具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器的制作方法

本发明所涉及的一种具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器，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：(1)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具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器已迫在眉睫。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。

技术实现要素：

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具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器。

本发明的技术方案在于：一种具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器，是由输入直流电源、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，并且在输入直流电源与三相逆变桥之间串联有磁集成开关感容网络；所述的磁集成开关感容网络是由储能电感L0和依序级联的两个相同的SLCC型二端口开关感容网络单元级联构成；每个SLCC型二端口开关感容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Cj′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的另一端与储能电容Cj′的正极性端相连接，功率二极管Sj的阳极与储能电容Cj′的负极性端相连接，储能电容C2的负极性端与第一级SLCC型二端口开关感容网络单元的储能电容C1的正极性端相连接，功率二极管Sj与储能电容Cj′的连接端和储能电容Cj的负极性端构成了第j个SLCC型二端口开关感容网络单元的输入端口，储能电感Lj与储能电容Cj′的连接端和储能电容Cj的正极性端构成了第j个SLCC型二端口开关感容网络单元的输出端口，输入直流电源正极性与储能电容C1负极性的连接端和功率二极管S1与储能电容C1′的连接端之间连接有储能电感L0，储能电感L2与储能电容C2′的连接端和三相逆变桥的正母线端相连接，其中j＝1、2；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；所述磁集成开关感容网络中三个储能电感L0、L1、L2的磁集成结构为三个电感磁耦合、三个电感磁解耦、一个电感分别与其余两个电感磁耦合结构，三个储能电感L0、L1、L2间的互感分别用M01、M12、M20表示；所述的三个电感磁耦合结构采用EE型磁芯，三个电感线圈均绕在磁芯无气隙或有气隙的中柱上，而磁芯有气隙的两个边柱上无绕组，互感M01＝M12＝M20；所述的三个电感磁解耦结构采用四柱型磁芯，三个电感线圈分别绕在磁芯有气隙的三个柱上，而磁芯第四个柱上无气隙且无绕组，互感M01＝M12＝M20＝0；所述的一个电感分别与其余两个电感磁耦合结构采用EE型磁芯，电感线圈N1的一半和电感线圈N0绕在磁芯有气隙的一个边柱上，电感线圈N1的另一半和电感线圈N2绕在磁芯有气隙的另一个边柱上，而磁芯无气隙或有气隙的中柱上无绕组，互感M01＝M12>>M20。

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“由磁集成开关感容网络与依序级联的三相逆变桥、三相滤波器串联构成的单级电路结构”，首次提出了具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器新概念与电路结构，即通过提供依序级联的两个相同的SLCC型二端口开关感容网络单元，利用第一级SLCC型二端口开关感容网络单元的输出作为第二级SLCC型二端口开关感容网络单元的输入来提高逆变器的升压比，磁集成开关感容网络中三个储能电感L0、L1、L2的磁集成结构为三个电感磁耦合、三个电感磁解耦、一个电感分别与其余两个电感磁耦合结构。通过增加SLCC型二端口开关感容网络单元的级数和逆变器储能电感的充磁占空比D0＝T0/TS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、三个储能电感磁集成、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。

附图说明

图1.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器的电路结构。

图2.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器的原理波形。

图3.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器的电路拓扑实例一——三相LC波式电路原理图。

图4.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器的电路拓扑实例二——三相LCL滤波式电路原理图。

图5.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器储能电感在桥臂直通期间D0TS的充磁等效电路---S1＇、S3＇、S5＇、S4＇、S6＇、S2＇导通。

图6.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器储能电感在桥臂非直通期间(1-D0)TS模态0(000)时的祛磁等效电路--S4＇、S6＇、S2＇导通和S1＇、S3＇、S5＇截止。

图7.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器储能电感在桥臂非直通期间(1-D0)TS模态1(001)时的祛磁等效电路--S4＇、S5＇、S6＇导通和S1＇、S2＇、S3＇截止。

图8.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器储能电感在桥臂非直通期间(1-D0)TS模态2(010)时的祛磁等效电路--S2＇、S3＇、S4＇导通和S1＇、S5＇、S6＇截止。

图9.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器储能电感在桥臂非直通期间(1-D0)TS模态3(011)时的祛磁等效电路--S3＇、S4＇、S5＇导通和S1＇、S2＇、S6＇截止。

图10.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器储能电感在桥臂非直通期间(1-D0)TS模态4(100)时的祛磁等效电路--S1＇、S2＇、S6＇导通和S3＇、S4＇、S5＇截止。

图11.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器储能电感在桥臂非直通期间(1-D0)TS模态5(101)时的祛磁等效电路--S1＇、S5＇、S6＇导通和S2＇、S3＇、S4＇截止。

图12.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器储能电感在桥臂非直通期间(1-D0)TS模态6(110)时的祛磁等效电路--S1＇、S2＇、S3＇导通和S4＇、S5＇、S6＇截止。

图13.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器储能电感在桥臂非直通期间(1-D0)TS模态7(111)时的祛磁等效电路--S1＇、S3＇、S5＇导通和S4＇、S6＇、S2＇截止。

图14.磁集成开关感容网络中三个储能电感L0、L1、L2的磁耦合结构。

图15.磁集成开关感容网络中三个储能电感L0、L1、L2的磁解耦结构。

图16.磁集成开关感容网络中储能电感L1分别与储能电感L0、L2的磁耦合结构。

图17.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器的控制原理框图。

图18.具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型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。

具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器，是由输入直流电源、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，并且在输入直流电源与三相逆变桥之间串联有磁集成开关感容网络；所述的磁集成开关感容网络是由储能电感L0和依序级联的两个相同的SLCC型二端口开关感容网络单元级联构成；每个SLCC型二端口开关感容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Cj′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的另一端与储能电容Cj′的正极性端相连接，功率二极管Sj的阳极与储能电容Cj′的负极性端相连接，储能电容C2的负极性端与第一级SLCC型二端口开关感容网络单元的储能电容C1的正极性端相连接，功率二极管Sj与储能电容Cj′的连接端和储能电容Cj的负极性端构成了第j个SLCC型二端口开关感容网络单元的输入端口，储能电感Lj与储能电容Cj′的连接端和储能电容Cj的正极性端构成了第j个SLCC型二端口开关感容网络单元的输出端口，输入直流电源正极性与储能电容C1负极性的连接端和功率二极管S1与储能电容C1′的连接端之间连接有储能电感L0，储能电感L2与储能电容C2′的连接端和三相逆变桥的正母线端相连接，其中j＝1、2；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；所述磁集成开关感容网络中三个储能电感L0、L1、L2的磁集成结构为三个电感磁耦合、三个电感磁解耦、一个电感分别与其余两个电感磁耦合结构，三个储能电感L0、L1、L2间的互感分别用M01、M12、M20表示；所述的三个电感磁耦合结构采用EE型磁芯，三个电感线圈均绕在磁芯无气隙或有气隙的中柱上，而磁芯有气隙的两个边柱上无绕组，互感M01＝M12＝M20；所述的三个电感磁解耦结构采用四柱型磁芯，三个电感线圈分别绕在磁芯有气隙的三个柱上，而磁芯第四个柱上无气隙且无绕组，互感M01＝M12＝M20＝0；所述的一个电感分别与其余两个电感磁耦合结构采用EE型磁芯，电感线圈N1的一半和电感线圈N0绕在磁芯有气隙的一个边柱上，电感线圈N1的另一半和电感线圈N2绕在磁芯有气隙的另一个边柱上，而磁芯无气隙或有气隙的中柱上无绕组，互感M01＝M12>>M20。

具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器电路结构与原理波形，分别如图1、2所示。图1、2中，Ui为输入直流电压，ZLa、ZLb、ZLc为三相输出无源负载阻抗，ua、ub、uc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、ic为三相输出无源负载阻抗的相电流或三相交流电网电流。磁集成开关感容网络是由储能电感L0和依序级联的两个相同的SLCC型二端口开关感容网络单元级联构成，每个SLCC型二端口开关感容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Cj′构成，磁集成开关感容网络中三个储能电感L0、L1、L2的磁集成结构为三个电感磁耦合、三个电感磁解耦、一个电感分别与其余两个电感磁耦合结构；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与磁集成开关感容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L0、L1、L2充磁，三相输出无源负载ZLa、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L0、L1、L2祛磁且和输入直流电源Ui一起共同向所有的储能电容、三相输出无源负载ZLa、ZLb、ZLc或三相交流电网ua、ub、uc供电。磁集成开关感容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、u2c，经滤波后在三相无源负载上获得优质三相正弦相电压ua、ub、uc或在三相电网上获得优质三相正弦相电流ia、ib、ic。

本发明所述的具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器，是利用依序级联的两个相同的SLCC型二端口开关感容网络单元并且第一级二端口开关感容网络单元的输出为第二级二端口开关感容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，本发明所述单级三相逆变器具有新颖性和创造性，且具有效率高(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的三相输出交流电压或三相输出电网电流)、三个储能电感磁集成、输出波形THD低、可靠性高、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。

具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型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。

具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型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D0TS，而祛磁期间对应桥臂非直通期间(1-D0)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0(000)、1(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1(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D0TS的充磁等效电路、桥臂非直通期间(1-D0)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、uc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UC1、UC2、Uc′1、Uc′2表示。由图5所示储能电感在桥臂直通期间D0TS的充磁等效电路可得，

由图6、7、8、9、10、11、12、13所示储能电感在桥臂非直通期间(1-D0)TS的八个模态对应的祛磁等效电路可得，

设三相逆变桥直流侧的电压幅值为U1，可得补充方程

Ui+UC1+U′C1+U′C2＝U1 (3.1)

Ui+UC1+UC2+U′C2＝U1 (3.2)

根据状态空间平均法，式(1)×D0+式(2)×(1-D0)，令联合式(3)得，磁集成开关感容网络储能电容电压值UC1、UC2、Uc′1、Uc′2为

三相逆变桥直流侧的电压幅值U1为

式(5)中，3D0＜1，即D0＜1/3。设三相逆变桥的调制系数为M(0＜M≤1-D0)，则具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器的电压传输比(输出相电压ua、ub、uc与输入电压Ui之比)为

由式(6)可知，所述三相逆变器的电压传输比大于传统单级三相电压型PWM逆变器的电压传输比M/2，且在不同的M和D0值时电压传输比存在小于、等于和大于1三种情形。当M/2＞1-3D0时，所述变换器的电压传输比大于1，从而体现出其优越性，这种变换器的大升压比是通过增加磁集成开关感容网络的单元级数来实现的。

图3、4所示磁集成开关感容网络中三个储能电感L0、L1、L2的磁集成结构为三个电感磁耦合、三个电感磁解耦、一个电感分别与其余两个电感磁耦合结构，如图14、15、16和表1所示。

表1三种磁集成结构方案比较

图14所示三个储能电感L0、L1、L2磁耦合结构采用EE型磁芯实现，三个储能电感线圈N0、N1、N2均绕在磁芯无气隙的中柱上(如铁氧体磁芯)或有气隙的中柱上(如磁粉芯磁芯)，而磁芯有气隙的两个边柱上无绕组，三个储能电感线圈N0、N1、N2中的电流iL0、iL1、iL2产生的磁通链ΨL0、ΨL1、ΨL2均为Ψ，中柱磁通链为3Ψ，两个边柱磁通链为3Ψ/2，三个储能电感L0、L1、L2间的互感M01＝M12＝M20。由式(4)得

此时有

uab＝ucd＝uef＝u (8)

考虑到

由于L0＝L1＝L2＝L，M01＝M12＝M20＝M，所以有

等效电感为

L0eq＝L1eq＝L2eq＝L+2M (11)

令则k01＝k12＝k20＝k，有

L0eq＝L1eq＝L2eq＝L(1+2k) (12)

由于0<k<1，则有

L0eq＝L1eq＝L2eq＝L(1+2k)＞L (13)

图15所示三个储能电感L0、L1、L2磁解耦结构采用四柱型磁芯实现，三个储能电感线圈N0、N1、N2分别绕在磁芯有气隙的三个柱上，而磁芯第四个柱上无气隙且无绕组，三个储能电感线圈N0、N1、N2中的电流iL0、iL1、iL2产生的磁通链ΨL0、ΨL1、ΨL2均为Ψ，三个有气隙柱和第四个无气隙柱上的磁通链均为Ψ，三个储能电感L0、L1、L2磁解耦即三个储能电感间的互感M01＝M12＝M20＝0。所以感量不变，三个储能电感的等效电感量仍分别为L0、L1、L2。

图16所示储能电感L1分别与储能电感L0、L2磁耦合结构采用EE型磁芯实现，储能电感线圈N1的一半和储能电感线圈N0绕在磁芯有气隙的一个边柱上，储能电感线圈N1的另一半和储能电感线圈N2绕在磁芯有气隙的另一个边柱上，而磁芯无气隙中柱上无绕组(如铁氧体磁芯)或有气隙中柱上无绕组(如磁粉芯磁芯)，三个储能电感线圈N0、N1、N2中的电流iL0、iL1、iL2产生的磁通链ΨL0、ΨL1、ΨL2，两个有气隙的边柱上的磁通链ΨL0+ΨL1与ΨL1+ΨL2相等，中柱上磁通链为零，三个储能电感L0、L1、L2间的互感M01＝M12>>M20，对于中柱无气隙的铁氧体等磁芯，M20≈0。由式(8)、(9)，考虑到L0＝L2,M01＝M12，则化简后得

解得

三个储能电感L0、L1、L2的等效电感分别为

令耦合系数则

令式(17.1)＞L0，式(17.2)＞L1，得

所以，k01的取值为

当M20＝0，即k20＝0时

若N0＝N1＝N2，即L0＝L2＝2L1，则

具有串联磁集成开关感容网络的单级三相电压型逆变器只有单级功率变换环节，其控制系统需要实现磁集成开关感容网络的储能电容电压和输出电压(并网电流)的控制，光伏电池供电时还需要实现光伏电池的最大功率点跟踪控制MPPT。因此，这种三相逆变器采用具有磁集成开关感容网络储能电容电压前馈控制的三相输出电压或三相并网电流瞬时值整流滤波反馈SPWM控制策略，如图17、18所示。三相输出电压或三相并网电流瞬时值整流滤波反馈SPWM控制策略用来调节变换系统的调制比M，而磁集成开关感容网络储能电容电压UC2前馈控制策略用来调节变换系统的直通占空比D0。三相输出电压或三相并网电流瞬时值整流滤波反馈信号Uof与基准电压Ur比较、误差放大后得到用来控制三相参考正弦波uar、ubr、ucr幅值的信号(表征正弦调制比信号M),储能电容电压反馈信号UC2f与储能电容电压基准信号UC2r比较、误差放大后得到信号ud(表征直通占空比信号D0)；uar、ubr、ucr、ud及其反相信号分别与三角形载波uc交截并经适当的逻辑电路后输出三相逆变桥S1′、S3′、S5′、S4′、S6′、S2′的控制信号。当输入电压Ui变化时，通过调节直通占空比信号D0来实现储能电容电压UC2的稳定；当输出负载ZL发生变化时，通过调节正弦调制比信号M来实现输出电压uo的稳定。因此，所述的单级三相逆变器采用具有磁集成开关感容网络储能电容电压前馈控制的三相输出电压或三相并网电流瞬时值整流滤波反馈SPWM控制策略是切实可行的。