一种基于新型开关电感单元的双向Z源逆变器的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于新型开关电感单元的双向z源逆变器。

背景技术：

高性能储能系统是微电网正常运行的关键，双向变流器是储能系统的核心。相比于两级式储能系统，单级式储能系统只有一级dc/ac环节，结构和控制简单。但是，传统的单级式储能系统采用传统电压源逆变器，只能进行降压逆变，为满足交流侧并网要求，交流侧需要增加升压变压器；而且，传统电压源逆变器需要加入死区时间，防止电压源短路，输出电压波形谐波含量高。

为解决以上问题，在传统z源逆变器具备单级升压能力、通过直通状态升压，不需加入死区时间。但是，传统z源逆变器升压能力低、启动冲击大，在非正常运行状态、不具备功率双向流动能力，不适用于储能系统。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明提供一种基于新型开关电感单元的双向z源逆变器。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为提供一种基于新型开关电感单元的双向z源逆变器，其特征在于：包括：第一开关电感单元、第二开关电感单元、直流电压源、第三功率开关管、第五电容、第六电容、第七电容以及逆变桥；

所述第五电容的负极分别与所述逆变桥输入端的负极和所述第一路开关电感的第二电容的负极连接，所述第五电容的正极分别与第三功率开关管的阳极和第二路开关电感的第三电容的负极连接，所述第六电容的负极分别与第三功率开关管的阴极和第一路开关电感的第一电容的正极连接，所述第六电容的正极分别与所述第二路开关电感的第四电容的正极和直流电压源的负极连接，所述第七电容与所述直流电压源并联，直流电压源的正极与逆变桥输入端的正极连接。

作为本发明的进一步改进，第一开关电感单元、第二开关电感单元、直流电压源、第三功率开关管、第五电容、第六电容、第七电容以及逆变桥；所述第五电容的负极分别与所述直流电压源的正极和所述第一路开关电感的第二电容的负极连接，所述第五电容的正极分别与第三功率开关管的阳极和第二路开关电感的第三电容的负极连接，所述第六电容的负极分别与第三功率开关管的阴极和所述第一路开关电感的第一电容的正极连接，所述第六电容的正极分别与所述第二路开关电感的第四电容的正极和所述逆变桥输入端的正极连接，所述第七电容与所述直流电压源并联，所述直流电压源的负极与所述逆变桥输入端负极连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一路开关电感单元包括：第一电感、第二电感、第一电容、第二电容以及第一功率开关管，其中，第一电感的一端分别与第一电容的负极和第一功率开关管的阴极连接，第一电感的另一端与第二电容的负极连接，第二电感的一端分别与第二电容的正极和第一功率开关管的阳极连接，第二电感的另一端与第一电容的正极连接；第二路开关电感单元包括第三电感、第四电感、第三电容、第四电容以及第二功率开关管，其中，第三电感的一端分别与第四电容的负极和第二功率开关管的阴极连接，第三电感的另一端与第三电容的负极连接，第四电感的一端分别与第三电容的正极和第二功率开关管的阳极连接，第二电感的另一端与第四电容的正极连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一路开关电感单元包括第一耦合电感、第一电容、第二电容以及第一功率开关管，其中，所述第一耦合电感包括第一绕组和第二绕组，所述第一绕组的异名端分别与所述第一电容的负极和所述第一功率开关管的阴极连接，所述第一绕组的同名端分别与所述第二电容的负极连接，所述第二绕组的同名端分别与所述第二电容的正极和所述第一功率开关管的阳极连接，所述第二绕组的异名端分别与所述第一电容的正极连接；所述第二路开关电感单元包括第二耦合电感、第三电容、第四电容以及第二功率开关管，其中，所述第二耦合电感包括第三绕组和第四绕组，第三绕组的异名端与第四电容的负极和第二功率开关管的阴极连接，第三绕组的同名端与第三电容的负极连接，第四绕组的同名端与第三电容的正极和第二功率开关管的阳极连接，第四绕组的异名端与第四电容的正极连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一功率开关管、第二功率开关管及第三功率开关管为电力mosfet管或为igbt管。

作为本发明的进一步改进，所述逆变桥为三相桥式逆变器，所述逆变桥的三相桥臂中由第四功率开关管和第五功率开关管串联构成第一相桥臂，第六功率开关管和第七功率开关管串联构成第二相桥臂，第八功率开关管和第九功率开关管串联构成第三相桥臂；其中，第四功率开关管、第六功率开关管和第八功率开关管的阳极与所述逆变桥输入端的正极连接，第五功率开关管、第七功率开关管、第九功率开关管的阴极与逆变桥输入端的负极连接。

本发明的有益效果是：相比于传统z源逆变器，具有单级高升压增益、启动冲击电流小、z源电容电压应力小、不存在非正常运行状态、具备能量双向流动能力等优点，且适用于单级式储能系统。

附图说明

图1为本发明第一种实施例的电路结构图；

如图2a、图2b、图2c、图2d、图2e、图2f和图2g为图1显示的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器的逆变工作的7种模态图；

图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f和图3g为图1显示的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器的整流工作的7种模态图；

图4为图1显示的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器的非直通等效电路图；

图5为图1显示的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器的直通等效电路图；

图6为图1显示的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器的仿真波形图；

图7-1和图7-2为图1显示的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器的仿真波形图；

图8为本发明的第二种实施例的电路结构图；

图9为本发明的第三种实施例电路结构图；

图10为本发明的第四种实施例的电路结构图。

图中标号说明：udc-直流输入电压；ui-直流链电压；iload-负载电流；il-电感l1、l2、l3、l4电流；iabc-交流侧三相相电流；ea-并网交流相电压。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1

如图1所述的一种基于新型开关电感单元的双向z源逆变器包括双向z源网络和逆变桥，基于新型开关电感单元的双向z源逆变器输入端接直流电压源，输出端采用lc滤波。在本实施例中，将常规z源结构中的第一、第二电感用两路新型开关电感单元代替。具体如图1所示，在本实施例1中，本发明的z源逆变器由：第一开关电感单元20、第二开关电感单元21、直流电压源1、第三功率开关管sz、第五电容cz1、第六电容cz2、第七电容c以及逆变桥3组成。

详细参看图1所示的电路图中，第五电容cz1的负极分别与逆变桥输入端负极和第一路开关电感的第二电容c2的负极连接，第五电容cz1的正极与第三功率开关管sz的阳极和第二路开关电感的第三电容c3的负极连接，第六电容cz2的负极与第三功率开关管sz的阴极和第一路开关电感的第一电容c1的正极连接，第六电容cz2的正极分别与第二路开关电感的第四电容c4的正极和直流电压源的负极连接，电容c与直流电压源并联，直流电压源1的正极与逆变桥3输入端的正极连接。

其中，第一路开关电感单元20包括：第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2以及第一功率开关管s1，其中，第一电感l1的一端分别与第一电容c1的负极和第一功率开关管s1的阴极连接，第一电感l1的另一端与第二电容c2的负极连接，第二电感l2的一端分别与第二电容c2的正极和第一功率开关管s1的阳极连接，第二电感l2的另一端与第一电容c1的正极连接；

第二路开关电感单元21包括第三电感l3、第四电感l4、第三电容c3、第四电容c4以及第二功率开关管s2，其中，第三电感l3的一端分别与第四电容c4的负极和第二功率开关管s2的阴极连接，第三电感l3的另一端与第三电容c3的负极连接，第四电感l4的一端分别与第三电容c3的正极和第二功率开关管s2的阳极连接，第二电感l2的另一端与第四电容c4的正极连接。

优选的，在图1所示的实施例1中，逆变桥3优选为三相桥式逆变器，其三相桥臂中由第四功率开关管sa1和第五功率开关管sa2串联构成第一相桥臂，第六功率开关管sb1和第七功率开关管sb2串联构成第二相桥臂，第八功率开关管sc1和第九功率开关管sc2串联构成第三相桥臂；其中，第四功率开关管sa1、第六功率开关管sb1、第八功率开关管sc1的阳极与逆变桥3输入端的正极连接，第五功率开关管sa2、第七功率开关管sb2、第九功率开关管sc2的阴极与逆变桥3输入端的负极连接。

在本实施例中第一相桥臂、第二相桥臂和第三相桥臂的桥臂中点为逆变器的输出端，输出端串联三相lc滤波器，三相负载与滤波电容并联。

本实施例1的工作原理是：

为简化原理及分析过程说明，假设z源网络左右对称，将逆变桥等效为电流源。

(a)将本实施例的逆变工作模态包括如图2a、图2b、图2c、图2d、图2e、图2f和图2g所示的7种模态(图2a至2g中同时用箭头标注了各个模态的电流状况)，具体是：

图2a为模态1：逆变器工作在传统零状态，iload＝0，电感l1、l2、l3、l4分别给第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容cz1、第六电容cz2充电，电感电流il下降；

图2b为模态2：逆变器工作在有效状态，iload＞0，电感电流il继续下降；

图2c为模态3：电感电流il持续下降，在模态2末端，电感电流il＝0.75iload，即流过第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管sz的电流is＝0。由于第一功率开关管s1、第二功率开关管s2和第三功率开关管sz开通，电流is反向流动，电流il继续下降，第七电容c、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容cz1、第六电容cz2放电，直流链电压峰值维持稳定，消除非正常运行状态；

图2d为模态4：电感电流il继续下降，在模态3末端，电流il下降到零，开始反向增大，第七电容c、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容cz1、第六电容cz2放电；

图2e为模态5：逆变器工作在传统零状态，iload＝0，第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容cz1、第六电容cz2给第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4充电，电感电流il继续反向增大

图2f和图2g为逆变直通状态：直通状态有两种情况。第一种情况，第七电容c、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容cz1、第六电容cz2放电，给第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4充电，电感电流il正向增大；第二种情况，如图2g所示，第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4给第七电容c、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容cz1、第六电容cz2充电，电感电流il反向减小，当电感电流il反向减小到零，进入直通状态第一种情况。

(b)本发明的所有可能的整流工作模态包括以下如图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f和图3g所示的7种：

图3a为模态1：逆变器工作在传统零状态，iload＝0，第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4分别给电容第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容cz1、第六电容cz2充电，电感电流il下降；

图3b为模态2：逆变器工作在有效状态，iload＜0，第七电容c、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容cz1、第六电容cz2充电，电感电流il下降；

图3c为模态3：电感电流il持续下降，在模态2末端，电流il下降到零，开始反向增大；

图3d为模态4：电感电流il继续下降，在模态3末端，电感电流il＝0.75iload，即流过第一功率开关管s1、第二功率开关管s2和第三功率开关管sz的电流is＝0。由于第一功率开关管s1、第二功率开关管s2和第三功率开关管sz开通，is反向流动；

图3e为模态5：逆变器工作在传统零状态，iload＝0，第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容cz1、第六电容cz2给电感第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4充电，电感电流il继续反向增大；

图3f和图3g为整流直通状态：整流模态直通状态与逆变模态直通状态相同。

综上所述，本发明提供的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器消除了非正常运行状态，具备功率双向流动能力。

稳态时，非直通等效电路如图4所示，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2和第三功率开关管sz开通，根据kvl得到：

ul＝-uc，2ul＝-ucz，ui＝udc+4uc

稳态时，直通等效电路如图5所示，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2和第三功率开关管sz关断，根据kvl得到：

ul＝udc+3uc，ucz＝2uc，ui＝0

再根据伏秒平衡原理，在一个开关周期ts时间内，z源电感电压为0，得：

ucz＝2uc

式中，d0为直通占空比；ul为第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4电压；uc为第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4电压；ucz为第五电容cz1、第六cz2电压。

采用本实施例提供的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器进行仿真实验，得到以下结果：当直流输入电压udc＝300v，直通占空比d0＝1/7，在200ms时，外部给定有功功率从7.5kw阶跃到-7.5kw的仿真波形如图6所示。从图中可以看出，在200ms时，三相电流反向，验证本发明提出的拓扑具备功率双向流动能力，直流链电压无冲击启动。

当直流输入电压udc＝300v，直通占空比d0＝1/7，功率因数设置为0.16时的仿真波形如图7所示。从图中可以看出，直流链电压峰值稳定，逆变器工作在正常运行状态。可见，本发明所述的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器具有以下优点：单级高升压增益、可实现无冲击启动、不存在非正常运行状态、具备功率双向流动能力。

实施例2

如图8所示的为本发明提供的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器第二种实施方式，其包括双向z源网络和逆变桥。

具体的说，本实施例提供的z源结构包括：两路新型开关电感单元、直流电压源、第三功率开关管sz、第五电容cz1、第六电容cz2以及第七电容c；其中，第五电容cz1的负极分别与逆变桥输入端负极和第一路开关电感的第二电容c2的负极连接，第五电容cz1的正极分别与第三功率开关管sz的阳极和第二路开关电感的第三电容c3的负极连接，第六电容cz2的负极与第三功率开关管sz的阴极和第一路开关电感的第一电容c1的正极连接，第六电容cz2的正极分别与第二路开关电感的第四电容c4的正极和直流电压源的负极连接，第七电容c与直流电压源并联，直流电压源的正极与逆变桥输入端正极连接。

在图8中的第一路开关电感单元包括第一耦合电感、第一电容c1、第二电容c2以及第一功率开关管s1，其中，第一耦合电感包括第一绕组l1和第二绕组l2，第一绕组l1的异名端与第一电容c1的负极和第一功率开关管s1的阴极连接，第一绕组l1的同名端与第二电容c2的负极连接，第二绕组l2的同名端与第二电容c2的正极和第一功率开关管s1的阳极连接，第二绕组l2的异名端与第一电容c1的正极连接；所述的第二路开关电感单元包括第二耦合电感、第三电容c3、第四电容c4以及第二功率开关管s2，其中，第二耦合电感包括第三绕组l3和第四绕组l4，第三绕组l3的异名端与第四电容c4的负极和第二功率开关管s2的阴极连接，第三绕组l3的同名端与第三电容c3的负极连接，第四绕组l4的同名端与第三电容c3的正极和第二功率开关管s2的阳极连接，第四绕组l4的异名端与第四电容c4的正极连接。

本实施例中采用的逆变桥结构包括：三相桥臂，第四功率开关管sa1和第五功率开关管sa2串联构成第一相桥臂，第六功率开关管sb1和第七功率开关管sb2串联构成第二相桥臂，第八功率开关管sc1和第九功率开关管sc2功率开关管串联构成第三相桥臂；其中，第四功率开关管sa1、第六功率开关管sb1和第八功率开关管sc1功率开关管的阳极与逆变桥输入端正极连接，第五功率开关管sa2、第七功率开关管sb2和第九功率开关管sc2功率开关管的阴极与逆变桥输入端负极连接。

在本实施里中，第一相桥臂、第二相桥臂和第三相桥臂的桥臂中点为逆变器输出端，输出端串联三相lc滤波器，三相负载与滤波电容并联。

实施例3

如图9所示的为本发明提供的第三种实施方式，其包括双向z源网络和逆变桥。

具体的说，本实施例提供的z源结构包括：第一开关电感单元20、第二开关电感单元21、直流电压源1、第三功率开关管sz、第五电容cz1、第六电容cz2、第七电容c以及逆变桥3组成。其中，第五电容cz1的负极与直流电压源的正极和第一路开关电感的第二电容c2的负极连接，第五电容cz1的正极与第三功率开关管sz的阳极和第二路开关电感的第三电容c3的负极连接，第六电容cz2的负极与第三功率开关管sz的阴极和第一路开关电感的第一电容c1的正极连接，第六电容cz2的正极与第二路开关电感的第四电容c4的正极和逆变桥输入端的正极连接，第七电容c与直流电压源并联，直流电压源的负极与逆变桥输入端负极连接。

在图9中的第一路开关电感单元20包括：第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2以及第一功率开关管s1，其中，第一电感l1的一端与第一电容c1的负极和第一功率开关管s1的阴极连接，第一电感l1的另一端与第二电容c2的负极连接，第二电感l2的一端与第二电容c2的正极和第一功率开关管s1的阳极连接，第二电感l2的另一端与第一电容c1的正极连接；

在图9中的第二路开关电感单元21包括第三电感l3、第四电感l4、第三电容c3、第四电容c4以及第二功率开关管s2，其中，第三电感l3的一端与第四电容c4的负极和第二功率开关管s2的阴极连接，第三电感l3的另一端与第三电容c3的负极连接，第四电感l4的一端与第三电容c3的正极和第二功率开关管s2的阳极连接，第二电感l2的另一端与第四电容c4的正极连接。

实施例4

如图10所示的一种基于新型开关电感单元的双向z源逆变器，为本发明提供的另一种实施方式，其包括双向z源网络和逆变桥。

具体的说，本实施例提供的z源结构包括：第一开关电感单元20、第二开关电感单元21、直流电压源1、第三功率开关管sz、第五电容cz1、第六电容cz2、第七电容c以及逆变桥3组成。其中，第五电容cz1的负极与直流电压源的正极和第一路开关电感的第二电容c2的负极连接，第五电容cz1的正极与第三功率开关管sz的阳极和第二路开关电感的第三电容c3的负极连接，第六电容cz2的负极与第三功率开关管sz的阴极和第一路开关电感的第一电容c1的正极连接，第六电容cz2的正极与第二路开关电感的第四电容c4的正极和逆变桥输入端的正极连接，第七电容c与直流电压源并联，直流电压源的负极与逆变桥输入端负极连接。

在图10中的第一路开关电感单元20包括第一耦合电感、第一电容c1、第二电容c2以及第一功率开关管s1，其中，第一耦合电感包括第一绕组l1和第二绕组l2，第一绕组l1的异名端与第一电容c1的负极和第一功率开关管s1的阴极连接，第一绕组l1的同名端与第二电容c2的负极连接，第二绕组l2的同名端与第二电容c2的正极和第一功率开关管s1的阳极连接，第二绕组l2的异名端与第一电容c1的正极连接。

在图10中的第二路开关电感单元21包括第二耦合电感、第三电容c3、第四电容c4以及第二功率开关管s2，其中，第二耦合电感包括第三绕组l3和第四绕组l4，第三绕组l3的异名端与第四电容c4的负极和第二功率开关管s2的阴极连接，第三绕组l3的同名端与第三电容c3的负极连接，第四绕组l4的同名端与第三电容c3的正极和第二功率开关管s2的阳极连接，第四绕组l4的异名端与第四电容c4的正极连接。

实施例2、实施例3和实施例4的逆变桥的结构相同，而实施例2、实施例3和实施例4的分析过程和方法与实例1相同。此外，还可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

综上所述，本发明的基于新型开关电感单元的双向z源逆变器相比于传统z源逆变器，具有单级高升压增益、启动冲击电流小、z源电容电压应力小、不存在非正常运行状态、具备能量双向流动能力等优点，且适用于单级式储能系统。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。