专利名称：单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器的制作方法
单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器技术领域
本发明所涉及的一种单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器，属电力电子技术。
背景技术：
逆变器是应用功率半导体器件将直流电变换成交流电的一种静止变流装置，供交流负载使用或与交流电网并网发电。
由于石油、煤和天然气等化石能源(不可再生能源)日益紧张、环境污染严重、全球变暖、核能生产会产生核废料和污染环境等原因，能源和环境已成为21世纪人类所面临的重大问题。太阳能、风能、氢能、潮汐能和地热能等可再生能源(绿色能源)，具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点，其开发和利用越来越受到人们的重视，这对世界各国经济的持续发展具有相当重要的意义。太阳能、风能、氢能、潮汐能、地热能等可再生能源转化的直流电能通常是不稳定的，需要采用逆变器将其变换成交流电能供给负载使用或与交流电网并网发电。在以直流发电机、蓄电池、太阳能电池、燃料电池、风力机等为主直流电源的变换场合，逆变器具有广泛的应用前景。
目前，中大容量逆变场合通常采用传统的三相电压型PWM逆变器电路结构。这类逆变器正常工作时必须满足直流侧电压大于交流侧线电压的峰值，故存在一个明显的缺陷当直流侧电压(如光伏电池输出能力)降低时，如阴雨天或夜晚，整个发电系统将难以正常运行，系统的利用率下降。对此，常采用如下两种方法来解决(I)前级加Boost型直流变换器或高频隔离型DC-DC变换器，增加了功率变换级数、电路复杂性、损耗和成本；(2)输出加三相工频变压器，大大增加了系统的体积、重量和成本，难以适应铜铁原材料价格急剧上涨的今天。
因此，寻求一种桥臂无须设死区时间、高可靠性、单级电路结构的新型三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器已迫在眉睫。这对于有效地克服传统PWM变换器存在的桥臂须设死区时间、升压比不够大(非隔离型)、系统的体积重量大和成本高(输出加三相工频变压器)等缺陷，提高变换系统的输出波形质量、可靠性和降低输入侧EMI，拓宽电力电子学逆变技术和可再生能源发电技术理论，推动新能源发电产业的发展以及发展节能型与节约型社会均具有重要的意义。发明内容
本发明目的是要提供一种具有大升压比、单级功率变换、功率密度高、变换效率高、输出波形质量高、可靠性高、输入电压变化范围宽、成本低、适用于中大容量逆变场合等特点的单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器。
本发明的技术方案在于一种单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器，是由输入直流电源、大升压比阻抗网络、三相逆变桥、三相滤波器、三相交流负载或三相交流电网依序级联构成；所述的大升压比阻抗网络是由储能电感Ltl和依序级联的η个相同的3SLCC型二端口阻抗网络单元串联构成，其中η为大于I的自然数；每个SLCC型二端口阻抗网络单元，是由一个功率二极管S」、一个储能电感Lj、两个储能电容Cj和C/构成，功率二极管Sj的阴极与储能电感Lj的一端、储能电容Cj的正极性端相连接,储能电感Lj的另一端、功率二极管I的阳极分别与储能电容C/的正、负极性端相连接，储能电容的负极性端与输入直流电源的负极性端连接成公共端，功率二极管S」与储能电容C/的连接端和储能电容Cj的公共端构成了第j个SLCC型二端口阻抗网络单元的输入端口，储能电感Lj与储能电容C/的连接端和储能电容&的公共端构成了第j个SLCC型二端口阻抗网络单元的输出端口，功率二极管S1与储能电容C/的连接端和输入直流电源正极性端之间串联有储能电感U，其中j为不大于η的自然数；所述的三相逆变桥是由六个承受单向电压应力和双向电流应力的两象限功率开关构成。
本发明将“由三相逆变桥、三相滤波器、(三相工频变压器)级联构成的传统单级三相PWM变换器电路结构或多级级联PWM变换器电路结构”构建为“由大升压比阻抗网络、三相逆变桥和三相滤波器依序级联构成的单级电路结构”，首次提出了单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器新概念与电路结构，即通过提供依序级联的η个相同的SLCC型二端口阻抗网络单元，利用前级SLCC型二端口阻抗网络单元的输出作为后级SLCC型二端口阻抗网络单元的输入来提高逆变器的升压比。通过调节SLCC型二端口阻抗网络单元的阶数η和逆变器储能电感的充磁占空比Dtl=TcZTs来实现逆变器升压比的调节，其中Ts为高频开关周期时间，T0为三相逆变桥在一个Ts内的桥臂直通时间。
本发明的优点在于本发明能将不稳定的宽变化范围低压直流电单级变换成稳定、优质的三相正弦交流电，具有单级功率变换、功率密度高、变换效率高、升压比大、输出波形质量高、可靠性高、成本低等优点，适用于中大容量三相无源逆变和并网逆变场合。
图I.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器的电路结构。
图2.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器的原理波形。
图3.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器的电路拓扑实例一——三相 LC波式电路原理图。
图4.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器的电路拓扑实例二——三相 LCL滤波式电路原理图。
图5.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器储能电感在桥臂直通期间 D0Ts的充磁等效电路S1丨,S3 ; >S5 ;、S/ ,S6 ; ,S2 ;导通。
图6.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器储能电感在桥臂非直通期间 (I-Dtl) Ts模态O (000)时的祛磁等效电路一S/、S/ ,S2 ;导通和S/ ,S3 ;、S5 ,截止。
图7.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器储能电感在桥臂非直通期间 (I-Dtl) Ts模态1(001)时的祛磁等效电路一S4 ’、S5 ’、S6 ’导通和S1 ’、S2 ’、S3 ’截止。
图8.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器储能电感在桥臂非直通期间 (I-Dtl) Ts模态2 (010)时的祛磁等效电路一S^ ,S3 ;、S4 ,导通和S/、S5 ,、S/截止。
图9.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器储能电感在桥臂非直通期间 (I-Dtl)Ts模态3(011)时的祛磁等效电路一S^、S/ ,S5 ;导通和S/ ,S2 ;、S/截止。
图10.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器储能电感在桥臂非直通期间(I-Dtl) Ts模态4 (100)时的祛磁等效电路一S/ ,S2 ;、S/导通和、S/ ,S5 ;截止。
图11.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器储能电感在桥臂非直通期间(I-Dtl) Ts模态5 (101)时的祛磁等效电路一S/ ,S5 ;、S/导通和,S3 ;、S/截止。
图12.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器储能电感在桥臂非直通期间(I-Dtl) Ts模态6 (110)时的祛磁等效电路一S/、S2' ,S3 ;导通和S/ ,S5 ;、S/截止。
图13.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器储能电感在桥臂非直通期间(I-Dtl)Ts模态7(111)时的祛磁等效电路一S/ ,S3 ; >S5 ;导通和S/、S/ ,S2 ;截止。
图14.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器的控制原理框图。
图15.单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器的控制原理波形。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步描述。
单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器，是由输入直流电源、大升压比阻抗网络、三相逆变桥、三相滤波器、三相交流负载或三相交流电网依序级联构成；所述的大升压比阻抗网络是由储能电感Ltl和依序级联的η个相同的SLCC型二端口阻抗网络单元串联构成，其中η为大于I的自然数；每个SLCC型二端口阻抗网络单元，是由一个功率二极管 S」、一个储能电感Lp两个储能电容&和C/构成，功率二极管S」的阴极与储能电感Lj的一端、储能电容G的正极性端相连接，储能电感h的另一端、功率二极管S」的阳极分别与储能电容C/的正、负极性端相连接，储能电容G的负极性端与输入直流电源的负极性端连接成公共端，功率二极管S」与储能电容C/的连接端和储能电容的公共端构成了第j 个SLCC型二端口阻抗网络单元的输入端口，储能电感h与储能电容C/的连接端和储能电容Cj的公共端构成了第j个SLCC型二端口阻抗网络单元的输出端口，功率二极管S1与储能电容C/的连接端和输入直流电源正极性端之间串联有储能电感Ltl，其中j为不大于 η的自然数；所述的三相逆变桥是由六个承受单向电压应力和双向电流应力的两象限功率开关构成。
单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器电路结构与原理波形，分别如图I、2所示。图1、2中，Ui为输入直流电压，Z^ZlpZl。为三相输出无源负载阻抗，ua、ub、u。为三相输出无源负载阻抗的相电压或三相交流电网电压，ia、ib、i。为三相输出无源负载阻抗的相电流或三相交流电网电流，三相负载中点或三相交流电网中点引出的虚线为中线。大升压比阻抗网络是由储能电感Ltl和依序级联的η个相同的SLCC型二端口阻抗网络单元串联构成，其中η为大于I的自然数，每个SLCC型二端口阻抗网络单元是由一个功率二极管S」、 一个储能电感Lp两个储能电容&和C/构成；三相逆变桥是由六个能承受单向电压应力和双向电流应力的两象限功率开关构成；三相滤波器为三相LC滤波器(三相交流无源负载时)或三相LCL滤波器(三相交流电网负载时)；输入直流电源Ui与大升压比阻抗网络之间可设置或不设置输入滤波器，设置输入滤波器时能降低输入直流电流的脉动。当三相逆变桥桥臂直通时，输入直流电源Ui和所有的储能电容对储能电感U、!^、…Ln充磁，三相输出无源负载A。ZLb, Zlc或三相交流电网ua、ub, uc依靠三相滤波器维持供电；当三相逆变桥桥臂一个开关导通、另一个开关截止时，储能电感U、!^、祛磁且和输入直流电源Ui —起共同向所有的储能电容、三相输出无源负载或三相交流电网ua、ub、u。供电。大升压比阻抗网络和三相逆变桥将输入直流电压Ui调制成宽度相同、幅值按六倍输出频率正弦包络线规律变化的高频脉冲直流电压U1，三相逆变桥将U1逆变成幅值不同、脉宽按正弦规律变化的三相三态调制相电压u2a、u2b, U2。，经三相滤波后在三相交流无源负载上获得高质量的三相正弦相电压Ua、ub、u。或在三相交流电网上获得高质量的三相正弦相电流ia、ib、lco
本发明所述的单级三相逆变器，是利用依序级联的η个相同的SLCC型二端口阻抗网络单元并且前级二端口阻抗网络单元的输出为后级二端口阻抗网络单元的输入来提高逆变器升压比的单级电路结构，与单级三相电压型PWM逆变器或多级级联PWM逆变器电路结构存在着本质上的区别。因此，本发明所述的单级三相逆变器具有新颖性和创造性，并且具有变换效率高(意味着能量损耗小)、功率密度高(意味着体积、重量小)、升压比大(意味着变化范围更宽或更低的输入直流电压可变换成所需要的三相输出交流电压或三相输出电网电流)、输出波形失真度低、可靠性高、输入电压配制灵活、成本低、应用前景广泛等优点，是一种理想的节能降耗型三相逆变器，在大力倡导建设节能型、节约型社会的今天更具有重要价值。
单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器电路拓扑实施例，如图3、4所示。 图3为三相LC滤波式电路，适用于对输出波形质量要求较高的逆变场合；图4为三相LCL 滤波式电路，适用于对输出波形质量要求更高的逆变场合。图3、4所示电路中，三相逆变桥选用MOSFET器件，也可选用IGBT、GTR等器件。所述的单级三相逆变器能将一种不稳定的低压直流电(如蓄电池、光伏电池、燃料电池、风力机等)变换成所需的稳定、优质、高压的三相正弦交流电，广泛应用于中大容量、升压场合的民用工业逆变电源(如通讯逆变器和光伏并网逆变器 24VDC/380V50HzAC、48VDC/380V50HzAC、96VDC/380V50HzAC)和国防工业逆变电源(如航空静止变流器27VDC/200V400HzAC)等。
单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器的每个储能电感在一个高频开关周期Ts内充磁和祛磁各一次，充磁期间对应桥臂直通期间DtlTs，而祛磁期间对应桥臂非直通期间(I-Dtl)Ts (包括对交流侧输出能量、桥臂直通期间外的两个零矢量期间)。三相逆变桥的三个桥臂上、下管的驱动信号互补，若上管导通、截止时分别用“ 1”、“0”表示，则三相逆变桥有 O (000)、I (001) ,2(010) ,3(011) ,4(100)、5 (101)、6 (110) ,7(111)八种工作模态。其中，0(000)和7(111)两个模态为桥臂直通期间外的两个传统零矢量；而I (001)、2 (010)、 3(011),4(100),5(101),6(110)六个模态为有效矢量，这六个模态包括了 a、b、c三相输出电压正、负半周时的所有等效电路。所述的逆变器储能电感在桥臂直通期间DtlTs的充磁等效电路、桥臂非直通期间(I-Dtl)Ts的八个模态对应的祛磁等效电路，分别如图5、6、7、8、9、10、11、12、13所示。图中，输出电压ua、ub、u。的极性为参考方向，而各电流极性为实际方向。
设储能电容端电压在一个高频开关周期Ts内是恒定不变的，用^cr…' 表不；输入直流电源电流也就是储能电感Ltl的电流iM。由图5所示储能电感在桥臂直通期间DtlTs的充磁等效电路可得，
权利要求
1.一种单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器，其特征在于这种逆变器电路结构是由输入直流电源、大升压比阻抗网络、三相逆变桥、三相滤波器、三相交流负载或三相交流电网依序级联构成；所述的大升压比阻抗网络是由储能电感Ltl和依序级联的η个相同的SLCC型二端口阻抗网络单元串联构成，其中η为大于I的自然数；每个SLCC型二端口阻抗网络单元，是由一个功率二极管Sj、一个储能电感Lj、两个储能电容Cj和C/构成，功率二极管S」的阴极与储能电感h的一端、储能电容的正极性端相连接，储能电感h的另一端、功率二极管I的阳极分别与储能电容C/的正、负极性端相连接，储能电容的负极性端与输入直流电源的负极性端连接成公共端，功率二极管S」与储能电容C/的连接端和储能电容Cj的公共端构成了第j个SLCC型二端口阻抗网络单元的输入端口，储能电感Lj 与储能电容C/的连接端和储能电容&的公共端构成了第j个SLCC型二端口阻抗网络单元的输出端口，功率二极管S1与储能电容C/的连接端和输入直流电源正极性端之间串联有储能电感U，其中j为不大于η的自然数；所述的三相逆变桥是由六个承受单向电压应力和双向电流应力的两象限功率开关构成。
全文摘要
一种单级三相大升压比级联电压型准阻抗源逆变器电路结构，是由输入直流电源、大升压比阻抗网络、三相逆变桥、三相滤波器、三相交流负载或三相交流电网依序级联构成；所述的大升压比阻抗网络是由储能电感和依序级联的n个相同的SLCC型二端口阻抗网络单元串联构成，其中n为大于1的自然数；每个SLCC型二端口阻抗网络单元，是由一个功率二极管、一个储能电感、两个储能电容构成；所述的三相逆变桥是由六个两象限功率开关构成。这种逆变器能将不稳定的宽变化范围低压直流电单级变换成稳定、优质的三相正弦交流电，具有单级功率变换、功率密度高、变换效率高、升压比大、输出波形质量高、可靠性高、成本低等优点，适用于中大容量三相逆变场合。
文档编号H02M1/12GK102938620SQ201210501960
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者陈道炼 申请人:福州大学