二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的製造方法
2023-09-23 03:06:25
二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的製造方法
【專利摘要】二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器，涉及一種在線拓撲可切換型逆變器，屬於電能變換領域。它為了解決現有逆變器不能在電源的較寬發電範圍內獲得較高的工作效率的問題。本發明包括第一二極體箝位型逆變器、第二二極體箝位型逆變器和雙向開關S3。在較低直流輸入電壓時，工作在級聯逆變器模式，在中等直流輸入電壓時，切換為兩電平逆變器模式，在較高直流輸入電壓時，切換為二極體箝位型逆變器模式，採用單級式結構即可實現較寬直流輸入電壓範圍的工作，系統結構簡單，體積降低20%；通過拓撲模式的切換，在實現較寬直流輸入電壓範圍的直流-交流逆變的同時，開關損耗降低10%，逆變器工作效率提高10%。本發明適用於電能變換領域。
【專利說明】二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在線拓撲可切換型逆變器，屬於電能變換領域。
【背景技術】
[0002]當今世界的能源緊缺、環境日益惡化等問題已經受到廣泛關注。具有清潔、零汙染特性的光伏發電技術為解決能源問題提供了新的發展方向。由於光伏發電源受到太陽光強的影響，其輸出電壓呈現波動性較大的特點，難以直接應用於併網發電或者恆壓交流電源等領域。為解決上述問題，基於DC-DC-AC的兩級式變換結構、單級式的Z源逆變器結構以及多電平功率變換結構均在光伏發電系統中有所應用。DC-DC-AC的兩級結構主要由光伏電池，DC-DC變換器，DC-AC逆變器組成。其中DC-DC變換器負責直流母線電壓恆定控制，以使得直流母線電壓保持恆定，減小對交流側輸出電壓的影響，另外使系統能夠始終滿足交流逆變所需的電壓約束條件。這種兩級結構，一方面可以得到穩定的直流電壓、拓寬發電範圍，另一方面易於實現最大發電功率點跟蹤控制。但是這種結構的發電範圍受限於直流逆變器的升壓比，而且難以大功率化。另外兩級式結構的損耗較大，導致系統整體效率降低。
[0003]單級結構的Z源逆變器能夠同時實現直流電壓的升壓控制和DC-AC逆變控制。Z源逆變器系統裡，主要通過由兩個電容和兩個電感構成的Z源網絡，再經過逆變器，將能量輸入電網。這種Z源結構允許逆變器工作在直通或斷路狀態，從而實現升降壓，增加了逆變電路工作的安全性，而且單級結構減少了一個開關器件，簡化了控制、驅動電路。但是，Z源逆變器直流側電壓受Z源變換器電感和負載的影響較大，當負載較小或電感值較低時，直流母線電壓會產生跌落，對交流輸出電壓造成影響。
[0004]近年來，多電平逆變技術在光伏發電領域的應用逐漸受到關注。多電平逆變技術由於其等效開關頻率高，因此採用較小的濾波器即可以獲得較高的電能質量，並可以降低濾波器的高頻損耗。利用級聯型多電平逆變器能夠將發電源的輸出電壓進行疊加的特性，可以提高逆變器輸出電壓等級，易於實現在較小發電功率時的運行，由此拓寬光伏發電源的發電功率下限。但是在發電功率較大時，直流電壓升高，濾波器損耗隨之增加，同樣降低了系統效率。多電平逆變技術用於光伏發電系統的共性不利因素是，由於功率器件多，開關損耗大，與兩電平逆變器相比，其效率降低明顯。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決現有逆變器不能在電源的較寬發電範圍內(200?800V)獲得較高的工作效率的問題，提供一種二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器。
[0006]本發明所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器包括第一二極體箝位型逆變器1、第二二極體箝位型逆變器2和雙向開關S3 ；
[0007]所述第一二極體箝位型逆變器I包括第一功率開關Sia1、第二功率開關Sia2、第三功率開關Sia3、第四功率開關Sia4、第五功率開關Sib1、第六功率開關Sib2、第七功率開關S1B3、第八功率開關Sib4、第一二極體Dia1、第二二極體Dia2、第三二極體Dib1、第四二極體Dib2、第一直流電容cn、第二直流電容C12和直流電源ud。；
[0008]直流電源Udc的正極同時與第一功率開關Siai的功率輸入端、第一直流電容C11的輸入端和第五功率開關Sibi的功率輸入端連接，直流電源Ud。的負極同時與第四功率開關Sia4的功率輸出端、第二直流電容C12的輸出端和第八功率開關Sib4的功率輸出端連接；
[0009]第一功率開關Siai的功率輸出端同時與第一二極體Diai的負極和第二功率開關Sia2的功率輸入端連接；
[0010]第二功率開關Sia2的功率輸出端與第三功率開關Sia3的功率輸入端連接，所述第二功率開關Sia2的功率輸出端與第三功率開關Sia3的功率輸入端的公共端為所述二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的第一輸出端；
[0011]第三功率開關Sia3的功率輸出端同時與第四功率開關Sia4的功率輸入端和第二二極體Dia2的正極連接；
[0012]第一直流電容C11的輸出端同時與第二直流電容C12的輸入端、第一二極體Diai的正極、第二二極體Dia2的負極、第三二極體Dibi的正極和第四二極體Dib2的負極連接；
[0013]第五功率開關Sibi的功率輸出端同時與第三二極體Dibi的負極和第六功率開關Sib2的功率輸入端連接；
[0014]第六功率開關Sib2的功率輸出端與第七功率開關Sib3的功率輸入端連接；
[0015]第七功率開關Sib3的功率輸出端同時與Sib4的功率輸入端和第四二極體Dib2的正極連接；
[0016]第二二極體箝位型逆變器2與第一二極體箝位型逆變器I具有相同的結構，第二二極體箝位型逆變器2的第六功率開關Sib2的功率輸出端為二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的第二輸出端；
[0017]雙向開關S3的功率輸入端與第一二極體箝位型逆變器I的第四功率開關Sia4的功率輸出端連接，雙向開關S3的功率輸出端與第二二極體箝位型逆變器2的第四功率開關Sia4的功率輸出端連接，第一二極體箝位型逆變器I的第六功率開關Sib2的功率輸出端與第二二極體箝位型逆變器2的第二功率開關Sia2的功率輸出端連接。
[0018]本發明所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的第一二極體箝位型逆變器I的直流電源Udc與第二二極體箝位型逆變器2的直流電源Udc具有相同的輸出電壓等級，第一二極體箝位型逆變器I的直流電源Udc與第二二極體箝位型逆變器2的直流電源Udc具有相同的功率等級。
[0019]本發明所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的第一二極體箝位型逆變器I的第一直流電容Cu、第一二極體箝位型逆變器I的第二直流電容C12、第二二極體箝位型逆變器2的第一直流電容C11和第二二極體箝位型逆變器2的第二直流電容C12的電容均相同。
[0020]本發明所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的雙向開關S3包括第五二極體D31、第六二極體D32、第七二極體D33、第八二極體D34和全控型功率開關器件S31，所述第五二極體D31的正極與第六二極體D32的負極，所述第六二極體D32的正極同時連接第八二極體D34的正極和全控型功率開關器件S31的功率輸出端，所述第八二極體D34的負極連接第七二極體的正極，所述第七二極體的負極同時連接第五二極體D31的負極和全控型功率開關器件S31的功率輸入端，所述第七二極體D33與第八二極體D34的公共端為雙向開關S3的功率輸入端，所述第五二極體D31與第六二極體D32的公共端為雙向開關S3的功率輸出端。
[0021]本發明所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的第一二極體箝位型逆變器I中，第一功率開關Siai包括三極體和二極體，所述三極體的集電極與二極體的負極連接，且所述三極體的集電極為第一功率開關Siai的功率輸入端，所述三極體的發射極與二極體的正極連接，且所述三極體的發射極為第一功率開關Siai的功率輸出端；所述的第二功率開關Sia2、第三功率開關Sia3、第四功率開關Sia4、第五功率開關Sib1、第六功率開關Sib2、第七功率開關Sib3和第八功率開關Sib4均與第一功率開關Siai具有相同的結構。
[0022]本發明所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器通過拓撲在線切換，採用單級結構實現較寬直流電源輸入電壓範圍(200?800V)的運行。在較低直流輸入電壓(200?400V)時，工作在級聯逆變器模式，提高輸出電壓的等效電壓等級，同時降低輸出電壓的諧波畸變率；在中等直流輸入電壓(400?600V)時，切換為兩電平逆變器模式，從而有效降低系統總損耗，同時仍然能夠使輸出電壓的諧波畸變率滿足要求；在較高直流輸入電壓(600?800V)時，切換為二極體箝位型逆變器模式，降低各個功率開關的耐壓值，進而提高整個逆變器的工作範圍。
[0023]本發明的有益效果:與固定拓撲的逆變器相比，本發明具有如下優點:(I)採用單級式結構即可實現較寬直流輸入電壓範圍(200?800V)的工作，系統結構簡單，體積降低20% ； (2)通過拓撲模式的切換，在實現較寬直流輸入電壓範圍的直流-交流逆變的同時，逆變器的開關損耗降低10%，從而逆變器工作效率提高10%。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為實施方式一至三所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的拓撲結構示意圖；
[0025]圖2為實施方式四中雙向開關的拓撲結構示意圖；
[0026]圖3為工作原理中等效的級聯型逆變器模式的拓撲結構示意圖；
[0027]圖4為工作原理中等效的兩電平逆變器模式的拓撲結構示意圖；
[0028]圖5為工作原理中等效的二極體箝位型逆變器模式的拓撲結構示意圖；
[0029]圖6為工作原理中二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的輸出電壓的波形圖；
[0030]圖7為工作原理中二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的輸出電流的波形圖。
【具體實施方式】
[0031]【具體實施方式】一:結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器包括第一二極體箝位型逆變器1、第二二極體箝位型逆變器2和雙向開關S3 ;
[0032]所述第一二極體箝位型逆變器I包括第一功率開關Sia1、第二功率開關Sia2、第三功率開關Sia3、第四功率開關Sia4、第五功率開關Sib1、第六功率開關Sib2、第七功率開關S1B3、第八功率開關Sib4、第一二極體Dia1、第二二極體Dia2、第三二極體Dib1、第四二極體Dib2、第一直流電容Cn、第二直流電容C12和直流電源Udc ；
[0033]直流電源Udc的正極同時與第一功率開關Siai的功率輸入端、第一直流電容C11的輸入端和第五功率開關Sibi的功率輸入端連接，直流電源Ud。的負極同時與第四功率開關Sia4的功率輸出端、第二直流電容C12的輸出端和第八功率開關Sib4的功率輸出端連接；
[0034]第一功率開關Siai的功率輸出端同時與第一二極體Diai的負極和第二功率開關Sia2的功率輸入端連接；
[0035]第二功率開關Sia2的功率輸出端與第三功率開關Sia3的功率輸入端連接，所述第二功率開關Sia2的功率輸出端與第三功率開關Sia3的功率輸入端的公共端為所述二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的第一輸出端；
[0036]第三功率開關Sia3的功率輸出端同時與第四功率開關Sia4的功率輸入端和第二二極體Dia2的正極連接；
[0037]第一直流電容C11的輸出端同時與第二直流電容C12的輸入端、第一二極體Diai的正極、第二二極體Dia2的負極、第三二極體Dibi的正極和第四二極體Dib2的負極連接；
[0038]第五功率開關Sibi的功率輸出端同時與第三二極體Dibi的負極和第六功率開關Sib2的功率輸入端連接；
[0039]第六功率開關Sib2的功率輸出端與第七功率開關Sib3的功率輸入端連接；
[0040]第七功率開關Sib3的功率輸出端同時與Sib4的功率輸入端和第四二極體Dib2的正極連接；
[0041]第二二極體箝位型逆變器2與第一二極體箝位型逆變器I具有相同的結構，第二二極體箝位型逆變器2的第六功率開關Sib2的功率輸出端為二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的第二輸出端；
[0042]雙向開關S3的功率輸入端與第一二極體箝位型逆變器I的第四功率開關Sia4的功率輸出端連接，雙向開關S3的功率輸出端與第二二極體箝位型逆變器2的第四功率開關Sia4的功率輸出端連接，第一二極體箝位型逆變器I的第六功率開關Sib2的功率輸出端與第二二極體箝位型逆變器2的第二功率開關Sia2的功率輸出端連接。
[0043]【具體實施方式】二:結合圖1說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的進一步限定:第一二極體箝位型逆變器I的直流電源Udc與第二二極體箝位型逆變器2的直流電源Udc具有相同的輸出電壓等級，第一二極體箝位型逆變器I的直流電源Udc與第二二極體箝位型逆變器2的直流電源Udc具有相同的功率等級。
[0044]【具體實施方式】三:結合圖1說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一或二所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的進一步限定:第一二極體箝位型逆變器I的第一直流電容Cn、第一二極體箝位型逆變器I的第二直流電容C12、第二二極體箝位型逆變器2的第一直流電容C11和第二二極體箝位型逆變器2的第二直流電容C12的電容均相同。
[0045]【具體實施方式】四:結合圖2說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一或二所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的進一步限定:所述的雙向開關S3包括第五二極體D31、第六二極體D32、第七二極體D33、第八二極體D34和全控型功率開關器件S31，所述第五二極體D31的正極與第六二極體D32的負極，所述第六二極體D32的正極同時連接第八二極體D34的正極和全控型功率開關器件S31的功率輸出端，所述第八二極體D34的負極連接第七二極體的正極，所述第七二極體的負極同時連接第五二極體D31的負極和全控型功率開關器件S31的功率輸入端，所述第七二極體D33與第八二極體D34的公共端為雙向開關S3的功率輸入端，所述第五二極體D31與第六二極體D32的公共端為雙向開關S3的功率輸出端。[0046]【具體實施方式】五:結合圖2說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一或二所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的進一步限定:所述的第一二極體箝位型逆變器I中，第一功率開關Siai包括三極體和二極體，所述三極體的集電極與二極體的負極連接，且所述三極體的集電極為第一功率開關Siai的功率輸入端，所述三極體的發射極與二極體的正極連接，且所述三極體的發射極為第一功率開關Siai的功率輸出端；所述的第二功率開關Sia2、第三功率開關Sia3、第四功率開關Sia4、第五功率開關Sib1、第六功率開關Sib2、第七功率開關Sib3和第八功率開關Sib4均與第一功率開關Siai具有相同的結構。
[0047]工作原理:在直流電源的輸出電壓較低(200?400V)時，雙向開關S3斷開，S1A1，S1A4, Sibi, Sib4, S2A1, S2A4，S2B1, S2b4閉合，兩個二極體箝位型逆變器轉化為標準的兩電平H橋逆變器，逆變器工作於級聯型逆變器模式，由於兩個等效的H橋逆變器輸出端串聯，從而將直流電源的輸出電壓進行疊加，提高逆變器的輸出電壓等級，拓展逆變器的工作下限；逆變器採用現有技術中的載波移相多電平正弦波脈寬調製策略，降低輸出電壓諧波，其等效逆變器電路如圖3所示。在直流電源的輸出電壓為中等電壓時(400?600V)，雙向開關S3閉合，兩個直流電源的負極連通，功率開關S皿，S1B2, S2A1, S2a2閉合，功率開關S1B3，S1B4, S2A3, S2a4斷開，從而兩個直流電源的正極連通，功率開關S1A1，S1A2, Sia3, Sia4, 二極體D1A1，D1A2，構成新的逆變器拓撲的左橋臂，功率開關S2B1，S2B2, S2B3, S2B4，二極體D2A1，D2a2,構成新的逆變器拓撲的右橋臂，為進一步降低各個功率開關的開關次數，S1A1, S1A4, S2B1, S2b4仍然閉合，從而切換為兩電平逆變器運行模式，採用現有技術中的兩電平正弦波脈寬調製策略，降低輸出電壓等級，由於功率開關的總次數變為原來的四分之一，因此開關損耗降低了 10%，其等效逆變器電路如圖4所示。在直流電壓接近功率開關的耐壓值(600?800V)時，功率開關S1A1，S1A2, Sia3，S1A4, S2B1, S2B2, S2B3, S2b4採用載波層疊多電平正弦波脈寬調製策略進行，切換為二極體箝位型逆變器模式，分割直流電源電壓，降低各個功率開關的耐壓值，從而提高逆變器的工作範圍，其等效逆變器電路如圖5所示。由此，通過適當的拓撲切換，在保證所述的逆變器的輸出電壓等級和輸出電壓諧波約束的前提下，採用單級式結構實現了較寬直流電源電壓輸入範圍的DC-AC的功率變換，同時有效降低了總開關損耗，系統工作效率提高了 10%。
[0048]採用MATLAB對本發明進行了初步仿真分析，仿真條件為直流電壓在200V到800V變化，帶動電阻-電感負載。圖6和圖7分別給出了三種模式的輸出電壓(即第一輸出端與第二輸出端之間的電壓)及電流波形圖，由圖可知，在級聯型逆變器模式，輸出電壓為三電平波形，在兩電平逆變器模式，輸出電壓為兩電平波形，在二極體箝位型逆變器模式，逆變器輸出電壓仍然為三電平，每個功率開關的耐壓值為每個直流電源電壓的一半。在整個工作範圍內，輸出電流均具有較好的正弦性。
【權利要求】
1.二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器，其特徵在於:它包括第一二極體箝位型逆變器(I)、第二二極體箝位型逆變器(2)和雙向開關S3 ； 所述第一二極體箝位型逆變器(I)包括第一功率開關Sia1、第二功率開關Sia2、第三功率開關Sia3、第四功率開關Sia4、第五功率開關Sib1、第六功率開關Sib2、第七功率開關Sib3、第八功率開關Sib4、第一二極體Dia1、第二二極體Dia2、第三二極體Dib1、第四二極體Dib2、第一直流電容Cn、第二直流電容C12和直流電源Udc ； 直流電源Udc的正極同時與第一功率開關Siai的功率輸入端、第一直流電容C11的輸入端和第五功率開關Sibi的功率輸入端連接，直流電源Udc的負極同時與第四功率開關Sia4的功率輸出端、第二直流電容C12的輸出端和第八功率開關Sib4的功率輸出端連接； 第一功率開關Siai的功率輸出端同時與第一二極體Diai的負極和第二功率開關Sia2的功率輸入端連接； 第二功率開關Sia2的功率輸出端與第三功率開關Sia3的功率輸入端連接，所述第二功率開關Sia2的功率輸出端與第三功率開關Sia3的功率輸入端的公共端為所述二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的第一輸出端； 第三功率開關Sia3的功率輸出端同時與第四功率開關Sia4的功率輸入端和第二二極體Dia2的正極連接； 第一直流電容C11的輸出端同時與第二直流電容C12的輸入端、第一二極體Diai的正極、第二二極體Dia2的負極、第三二極體Dibi的正極和第四二極體Dib2的負極連接； 第五功率開關Sibi的功率輸出端同時與第三二極體Dibi的負極和第六功率開關Sib2的功率輸入端連接； 第六功率開關Sib2的功率輸出端與第七功率開關Sib3的功率輸入端連接； 第七功率開關Sib3的功率輸出端同時與Sib4的功率輸入端和第四二極體Dib2的正極連接; 第二二極體箝位型逆變器(2)與第一二極體箝位型逆變器(I)具有相同的結構，第二二極體箝位型逆變器(2)的第六功率開關Sib2的功率輸出端為二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器的第二輸出端； 雙向開關S3的功率輸入端與第一二極體箝位型逆變器(I)的第四功率開關Sia4的功率輸出端連接，雙向開關S3的功率輸出端與第二二極體箝位型逆變器(2)的第四功率開關Sia4的功率輸出端連接，第一二極體箝位型逆變器(I)的第六功率開關Sib2的功率輸出端與第二二極體箝位型逆變器(2)的第二功率開關Sia2的功率輸出端連接。
2.根據權利要求1所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器，其特徵在於:第一二極體箝位型逆變器(I)的直流電源Ud。與第二二極體箝位型逆變器(2)的直流電源Ud。具有相同的輸出電壓等級，第一二極體箝位型逆變器(I)的直流電源Ud。與第二二極體箝位型逆變器(2)的直流電源Ud。具有相同的功率等級。
3.根據權利要求1或2所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器，其特徵在於:第一二極體箝位型逆變器(I)的第一直流電容Cu、第一二極體箝位型逆變器(I)的第二直流電容C12、第二二極體箝位型逆變器(2)的第一直流電容C11和第二二極體箝位型逆變器(2)的第二直流電容C12的電容均相同。
4.根據權利要求1或2所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器，其特徵在於:所述的雙向開關&包括第五二極體D31、第六二極體D32、第七二極體D33、第八二極體D34和全控型功率開關器件S31，所述第五二極體D31的正極與第六二極體D32的負極，所述第六二極體D32的正極同時連接第八二極體D34的正極和全控型功率開關器件S31的功率輸出端，所述第八二極體D34的負極連接第七二極體的正極，所述第七二極體的負極同時連接第五二極體D31的負極和全控型功率開關器件S31的功率輸入端，所述第七二極體D33與第八二極體D34的公共端為雙向開關S3的功率輸入端，所述第五二極體D31與第六二極體D32的公共端為雙向開關S3的功率輸出端。
5.根據權利要求1所述的二極體箝位型在線拓撲可切換逆變器，其特徵在於:所述的第一二極體箝位型逆變器(I)中，第一功率開關Siai包括三極體和二極體，所述三極體的集電極與二極體的負極連接，且所述三極體的集電極為第一功率開關Siai的功率輸入端，所述三極體的發射極與二極體的正極連接，且所述三極體的發射極為第一功率開關Siai的功率輸出端；所述的第二功率開關Sia2、第三功率開關Sia3、第四功率開關Sia4、第五功率開關S皿、第六功率開關Sib2、第七功率開關Sib3和第八功率開關Sib4均與第一功率開關Siai具有相同的結構。`
【文檔編號】H02M7/487GK103532422SQ201310530517
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2013年10月31日
【發明者】駱素華, 吳鳳江, 駱林松, 馮帆, 張陸捷 申請人:哈爾濱工業大學