图3是交流调制信号-0.5≤msin≤0时的工作状态拓扑结构示意图。本领域技术人员根据参照图3就能够明显的熟知在交流调制信号-0.5≤msin≤0下的四种工作状态。
参照图4是交流调制信号-1.0≤msin≤-0.5时的工作状态拓扑结构示意图。本领域技术人员根据参照图4就能够明显的熟知在交流调制信号-1.0≤msin≤-0.5下的四种工作状态。
参照图5是交流调制信号-1.5≤msin≤-1.0时的工作状态拓扑结构示意图。本领域技术人员根据参照图5就能够明显的熟知在交流调制信号-1.5≤msin≤-1.0下的四种工作状态。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，其特征在于，包括一个LC滤波器和由至少四个AAC桥臂构成的全桥结构，AAC上桥臂中的H桥基频桥臂引出端子与电源正极输出端相连接，AAC下桥臂中的H桥基频桥臂引出端子与电源负极输出端相连接；每个AAC桥臂包括一个H桥单元、一个桥臂电抗器和一个桥臂导通开关；H桥单元由并行连接的一个基频桥臂和一个高频桥臂构成，基频桥臂由两个带有反并联二极管的全控开关串联而成：一个全控开关的发射极接入另一个全控开关的集电极；高频桥臂由两个带有反并联二极管的全控开关串联而成：一个全控开关的发射极接入另一个开关的集电极；H桥单元上并联有稳压电容，H桥单元的输入输出端子分别由基频桥臂和高频桥臂的两个全桥开关串联节点处引出，AAC的上桥臂由H桥单元的高频桥臂引出端子与桥臂导通开关和桥臂电抗器串联而构成，高频桥臂引出端子接桥臂导通开关的集电极，桥臂电抗器串联在桥臂导通开关的发射极，AAC的下桥臂，由H桥单元的高频桥臂引出端子与桥臂导通开关和桥臂电抗器串联而构成，高频桥臂引出端子接桥臂导通开关的发射极，桥臂电抗器串联在桥臂导通开关的集电极；AAC的上桥臂与AAC的下桥臂在电感处串行连接，构成全桥逆变器的半桥结构，两个半桥结构的AAC上桥臂中的基频桥臂引出端子和AAC下桥臂中的基频桥臂引出端子相对应连接，所述的LC滤波器由2个对称的分离滤波电感Lf1、Lf2及一个滤波电容Cf组成，两个半桥结构中两桥臂电抗器节点处分别引出两个交流输出端子，两个交流输出端子分别串联在分离滤波电感Lf1、Lf2上。
2.根据权利要求1所述的一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，其特征在于，所述直流电源的输入端并联有稳压电容器。
3.根据权利要求1所述的一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，其特征在于，所述的桥臂导通开关由一个带有反并联二极管的功率IGBT(S1-S4)构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，其特征在于，所述的高频桥臂中的可控开关均采用高频快速性能好的全控开关，电路调制过程中当功率开关关断时，能量可通过IGBT的反并联二极管反向流通。
5.根据权利要求4所述的一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，其特征在于，所述的全控开关可选用带反并联二极管的低频绝缘栅双极型晶体管。
6.根据权利要求1所述的一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，其特征在于，所述逆变器的直流调制比为0.5，交流调制比范围为0-1.5。
7.根据权利要求1所述的一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，其特征在于，所述逆变器不同对角上AAC桥臂的混合交直流调制信号在相位上相差180度。
8.根据权利要求1所述的一种基于AAC的多模块电压源型逆变器，其特征在于，AAC上桥臂和AAC下桥臂的H桥单元中的高频桥臂采用了单极性载波移相技术调制，错开360°/n角度导通，其中n为上下桥臂中AAC桥臂的数量。
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