CN115800785B - 一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器 - Google Patents

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Abstract

一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，包括开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，二极管D1、D2、D3，电感L1和L2，电容C1和C2，其中开关管S2、S4、S5和二极管D1、D3连接构成一个四端口结构，该结构可钳位电容电压，增加功率流通路径，同时该结构也可作为一个模块化单元，便于实现集成化。本发明逆变器相较于两电平逆变器，减小了半导体器件所承受的开关应力，降低了开关损耗和输出谐波含量，提升了输出电能质量和***效率。

Description

一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子电能变换领域，具体是一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器。
背景技术
储能逆变器作为微电网储能***的核心部件,对提高间歇式新能源的并网发电能力具有重要意义。传统储能逆变器中使用的逆变器主要为两电平逆变器，虽然两电平逆变器的控制简单，方案成熟，但开关器件需承受全部直流侧电压，开关器件耐压高，严重限制了其在高压大功率场合的应用，且输出谐波含量较高，不利于提高输出电能质量。
针对两电平逆变器存在的缺点，三电平逆变器应用而生，相较于两电平逆变器，三电平逆变器大大减小了单个开关器件承受的电压应力，有利于开关管的选型，同时降低了输出谐波含量和开关损耗，提升了输出电能质量和***效率。
发明内容
本发明提供了一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，相较于传统两电平逆变器，本发明储能逆变器减小开关器件所承受的电压应力，有利于延长开关器件的使用寿命，同时降低了开关损耗和输出谐波含量，提升了电能转换效率以及输出电能质量。
本发明采取的技术方案为：
一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，包括:开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，二极管D1、D2、D3，电感L1、L2，电容C1、C2；
电容C1正极连接开关管S1漏极，其连接节点构成端点p；
电容C2负极连接开关管S8源极，其连接节点构成端点m；
电容C1负极分别连接电容C2正极、开关管S5源极，其连接节点构成端点n；
开关管S8漏极分别连接开关管S6源极、开关管S7源极、二极管D1阳极、二极管D2阳极，其连接节点构成端点d；
开关管S1源极分别连接开关管S2漏极、开关管S3漏极，其连接节点构成端点c；
开关管S3源极分别连接二极管D2阴极、电感L2另一端，其连接节点构成端点b；
二极管D3阴极连接电感L1一端，其连接节点构成端点a；
开关管S4源极分别与二极管D1阴极、二极管D3阳极相连接；
开关管S5漏极分别与开关管S2源极、开关管S4漏极相连接；
开关管S6漏极分别与电感L1另一端、负载RL一端相连接；
开关管S7漏极分别与电感L2一端、负载RL另一端相连接。
该储能逆变器中，开关管S2、开关管S4、开关管S5、二极管D1和二极管D3连接构成一个四端口结构，其四个端口分别为端口a、端口c、端口d、端口n。该四端口结构对电容电压进行钳位，同时增加了电路中功率流通路径，保证了电路三电平功能的实现。
该储能逆变器中，开关管S1～S8均为带体二极管的电力场效应晶体管MOSFET、或者绝缘栅双极晶体管IGBT。
该储能逆变器中，端点p、端点m连接双向DC-DC变换器输出侧，双向DC-DC变换器输入侧连接储能电池。
该储能逆变器中，电容C1、C2为电容值相等的电解电容，每个电容各承受双向DC-DC变换器输出侧直流电压Us的一半，为实现电路三电平功能提供了条件。
该储能逆变器在正常工作时，包括以下六种工作模态：
工作模态一：开关管S1、S2、S4、S7、S8导通，其余开关管关断。储能电池对电感L1和负载RL供电，电感L1电流iL1线性上升，此时输出电压uo>0，输出电流io＝iL1，端点a与端点b间的电压uab＝+Us。
工作模态二：开关管S4、S7、S8导通，其余开关管关断。储能电池对电容C1充电，电容C1电压上升，电容C2对电感L1和负载RL供电，电容C2电压下降，电感L1电流iL1线性上升，此时输出电压uo>0，输出电流io＝iL1，端点a与端点b间的电压uab＝+1/2Us。
工作模态三：开关管S7导通，其余开关管关断。储能电池对电容C1和C2充电，电容C1和C2的电压上升。此模态下，由于电感电流不能突变，电感L1电流iL1经二极管D1续流并为负载RL供电，电流iL1线性下降。此时输出电压uo>0，输出电流io＝iL1，端点a与端点b间的电压uab＝0。
工作模态四：开关管S6导通，其余开关管关断。储能电池对电容C1和C2充电，电容C1和C2的电压上升。此模态下，由于电感电流不能突变，电感L2电流iL2经二极管D2续流并为负载RL供电，电流iL2线性下降。此时输出电压uo<0，输出电流io＝-iL2，端点a与端点b间的电压uab＝0。
工作模态五：开关管S1、S3、S5、S6导通，其余开关管关断。储能电池对电容C2充电，电容C2电压上升，电容C1对电感L2和负载RL供电，电容C1电压下降，电感L2电流iL2线性上升，此时输出电压uo<0，输出电流io＝-iL2，端点a与端点b间的电压uab＝-1/2Us。
工作模态六：开关管S1、S3、S6、S8导通，其余开关管关断。储能电池对电感L2和负载RL供电，电感L2电流iL2线性上升，此时输出电压uo<0，输出电流io＝-iL2，端点a与端点b间的电压uab＝-Us。
本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，技术效果如下：
1)本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，采用了四端口结构，该结构可以对电容电压进行钳位，并且还能提供额外的功率流通路径，确保了逆变器三电平功能的实现，同时该结构可被封装成一个模块单元，便于集成化设计。
2)本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，共有六种工作模态，通过PWM控制使这六种工作模态按照既定规律进行切换，使电路实现DC-AC电能转换，同时实现三电平功能。
3)相较于传统两电平逆变器，本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，减小了开关损耗，降低了半导体器件所承受的电压应力，同时降低了输出谐波含量。
4)本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，通过采用开关管S1和开关管S8对输入侧直流电压进行钳位，提升了逆变器的工作可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器主拓扑结构图。
图2为本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器工作模态一示意图；
图3为本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器工作模态二示意图；
图4为本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器工作模态三示意图；
图5为本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器工作模态四示意图；
图6为本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器工作模态五示意图；
图7为本发明一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器工作模态六示意图。
图8为本发明电路中开关管S1～S8六种工作模态图。
图9为本发明电路中开关管S1～S8对应的脉冲信号分配图。
图10为本发明电路在稳态下输出电压uo和输出电流io波形图。
图11为本发明电路在稳态下流过电感L1电流iL1波形图。
图12为本发明电路在稳态下流过电感L2电流iL2波形图。
图13为本发明电路在稳态下端点a与端点b间电压uab波形图。
图14为本发明电路在稳态下电容C1、C2电压uc1、uc2波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，包括：储能电池，双向DC-DC变换器，开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，二极管D1、D2、D3，电感L1和L2，电容C1和C2；
电容C1正极连接开关管S1漏极，其连接节点构成端点p；
电容C2负极连接开关管S8源极，其连接节点构成端点m；
电容C1负极分别连接电容C2正极、开关管S5源极，其连接节点构成端点n；
开关管S8漏极分别连接开关管S6源极、开关管S7源极、二极管D1阳极、二极管D2阳极，其连接节点构成端点d；
开关管S1源极分别连接开关管S2漏极、开关管S3漏极，其连接节点构成端点c；
开关管S3源极分别连接二极管D2阴极、电感L2另一端，其连接节点构成端点b；
二极管D3阴极连接电感L1一端，其连接节点构成端点a；
开关管S4源极分别与二极管D1阴极、二极管D3阳极相连接；
开关管S5漏极分别与开关管S2源极、开关管S4漏极相连接；
开关管S6漏极分别与电感L1另一端、负载RL一端相连接；
开关管S7漏极分别与电感L2一端、负载RL另一端相连接。
该储能逆变器电路中所有开关管均为带体二极管的电力场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
该储能逆变器电路中的四端口结构由端点a、端点c、端点d、端点n构成，该结构可作为一个模块化三电平单元。
该储能逆变器电路中电容C1和C2为两个等值的电解电容，每个电容各承受的电压为Us/2，用于实现±1/2Us电平变化。
本发明电路具体实验参数如下：
双向DC-DC变换器输出侧直流电压Us为400V，电感L1和电感L1均为3mH，电容C1和电容C2均为4700μF，开关频率为20kHz，负载RL的阻值为80Ω，输出侧交流电压uo有效值为220V，频率为50Hz。
一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，电路正常工作时，共有以下六种工作模态：
图2为工作模态一：开关管S1、S2、S4、S7、S8导通，其余开关管关断。储能电池对电感L1和负载RL供电，电感L1电流iL1线性上升，此时输出电压uo>0，输出电流io＝iL1，端点a与端点b间的电压uab＝+Us。
图3为工作模态二：开关管S4、S7、S8导通，其余开关管关断。储能电池对电容C1充电，电容C1电压上升，电容C2对电感L1和负载RL供电，电容C2电压下降，电感L1电流iL1线性上升，此时输出电压uo>0，输出电流io＝iL1，端点a与端点b间的电压uab＝+1/2Us。
图4为工作模态三：开关管S7导通，其余开关管关断。储能电池对电容C1和C2充电，电容C1和C2的电压上升。此模态下，由于电感电流不能突变，电感L1电流iL1经二极管D1续流并为负载RL供电，电流iL1线性下降。此时输出电压uo>0，输出电流io＝iL1，端点a与端点b间的电压uab＝0。
图5为工作模态四：开关管S6导通，其余开关管关断。储能电池对电容C1和C2充电，电容C1和C2的电压上升。此模态下，由于电感电流不能突变，电感L2电流iL2经二极管D2续流并为负载RL供电，电流iL2线性下降。此时输出电压uo<0，输出电流io＝-iL2，端点a与端点b间的电压uab＝0。
图6为工作模态五：开关管S1、S3、S5、S6导通，其余开关管关断。储能电池对电容C2充电，电容C2电压上升，电容C1对电感L2和负载RL供电，电容C1电压下降，电感L2电流iL2线性上升，此时输出电压uo<0，输出电流io＝-iL2，端点a与端点b间的电压uab＝-1/2Us。
图7为工作模态六：开关管S1、S3、S6、S8导通，其余开关管关断。储能电池对电感L2和负载RL供电，电感L2电流iL2线性上升，此时输出电压uo<0，输出电流io＝-iL2，端点a与端点b间的电压uab＝-Us。
图8为本发明电路中开关管S1～S8六种工作模态图，其中开关管的导通与关断状态分别用“1”和“0”表示。由图8可知，当输出电压uo>0时，端点a与端点b间电压uab有+Us、+1/2Us、0三种状态，当输出电压uo<0时，端点a与端点b间电压uab有-Us、-1/2Us、0三种状态。通过PWM控制切换电路的工作模态，即改变各开关管的开断状态，实现三电平。
图9为本发明电路中开关管S1～S8对应的脉冲信号分配图，按照电压uab的变化规律将其划分为4个小区间，其中区间1，区间2，区间3，区间4分别表示电压uab在[0，+1/2Us]、[+1/2Us,+Us]、[-1/2Us,0]、[-Us,-1/2Us]内变化时，开关管S1～S8脉冲信号分配状况。在一个工作周期内，按照顺序[区间1]→[区间2]→[区间1]→[区间3]→[区间4]→[区间3]来对分配各开关管的脉冲信号，可使电压uab为三电平。
图10为本发明电路在稳态下输出电压uo和输出电流io波形图，其中为更好观察电压uo和电流io之间的关系，将电流io在原基础上乘以了10倍增益。由图10可知，电压uo和电流io的波形均具有良好的正弦性。
图11为本发明电路在稳态下流过电感L1电流iL1波形图，由图11可知，电感L1在正半工作周期内有电流通过，在负半工作周期无电流通过，与理论分析相相符合。
图12为本发明电路在稳态下流过电感L2电流iL2波形图，由图12可知，电感L2在负半工作周期内有电流通过，在正半工作周期内无电流通过，与理论分析保持一致。
图13为本发明电路在稳态下端点a与端点b间电压uab波形图，由图13可知，电压uab波形符合三电平电路工作特性，证明了本发明电路可实现三电平功能。
图14为本发明电路在稳态下电容C1、C2电压uc1、uc2波形图，由图14可知，电压uc1和uc2在200V附近保持动态平衡，表明了本发明电路可实现电容电压自平衡。

Claims (6)

1.一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，包括:开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，二极管D1、D2、D3，电感L1、L2，电容C1、C2；其特征在于：
电容C1正极连接开关管S1漏极，其连接节点构成端点p；
电容C2负极连接开关管S8源极，其连接节点构成端点m；
电容C1负极分别连接电容C2正极、开关管S5源极，其连接节点构成端点n；
开关管S8漏极分别连接开关管S6源极、开关管S7源极、二极管D1阳极、二极管D2阳极，其连接节点构成端点d；
开关管S1源极分别连接开关管S2漏极、开关管S3漏极，其连接节点构成端点c；
开关管S3源极分别连接二极管D2阴极、电感L2另一端，其连接节点构成端点b；
二极管D3阴极连接电感L1一端，其连接节点构成端点a；
开关管S4源极分别与二极管D1阴极、二极管D3阳极相连接；
开关管S5漏极分别与开关管S2源极、开关管S4漏极相连接；
开关管S6漏极分别与电感L1另一端、负载RL一端相连接；
开关管S7漏极分别与电感L2一端、负载RL另一端相连接。
2.根据权利要求1所述一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，其特征在于：该储能逆变器中，开关管S2、开关管S4、开关管S5、二极管D1和二极管D3连接构成一个四端口结构，其四个端口分别为端口a、端口c、端口d、端口n。
3.根据权利要求1所述一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，其特征在于：该储能逆变器中，开关管S1～S8均为带体二极管的电力场效应晶体管MOSFET、或者绝缘栅双极晶体管IGBT。
4.根据权利要求1所述一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，其特征在于：该储能逆变器中，端点p、端点m连接双向DC-DC变换器输出侧，双向DC-DC变换器输入侧连接储能电池。
5.根据权利要求4所述一种单相三电平四端口钳位型储能逆变器，其特征在于：该储能逆变器中，电容C1、C2为电容值相等的电解电容，每个电容各承受双向DC-DC变换器输出侧直流电压Us的一半。
6.根据权利要求1～5任意一项所述单相三电平四端口钳位型储能逆变器，其特征在于：该储能逆变器在正常工作时，包括以下六种工作模态：
工作模态一：开关管S1、S2、S4、S7、S8导通，其余开关管关断；储能电池对电感L1和负载RL供电，电感L1电流iL1线性上升，此时输出电压uo>0，输出电流io＝iL1，端点a与端点b间的电压uab＝+Us，Us表示端点p和端点m之间的电压；
工作模态二：开关管S4、S7、S8导通，其余开关管关断；储能电池对电容C1充电，电容C1电压上升，电容C2对电感L1和负载RL供电，电容C2电压下降，电感L1电流iL1线性上升，此时输出电压uo>0，输出电流io＝iL1，端点a与端点b间的电压uab＝+Us/2；
工作模态三：开关管S7导通，其余开关管关断；储能电池对电容C1和C2充电，电容C1和C2的电压上升；此模态下，由于电感电流不能突变，电感L1电流iL1经二极管D1续流并为负载RL供电，电流iL1线性下降；此时输出电压uo>0，输出电流io＝iL1，端点a与端点b间的电压uab＝0；
工作模态四：开关管S6导通，其余开关管关断；储能电池对电容C1和C2充电，电容C1和C2的电压上升；此模态下，由于电感电流不能突变，电感L2电流iL2经二极管D2续流并为负载RL供电，电流iL2线性下降；此时输出电压uo<0，输出电流io＝-iL2，端点a与端点b间的电压uab＝0；
工作模态五：开关管S1、S3、S5、S6导通，其余开关管关断；储能电池对电容C2充电，电容C2电压上升，电容C1对电感L2和负载RL供电，电容C1电压下降，电感L2电流iL2线性上升，此时输出电压uo<0，输出电流io＝-iL2，端点a与端点b间的电压uab＝-Us/2；
工作模态六：开关管S1、S3、S6、S8导通，其余开关管关断；储能电池对电感L2和负载RL供电，电感L2电流iL2线性上升，此时输出电压uo<0，输出电流io＝-iL2，端点a与端点b间的电压uab＝-Us。
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