單級可升壓逆變器的製作方法

2024-03-03 12:03:15 2

專利名稱：單級可升壓逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型單級可升壓逆變器，尤其適合直流母線需由低壓升壓供 電的電機驅動系統場合和適應較大輸入電壓變化範圍的新能源發電逆變場合。
背景技術：
傳統的電壓源逆變器輸入直流電壓輸出交流電壓，應用非常廣闊。電壓源逆 變器的輸入直流電壓可以由電網或旋轉交流電機經整流濾波得到，也可由蓄電 池、燃料電池或光伏電池得到，分別對應一般工業應用場合(如變頻器)，電動 車、可再生能源分布式發電等場合。在電壓源逆變器中，由於輸入直流電壓的緣 故，功率半導體器件總是保持正向偏置，因此採用自控型正嚮導通器件，如IGBT、
PowerMOSFET等，為了使逆變器的開關具有自由的方向電流，往往在自關斷器 件上反並聯一個續流二極體。電壓源逆變器的一個重要特點就是輸出交流電壓波 形不受負載參數的影響。採用電壓源逆變器的一般結構包含二極體整流器的前端 (交流供電)或直流電源，直流環節電容器和逆變橋，如附圖1所示。通常這 種電壓源逆變器存在下列局限或不足。
(1) 交流負載必須為電感性或與交流電源連接不得不串聯電感，才能使電 壓源逆變器能夠正常工作。
(2) 交流輸出電壓被限制只能低於而不能超過直流母線電壓，因此，對於 DC/AC功率變換，傳統電壓源逆變器是一個降壓式逆變器。對於直流電壓較低， 需要較高的交流輸出電壓的DC/AC功率變換場合，需要一個額外的DC/DC升 壓式變換器，這個額外的功率變換級增加了系統的成本，降低了變換效率。
(3) 每個橋臂的上、下器件不能同時導通，不管是有意為之，還是因為電 磁幹擾造成的，否則，會發生直通短路，損壞器件。由電磁幹擾造成的誤觸發導 致的直通問題是變換器可靠性的主要殺手。
在一些特定的電機控制及電能變換的應用場合，正是由於存在以上不足，普 通的電壓源逆變器恰是實現系統功能的瓶頸，制約了相關技術的發展與進步。如 在電動汽車與混合動力汽車的電力驅動系統中，直流電壓一般由蓄電池電壓決 定，所以驅動電機的恆轉矩輸出的轉速範圍決定於電池電壓，進一步升速，則進 入恆功率範圍，車輛的加速能力將下降，若要改善高速操控性能，驅動逆變器的 直流電壓能進行升壓調節，則能有效地提升車輛的操控性能。在日新月異發展的 軌道交通電力牽引領域，也同樣存在類似的問題，電力牽引的供電電壓常會產生 較大的波動，特別是有較大的跌落，這對正常行駛的高速運行的車輛牽引出力有 影響，如果能使逆變器具有母線電壓自行調節功能，將會大大提升行駛的穩定性。 下面以可再生能源分布式發電為背景介紹併網逆變系統的技術現狀。 風能發電機、太陽能光電池和燃料電池堆等再生能源發電系統在轉化能量時 依賴的因素較多，因此所有分布式發電電能都有著輸出電壓變化範圍大的特性， 而用電負載或併網均要求分布式發電系統輸出相對穩定的電壓。所以，分布式電 能發電裝置對電力電子技術變換裝置的要求是在寬功率範圍內高效運行；能適
應較大範圍輸入電壓變化，恆壓輸出；電力電子技術變換裝置要能對其進行有效
控制來實現高效的運行等。針對分布式電能輸入功率與輸出電壓變化範圍大的特
性，以風力發電為例，系統中的變換電路多採用帶Boost變換器的電壓型併網逆 變器。如附圖2所示為傳統的帶有DC/DC升壓變換器的風力發電併網逆變系統。 其中，電壓型逆變器將直流電能逆變並傳輸到電網，Boost變換器將風力發電機輸出整流得較低且波動較大的電壓進行穩壓滿足併網逆變器的交直流電壓變比 關係。但是，這種拓撲在電壓型併網逆變器前插入一級Boost升壓斬波電路，增 加了系統的成本，並且電壓型逆變器本身的前述不足並沒有克服。太陽能光伏電 池的電力電子控制發電併網裝置的拓撲通常也與風力發電類似。燃料電池的輸出 電壓隨負載的加大而減小，外特性較軟。因此，研究一種拓撲簡單、效率高、可 靠性高的適應較大輸入電壓變化範圍的逆變器意義重大。
2002年提出了一種Z源電壓型逆變器(Z-Source Inverter),是一種新的逆變 器拓撲。Z源變換器在綠色能源、電力傳動等方面有很好的應用前景，特別是適 合用作為可再生能源分布式發電中逆變器的拓撲。而且Z源逆變器用於燃料電 池供電的電力傳動系統中開關管的功率在低升壓因子時要比傳統電壓型逆變器 和基於boost變換器的逆變器低，效率要高。同樣以風力發電為例，附圖3示出 了電壓型Z源逆變器在風力發電系統中應用的系統電路結構圖，與附圖2相比， 省去了 DC-DC升壓電路。
Z源逆變器引進了一個Z源網絡，附圖3中的虛線框中所示，將逆變器的主 電路與電源耦合，該Z源網絡的引進，可以克服上述傳統電壓型逆變器的不足。 對於Z源逆變器工作原理的相關研究已有多個文獻報導，其最大的特點是可以 對逆變橋的直流母線電壓進行調節，即Z源逆變器可以將直流電容器的電壓升 高到大於整流器平均直流電壓的期望值。當輸入電壓跌落或負載需要較高電壓 時，運用傳統電壓型逆變器所沒有的"直通零矢量"狀態，可以實現輸出電壓的 升高。所謂"直通零矢量"，就是在逆變器輸出零矢量狀態中，控制逆變橋的上 下功率管直通，使電感電流增長。因"直通零矢量"仍屬於零矢量，對逆變器調 制PWM輸出沒有影響。當退出直通零矢量時，電感將原先儲存的能量釋放使得 直流母線電壓增長。以較低的輸入電壓，得到期望的逆變器直流母線電壓。當然， 實際應用中，逆變器母線電壓是根據需要進行高低調節變化的，調節機理在本申 請中不再贅述。最重要的一點是"直通零矢量"不影響逆變器的零矢量狀態的輸 出，也就是逆變器的負載PWM電壓不變，輸出電壓不受影響。與傳統電壓源逆 變器相比，Z源逆變器的特點
(1) 產生任意期望的輸出交流電壓，特別是比輸入電壓高的電壓；
(2) 提供電壓跌落時的度越能力，不需另外的電路；
(3) 能減少浪湧和諧波電流；
(4) 不怕直通故障，相反是其加以利用的一種工作狀態。
z源逆變器的突出優點可以有效地調節逆變器直流母線電壓的大小，克服了
普通電壓源逆變器的不足，但是這種逆變器也存在如下不足
(1)由於增加了一個z源網絡，是一個包含了電感、電容的二埠網絡，
在一定條件下，z源網絡的電感和電容器會發生諧振，在設計和控制z源逆變器 時必須考慮避免諧振的策略， 一旦發生諧振，將影響電路正常工作。由於起動時
電容電壓為o,起動時有較大的起動衝擊電流，並且在啟動過程中很容易引起諧 振，產生很大的衝擊電流和衝擊電壓，有可能損壞逆變器。(2)逆變橋母線電壓
為電容電壓減去電感壓降，母線電壓低於電容電壓，不能充分利用電容的電壓等 級，如果是高壓應用場合，需要高壓電容，體積較大。並且當電感電流斷續或方
向改變時，z源逆變器拓撲的逆變橋直流母線電壓因電感電流的大小及方向變化
以及是否斷續而變化很大。電壓將有跌落，逆變器的調製算法必須考慮電壓變化
的影響，使得逆變器控制的複雜程度增加。(3)要求兩隻電容元件對稱，電容故 障對這種系統電路是災難性的。(4) Z源逆變器應用於電力傳動控制，不易順利實現能量回饋，實現四象限運行。當發生能量回饋時，兩隻電感電流方向需要改 變方向，需增加另外的旁路來提供兩個電感的快速回饋通道。
在當前全球能源供應日益緊張的背景下，可再生能源分布式發電的控制與變 換、交流起動機控制、電動汽車驅動、新型起動發電技術等等，都離不開電力電 子逆變技術。因此，開發新型、高效、高可靠的升壓逆變技術，具有很大的現實 意義。

發明內容
1、 發明目的本發明的目的是提出一種拓撲簡單、效率高、可靠性高的適 合直流母線需由低壓升壓供電和適應較大輸入電壓變化範圍的單級可升壓逆變 器拓撲及其控制技術。
2、 技術方案在電力電子發展的三十餘年間，逆變技術一般都基於兩種傳 統的逆變電路電壓源逆變器與電流源逆變器，中小功率逆變系統一般採用電壓源 逆變器，傳統的逆變器結構是如此簡單，以致人們一直對之習以為常，直到z 源逆變器的提出。為了更好地適應前述場合對逆變技術的要求，本申請提出了一 種新型單級可升壓逆變電路，如附圖4所示為新型單級可升壓逆變器的主電路拓 撲，此電路除傳統電壓型逆變器三相開關橋(B)夕卜，增加了一隻由電感(Ll、 L2)組成的緊耦合電感，電感(Ll)的一端與直流電源正相連接，另一端串聯 一隻反向阻斷二極體(D)，連接到電感(L2)的一端並和逆變橋(B)的直流母 線正端連接，電感(L2)的另一端與電容(C)正極相串聯，電容(C)負極與 逆變橋(B)的直流母線負端相連，再連接到電源負極。若需能量反饋通道，阻 斷二極體(D)並聯開關管(T)(若無需能量回饋可省去)，逆變橋可以為三相 也可以為單相，分別對應三相應用和單相應用。
該電路對逆變器直流母線電壓控制方式採用了與Z源逆變器相近的思想，利 用了傳統電壓源逆變器所不允許的三相逆變橋上下開關管的直通這一獨特的"直 通零矢量"狀態，調節其作用時間，實現了逆變器輸入側直流母線電壓的可控提 升，從而逆變輸出期望的交流電壓。耦合電感(L1與L2)設計成緊耦合，若需 較高的升壓能力則電感(Ll)線圈匝數要比電感(L2)少。當在直通零矢量狀 態時，直流母線電壓為零，此時直流電壓源(Vs)向耦合電感(Ll)充電，由 於(Ll)感值較小所以流過(Ll)的充電電流迅速增加，電感(Ll)儲能，同 時耦合電感(L2)的感應電勢高過電容(C)電壓，(L2)通過耦合作用給電容 充電。當在非直通零矢量狀態時，由於耦合電感緊耦合，電感(Ll)上電流瞬 間降為零，(Ll)上的能量瞬間以磁場能的形式轉移到(L2)上釋放，此時釋放 的能量向負載供電，逆變器直流母線電壓為電感(L2)電壓與電容(C)電壓疊 加，使得逆變器輸入側直流母線電壓得到提升，這種較高升壓應用特點是耦合電 感(Ll)匝數少於(L2)， (Ll)工作電流為斷續方式。若應用於較低升壓應用 場合，耦合電感(Ll、 L2)設計成匝數相等或(L2)匝數少於(Ll)， Ll電流 為連續方式，直通零矢量時，(Ll)儲能，(L2)由電容(C)放電儲能，非直通 矢量時，(Ll)供給逆變器和補足電容(C)的放電消耗。這裡需說明直通零矢 量是在傳統零矢量中注入的，且直通零矢量與傳統零矢量對負載的作用效果是等 效的'都是使負載短路，自然續流，所以注入的直通零矢量對逆變器交流輸出電 壓沒有任何影響，這在Z源逆變器中有充分的分析。
利用Saber軟體對此拓撲進行仿真給出工作波形，模擬一風力發電機在弱風 下輸出較低的電壓(已整流為直流)，逆變工頻交流電恆壓輸出。仿真條件輸 入直流電壓源(Vs=220V),要求逆變輸出50Hz380V三相交流電，逆變器開關頻率(fs=5KHz)，調製度(M=0,8)，直通佔空比(D=0.2)，三相對稱竺感負載 I Z I =20歐姆，功率因數0.9，耦合電感(Ll=100uH， L2=960uH)，採用三相 直通簡單升壓控制，新型單級可升壓逆變器部分工作波形如附圖5、附圖6所示， 附圖5中逆變輸出交流側線電壓(波形1)，線電流(波形2)，直流母線電壓(波 形3)，波形1和波形2看起來是密集的離散波。將時軸展開，由附圖6可以看 出直通零矢量作用期間和非作用期間的電感電流及逆變橋母線電壓的波形。附圖 6之波形1為直通零矢量作用信號，波形2為電感(L2)電流波形，波形3為電 感(Ll)波形，波形4為逆變橋直流母線電壓波形。在插入直通零矢量後，電 感(LO電流迅速增加，通過耦合作用，(L2)電感電流迅速減小並改變方向， 給電容充電；直通零矢量作用結束後，(Ll)電流迅速降為零，通過耦合作用，
(Ll)的電磁能轉移至(L2)， (L2)電流從給電容充電變為與之一起為逆變橋 供電，直流母線電壓為電感電壓加電容電壓，由輸入側的220V提升到679V， 升壓效果明顯，順利進行了 380V三相交流電的逆變，負載電流正弦度很好。
3、有益效果本發明提出了一種新型單級可升壓逆變電路，利用耦合電感 做能量傳輸元件用，實現大壓差電能轉移傳遞，正如上述工作原理分析。此新型 單級可升壓逆變器拓撲僅使用一級變換電路，巧妙的運用傳統逆變器所不允許的 直通零矢量使得逆變器直流母線電壓得到提升，能克服傳統電壓型逆變器的不 足，實現對母線電壓的調節，適合應用於需要寬功率範圍內適應較大輸入電壓變 化的場合，而且不怕電磁幹擾造成的直通，避免了由死區導致的輸出電流波形畸 變，而且注入的直通零矢量也不影響交流輸出電壓。與傳統的DC/DC+DC/AC 變換器相比減少了開關管數目，減少了一級額外升壓電路，電路拓撲大為簡化， 降低了逆變器控制的複雜性，而且此拓撲與傳統電壓源逆變器和DC/DC+DC/AC 變換器相比在同等工作條件下開關器件功率(SDP)要小，效率要高。
此拓撲與Z源逆變器不同之處是僅用一隻耦合電感和一隻電容，依靠耦合電 感儲能並轉移泵升電壓，並可靈活地配置耦合電感匝比滿足不同應用的升壓要 求，具有其突出優勢。首先，在電路結構上比Z源電路大為簡化，不存在電感 電容高度對稱的問題，對拓撲本身的結構要求大為減小，且在緊耦合前提下通過 適當調整耦合電感匝數和直通佔空比達到更好的升壓效果，而Z源逆變器的直 流母線電壓只跟直通佔空比有關且會因為電感電流的斷續影響系統的正常工作； 其次，本拓撲的逆變橋母線電壓為電容電壓加上電感(L2)電壓，母線電壓高於電 容電壓，充分利用了電容的電壓等級；再次，此拓撲的起動初始電容上的起動衝 擊電流要比Z源逆變器小的多，且加入的阻斷二極體避免引起振蕩；最後，將 此拓撲應用於電力傳動系統，僅加入一個開關管即可實現能量回饋，要比Z源 逆變器更容易實現能量回饋，實現四象限運行。
此新型單級可升壓逆變器拓撲由於耦合電感的插入，不怕電磁幹擾造成的直 通，逆變時也可不插入死區，避免了由死區導致的輸出電流波形畸變。


圖1傳統V-源逆變器
圖2傳統的帶有DC/DC升壓變換器的風電併網逆變系統
圖3用於風力發電系統的Z源併網逆變器
圖4本發明新型單級可升壓逆變器的結構示意圖
圖5直流母線電壓、輸出線電壓、線電流仿真波形
圖6直流母線電壓、緊耦合電感(L1、 L2)電流展開波形
具體實施例方式
如附圖4所示，本發明新型單級可升壓逆變器拓撲除傳統電壓型逆變器三相 開關橋(B)夕卜，增加了一隻由電感(Ll、 L2)組成的緊耦合電感(其同名端標 注於圖中)，電容(C)，阻斷二極體(D)，和能量反饋通道用的開關管(T)(若 無需能量回饋可省去)。電感(Ll)的一端與直流電源正相連接，另一端串聯反 向阻斷二極體(D)後，連接到電感(L2)的一端並和逆變橋(B)的直流母線 正端連接，電感(L2)的另一端與電容(C)正極相串聯，電容(C)負極與逆 變橋(B)的直流母線負端相連，再連接到電源負極。逆變橋可以為三相也可以 為單相，分別對應三相應用和單相應用。如果逆變器的直流母線電壓不要大的抬 升，如只是補償一下像燃料電池那樣的較軟的外特性造成的電壓下降，兩隻耦合 電感的感值可取相近，電感Ll電流可以工作在連續狀態，二極體(D)也可省 去，通過調節直通零矢量時間來調節母線電壓。如果逆變器直流母線電壓升壓要 求較高，大大高於輸入電源電壓，則電感(Ll)電流設計成斷續工作方式，匝 數小於(L2)，通過適當的調整直通零矢量時間和耦合電感(Ll、 L2)匝數的設 計可以達到所需要的升壓效果。利用耦合電感做能量傳輸元件用，實現大壓差電 能轉移傳遞。在較高升壓應用中，與電感(L2)串聯的二極體(D)是必須的， 防止高電壓的逆變器直流母線電流回灌，母線電壓下跌。如果串聯了二極體(D)， 則向電源回饋能量時就要增加旁路的功率開關(T)，可實現能量回饋至電源。 能量回饋時，不再需用"直通零矢量"，逆變橋的直流電壓由回饋電能支撐。回 饋功率開關(T) PWM方式工作，這時可看作類似"Buck"電路的工況，關斷 時給(L2)及電容(C)儲能，導通時放電，以脈衝方式回饋(當然也可以在(Ll) 右端與母線負極間增加一隻反向續流二極體，使電流連續)。有能量回饋通道， 使得該電路方便應用於需四象限運行的電力拖動系統。
權利要求
1、一種新型單級可升壓逆變器拓撲，其特徵在於，它包括一隻由電感(L1、L2)組成的緊耦合電感，電感(L1)的一端與直流電源正相連接，另一端串聯一隻反向阻斷二極體(D)，連接到電感(L2)的一端並和逆變橋(B)的直流母線正端連接，電感(L2)的另一端與電容(C)正極相串聯，電容(C)負極與逆變橋(B)的直流母線負端相連，再連接到電源負極。若需能量反饋通道，阻斷二極體(D)並聯開關管(T)(若無需能量回饋可省去)，逆變橋可以為三相也可以為單相，分別對應三相應用和單相應用。
2、 在權利要求1拓撲的基礎上，單級可升壓逆變器可實現逆變器直流母線電壓 在有效電壓矢量狀態對應的電壓高於輸入直流電壓(Vs)，升壓原理特徵在於 利用逆變器的零矢量狀態，使逆變器(B)的橋臂上下開關管直通，使電感(Ll) 儲能，在非直通時，電感儲能放電，逆變器直流母線電壓為電感(L2)電壓與 電容(C)電壓疊加，使得逆變器直流母線電壓得到提升，從而獲得提升的逆變 電壓。
3、 在權利要求2的基礎上，達到所需要的升壓效果的特徵是通過控制直通零 矢量作用時間和緊耦合電感(Ll、 L2)匝數比的設計。
全文摘要
一種新型單級可升壓逆變電路，拓撲見附圖。此電路除傳統電壓型逆變器三相開關橋(B)外，增加了一隻由電感(L1、L2)組成的緊耦合電感，電容(C)，阻斷二極體(D)，和能量反饋通道用的開關管(T)(若無需能量回饋可省去)。該電路對逆變器直流母線電壓升壓控制方式利用了三相逆變橋零矢量期間發出上下開關管的直通的所謂「直通零矢量」狀態，調節其作用時間，實現了逆變器輸入側直流母線電壓的可控提升。電感(L1與L2)設計成緊耦合，當在直通零矢量狀態時，逆變器直通，直流電壓源(Vs)向耦合電感(L1)充電。當在非直通零矢量狀態時，電感能量釋放，向逆變器(B)直流母線供電，逆變器直流母線電壓為電感(L2)電壓與電容(C)電壓疊加，使得逆變器直流母線電壓得到提升，從而獲得提升的逆變電壓。
文檔編號H02J3/38GK101599710SQ200910181639
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月24日 優先權日2009年7月24日
發明者奇 楊, 胡育文, 黃文新 申請人:南京航空航天大學