CN109873559A - 模块化双buck-boost升降压输出反并联组合型逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化双BUCK‑BOOST升降压输出反并联组合型逆变器，该逆变器中两个BUCK‑BOOST变换器，通过输入并联、输出反并联组合而成。借助于BUCK‑BOOST变换器的升降压功能，实现单级升降压逆变输出，在低于或高于输出交流电压的宽输入直流电压范围内均可正常工作，每个BUCK‑BOOST变换器输出半个正弦波，组合成一个完整的正弦波。为了避免两个BUCK‑BOOST电路同时导通的情况，分别在两个BUCK‑BOOST电路的输出端连接一个功率开关，两个开关互补导通。该逆变器可实现升压和降压逆变，输入电压范围宽，对光伏电池电压变化有很好的适应性，且转换效率较高，***简单，可模块化生产，成本低，可广泛应用于光伏并网发电***。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能变换装置中的逆变器，具体涉及一种模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器。
背景技术
近年来，为了应对能源危机和环境污染，太阳能、风能等新能源得到了广泛应用。新能源受气候、气象和环境等外界因素的影响较大，意味着其输出电压变化范围较大，要求逆变器能够在宽输入电压范围内正常工作。为了解决上述问题，传统的太阳能光伏发电***大多采用两级式光伏并网逆变器，该逆变器主要由前级高频隔离DC/DC变换器和后级网侧逆变器构成，在并网发电前将光伏阵列输出的电压升压，再接入网侧逆变器，但增加升压变换电路，将导致***结构复杂化，增加了整机的体积和重量，不利于提高***的工作效率。单级式逆变器在太阳能光伏发电***中得到了越来越广泛的应用，相比于两级式光伏并网逆变器，单级逆变器能够更好的降低***的复杂性，节省成本，提高可靠性。
申请号为CN201320011394的一种基于BUCK-BOOST电路的新型DC/AC逆变器，利用两个BUCK-BOOST变换器组成一种既可以升压又可以降压的单级逆变器，在输入直流侧电压高于或低于输出交流电压峰-峰值时，此种逆变器仍能正常工作，具有较宽的输入电压范围；采用单周期控制的方法，对输入侧电压的波动具有较强的抑制能力。但由于逆变器采用两个电源供电，特别是应用于光伏发电等场合时，两个光伏电源的电压不能保持一致，易导致逆变输出电源的正负半周不对称，导致并网质量降低，且光伏电源的利用率偏低，而单一电源供电可解决正负电源不对称和光伏电源利用率偏低的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器，采用两个BUCK-BOOST变换器输出端反并联的连接方式，并应用半周控制策略，实现单级DC/AC逆变。半周控制的双BUCK-BOOST单级逆变器，工作电流仅通过单个BUCK-BOOST变换电路，流经的器件少，有利于提高变换效率。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器，包括输入并联电路单元，电路结构相同的BUCK-BOOST正组输出单元和BUCK-BOOST反组输出单元；输入并联电路单元包括电源，BUCK-BOOST正组输出单元和BUCK-BOOST反组输出单元的输入端均连接至电源；BUCK-BOOST正组输出单元/BUCK-BOOST反组输出单元中，调制用功率开关管的集电极接电源的正极，调制用功率开关管的发射极接电感的一端和第二功率二极管的阴极，电感的另一端接第一功率二极管的阳极和电压输出端的一端，第一功率二极管的阴极接电源的负极，第二功率二极管的阳极接选通用功率开关管的发射极，选通用功率开关管的集电极和第一功率二极管的阳极构成电压输出端；BUCK-BOOST正组输出单元的输出端接储能电容和负载电阻的并联连接点、BUCK-BOOST反组输出单元的输出端反接储能电容和负载电阻的并联连接点。
该逆变器输入电压为宽输入电压，电源的大小可低于或高于输出交流电压的峰值。
该逆变器采用半周控制法，BUCK-BOOST正组输出单元中调制用功率开关管、选通用功率开关管控制BUCK-BOOST正组输出单元的导通关断，BUCK-BOOST反组输出单元中调制用功率开关管、选通用功率开关管控制BUCK-BOOST反组输出单元的导通关断，在正半周期和负半周期，BUCK-BOOST正组输出单元、BUCK-BOOST反组输出单元中的选通用功率开关管分别保持长通，分别选通BUCK-BOOST正组输出单元、BUCK-BOOST反组输出单元，调制用功率开关管的驱动信号均由SPWM调制产生，从而控制BUCK-BOOST正组输出单元和BUCK-BOOST反组输出单元分别输出正弦电压正半周和正弦电压负半周。
本发明利用两个BUCK-BOOST变换器组成一种既可以升压又可以降压的单级逆变器，可实现单级升降压逆变输出，在低于或高于输出交流电压峰值的宽输入直流电压范围内均可正常工作；BUCK-BOOST变换器在DC/DC变换中的电路参数选取原则可以移植到本逆变器中，保证双BUCK-BOOST输出单元工作于断续导通模式，使电路正常工作；该逆变器对光伏电池电压变化有很好的适应性，且转换效率较高，***简单，成本低，故可广泛应用于光伏并网发电等领域。
本发明所提出的模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器，包括三个独立单元：输入并联电路单元、BUCK-BOOST正组输出单元和BUCK-BOOST反组输出单元，其中，BUCK-BOOST正组输出单元和BUCK-BOOST反组输出单元电路结构完全相同，便于模块化生产，在某一部件损坏时可直接更换其所在模块，维修快捷方便，降低了使用成本，缩短了维修时间。
附图说明
图1是本发明模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器的电路结构示意图；
图2～7是本发明模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器的六个工作阶段模态示意图；
图8是本发明模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器的功率开关管的驱动波形图；
图9是本发明模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器的正组驱动信号S1、S2和输出电压VO波形图；
图10是本发明模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器控制方案；
图11是本发明模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器光伏并网控制方案；
上述附图中的主要符号名称：1.输入并联电路单元；2.BUCK-BOOST正组输出单元；3.BUCK-BOOST反组输出单元；C——输出滤波电容。D1、D10、D2、D20——功率二极管，L1、L2——线性电感。S1～S4——功率开关管，E——逆变器输入电压即直流侧母线电压；R——负载阻抗。Vref——参考电压。iref——参考电流。Ip——并网电流幅值。Vgrid——并网电压。I0——并网电流实际值。Ipv——光伏模块电流。Vpv——光伏模块电压。
具体实施方式
如附图1所示，模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器，包括输入并联电路单元1、电路结构相同的BUCK-BOOST正组输出单元2和BUCK-BOOST反组输出单元3；输入并联电路单元1包括电源E，BUCK-BOOST正组输出单元2和BUCK-BOOST反组输出单元3的输入端均连接至电源E；BUCK-BOOST正组输出单元2/BUCK-BOOST反组输出单元3中，调制用功率开关管S1/S3的的集电极接电源E的正极，调制用功率开关管S1/S3的的发射极接第二功率二极管D10/D20的阴极和电感L1/L2的一端，电感L1/L2的另一端接第一功率二极管D1/D2的阳极，为电压输出端的一端，第一功率二极管D1/D2的阴极接电源E的负极，第二功率二极管D10/D20的阳极接选通用功率开关管S2/S4的发射极，选通用功率开关管S2/S4的集电极和第一功率二极管D1/D2的阳极构成电压输出端，BUCK-BOOST正组输出单元2的输出端接储能电容C和负载电阻R的并联连接点(AB)、BUCK-BOOST反组输出单元3的输出端反接储能电容C和负载电阻R的并联连接点(AB)。
该逆变器采用半周控制法，调制用功率开关管S1和选通用功率开关管S2控制BUCK-BOOST正组输出单元2的导通关断，调制用功率开关管S3和选通用功率开关管S4控制BUCK-BOOST反组输出单元3的导通关断，选通用功率开关管S2和S4分别用于选通BUCK-BOOST正组输出单元2和BUCK-BOOST反组输出单元3，调制用功率开关管S1和S3分别用于控制BUCK-BOOST正组输出单元2和BUCK-BOOST反组输出单元3输出正弦电压的正负半周。当选通用功率开关管S2导通，选通用功率开关管S4关断时，BUCK-BOOST正组输出单元2工作，BUCK-BOOST反组输出单元3不工作。此时电路包括三个工作阶段：
工作阶段I
如附图2所示，第一阶段调制用功率开关管S1导通，直流电压源E对电感L1充电，电感电流iL1线性增长，电流流过第一功率二极管D1；第二功率二极管D10承受反压不导通，储能电容C给负载电阻R供电，储能电容C电压下降，因储能电容C较大，故储能电容C电压下降很少，可以近似认为VC＝VO，VO为输出电压；流过调制用功率开关管S1的电流iS1＝iL1。
工作阶段II
如附图3所示，第二阶段调制用功率开关管S1断开，直流电压源E不再供电，电感L1、电容C、选通用功率开关管S2和第二功率二极管D10构成回路，第二功率二极管D10导通，电感L1向储能电容C充电，流过电感电流iL1线性下降，储能电容C端电压下正上负。
工作阶段III
如附图4所示，第三阶段电感L1的电流减小到零，而此时调制用功率开关管S1仍然关断；电感L1、电容C形成低频振荡，在开关周期内，振荡电流近似恒定。
当选通用功率开关管S4导通，选通用功率开关管S2关断时，BUCK-BOOST反组输出单元3工作，BUCK-BOOST正组输出单元2不工作。此时电路包括三个工作阶段：
工作状态IV、V、VI
如附图5、附图6、附图7所示，器件工作原理同正组一样。控制调制用功率开关管S3导通关断，使A、B两点间的电压为正弦电压的负半周。选通用功率开关管S2导通时，BUCK-BOOST正组输出单元2输出正弦电压的正半周和选通用功率开关管S4导通时，BUCK-BOOST反组输出单元3输出的正弦电压负半周组合在一起就是完整的正弦电压输出。
为实现上述工作原理，采用控制方案如附图10所示，采用单极性调制，驱动信号S2和S4分别控制BUCK-BOOST正组输出单元2和BUCK-BOOST反组输出单元3的选通用功率开关，可通过检测给定信号的过零点实现BUCK-BOOST正组输出单元2和BUCK-BOOST反组输出单元3交替切换工作；驱动信号S1和S3分别控制BUCK-BOOST正组输出单元2和BUCK-BOOST反组输出单元3的调制用功率开关，可采用单极性SPWM调制产生，确保模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器输出按照正弦规律变化；S2和S4采用互补导通工作方式，对应正弦电压的正/负半周，必要时可在两驱动信号之间加入死区延时，以防止发生直通而危及设备安全。半周控制模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器的正组输出单元和反组输出单元分别输出正弦电压的正、负半周，如此循环切换工作即可输出完整的正弦电压波形。
Claims (3)
1.模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器，其特征在于，包括输入并联电路单元(1)、电路结构相同的BUCK-BOOST正组输出单元(2)和BUCK-BOOST反组输出单元(3)；输入并联电路单元(1)包括电源(E)，BUCK-BOOST正组输出单元(2)和BUCK-BOOST反组输出单元(3)的输入端均连接至电源(E)；BUCK-BOOST正组输出单元(2)/BUCK-BOOST反组输出单元(3)中，第一功率二极管(D1/D2)的阴极接电源(E)的负极，第一功率二极管(D1/D2)的阳极接电感(L1/L2)的一端和电压输出端的一端连接，电源(E)正极与调制用功率开关管(S1/S3)的集电极连接，调制用功率开关管(S1/S3)的发射极接电感(L1/L2)的另一端和第二功率二极管(D10/D20)的阴极，第二功率二极管(D10/D20)的阳极接选通用功率开关管(S2/S4)的发射极，选通用功率开关管(S2/S4)的集电极和第一功率二极管(D1/D2)的阳极构成电压输出端，BUCK-BOOST正组输出单元(2)的电压输出端接储能电容(C)和负载电阻(R)的并联连接点(AB)、BUCK-BOOST反组输出单元(3)的电压输出端反接储能电容(C)和负载电阻(R)的并联连接点(AB)。
2.根据权利要求1所述的模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器，其特征在于，该逆变器输入电压为宽输入电压，电源(E)的幅值可低于或高于输出交流电压的峰值。
3.根据权利要求1所述的模块化双BUCK-BOOST升降压输出反并联组合型逆变器，其特征在于，该逆变器采用半周控制法，BUCK-BOOST正组输出单元(2)中调制用功率开关管(S1)、选通用功率开关管(S2)控制BUCK-BOOST正组输出单元(2)的导通关断，BUCK-BOOST反组输出单元(3)中调制用功率开关管(S3)、选通用功率开关管(S4)控制BUCK-BOOST反组输出单元(3)的导通关断，在正半周期BUCK-BOOST正组输出单元(2)中的选通用功率开关管(S2)保持长通，选通BUCK-BOOST正组输出单元(2)，调制用功率开关管(S1)的驱动信号由SPWM调制产生，控制BUCK-BOOST正组输出单元(2)输出正弦电压正半周；在负半周期BUCK-BOOST反组输出单元(3)中的选通用功率开关管(S4)保持长通，选通BUCK-BOOST反组输出单元(3)，调制用功率开关管(S3)的驱动信号由SPWM调制生成，控制BUCK-BOOST反组输出单元(3)输出正弦电压负半周。
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