本發(fā)明涉及電能變換領(lǐng)域，尤其是一種可擴(kuò)展為更多電平數(shù)輸出的既可實(shí)現(xiàn)升壓又可實(shí)現(xiàn)降壓的多電平逆變器。
背景技術(shù)：
：多電平逆變器通過改變自身的結(jié)構(gòu)來獲得更多的電平數(shù)輸出，同時(shí)其開關(guān)管所承受的電壓和電流應(yīng)力也有所改善。在開關(guān)管承受同樣的電壓電流等級(jí)以及工作在同樣的開關(guān)頻率的情況下，與兩電平逆變器相比，多電平逆變器的輸出電壓更接近于正弦波，諧波特性更好。因此，在大功率應(yīng)用場合，多電平逆變器受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。主要應(yīng)用范圍包括高壓大功率的變頻調(diào)速、電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償以及有源濾波器裝置等。隨著新能源發(fā)電的不斷發(fā)展，電力生產(chǎn)不只集中在發(fā)電廠或發(fā)電站，還包括一些可再生能源的發(fā)電場合，如：風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、小型水電站以及地?zé)岚l(fā)電。將多電平逆變器應(yīng)用于這些新能源發(fā)電的大中功率場合可以進(jìn)一步減小諧波畸變率、提高波形質(zhì)量，有著很好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)型多電平逆變裝置主要包括二極管鉗位型、級(jí)聯(lián)型和飛跨電容型多電平逆變器及其衍生拓?fù)?，相關(guān)研究已經(jīng)非常成熟，其應(yīng)用也很廣泛。但傳統(tǒng)電壓型多電平逆變器拓?fù)淠孀儌?cè)輸出交流電壓低于直流側(cè)輸入電壓，即呈降壓輸出狀態(tài)；在新能源發(fā)電領(lǐng)域，如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等，其輸入側(cè)受外界環(huán)境如風(fēng)力強(qiáng)度、光照強(qiáng)度以及電池表面溫度等因素影響，輸入電壓變化比較大，而輸出側(cè)無論是并網(wǎng)還是接負(fù)載均需要比較穩(wěn)定的交流輸出。這一特性使得多電平逆變器在新能源場合的應(yīng)用受到了限制。使用傳統(tǒng)型多電平逆變器便不再滿足可升降壓從而產(chǎn)生比較穩(wěn)定的交流輸出這一要求。顯然，能夠直接實(shí)現(xiàn)可升降壓有較強(qiáng)抗輸入擾動(dòng)能力的多電平方案更加符合大功率新能源和可再生能源發(fā)電技術(shù)的需要。本專利所提出的一種基于Zeta的升降壓型多電平逆變器正是滿足上述需求的一種新型逆變方案。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的在于提供一種可擴(kuò)展為更多電平數(shù)輸出、適用不同功率等級(jí)、提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率、電路結(jié)構(gòu)簡單、無需電解電容的基于Zeta的升降壓型三電平逆變器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案：本發(fā)明主要包括直流電源Uin、第一功率開關(guān)管S1、第二功率開關(guān)管S2、第三功率開關(guān)管S3、第四功率開關(guān)管S4、第一二極管D1、第二二極管D2、第一電感L1、第二電感L2、第三電感Lf、第一電容C1、第二電容Cf、負(fù)載R；第一電感L1上端分別與第二電感L2下端、第一電容C1左端、直流電源Uin“+”端連接；第一電感L1下端與第一二極管D1陽極連接，第一二極管D1陰極與第一功率開關(guān)管S1的集電極連接，第一功率開關(guān)管S1發(fā)射極與直流電源Uin“-”端連接；第二電感L2上端與第二二極管D2陽極連接，第二二極管D2陰極與第二功率開關(guān)管S2的集電極連接，第二功率開關(guān)管S2發(fā)射極與直流電源Uin“-”端連接；第一電容C1右端與第三功率開關(guān)管S3集電極、第四功率開關(guān)管S4集電極分別連接；第三功率開關(guān)管S3發(fā)射極與第一二極管D1陰極、第二電容Cf下端、負(fù)載R下端分別連接；第四功率開關(guān)管S4發(fā)射極與第二二極管D2陰極和第三電感Lf左端連接；第三電感Lf右端與第二電容Cf上端、負(fù)載R上端分別連接。進(jìn)一步的，所屬逆變器電路可擴(kuò)展為5電平以上的任意奇數(shù)倍電平的多電平逆變器。進(jìn)一步的，所述三電平逆變器及其擴(kuò)展的多電平逆變器，直流電源Uin是可波動(dòng)的電源，可低于也可高于輸出交流電壓峰值。拓?fù)渲须娙葜恍枞葜递^小的非電解電容，無需外加電路給電容提前充電，體積小，可靠性高，使用壽命長。該逆變器為單級(jí)結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)管S3和開關(guān)管S4的反并聯(lián)二極管自動(dòng)實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，逆變效率高，且由于兩個(gè)二極管的加入儲(chǔ)能電感只能向輸出側(cè)單向提供能量，符合光伏電池，風(fēng)力發(fā)電等新型直流電源場合。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、兼具Zeta電路的特性，可實(shí)現(xiàn)升降壓逆變功能，Zeta電路中的電路參數(shù)選取原則可以移植到本逆變器中，電路參數(shù)選取較為簡單，便于設(shè)計(jì)；2、只采用了四個(gè)功率開關(guān)器件，在高頻工作的功率開關(guān)管無橋臂直通問題，因此不需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，易于實(shí)現(xiàn)電路的高頻化；3、電感電流通過功率開關(guān)管的體二極管續(xù)流，減少了電路元件數(shù)量，使得電路結(jié)構(gòu)簡單；4、電感、電容參數(shù)小，三電平逆變電路中無電解電容，使得電路工作可靠，增加了電路的工作壽命；5、可繼續(xù)擴(kuò)展為更多電平數(shù)輸出的電路，這種逆變器的輸出波形具有更好的諧波頻譜，每個(gè)開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力較小，開關(guān)損耗小，使其可以應(yīng)用在高壓大功率場合；6、可擴(kuò)展為三相分相式電壓型多電平逆變器，使其可以應(yīng)用在大功率場合；7、采用單閉環(huán)輸出電壓控制的方法，結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，跟蹤性能好，對(duì)電源及負(fù)載的波動(dòng)具有較強(qiáng)的抑制能力。附圖說明圖1是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明工作模態(tài)I的示意圖。圖3是本發(fā)明工作模態(tài)II的示意圖。圖4是本發(fā)明工作模態(tài)III的示意圖。圖5是本發(fā)明工作模態(tài)IV的示意圖。圖6是本發(fā)明中各個(gè)功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形示意圖。圖7是本發(fā)明各電感電流、電容電壓、輸出三電平和輸出電壓波形圖。圖8是本發(fā)明的控制電路原理圖。圖9是本發(fā)明擴(kuò)展到五電平輸出電路再擴(kuò)展到多電平結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是本發(fā)明輸出五電平波形和輸出電壓波形圖。圖11是本發(fā)明擴(kuò)展到三相多電平逆變器的主電路圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：如圖1所示，本發(fā)明主要包括直流電源Uin、第一功率開關(guān)管S1、第二功率開關(guān)管S2、第三功率開關(guān)管S3、第四功率開關(guān)管S4、第一二極管D1、第二二極管D2、第一電感L1、第二電感L2、第三電感Lf、第一電容C1、第二電容Cf、負(fù)載R；第一電感L1上端分別與第二電感L2下端、第一電容C1左端、直流電源Uin“+”端連接；第一電感L1下端與第一二極管D1陽極連接，第一二極管D1陰極與第一功率開關(guān)管S1的集電極連接，第一功率開關(guān)管S1發(fā)射極與直流電源Uin“-”端連接；第二電感L2上端與第二二極管D2陽極連接，第二二極管D2陰極與第二功率開關(guān)管S2的集電極連接，第二功率開關(guān)管S2發(fā)射極與直流電源Uin“-”端連接；第一電容C1右端與第三功率開關(guān)管S3集電極、第四功率開關(guān)管S4集電極分別連接；第三功率開關(guān)管S3發(fā)射極與第一二極管D1陰極、第二電容Cf下端、負(fù)載R下端分別連接；第四功率開關(guān)管S4發(fā)射極與第二二極管D2陰極和第三電感Lf左端連接；第三電感Lf右端與第二電容Cf上端、負(fù)載R上端分別連接。本發(fā)明采用輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)的組合方式，該逆變器包含兩個(gè)改進(jìn)型Zeta電路單元，兩個(gè)Zeta電路共用中間儲(chǔ)能電容，輸出濾波電感和濾波電容。工作時(shí)該電路的第一功率開關(guān)管S1、第二功率開關(guān)管S2分別工作于正弦波的正半周期和負(fù)半周期。第三功率開關(guān)管S3和第四功率開關(guān)管S4采用半周期常關(guān)(開)的工作方式，減小了開關(guān)損耗。第一電感L1、第二電感L2續(xù)流時(shí)分別通過第三功率開關(guān)管S3和第四功率開關(guān)管S4的體二極管，減少了器件數(shù)量，使得電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。電路工作時(shí)，任意時(shí)刻只有一個(gè)Zeta電路工作，所以對(duì)逆變器的分析可簡化為對(duì)單個(gè)Zeta電路的分析。為簡化分析做如下假設(shè)：(1)電路中所有元件都為理想器件；(2)變換器工作于穩(wěn)定狀態(tài)。令第一功率開關(guān)管S1開通時(shí)間與開關(guān)周期的比為占空比d，則該逆變器存在如下關(guān)系：在0～dT時(shí)，第一功率開關(guān)管S1開通：在dT～T時(shí)，第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷：其中iL1為流過儲(chǔ)能電感L1電流，iLf為流過濾波電感Lf電流，Uin為直流輸入電壓，UC1為儲(chǔ)能電容C1兩端電壓，UCf為濾波電容Cf兩端電壓，所以UCf等于輸出電壓Uo；由式(1)和式(2)可得在0～dT時(shí)間段內(nèi)流過儲(chǔ)能電感L1的電流變化量為：流過濾波電感Lf的電流變換量為：由式(3)和式(4)可得在dT～T時(shí)間段內(nèi)流過儲(chǔ)能電感L1的電流變化量為：流過濾波電感Lf的電流變換量為：由于電感電流在一個(gè)開關(guān)周期的變化量為零，所以有：Δ1IL1+Δ2IL1＝0(9)Δ1ILf+Δ2ILf＝0(10)因?yàn)槟孀兤饔蓛蓚€(gè)改進(jìn)型Zeta組合而成，每個(gè)Zeta輸出正弦半波，其輸出電壓瞬時(shí)值變化范圍特別大(最小為零，最大為峰值)這使得Zeta變換器半個(gè)調(diào)制波周期必然經(jīng)歷電感電流斷續(xù)狀態(tài)，因此本拓?fù)浼尤雰蓚€(gè)二極管實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)電感與輸出側(cè)電感的解耦，使即使輸入側(cè)電感電流斷續(xù)但輸出側(cè)電感電流仍可以連續(xù)，從而減小輸出電壓的過零畸變，提高輸出波形的THD，現(xiàn)在假設(shè)在占空比最大時(shí)電感電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)，此時(shí)的調(diào)制比為m，把式(5)和式(7)代入式(9)，把式(6)和式(8)代入式(10)得：Vc1＝Vom(11)Vin*m＝Vc1(1-m)(12)由式(11)和式(12)可得：在0～dT時(shí)，第一功率開關(guān)管S1開通，第一電容C1變化量為：令第一電容C1電壓紋波為：則由式(14)，(15)得：輸入電壓200V，由式(11)可看出，中間儲(chǔ)能電容電壓等于輸出電壓幅值，即儲(chǔ)能電容C1的電壓為恒定值，由式(16)可以算出取紋波系數(shù)為0.04電容值為15uF，功率1000W，調(diào)制比0.61，輸出電壓幅值為311V，負(fù)載48.4歐姆。由表1可以算出不同額定功率下的電容C1值均比較小，可以用無極性的CBB電容代替電解電容，減小了電路的體積，提高了電路的功率密度。由式(13)可以看出通過改變調(diào)制比，輸出電壓既可以高于輸入電壓又可以低于輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了升降壓逆變。表1幾組不同額定功率下的電容值由于功率開關(guān)管S1、S2為SPWM調(diào)制，所以儲(chǔ)能電感L1、L2的電流波形包絡(luò)線也為正弦半波；儲(chǔ)能電容電壓與儲(chǔ)能電感電流波形如圖7所示。該逆變器輸出為正弦交流電壓，輸出濾波器只需濾除開關(guān)頻率處的高次諧波既可得到高質(zhì)量的正弦波輸出電壓，即輸出LC濾波器只需很小的參數(shù)既可達(dá)到濾波目的。所以該逆變器電路中無電解電容，提高了逆變器工作可靠性，曾加了逆變器工作壽命。該電路的控制方案也比較簡單，采用傳統(tǒng)的單閉環(huán)輸出電壓控制方案，使逆變器在輸入電源電壓波動(dòng)較大時(shí)由于中間電容電壓不能突變，使電路仍能得到質(zhì)量較好的輸出電壓。雙Zeta升降壓逆變器在輸出電壓Uo大于零的正半周，第一Zeta電路(1)工作，第二Zeta電路(2)不工作，第二功率開關(guān)管S2關(guān)斷，第四功率開關(guān)管S4閉合。此時(shí)電路包括兩個(gè)工作模態(tài)：工作模態(tài)I如圖2所示，功率開關(guān)管S1和S4閉合，S2和S3關(guān)斷，電源給L1充電，L1的電流iL1線性上升，電源Uin和電容C1通過負(fù)載、Cf、Lf和開關(guān)S4組成閉合回路，給負(fù)載放電，Lf的電流iLf上升。工作模態(tài)II如圖3所示，功率開關(guān)管S1、S2關(guān)斷，S3體二極管導(dǎo)通，S4閉合，iL1給C1充電，電流從S3體二極管續(xù)流，iLo流過負(fù)載并通過S4和S3體二極管續(xù)流。在輸出電壓Uo小于零的負(fù)半周，第二Zeta電路(2)工作，第一Zeta電路(1)不工作，功率開關(guān)管S1保持關(guān)斷，S3開通。此時(shí)電路也包括兩個(gè)工作模態(tài)：工作模態(tài)III如圖4所示，功率開關(guān)管S2和S3開通，S1和S4關(guān)斷，電源給L2充電，L2電流iL2線性上升，電源Uin和電容C1通過負(fù)載、Cf、Lf和開關(guān)S4組成閉合回路，給負(fù)載放電，Lf的電流iLf上升。工作模態(tài)IV如圖5所示，功率開關(guān)管S1、S2關(guān)斷，S4體二極管導(dǎo)通，S3閉合，iL2給C1充電，電流從S4體二極管續(xù)流，iLf流過負(fù)載并通過S3和S4體二極管續(xù)流。以上四個(gè)工作模態(tài)可用表2來表示，功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形如附圖6所示，電路關(guān)鍵波形如附圖7所示。表2雙Zeta升降壓逆變器的功率管開關(guān)組合狀態(tài)UoS1S2S3S4對(duì)應(yīng)附圖>01001圖2>00001圖3<00110圖4<00010圖5為實(shí)現(xiàn)以上工作原理，采用控制方案如圖8所示：本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)逆變功能采用的是電壓單閉環(huán)控制，選取輸出電壓作為反饋電壓，乘以一定系數(shù)后與給定電壓Uref相比較，誤差值經(jīng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后與三角波比較產(chǎn)生脈沖信號(hào)決定S1和S2的開通與關(guān)斷，另外，S3和S4的開通關(guān)斷時(shí)刻由脈沖直接給出，控制其分別半周期導(dǎo)通，保持半個(gè)正弦波周期的常開常關(guān)，相互互補(bǔ)，控制的效果使得輸出電壓大于零時(shí)，開關(guān)管S4常開，S2、S3關(guān)斷，S1調(diào)制工作；在電壓小于零的負(fù)半周，開關(guān)管S3常開，S1、S4關(guān)斷，S2調(diào)制工作。本發(fā)明電路可繼續(xù)擴(kuò)展為更多電平數(shù)輸出的電路如圖9所示，這種逆變器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、傳輸頻帶寬、電磁兼容性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。其輸出波形如圖10所示具有更好的諧波頻譜，每個(gè)開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力較小，開關(guān)損耗小，可以適用在高壓，大功率場合。另外，本發(fā)明電路也可以擴(kuò)展得到三相多電平逆變器，由此方法擴(kuò)展得到的三相拓?fù)浔环Q為三相分相式電壓型多電平逆變器。如圖11所示，該拓?fù)溆?個(gè)獨(dú)立的基于Zeta的升降壓型多電平逆變器單元構(gòu)成，負(fù)載端采用帶有中性線的星型連接，由于中性線的存在，各個(gè)單元的控制相對(duì)獨(dú)立。以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3